Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

Zweijahresbericht
GeoForschungsZentrum Potsdam
in der Helmholtz-Gemeinschaft
2004/2005
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Inhaltsverzeichnis
Vorwort III
Einleitung V
Aus der wissenschaftlichen Arbeit
GITEWS: das Tsunami-Frühwarnsystem für den Indischen Ozean 1
Das Bam-Erdbeben 2003: Präzise Herdparameterbestimmung mit Hilfe der
differentiellen Radar-Interferometrie 11
D-INSAR-Forschung in China: Monitoring und Analyse von Absenkungen und Hangrutschungen 21
Prozesse, die die Anden formten – Zwölf Jahre SFB 267 29
„Inkaba ye Africa“: dem dynamischen System Erde auf der Spur 47
CHAMP und GRACE – erfolgreiche Schwerefeld- und Klimamissionen 53
A Comprehensive View of the Earth's Magnetic Field from Ground and Space Observations 63
CONTINENT – Der Baikalsee, ein aussergewöhnliches kontinentales Klimaarchiv 77
Seismische Vorauserkundung im Tunnelbau mit konvertierten Oberflächenwellen 97
Technologieentwicklung im In situ-Geothermielabor Groß Schönebeck 103
Hochdruck-Mineralphysik mit Synchrotron-Strahlung – ein Zugang zu den Bedingungen
des tiefen Erdinneren 113
Neue experimentelle Entwicklungen an der GFZ-Ionensonde zur quantitativen Bestimmung
volatiler Elemente 135
Risikokarten für Deutschland: erste Ergebnisse vom „Center for Disaster Management and
Risk Reduction Technologies“ (CEDIM) 141
Das Industrie-Partnerschaftprogramm (IPP): Internationale Kooperation zur Erforschung
von Kohlenwasserstoffsystemen 153
Die Departments
Dep. 1 Geodäsie und Fernerkundung 165
Dep. 2 Physik der Erde 215
Dep. 3 Geodynamik 271
Dep. 4 Chemie der Erde 299
Dep. 5 Geoengineering 373
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I

II
Gremien des GFZ Potsdam 409
Organisation, Verwaltung, Zentrale Dienste 410
Personal- und Sozialwesen
Haushalt und Finanzen
Bibliothek des Wissenschaftsparks „Albert Einstein“
Daten- und Rechenzentrum
ICDP Operational Support Group
Das „Einstein-Jahr“ 2005 in Potsdam
Auszeichnungen und Ehrungen 432
Habilitationen, Promotionen 433
Ausgewählte Publikationen 435
Patente 2004 – 2005 448
Glossar 449
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Vorwort
Der vorliegende Zweijahresbericht über den Zeitraum 2004/05 wendet sich in erster Linie an die Mitglieder des Kuratoriums
und des Wissenschaftlichen Beirats sowie an die Zuwendungsgeber und die zuständigen parlamentarischen
Gremien. Darüber hinaus soll er aber auch die wissenschaftlich interessierte Öffentlichkeit über das GeoForschungs-
Zentrum Potsdam (GFZ), seine Ziele und seine Forschungsaktivitäten informieren.
Mit dem Jahr 2004 wurde die Finanzierung der Helmholtz-Gemeinschaft in den Forschungsbereichen (FB) „Erde und
Umwelt“ sowie „Energie“ auf die Programmorientierte Förderung umgestellt. Das GFZ Potsdam hat die Federführung
im Programm 1 Geosystem: Erde im Wandel im FB „Erde und Umwelt“, ist am Programm 2 Atmosphäre und Klima
mit seinen Arbeiten zur GPS-Atmosphärensondierung beteiligt und kooperiert mit dem AWI/GKSS im Programm 3
Polare, Marine und Küstensysteme. Am Programm „Erneuerbare Energien“ im FB „Energie“ beteiligt sich das GFZ
mit dem Programmthema Geothermische Technologien.
Das zentrale Ereignis im Berichtszeitraum war die Tsunami-Katastrophe vom 26. Dezember 2004, bei der über eine
Viertelmillion Menschen ihr Leben verloren haben. Unter Federführung des GFZ Potsdam hat das Helmholtz-Forschungsnetzwerk
EOS (Integrated Earth Observing System) der vier Helmholtz-Zentren AWI, DLR, GFZ und GKSS
zusammen mit dem Konsortium Deutsche Meeresforschung (KDM), der Bundesanstalt für Geowissenschaften und
Rohstoffe (BGR) sowie weiteren Einrichtungen bereits Anfang Januar 2005 ein Konzept zum Aufbau eines Tsunami-
Frühwarnsystems für den Indischen Ozean vorgelegt. Mit der Umsetzung dieser FuE-Initiative, die mit insgesamt ca.
45 Mio. € aus Mitteln der Bundesregierung für die Tsunami-Hilfe ausgestattet ist, wurde im April 2005 begonnen.
Im November 2005 wurde das vom GFZ Potsdam koordinierte und geleitete Internationale Kontinentale Bohrprogramm
ICDP von einem internationalen Expertengremium evaluiert und insgesamt hervorragend bewertet. Größere
Bohrprojekte im Berichtszeitraum mit einer starken GFZ-Beteiligung waren u. a. die Erbohrung der San Andreas-Störungszone
bei Parkfield, ein Bohrprojekt im Lake Bosumtwi, einem Meteoriteneinschlagskrater in Ghana, sowie das
Lake Qinghai Drilling Projekt in Tibet, China. Bereits Ende März 2005 konnten auf einer großen internationalen Konferenz
unter dem Titel „Continental Scientific Drilling 2005 – A Decade of Progress and Opportunities“ ein Resümee
der im Rahmen des ICDP durchgeführten Bohrungen gezogen und ein strategisches Konzept für zukünftige wissenschaftliche
Bohrungen erarbeitet werden.
Im Pilotprojekt CO 2SINK haben sich 2004 unter Federführung des GFZ Potsdam Partner aus acht europäischen Nationen
zusammengefunden, um die Speicherung von Kohlendioxid im Untergrund umfassend zu erforschen. Dieses europaweit
erste Projekt auf dem Festland wird von der EU über zunächst fünf Jahre gefördert. Seit April 2005 läuft ebenfalls
unter Koordination des GFZ das BMBF Verbundprojekt COSMOS – CO 2-Speicherung, Monitoring und Sicherheitstechnologien
– mit Beteiligung der Universitäten Karlsruhe und Freiberg sowie der Industrie.
Das Geothermie-Projekt des GFZ in Groß Schönebeck (nordöstlich von Berlin) geht nach erfolgreicher Arbeit in eine
neue Phase. Mit der Übergabe eines Förderungsbescheides im August 2005 wurden Mittel in Höhe von ca. 10 Mio.
Euro durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit bereitgestellt, so dass im Frühjahr
2006 die zweite Forschungsbohrung begonnen werden kann.
Die Satellitenmission CHAMP wurde ebenfalls erfolgreich weitergeführt. Mit nunmehr zweimaliger Bahnanhebung wurde
die Lebensdauer des Satelliten erheblich verlängert, so dass derzeit von einer weiteren Funktionsfähigkeit bis 2008 ausgegangen
werden kann. Auch die dritte Satellitenmission mit GFZ-Beteiligung, GRACE, ist weiterhin auf Erfolgskurs.
Wir möchten uns bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für das große Engagement und die hervorragende Arbeit
in den vergangenen beiden Jahren bedanken. Ein besonderer Dank gilt den Zuwendungsgebern, Bund und Land, den
Mitgliedern unserer Gremien sowie den verschiedenen Fördereinrichtungen, die unsere FuE-Aktivitäten nachhaltig
unterstützt haben.
Prof. Dr. Dr. h. c. Rolf Emmermann Dr. Bernhard Raiser
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III

IV
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Das System Erde –
Forschungsgegenstand des GFZ Potsdam
Das anhaltende Wachstum der Weltbevölkerung, die dadurch
bedingte immer intensivere Nutzung unseres Planeten
und seiner Ressourcen sowie die zunehmende Anfälligkeit
unserer Gesellschaft gegenüber Naturgefahren
erfordern ein nachhaltiges und international abgestimmtes
Handeln zum Erhalt des Lebensraums Erde, zur Sicherung
unserer Lebensgrundlagen und zum Schutz unserer
Umwelt. Zu diesen zentralen Aufgaben der gesellschaftlichen
Daseinsvorsorge will das GFZ Potsdam mit seinen
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (FuE) einen maßgeblichen
Beitrag leisten.
Die Erde ist ein dynamischer Planet, der unter dem Einfluss
endogener und exogener Kräfte und Prozesse einem
ständigen Wandel unterliegt und durch rückgekoppelte
und auf ganz unterschiedlichen räumlich-zeitlichen Skalen
ablaufende Interaktionen und Austauschvorgänge von
Materie und Energie zwischen Geosphäre, Hydrosphäre,
Atmosphäre und Biosphäre gekennzeichnet ist. Um unseren
Lebensraum – von der regionalen Umwelt bis hin zur
Erde insgesamt – zu verstehen, ist es deshalb notwendig,
die Erde als System zu betrachten und dessen Funktionsweise
global wie regional im Detail zu analysieren. Dabei
gilt es insbesondere zu bewerten, wie sich die Tätigkeit
des Menschen und sein Eingriff in die natürlichen Gleichgewichte
und Prozesse in diesem hochkomplexen, nichtlinearen
System auswirken.
Die Entwicklung immer leistungsfähigerer Instrumente
und höherauflösender Messtechniken sowie die inzwischen
verfügbaren Computertechnologien ermöglichen es
den Geowissenschaften heute, komplexe Strukturen und
Geoprozesse in allen zeitlichen und räumlichen Skalenbereichen
zu erfassen und numerisch zu modellieren. Das
am GFZ Potsdam eingesetzte Spektrum an Methoden und
Techniken reicht von Satelliten und flugzeuggestützten
Messsystemen über hochauflösende Verfahren der geophysikalischen
Tiefensondierung und wissenschaftlichen
Bohrungen bis hin zu Laborexperimenten unter simulierten
In-Situ-Bedingungen. Es wird ergänzt durch mathematische
Ansätze zur Systemtheorie und die Modellierung
von Geoprozessen.
Langfristiges Forschungsziel ist es, auf der Grundlage
eines umfassenden Prozess- und Systemverständnisses
Strategien zu entwickeln und Handlungsoptionen aufzuzeigen,
z. B. für die Sicherung und umweltverträgliche
Gewinnung natürlicher Ressourcen, die Vorsorge vor
Naturkatastrophen und die Minderung der Risiken, die
Bewertung der Klima- und Umweltentwicklung und des
anthropogenen Einflusses hierauf sowie die Erkundung,
Nutzung und den Schutz des unterirdischen Raums.
Die FuE-Arbeiten werden in einem fachübergreifenden
Verbund von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren und
in enger Kooperation mit nationalen und internationalen
Partnern realisiert. Im Mittelpunkt stehen dabei die Erforschung
und Modellierung relevanter Geo-Prozesse, das
Monitoring von Zustand und Entwicklungstrends im
System Erde, die Definition physikalisch-chemischer Toleranzgrenzen
kritischer Zustände sowie die Langzeiterfassung
globaler wie regionaler Veränderungen.
Hierzu wird eine modulare Erdbeobachtungsinfrastruktur,
bestehend aus Geo-Satelliten, Flugzeugplattformen mit
speziellen Sensoren, globalen Bodennetzwerken von Permanentstationen
und mobilen Messnetzen, in nationaler
und internationaler Kooperation betrieben. Ein wesentliches
Element dieser wissenschaftlichen Infrastruktur ist
die Vorhaltung von Gerätepools, geowissenschaftlichen
Observatorien sowie analytischen Spezialgeräten. Sie stehen
für eine gemeinsame Nutzung in Gemeinschaftsprojekten
mit externen Partnern zur Verfügung und sind der
Beitrag des GFZ Potsdam zur Wissenschafts-Infrastruktur
der Helmholtz-Gemeinschaft.
Forschungsschwerpunkte des GFZ Potsdam
Das FuE-Programm des GFZ orientiert sich an langfristig
angelegten Forschungsthemen, die von globaler Bedeutung
sind und international eine zentrale Rolle spielen.
Globale Prozesse und Geomonitoring
Globale Prozesse können den Lebensraum des Menschen
auch innerhalb kurzer Zeiträume verändern. Erdbeben,
Vulkanismus, die gegenwärtige starke Abnahme des Magnetfeldes
und Änderungen im Massenhaushalt polarer
Eisflächen sind unmittelbare Zeugen dieser Dynamik. Ihre
Wirkung wird in der Variabilität des Gravitationsfeldes
und des Magnetfeldes der Erde, der Veränderlichkeit der
Erdrotation und in großräumigen Deformationen des Erdkörpers
sichtbar. Zugrundeliegende Prozesse finden ihren
Ausdruck in der seismologischen Struktur des Erdinnern
und in seiner stofflichen Zusammensetzung. Wesentliche
Voraussetzung zum Verständnis des Systems Erde und seiner
Dynamik ist die Kenntnis dieser Prozesse und Strukturen.
Global gewonnene, lange Zeiträume überdeckende Datenreihen
von diesen Phänomenen sind für eine gesicherte
Prozessmodellierung von ausschlaggebender Bedeutung.
Zielvorgabe für diese Aufgabe ist es, eine die Kontinente,
Ozeane und großen Eisflächen überdeckende integrierte
Geomonitoring-Infrastruktur zu schaffen, diese im Verbund
mit Teilstrukturen von internationalen Partnern und
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Abb. 1: Übergabe der ersten Boje des Tsunami-Frühwarnsystems für den Indischen Ozean an Indonesien, Juli 2005 in
Hamburg (Fotos: A. Rudloff, GFZ)
Handing over the first buoy of the tsunami early warning system for the Indian Ocean to Indonesia, Hamburg, July 2005.
Diensten operationell zu betreiben und die damit erfassten
Datenreihen in räumlich-zeitlich hochauflösende Modelle
umzusetzen. Nur auf dieser Basis lassen sich Bezugssysteme
und Modellgrößen mit größtmöglicher Genauigkeit
und zeitlicher Frequenz bestimmen und überwachen.
Die Vision eines „integrierten Geomonitoring“ zur Erfassung
globaler Prozesse beinhaltet deshalb die Entwicklung
und den Betrieb von Satelliten- und Flugzeugplattformen
mit angepassten Sensoren und die systematische
Weiterentwicklung von Verfahren zur Nutzung von GNSS
(GPS/GALILEO)-Signalen in der Geo- und Atmosphärenforschung.
Sie umfasst auch die Entwicklung und den
Betrieb eines national und international vernetzten Kompetenzzentrums
für die Erfassung, Archivierung und Verteilung
globaler Langzeitdatensätze. Insbesondere muss
auch die Weiterentwicklung und der effektive Betrieb von
Prozessoren für die Modellierung von Schwerefeldern,
Magnetfeldern, Deformationsfeldern und deren zeitliche
Veränderungen sowie für die Abbildung von Prozessen im
Erdinnern sichergestellt werden.
Mit dieser national und international vernetzten Infrastruktur,
dem Navigations-Satellitensystem GPS, den
Geoforschungssatelliten CHAMP, GRACE, GOCE und
den Ozean- und Eisüberwachungssatelliten TOPEX, ERS,
JASON und ENVISAT werden neben der mehr grundlagenorientierten
Modellbildung zu Prozessen im Erdkern,
Erdmantel und der Kruste eine Vielzahl praktischer Anwendungen
möglich. Hierzu gehören die laufende Bereitstellung
eines für die Präzisionsvermessung, terrestrische
Navigation und interplanetare Navigation fundamentalen
geozentrischen globalen Bezugssystems mit Millimetergenauigkeit,
die Bereitstellung einer Höhenbezugsfläche
(Geoid) mit Millimetergenauigkeit für die hochgenaue
interkontinentale Höhenübertragung, die Überwachung
des Meeresspiegelanstiegs und die Nutzung von GPS
(zukünftig GALILEO) für das Nivellement mit Satelliten
und die Präzisionszeitübertragung. Daneben werden die
Zirkulation der Ozeane, Tiefenwasserströmungen, Wärmeaustausch
an der Ozeanoberfläche, Veränderungen im
Massenhaushalt der großen Eisflächen, Veränderungen im
globalen Grundwasserhaushalt und die Änderung des mittleren
Meeresspiegels mit hoher Genauigkeit beobachtbar
und überwachbar. Die kontinuierliche Auswertung von
Messungen zum Schwerefeld, Magnetfeld und der Atmosphäre
mit Satelliten liefert wichtige Elemente zur Überwachung
und Kurzfristvorhersage des irdischen Wetters
und des Weltraumwetters und damit wertvolle Beiträge
zum Schutz der Bevölkerung und technischer Systeme.
Geodynamik, Stoffkreisläufe und Resourcen
Tektonische Prozesse und Massenverlagerungen aller Art
in der Erdkruste und dem oberen Erdmantel sind unmittelbarer
Ausdruck der Dynamik unseres Planeten und bestimmend
für den menschlichen Lebensraum. Ziel ist ihre
Analyse mittels eines breiten Methodenspektrums. Der
Schwerpunkt der Forschung liegt auf dem Studium der
Entwicklung von Deformation, Massen- und Stofftransport
in und auf der kontinentalen Lithosphäre.
Seit den 60er-Jahren vollzieht sich in den Geowissenschaften
ein Umbruch von konventionellen, eher beschreibenden
Ansätzen, zu einer quantifizierenden Wissenschaft.
Die wichtigsten Impulse entstammen dabei dem
Konzept der Plattentektonik als vereinheitlichende geowissenschaftliche
Theorie. Begleitet wurde dieser Umbruch
durch die Entwicklung moderner Methoden der
hochauflösenden Analytik auf der atomaren Ebene, Beobachtungen
im Feldmaßstab und mathematischer Modelle
zur Abbildung und Simulation der relevanten Prozesse.
Die damit quantitativ stofflich und physikalisch untersuchten
Phänomene reichen von der Lithosphärendeformation
über die Entwicklung sedimentärer Beckenstrukturen
und Klimaforschung bis hin zu Fragen der Naturgefahren
und Katastrophenvorsorge.
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Geodynamische Prozesse sind als räumlich begrenzte
Abläufe Antrieb für Deformationsvorgänge, Erdbeben
und für alle geogenen Stoffkreisläufe, die den Lebensraum
Erde aufrechterhalten. Stoffkreisläufe sind der Motor
für die Entstehung von Ressourcen, wie mineralische
Lagerstätten, Kohlenwasserstoffvorkommen und Grundwasser.
Die Herausforderung besteht darin, Antrieb und Steuerungsmechanismen
von geodynamischen Prozessen und
Stoffkreisläufen einerseits zu identifizieren sowie andererseits
ihre Risiko- und Ressourcenpotentiale besser
abzuschätzen. Hierzu werden integrierte, hochauflösende
geophysikalisch-geodätisch-geologische Messkampagnen
in geodynamischen Schlüsselregionen der Erde – insbesondere
an aktiven und passiven Kontinenträndern –
durchgeführt, die sich auf besonders relevante, sogenannte
‚Natürliche Laboratorien‘ fokussieren. Diese sind vor
allem Südafrika (Projekt Inkaba ye Africa) als Beispiel
eines passiven Kontinentrands, Südamerika mit dem prominentesten
konvergenten Kontinentrand, Israel und die
Türkei für große aktive intrakontinentale Störungszonen
und die Pamir-Tienshan-Region in Zentralasien für intrakontinentale
Deformation.
Parallel dazu werden Laborexperimente durchgeführt
(„Erde im Labor“). Die Experimente simulieren Prozesse
unter Normalbedingungen bis zu extrem hohen Drücken
und Temperaturen und entschlüsseln Materialeigenschaften,
Reaktionen zwischen Mineralen, Schmelzen
und Fluiden sowie die damit verbundenen Transportprozesse
in allen Skalenbereichen bis hinunter in den
atomaren Maßstab. Der Einsatz mikro- und isotopenanalytischer
Methoden erlaubt dabei die Quantifizierung von
Stoffumsätzen und die Bestimmung der Chronologie geodynamischer
Prozesse. Numerische Modellierungen verknüpfen
diese Daten ganz unterschiedlicher Art und
Dimension über verschiedene Skalenlängen. In diesem
Kontext ist auch die Neu- und Weiterentwicklung innovativer
Mess- und Auswertetechnologien
von essentieller Bedeutung.
Ein Schlüssel zum Verständnis des
Systems Erde ist die Kenntnis der physikalischen
Eigenschaften von Geomaterialien
bei extrem hohen Drücken und
Temperaturen. Am GFZ Potsdam werden
deshalb Materialeigenschaften von
Gesteinen und Mineralen bei simulierten
Bedingungen des Erdinneren untersucht.
Dabei stehen die für das Prozessverständnis
wichtigen Größen, wie die
Wärmetransporteigenschaften, und die
für die Interpretation der indirekten geophysikalischen
Tiefensondierungen benötigten
Größen, wie elastische Eigenschaften,
Dichte und elektrischer Widerstand,
im Mittelpunkt. Die am GFZ Potsdam
verfügbaren und zum Teil selbst entwickelten
Apparaturen und experimentellen
Einrichtungen stehen auch exter-
nen Arbeitsgruppen für materialwissenschaftliche Fragestellungen
in Physik, Chemie und bei der Entwicklung
von neuen Materialien zur Verfügung.
Die in den letzen Jahren intensiv untersuchten Aspekte
und Phänomene des Kohlenstoffkreislaufs in der festen
Erde sind u. a. die Umwandlungsraten fossilen Pflanzenmaterials
in Sedimentbecken in gasförmige und flüssige
Kohlenwasserstoffe über geologische Zeiträume, die Entwicklung
von Störungen und porösen Gesteinen, durch
die Erdöl und Erdgas aus großer Tiefe in flachere geologische
Strukturen migrieren oder Mikroorganismen, die
von der Permafrostzone bis in große Tiefen unter extremen
Lebensbedingungen existieren und z. B. Erdölreserven
abbauen oder Methan produzieren.
Die Menge an Kohlenstoff in diesem Kreislauf ist zehntausendmal
größer als die aller lebender Biomasse und
Ressourcen an fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas,
Gashydrate) zusammen. Obwohl äußerst dynamisch,
laufen die Prozesse mit unvorstellbar geringen Geschwindigkeiten
ab, wenn man die menschliche Zeitskala als Vergleich
heranzieht. Der globale Kohlenstoffkreislauf umfasst
den Kreislauf des Lebens in Vergangenheit und Gegenwart.
Er ist im Wesentlichen für die Entstehung fossiler
Brennstoffe verantwortlich, die den industriellen Energiebedarf
abdecken. Eine Komponente dieses hochaktuellen
Themas sind Gashydrate, die mehr als die Hälfte
der Kohlenwasserstoffreserven der Erde ausmachen und
damit zukünftig eine zunehmende wirtschaftliche Bedeutung
erlangen könnten. Gleichzeitig stellen sie aber auch
einen erheblichen Einflussfaktor für Klimaänderungen dar.
Die Hälfte der globalen Biomasse lebt unterhalb der Erdoberfläche
und beeinflusst dort maßgeblich den Kohlenstoffhaushalt.
Diese bislang kaum bekannte „Tiefe
Biosphäre“ ist zudem ein einmaliges natürliches Labor,
das die Baupläne für heute noch völlig unbekannte Bakterien
und Enzyme für die Biotechnologie liefern wird.
Abb. 2: In der Hochdruckhalle des GeoForschungsZentrums wurde 2005
eine neuartige rotierende Vielstempelpresse installiert. (Foto: Reiner Schulz,
GFZ)
A new Rocking Multi-Anvil Press has been installed in the high-pressure
hall of the GFZ Potsdam in 2005.
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VIII
Die Untersuchung biogeochemisch gesteuerter Stoffkreisläufe
ist daher von grundlegender Bedeutung für
unsere Zivilisation und bildet ein wichtiges zukünftiges
Forschungsthema.
Klimavariabilität und Lebensraum des Menschen
Der steigende Meeresspiegel und rapide Klimazonenverschiebungen
in ariden bis semiariden Räumen werden im
Wesentlichen durch Klimaveränderungen ausgelöst. Dieser
natürliche globale Wandel wird zunehmend durch
Aktivitäten der stark gewachsenen Erdbevölkerung überlagert.
Massive anthropogene Eingriffe auf den Kontinenten
haben bereits zu Veränderungen der Biosphäre und
des menschlichen Lebensraums geführt. Zukünftige Szenarien
sind beispielsweise die zunehmende Versteppung
in Afrika und Eurasien (Veränderungen von Wasserbilanz
und Vegetation) oder verstärkte Meeresvorstöße in Siedlungsräume.
Die an der Erdoberfläche ablaufenden Prozesse sind Ausdruck
einer Koevolution von Biosphäre, Atmosphäre,
Hydrosphäre, Pedosphäre und Lithosphäre. Die Untersuchung
der natürlichen Prozesse liefert Basisdaten über die
Klimavariabilität und nachfolgend Handlungswissen für
eine nachhaltige Nutzung der Ressourcen Land und Wasser.
Dabei geht es insbesondere darum, Abläufe wie
Bodenerosion, Desertifikation, Wasserverknappung, Umweltverschmutzung
oder Faunen- und Florensterben frühzeitig
zu erkennen und einzudämmen.
Mit Hilfe satellitengeodätischer Verfahren sollen die globalen
Prozesse erfasst und die Vielzahl der Parameter, wie
Abb. 3: Klima-Bohrkampagne CONTINENT des GFZ
Potsdam im Baikalsee (Foto: Birgit Heim)
CONTINENT drilling for climate archives in the Baikal-
Lake
z. B. Abschmelzen der polaren Eiskappen, die Erwärmung
der Ozeane, Veränderungen des kontinentalen Wasserhaushalts
sowie rezente Vertikalbewegungen bestimmt
werden. In einem integrativen Ansatz von Beobachtungsdaten
und Prozessmodellen aus Ozeanographie, Glaziologie,
Hydrologie und Geodynamik werden Perspektiven
entwickelt, um Prognosen für zukünftige Szenarien zu
erstellen, die Schlussfolgerungen erlauben z. B. für Meeresspiegeländerungen,
den Salzwasseranstieg in Süßwasseraquiferen,
die Eutrophierung und Erwärmung von Seen
oder Landverluste.
Es ist das Ziel, die räumliche und zeitliche Abfolge der
Klimazustände der letzten Warm-/Kaltzyklen (bis ca.
150.000 Jahre vor heute) mit einer zeitlichen Auflösung
von wenigen Jahren bis Jahrhunderten und einer räumlichen
Auflösung von wenigen 100 Kilometern durch die
systematische Verbindung von paläoklimatischer/paläomagnetischer
Analytik und realitätsnaher Modellierung zu
rekonstruieren. Dieser Datensatz bildet die Basis für die
detaillierte Prüfung von Hypothesen der Klimadynamik,
die Ableitung von erdgeschichtlichen Entwicklungen
sowie für Aussagen über die Vorhersagbarkeit des Klimasystems
auf verschiedenen Skalen. Damit wird die natürliche
Klimavariabilität allgemein, aber auch die Klimavariabilität
synchron auf den Kontinenten und in den Ozeanen
quantifiziert. Ein zentraler Aspekt ist dabei die Auswirkung
von Klimaänderungen auf die regionale Umwelt.
Naturkatastrophen und Vorsorgestrategien
Ereignisse wie die Tsunami-Katastrophe vom 26. Dezember
2004 im Indischen Ozean, der Hurrikan Katrina und
das Erdbeben in Pakistan/Indien 2005 haben erneut vor
Augen geführt, dass die Begrenzung der Risiken von
Naturgefahren zu den großen gesellschaftlichen Herausforderungen
unserer Zeit gehören. Im Fall der Tsunami-
Katastrophe hat unter Federführung des GFZ das Helmholtz-Forschungsnetzwerk
EOS (Intergriertes Earth
Observing System), bestehend aus den Helmholtz-Zentren
AWI, DLR, GFZ und GKSS, sehr schnell reagiert und
bereits Anfang Januar 2005 der Bundesregierung ein Konzept
zum Aufbau eines Frühwarnsystems vorgelegt. Ziel
ist die Implementierung eines wirksamen Tsunami-Frühwarnsystems
für den Indischen Ozean, das später auf den
Mittelmeerraum und den Atlantik ausgedehnt werden soll.
Das Tsunami-Frühwarnsystem ist Teil eines Early-Warning-Systems,
das auch andere Naturkatastrophen wie
z. B. Erdbeben und Vulkanausbrüche erfassen soll. Das
System integriert terrestrische Beobachtungsnetze der
Seismologie und Geodäsie mit marinen Messverfahren und
Satellitenbeobachtungen. Die dazu erforderlichen FuE-
Arbeiten sollen im Rahmen eines Plans realisiert werden,
der einerseits schnell, d. h. innerhalb von 1 bis 3 Jahren,
wirksamen Schutz garantiert und andererseits zulässt, auch
spätere technologische Entwicklungen, für die jetzt noch
Forschungsbedarf besteht, problemlos einzubinden.
Extreme Naturereignisse bedrohen den Menschen und seinen
Lebensraum und führen in Verbindung mit der wachsenden
Verletzbarkeit der Gesellschaft zu immer zerstörerischen
Katastrophen. Beispiele hierfür sind Erdbeben,
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Abb. 4: Geophysikalisches Observatorium Gunungsitoli
(Nias, Indonesien), Standort der ersten seismischen Station
im Rahmen von GITEWS (Foto: W. Hanka, GFZ)
Geophysical observatory Gunungsitoli (Nias, Indonesia),
location of the first seismic station in the GITEWS framework
Vulkanausbrüche, Hochwasser, Massenbewegungen oder
Tsunamis. In zunehmendem Maße gewinnen in unserer
hochtechnisierten Welt auch Gefahren aus dem Weltraum
an Bedeutung, die von Wechselwirkungen einer sich verändernden
Magnetosphäre mit dem Sonnenwind ausgehen
(„Weltraumwetter“).
Eine zentrale Aufgabe geowissenschaftlicher Forschung
wird künftig darin bestehen, Naturgefahren nach dem
aktuellen Stand der Forschung zu analysieren. Dazu sind im
Verbund mit Ingenieuren, Ökonomen und Soziologen mögliche
Katastrophenszenarien realitätsnah zu simulieren, Vulnerabilitäts-
und Gefährdungsabschätzungen sowie Risikobewertungen
vorzunehmen, Frühwarnkapazität zu schaffen
und praxisnahe Schutzkonzepte zu entwickeln. Es sind integrierte
Konzepte zu erarbeiten, die geowissenschaftliche
Informationen mit denen technischer, ökonomischer und
sozialwissenschaftlicher Disziplinen zusammenführen und
in eine nachhaltige Vorsorge einbinden. Dabei sind die verschiedenen
Phasen des Katastrophenmanagements, d. h.
Risikoanalyse, Katastrophenvorbeugung und Katastrophenbewältigung
sowie die Nachsorge zu berücksichtigen.
Langfristig ist es das Ziel, geowissenschaftliches Knowhow
im Management von Naturkatastrophen zu verankern.
Die Vernetzung mit nationalen und internationalen
Partnern aus Wissenschaft und Katastrophenmanagement
soll eine Kultur der Katastrophenvorsorge
fördern, die wissenschaftlich begründet,
technologisch abgesichert und an der
Praxis orientiert ist sowie von der Gesellschaft
akzeptiert wird. Ein Meilenstein ist
die Gründung des Centre for Disaster
Management and Risk Reduction Technology
(CEDIM), das 2003 vom GFZ
Potsdam und der Technischen Universität
Karlsruhe gemeinsam ins Leben gerufen
wurde. Das CEDIM wird zusätzlich als
Virtuelles Institut aus dem Impuls- und
Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft
finanziert.
Geoengineering
Global beobachtet man beunruhigende Trends, die für die
Gesellschaft gewaltige Herausforderungen mit sich bringen.
Hierzu gehören Urbanisierung, Verkehrskollaps, Verknappung
der Energie-, Wasser- und Rohstoffressourcen
sowie Luft- und Umweltverschmutzung. Stadtplanung
und Verwaltung können mit dem schnellen und unkontrollierten
Wachstum von Megacities in den meisten Fällen
nicht Schritt halten. Daraus resultieren Aufgaben, die
in ihrer Komplexität und ihrem Ausmaß neuartig sind, wie
z. B. die Sicherung der Energie- und Wasserversorgung,
die Nutzung des unterirdischen Raums für die Verkehrsinfrastruktur
sowie der Schutz vor Naturkatastrophen und
technologischen Desastern.
Die immer knapper werdenden fossilen Energierohstoffe
und die zunehmenden Emissionen von klimaschädlichen
Treibhausgasen verlangen nach einem effektiven, ökonomisch
und ökologisch verantwortungsvollen Handeln. In
Kombination mit erneuerbaren Energien bleibt Kohle
auch langfristig der wichtigste Baustein im künftigen
Energiemix der Stromerzeugung. Nachteilig für Klima
und Umwelt sind jedoch die hohen spezifischen CO 2-
Emissionen aus der Kohleverstromung. Zu ihrer Vermeidung
muss man die Wirkungsgrade der Energiewandlung
steigern und verstärkt erneuerbare Energien einsetzen.
Man kann aber auch neue Wege gehen: Die Abtrennung
von CO 2 an den Kraftwerken und Rückführung in den geologischen
Untergrund kann für den Klimaschutz global zu
einer Schlüsseltechnologie werden.
Weltweit befindet sich die Nutzung des unterirdischen
Raums im Aufwind. In stark bevölkerten Gebieten bleibt
als letzter verfügbarer Raum für Infrastrukturen vielfach
nur noch der Untergrund. In den Städten erzwingen
restriktive Randbedingungen infolge Flächenknappheit,
immer stärkeren Lärm- und Umweltschutzauflagen sowie
mangelnder Akzeptanzbereitschaft der Bevölkerung
gegenüber Baubelästigungen, das Ausweichen in die Tiefe
durch den Bau von U-Bahnen, Straßentunneln, Rohrleitungen,
Parkkavernen und sogar ganzen Bahnhöfen.
Auch die Basistunnel der neuen transeuropäischen Eisenbahnhochgeschwindigkeitsstrecken
durch die Alpen sind
technische Herausforderungen ersten Ranges mit ihren
außergewöhnlichen Längen, hohen Gebirgsüberlagerungen,
hohen mechanischen Spannungen und besonders
Abb. 5: Bild des geplanten Neubaus A19 auf dem GFZ-Campus (Foto: Architektenbüro
Becker, Potsdam)
Sketch of the planned new building A19 on the GFZ campus
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X
Abb. 6: Einige Teilnehmer der Konferenz „Continental Scientific Drilling
2005 – A Decade of Progress and Opportunities for the Future“, Potsdam,
29. 3. bis 1. 4. 2005 (Foto: B. Stöcker, GFZ)
Several participants of the conference „Continental Scientific Drilling 2005
– A Decade of Progress and Opportunities for the Future“, Potsdam, 29. 3.
to 1. 4. 2005
komplexen geotechnischen Bauvorgängen. Anforderungen
dieses Umfangs wurden bisher noch nirgendwo auf
der Erde bewältigt und lösen richtungsweisende Impulse
in der Grundlagen- und angewandten Forschung aus wie
z. B. die hochauflösende seismische Vorauserkundung online
während eines Tunnelvortriebs.
Die Geothermie steht als erneuerbare Energie jederzeit zur
Verfügung und ist eine ökologisch beispielhafte Alternative
zu Kernkraft und fossilen Energieträgern. Aus Erdwärme
kann man Energie in Form von technisch nutzbarer
Wärme oder elektrischem Strom bedarfsgerecht herstellen.
Erdwärme ist überall vorhanden, auch in Mitteleuropa.
Jedoch muss man hier bis in Tiefen von 4 bis
5 Kilometern bohren, um ein genügend hohes Temperaturniveau
zu erschließen, um elektrische Generatoren über
Dampfturbinen effizient antreiben zu können. Dieses
Potenzial kann aber erst dann genutzt werden, wenn die
Kosten und Risiken der Erschließung nachhaltig gesenkt
werden.
Mittelfristig wird dem Energieträger Biomasse das größte
Potential unter den regenerativen Energiequellen zugeschrieben.
Voraussetzung für eine energetische Nutzung
von Biomasse sind die Entwicklung und Erschließung
neuer Technologien zur Erhöhung des Wirkungsgrades der
Energiewandlung sowie deren Implementierung hinsichtlich
Wirtschaftlichkeit, Umweltschutz, Nachhaltigkeit und
Versorgungssicherheit – besonders im ländlichen Raum.
Das GFZ Potsdam hat gemeinsam mit einem Industriepartner
die Konzeption einer auf geowissenschaftliche
und geotechnische Fragestellungen und Projekte optimierten
Forschungsbohranlage erarbeitet. Dabei sind
besonders zu nennen die operationelle und wissenschaftliche
Durchführung des Internationalen Kontinentalen
Bohrprogramms ICDP, die Entwicklung und Anwendung
neuer Bohrtechnologien für wissenschaftliche For-
schungsbohrungen, die Entwicklung
neuer Technologien zur Erstellung von
Bohrungen für die CO 2-Speicherung im
Untergrund und die Nutzung geothermischer
Energie. Die Anlage soll kostengünstige
Forschungsbohrungen bis zu
einer Tiefe von etwa 5.000 Metern ermöglichen.
Nationale und Internationale Wissenschaftsinfrastruktur
Zur Erfassung von Schlüsselprozessen im
System Erde ist eine Infrastruktur notwendig,
die die gesamten behandelten
räumlichen und zeitlichen Skalen abdeckt:
von der Ebene physikalischer und
chemischer Untersuchungen im Labor
über Prozesse auf der regionalen Skala in
„natürlichen Laboren“ bis hin zu globalen
Beobachtungsverfahren. Das GFZ
Potsdam betreibt dafür eine international
einmalige Wissenschaftsinfrastruktur für
die unterschiedlichsten Aufgaben, die insbesondere auch
Wissenschaftlern von Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen
zur Verfügung steht. Neben eigenen
Satelliten und den entsprechenden Datenportalen
gehören hierzu ein Geophysikalischer Gerätepool und ein
Pool von GPS-Stationen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt
auf dem Betrieb von globalen Messnetzen wie dem globalen
Erdbebenmonitoring System GEOFON, GPS-Permanentstationen
im Internationalen GNSS Service (IGS)
und von geophysikalischen Observatorien (Magnetische
Observatorien in Niemegk und Wingst, Geodynamisches
Observatorium in Sutherland, RSA) die in internationale
Messnetze eingebunden sind und deren Daten der internationalen
Community zur Verfügung gestellt werden. Im
Bereich der Geomaterialforschung betreibt das GFZ eine
in Europa einzigartige Anlage zur Untersuchung von
Materialeigenschaften und Prozessparametern unter
hohen Drücken und Temperaturen mit Synchrotronstrahlung
am HASYLAB des DESY sowie weitere analytische
Spezialgeräte wie ein hochauflösendes Transmissions-
Elektronenmikroskop oder eine Ionensonde.
Nationale Kooperationen
Das GeoForschungsZentrum Potsdam ist als nationales
Forschungszentrum für Geowissenschaften Mitglied der
Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.
Die Zentren erhalten seit 2003 ihre Grundfinanzierung im
Rahmen der Programmorientierten Förderung. Dies bedeutet,
dass die Forschungsaktivitäten für einen Zeitraum
von 5 Jahren in sogenannten Programmen formuliert werden.
Diese werden einer strategischen Begutachtung durch
ein international zusammengesetztes Expertengremium
unterworfen. Zur klaren strategischen Ausrichtung hat die
Helmholtz-Gemeinschaft ihre gesamten Forschungsaktivitäten
in sechs Forschungsbereiche eingeteilt: Energie,
Erde und Umwelt, Gesundheit, Verkehr und Weltraum,
Struktur der Materie sowie Schlüsseltechnologien. Das
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

GFZ beteiligt sich maßgeblich im Forschungsbereich
„Erde und Umwelt“ und mit seinen Geothermie-Aktivitäten
im Forschungsbereich „Energie“.
Im Forschungsbereich „Erde und Umwelt“ wurden sechs
Programme etabliert, von denen das GFZ Potsdam das
Programm 1 „Geosystem: Erde im Wandel“ koordiniert
und sich beim Programm 2 „Atmosphäre und Klima“ mit
seinen Arbeiten zur GPS-Meteorologie beteiligt. Die Programme
in den Forschungsbereichen „Erde und Umwelt“
sowie „Energie“ starteten zum 1. 1. 2004.
Neben den programmatischen Aktivitäten haben die
Helmholtz-Zentren Alfred-Wegener-Institut für Polarund
Meeresforschung (AWI), GKSS-Forschungszentrum
Geesthacht, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) und GFZ Potsdam gegenwärtig gemeinsam das
Forschungsnetzwerk EOS „Integriertes Erdbeobachtungssystem“
installiert, in dem die wissenschaftlichen
Infrastrukturen zusammengefasst sind. In dem Forschungsnetzwerk
EOS werden drei Themen gemeinsam
bearbeitet: „Eis und Ozean“, „Katastrophenmanagement“
und „Prozesse der Landoberfläche“. Über den Impuls- und
Vernetzungsfond des Helmholtz-Präsidenten konnte ein
Doktorandenprogramm mit insgesamt 18 Stellen initiiert
werden.
Das GFZ Potsdam beteiligt sich im Rahmen seiner Zielsetzungen
an einer Reihe von nationalen Programmen und
größeren Forschungsprojekten. Hier sind insbesondere die
Projektförderung des BMBF, des BMWi, des BMU und
Programme der Deutschen Forschungsgemeinschaft zu
nennen.
Das GeoForschungsZentrum hat sich gemeinsam mit der
FU Berlin, der TU Berlin und der Universität Potsdam
maßgeblich am Sonderforschungsbereich 267 „Deformationsprozesse
in den Anden“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft
beteiligt und auch den Sprecher gestellt. Der
SFB hat 2005 nach insgesamt 12 Jahren seine Maximallaufzeit
erreicht und wurde zu einem erfolgreichen
Abschluss gebracht. Das GFZ Potsdam ist darüber hinaus
an drei Schwerpunktprogrammen der DFG wesentlich
beteiligt: „ICDP“, „Erdmagnetische Variationen: Perioden
und Prozesse“ sowie „Sedimentbecken“. Weiterhin
beteiligt sich das GFZ an dem gemeinsam von BMBF und
DFG finanzierten Programm „Geotechnologien“. An den
Ausschreibungsrunden zu den Themen „Kontinentränder“
und „Informationstechnologie im Erdmanagement“
hat sich das GFZ Potsdam erfolgreich beteiligt. Der Themenkomplex
„Beobachtung des Systems Erde aus dem
Weltraum“ wurde bereits zur erstmaligen Verlängerung
ausgeschrieben. Schwerpunkt der erfolgreichen GFZ-
Anträge liegt auf der Auswertung und wissenschaftlichen
Bearbeitung von Daten aus dem CHAMP- und GRACE-
Projekt. Im Rahmen des Marktanreizprogramms des
Bundesministeriums für Umwelt und Reaktorsicherheit
(BMU) konnten erfolgreich umfangreiche Mittel zur Fortführung
des Geothermieprojekts in Groß Schönebeck eingeworben
werden, womit die Finanzierung der zweiten
Bohrung gesichert wurde.
Abb. 7: Verleihung des Brandenburgischen Verdienstordens
an Prof. Emmermann, Juni 2005, Foto: Staatskanzlei
des Landes Brandenburg
Award of the Order of Merit of the State of Brandenburg
to Prof. Emmermann, June 2005
Gemeinsam mit dem Zentrum für Internationale Entwicklungs-
und Umweltforschung (ZEU) der Justus-Liebig-
Universität Gießen und der kirgisischen Republik wurde
2003 ein „Zentralasiatisches Institut für Angewandte Geowissenschaften“
in Bishkek gegründet. In den letzten beiden
Jahren wurde ein Gebäude in Bishkek baulich hergerichtet
und mit moderner Infrastruktur ausgestattet, so
dass das Institut nunmehr seinen wissenschaftlichen
Betrieb aufnehmen kann.
Die Zusammenarbeit mit Universitäten wird durch gemeinsame
Berufungen von leitenden Wissenschaftlern
des GFZ Potsdam verstärkt, die damit neben ihren Forschungsarbeiten
am GFZ eine Lehr- und Ausbildungstätigkeit
an den Universitäten ausüben. Das GeoForschungsZentrum
hat derzeit 18 gemeinsame Berufungen
realisiert: sieben mit der Universität Potsdam, fünf mit der
FU Berlin, drei mit der TU Berlin und je eine mit der Humboldt-Universität
Berlin, der Universität Stuttgart und der
Technischen Universität Braunschweig.
Internationale Kooperationen
Aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-
Gemeinschaft konnten 2005 Mittel für die Einrichtung
eines Virtuellen Instituts „Center for System Analysis of
Geoprocesses“ (CSAG) gemeinsam mit der Universität
Potsdam und der Freien Universität Amsterdam eingeworben
werden.
Das GFZ Potsdam ist an einer Reihe von Projekten der
Europäischen Union beteiligt, teilweise in koordinierender
Funktion. Besonders zu nennen sind die Projekte
CO 2SINK, einem EU Demonstrationsprojekt zur CO 2-
Sequestrierung in einen ehemaligen Erdgasspeicher bei
Ketzin, westlich von Berlin, das europäische Netzwerk
ENGINE zur wirtschaftlichen Entwicklung der Geothermienutzung,
ein Projekt zur Entwicklung von Erdbeben-
Frühwarn-Technologie, zugeschnitten auf große Städte in
Europa (SAFER) und das Projekt TRANSFORM zur
Erforschung von Grundlagen für die Tsunami-Frühwarnung.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 8: Diskussion zum Wissenschaftsland Brandenburg am Tag der Deutschen
Einheit 2006 in Potsdam (Foto: F. Ossing, GFZ)
Discussing science in the state of Brandenburg at the Day of German Unitiy
2006 in Potsdam.
Ende Februar 1996 startete das Internationale Kontinentale
Bohrprogramm ICDP (International Continental
Scientific Drilling Program), dem gegenwärtig neben
Deutschland die USA, China, Japan, Kanada, Norwegen,
die UNESCO, Mexiko, Österreich, Island, die Tschechische
Republik, Polen, Finnland und die Republik Südafrika
als Mitglieder angehören und zu dem weitere Nationen
in Kürze hinzustoßen wollen. Das GeoForschungs-
Zentrum ist die internationale Trägereinrichtung dieses
Großprojekts und hat aufgrund der umfangreichen Erfahrung
aus dem KTB die Aufgabe übernommen, das ICDP
organisatorisch und operativ von Potsdam aus durch eine
Operational Support Group (OSG) zu betreuen. Im ICDP
werden bedeutende geowissenschaftliche Themen von
internationalen Wissenschaftlerteams an
besonders ausgewählten, geologisch
weltweit einmaligen Lokationen (World
Geological Sites) bearbeitet. In den vergangenen
Jahren wurden neben kleineren
Aktivitäten mehrere große Vorhaben wie
eine Bohrung in die San Andreas Erdbebenzone
südlich von San Francisco
begonnen, ein Bohrprojekt in die Flanke
des Unzen Vulkans im Süden Japans
abgeschlossen, eine Bohrung in den
Bosumtwi-Impaktkrater in Ghana abgeteuft
sowie eine Bohrung mit starker
Industriebeteiligung auf Island zur
Erschließung über 400 °C heißen Wassers
für geothermische Zwecke begonnen.
Das GeoForschungsZentrum liefert
wichtige Beiträge zu wissenschaftlichen
Diensten der Internationalen Assoziation
für Geodäsie (IAG) und der Internationalen
Union für Astronomie. Es sind dies
der Internationale Erdrotationsdienst
(IERS), der Internationale GNSS-Dienst (IGS) und der
Internationale Laserdienst (ILS). Die Beiträge umfassen
die Bereitstellung von Beobachtungsstationen in von den
Diensten koordinierten Messnetzen (Laser-, GPS-, GLO-
NASS-Stationen), den Betrieb eines GNSS-Analysezentrums
und die Bereitstellung von geodätischen, geodynamischen
und atmosphärischen Produkten zur Weiteraufbereitung
bzw. Verteilung durch die Dienste an die internationalen
Nutzer. Das GFZ Potsdam ist über sein Erdbebenmonitoringsystem
GEOFON im Federal Digital Seismological
Network (FDSN) und in der europäischen Initiative
ORPHEUS sowie mit den beiden magnetischen
Observatorien Niemegk und Wingst in der IASPEI federführend
beteiligt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

GITEWS – German-Indonesian Tsunami
Early-Warning System
Das deutsche Tsunami Frühwarnsystem für den Indischen Ozean
J. Lauterjung, A. Rudloff, R. Emmermann und das GITEWS-Team
Shortly after the Tsunami event on December 26, 2004 in the Indian Ocean Region a consortium of German research
institutions under the leadership of the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) proposed the installation of a Tsunami
Early-Warning System to the German Government. In March 2005 a Joint Declaration between Indonesia and Germany
about the installation and operation of such a system was signed. The system consists of several components
including sensor networks for seismological monitoring of the Sunda Arc structure, crustal deformation monitoring by
GPS, oceanographic monitoring by ocean bottom pressure measurements and a newly developed GPS-Buoy for seasurface
monitoring and tide gauges. The sensor data are processed and evaluated in a data centre. These data are input
for Tsunami simulations for rapid hazard assessment and hazard prediction. Last but not least several capacity building
activities are included in the project.
Der verheerende Tsunami vom 26. 12. 2004 im Indischen
Ozean wurde vom zweitstärksten Erdbeben der letzten
100 Jahre mit einer Magnitude von 9,3 auf der Richterskala
vor der Küste Nordsumatras ausgelöst. Die ersten
Meldungen über die Lokation und die genäherte Magnitude
dieses verheerenden Erdbebens wurden nach ca.
12 min von verschiedenen Organisationen im Internet veröffentlicht.
Die erste Tsunami-Welle hatte bereits nach weniger als
20 Minuten den Strand von Banda Aceh im Norden Sumatras
erreicht und dort zu verheerenden Verwüstungen
geführt. Aber auch ca. 1,5 Stunden nach dem Erdbeben,
als die erste Welle Thailand erreichte oder ca. 2 Stunden
nach dem Beben, als Sri Lanka getroffen wurde, waren
noch keine verlässlichen Meldungen an die entsprechenden
Stellen weitergeleitet worden, oder die vorliegenden
Meldungen konnten nicht umgesetzt werden, da kein Staat
um den Indischen Ozean auf das Eintreten einer solchen
Katastrophe vorbereitet war. Entsprechende Handlungsoptionen,
Alarmpläne oder Evakuierungspläne waren
nicht vorhanden. Die Katastrophe hat die betroffenen
Regionen völlig unvorbereitet getroffen.
Unmittelbar nach der Tsunami-Katastrophe
im Indischen Ozean vom 26. Dezember
2004 hat ein Konsortium deutscher
Forschungseinrichtungen unter Federführung
des GeoForschungsZentrums
Potsdam (GFZ) der Bundesregierung ein
Konzept zur Einrichtung eines Tsunami-
Frühwarnsystems im Indischen Ozean
vorgelegt. Dieses Konzept wurde von
der damaligen Bundesministerin für
Bildung und Forschung, Frau Edelgard
Bulmahn, bereits Ende Januar 2005 in
Kobe, Japan, der internationalen Öffentlichkeit
vorgestellt und wird seit März
2005 mit Schwerpunkt in Indonesien
umgesetzt.
Die Ursache
Abb. 1: Globale tektonische Karte
Global tectonic map
Wie ist es zu dem verheerenden Tsunami gekommen? Aus
der Vergangenheit ist bekannt, dass ca. 90 % der großen
Tsunamis durch starke Seebeben verursacht werden, die
an den Kollisionszonen zwischen Ozeanplatten und Kontinenten
entstehen (Abb. 1). Die anderen 10 % entstehen
durch Vulkanausbrüche (z. B. Krakatau 1883) oder untermeerische
Hangrutschungen (z. B. Storega-Rutschung vor
ca. 8000 Jahren vor Norwegen). Die meisten Tsunamis treten
im Pazifik auf, der von seismischen Risikozonen
umgeben ist (Ring of Fire). Aber auch im Indischen Ozean
und im Mittelmeer existieren solche Kollisionszonen. Im
Indischen Ozean (Abb. 2) ist dies vor allem der sogenannte
Sundabogen, an dem die Indisch-Australische Platte mit
einer Geschwindigkeit von 6 bis 7 cm pro Jahr unter der
Eurasischen Platte subduziert wird. Eine andere, allerdings
viel kleinere Zone ist der Golf von Makran im Nordwesten
des Indischen Ozeans am Eingang des Golfs von
Persien.
Doch nicht jedes starke Seebeben löst auch einen Tsunami
aus. Vielmehr muss sich der Erbebenriss bis an die
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 2: Tektonische Karte des Indischen Ozeans
Tectonic map of the Indian Ocean region
Erdoberfläche fortsetzen und zu einer merklichen Vertikalbewegung
des Ozeanbodens führen (Abb. 3). Erst
dadurch wird Energie in die Wassersäule übertragen, die
zu einer Aufwölbung der Ozeanoberfläche führt. Diese
initiale „Welle“ beginnt dann, angetrieben durch die
Schwerkraft, durch den Ozean zu laufen. Charakteristisch
für eine Tsunamiwelle ist dabei, dass es sich nicht um eine
Oberflächenwelle handelt, sondern dass die gesamte Wassersäule
betroffen ist. Die Geschwindigkeit der Welle wird
bestimmt durch die Wassertiefe und beträgt in 6000 m tiefem
Wasser ca. 800 km/h. Dabei hat die Welle im tiefen
Wasser eine sehr große Wellenlänge von etwa 200 km und
nur eine geringe Höhe, die wenige Zentimeter bis Dezi-
Abb. 3: Schematische Darstellung der Tsunami-Anregung durch ein starkes
Erdbeben.
Sketch of Tsunami generation by a strong Earthquake
meter beträgt. Im Falle des Tsunamis im Indischen Ozeans
wurde über Satellitenaltimeter südlich von Sri Lanka
eine maximale Höhe von 60 cm gemessen. Ihre zerstörerische
Kraft entwickelt eine Tsunamiwelle erst im flachen
Wasser und beim Auflaufen auf die Küste, wo sie deutlich
langsamer und höher wird. In Banda Aceh wurden Wellenhöhen
von über 20 m erreicht.
Die Komponenten des GITEWS
Das Frühwarnsystem für den Indischen Ozean besteht aus
mehreren Komponenten, aus deren Daten und Messungen
eine Warnung generiert werden kann. Die Komponenten
sind im Einzelnen:
(1) Erdbebenmonitoring zur schnellen Lokalisierung
eines Bebens. Die Warnung dieses Systems triggert die
weitere Erfassungs- und Aktionskette. Parallel zur Messung
der Erdbeben mit einem Netz von Breitbandseismometern
erfolgt ein Monitoring des Deformationszustands
mit Hilfe eines GPS-Netzes, um möglichst umfangreiche
Informationen zum Herdmechanismus des Bebens zu
erhalten.
(2) Detektion und Quantifizierung eines möglichen Tsunamis
mit ozeanographischen Methoden. Nicht jedes Erdbeben
löst einen Tsunami aus. Um Fehlalarme, die bei bloßer
Berücksichtigung der Erdbeben für eine Warnung
unvermeidlich sind, weitgehend auszuschließen, muss die
Welle ozeanographisch gemessen werden. Dies wird durch
Ozeanboden-Druckpegel und speziell ausgerüstete GPS-
Bojen erreicht, die an strategisch wichtigen Stellen ausgebracht
werden. Unterstützt werden diese Messungen
durch Beobachtungen von Küstenpegeln,
die speziell im Falle Indonesiens auf den
Sumatra und Java vorgelagerten Inseln
installiert werden. Die Küstenpegel liefern
darüber hinaus permanent Daten zur
Verbesserung der Ozeanmodelle, die die
Grundlage für den nächsten Schritt der
Warn-Kette sind.
(3) Modellierung/Simulation eines Tsunamis.
Aus den Simulationen werden
detaillierte Informationen über das
mögliche Schadenspotential des Tsunamis
und auf örtliche Unterschiede in der
Wirkung abgeleitet, um entsprechende
Warnungen in die Warn-Kette einspeisen
zu können. Voraussetzung für eine
erfolgreiche Simulation ist die genaue
Kenntnis der Ozeanbodentopographie
vom Tiefseebereich über den Schelfbereich
bis zur Küstenlinie. Im Bereich des
Indischen Ozeans weisen insbesondere
die Küste vor Indonesien und der
angrenzenden Länder noch erhebliche
Lücken auf. Daher müssen bathymetrische
Verdichtungsmessungen in allen
Tiefenbereichen längs der indonesischen
Küste vorgenommen werden, um
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

die Simulationen auf eine gesicherte Datenbasis stellen
zu können.
(4) Daten- und Frühwarnzentrum. Alle Daten laufen in
nationalen bzw. lokalen Datenzentren zusammen, in
denen die Auswertung, Bewertung und Simulation vorgenommen
wird. Dies muss in nationaler Selbstverantwortung
geschehen. Auf der Basis der einlaufenden Daten und
Simulationsergebnisse ist das Datenzentrum gleichzeitig
auch die die Warnung auslösende Stelle.
(5) Maßnahmen des Capacity Building. Diese umfassen
die Ausbildung von Wissenschaftlern und Ingenieuren
schon während der Aufbauphase durch Integration in die
Arbeitsgruppen und die regelmäßige Durchführung von
Trainingskursen.
Umsetzung
Die Umsetzung des Projekts wird in 5 Jahren realisiert
werden, wobei bis Mitte 2008 die technische Installation
der Sensornetzwerke und der Aufbau des Daten- und Frühwarnzentrums
abgeschlossen sein soll. Parallel zu den
technischen Installationen und der Inbetriebnahme werden
FuE-Arbeiten zur Prüfung der Eignung neuer Erdbeobachtungsmethoden
und zur Entwicklung neuer Technologien
durchgeführt werden. Bis Mitte 2010 sollen
Capacity Building Maßnahmen und ein gemeinsamer
deutsch-indonesischer operativer Betrieb des Systems
durchgeführt werden. Danach ist vorgesehen, das System
an die Partner zu übergeben.
Erdbebenmonitoring
Die erdbebengefährdete Zone, von der die Hauptbedrohung
des Indischen Ozeans mit Tsunamis ausgeht, ist der
Sundabogen, eine Subduktionszone, die sich von Bangladesch
im Norden weitgehend parallel der Küste Indonesiens
bis nach Neu-Guinea hinzieht (Abb. 1, Abb. 2). Die
Positionierung der Seismometer und der Aufbau des Netzwerks
folgen der Forderung, dass ein Erdbeben, egal an
welcher Stelle des Sundabogens es auftritt, innerhalb von
2 Minuten an mindestens drei Stationen des Netzes registriert
wird und somit eine erste Lokalisierung sehr schnell
erfolgen kann. Die Lokalisierung und Magnitudenbestimmung
wird dann im Laufe der folgenden Minuten
durch die Einbeziehung weiterer Stationen immer sicherer
und genauer. Die Realisierung des Erdbebenmonitoring-Systems
in Indonesien erfolgt in enger internationaler
Kooperation. Abb. 4 zeigt die geplante Verteilung von
Breitbandseismometern der indonesischen, japanischen,
chinesischen und deutschen Partner. Die ersten 4 deutschen
Stationen wurden im Jahr 2005 installiert (Abb. 5),
weitere 20 werden bis 2008 folgen. Ebenfalls operativ ist
seit Mitte 2005 ein erstes Erdbebenfrühwarnzentrum in
Jakarta, an das per Satellitenkommunikation ca. 15 internationale
Erdbebenstationen in der Region des Indischen
Ozeans angeschlossen sind. Mit diesem vorläufigen System
konnte die Detektionszeit für Erdbeben bereits auf ca.
8 Minuten gedrückt werden.
Neben einem dichten Seismometernetz in Indonesien
spielt die teleseismische Komponente, d. h. die seismologische
Überwachung des Sundabogens aus großer Entfernung,
eine wichtige Rolle. Nur aus diesen Messungen
lassen sich charakteristische Eigenschaften eines Erdbebens
wie die Magnitude, die Energiefreisetzung oder die
Länge und Ausbreitung des Bebenrisses präzise ableiten.
Diese Parameter werden für die Modellierung des Bruchprozesses
des Erdbebens, d. h. die Anregungsfunktion
eines möglichen Tsunamis benötigt. Bislang vorgesehen
ist der Aufbau von seismischen Arrays zum teleseismischen
Monitoring in Südafrika, Sri Lanka und Australien.
Für diese Zwecke ist im Projekt die Bereitstellung von ca.
15 seismischen Stationen vorgesehen, die noch durch
bereits vorhandene bzw. neu zu installierende Stationen
der jeweiligen Länder ergänzt werden.
Ozeaninstrumentierung
Abb. 4: Geplante Verteilung von Seismometern internationaler Partner in
Indonesien
Planned locations of seismometers of international partners in Indonesia
Nicht jedes Seebeben erzeugt einen Tsunami. Daher muss
die Tsunami-Welle im Ozean selber gemessen werden, um
unnötige Fehlalarme zu vermeiden. Dazu
werden Mess-Systeme eingesetzt, die aus
einer Ozeanbodeneinheit und einer Boje
bestehen. Die Ozeanbodeneinheit (Abb. 6)
ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet.
In der jetzigen Ausführung sind
ein Absolutdrucksensor, ein Sensor zur
präzisen Bestimmung kleiner relativer
Druckänderungen sowie ein Ozeanbodenseismometer
eingebaut. Weiterhin
befinden sich ein Prozessrechner, eine
Datenspeichereinheit sowie ein Kommunikationsmodem
für die akustische Übertragung
der Daten zur Boje auf der Einheit.
Das ganze System wird über eine
Batterie mit elektrischer Energie ver-
sorgt. Die Boje (Abb. 7), die über der Ozeanbodeneinheit
verankert ist, dient einerseits
als Relaisstation zur Übertragung
der Daten über einen Kommunikations-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 5: Seismometerinstallation auf der Insel Nias (Fotos:W. Hanka, GFZ)
Installation of a seismometer at the island of Nias
satelliten an ein Datenzentrum. Sie ist aber auch ein eigenständiges
Mess-System. Auf der Boje sind ein GPS-Empfänger,
Sensoren zur Erfassung von meteorologischen
Daten (Luftdruck, Temperatur, Windgeschwindigkeit und
-richtung), Sensoren zur Erfassung der räumlichen Orientierung
der Boje sowie Sensoren zur Messung der Wassertemperatur
und Salinität installiert. Die Boje ist weiterhin
mit einem Empfängermodem für die akustischen Signale
der Ozeanbodeneinheit, einem Bordrechner, einer
Datenspeichereinheit und Satellitenkommunikation ausgerüstet.
Die Energieversorgung erfolgt über Batterien,
Solarzellen sowie einen Windgenerator.
Abb. 6: Ozeanboden-Einheit (OBU, Foto: IfM Geomar )
Ocean-Bottom-Unit (OBU)
Abb. 7: Tsunami-Boje (Foto: A. Rudloff, GFZ)
Tsunami buoy
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 8: Verteilung der Tsunami Bojensysteme vor der Küste Indonesiens
Planned distribution of the Tsunami buoy systems off-shore Indonesia
Aufgabe des Bojensystems ist die Erfassung von Tsunamiwellen.
Hierzu wird ausgenutzt, dass solche Wellen
Druckänderungen am Ozeanboden hervorrufen, die sehr
genau gemessen werden können. Der tiefe Ozean wirkt
dabei wie ein Filter, der mögliche Druckänderungen durch
Oberflächenwellen und den normalen Seegang herausfiltert.
Die Boje selbst dient nicht nur als Relaisstation für die
Übertragung der Druckdaten vom Ozeanboden, sondern
kann über genaue GPS-Messungen ihrer vertikalen Position
Seegangsdaten aufnehmen. Im Falle eines Tsunamis
ist die Messgröße, die durch die Boje erfasst wird, eine
Überlagerung des normalen Seegangs und einer Tsunamiwelle.
Der normale Seegang hat deutlich kürzere Wellenlängen
als eine Tsunamiwelle und daher können beide
Effekte durch eine mathematische Filterung voneinander
getrennt werden. Somit erlaubt die Boje eine von der
Druckmessung unabhängige Methode zur Erfassung einer
Tsunamiwelle und erhöht somit die Sicherheit des
Gesamtsystems.
Die ersten beiden Test-Bojensysteme wurden im November
2005 vor der Küste Sumatras ausgebracht. Insgesamt
sollen 10 solcher Systeme entlang der Küste Indonesiens
ausgebracht werden (Abb. 8).
Weitere ozeanographische Daten werden über Küstenpegel
bestimmt, die an den Westküsten der Sumatra vorge-
lagerten Inseln und auf verschiedenen Inseln im Indischen
Ozean aufgebaut werden.
Modellierung und Simulation
Komplette Modelle für das gesamte Indische Ozeanbecken
lassen sich nicht in hinreichend kurzer Zeit rechnen
(das Eintreffen einer Tsunamiwelle in Indonesien erfolgt
beispielsweise schon nach ca. 15 bis 20 Minuten). Daher
ist die Philosophie des Projekts, bereits im Vorfeld eine
große Anzahl von Modellen und Simulationen zu berechnen,
die unterschiedliche Erdbebenlokationen entlang des
Sundagrabens sowie eine Variation der Bebenstärken und
der Erdbebenrisslängen berücksichtigen. Im Falle eines
durch das Erdbebenmonitoring-System und die ozeanographischen
Messungen festgestellten Tsunamis soll mit
den gemessenen Parametern – Erdbebenlokation, Bebencharakteristik
und Wellenhöhe im tiefen Ozean – die am
besten geeignete Simulation als Basis für eine Warnmeldung
herangezogen werden. Diese Simulation wird dann
in eine Gefährdungskarte für die betreffenden Küstenabschnitte
umgesetzt. Der gesamte Prozess läuft im Datenund
Frühwarnzentrum automatisiert ab.
Die Modellrechnungen sind nicht nur für die Tsunami-
Warnung in Indonesien von Wichtigkeit, sondern die entscheidende
Voraussetzung für Warnmeldungen an anderen
Küsten wie in Thailand, Sri Lanka, Indien, Australien
oder Ostafrika. Im Falle von Indonesien kann eine Modell-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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rechnung nur eine grobe Abschätzung der maximal zu
erwartenden Wellenhöhen sein, im Falle der weiter entfernten
Gebiete kann aber anhand der ständig verbesserten
Herdparameter auf der Basis seismologischer und geodätischer
Daten sowie der größeren Anzahl ozeanographischer
Daten eine immer bessere Prognose erstellt werden.
Die Modellrechnungen geben Informationen über die spezifischen
Wellenhöhen an einzelnen Küstenabschnitten,
die in Gefährdungskarten umgesetzt werden. Diese Gefährdungskarten
dienen dann als Grundlage für Warnmeldungen.
Voraussetzungen für die Modellierung, speziell im Flachwasserbereich
und für den sogenannten „Run-up“ auf die
Küste sind hinreichend genaue Kenntnisse der Topographie
des Ozeanbodens, des Küstenverlaufs, der Küstentopographie
und der Bebauung oder den Bewuchs der Küstenregion.
Die hierzu vorliegenden Daten in Indonesien, aber
auch in den anderen Anrainerstaaten des Indischen Ozeans
sind nur sehr lückenhaft bzw. sehr alt. Aus diesem Grund
wird ein erheblicher Teil des Ozeanbodens vor Indonesien,
vom Kontinentalhang bis zum Küstenbereich vermessen
werden müssen. Bereits im Jahr 2005 wurde mit den ersten
Abb. 9: Fahrtrouten des Forschungsschiffes SONNE zur bathymetrischen
Vermessung des Kontinentrandes vor Sumatra im Jahr 2005
Map of the cruises of the Researchvessel SONNE for bathymetric measurements
of the continental margin of Sumatra in 2005
bathymetrischen Vermessungen vor Sumatra begonnen.
Dazu konnten bereits geplante und finanzierte Fahrten des
deutschen Forschungsschiffes SONNE und aus dem Projekt
finanzierte Fahrten der SONNE genutzt werden
(Abb. 9). Für die Zukunft ist vorgesehen, ein indonesisches
Forschungsschiff mit einem entsprechenden Fächerecholot
auszurüsten und die bathymetrischen Vermessungen gemeinsam
mit den indonesischen Kollegen durchzuführen.
Dies bedeutet wegen der erheblich billigeren Schiffszeiten
der indonesischen Schiffe einen erheblichen Zugewinn an
Schiffszeiten und damit bathymetrischen Daten.
Das Daten- und Frühwarnzentrum
Im Datenzentrum laufen die Daten der über Satellitenkommunikation
on-line verfügbaren Seismometer, GPS-
Stationen, Bojensystemen und Küstenpegeln ein. All diese
Daten müssen on-line verarbeitet werden und in einem
speziellen Algorithmus auf mögliche Anzeichen eines
starken Bebens oder das Auftreten einer Anomalie des
Meeresspiegels untersucht werden. Jeder Sensor ist prinzipiell
in der Lage durch eingebaute Intelligenz einen entsprechenden
Trigger zu erzeugen, der das gesamte Messnetz
in Alarmzustand versetzt. Dies bedeutet, dass die entsprechenden
Sensoren mit einer höheren
Messfrequenz arbeiten und auch die Datenübertragung
auf Dauerbetrieb umgestellt
wird. Im Normalzustand arbeiten
insbesondere die ozeanographischen Sensoren
wegen des Stromverbrauchs in
einer Art „Stand-by“-Betrieb, bei dem nur
nach vorher eingestellten Zeitintervallen
Statusdaten übertragen werden. Dies ist
insbesondere bei den Ozeanbodeninstrumenten
von Bedeutung, da ein sparsamer
Stromverbrauch die Verweilzeiten der
Instrumente vor Ort erhöht und damit die
teuren Schiffszeiten zum Wechseln der
Batterien minimiert. Ist das System auf
Alarm gestellt, muss im Warnzentrum die
Entscheidung getroffen werden, ob alarmiert
wird oder nicht. Momentan wird
diskutiert, in welchen verschiedenen Abstufungen
eine Alarmierung welcher Organisationseinheiten
zu erfolgen hat. So
wird sicherlich bereits nach 2 bis 3 Minuten,
wenn ein starkes Seebeben registriert
wurde, ein interner Alarm gegeben werden
und ggf. bestimmte Einheiten (Polizei,
Feuerwehr, Katastrophenschutz) in
Bereitschaft versetzt. Im Laufe der nächsten
Minuten, wenn auch die ozeanographischen
Daten, die Daten aus weiteren
Seismometern und GPS-Stationen verfügbar
und geprüft sind, wird der Alarm
entsprechend weiter intensiviert oder
wieder abgeblasen. Die Warnmeldungen
werden über ein GIS-System mit weiteren
Daten wie z. B. Evakuierungskarten,
Informationen über Bevölkerungsdichten
und kritische Infrastrukturen ver-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 10: Schematischer Aufbau des GITEWS
Sketch of the GITEWS
schnitten. Im Ergebnis erhält man nach einer Zeit von etwa
10 Minuten ein Warndossier, dass als Grundlage für die
Warnmeldung herangezogen wird (Abb. 11).
Capacity Building
Eine weitere Komponente des Projekts ist das Capacity
Building. Um ein Tsunami-Frühwarnsystem erfolgreich
und dauerhaft zu betreiben, müssen die Personen und
Fachexperten ausgebildet werden, die das
System betreiben, funktionsfähig halten
und ausbauen. Ebenso müssen die politischen
Entscheidungsträger, die die Warnmeldungen
und Reaktionen verantworten
sowie die Bevölkerung selbst fortgebildet
bzw. beraten werden. Gerade die Situation
in Indonesien erfordert, neben dem
Ausbau der individuellen wissenschaftlichen
und technischen Fähigkeiten durch
fachlichen Austausch und technischwissenschaftliches
Training, die Stärkung
institutioneller Kapazitäten durch Beratung
auf lokaler, provinzialer und nationaler
Ebene. Die Art der Aus- und Fortbildung
bzw. der Beratung für die verschiedenen
Zielgruppen ist deren Funktionen
innerhalb des Systems und den zu
vermittelnden Inhalten anzupassen.
Im Rahmen einer im September 2005 absolvierten
Fact-Finding-Mission in Indonesien wurden verschiedene,
am Frühwarnsystem direkt und indirekt beteiligte
wissenschaftliche Einrichtungen und Universitäten
besucht. Die Durchführung der Mission zur
Bedarfs- und Potenzialanalyse war erforderlich, um
notwendige Maßnahmen zur Ausbildung und Beratung
der Projektpartner zu evaluieren und den Bedarf im
Bereich Capacity Building in den wissenschaftlichen
Abb. 11: Prinzipieller Aufbau des Daten- und Frühwarnsystems. Aus der Analyse der Sensordaten (links) erfolgt die
Erstellung einer Warnmeldung (rechts) unter Nutzung vorkalkulierter Tsunamisimulationen und der entsprechenden
Gefährdungskarten sowie der Einbindung weiterer Karten wie z. B. der Bevölkerungsdichte oder kritischer Infrastrukturen.
Schematic architecture of the data- and early-warning center. After the analysis of the sensor data (left) the warning dossier
(right) is produced using precalculated Tsunami simulations, the respective vulnerability maps and population density
maps or maps of critical infrastructures.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Einrichtungen und Universitäten in Indonesien aufzuzeigen.
Der nachhaltige Betrieb und die Sicherstellung des oben
genannten Ziels des Systems hängen, neben der Etablierung
der technologischen Grundlagen (wie z. B. Erdbebenerkennung,
Ozeaninstrumentierung, Modellierung,
Datenmanagement), ganz wesentlich von den institutionellen
und personellen Kapazitäten zur landesweiten
Umsetzung/Anwendung in Indonesien selbst ab. Die für
den Betrieb notwendigen Kapazitäten umfassen neben den
wissenschaftlichen und technischen Kenntnissen vor
allem die Fähigkeit wissenschaftliche Daten in klare
Warnmeldungen, Entscheidungsgrundlagen, Entscheidungshilfen
und Handlungsanweisungen zu übersetzen
und diese über die verantwortlichen Stellen bis an die
Bevölkerung in angemessener Zeit weiterzugeben (Warnund
Reaktionskette).
Um diese langfristigen Zielgedanken in Ansätzen umzusetzen,
wird das Arbeitspaket in drei Teilkomponenten
aufgeteilt: Die erste Teilkomponente zielt dabei auf die
Stärkung und Ausbildung der individuellen Fähigkeiten
von Wissenschaftlern und Ingenieuren, die immer im
Zusammenhang mit den jeweiligen Organisationen und
Institutionen zu sehen ist. Diese Ausbildung ist dabei an
den Anforderungen der wissenschaftlichen und technischen
Inhalte des GITEWS-Projekts ausgerichtet und
geht auch auf die Managementkompetenz und die Stärkung
der eigenen Fähigkeit zur Kapazitätsentwicklung
ein.
Die zweite Teilkomponente strebt die Stärkung der operativen
Institutionen und deren Zusammenarbeit und
Organisationsfähigkeit auf der nationalen Ebene an.
Die dritteTeilkomponente zur Stärkung der lokalen Organisationen
zu Warnung und Katastrophenschutz zielt auf
die Entwicklung der notwendigen institutionellen und
organisatorischen Kapazitäten.
Die Situations- und Institutionenanalyse haben gezeigt,
dass die lokalen Akteure, die für die Weitergabe der
Warnmeldungen an die Bevölkerung und die schnelle
Umsetzung von Schutzmaßnahmen verantwortlich
sind, bisher nicht in das geplante Frühwarnsystem
einbezogen sind. Notfallpläne existieren kaum und
Kommunikationsstrukturen zur Weitergabe der Warnmeldung
sind nicht vorhanden. Verantwortlichkeiten zur
Reaktion bei einer Warnmeldung sind unzureichend
geregelt.
Ziel ist es daher, durch intensive Beratungsprozesse vor
Ort in drei Pilotregionen, allgemeingültige Verfahren,
Mechanismen und Funktionsbeschreibungen zur Warnmeldung
und Vorbereitungsplanung (Warn- und Reaktionskette)
auf der lokalen Ebene zu entwickeln und in die
nationalen Überlegungen zu integrieren. Dabei geht es
insbesondere um die Klärung der Warnkette zwischen dem
nationalen Warnzentrum zu den lokalen Behörden und von
dort zur Bevölkerung.
Neue Technologien
Im Rahmen dieses Teilprojekts werden eine Reihe von
Feasability-Studien und Entwicklungsprojekten durchgeführt,
die die Überwachung und Detektion von Tsunamis
mit satellitengestützten Erdbeobachtungsmethoden zum
Ziel haben.
Letztendlich sollen neue Methoden entwickelt werden, die
ein globales Real-Time-Monitoring von dynamischen
Änderungen der Meeresoberfläche zulassen.
Ein vielversprechender Ansatz in dieser Richtung ist die
Nutzung der sogenannten GNSS-Reflektometrie (GNSS
= Global Navigation Satellite System). Dabei wird ausgenutzt,
dass die Signale der Navigationssatelliten (z. Zt.
das amerikanische GPS-System, das russische GLONAS-
System, ab ca. 2010 das europäische GALILEO-System)
von der Wasseroberfläche reflektiert werden. So „sieht“
ein niedrigfliegender Satellit über dem Wasser, der mit
einem entsprechenden GNSS-Empfänger ausgerüstet ist,
nicht nur die direkten Signale der Satelliten sondern auch
mit einer gewissen Verzögerung die von der Ozeanoberfläche
reflektierten Signale. Aus der Laufzeitdifferenz läßt
sich dann die aktuelle Meereshöhe berechnen. Testexperimente
dieser Technik am Merzbachersee in Kirgisien
(vgl. dazu den Beitrag des Dep. 1 in diesem Bericht) haben
die prinzipielle Machbarkeit gezeigt. Ein weiterer Test
fand in der Ostsee statt. Dazu wurde auf der Insel Rügen
eine GPS-Station installiert und die Höhenänderungen der
Ostseeoberfläche vermessen. Für die permanente Überwachung
des äquatorialen Bereichs des Indischen Ozeans,
des Pazifiks und des Atlantiks ist ein „Zug“ von 5 oder
6 Kleinsatelliten, ausgerüstet mit einem GNSS-Empfänger,
einem Auswerterechner und einer Kommunikationseinheit,
denkbar, die mit jeweils gleichem Abstand in einer
Höhe von etwa 400 km längs des Äquators fliegen. Mit
einem solchen Konzept sollte der Indische Ozean immer
im „Blickfeld“ mindestens eines Satelliten sein, der bei
Verfügbarkeit von GALILEO permanent die direkten und
reflektierten Signale von ca. 10 bis 20 Navigationssatelliten
registrieren kann. Somit kann eine sehr dichte Vermessung
und Monitoring der Ozeanoberfläche erreicht
werden.
Organisation und Internationale Einbindung
Der Aufbau des Tsunami-Frühwarnsystems im Indischen
Ozean wird durch ein Konsortium deutscher Forschungseinrichtungen
unter Federführung des GFZ Potsdam realisiert.
Im Einzelnen gehören die Helmholtz-Zentren Geo-
ForschungsZentrum Potsdam (GFZ), Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt (DLR), Alfred-Wegener-Institut
für Polar- und Meeresforschung (AWI), GKSS-Forschungszentrum
Geesthacht, das Leibniz-Institut für Meereswissenschaften
IfM-Geomar, das Konsortium Deutscher
Meeresforschung (KDM), die United Nations University,
Institute for Environmental and Human Security
(UNU-EHS), die Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit
(GTZ) und die Bundesanstalt für Geowissenschaften
und Rohstoffe (BGR) dem Konsortium an. Die Arbei-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

ten sind in thematischen Gruppen organisiert,
die über ein Projektmanagement
zusammengefasst werden. Das Gesamtprojekt
wird durch einen Lenkungsausschuss
gesteuert, dem ein Beratergremium
aus externen Experten zur Seite
steht (Abb. 12).
Die Arbeiten werden im Zeitraum bis
2010 durch insgesamt 45 Mio € durch das
Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) finanziert. Die interne
Organisation des Projekts erfolgt in
6 Arbeitspaketen, die ihrerseits in Unterarbeitspakete
unterteilt sind (Abb. 12).
Das deutsche Frühwarnsystem ist voll in
die koordinierenden Aktivitäten des
Intergovernmental Oceanographic Committees
(IOC) der UNESCO eingebunden. Das IOC hatte
bereits im Januar 2005 von der UN den Auftrag bekommen,
die Frühwarnaktivitäten in den einzelnen Anrainerstaaten
zu koordinieren, um ein wirkungsvolles regionales
Frühwarnsystem für den gesamten Indischen Ozean
aufzubauen. Nach mehreren Sitzungen des IOC wurde
Mitte des Jahres 2005 die sogenannte Intergovernmental
Coordination Group for an Indian Ocean Tsunami Warning
System (ICG-IOTWS) etabliert, in der alle Anrainerstaaten
des Indischen Ozeans vertreten sind. Als Gäste
nehmen darüber hinaus Japan, die USA und Deutschland
sowie einige UN-Organisationen wie die World Meterological
Organization (WMO) oder UNEP teil. Die ICG-
IOTWS hat bereits zweimal getagt und fünf Arbeitsgruppen
gebildet, die organisatorische und inhaltliche Sachverhalte
für verschiedene Themenbereiche klären und zu
verbindlichen Absprachen kommen sollen. Die 5 Arbeitsgruppen
sind: (1) Seismologie, (2) Ozean-Instrumentierung,
(3) Modellierung, (4) Run-up-Modellierung und
Abb. 12: Organisationsstruktur des GITEWS-Projekts
Organizational structure of the GITEWS project
Hazard Assessment sowie (5) Interoperabilität zwischen
Datenzentren. In den ersten beiden Arbeitsgruppen sind
bereits konkrete Abstimmungen über Datenprotokolle,
Schnittstellen sowie Instrumentierung getroffen worden.
Diese Arbeiten sollen bis Mitte 2007 weiter vertieft werden,
um dann zu einem ersten regionalen Frühwarnverbund
im Indischen Ozean zu kommen. Das IOC hat mittlerweile
vergleichbare Intergovernmental Coordination
Groups für den Pazifik, die Karibik und den Mittelmeerraum
eingerichtet, die eine zum ICG-IOTWS Arbeitsgruppenstruktur
besitzen. Es besteht ein intensiver Informationsaustausch
zwischen allen Arbeitsgruppen.
Das GITEWS-Projekt hat mittlerweile neben den gemeinsamen
Aktivitäten mit den Inonesischen Partnern auch
Verhandlungen mit Australien, Sri Lanka, den Malediven
und Südafrika zur Installation von Sensoren, dem Aufbau
von Datenzentren und zur Einbeziehung in die Capacity
Building Massnahmen aufgenommen.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Das Bam-Erdbeben 2003:
Präzise Herdparameterbestimmung mit Hilfe
der differentiellen Radar-Interferometrie
R. Wang, Y. Xia, H. Grosser, H.-U. Wetzel, H. Kaufmann & J. Zschau
During the past 10 to 15 years, space geodesy has experienced revolutionary improvements. Especially, since D-InSAR
(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar) and continuous GPS (Global Positioning System) monitoring
became more frequently used, crust deformation due to earthquakes can be measured with millimeter accuracy. In case
of the 2003 Bam earthquake, high-quality D-InSAR interferograms were available for several thousand square kilometres
around the epicentral area. The derived displacement data provided strong constraints on the source parameters. The
right-lateral surface (or near-surface) ruptures could be clearly detected by using a Sobel-Edge-Filter (a kind of highpass)
on the surface displacement data. The rupture trace can be located with an accuracy of about 100 m. The total rupture
length was estimated to be about 24 km. The slip distribution on the rupture plane was derived using a new inversion
method, which is more efficient and stable in comparison with the commonly used least-squares method. The results show
that more than 80 per cent of the seismic energy was released from its southern segment of 12 to 14 km size. The maximum
slip exceeds 200 cm which is unusually large for such small rupture length. In particular, others than initially expected,
the earthquake did not occur at the known Bam fault, but 4 to 5 km west from it, indicating that the 2003 Bam earthquake
ruptured a hidden fault or new fault and that in this rupture process an unusually strong asperity was involved.
Zusammenfassung
In den letzten 10 bis 15 Jahren hat die Satellitengeodäsie
revolutionäre Fortschritte gemacht. Insbesondere dank der
D-InSAR- (Differential-Interferometric-Synthetic-Aperture-Radar)
und der kontinuierlichen GPS-Messtechnik
(Global Positioning System) kann die durch Erdbeben verursachte
Krustendeformation millimetergenau gemessen
werden. Im Fall des Bam-Erdbebens vom Dezember 2003
zum Beispiel standen die D-InSAR-Interferogramme in
sehr hoher Qualität vom gesamten Herdgebiet zur Verfügung.
Die daraus abgeleiteten Bodenverschiebungsdaten
liefern wichtige Information über die Herdparameter des
Bebens. Durch die Sobel-Edge-Filterung (eine Art Hochpass-Filter)
der Verschiebungsdaten konnten rechtslaterale
Verwerfungsspuren an der Oberfläche (oder nahe Oberfläche)
deutlich identifiziert und mit einer Auflösung von
± 100 m lokalisiert werden. Die Gesamtlänge der Verwerfung
wurde mit etwa 24 km abgeschätzt. Die Versatzverteilung
auf der Bruchfläche wurde mit einer neuen
Inversionsmethode abgeleitet, die sich als effizienter und
stabiler als die bisher übliche Methode der kleinsten Quadrate
erweist. Die Ergebnisse zeigen, dass mehr als 80 %
der seismischen Energie aus einem südlichen Verwerfungsstück
mit einer Länge von 12 bis 14 km abgestrahlt
wurde. Der größte Versatz an der Herdfläche erreicht über
200 cm und ist ungewöhnlich hoch für solch eine relativ
kleine Herdfläche. Interessanterweise ereignete sich das
Bam-Erdbeben 2003 nicht, wie erwartet, auf der bekannten
Bam-Verwerfung, die an dem östlichen Stadtrand vorbei
läuft, sondern 4 bis 5 km westlich davon. Daraus folgt,
daß das Bam-Erdbeben eine unbekannte Verwerfung aktiviert
oder eine neue Verwerfung generiert und eine ungewöhnlich
starke Asperity durchbrochen hat.
Abb. 1: Die historische Zitadelle vor und nach dem Erdbeben von Bam, 26. 12. 2003 (Fotos: http://www.mcah.columbia.edu/bam/)
The historical Citadel before and after the Bam earthquake of Dec. 26, 2003
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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12
Einführung
Am 26. Dezember 2003 geschah in der Provinz Kerman
im Südosten Irans ein zerstörerisches Erdbeben der Magnitude
Mw 6,5. Am stärksten war die am Rand des Hochlandes
vom Iran und der Wüste Dasht-e-Lut gelegene Stadt
Bam betroffen. Der historische Stadtteil um die Zitadelle
(Abb. 1), vor etwa 2.000 Jahren aus Lehmziegeln erbaut,
wurde vollständig zerstört. Nach offiziellen Angaben
kamen mehr als 40.000 Menschen ums Leben, etwa 50.000
wurden verletzt und 100.000 obdachlos (Zaré, 2004).
Bam liegt direkt an einer Störungszone, der auf Abb. 2
dargestellten rechtslateralen Bam-Verwerfung, die aber
mit hoher Wahrscheinlichkeit in den letzten 2.000 Jahren
nicht stark seismisch aktiv war. Als einzige seismisch aktive
Störung in der Bam-Region wurde bisher die Gowk-
Verwerfung betrachtet (Ambraseys & Melville, 1982;
Walker & Jackson, 2002), eine ebenfalls rechtslaterale
Blattverschiebung mit Aufschiebungsanteilen, die etwa
40 km westlich an Bam vorbei läuft (Abb. 2). Die aktive
Sefidabeh-Störung ist mit mehr als 200 km Entfernung
noch weiter entfernt. Das betrachtete Bebengebiet liegt am
südöstlichen Rand des Zagrosgebirges. Dieses Gebirge ist
der südliche Teil des alpinen Gebirgsbildungsprozesses
und dehnt sich von der türkischen Grenze 1.600 km südostwärts
bis zur Wüste Lut aus. Es ist eine der jüngsten
und aktivsten kontinentalen Kollisionszonen, die durch
die Konvergenz der Arabischen und Eurasischen Platten
entstanden ist. Im Zagrosgebirge nahe der Küste zum Persischen
Golf beträgt die Konvergenzrate etwa 4 cm/a, wird
aber nach Nord-Nordost und Ost-Südost geringer (Beberian
et al., 2001). Neuere Messungen z. B. von Vernant et
al. (2004) ergeben kleinere Raten von etwa 2 cm/a. Die
Gowk- und die Bam-Störung nehmen differentielle Bewegungen
von etwa 0,8 cm/a (Vernant et al., 2004) zwischen
dem Zentraliranischen Block mit dem Zagrosgebirge und
dem Lutblock auf. In der Bam-Region lassen die GPS-
Messungen von Nilforoushan et al. (2003) eine Bewegung
von 1,4 cm/a vermuten. Wegen der offensichtlich sehr
geringen Seismizität in der Lut-Wüste wird der Lut-Block
als ein relativ starrer Block angenommen (Ambraseys and
Melville 1982, Berberian et al. 2000).
Analysen von optischen Fernerkundungsaufnahmen
(Abb. 2) zeigen, dass die Bam-Verwerfung nördlich von
Bam keine einzelne Verwerfung ist, sondern ein Störungssystem
von 4 bis 5 km Breite darstellt. Südlich
von Bam ist nur eine scharfe Störung zu erkennen, die
zwischen Bam und Baravat verläuft und nach Süden auf
einer Länge von knapp 150 km verfolgt werden kann.
Das Gebiet unmittelbar südlich von Bam ist bis in eine
Entfernung von etwa 40 km flächig mit Sedimenten
bedeckt, die auch bis in die Stadt und weiter nach Norden
vorgedrungen sind. Nördlich der Stadt reicht aber
das Anstehende an einigen Stellen bis zur Oberfläche,
Abb. 2: Fernerkundungsaufnahme vom Iran (Kleinbild) und eine Perspektivsicht vom Osten auf dem Zentralgebiet des
Bam-Verwerfungssystems. Gestrichelte weiße Linien sind die Hauptspuren der Bam- und Gowk-Verwerfungen (von
Walker & Jackson, 2002; modifiziert). Gelbe Linien sind kleinere Verwerfungszweige im Bam-Gebiet und schwarze
Pfeile zeigen die Richtungen der Blattverschiebung an den Verwerfungen, interpretiert von den vorliegenden optischen
Fernerkundungsdaten. Die Skala ist nur gültig für den Frontbereich.
Remote sensing image of Iran (inset) and a perspective view from east to the central part of Bam fault system. Dashed
white lines are the main traces of Bam and Gowk faults (from Walker & Jackson, 2002; modified). Yellow lines show
small fault branches in the Bam area and black arrows indicate the direction of strike-slip movements on the faults,
interpreted from the present optical remote sensing data. The scale is only valid for the forefront.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

so dass man hier ein komplexeres Störungssystem
erkennen kann.
Die Stadt Bam liegt etwa 1.050 m über NN. Nach Hosseini
et al. (2004) bildet quartäres Alluvium die geologische
Hauptformation in der Stadt. Im östlichen Teil gibt
es stellenweise spät-quartäre Ablagerungen (Sandstein
und Siltstein). Nur die Zitadelle befand sich auf einem
Hügel aus Eruptivgestein (Zaré, 2004). Obwohl der geologische
Untergrund von Bam einen hohen Anteil von
feinkörnigen Sanden und Schluffen aufweist, soll nach
Hosseini et al. (2004) die Gefahr der Bodenverflüssigung
wegen des niedrigen Grundwasserspiegels in den meisten
Teilen der Stadt gering sein.
Die seismisch aktivste Störungszone in der betrachteten
Region ist die Gowk-Verwerfung. Seit 1981 fanden dort fünf
starke Erdbeben mit Magnituden von Mw 5,5 bis 7,1 statt,
aber alle in einem Abstand von mehr als 100 km von Bam
entfernt. Im Vergleich zu anderen Störungssystemen in diesem
Gebiet ist die Bam-Störung verhältnismäßig klein. Es
gibt keine Berichte von historischen Erdbeben, die mit der
Bam-Störung in Verbindung stehen könnten. Da aber nur
Daten von starken Erdbeben von größerer Epizentraldistanz
für die Abschätzung der seismischen Gefährdung der Bam-
Region zur Verfügung stehen, sind die zu erwartenden maximalen
seismischen Bodenbeschleunigungen von 2,5 bis
3,0 m/s 2 in einer Wiederholungsperiode von 75 Jahren (Tavakoli
& Ghafrori-Ashtiany, 1999) stark unterschätzt worden.
Während des Bam-Bebens sind im Epizentralgebiet in beiden
horizontalen Achsen und in vertikaler Richtung 7,0 bis
10,0 m/s 2 gemessen worden (Hosseini et al., 2004).
Als Herdmechanismus für das Bam-Erdbeben wurde vom
US Geological Service (USGS), der Harvard University,
dem International Institute of Earthquake Engineering and
Seismology (IIEES) im Iran fast rechtslaterale Blattverschiebungen
angegeben, aber die berechneten Epizentren
differierten stark. Die genauesten Bestimmungen des Epizentrums
kamen vom USGS und IIEES, beide mit einer
Genauigkeit von etwa 10 km. Tatar et al. (2004) lokalisierte
Nachbeben im Ostteil von Bam nahe der bekannten
Bam-Störung in einer Tiefe von 9 bis 20 km. Aus der Nachbebenverteilung
schätzten diese Autoren eine Bruchlänge
des Hauptbebens von ungefähr 18 km ab.
Die differentielle Radar-Interferometrie erlaubt die Berechnung
hochgenauer co-seismischer Deformationen,
die weiterfolgend für eine präzise Bestimmung von Herdparametern
genutzt werden können (s. z. B. Feigl et al.,
1995). Der erste erfolgreiche Versuch der Bestimmung des
Deformationsfeldes nach einem Erdbeben gelang Massonet
et al. (1993) für das Landers-Erdbeben 1992 in Kalifornien,
USA. Seitdem wird diese Technik für weitere dutzende
Beben weltweit mit hervorhangenden Ergebnissen
angewendet (z. B. Wright, 2002). Neben der Herdflächenlösung
gehören die Bruchlänge und insbesondere ihre
Lage zu den wichtigsten Herdparametern eines Erdbebens.
Die letzteren sind zwar sehr wichtig für die Risikoabschätzung
und vor allem das Katastrophenmanagement,
aber meistens durch teleseismische Methode nicht so ge-
nau bestimmbar. Das Problem kann nun im günstigen Fall
durch die D-InSAR-Methode gelöst werden.
Für das Bam-Erdbeben wurde auf der Grundlage der
ENVISAT-ASAR-Interferogramme aus der absteigenden
(descending) Bahn (d. h. Satellit fliegt vom Norden nach
Süden über das Untersuchungsgebiet) von Talebian et al.
(2004) ein vorläufiges Herdmodell aufgestellt. Hier werden
Interferogramme sowohl aus der absteigenden als
auch aus der aufsteigenden (ascending) Bahn verwendet
und für die Bestimmung der Herdparameter mit Hilfe einer
neu entwickelten Inversionstechnik genutzt. Die Ergebnisse
wurden vor kurzem veröffentlicht (s. Wang et al.,
2004).
Datenaufbereitung für die SAR-Interferometrie
Das Gebiet um Bam ist wegen seines ariden Charakters
weitgehend vegetationsfrei und deshalb sehr gut für die
Anwendung der InSAR-Technik zur Messung der Oberflächendeformation
geeignet. Die Europäische Raumfahrtsgesellschaft
(ESA) stellte uns jeweils drei ab- und
aufsteigende ASAR-Datensätze zu unterschiedlichen Zeitpunkten,
darunter je drei Datensätze vor bzw. nach dem
Beben aufgenommen, zur Verfügung. Durch die kombinierte
Auswertung dieser Datensätze ist es möglich, die
Änderung der Geländehöhen und damit die Oberflächendeformation
durch das Beben zu berechnen. Details über
die SAR-Interferometrie und ihre Anwendungen in Geowissenschaften
sind im Beitrag „D-INSAR-Forschung“
von Xia und Kaufmann in diesem Band zu lesen.
Obwohl das Zeitintervall zwischen den Messungen vor
dem Beben ein halbes Jahr beträgt, ist die Kohärenz um
Bam sehr hoch und die Interferenzringe sind sehr deutlich.
Das Problem bei der Datenaufbereitung ist die Ungenauigkeit
der Bahnparameter vom ENVISAT. Xia et al.
(2003) entwickelten deshalb eine Methode, die Fehler
durch die ungenauen Bahnparameter in den Interferogrammen
abzuschätzen und zu korrigieren.
Die differentiellen SAR-Interferogramme in Abb. 3 zeigen
die statische Bodendeformation des Bam-Erdbebens
in der Sichtachse jeweils zur ab- (3a) und aufsteigenden
Satellitenbahn (3b). Jede Farbperiode entspricht eine Verschiebung
von 2,8 cm (zunehmend in der Reihenfolge
grün-rot-blau). Beide Interferogramme wurden mit einem
digitalen Höhenmodell, abgeleitet aus optischen Fernerkundungsdaten,
geokodiert. Im Falle der absteigenden
Satellitenbahn beträgt die maximale Hebung in Richtung
der Sichtachse etwa 30 cm und befindet sich am Ort
(28,981° N, 58,381° O) ± 100 m. Die maximale Senkung
kann nicht so genau lokalisiert werden. Sie befindet sich
etwa 18 km nördlich von der maximalen Hebung und
beträgt etwa 18 cm.
Bestimmung der Herdparameter aus den D-InSAR
Daten
Der ENVISAT-Satellit flog über das Untersuchungsgebiet
Bam in einer Höhe von etwa 800 km in Richtung S10°W
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 3: Differentielle ENVISAT-ASAR-Interferogramme (geokodiert), generiert
jeweils vom Datenpaar (a) aus der absteigenden Bahn 9192 am
3. Dezember 2003 und 9693 am 7. Januar 2004 und (b) aus der aufsteigenden
Bahn 8956 am 16. November 2003 und 10 459 am 29. Februar 2004.
Jede Farbperiode repräsentiert 2,8 cm Bodenverschiebung (zunehmend in
der Reihenfolge grün-rot-blau) in der LOS-Richtung (entlang der Sichtachse
zum Satelliten). (c) die Verwerfungsspuren des Bam-Erdbebens, detektiert
aus den Sobel-Edge gefilterten LOS-Verschiebungen zur absteigenden
Bahn, und (d) die vereinfachten Verwerfungssegmente (gestrichelte dicke
gelbe Linie), gezeichnet in das optische Fernerkundungsbild. Der gefüllte
rote Stern markiert die Position (29,052° N, 58,365° O), wo der Versatz möglicherweise
in der Tiefe von 2 bis 4 km das Maximum von mindestens
200 cm erreicht hat. Ungefüllte rote Sterne markieren einige teleseismisch
bestimmte Epizentren.
Differential ENVISAT ASAR interferograms (geo-coded) generated (a) from
the data pair of descending orbit 9192 and 9693, acquired on 2003 December
3 and 2004 January 7, respectively, and (b) from the data pair of ascending
orbit 8956 and 10 459, acquired on 2003 November 16 and 2004 February
29, respectively. Each fringe step represents a ground displacement of
2.8 cm (increasing with the colour sequence green-red-blue) in the LOS (line
of sight) direction to the satellite. (c) the fault trace of the Bam earthquake
detected from the Sobel-Edge filtered descending LOS displacements, and
(d) the simplified fault segments (dotted thick yellow line) drawn on the optical
remote sensing image. Red star is the location at (29.052° N, 58.365° E),
where the slip possibly reached the maximum of at least 200 cm at a depth
of about 2 to 4 km. Unfilled red stars mark a few teleseismic locations of the
epicentre.
bei der absteigenden und N10°W bei der aufsteigenden
Bahn. Seine Radar-Antenne ist mit 23° (67° Elevation)
von der Lotrichtung nach rechts auf die Erdoberfläche
gerichtet. Im lokalen kartesischen Koordinatensystem,
dessen drei Achsen jeweils nach Osten, nach Norden
und nach oben zeigen, hat die Sichtachse (LOS) zum
ENVISAT die Richtungskosinusse (0,38, –0,07, 0,92) und
(–0,38, –0,07, 0,92) während der ab- bzw. aufsteigenden
Bahn.
Abb. 4 erklärt, wie die Bodenverformung
des Bam-Erdbebens vom ENVISAT aus
den zwei unterschiedlichen Flugrichtungen
wahrgenommen wurde. In dieser
Simulation ist die vom USGS anhand
teleseismischer Daten bestimmte Herdflächenlösung,
die die Streich-, die
Neigungs- und die Versatzrichtung der
Bruchfläche angibt, zur Berechnung der
Bodenverformung übernommen worden.
Es ist zu erkennen, daß das simulierte
LOS-Verschiebungsfeld mit dem aus den
D-InSAR-Daten abgeleiteten ungefähr
übereinstimmt und damit die NS gerichtete
rechtslaterale Blattverschiebung als
Herdmechanismus für das Bam-Erdbeben
bestätigt. Aber die Differenzen zwischen
den modellierten und den beobachteten
Daten insbesondere für das
LOS-Verschiebungsfeld aus der aufsteigenden
Bahn sind an vielen Stellen noch
deutlich zu sehen. Eine weitere Interpretation
dieser Differenzen wird zu einem
genaueren Herdmodell führen, als das aus
den teleseismischen Daten stammende.
Katastrophale Erdbeben wie im Fall Bam
haben oft eine geringe Herdtiefe. Bei solchen
Erdbeben ist zu erwarten, dass ihre
Brüche durch Diskontinuitäten oder starke
Gradienten, falls sie im Untergrund
verdeckt sind, im Verschiebungsfeld und
deshalb auch in den D-InSAR-Interferogrammen
zu erkennen sind. Aus diesem
Grund wurden die LOS-Verschiebungsdaten
aus der absteigenden Bahn, die das
ganze Herdgebiet vollständig überdecken
und von sehr hoher Qualität sind, mit
einem Sobel-Edge-Filter (Differenzierungsfilter)
behandelt. Von den gefilterten
Daten sind die Spuren des Bebens an
der Oberfläche deutlich zu identifizieren.
Sie bestehen ungefähr aus drei geraden
Segmenten. Das südliche Segment ist
12 bis 14 km lang und verläuft von
(28,971° N, 58,357° O) bis (29,088° N,
58,351° O); Das nördliche Stück von
(29,126° N, 58,382° O) bis (29,178° N,
58,382° O) ist 5 bis 6 km lang. Das mittlere
Stück scheint unter dem zerstörten
Stadtgebiet zu verlaufen und konnte
wegen zu geringer Kohärenz nicht eindeutig
verfolgt werden. In den folgenden Modellrechnungen
wird angenommen, daß die gesamte Verwerfung
nicht unterbrochen ist. So wird das mittlere Segment durch
eine direkte Verbindungslinie von etwa 5 km Länge zwischen
dem nördlichen und dem südlichen Segment modelliert
(vgl. Abb. 3). Auf dem optischen Fernerkundungsbild
ist klar zu sehen, dass das Hauptsegment der Verwerfung
nicht auf der bekannten Bam-Verwerfung, sondern 4 bis
5 km westlich davon liegt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4: Berechnete Bodenverformungen für ein vereinfachtes Herdmodell des Bam-Erdbebens. Die verwendete Bruchfläche
ist 12 km x 12 km mit der Oberkante in einer Tiefe von 0,5 km. Ein homogener Versatz von 210 cm wurde angenommen.
Der Herdmechanismus ist von der teleseismischen Lösung des USGS übernommen: Streichen = 174°,
Neigung = 88° und Versatz = 178°. Das Intervall der Konturlinien ist 2,8 cm (grün-blau für negativ und gelb-rot für
positiv).
Different displacement components calculated for a simplified source model of the Bam earthquake. The rupture area
used is 12 km x 12 km with the upper edge at 0.5 km below the surface. A uniform slip of 210 cm is assumed, and the
focal mechanism is adopted from the teleseismic solution provided by USGS: strike = 174°, dip = 88° and rake = 178°.
The contour interval is 2.8 cm (green-blue for negative and yellow-red for positive).
Die Bruchfläche des Erdbebens wurde deshalb durch drei
Rechtecke repräsentiert, die vom Süden nach Norden die
Länge und die Streichrichtung von jeweils (14,0 km,
357°), (4,6 km, 35°) und (7,5 km, 0°) haben. Um die Neigung
der Bruchfläche und ihre untere Grenze in der Tiefe
zu bestimmen, wurde zunächst ein konstanter Versatz an
dem jeweiligen rechteckigen Segment angenommen.
Durch eine Reihe von Vorwärtsmodellierungen (Rastersuche)
mit Hilfe der elastischen Dislokationstheorie fanden
wir, daß sich das südliche und das mittlere Segment
mit 75° bis 80° nach Osten und das nördliche Segment
dagegen mit etwa 55° nach Westen neigen.
Im nächsten Schritt wurde beim Festhalten der Bruchflächengeometrie
die inhomogene Verteilung des Versatzes
aus den beiden ENVISAT-ASAR-Interferogrammen invertiert.
Um den Rechenaufwand zu minimieren, wurden die
D-InSAR-Daten von der ursprünglichen räumlichen Auflösung
von etwa 85 m x 85 m auf 430 m x 430 m gefiltert.
Die gefilterten Daten umfassen insgesamt 8.976 und
5.781 Verschiebungswerte aus der ab- bzw. aufsteigenden
Bahn. Mit einer vergleichbaren Auflösung wurde die
Bruchfläche durch 1.405 diskrete Punktquellen dargestellt.
Jede Punktquelle ist durch einen Versatzvektor defi-
niert, der zwei Komponenten entlang der Streich- bzw.
Neigungsrichtung hat. Es soll diejenige Versatzverteilung
ausgesucht werden, die die beobachteten Daten optimal
reproduziert.
Häufig wird die Methode der kleinsten Quadrate (LS =
Least Square-Methode) zur Inversion der Versatzverteilung
angewendet. In dem vorliegenden Fall ist die LS-
Methode wegen der großen Menge von Daten und Variablen
rechnerisch sehr aufwendig. Außerdem ist bei dieser
Methode nicht garantiert, dass das Ergebnis, also das
quantitative Versatzmodell, nicht nur die Daten reproduziert,
sondern sich auch als physikalisch stabil und plausibel
erweist. Die Ursache liegt darin, daß es schwer ist
vorher abzuschätzen, wie fein sich die Versatzverteilung
in der Tiefe aus den statischen Deformationsdaten auflösen
lässt. In der Regel erhält man ein stabiles Versatzmodell,
wenn die Bruchfläche sehr grob vernetzt wird, d. h.,
nur wenige zu invertierende Punktquellen zulässt. Dadurch
würden aber nicht alle nützlichen Informationen aus den
Daten ausgeschöpft. Umgekehrt führt eine zu hohe Auflösung
der Bruchfläche oft zu einem Versatzmodell, das
zwar die Daten bestmöglich reproduziert, aber unrealistisch
starke kurzwellige Variationen enthält. In der Praxis
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muss eine geeignete Vernetzungsdichte der Bruchfläche
ausprobiert werden. Üblicherweise wird der flachere
Bereich feiner vernetzt als der tiefere. Zusätzlich müssen
häufig empirische Einschränkungen, wie die Begrenzung
des Versatzwertes und der Versatzrichtung sowie die Glättung
der Versatzverteilung in dem Inversionsverfahren
berücksichtigt werden. Das Ergebnis hängt oft von solchen
künstlichen Einschränkungen ab.
Um diese Nachteile zu überwinden, haben wir eine neue
SA-Methode (Successive Approximation) entwickelt. In
dieser Methode wird zuerst eine Empfindlichkeitsverteilung
∆R/∆U berechnet, wobei ∆R den maximal reproduzierbaren
Anteil der beobachteten Oberflächendeformation
durch eine einzelne Punktquelle an der gleichen Stelle
und ∆U den dafür notwendigen Versatzwert der Punktquelle
definiert. Es wird dann angenommen, dass die tatsächliche
Versatzverteilung näherungsweise mit der Empfindlichkeitsverteilung
linear korreliert. Der Korrelationskoeffizient,
der die absolute Versatzmagnitude bestimmt,
wird durch die Anpassung zwischen der berechneten und
der beobachteten Oberflächendeformation nach dem Prinzip
der kleinsten Quadrate bestimmt. Wenn das residuale
Deformationsfeld unter dem zu erwartenden Fehlerniveau
sinkt, wird die Inversion erfolgreich beendet. Ansonsten
wird die gleiche Prozedur an dem residualen
Deformationsfeld wiederholt und das Versatzmodell wird
Schritt für Schritt korrigiert, bis es unter ein Fehlerniveau
sinkt oder sich nicht mehr weiter reduzieren lässt.
Statt tausende diskrete Versatzwerte simultan zu bestimmen,
sind hier in jedem iterativen Anpassungsprozeß nur
ein oder zwei Korrelationskoeffizienten zu berechnen, je
nachdem, ob die Versatzrichtung festgelegt wird. Dadurch
ist die SA-Methode viel schneller als die LS-
Methode. Abb. 5 zeigt, dass ein stabiles Versatzmodell für
das Bam-Erdbeben schon nach drei Iterationen feststeht.
Das endgültige Versatzmodell ist in Abb. 6 gezeigt. Wie
bei der SA-Methode zu erwarten, ist die Versatzverteilung
im flacheren Bereich deutlich besser aufgelöst als
im tieferen Bereich und sie enthält keine künstlichen
Oszillationen, trotz der homogenen und sehr feinen Vernetzung
der Bruchfläche. Damit hat die neue Methode
einen offensichtlichen Vorteil gegenüber der herkömmlichen
LS-Methode: Die Versatzverteilung wird automatisch
so tiefenabhängig aufgelöst, wie es die Daten erlauben.
Zum Beispiel kann die obere Kante der Bruchfläche
deutlich genauer bestimmt werden als die untere. Der
Herdmechanismus des Erdbebens ist, wie erwartet, durch
die rechtslaterale Blattverschiebung dominiert. Der maximale
Versatz erreicht über 200 cm und befindet sich im
Tiefenbereich zwischen 2 und 4 km nahe dem südlichen
Stadtrand von Bam (s. Abb. 3). Die Bruchfläche dehnt
sich bis in eine Tiefe von etwa 12 km aus. Die Momentmagnitude
(Mw) des Erdbebens ist 6,5 x 0,1 und stimmt
mit den teleseismischen Abschätzungen gut überein. Die
gefundene effektive Bruchfläche (ca. 16 km x 12 km) ist
relativ klein für ein Erdbeben dieser Magnitude. Außerdem
nimmt der Versatz nahe der Oberfläche sehr stark ab
und erreichte wahrscheinlich nur an wenigen Stellen die
Erdoberfläche.
In Abb. 7 werden die simulierten mit den beobachteten
differentiellen ENVISAT-ASAR-Interferogrammen verglichen.
Das Quadratmittel der Residuen beträgt 1,0 cm
für das Interferogramm aus der absteigenden Bahn und
1,4 cm für das aus der aufsteigenden Bahn, also unter
einem Interferenzring. Die meisten signifikanten Residuen
befinden sich im Nahfeldbereich. Sie sind durch die
kleinräumigen Unregelmäßigkeiten der Bruchfläche verursacht,
die in dem Inversionsverfahren vernachlässigt
wurden.
Abb. 5: Iterative Bestimmung der Versatzverteilung auf dem südlichen Bruchsegment (14 km x 12 km) vom Bam-Erdbeben
durch die SA-Methode. In der ersten Iteration wird die Versatzverteilung mit der Empfindlichkeit der Punktquellen
auf die beobachteten LOS-Verschiebungen korreliert und der Korrelationskoeffizient durch Anpassung an die
D-InSAR-Daten im Sinne der kleinsten Quadraten bestimmt. Beiträge zu der Versatzverteilung aus den folgenden Iterationen
werden analog durch Anpassung an die Residuen aus den vorherigen Iterationen bestimmt.
Iterative determination of the slip distribution on the south rupture segment (14 km x 12 km) of the Bam earthquake
using the SA method. In the first iteration, the slip distribution is correlated with the sensitivity of the point sources
to the observed LOS displacements, and the correlation coefficient is determined by the least-squares fitting to the
D-InSAR data. Contributions to the slip distribution from the following iterations are obtained in a similar way by fitting
the residual data remaining from the foregoing iterations.
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Diskussion und Schlußfolgerungen
Die differentielle ENVISAT-ASAR-Interferometrie
lieferte hochgenaue Daten
über die Verformung der Erdoberfläche,
die durch das Erbeben am 26. Dezember
in Bam (Südostiran) hervorgerufen wurde.
Die Auswertung der Daten ergab eine
präzise Bestimmung der Herdparameter
des Bebens. Wie für das Bam-Verwerfungssystem
erwartet, handelt es sich um
eine rechtslaterale Blattverschiebung.
Durch die Filterung der Oberflächendeformation
mit Hilfe eines Sobel-Edge-
Filters fanden wir drei Bruchsegmente,
die wir als geometrische Grundlage für
die Inversion von den weiteren Parametern
der Bruchfläche aus den Deformationsdaten
verwendeten. Das Ergebnis
zeigt, dass das südliche verdeckte Segment
mit mehr als 80 % Anteil am seismischen
Moment, etwa 14 km Länge und
bis über 200 cm Versatz das wichtigste
Segment der aktuellen Bruchfläche ist.
Nach Wells & Coppersmith (1994) ist dieser
Wert für ein Erdbeben mit Mw 6,5
ungewöhnlich hoch. Daraus resultiert
auch der hohe Spannungsabfall von etwa
6 MPa auf diesem Bruchsegment. Das
lässt vermuten, dass eine starke Asperity
(d. h. eine harte Stelle, an der sich die tektonische
Spannung vor dem Beben konzentriert
hat) am Bruchprozess beteiligt
war. Außerdem lässt der hohe Spannungsabfall
auf eine hohe seismische
Energieabstrahlung schließen, die in Verbindung
mit den alluvialen Sedimenten zu den starken
Schäden im Stadtgebiet geführt hat.
Die Ortung der Bruchfläche ist auf etwa ±100 m genau.
Ihre NS-Streichrichtung entspricht der Richtung der
bekannten Bam-Verwerfung, differiert aber südlich der
Stadt bezüglich ihrer Lage beträchtlich. Das gefundene
Ergebnis zeigt, daß das Bam-Erdbeben 4 bis 5 km westlich
der bekannten Bam-Verwerfung eine verdeckte Störung
aktiviert oder eine neue erzeugt hat. Die Analyse der
optischen Fernerkundungsdaten der Region nördlich von
Bam weisen darauf hin, daß es eine südliche Verlängerung
des Westteils des Bam-Störungssystems gibt, die mit dem
Beben seismisch aktiv wurde.
Die Existenz der drei Bruchsegmente bedeutet scheinbar
einen Sprung der Bruchfläche unter der Stadt um etwa
4 km nach rechts. Wie man aber aus der Tiefenverteilung
der Dislokation sieht, ist das nördliche Segment nur ganz
flach, etwa bis 1 km durchgebrochen. Wir nehmen an, dass
dieser Bruch sekundär infolge des Bebens entstanden ist
und als aktiver Bruch sehr wenig Energie abgestrahlt hat.
Deshalb ist auch bei der Bestimmung der Herdmechanismen
der Nachbeben (Tartar et al., 2004) zwischen dem
nördlichen und südlichen Segment kein Abschiebungsme-
Abb. 6: Das Versatzmodell für das 2003 Bam-Erdbeben, abgeleitet aus den
D-InSAR Daten mit der SA-Methode: (a) die rechtslaterale Blattverschiebungskomponente
und (b) die Aufschiebungskomponente. Die Bruchfläche
besteht aus drei vom Süden nach Norden angeordneten rechteckigen Segmenten
von 14,0 km, 4,6 km bzw. 7,5 km Länge. Der maximale Versatz erreicht
über 200 cm und befindet sich zwischen 2 und 4 km unter der Oberfläche bei
(29,052° N, 58,365° O) nahe dem südlichen Stadtrand von Bam.
The slip model for the 2003 Bam earthquake derived from the D-InSAR data
using the SA method: (a) the right-lateral strike-slip component and (b) the
thrust component. The rupture area consists of three rectangular segments
of 14.0 km, 4.6 km and 7.5 km length from south to north, respectively. The
maximum slip exceeds 200 cm and appears 2 to 4 km below the surface at
(29.052° N, 58.365° E) near the southern outskirts of the Bam city.
chanismus gefunden worden, wie er bei dieser Geometrie
zu erwarten gewesen wäre. Auch die präzisen Ortungen
von Tartar et al. (2004) zeigen in der Stadt Bam und nördlich
davon eine deutliche Verbreiterung der Nachbebenaktivität
in west-östliche Richtung, was auf eine diffuse
Struktur und/oder Spannungsverteilung andeutet. Das
mittlere Segment war an der Oberfläche nicht klar erkennbar
(Abb. 3c), weist aber in seiner Dislokation und Tiefenerstreckung
(Abb. 6) beträchtliche Werte auf. Im oberflächennahen
Bereich ist die Dislokation jedoch relativ
klein. Je tiefer man kommt, desto größer werden aufgrund
des statischen Verfahrens die Unsicherheiten der Ergebnisse.
Ebenfalls sind für dieses Gebiet die Messdaten durch
die Zerstörungen in der Stadt möglicherweise verfälscht.
Dadurch lässt sich das nördliche Ende des südlichen Segments
„nur“ mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 km schätzen.
Eine zusätzliche Einführung eines Aufschiebungssegments
10 km östlich der Hauptbruchfläche durch Talebian
et al. (2004) ist für die hier analysierten Interferogramme
nicht notwendig und widerspricht auch der Auswertung
geodätischer Präzisionsmessungen vor und nach
dem Erdbeben (Motagh et al., 2006).
Interessant ist in Abb. 6 auch die sehr scharfe obere
Begrenzung des südlichen Segments der Bruchfläche, die
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Abb. 7: Vergleich zwischen den simulierten und beobachteten differentiellen ENVISAT-ASAR-Interferogrammen.
Comparison between the simulated and observed differential ENVISAT ASAR interferograms.
vom Stadtrand von Bam bis zum Segmentende von 0 auf
etwa 1 km abfällt. Nach den gegenwärtigen Erkenntnissen
ist gerade für diese geringen Tiefen die D-InSAR
Methode sehr genau. Das auffällige Verschiebungsdefizit
an der Oberfläche korreliert wahrscheinlich mit der Mächtigkeit
der Sedimentschicht (Fialko et al., 2005). Zur Überprüfung
dieses Resultats werden deshalb (1) seismische
Rauschmessungen (die H/V-Methode von Nakamura,
1989) zur Bestimmung der Sedimentmächtigkeit, (2) ein
aktives seismisches Experiment südlich von Bam vorgeschlagen,
und (3) müssen im Bedarfsfall 2 bis 3 Bohrungen
eine abschließende Klärung herbeiführen.
Literatur
Ambraseys, N.N., Melville, C.P. (1982): A history of Persian earthquake. Published
by the Press Syndicate of the University of Cambridge. The Pitt Building,
Trumpington Street, Cambridge CB2 1 RP, 32 East 57th Street, New York, NY
10022, USA, 296 Beaconsfield Parade, Middle Park, Melbourne 3206, Australia.
Printed in Great Britain at the University Press, Cambridge, ISBN 0 521
24112 X.
Berberian, M., Yeats, R.S. (1999): Patterns of historical earthquake rupture in the
Iranian plateau. Bull. Seismol. Soc. Am., 89, 120-139.
Berberian, M., Jackson, J.A., Qorashi, M., Talebian, M., Khatib, M., Priestley, K.
(2000): The 1994 Sefidabeh earthquake in eastern Iran: blind thrusting and bedding-plane
slip on a growing anticline, and active tectonics of the Sistan suture
zone. Geophys. J. Int., 142, 283-299.
Berberian, M., Jackson, J.A., Fielding, E., Parsons, B.E., Priestley, K., Qorashi, M.,
Talebian, M., Walker, R., Wright, T.J., Baker, C. (2001): The 1998 March 14 Fandoqa
earthquake (Mw 6.6) in Kerman province, southeast Iran: re-rupture of the
1981 Sirch earthquake fault, triggering of slip on adjacent thrust and the active tectonics
of the Gowk fault zone. Geophys. J. Int., 146, 371-398.
Feigl, K.L., Sergent, A., Jacq, D. (1995): Estimation of an earthquake focal mechanism
from a satellite radar interferogram: application to the December 4, 1992
Landers aftershock, Geophys. Res. Lett., 22, 1037-1048.
Fialko, Y., Sandwell, D., Simons, M., Rosen, P. (2005): Three-dimensional deformation
caused by the Bam, Iran, earthquake and the origin of shallow slip deficit.
Nature, 435, 295-299, doi: 10.1038/nature03425.
Hosseini, K.A., Mahdavifar, M. R., Bahshayesh, M.K., Rakhshandeh, M. (2004):
Engineering geology and geotechnical aspects of Bam earthquake (preliminary
report). http://www.emsc-csem.org/.
Massonet, D., Rossi, M., Carmona, C., Adragna, F., Peltzer, G., Feigl, K., Rabaute,
T. (1993): The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar
interferometry. Nature, 364, 138-142.
Motagh, M., Klotz, J., Tavakoli, F., Djamour, Y., Arabi, S., Wetzel, H.-U., Zschau,
J. (2006): Combination of precise leveling and InSAR data to constrain source parameters
of the Mw = 6.5, 26 December 2003 Bam earthquake. Pure appl. Geophys.,
in press.
Nakamura, Y. (1989): A method for dynamic characteristics estimations of subsurface
using microtremors on the ground surface, Q. Rept. RTRI Japan, 30, 25-33.
Nilforoushan, F., Masson, F., Vernant, P., Vigny, C., Martinod, J., Abbassi, M., Nankali,
H., Hatzfeld, D., Bayer, R., Tavakoli, F., Astiani, A., Doerflinger, E., Daignieres,
M., Collard, P., Chery, J. (2003): GPS network monitoring the Arabia-Eurasia
collision deformation in Iran, Journal of Geodesy, 77, 411-422.
Talebian, M., Fielding, E.J., Funning, G.J., Ghorashi, M., Jackson, J., Nazari, H.,
Parsons, B., Priestley, K., Rosen, P.A., Walker, R., Wright, T. (2004): The 2003
Bam (Iran) earthquake: rupture of a blind strike-slip fault. Geophys. Res. Lett., 31,
doi:10.1029/2004GL020058.
Tartar, M., Hatzfeld, D., Moradi, A.S., Paul, A., Farahbod, A.M., Mokhari, M.
(2004): Aftershocks study of the 26 December 2003 Bam earthquake. JSEE Special
Issue on Bam Earthquake, 5 (6) & 6 (1), 23-33.
Tavakoli, B., Ghafory-Ashtiany, M. (1999): Seismic hazard assessment of Iran.
Annali di Geofisica, 42, 1013-1021.
Vernant, P., Nilforoushan, F., Hatzfeld, D., Abbassi, M., Vigny, C., Masson, F., Nankali,
H., Martinod, J., Ashtiani, A., Bayer, R., Tavakoli, F., Chéry, J. (2004): Contemporary
crustal deformation and plate kinematics in Middle East constrained by
GPS measurements in Iran and Northern Oman. Geophys. J. Int., 157, 381-398.
Walker, R., Jackson, J. (2002): Offset and evolution of the Gowk fault, S.E. Iran:
a major intra-continental strike-slip system. Journal of Structural Geology, 24,
1677-1698.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Wang, R., Xia, Y., Grosser, H., Wetzel, H.-U., Kaufmann, H., Zschau, J. (2004):
The Bam (SE Iran) earthquake: precise source parameters from satellite interferometry.
Geophys. J. Int., 159, 917-922.
Wells, D.L., Coppersmith, K.J. (1994): New empirical relationships among magnitude,
rupture width, rupture area, and surface displacement. Bull. Seismol. Soc.
Am., 84, 974-1002.
Wright, T.J. (2002): Remote monitoring of the earthquake cycle using satellite radar
interferometry. Phil. Trans. R. Soc. Lond., 360, 2873-2888.
Xia, Y., Michel, G.W., Reigber, Ch., Klotz, J., Kaufmann, H. (2003): Seismic unloading
and loading in northern central Chile as observed by differential Synthetic
Aperture Radar Interferometry (D-InSAR) and GPS. Int. J. Remote Sensing, 24,
4374-4391.
Zaré, M. (2004): Bam (SE Iran) earthquake of 26 December 2003, Mw 6.5: A preliminary
seismological overview. Orfeus Newsletter, 6, 14pp.
Zaré, M., Hamzehloo, H. (2004): A study of the strong ground motions of
26 December 2003 Bam earthquake: Mw6.5. JSEE Special Issue on Bam Earthquake,
5 (6) & 6 (1), 33-56.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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D-INSAR-Forschung in China: Monitoring und
Analyse von Absenkungen und Hangrutschungen
Y. Xia und H. Kaufmann
Leveling and GPS surveying are the traditional methods to monitor and calculate surface subsidence and landslides.
However, just a limited number of discrete points can be exactly measured and the distribution and areal extent of the
affected regions are still unknown. Furthermore, a continuous frequent monitoring of large areas with the help of leveling
and GPS is rather expensive. Alternatively, the application of differential SAR Interferometry (D-InSAR) is a very
useful technique and thus, an important new method for the synoptic detection and monitoring of accurate subsidence
rates over extensive areas. We tested this new technology and our INSAR processing system for the monitoring of
subsidence in the region of Tianjin and the observation of landslides in the Three Gorges area in China.
Einleitung
Bodenabsenkungen, die durch massive Grundwasserentnahme
entstehen, stellen ein akutes Umweltproblem in
China dar. Sie bedrohen die städtische Infrastruktur, Straßen
und Brücken, Bahnhöfe und Flughäfen sowie auch
unterirdische Anlagen, beispielsweise die Kanalisation. In
China haben sich bereits drei große Absenkungszentren
gebildet – Shanghai im Yangtze-Flussdelta, die Su-Xi-
Chang-Region in der Provinz Jiangsu und die Hang-Jia-
Hu-Ebene in der Provinz Zhejiang. Der Absenkungsbereich
im Yangtze-Delta entspricht mit ca. 30.000 km 2 zwar
nur 0,3 % der Fläche Chinas, jedoch werden an dieser Stelle
15,3 % des Bruttosozialproduktes erwirtschaftet. In
Shanghai werden die Absenkungen bereits seit 1921 beobachtet.
Im Zeitraum von 1921 bis 1965 sank die Stadt um
1,76 m sowie deren Umgebung um fast 2 m relativ zum
Hochwasserniveau des Huangpu-Flusses. Zu dieser Zeit
wurde durch starken Regen oder Springfluten der halbe
städtische Bezirk überschwemmt. Personenschäden, Betriebsschließungen
und Verkehrsstillstand waren die Folge.
Der neue und immer stärker auszubauende Deich entlang
der Flüsse Suzhou und Huangpu gilt als dauerhaftes
Mahnsymbol für durch Oberflächenabsenkungen verursachte
Schäden und Gefahren.
Im Bereich von Nordchina, besonders in der Region der
drittgrößten Stadt Chinas, Tianjin, nehmen die Absenkungen
bereits katastrophale Ausmaße an. So wurde am
1. September 1992 in Folge einer Sturmflut von 5,93 m
über dem Gezeitenniveau der Hafen von Tangku überflutet,
mit einem Schaden von ungefähr 300 Million Yuan
(ca. 30 Million Euro). Nahe Tianjin wurde im Jahre 1965
das Ölfeld Dagang angelegt und seitdem industriell betrieben.
Durch massive Entnahme von juvenilem Grundwasser
für die Landwirtschaft kam es zu massiven Senkungen
von bis zu 80 m im Untergrund. Die beobachteten
Senkungsraten an der Erdoberfläche betragen 0,8 bis
1,7 m und bedrohen somit auch akut die Ölförderung.
Abwässer in Folge von Starkregenereignissen stellen ein
weiteres Problem für die städtischen Bezirke dar. Das fehlende
Gefälle der Abwasserleitungen verhindert ein schnelles
Abfließen und führt zur Versumpfung im Bereich der
Flussgebiete. Meerwasser fließt ins Landesinnere und verschlechtert
dadurch zusätzlich die Trinkwasserqualität in
den betroffenen Gebieten.
Hangrutschungen, besonders im Gebiet der Drei Schluchten
entlang des Yangtze-Flusses, repräsentieren ein weiteres
akutes Umweltproblem in China. Das größte Stauseeprojekt
Chinas, das Drei-Schluchten-Projekt, wurde realisiert,
um den aufkommenden Bedarf an Energie im Norden
des Landes sicherzustellen. Mit einer Gesamtlänge
von über 600 km und einer durchschnittlichen Breite von
1,1 km erreicht die Aufnahmekapazität des Yangtze-Stausees
39,3 Milliarden Kubikmeter Wasser. Die Länge des
Stauseeufers, die Speicherkapazität, die Anzahl der Umsiedlungen
und die ökologischen Veränderungen sind bisher
mit keinem anderen Projekt vergleichbar. Dadurch
ergeben sich jedoch auch erhebliche potentielle Gefahren.
Im Vordergrund stehen viele rezente Erdrutschungen und
Felsstürze, die entlang der Ufer des Flusses verstärkt auftreten.
Mehr als zweitausend großskalige Rutschungsmassen
sind bisher entdeckt worden. Seit 1982 traten mehr
als 70 Erdrutsche, Einstürze und Schlammströme auf, die
eine direkte Bedrohung für die zahlreichen in diesem
Raum lebenden Menschen und das Staudammprojekt darstellen.
Man schätzt, dass die Aufstauung des Flusses auf
geplante 175 m die Instabilität entlang der Uferzonen und
seiner Zuflüsse noch steigern wird. Die Gefahrenüberwachung
und -vorbeugung in der Drei-Schluchten-Region ist
deshalb ein wichtiges Anliegen während der Aufstauungsphase
und der späteren Bewirtschaftung. Gemeinsam
mit chinesischen Partnern soll deshalb ein Konzept zur
Gefahrenüberwachung und deren Vorhersage erarbeitet
und installiert werden, um dieses einzigartige Ökosystem
besser schützen zu können.
Traditionelle Überwachungs- und Messmethoden für Oberflächenabsenkungen
und Hangrutschungen sind geodätische
Verfahren wie Nivellement, Tachymetrie und GPS.
Dabei kann aber nur eine begrenzte Anzahl an diskreten
Punkten hochgenau vermessen werden. Dies hat zur Folge,
dass die eigentliche Verteilung und das Ausmaß der Absenkung
für das gesamte Gebiet weitgehend unbekannt sind und
interpoliert werden müssen. Außerdem scheitert eine konti-
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nuierliche Überwachung von so großen Gebieten meist an
den hohen Kosten für den notwendigen wiederholten Feldeinsatz.
Als eine effektive und ökonomische Alternative
dazu bietet sich die differentielle SAR-Interferometrie
(D-InSAR) an. Diese Technik hat sich in den letzten Jahren
sehr stark fortentwickelt und erlaubt eine großflächige und
hochgenaue Bestimmung von Absenkungsraten. Mit Hilfe
einer am GFZ Potsdam neu entwickelten INSAR-Auswertesoftware
konnte ein Monitoring und eine genaue Analyse
der Landabsenkungen in der Region von Tianjin, wie auch
die Erfassung von Hangrutschungen im Gebiet der Drei
Schluchten erfolgreich durchgeführt werden.
Technik der differentiellen SAR-Interferometrie
Synthetic Aperture Radar (SAR) ermöglicht die wetterund
tageszeitunabhängige Aufzeichnung von bildhaften
Daten der Erdoberfläche vom Flugzeug oder Satelliten
Abb. 1: Aufnahmegeometrie des SAR-Satelliten: jeweils ein Streifen der
Erdoberfläche mit einer Breite von 100 km wird abgebildet.
Acquisition geometry of SAR satellite system: The Earth surface is illuminated
by a 100 km wide image stripe.
aus. Das Abbildungsverfahren ist holographisch und
kohärent, d. h. während Aufnahme und Verarbeitung der
Daten bleibt die Phaseninformation der Radarsignale
erhalten. Bei der SAR-Interferometrie (INSAR) werden
die Phasenwerte jeweils zweier korrespondierender Bildpunkte
aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommener
SAR-Bilder verglichen. Damit ist es möglich,
Entfernungsunterschiede vom Bruchteil einer Wellenlänge
(cm), also im Millimeterbereich zu bestimmen. Diese
Entfernungsunterschiede werden genutzt, um ähnlich wie
bei der optischen Stereophotogrammetrie Geländemodelle
von der Erdoberfläche zu berechnen. Darüber hinaus
können mit Hilfe der differentiellen SAR-Interferometrie
(D-INSAR) zeitliche Lageveränderungen auf der Erdoberfläche
im mm- bis cm-Bereich erfasst werden, was
z. B. bei der Observation von Gletschern, Vulkanen, Hangrutschen,
Erdbeben und Geländeabsenkungen eine wichtige
Rolle spielt. In Abb. 1 wird das Grundprinzip einer
Radaraufnahme dargestellt. Der Radarsatellit
fliegt in einer Höhe von 785 km und
tastet jeden Punkt der Erdoberfläche, mit
Ausnahme der Polkappen, in einem
Zyklus von 35 Tagen ab. Dabei werden
Streifen der Erdoberfläche mit einer Breite
von 100 km abgebildet und zu komplexen
SAR-Bildern mit je 100 km Länge
prozessiert. Diese bilden die Grundlage
für eine Auswertung mit Hilfe der SAR-
Interferometrie.
Monitoring von Bodenabsenkungen
im Gebiet von Tianjin
Tianjin ist einer der vier Stadtbezirke,
der direkt der Zentralverwaltung in China
untersteht und besitzt den nächsten
Seehafen zu Beijing (Abb. 2). Die Stadt
liegt geographisch im Nordosten der
nordchinesischen Ebene (Breite 38° 34' N/
40° 15' N und Länge 116° 43' /118° 04' O)
im Gebiet der Huabei-Ebene und erstreckt
Abb. 2: Die Stadt Tianjin liegt in der Mitte des Bohai-Seewirtschaftsgebiets entlang der Westküste des pazifischen Ozeans,
in der Nähe von Beijing (Foto: Land Subsidence Control Office of Tianjin, China).
The town of Tianjin is located in the center of the Bohai sea rim economical circle along the west coast of the Pacific
Ocean near Beijing.
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Abb. 3: Auswirkung von Absenkungen: a) vom Boden gelöste Schienenstränge und b) versetzte Brücke (Fotos: Geological
Survey Bureau of Nanjing, China )
Consequence of surface subsidences: a) suspended rails and b) displaced bridge
sich entlang der Westküste des pazifischen Ozeans im
Zentrum des Bohai-Seewirtschaftskreises. Sie repräsentiert
eine der größten Industrie- und Handelsstädte in
China und wird auch als „Diamant des Bohai-Golfs“
bezeichnet. Das Stadtgebiet umfasst einen Bereich von
11.000 km 2 und wird von mehr als 10 Millionen Menschen
bewohnt.
In der Geschichte der Stadt spielte Wassermangel stets
eine große Rolle, da es in dem Gebiet kein oberflächennahes
Süßwasser gibt. Durch langjährige Grundwasserentnahme
aus immer tieferen Schichten zur Deckung der
wachsenden Nachfrage aus Industrie und Landwirtschaft
kommt es zu massiven Oberflächenabsenkungen in der
gesamten Region. Die zerstörerischen Auswirkungen sind
beispielhaft in Abb. 3 und Abb. 4 dargestellt. Abb. 3a zeigt
vom Boden losgelöste Schienenstränge und Abb. 3b eine
partiell versetzte Brücke. Gebäudeschäden sind in Abb. 4a
und b dokumentiert.
Diese Probleme werden in Zukunft vermutlich noch größer,
da die Nachfrage nach Trinkwasser weiter steigen
wird. Umso mehr sind die Kontrolle und Überwachung
der Bodenabsenkungen wichtig für die Stadt. Im Vergleich
zu den konventionellen geodätischen Messverfahren
ermöglicht die differentielle SAR-Interferometrie eine
effektive, ökonomische und hochgenaue Auswertung.
In einer Projekt-Kooporation mit dem chinesischen
„Ministry of Land and Resources'“ konnte am GFZ Potsdam
eine neue Technik zur Bestimmung der Absenkungsraten
getestet werden.
Dazu wurden von der ESA zehn Szenen ENVISAR ASAR
SLCI-Daten zur Verfügung gestellt, die im Zeitraum vom
Oktober 2003 bis Dezember 2004 aufgezeichnet worden
waren. Im Allgemeinen kann ein Interferogramm aus je
zwei SAR-Bildszenen generiert werden. Dabei müssen die
beiden SAR-Bilder hoch kohärent sein, da sonst die Phaseninformation
der Bilder verloren geht. In der Realität
kann diese Voraussetzung aufgrund kleinster Veränderungen
der Oberflächeneigenschaften wie z. B. durch
Vegetation oft nicht erfüllt werden. Für diesen Fall wurde
ein statistisch basierter Ansatz, die „Permanent Scatterer“-
Technik (PS) entwickelt, bei der jedoch mindestens 30 Radarszenen
zur Prozessierung benötigt werden. Ziel ist es,
statistisch stabil reflektierende Punkte zu identifizieren
und diese in die Analyse zu integrieren. Da für das hier
beschriebene Projekt nur zehn Szenen zur Verfügung ste-
Abb. 4 a, b: Durch Bodenabsenkungen verursachte Gebäudeschäden (Fotos: Geological Survey Bureau of Nanjing,
China).
Building damages caused by surface subsidence.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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hen, wäre die Nutzung der PS-Technik stark einschränkt.
Aus diesem Grunde wurde am GFZ Potsdam eine neue
Methode entwickelt, die auf folgendem mathematischen
Modell zur Analyse von Zeitreihen beruht:
4πTm 4λBm ∆Φijm = _____ ∆Vij + _______ ∆hij + ∆Φijm-noise λ λRsinθ
∆Φ ijm entspricht der Phasedifferenz zwischen Punkt i und
j im Interferogramm m; T m und B m entsprechen der Zeitdifferenz
und Länge der Basislinie von Interferogramm
m; ∆V ij und ∆h ij repräsentieren die Geschwindigkeitsdifferenz
der Absenkung und Ungenauigkeitsdifferenz der
Höhe zwischen Punkt i und j; ∆Φ ijm-noise beschreibt die
weiße Rauschdifferenz zwischen Punkt i
und j; λ, R und θ sind die Radarparameter
Wellenlänge, Radar-Objekt-Distanz
und Einfallswinkel. Weil außer ∆V ij und
∆h ij alle anderen Variablen bekannt sind,
können die beiden unbekannten ∆V ij und
∆h ij durch eine zweidimensionale Spektrumschätzung
mit Hilfe eines Periodogramms
bestimmt werden. Hierzu wurden
15 Datenpaare mit einer Basislinie
unter 300 m ausgewählt (Tab. 1). Von diesen
15 Interferogrammen werden diejenigen
Punkte zur Auswertung benutzt,
deren Kohärenzwert größer als 0,25 ist.
Danach wurde die durchschnittliche
Absenkungsgeschwindigkeit für die vorher
gewählten Punkte bestimmt. Das
Ergebnis, die durchschnittliche Absenkungsgeschwindigkeit
im Jahr 2004, ist
in Abb. 5 farblich dargestellt. Die jährli-
che Absenkung in der Innenstadt betrug
ca. 2 cm, in Wuqing nördlich von Tianjin
3 cm und in Jinnan südlich von Tianjin
4 bis 5 cm. In der Stadt Langfang im Nordwesten
von Tianjin wurden 5 bis 7 cm
Tab. 1: Überblick zu den verwendeten ENVISAT ASAR-Daten
Overview of used ENVISAT ASAR Data
ermittelt, in Shenfang, einem Dorf westlich von Tianjin,
das bereits in der Provinz Hebei liegt, wurde ein lokales
Absenkungszentrum von sogar 10 cm errechnet.
Der Vergleich mit einer rein geodätisch basierten Auswertung
in Abb. 6 zeigt, dass die Ergebnisse sehr gut übereinstimmen.
Monitoring von Hangrutschungen im Gebiet des
Drei-Schluchten-Damms
Hangrutschungen sind eine weitere ernstzunehmende Gefahr
in China. Die Kontrolle und Überwachung von Hangrutschungen
im Drei-Schluchten-Damm Gebiet besitzen
Abb. 5: Ergebnisse der D-INSAR-Analyse: Bodenabsenkungsgeschwindigkeiten
im Tianjin-Gebiet im Jahr 2004.
Result of D-INSAR analyses: Velocities of surface subsidences for the area
of Tianjin in 2004
No. master data slave data time interval (days) Baseline (m)
01. 2003.10.17 2003.12.26 -2x35 209
02. 2003.10.17 2004.01.30 -3x35 130
03. 2003.10.17 2004.04.09 -5x35 -72
04. 2003.12.26 2004.01.30 -1x35 -79
05. 2003.12.26 2004.04.09 -3x35 -281
06. 2004.01.30 2004.04.09 -2x35 -202
07. 2004.03.05 2004.05.14 -2x35 216
08. 2004.03.05 2004.06.18 -3x35 -208
09. 2004.03.05 2004.08.27 -5x35 -250
10. 2004.03.05 2004.12.10 -8x35 -96
11. 2004.06.18 2004.07.23 -1x35 249
12. 2004.06.18 2004.08.27 -2x35 -42
13. 2004.06.18 2004.12.10 -5x35 112
14. 2004.07.23 2004.08.27 -1x35 -207
15. 2004.08.27 2004.12.10 -3x35 154
eine besondere Bedeutung.
Das Staudammprojekt ist
eines der größten Bauvorhaben,
das es jemals in
China, ja möglicherweise
sogar in der ganzen Welt
gegeben hat. Gemeinsam
mit chinesischen Partnern
wird deshalb ein Konzept
zur Gefahrenüberwachung
und Vorhersage erarbeitet
und installiert, da es sehr
häufig zu Hangrutschungen
in den Uferbereichen kommt
(Abb. 7), die die Sicherheit
der dort lebenden Bevölkerung
stark gefährden
(Abb. 8).
Ein Frühwarnsystem für
Massenbewegungen ist bis-
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Abb. 6: Mit Nivellement gemessene Absenkungsbeträge von Tianjin im Zeitraum
von 1998 bis 2004. Das D-INSAR-Gebiet liegt in der unteren Hälfte des
Bildes (Abb.: Land Subsidence Control Office of Tianjin, China).
Surface subsidences of Tianjin measured by nivellement from 1998 and 2004.
The D-INSAR test site is located in the lower part of the image.
lang nur schwer realisierbar. Dies liegt im Wesentlichen
daran, dass Massenbewegungen in sehr unterschiedlichen
Prozesstypen auftreten (Fallen, Kippen, Gleiten, Driften,
Fließen und in Kombination) und grundsätzlich zwischen
dem erstmaligen Auftreten und der Reaktivierung einer
ehemals bewegten Masse unterschieden werden muss.
Weiterhin muss geklärt werden, ob sich die Konzeption
einer Frühwarnung auf eine einzelne rezent aktive oder
inaktive Rutschmasse bezieht, oder im prognostischen
Sinne für darüber hinaus gehende Raumskalen angedacht
werden kann. Die Grundlage für beide
Ansätze bildet die Registrierung erfolgter
Ereignisse sowie darauf aufbauend die
Gefahrenidentifikation und -analyse. Im
Rahmen dieses Projektes wird versucht,
ein Überwachungssystem mit Hilfe der
D-INSAR-Technik, basierend of Corner-
Reflektoren im Gebiet des Drei-Schluchten-Damms
auf- und auszubauen. Abb. 9
zeigt das Testgebiet, die Xintan Hangrutschung
und einen darauf installierten
Corner-Reflektor.
Die Hangrutschung Xintan liegt im
Bereich Zigui, 24 km entfernt vom
Damm, auf der Nordseite des Yangtze. Sie
hat eine Ausdehnung von 900 m in West-
Ostrichtung und 1.900 m in Nord-Südrichtung.
Der Erdrutsch ereignete sich im
Jahr 1985 und hat sich nun, nach 20 Jahren,
weitgehend stabilisiert. Mit Hilfe von
GPS-Messungen wird der Hang alle drei
Monate überprüft, obwohl diese Methode
aufgrund der ungenaueren vertikalen
Komponente (> 1 cm) sowie aufwändiger
und zeitintensiver Feldarbeit für diese
Anwendung nicht sehr gut geeignet ist.
Ansätze mithilfe der differentiellen
SAR-Interferometrie hingegen sind hier
weit vielversprechender. Die Verwendung
künstlicher Corner-Reflektoren kompensiert
das Vegetationsproblem und stabilisiert
die Phaseninformation im SAR-
Bild, womit sich die Ergebnisse der
INSAR-Auswertung verbessern. Durch
die differentielle INSAR-Messung von
vier in Xintan positionierten Corner-
Reflektoren wird versucht, eine allwettertaugliche,
vollständig automatische
und kostengünstige D-INSAR-Monitormethode
für Hangrutschungen aufzubauen.
Im Jahr 2000, nachdem die Reflektoren
installiert wurden, hat der ERS-2-
Satellit nur sehr wenige verwertbare
Daten geliefert. Seit dem August 2003 hat
der Satellit ENVISAT mehr als 15 Radarbildszenen
für dieses Gebiet aufgezeichnet,
so dass dieses Corner-Reflektor-
Experiment erfolgreich durchgeführt
werden konnte. In Abb. 9 sind die vier
Reflektoren, markiert mit R 1, R 2, R 3 und
R 4, deutlich zu sehen. R 4 liegt auf dem stabilen anstehenden
Gestein im Bereich des Erdrutsches und bildet so
den Bezugspunkt. Abb. 10a, b und c zeigen die Lageänderungen
der anderen drei Reflektoren in der Zeit von
August 2003 bis Februar 2005. Die durchschnittliche
Geschwindigkeit der Versetzung betrug 1,7 mm/Jahr bei
R 1, 1,9 mm/Jahr bei R 2 und 1,1 mm/Jahr bei R 3 und stimmt
mit dem GPS-Ergebnis überein. Daraus lässt sich ableiten,
dass der Xintan-Hangrutsch noch aktiv, aber relativ
stabil ist.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 7: Entlang des Yangtze-Flusses im Gebiet des Drei Schluchten-Staudamms verteilen sich über 1.000 Hangrutsche
(rote Punkte) unterschiedlichen Ausmaßes, die die Sicherheit der Einwohner beider Ufer und die des Dammes gefährden
(Foto: Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center, China).
More than 1000 landslides of different size are distributed along the Yangtze River in the area of the Three Gorges dam
that threatens the safety of the dam and the people living on the river banks.
Abb. 8: Hangrutsch am Qingganhe, einem Nebenfluss des Yangtze, der den
Fluss blockiert. Dabei starben viele Menschen in ihren zerstörten Häusern
(Foto: Xia Ye, GFZ Potsdam).
Landslide at the Qingganhe River, a tributary of the Yangtze River that
blocks the river flow. Many people died in their destroyed houses.
Ausblick
Die Technik der differentiellen SAR-Interferometrie
wurde erfolgreich zum Katastrophenmonitoring
im Absenkungsgebiet
um die Stadt Tianjin und bei Hangrutschungen
im Gebiet des Drei Schluchten-Staudammes
eingesetzt. Tatsächlich
konnten jedoch nicht alle betroffenen
Bereiche in der Tianjin-Region mittels
D-INSAR vermessen werden. Im nächsten
Stadium ist vorgesehen, mehrere Corner-
Reflektoren zum Ausbau der Überwachung
in diesem Gebiet zu stationieren.
Basierend auf den INSAR-Ergebnissen
und Feldmessungen der Grundwasserstände
soll ein mathematisches Modell
für Absenkungsprozesse und -prognosen
Abb. 9: ENVISAT-Radarbild der Xintan-Hangrutschung und ein darauf installierter Corner-Reflektor (Fotos: Xia Ye,
GFZ Potsdam)
ENVISAT radar image of the Xintan landslide and one of the installed corner reflectors
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Abb. 10a bis c: Durchschnittliche Bewegungsgeschwindigkeit
von Reflektoren R 1, R 2 und R 3.
Mean velocity of corner reflectors R 1, R 2 and R 3.
entwickelt werden. Im Hangrutschungsgebiet der Drei
Schluchten wurden zwei momentan noch instabile Rutschungen
als weitere Testgebiete ausgewählt. Mit deren
Hilfe wird versucht zu zeigen, dass die D-INSAR-Technik
in Kombination mit künstlichen Corner-Reflektoren
eine effektive, ökonomische und automatische Überwachung
der Hangrutschungsgefährdung ermöglicht. Im
Juni 2006 wird mit TerraSAR-X der erste deutsche
INSAR-Satellit starten und weitere Radardaten zur Verfügung
stellen, so dass der Beobachtungsraum auf die
Yangtze Delta-Region und andere Inlandsbereiche erweitert
werden kann.
Literatur
Ferretti, A., Prati, C., and Rocca, F., 2001, Permanent scatteres InSAR interferometry.
IEEE, 39, 8-20.
Reigber, Ch., Xia, Y., Kaufmann, H., Massmann, F.-H., Timmen, L., Bodechtel, J.,
und Frei, M., 1996, Impact of precise orbits on SAR interferometry. Proc. ESA-
Fringe Workshop on Applications of ERS SAR Interferometry, ESA SP-406, Zürich,
Switzerland, el-pub: http://www.geo.unizh.ch/rsl/fringe96/papers/reigber-et-al/
p.223-232.
Xia, Y., Kaufmann, H., and Guo, X.F., 2002, Differential SAR interferometry using
corner reflectors. Proc. IGARSS, Toronto, 24-28 June, 1243-1246.
Xia, Y., Michel, G.W., Reigber, Ch., Klotz, J., and Kaufmann, H., 2003, Seismic
unloading and loading in Northern Central Chile as observed by D-INSAR and
GPS. International Journal of Remote Sensing, 24/22, 4375-4391.
Xia, Y., Kaufmann, H., and Guo, X.F., 2004, Landslide monitoring in the Three
Georges Area using D-InSAR and corner reflectors. Photogrammetric Engineering
and Remote Sensing, 70/10, 1167-1172.
Xia, Y., 2005, Bam earthquake: Surface deformation measurement using radar
interferometry. Acta Seismologica Sinica, ID: 1000-9116(200504-0451-09, 18/4,
451-459.
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Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Prozesse, die die Anden formten –
12 Jahre SFB 267
Onno Oncken und SFB 267-Arbeitsgruppe
Uplift of the Central Andean Cordillera commenced in early Tertiary times and accelerated since the Early Miocene.
Plateau formation and the contribution of different processes (crustal shortening, magmatic addition, mantle delamination
and hydration) are a matter of debate. Deep geophysical data across the Central Andes between 20°S and 24°S
(ANCORP'96 and associated geophysical studies) indicate the widespread presence of partial melts or metamorphic
fluids at mid-crustal level under the plateau between the Cordilleras bounding the latter. From structural balancing
studies, these fluids or melts are associated with decoupling of upper crustal shortening and lower crustal thickening,
hinting at the key role of thermal processes. Isotopic age-dating on syn-tectonic sediments of the Cenozoic intramontane
basin system building the Altiplano as well as seismic-sequence analysis demonstrate that the Southern Altiplano
crust was deformed with a complex partitioning of deformation between various subunits that were partly synchronized.
The general acceleration of shortening rate shows only shows a weak link to plate convergence rates in the early
stages until the Middle Miocene. In contrast, our results show that the differential velocity between upper plate velocity
and oceanic plate slab rollback velocity is crucial in determining amount and rate of shortening as well as their
lateral variability at the leading edge of the upper plate. This first order control is tuned by factors affecting the strength
balance between the upper plate lithosphere and the plate interface of the Nazca and South American plates. These
factors particularly include a stage of reduced slab dip accelerating shortening (33 and 20 Ma) and an earlier phase
of higher trenchward sediment flux reducing plate interface coupling with slowed shortening and enhanced slab rollback
(45 and 33 Ma). The combination of these parameters (in particular differential trench-upper plate velocity evolution,
high plate interface coupling from low trench infill, and the lateral distribution of weak zones in the upper plate
leading edge) was highly uncommon during the Phanerozoic leading to very few plateau style orogens at convergent
margins like the Cenozoic Central Andes in South America or the Laramide North American Cordillera.
Einleitung
Konvergente Plattenränder und Subduktionszonen zählen
zu den Phänomenen erster Ordnung, die die Erde gestalten.
An konvergenten Kontinenträndern ist eine Vielzahl
von Prozessen vereint, die die interne Architektur, den
thermischen und den stofflichen Charakter kontinentaler
Lithosphäre prägen. Hinzu kommt, daß die enge Beziehung
dieser Ränder zu aktiver Deformation und Heraushebung,
Magmatismus und assoziiertem Krustenwachstum,
der Bildung bedeutender mineralischer Lagerstätten,
sowie die Konzentration von mehr als 90 % der globalen
seismischen Energieabstrahlung diese Plattenränder zu
einem herausragenden natürlichen Labor machen, an dem
geologische Massen- und Energieflussraten wie an keinem
anderen Objekt untersucht werden können.
Seit der Integration der Konzepte zur Orogenese in den
plattentektonischen Rahmen gelten die Anden als Typvertreter
für subduktionsbezogene Plattengrenzen im
Gegensatz zum Himalaya als Typvertreter kollisionaler
Plattenränder. Obwohl die grundsätzlichen Unterschiede
zwischen diesen beiden Plattenrandtypen und ihre charakteristischen
Eigenschaften gut bekannt sind, sind die
zugrunde liegenden Steuerprozesse und Mechanismen ein
zentraler Gegenstand der internationalen Diskussion seit
den 70er-Jahren. Seit Ende der 80er-Jahre hat diese Diskussion
an Gewicht zugenommen, parallel zu einer ebenfalls
starken Zunahme von internationalen multidisziplinären
Forschungsprogrammen in beiden Orogenen. Einer
der Höhepunkte dieser Entwicklung ist der Anfang der
90er-Jahre gegründete und 2004 beendete SFB 267
„Deformationsprozesse in den Anden“, der von der Freien
Universität Berlin (Sprecheruniversität), der Technischen
Universität Berlin, der Universität Potsdam und dem Geo-
ForschungsZentrum Potsdam getragen wurde.
Zur Entwicklung der Vorstellungen von Subduktionsprozessen
sind die Anden ein ganz besonders geeignetes
System. Die Anden sind das größte aktive Subduktionsorogen
der Erde mit dem – nach Tibet – zweitgrössten
Hochplateau auf der Erde. Kein anderes Subduktionsorogen
unseres Planeten zeigt eine derart systematische
Änderung sowohl von verschiedenen plattenkinematischen
Randbedingungen als auch von klimatischen
Bedingungen entlang seines Verlaufs. Kein anderes fokussiert
in diesem Umfang natürliche Ressourcen und Naturgefahren
(z. B. 30 % der weltweiten Seismizität). Der andine
Plattenrand stellt damit ein globales natürliches Labor
dar, in dem eine Analyse der Wechselwirkung zwischen
Parametern und Prozessen bei der Subduktion und der
damit zusammenhängenden Oberflächenprozesse untersucht
werden kann. Die Erforschung dieser Prozesse mit
einem integrierten Bündel aus geophysikalischen, geodätischen,
geologischen und petrologischen Verfahren war
das Kernziel des SFB 267. Zwei kontrastierende Zielregionen,
die ariden zentralen Anden und die extrem humiden
Südanden, waren wegen ihrer gänzlich andersartigen
Architektur und Entwicklung ein ideales Objekt zum Testen
der Modelle und Vorstellungen, die für die konver-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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30
Abb. 1: Die Karte von Südamerika zeigt die beiden Hauptarbeitsgebiete des
SFB 267 und wichtige assoziierte Projekte (s. Text). Zusätzlich sind angegeben
die Verteilung des Ozeanbodenalters und der Benioff-Seismizität
(weiße Punkte: Erdbeben flacher als 100 km; blaue Punkte: Erdbeben zwischen
100 und 400 km; violette Punkte: Erdbeben > 400 km).
Map showing both principal research areas of the Collaborative reasearch
centre 267 in Northern and Southern Chile depicting also important associated
projects. The topographic map also shows the distribution of ages of
the ocean floor and the seismicity pattern of the Wadati-Benioff zone (white
dots: earthquakes shallower than 100 km; blue dots: earthquakes between
100 and 400 km; violet dots: earthquakes deeper than 400 km).
genten Plattenränder im allgemeinen und die Anden im
besonderen entwickelt wurden (vgl. Abb. 1).
Bereits kurz nach seiner Gründung hat der SFB 267 massiv
von seiner Einbindung in eine große Zahl anderer
nationaler und internationaler Programme mit verwandtem
Thema profitiert. 1995 startete das BMBF-finanzierte
Projekt CINCA (Crustal Investigations off- and onshore
Nazca/Central Andes, koordiniert durch die BGR)
mit einer marinen Erforschung des nordchilenischen Plattenrandes
mit dem Forschungsschiff „Sonne“ vor dem
Hauptarbeitsgebiet des SFB. 1996 folgte in Zusammenarbeit
mit dem Deutschen Kontinentalen Reflexionsseismischen
Programm (DEKORP, koordiniert durch GFZ
Potsdam) das gemeinsame Projekt ANCORP (Andean
Continental Research Program), das die erste tiefe refle-
xionsseismische Vermessung der zentralen
Anden lieferte – inzwischen eines der
‚global transects‘ von IGCP (International
Geoscience Correlation Programme).
Im Jahr 2000 fand unter denselben
Bedingungen SPOC (Subduction processes
off Chile), statt. Dieses war ein integriertes
marines Experiment mit dem
Forschungsschiff „Sonne“, koordiniert
von der BGR) vor dem patagonischen
Arbeitsgebiet des SFB. sowie ein landgestütztes
seismisches Experiment im südlichen
SFB-Arbeitsgebiet. Alle diese Vorhaben
wurden vom BMBF getragen sowie
teils vom GFZ kofinanziert. Schließlich
findet seit 2004 im Rahmen des neu
gestarteten Programms „Kontinentränder“
(„Geotechnologien“-Programm) das
Projekt TIPTEQ (The Incoming Plate to
megaThrust Earthquakes) mit einer
Reihe hochauflösender geophysikalischer
und anderer Projekte vor dem südchilenischen
Kontinentrand statt (s. u.).
Ein weiteres Schlüsselelement war die
Entwicklung eines engen Netzwerkes mit
Wissenschaftlern und Institutionen der
Gastländer, in diesem Fall Argentinien,
Bolivien und Chile. Durch die Vorgeschichte
des SFB und auch noch während
seiner Laufzeit konnte in diesen Ländern
ein enger Verbund mit Wissenschaftlern
an 12 Universitäten, 8 staatlichen Einrichtungen
(nationale Dienste, Förderagenturen,
etc.) sowie 8 nationalen und
internationalen Firmen (Erdölindustrie
und Kupferindustrie) entwickelt werden.
Die logistische und politische Unterstützung
durch diese Partner, die Bereitstellung
von Daten und der intensive personelle
Austausch waren von unschätzbarem
Wert, ohne die zahlreiche Vorhaben
nicht möglich gewesen wären. Insgesamt
haben im Rahmen des SFB in rund
Abb. 2: Blick vom Salar de Atacama (Längstal) auf die
W-Flanke des Altiplanos mit dem Vulkan Licancabu (Foto:
O. Oncken, GFZ)
View from the Salar de Atacama (Longitudinal Valley) on the
western flank of the Altiplano with the volcano Licancabu
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

80 Dissertationsprojekten über 15 junge südamerikanische
Wissenschaftler ihre Promotion in Berlin und Potsdam
abgeschlossen, finanziert durch den SFB und eine
Reihe weiterer Förderagenturen,. Darüber hinaus wurden
ca. 30 Diplomarbeiten mit Unterstützung des SFB und
betreut durch Mitglieder des SFB an chilenischen und
argentinischen Partneruniversitäten durchgeführt.
Die Anden
Die Anden sind mit 7500 km Länge das längste aktive Plattenrandgebirge
der Welt und zugleich der „Typ-Vertreter“
dieser Klasse von Orogenen. Trotz ihrer gemeinsamen
Entwicklungsgeschichte zeichnen sich die verschiedenen
Segmente der andinen Gebirgskette durch extreme Gegensätze
in Bezug auf ihre Breite, Höhe und Klimabedingungen
aus. Dies wird besonders bei einer Gegenüberstellung
der ausladenden Zentralen Anden und der sehr
schmalen Patagonischen Anden deutlich. Die Höhe und
Breite des Orogens ist im zentralen Bereich mit rund 4 bis
6 km bzw. 800 km wesentlich größer als im Süden und
Norden mit etwa 2 bis 4 km bzw. 200 bis 300 km. Trotz
einer inzwischen guten Kenntnis der geologischen und
geophysikalischen Rahmenbedingungen ist bislang unklar,
weshalb solche fundamentalen Unterschiede existieren
und welche Prozeßkombinationen dabei eine entscheidende
Rolle spielen.
Obwohl die Subduktion mindestens seit dem Jura andauert,
und obwohl die Nazca-Platte seit längerem mit hohen
Geschwindigkeiten (gegenwärtig mit ca. 6,6 cm/Jahr,
Auermann et al. 1990) unter Südamerika subduziert wird,
ist die Andenkordillere in ihrer heutigen Form erst im
Känozoikum entstanden (Mpodozis & Ramos 1990,
Dewey & Lamb 1992, Lamb et al. 1997) (s. Abb. 2). In den
Zentralen Anden hat sich seit dem Eozän östlich des Vulkanbogens
unter starker Krustenverkürzung ein breites,
im Mittel 3,8 bis 4,5 km hohes Hochplateau (Altiplano-
Puna) herausgehoben, das nach dem Tibetplateau das
zweitgrößte Hochplateau der Erde ist (Allmendinger et al.
1997, Lamb et al. 1997). Die Krustendicke nahm dabei
vom normalen Ausgangszustand (35 bis 40 km) auf über
70 km Dicke zu (s. Abb. 3). Gesteuert wurde diese Entwicklung
durch eine Verkürzung und Stapelung der kontinentalen
Erdkruste hinter dem Vulkanbogen (= Westkordillere)
um mehr als 250 km, ein Bereich, der in anderen
Subduktionsorogenen nicht von stärkerer Deformation
betroffen ist. Dagegen fehlt, anders als an den meisten
anderen Rändern, eine nennenswerte Deformation
zwischen Vulkanbogen und Tiefseegraben, d. h. dem
Bereich, der wegen der unmittelbaren Nähe zur Subduktionszone
und der seismisch aktiven Zone normalerweise
die meiste Deformation aufnimmt. Hier ist nur geringfügige
Krustendehnung und -absenkung zu beobachten
(Reutter et al. 1994). Diese insgesamt ungewöhnliche Verbindung
von Umständen ist bislang nicht verstanden.
Im Süden, in den Patagonischen Anden, fehlt ein solches
Plateau. Damit geht eine Abnahme der Krustendicke von
70 km unter den Zentralen Anden auf ca. 40 km unter den
Südanden einher, die selbst nur noch eine mittlere Höhe
von 1 bis 2 km erreichen. In den Zentralanden hat sich der
magmatische Bogen (Gipfelhöhe um 6 km) seit dem unteren
Jura um ca. 200 km nach Osten verlagert. Er befindet
sich heute auf dem Westrand des Hochplateaus. Im Gegensatz
hierzu ist der magmatische Bogen im Süden (Gipfelhöhe
um 3 km) weitgehend ortsfest geblieben und befindet
sich in der heutigen Hauptkordillere (Abb. 4). Die
Deformation der Erdkruste konzentriert sich hier, anders
als im Norden, heute eher auf den Bereich vor dem Bogen.
Insgesamt erfolgte aber auch hier, wie in den zentralen
Anden, die Entwicklung zu einem Gebirge erst seit dem
mittleren Tertiär. Die Andersartigkeit im Aufbau der
Anden in den verschiedenen geographischen Breiten, die
unterschiedliche Reaktion der kontinentalen Erdkruste
auf die laufende Subduktion ozeanischer Kruste und die
verschiedenen, damit zusammenhängenden Phänomene
enthalten die entscheidenden Hinweise auf die zugrundeliegenden
Steuerfaktoren.
Highlights und Resultate
In den zwölf Jahren des SFB 267 wurde eine integrierte
Gruppe geophysikalischer und geodätischer Experimente
mit einer weltweit einmaligen Datendichte in den zentralen
Anden durchgeführt. Diese Projekte liefern gegenwärtig
zahlreiche neue Randbedingungen zu den Aspekten
der Akkumulation und Verteilung der Deformation,
sowie zu den fluid-abhängigen Prozessen an einem konvergenten
Plattenrand. Insgesamt bieten diese Daten das
gegenwärtig tiefste und schärfste Abbild einer Subduktionszone.
Geophysikalische Bilder vom Subduktionsprozess
Seit der klassischen Arbeit von Isacks et al. (1968) gilt die
von Wadati und Benioff entdeckte tiefenabhängige Erdbebenverteilung
an den Grenzen der zirkumpazifischen
Kontinente als Ausdruck aktiver Plattentektonik und laufender
Subduktion ozeanischer Kruste unter kontinentale,
z. T. auch unter ozeanische Lithosphäre. Traditionell
wird die sogenannte Wadati-Benioff-Zone dabei als die
eigentliche Plattengrenzfläche betrachtet, an der ein Teil
der kinetischen Energie der Platten in seismische Deformation
umgesetzt wird. Die Seismizität im höheren Teil
der Subduktionszone (oberhalb ca. 50 km Tiefe), der sogenannten
seismogenen Zone, ist ein Effekt der Reibung und
des Zerbrechens von Gesteinen im kalten, spröden Bereich
der Plattengrenze (Tichelaar & Ruff 1991). Die tieferen
Beben, bis zu den tiefsten in ca. 650 km Tiefe, sind wegen
der hohen Temperaturen (T > 400 °C) nicht durch mechanische
Bruchbildung erklärbar. Da ihre Lokalisierung in
bezug auf die Subduktionszone nicht präzise genug
bekannt ist, liegen auch noch keine eindeutigen bzw. eher
konkurrierende Modellvorstellungen vor (Kirby et al.
1996).
Außer zahlreichen seeseitigen Messungen gibt es bislang
kaum Versuche, einen aktiven Kontinentalrand mit reflexionsseismischen
Verfahren, dem geophysikalischen Verfahren
mit dem höchsten Auflösungspotential zur Abbildung
von Aufbau und Strukturen von Erdkruste und Erd-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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mantel, bis in größere Tiefen abzubilden. Die vorliegenden
Experimente (z. B. Banda-Bogen, Alaska, Alëuten,
Kanadische Kordillere) waren alle nur in der Lage, die
oberen 30 bis 45 km abzubilden. Ein tieferes , vollständiges
und hoch aufgelöstes Abbild einer Subduktionszone,
das die Frage nach der Lokalisierung der Erdbebenaktivität
und der damit möglicherweise im Zusammenhang
stehenden Prozesse beantworten kann, wurde erst durch
die ANCORP Working Group (2003) vorgelegt.
Ein Bündel seismischer Experimente auf Seeseite und auf
Land sollte als gemeinsames Vorhaben mehrerer deutscher
geowissenschaftlicher Einrichtungen und Universitäten
diese Fragen klären (CINCA’95 und ANCORP’96; getragen
von FU Berlin, TU Berlin, Uni Potsdam, GFZ Potsdam,
Bundesanstalt für Geowissenschaften, GEOMAR
Kiel; vgl. Abb. 1). Ziel der Experimente war es, eine Abbildung
der Subduktionserosion und der Subduktionszone bis
in möglichst große Tiefen zu erzielen, die Lokalisierung
der Seismizität an der Subduktionszone zu untersuchen
sowie Bildungsort und Aufstiegswege von Schmelzen und
Fluiden aus der Subduktionszone zu identifizieren.
Die aktive seismische Vermessung erfolgte durch regelmäßig
angeordnete Sprengstoffschüsse an Land bzw.
durch Luftpulser auf See. Da das Ziel weniger eine Detailauflösung
in der oberen Kruste, als vielmehr eine möglichst
große Tiefenreichweite war, wurden an Land Bohrlochschüsse
mit 90 kg Sprengladung in gut 6 km Abstand
als Quelle gewählt. Eine Auslage mit Meßapparaturen,
verteilt entlang einer 25 km langen Linie, registrierte die
aus dem Untergrund unter der Auslage reflektierten Signale
dieser Schüsse (Steilwinkelseismik oder Reflexionsseismik).
Für die begleitenden Weitwinkelmessungen
wurden die Sprengungen an neun Schußpunkten etwa im
mittleren Abstand von 50 km mehrfach wiederholt, während
die 25 km lange Meßauslage von der Küste bis auf
den Altiplano „wanderte“. Bereits zu einem früheren Zeitpunkt
waren entlang derselben Linie auch wiederholt
Schüsse auf See und Land abgetan und sowohl auf See
wie auf Land über mehrere 100 km Länge registriert worden.
Auf diese Weise konnten die Messungen bis weit über
den Tiefseegraben nach Westen fortgesetzt werden. Das
Ergebnis war eine insgesamt fast 800 km lange Linie über
einen vollständigen aktiven Plattenrand. Im Anschluß
Abb. 3: a) Zusammengesetzte Sektion aus den Weitwinkeldaten des CINCA-Experiments und den Steilwinkeldaten des
ANCORP-Experiments mit einem der ersten hochauflösenden Schnitte durch ein Subduktionsorogen. Auffällig sind der
Reflektor, der die abtauchende Nazca-Platte bis in ca. 80 km Tiefe zeigt, und die Gruppe von Reflexionsbündeln, die
in der mittleren Kruste des Plateaus (ca. 20 bis 35 km Tiefe) angeordnet sind (aus: ANCORP Research Group, 2003).
b) Das interpretative Blockbild zeigt die herausragende Rolle von Fluiden und Schmelzen im Bereich des andinen
Plateaus.
a) Composite section showing wide angle-results of the marine CINCA experiment and the reflection line ANCORP’96
from the coast to the eastern rim of the plateau, both is forming one of the first high-resolution images of a convergent
margin system. Note deep image of the subducting Nazca plate and the alignment of reflection patches in the middle
crust beneath the plateau itself. b) Interpretive 3D view of Plateau and crustal architecture depicting the key role of
fluids and melts for the geophysical image.
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wurde mit den gleichen Apparaturen, nun netzförmig über
eine Fläche von 300 x 300 km verteilt, die passive Registrierung
der lokalen Erdbebenaktivität in einem großen
Netz um die seismische Linie herum vorgenommen.
Abb. 3 zeigt die ersten Ergebnisse in besonderer Deutlichkeit.
Es handelt es sich um eine Bearbeitung der reflexionsseismischen
Daten, die einen geometrisch korrekten
Tiefenschnitt vom Tiefseegraben über den chilenischen
Kontinentalrand bis an den Ostrand des Plateaus in Bolivien
wiedergibt. Zusätzlich sind hier auch die lokalisierten
Erdbeben dargestellt. Hier wird zum ersten Mal deutlich,
daß die Wadati-Benioff-Zone (d. h. die Zone der subduktionsbedingten
Erdbeben) im Abschnitt mitteltiefer
Beben (80 bis 200 km) nicht – wie bisher angenommen –
den Verlauf der eigentlichen Plattengrenze wiedergibt. Im
obersten Teil bis 50 km Tiefe, der Zone seismischer Kopplung
zwischen ozeanischer und kontinentaler Platte, ist die
seismische Deformation – d. h. reibungskontrollierte Erdbeben
– auf eine breite Zone um die eigentliche Plattengrenze
verteilt. Nach einem Bereich eher schwacher Seismizität
erscheint eine starke Häufung bei etwa 100 bis
130 km Tiefe. Diese ist versetzt unterhalb der eigentlichen
Plattengrenzfläche in Kruste und Mantel-Lithosphäre der
ozeanischen Platte. Dieser Versatz wird durch die reflexionsseismischen
Daten verdeutlicht: Das Abtauchen der
ozeanischen Kruste zwischen 40 und 80 km Tiefe wird
hier zum ersten Mal klar durch seismische Reflexionen
abgebildet, die im Bereich der Untergrenze der seismischen
Kopplung bei ca. 40 km einsetzen und sich mit
zunehmender Stärke bis in über 80 km Tiefe verfolgen lassen.
Die Reflektoren brechen in etwa 130 km Entfernung
von der Küste in etwas mehr als 80 km Tiefe plötzlich ab.
In der kritischen Tiefe von 80 bis 100 km bei Temperaturen
um 400 bis 500 °C (hier extrapoliert durch Modellierung
aus Temperaturmessungen in Bohrlöchern
an der Oberfläche) im Bereich der
Subduktionszone werden gegenwärtig
eine Reihe von mineralogischen Prozessen
diskutiert, die die Beobachtungen
erklären könnten (Peacock 1993, Kirby et
al. 1996). Insbesondere die Umwandlung
der basaltischen Gesteine (überwiegend
aus Feldspat und Hornblende bestehend)
der ca. 7 km dicken ozeanischen Kruste
zu Eklogit (überwiegend bestehend aus
Granat und Pyroxen) verändert nicht nur
die spezifische Dichte der Kruste (von ca.
2,9 g/cm 3 zu 3,3 g/cm 3 ). Diese Umwandlung
setzt auch das in den Ausgangsmineralen
gebundene Kristallwasser frei,
das – dem hydraulischen Gradienten folgend
– nach oben entweicht. Es ist unklar,
wie dies im einzelnen geschieht. Theoretische
Betrachtungen machen wahrscheinlich,
daß ein großer Teil dieser Fluide
unmittelbar über der ozeanischen
Kruste der abtauchenden Platte im Erdmantel
der darüberliegenden kontinentalen
Platte Südamerikas wieder mineralo-
Abb.4:Blick vom Längstal auf die südchilenische Hauptkordillere
mit dem Vulkan Llaima (Foto: H. Echtler,
GFZ).
View from the Longitudinal Valley on the Southern Chilean
maincordillera with the Llaima volcano
gisch fixiert wird (Serpentinit-Bildung aus dem Olivin des
Mantels). Dies würde wegen der damit verbundenen Volumenzunahme
die Wegsamkeit nach oben reduzieren, mit
dem Effekt der Ansammlung von Fluiden, die nicht weiter
entweichen können (ANCORP Working Group 2003).
Dieser Effekt wird durch das seismische Experiment sichtbar,
da Fluide die petrophysikalischen Gesteinseigenschaften
besonders stark beeinflussen. Sie sind sehr viel
besser in der Lage, starke Reflexionen zu erzeugen als
bloße Änderungen in der Gesteinszusammensetzung.
Dies geschieht in erster Linie über die Reduktion der Laufzeiten
seismischer Wellen, was über freie Fluide im Porenraum
der Gesteine besonders effizient erfolgt. Das Verschwinden
dieses starken Reflektors in einer Tiefe von
über 80 km bei Temperaturen über 500 °C hängt vermutlich
wiederum mit der oberen Stabilitätsgrenze von Serpentinit
zusammen. Die durch seine Bildung kontrollierte
Fluidfalle wird bei Temperaturen oberhalb ca. 500 bis
Abb. 5: Die Analyse der Dämpfung von P-Wellen von seismischen Ereignissen
aus der Wadati-Benioff-Zone zeigt einen Bereich hoher Dämpfung
unter dem magmatischen Bogen und des Plateaus, der sowohl den Erdmantel
als auch die Kruste erfaßt und stets Nester von Seismizität in der
Unterplatte mit aktiven Vulkanen in den Anden verbindet (aus Schurr et al.,
2006).
Analysis of attenuation of p-waves of seismic events from the Wadati Benioff
Zone indicates a high attenuation anomaly underlying the volcanic arc as
well as the plateau and encompassing the mantle as well as the crust of the
upper plate. The zone mostly connects clusters of Wadati Benioff seismicity
at depth and active volcanoes at surface (from Schurr et al., 2006).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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600 °C gewissermaßen undicht und gibt ihren Inhalt nach
oben ab.
Der Bereich der unter diesem abbrechenden Reflektor liegenden
Seismizität hängt vermutlich ebenfalls mit fluidgesteuerten
Vorgängen zusammen. In diesem Fall bildet
sie indirekt die oben erwähnte mineralogische Umwandlung
zu Eklogit in der ozeanischen Kruste bzw. die Entwässerung
des ozeanischen Erdmantels ab. Die freigesetzten
Fluide erhöhen den inneren Porendruck im Gestein
bis zur hydraulischen Bruchbildung, die als seismisches
Ereignis registriert wird. Ein Teil der durch diese Vorgänge
freigesetzten Fluide gelangt in den heissen Mantel unter
dem Vulkanbogen, wo er die Bildung von Teilschmelzen
begünstigt, die ihrerseits in die Erdkruste aufsteigen und
den Vulkanismus an der Erdoberfläche kontrollieren. Im
Feldexperiment wurde dies vor allem durch die Dämpfung
seismischer Wellen bei ihrem Durchlaufen unter dem Vulkanbogen
deutlich. Die Verteilung der seismischen Apparaturen
während des passiven seismischen Experimentes
an der Erdoberfläche erlaubte dabei eine direkte Vermessung
dieses Bereichs: Er ist geprägt von Teilschmelzbil-
Abb. 6: Die obere Linie zeigt die Variation des Oberflächenwärmeflusses von der Küste bis quer über das gesamte Plateau.
Der mittlere Schnitt zeigt prozessierte „Receiver Function“-Resultate (konvertierte Wellen von teleseismischen
Ereignissen), um einen korrekten Tiefenschnitt zu liefern. Neben der abtauchenden Nazca-Platte (s. auch Benioff-Seismizität
mit grünen Punkten) und der Basis der Kruste (Moho) unter den Anden zeigt der Schnitt insbesondere eine
bedeutende, das ganze Plateau unterlagernde Anomalie, die die Reflexionsmuster von ANCORP miteinander verbindet
(von Yuan et al., 2000). Der untere Schnitt zeigt die elektrische Leitfähigkeit der Kruste der Anden mit einer bedeutenden
Anomalie unter dem Plateau, deren Oberkante mit den Reflexionen und der aus den Receiver-Function-Daten
ermittelten Altiplano-Niedriggeschwindigkeitszone entspricht (s. Abb. 3b für die Interpretation; aus ANCORP Research
Group, 2003).
The upper line shows variation of surface heat flow data across the Andes. Central section depicts receiver function
results across the Andes as calculated from teleseismic events. Apart from the geometry of the subducting Nazca plate
(see also Wadati Benioff seismicity, green dots) and the Moho of the South American plate the section exhibits an important
anomaly in the middle crust linking the ANCORP reflection patches (Altiplano low velocity zone; from Yuan et al.,
2000). Lower section depicts the electrical conductivity of the plateau which shows a first order anomaly, the top of
which correlates with the reflection patches and the ALVZ of the receiver functions (see Fig. 2b for interpretation; from
ANCORP Research Group, 2003).
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dung, die sich von der seismisch besonders aktiven Zone
der Subduktionszone bis knapp unter die aktiven Vulkane
an der Oberfläche hinzieht und somit den Bildungsort wie
den Pfad der Schmelzen direkt anzeigt (s. Abb. 5).
Ein weiteres prägnantes Phänomen ist der starke Reflektor
unmittelbar westlich der aktiven Vulkanzone in etwa
20 bis 25 km Tiefe, über den oben beschriebenen Phänomenen
in der Subduktionszone. An der Oberfläche korreliert
dieser Reflektor mit dem Westrand des Altiplano-
Hochplateaus, warmen Quellaustritten und mineralisierten
Störungen sowie den größten Kupferlagerstätten der
Erde. Ein Zusammenhang von Fluidanreicherungen mit
der extrem reflektiven Zone ist daher auch hier sehr wahrscheinlich.
Bei den für seine Tiefe modellierten
Temperaturen um 500 °C ist zu
erwarten, daß durch die aufsteigenden,
abkühlenden Fluide in der kontinentalen
Kruste insbesondere Chlorit (ein wasserhaltiges
Mineral, das bei Temperaturen
unterhalb ca. 500 °C stabil ist) gebildet
wird. Auch in diesem Fall ist die Mineralreaktion
mit einer Volumenzunahme
und damit einer Reduktion der Porosität
verknüpft. Der Effekt der Bildung einer
impermeablen Fluidfalle ist derselbe wie
für den tiefen Reflektor beschrieben. Die
laterale Begrenzung ist in diesem Fall
eine tiefreichende aktive Verwerfung im
Westen, an der Oberfläche durch starke
Abb. 7: Die Karte zeigt das Ausmaß, mit
dem an der Altiplano-Niedriggeschwindigkeitszone
(ALVZ) P-Wellen zu S-Wellen
konvertiert wurden, aus den Receiver-
Function-Resultaten sowie die räumliche
Beziehung zum Auftreten von Vulkanismus
(blaue Dreiecke: Andesitvulkane; schwarze
Kreise: Ignimbritcalderen; aus Yuan
et al., 2000). Der untere Schnitt zeigt ein
Modellierungsergebnis, das darauf hinweist,
daß ein konvektiver Wärmetransport
in der Erdkruste mit dem Aufschmelzen
der mittleren Kruste als Ursache
sowohl für die Reflexionsmuster als auch
als Quelle für die Ignimbritschmelzen
herangezogen werden muß (aus Babeyko
et al., 2002).
This map shows the efficiency of conversion
of P-waves into S-waves at Altiplano
low velocity zone as deducted from
receiver function analysis as well as their
spatial relation to volcanism (blue triangles
show andesite volcanoes; black circles
indicate ignimbrite calderas; fom
Yuan et al., 2000). Lower section shows
modelling result which indicates that
convective heat transfer in the crust is responsible
for reflection patches as well as
for the source of ignimbrite melts (from
Babeyko et al., 2002).
Mineralisationen gekennzeichnet, und der aktive Vulkanbogen
im Osten – beides Strukturen, die die Durchlässigkeit
der Kruste für die Fluide wieder herstellen.
Die Daten liefern neben einer Abbildung der Komplexität
der Wadati-Benioff-Zone und ihrer Steuerung durch fluidgetriebene
Prozesse Hinweise darauf, daß die Gabbro-
Eklogittransition zu größeren Tiefen verschoben ist. Das
steht im Einklang mit theoretischen Vorhersagen zu kinetisch
verzögerten Reaktionen. Die meisten geophysikalischen
Phänomene im darüber liegenden Mantel und der
Kruste der Oberplatte werden wahrscheinlich von durch
Fluide und Schmelzen gesteuerten petrologischen Prozessen
im Zusammenhang mit der Subduktion und der
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Delamination der Mantellithosphäre kontrolliert. So verweisen
die geophysikalischen Ergebnisse insbesondere
auf die verbreitete Anwesenheit von Schmelzen in der
mittleren Kruste unter dem gesamten Altiplano-Puna-Plateau
(Abb. 6, 7). Diese Beobachtung ist im Einklang mit
der Analyse der mechanischen Rigidität, beruhend auf der
Analyse der Schweremessungen, die ebenfalls auf eine
schwache Lithosphäre verweisen. Die Lithosphäre ist
zudem unter dem zentralen Plateau ausnehmend dünn und
stellt damit eine mechanische Schwächezone erster Ordnung
in der Oberplatte dar. Die Deformation des Altiplano
und der Puna wurzelt in dieser Tiefe, wie Oberflächendaten,
industrieseismische Daten und Bilanzierungsstudien
zeigen – ohne Fortsetzung der Strukturen in die
tiefere Kruste. Tomographische Daten in Verbindung mit
geochemischen Analysen von vulkanischen Gesteinen
suggerieren darüber hinaus, daß Teile der kontinentalen
Mantel-Lithosphäre der Puna rezent delaminiert werden
(Abb. 8).
Somit kann erstmals – gestützt auf diese Beobachtungen –
eine gesamte Konvergenzzone in hoher Auflösung beobachten
werden: die laterale Komplexität in der Fluidfrei-
setzung aus der ozeanischen Platte, ihre Verbindung mit
der Wadati-Benioff-Seismizität (d. h. ein Hinweis auf
Dehydratationsversprödung als wichtigem Mechanismus),
und der Aufstieg der Fluide und Schmelzen zu den vulkanischen
Zentren an der Oberfläche. Die Daten zeigen eine
insgesamt sehr viel höhere Komplexität, als aus Standardmodellvorstellungen
erwartet wird. Obwohl diese Resultate
erhebliche Ähnlichkeiten mit den Eigenschaften des
Tibetplateaus besitzen, betonen sie darüber hinaus insbesondere
die herausragende Rolle, die fluidgesteuerte Vorgänge
bei der Subduktionsorogenese und der Bildung eines
nicht-kollisionalen Plateaus haben. Andererseits haben
demnach die Plateaubildungen in verschiedenen geodynamischen
Randbedingungen zahlreiche gemeinsame Züge,
so den thermischen Zustand der Kruste, den partiellen Verlust
der Mantellithosphäre und eine weiträumige Aufschmelzung
der tieferen bis mittleren Erdkruste.
Deformation und Plateaubildung
Die geophysikalischen Ergebnisse werden von einer zunehmenden
Anzahl quantitativer oberflächenbezogener
Beobachtungen begleitet, die darauf verweisen, daß die
Abb. 8: Die tomographische Untersuchung der zentralen Anden zeigt in einem ausgewählten Schnitt die Fluid- und
Temperaturverteilung im Mantel unter der andinen Kruste. Die Kruste der Anden und der Nazca-Platte enthält nur
die Geschwindigkeitsanomalien der P-Wellen. Die Entwässerung der abtauchenden Nazca-Platte wird außer in den
„nassen“ Bereichen des Mantels in der Isotopensignatur des Elements Bor an der Oberfläche deutlich, das auf eine
Herkunft aus Meereswasser hinweist. Im Temperaturbild zeigt die östliche kalte (und trockene) Zone Hinweise auf
Ablösung der Mantellithosphäre von der überlagernden andinen Kruste (aus Sobolev et al., 2006 und Rosner et al.,
2003).
Tomographic data of Central Andes inverted for fluid-content and temperature. Note that crust of Central Andes and
of Nazca plate only exhibits p-wave velocity anomalies. Dehydration of Nazca plate is imaged by a ,wet‘ zone in the
mantle and by the isotopic composition of boron at the surface that originated from subducted sea water. The temperature
image of the cool (and dry) eastern zone indicates ongoing delamination of mantle lithosphere from the overlying
Andean crust (from Sobolev et al., 2006, and Rosner et al., 2003).
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Abb. 9: Die linke Abbildung zeigt das GPS-Verschiebungsfeld der gesamten Zentralen und Südlichen Anden und seine
Prägung durch den seismischen Zyklus. Der größte Teil des Plattenrandes befindet sich im interseismischen Zyklus und
wird elastisch komprimiert. Das Antofagastabeben von 1995 wird klar durch die elastische Relaxation mit einer coseismischen
Verschiebung von ca. 80 cm nach Westen angezeigt, der Bereich mit dem weltweit stärksten historisch aufgezeichneten
Beben von Valdivia (1960, Magnitude 9.5) dagegen zeigt heute noch postseismische viskoelastische Relaxation.
Die rechte Abbildung zeigt die aktive Verformung nach Abzug der elastischen Deformation und die Geometrie
der Zone seismischer und mechanischer Kopplung zwischen Nazca-Platte und südamerikanischer Platte (aus Klotz et
al., 2001).
The left map shows the GPS-displacement field over the past decade and ist predominance by the seismic cycle. Most
of the plate margin is in the interseismic stage and deformed elastically. The Antofagasta earthquake from 1995 is
obvious from coseismic elastic strain release of some 80 cm to the west, the area of the strongest historically observed
earthquake on Earth from Valdivia (1960, magnitude 9.5) is still in a stage of viscoelastic relaxation. The map on the
right depicts the residual strain after removal of the elastic interseismic component and illustrates the above two rupture
areas as well as the geometry of the underlying seismic and mechanical coupling zones between both plates (from
Klotz et al., 2001).
Deformation des Plateaus und seiner Randbereiche sehr
eng mit z. T. thermisch bestimmten Schwächezonen der
südamerikanischen Platte zusammenhängen. Diese werden
z. B. deutlich durch die Vermessung des aktuellen
Deformationsfeldes mit Hilfe der GPS-Technologie über
ca. 10 Jahre, die nicht nur die Dominanz des seismischen
Zyklus am Plattenrand dokumentiert, sondern auch zeigt,
daß der magmatische Bogen eine Trennung zwischen dem
Vorbogenbereich und dem Rückbogenbereich darstellt.
Während der Vorbogenbereich weitgehend elastisch
deformiert wird,findet am Rückbogenbereich einr langsam-permanente
Deformation statt (Abb. 9). Gleichzeitig
ist der stete Massenfluß in den Rückbogenbereich hinein
ein wesentlicher Steuerfaktor für das laterale Expandieren
des Plateaus (s. Abb. 10).
Aus detaillierten geologischen Felddaten kann darüber
hinaus erstmals eine quantitative Rekonstruktion der
Geschwindigkeiten der Deformation mit hoher zeitlicher
und räumlicher Auflösung für ein gesamtes Orogen hergestellt
werden. Diese erlaubt eine präzise Korrelation mit
Zeitreihen anderer plattentektonischer, stofflicher oder
thermischer Prozesse, um die in der Literatur vielfach kontrovers
diskutierten Steuerfaktoren für die Bildung der
Anden zu identifizieren (s. Abb. 11). Anders als die geophysikalischen
Daten suggerieren, sind thermischer Zu-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 10: Das Best-fit-Ergebnis der Modellierung des Materialflusses und
der Verteilung der Deformation in den zentralen Anden zeigt die zentrale
Rolle der mechanischen Entkopplung an der Basis und des aus Osten herangeführten
Materials mit einem Wechsel von homogener Verkürzung zu
einer Verlagerung der aktiven Deformationszone an die Ostflanke des Plateaus
(aus Vietor und Oncken, 2005).
The best-fit result of modelling the material flux and distribution of deformation
in Central Andes underscores the role of mechanical decoupling at
the base of the orogen and of the incoming material from the east with a
change from pervasive shortening of the proto-plateau area to a shift of active
deformation towards the eastern plateau flank (from Vietor and Oncken,
2005).
stand und Schmelz- bzw. Fluidverteilung keine der entscheidenden
Faktoren. Zwar beeinflussen sie die laterale
Verteilung von Deformation, nicht jedoch ihr Einsetzen
oder die zeitliche Entwicklung. Als ähnlich irrelevant
erweist sich die vielfach vorgeschlagene Konvergenzgeschwindigkeit
zwischen den Platten. Das aus GPS-Daten
und 3D-Bilanzierung der Deformation abgeleitete, oberflächennahe
Verschiebungsfeld des gesamten Bereichs
östlich des Vulkanbogens, erscheint seit Heraushebung
der andinen Kordillere erstaunlich gleichförmig mit einer
Beschleunigung der Verkürzungsraten trotz einer Verlangsamung
der Plattenkonvergenz seit dem Miozän.
Dagegen zeigt sich, daß vor allem die absolute Driftgeschwindigkeit
der Oberplatte und die mechanisch begrenzte
Fähigkeit der Unterplatte zum trench/slab-rollback
die kritischen Größen sind, die die Deformation eines
Plattenrandes bestimmen. Feldbeobachtungen belegen
darüber hinaus eine strenge Systematik von lokalisierten,
hohen Deformationsraten und darauf folgendem aktivem
Vulkanismus im Zusammenhang mit krustalem Aufschmelzen.
Das Deformationsmuster der gesamten Krus-
te zeigt zudem, daß die Verdickung der
Kruste nahezu ausschließlich durch tektonische
Verkürzung zustande kommt;
dies ist vermutlich mit einem hohen
Anteil eines weiträumigen orogenparallelen
Massenflusses in der Unterkruste
verbunden. Eine zentrale Ergebnis dieser
Analyse ist demnach, daß das in Gesteinen
gespeicherte Gedächtnis oder ihr
geophysikalisches Abbild nicht die Faktoren
erster Ordnung zu identifizieren
erlaubt, die für die Deformationsgeschichte
verantwortlich waren. Die gespeicherten
oder abgebildeten Informationen
geben uns allenfalls Hinweise
auf die Mechanismen, welche die laterale
Verteilung der Deformation gesteuert
haben.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die
Niederschlagsverteilung auf der kontinentwärtigen
Ostseite der Anden. Im
Norden findet bei subtropischen Niederschlägen
erhebliche Erosion statt, während
die semi-aride Ostseite im Süden
nur sehr begrenzte Erosion erfährt. Im
Norden ist eine sehr breite Deformations-zone
mit Krustenverkürzung von
über 250 km entstanden, im Süden
beträgt die Verkürzung weniger als
40 km, nicht ausreichend zur Bildung
eines Plateaus (Abb. 12). Im Norden wie
im Süden korrelieren die Bereiche höherer
Niederschläge mit stärkerer Erosion,
die seit dem Oligozän z. T. mehr als 5 km
beträgt.
Diese Zusammenhänge verweisen auf
einen Mechanismus, der in den letzten
Jahren zunehmend in die Diskussion
gerät. Es ist seit langem bekannt, daß Niederschläge in
ihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung die erosive Zerstörung
von Gebirgen betreiben (Keller & Pinter 1996).
Gleichzeitig erzeugt jedoch die Bildung einer topographischen
Barriere ein Hindernis, das erheblich auf die
atmosphärische Zirkulation rückwirkt und damit auch zur
Niederschlagsbildung beiträgt. Zusätzlich zeigen neuere
theoretische Betrachtungen, daß aktive Gebirge dazu neigen,
einem stationären Gleichgewicht zuzustreben. D. h.
die niederschlagsabhängige Erosion und der Massenverlust
an der Oberfläche wird wieder ausgeglichen durch
interne Deformation der Erdkruste, durch die wieder
neues Material tektonisch nach oben befördert wird.
Damit wird nicht nur der erosiven Zerstörung entgegengewirkt,
sondern ein Gleichgewicht zwischen Topographie,
atmosphärischer Zirkulation und Niederschlagsverteilung,
niederschlagsabhängiger Erosion und Deformation
hergestellt. Dieser Aspekt ist wahrscheinlich eine
wichtige zusätzliche Erklärung, warum Deformation und
niederschlagsabhängige Erosion an der Oberfläche stets
zusammenzuhängen scheinen.
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Abb. 11: Korrelation verschiedener Zeitreihen zur Analyse
der Steuerfaktoren der Andenbildung für den Zeitraum
des Känozoikums. a) Entwicklung der tektonischen
Verkürzungsgeschwindigkeiten der Anden aus
geologischen Daten. b) Konvergenzgeschwindigkeit der
zwischen Nazca-Platte und südamerikanischer Platte
sowie Entwicklung der Konvergenzschiefe zeigt keine
Korrelation zur Deformation der Anden. c) Sehr gute
Korrelation zwischen Deformation der Anden und absoluter
Westdrift Südamerikas bei (d) nur geringer Fluktuation
der Verlagerung der Subduktionszone. e) Raten
der Subduktionserosion aus den Raten der Verlagerung
des Vulkanbogens. f) Vulkanischer Fluß und Verkürzungsgeschwindigkeit der Anden sind nicht korreliert. g) Die Scheinkorrelation
zwischen globaler Abkühlung und Zunahme der Verkürzungsgeschwindigkeit wird offenbar, wenn die dazu
notwendige Entwicklung der Füllung des Tiefseegrabens rekonstruiert wird (h; aus Oncken et al., 2006).
Correlation of various time series data analyzing the principal factors controlling the deformation of the Central Andes
during the Cenozoic. a) Evolution of shortening rates from geological data. b) Convergence velocities between Nazca
plate and South America as well as obliquity exhibit no correlation with Andean shortening. c) Very good correlation
between Andean shortening rates and (d) absolute drift velocity of South America at nearly stable retreat of subduction
hinge. e) Rates of subduction erosion as inferred from retreat of the volcanic arc through time. f) Volcanic flux, i.e.
thermal state of upper plate, is uncorrelated with shortening velocity. g) Apparent correlation between global cooling
and evolution of shortening rate is obvious from analyzing the evolution of trench fill which shows no relevant trend
(h; from Oncken et al., 2006).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 12: Der Unterschied im geophysikalischen Aufbau, der Topographie und der tektonischen Verkürzungsgeschichte
von zentralen und südlichen Anden hängt mit ihrer Lage in verschiedenen Klimagürteln zusammen, wie der Vergleich
der Receiver-Function-Daten in den beiden Schnitten mit dem Bild der Niederschlagsverteilung (rot: arid; blau: hohe
Niederschläge) als Index für die Effizienz von Erosion und Sedimenttransport in den Tiefseegraben zeigt.
The difference in geophysical architecture, topography, and shortening of Central and Southern Andes is related to
their respective positions in various climate belts. This becomes obvious from correlating the receiver function sections
indicating crustal thickness and architecture with map of precipitation (red: arid; blue: high precipitation rates)
as a proxy for efficiency of erosion and sediment transport towards the trench.
Tektonische Materialumlagerung, Krustenwachstum
und Klimaentwicklung
Das inzwischen dichte Netz meeresgeophysikalischer
Vermessungen der Kontinentalränder hat in den letzten
Jahren eine zentrale Erkenntnis gefördert: Entgegen der
bislang vorherrschenden Vermutung werden nur etwa bei
30 % aller aktiven Plattenränder die Sedimente, die auf
der ozeanischen Kruste und in den Tiefseegräben abgelagert
wurden, durch Abscherung an der Spitze oder unter
den Rand der kontinentalen Erdkruste tektonisch angelagert
(v. Huene & Scholl 1991). Nur im Fall der Anlagerung
wird zusätzlich zur Einlagerung von Magmen aus
dem Erdmantel die kontinentale Kruste langsam wachsen.
Gegenüber diesen sogenannten akkretionären Rändern ist
die Mehrheit nicht nur nicht-akkretionär. Meistens sind
sie sogar durch Subduktionserosion geprägt: ein stetiges
Abraspeln kontinentalen Materials von der Unterseite der
Kontinente durch die in die Tiefe subduzierte ozeanische
Erdkruste führt zu einer langsamen Vernichtung kontinentaler
Kruste mit typischen Raten von etwa 1 bis 4 km
Krustenbreite pro Mill. Jahre. Für die Krustenwachstumsbilanz
während der Erdgeschichte, die chemische
Entwicklung des Erdmantels und für magmatische Pro-
zesse hat dieser letzte Prozeß wahrscheinlich erhebliches
Gewicht. Diese verschiedenen Formen der Materialumlagerung
an aktiven Rändern, die sich in jeweils verschiedenen
Phänomenen äußern, haben darüber hinaus
vermutlich großen Einfluß auf eine Vielzahl von anderen
Prozessen am und im jeweiligen aktiven Kontinentalrand.
Durch Kollision von Kontinenten hervorgegangene Gebirge
(z. B. Himalaya, Alpen) sind vor allem durch tektonische
Anlagerung und Stapelung der kontinentalen Gesteinseinheiten
beider Platten geprägt. Bei durch Subduktion
geprägten aktiven Plattenrändern können sich hingegen
ganz unterschiedliche Muster von Materialumlagerung
zeigen. Gebirge sind damit nicht nur direkte Anzeiger
und auch Spuren von ehemaligen aktiven Plattenrändern
(vor der Kollision), sondern sie enthalten auch
das entscheidende Gedächtnis der Bedingungen, welche
die Materialtransportprozesse an aktiven Plattengrenzen
bestimmen.
Bei den Anden läßt sich exemplarisch zeigen, daß sich
mehrere Bereiche von tektonischer Erosion bis zu tektonischer
Akkretion von Norden nach Süden ablösen
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(vgl. Abb. 13). Die Zentralen Anden gelten inzwischen
als Typvertreter subduktionsgesteuerter Orogene, an
denen tektonische Erosion vor der Akkretion von Sedimenten
und Krustensplittern dominiert (v. Huene &
Scholl 1991). Bei diesem Vorgang sind in den zentralen
Anden seit dem Jura (vor 140 bis 200 Mill. Jahren) über
200 km kontinentale Kruste vernichtet worden, wobei
der Verbleib dieser tektonisch erodierten Krustenanteile
ungeklärt ist. Zur Folge hatte diese Erosion des Kontinentalrandes,
daß der vulkanische Bogen seit dem Jura
um 200 km nach Osten in seine heutige Position wanderte
(Ziegler et al. 1981, Reutter et al. 1994). Das ungewöhnliche
Deformationsverhalten des kontinentalen
Randes westlich des Vulkanbogens (Absenkung unter
Dehnung) ist ebenfalls auf den Einfluß des tektonischen
Abraspelns von Material an der Unterseite der kontinentalen
Erdkruste zurückzuführen.
Experimentelle und theoretische Studien der letzten Jahre
geben einen Hinweis, welche physikalischen Parameter
diese Materialbewegungen steuern. An einer Subduktionszone
wird insbesondere die kinetische Energie der
mit einigen Zentimetern pro Jahr driftenden ozeanischen
Platten über die mechanische Koppelung an der Subduktionszone
auf die kontinentale Platte übertragen; diese reagiert
entsprechend ihrer Eigenschaften (Tichelaar & Ruff
1991). Die Festigkeit der Subduktionszone, d. h. ihre Reibung
bzw. Viskosität, steuert dabei nicht nur die Art
des Akkretionsverhaltens am Plattenrand, sondern wahrscheinlich
auch die Intensität der seismischen Aktivität
und die Effizienz, mit der die Oberplatte deformiert werden
kann. Eine wichtige Rolle hat dabei der Gehalt an
Fluiden (Gase, wässrige Lösungen und Schmelzen) im
Gestein sowie der Wärmehaushalt und die stoffliche
Zusammensetzung der Gesteine, welche die ozeanische
Abb. 13: Experimentelle Resultate aus Analogexperimenten belegen die herausragende Rolle, die die Sedimente im Tiefseegraben
für den tektonischen Massenflußmodus am Plattenrand haben, und zeigen, dass dessen Variation am andinen
Rand in erster Linie von der klimaabhängigen Entwicklung der Tiefseegrabenfüllung seit Vereisung der Südhemisphäre
(seit ca. 6 Mio Jahren) gesteuert wird (aus Lohrmann, 2003, und Kukowski und Oncken, 2006).
Experimental results from analogue simulation studies indicate the dominant role of trench sediment thickness for tectonic
mass flux mode at convergent margins. Observations at the Andean margin clearly demonstrate that climate-controlled
development of trench fill since southern hemisphere glaciation (since c. 6 Myrs) is responsible for spatial and
temporal variations of observed mass flux (from Lohrmann, 2003, and Kukowski and Oncken, 2006).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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und die kontinentale Kruste aufbauen. Der Schlüssel zum
Verständnis der Vorgänge an aktiven Kontinentalrändern
liegt damit insbesondere im Verständnis der Mechanik der
Plattengrenzfläche selbst und der Faktoren, die hierauf
Einfluß nehmen.
Als Schlüsselfaktor wurde vom SFB 267 das Klima identifiziert.
Das trockene Klima in den Zentralen Anden führt
dazu, daß die Tiefseerinne vor den Zentralen Anden nahezu
sedimentfrei ist (Ziegler et al. 1981, Bangs & Cande
1997). Die Plattengrenzfläche wird hier also nicht mit
mächtigen, wasserhaltigen Sedimenten „geschmiert“, sondern
besitzt eine hohe Reibung. Im Bereich des westlichen
Altiplano und in der von seinem Rand bis zur Küste reichenden
Atacamawüste (Niederschläge < 50 mm/J.) wird
seit langem praktisch kein Material durch Niederschläge
erodiert und in die Tiefsee transportiert. An der Westflanke
der Südanden dagegen, bei Niederschlägen von
> 3000 mm/J., wird sehr viel Material erodiert, in den Tiefseegraben
verfrachtet und teilweise zum Aufbau eines
akkretionären Keils verwendet (Bangs & Cande 1997).
Das subduzierte Material dient zudem zum „Gleiten“ und
zur Schwächung der Plattengrenzfläche.
Der Sedimentkeil im Süden hat allerdings nur die in den
letzten ca. 3 Mill. Jahren im Tiefseegraben abgelagerten
Sedimente aufgenommen (Bangs & Cande 1997). Die
Südanden gelten daher als zumindest zeitweise akkretionärer
Rand. Hier ist der Wechsel zur Akkretion mit der
Vergletscherung der Patagonischen Anden seit etwa 5 bis
Abb. 14: Die Analyse der Verkürzungsgeschwindigkeiten entlang der Anden zeigt eine drastische Abnahme der Raten
und sogar eine Beendigung der Verkürzung seit Beginn der hohen Sedimentschüttung in den Tiefseegraben mit Beginn
der Vereisung der Südanden (aus Vietor und Echtler, 2006).
Analysis of shortening rates along the Andes exhibits a drastic decrease of rates or even termination of shortening following
onset of high sediment flux rates to the trench from glaciation of southern Andes (from Vietor and Echtler, 2006).
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6 Mill. Jahren gesteuert worden. Zugleich hat mit der Füllung
des Tiefseegrabens das Deformationsverhalten der
südamerikanischen Platte eine fundamentale Wandlung in
diesem Bereich erfahren. Die bessere „Schmierung“ der
Plattengrenzfläche durch die wasserreichen Sedimente
führte zur Beendigung der Verkürzung in der Hauptkordillere
und zur Hebung der Küstenkordillere durch das
unterplattete Material. In der Tat konnte also gezeigt werden,
dass der Materialflußmodus im wesentlichen von der
klimaabhängigen Sedimentflußrate in den Tiefseegraben
abhängt, Klimaänderungen mithin einen maßgeblichen
Effekt auf fundamentale geodynamische Vorgänge haben.
Gegenüber bisherigen Vorstellungen, die, wie oben erwähnt,
eine lokale Beziehung zwischen Klima und Tetonik
herstellen, zeigen unsere Resultate, daß eine sehr viel
bedeutendere Beziehung auf indirekte Weise hergestellt
wird: Sowohl der Massenflußmodus am Plattenrand (tektonische
Erosion versus Akkretion) wie das kinematische
Regime in der Oberplatte (Verkürzung versus Dehnung)
werden über den Umweg der klimaabhängigen Sedimentfüllung
des Tiefseegrabens gesteuert. Hierin liegt
vermutlich einer der entscheidenden Gründe, warum sich
Zentrale Anden und Südanden so grundsätzlich voneinander
unterscheiden (Abb. 14).
Zusammenfassung
An einer Subduktionszone greift eine Vielfalt verschiedener
Prozesse und Phänomene ineinander, gesteuert von
wenigen fundamentalen Aspekten. Der rote Faden, so zeigen
die Resultate des SFB 267, sind
immer wieder die mechanische Festigkeit
der Plattengrenzfläche selbst und des
kontinentalen Plattenrandes, die Bewegungsgeschwindigkeiten
der ozeanischen
und der kontinentalen Platte, der tektonische
und klimagesteuerte Massentransfer
und der Einfluß der verschiedenen
Fluide (Abb. 15).
Diese Aspekte sind jeweils nicht unabhängige
Parameter, sondern stets wechselseitig
miteinander in rückgekoppelten
Ursache-Wirkungs-Kreisen verbunden.
So wie unter konstanten äußeren Bedingungen
ein Orogen dabei einem Gleichgewichtszustand
zustrebt, der insbesondere
durch den Masseninput und -output
von außen beeinflußt werden kann, steht
der klimatisch gesteuerte erosive Massentransfer
in Wechselwirkung mit der
Entwicklung der Topographie und der
Deformation der Erdkruste. Schließlich
spielen die Mengen, Raten und Verteilung
der tektonischen Materialakkretion oder
Erosion im Bereich vor und hinter dem
magmatischen Bogen eines Orogens eine
weitere, wesentliche Rolle. Sie beeinflussen
– wie der klimatisch gesteuerte erosive
Massentransfer – vor allem die Geo-
metrie und Massenverteilung des Orogens und kontrollieren
somit sein Deformationsverhalten. Demgegenüber
steuert der Eintrag von Fluiden und Schmelzen von der
ozeanischen Platte in die kontinentale Platte hinein vor
allem direkt das Temperaturfeld in der Lithosphäre und
die mechanischen Schlüsseleigenschaften der Gesteine
und damit die Orogenentwicklung.
Diese Resultate erweitern und modifizieren, vielfach
erheblich, früher vorgebrachte, meist kontrovers diskutierte
Vorstellungen:
a) die enge Verbindung zwischen Initiierung und Stil der
Deformation mit Zeitpunkt und Anwesenheit intrakrustaler
Schmelzen wird nach unserer Ansicht überschätzt;
b) die Beobachtung, daß Klima und Tektonik lokal gekoppelt
sind – nach unserer Ansicht ist die Fernwirkung
über den klimatisch kontrollierten Massenfluß in
den Tiefseegraben bedeutender für die Steuerung
sowohl des tektonischen Massenflußmodus (tektonische
Erosion versus Akkretion) als auch für die Beeinflussung
der Deformationsraten in der Oberplatte;
c) die Vermutung, daß die Plateaubildung fast ausschließlich
durch tektonische Verkürzung in Verbindung mit
partiellem Verlust der Mantellithosphäre kontrolliert
wird;
d) die Rolle des advektiven Wärmetransportes mit einem
sehr komplexen Modus als wesentlichem Steuerfaktor
Abb. 15: Die numerische Modellierung der Deformation des andinen
Plattenrandes unterstützt den geologischen Befund, daß die Westdrift Südamerikas,
die Sedimentfüllung des Tiefseegrabens sowie Delamination
der Mantellithosphäre die zentralen Steuerfaktoren der Orogenentwicklung
an konvergenten Plattenrändern sind (aus Sobolev and Babeyko,
2005).
Numerical modelling of deformation of the Andean margin supports geological
findings that upper plate west drift velocities, trench sediment fill, and
delamination of mantle lithosphere are the key mechanisms driving orogeny
at convergent margins (from Sobbolev and Babeyko, 2005).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
43

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für die Bildung eines nicht-kollisionären Plateaus wird
nach unserer Ansicht erheblich überschätzt bis auf
seine Rolle für den Magmatismus (s. o.).
Die ersten vollständigen und intern konsistenten Modelle
(Abb. 15) bestätigen die Feldbeobachtungen zum bislang
gänzlich unterschätzten überragenden Einfluß der
Kinematik von Oberplatte und Trench-Slab-System gegenüber
der bisher vermuteten Konvergenzrate beider
Platten. Damit ist der Deformationsmodus von Plattenrändern
als komplexes Zusammenspiel von Faktoren identifiziert,
unter denen nur eine ganz bestimmte Kombination
zu einem Orogen des zentralen Andentyps führt. In
der jüngeren Erdgeschichte sind nur die kretazischen
Laramiden des westlichen Nordamerikas ein Kandidat für
ein ähnliches Plateau-Orogen.
Ausblick
Ein wesentlicher Langfristauftrag bei Sonderforschungsbereichen
sind profilbildende Maßnahmen an den Trägerstandorten.
Die Zeitspanne des SFB 267 fiel mit einer
wesentlichen Umgestaltung bzw. einem Neuaufbau seiner
Trägereinrichtungen zusammen und hat daher bei allen
z. T. erhebliche Einwirkungen erzielt. An den Berliner
Universitäten sind dies insbesondere die langfristige
Sicherung der Geowissenschaften mit Zusammenführung
und Reorganisation der Institute für Geowissenschaften
und die Entwicklung fachübergreifender, gemeinsamer
Curricula. An der Universität Potsdam hat die Beteiligung
am SFB den abschließenden Aufbau des Institutes befördert,
am GFZ Potsdam hat die Entwicklung des Programmtopics
„Geodynamik“ im Programm „Geosystem“
wesentlich vom SFB 267 profitiert. Diese Entwicklung
beförderte nachdrücklich die regionale, aber auch die
nationale Vernetzung der SFB-Trägereinrichtungen in der
Forschung.
Bereits in der Schlußphase des SFB 267 wurden –
wesentlich aus den Erfahrungen des Sonderforschungsbereich
angestoßen – einige der zentralen Folgeaktivitäten
gestartet. Allen gemeinsam ist eine vernetzte Beteiligung
jeweils mehrerer der Trägerinstitutionen des SFB.
Anfang 2004 startete das Vorhaben TIPTEQ, das bis
Mitte 2007 terminiert ist. Das Vorhaben ist eine Komponente
des Teilprogramms „Kontinentränder“ des
BMBF/DFG-Programms „Geotechnologien“. Es hat,
überlappend mit der letzten SFB-Periode, die Forschung
im südlichen SFB-Arbeitsgebiet intensiviert, wird diese
fortsetzen und auf die Prozesse der Steuerung von Starkbeben
und ihrer Auswirkungen auf die Erdoberfläche im
Bereich des Starkbebens von Valdivia (1960) fokussieren.
Es bündelt mit marinen und landgestützten Verfahren
die Expertise von 10 deutschen Einrichtungen (GFZ
Potsdam, GEOMAR, Universitäten FU Berlin, Potsdam,
Hamburg, Bremen, Freiburg, Kiel, BGR, Bayerische
Akademie der Wissenschaften). Gemeinsam mit den
Universitäten Amsterdam und Potsdam hat das GeoForschungsZentrum
erfolgreich das virtuelle Institut CSAG
aus dem Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft
eingeworben. CSAG (Center for System Analyses of
Geoprocesses) startet 2005 für drei Jahre und wird u. a.
in Südamerika Fragen der Kopplung von Prozessen bei
der Steuerung und Entwicklung des Systems Erdoberfläche
angehen.
Literatur:
Allmendinger, R.W., Jordan, T.E., Kay, S.M. & Isacks, B.L. (1997): The evolution
of the Altiplano-Puna plateau of the Central Andes. – In: Ann. Rev. Earth Planet.
Sci., 25, S.139-174.
ANCORP working group 2003. Seismic imaging of a convergent continental margin
– the central Andes (ANCORP'96). – JGR, 108: 10.1029/2002JB001771.
Babeyko, A., Sobolev, S., Trumbull, R. & Oncken, O., Lavier, L. 2002. Numerical
Models of Crustal Scale Convection and Partial Melting beneath the Altiplano-
Puna Plateau. – EPSL 199: 373-388.
Bangs, N.L. & Cande, S.C. (1997): Episodic development of a convergent margin
inferred from structures and processes along the southern Chile margin. – In: Tectonics
16, S. 489-503.
Cahill, T.A. and Isacks, B.L. (1992): Seismicity and the shape of the subducted
Nazca Plate. – In: J. Geophys. Res., 97, S. 17503-17529.
Davis, D (1996): Accretionary mechanics with properties that vary in space and
time. – In: G.E. Bebout, D.W. Scholl, S.H. Kirby, J.P. Platt (Hrsgb.): Subduction
Top to Bottom. AGU Geophysical Monograph 96, S. 39-48.
DeMets, C., Gordon, R.G., Argus, D.F. & Stein, S. (1990): Current plate motions.
– In: Geophys. J. Int., 101, S. 425-478.
Dewey, J.F. & Lamb, S.F. (1992): Active tectonics of the Andes. – In: Tectonophysics
205, S. 79-95.
Isacks, B., Oliver, J. & Sykes, L.R. (1968): Seismology and the new global tectonics.
– In: J. Geophys. Res., 73, S. 5855-5899.
Keller, E.A. & Pinter, N. (1996): Active Tectonics. Earthquakes, Uplift, and Landscape.
– Prentice Hall, 339 pp.
Kirby, S., Engdahl E.R. & Denlinger, R., (1996): Intermediate-depth intraslab
earthquakes and arc volcanism as physical expressions of crustal and uppermost
mantle metamorphism in subducting slabs. – In: G.E. Bebout, D.W. Scholl, S.H.
Kirby, J.P. Platt (Hrsgb.): Subduction Top to Bottom, American. Geophysical Union,
Geophysical Monograph 96, Washington D.C., S. 195-214.
Klotz, J., Khazaradze, G., Angermann, D., Reigber, C., Perdomo, R. and Cifuentes,
O., 2001. Earthquake cycle dominates contemporary crustal deformation in Central
and Southern Andes. Earth Planetary Science Letters, 193: 437-446.
Kukowski, N. and Oncken, O., 2006: Subduction erosion at the Chile-Peru margin.
In: Deformation of the Andes from top to bottom (eds: O.Oncken, G. Franz, H.J.
Götze, M. Strecker, P. Wigger, P. Giese, V. Ramos, G. Chong), Frontiers in Earth
Sciences, Springer, (submitted)
Lamb, S. and Davis, P., 2003. Cenozoic climate change as a possible cause for the
rise of the Andes. Nature (London), 425(6960): 792-797.
Lamb, S., Hoke, L, Kennan, L. & Dewey, J. (1997): Cenozoic evolution of the Central
Andes in Bolivia and Northern Chile. – In: J.P. Burg/M. Ford (Hrsgb.): Orogeny
through time. Geol. Soc. Spec. Publ. 121, S. 237-264.
Mpodozis, C. & Ramos, V.A. (1990): The Andes of Chile and Argentina. – In: Ericksen,
G.E., Pinochet, M.T.C. & Reinemund, J.A. (Hrsgb.): Geology of the Andes
and its relation to hydrocarbon and mineral resources. Circum-Pacific Council for
Energy and Mineral Resources, Earth Science Series, S. 59-90.
Oncken, O. D. Hindle, J. Kley, K. Elger, P. Victor, K. Schemmann, 2006. Deformation
of the Andean upper plate system – facts, fiction, and constraints for modellers.
In: Deformation of the Andes from top to bottom (eds: O.Oncken, G. Franz,
H.J. Götze, M. Strecker, P. Wigger, P. Giese, V. Ramos, G. Chong), Frontiers in
Earth Sciences, Springer, (submitted)
Peacock, S.M., (1993): The importance of blueschist –> eclogite dehydration reactions
in subducting oceanic crust. – In: Geol. Soc. Am. Bull., 105, S. 684-694.
Reutter, K.-J., Scheuber E. & Wigger, P.J. (1994): Tectonics of the Southern
Central Andes. – Springer-Verlag, Berlin, 333 S.
Rosner, M., Erzinger, J., Franz, G., Trumbull, R., 2003. Slab-derived boron isotope
signatures in arc volcanic rocks from the Central Andes and evidence for boron
isotope fractionation during progressive slab dehydration. – Geochemistry, Geophysics,
Geosystems, 4 (8), doi:10.1029/2002GC000438.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Schurr, B., A. Rietbrock, G. Asch, R. Kind, & Oncken, O., 2006. Evidence for lithospheric
detachment in the central Andes from local earthquake tomography for vp,
vp/vs, and Q. – Tectonophysics (submitted)
Sobolev, S. and Babeyko, A., 2005. What drives orogeny in the Andes? – Geology;
v. 33; p. 617-620; doi: 10.1130/G21557.1.
Sobolev, S. V., A. Y. Babeyko, I. Koulakov, and Oncken, O., 2006. Mechanisms of
the Andean orogeny: insight from numerical modelling. In: Deformation of the
Andes from top to bottom (eds: O.Oncken, G. Franz, H.J. Götze, M. Strecker,
P. Wigger, P. Giese, V. Ramos, G. Chong), Frontiers in Earth Sciences, Springer,
(submitted)
Tichelaar, B.W. & Ruff, L.J. (1991): Seismic coupling along the Chilean subduction
zone. – In: J. Geophys. Res., 96, S. 11997-12022.
Vietor, T. & Oncken. O. 2005. Shape and kinematics of the Central Andean plateau
flanks inferred from numerical modelling. – EPSL doi:10.1016/j.epsl.2005.06.004
Vietor, T. and Echtler, H. 2006. Episodic Neogene southward growth of the Andean
subduction orogen between 30°S and 40°S – plate motions, mantle flow,
climate, and upper-plate structure. In: Deformation of the Andes from top to bottom
(eds: O.Oncken, G. Franz, H.J. Götze, M. Strecker, P. Wigger, P. Giese, V.
Ramos, G. Chong), Frontiers in Earth Sciences, Springer, (submitted)
von Huene, R. & Scholl, D.W. (1991): Observations at convergent margins concerning
sediment subduction, subduction erosion, and the growth of continental
crust. – In: Rev. Geophys., 29, S. 279-316.
Yuan, X., Sobolev, S.V., Kind, R., Oncken, O. and Andes Seismology Group (2000):
New constraints on subduction and collision processes in the Central Andes from
P-to-S converted seismic phases. Nature 408: 958-961.
Ziegler, A.M., Barrett, S.F. & Scotese, C.R. (1981): Paleoclimate, sedimentation and
continental accretion. – In: Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A, 301, S. 253-264.
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„Inkaba ye Africa“ – dem dynamischen System
Erde auf der Spur
Brian Horsfield 1 , Maarten de Wit 1 sowie weitere Autoren der Inkaba ye Africa Arbeitsgruppe 2
1. Koordinatoren von Inkaba ye Africa: BH – GFZ Potsdam, MW – Universität Kapstadt
2. Südafrika: Ludwig Combrinck, John Compton, Alex Kounov, Justine Tinker, Marian Tredoux
Deutschland: Gabriele Uenzelmann-Neben, Sönke Neben, Karsten Gohl, Wilfried Jokat, Rolf Emmermann, Mioara Mandea, Rolando di Primio, Heinz Wilkes, Oliver
Ritter, Ute Weckmann, Michael Weber, Georg Dresen, Jörg Erzinger, Bob Trumbull, Hedi Oberhänsli
In 2003, the German and South African Earth Science communities embarked on a program to survey a cone-shaped
sector of Earth from core to space, enclosing South Africa and the southern oceans at its surface. The vision is to track
the history of its components back over at least the last 200 million years, to understand Earth system processes and
their interaction at different scales and rates, and along the way to closely scrutinize climate, biodiversity, natural
hazards and resources of Africa. South Africa's geology retains one of the longest best-preserved records of tectonic
movements, magmatic events and climatic change extending back 3.500 million years. The projects in Inkaba ye Africa
are divided between three main research themes, namely Heart of Africa, Margins of Africa, and Living Africa, and
a formal Capacity Building and Outreach Programme is integrated into the programme. Heart of Africa is devoted to
studying the energy transfer from core to space. An important theme here is to address why the geomagnetic field of
South Africa is significantly weaker than over the rest of the Earth at equivalent altitudes and to examine the links
between a deep mantle upwelling and the onland uplift history. Margins of Africa seeks to establish the causes, and
some of the consequences of continental break-up of Southern Africa from its Gondwana configuration. Central to this
research theme are a series of onshore-offshore geophysical transects across three different continental margin types
around southern Africa. Living Africa consists of a number of integrated projects tracking the consequences of continental
margin evolution in southern Africa, namely the ensuing surface and subsurface processes. Here, sedimentation
patterns, changing ocean currents, and the cycling of carbon from the surface down to 5 km are under examination
to provide a dynamic insight into petroleum systems and paleoclimate.
Abb. 1: Inkaba ye Africa – Untersuchung eines kegelförmigen Ausschnitts des Systems Erde, vom Erdkern bis in den
Weltraum
Inkaba ye Africa – Earth System studies in a cone-shaped sector of the Earth from the core to space
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Inkaba ist ein Wort in Xhosa, das einen Zustand vollständiger
Verbundenheit beschreibt. Wörtlich bedeutet es
„Nabel“, den zentralen Punkt, von dem aus alle Energie,
Material und Wissen ausströmen und in dem sie wieder
zusammengeführt werden. Die Verbindung mit ye Africa
fügt den regionalen Aspekt hinzu.
Im Jahr 2003 haben deutsche und südafrikanische Geowissenschaftler
ein Forschungsprogramm initiiert, um
einen kegelförmigen Ausschnitt vom Erdkern bis in den
Weltraum zu untersuchen, der an der Oberfläche Südafrika
und die südlichen Ozeane einschließt (Abb. 1).
Ziel ist es, die Entwicklungsgeschichte verschiedener
Komponenten des Systems Erde über die letzten
200 Millionen Jahre hinweg nachzuvollziehen, um
damit verschiedene Prozesse und deren Wechselwirkung
auf unterschiedlichen Skalen zu verstehen und
gleichzeitig Rückschlüsse auf Klima, Biodiversität,
Naturgefahren und Rohstoffe von Afrika zu ziehen.
Inkaba ye Africa ist Bestandteil einer langfristig angelegten
Initiative für die Erforschung kontinentaler und
ozeanischer Strukturen im südlichen Afrika, mit der ein
Tab. 1: Inkaba ye Africa, Projekte und Koordinatoren
Inkaba ye Africa, projects and coordinators
robustes Netzwerk von Observatorien zur Erd- und Ozeanbeobachtung
für die südafrikanischen SADC-Staaten
(Angola, Botswana, Lesotho, Namibia, Swaziland, Südafrika,
Madagaskar, Malawi, Mozambique, Tansania,
Zimbabwe) errichtet werden soll. Dieses Netzwerk ist
Bestandteil des UN-Millennium-Projekts und Afrikas
neu aufgelegtem Programm für wirtschaftliche Entwicklung
(NEPAD).
Warum in Afrika? Südafrika ist eines der besten natürlichen
„Laboratorien“ für das System Erde. In der Geologie
Südafrikas sind einzigartig gut erhaltene Hinweise auf
tektonische Bewegungen, magmatische Ereignisse und
Klimaänderungen der vergangenen 3500 Millionen Jahre
gespeichert. Südafrika steht gegenwärtig im Zentrum
einer dramatischen Veränderung des Erdmagnetfeldes und
ist bekanntermaßen die Wiege der menschlichen Zivilisation.
Die ältesten bekannten kulturellen Hinterlassenschaften
wurden entlang der Küste des indischen Ozeans
in Südafrika gefunden und sind auf siebzigtausend Jahre
vor heute datiert worden. Der südafrikanische Kontinentalrand
ist umgeben von einem komplizierten Netzwerk
Themes Projects Coordination:
Germany South Africa
Inkaba ye Africa Brian Horsfield Maarten de Wit
Coordinators horsf@gfz-potsdam.de maarten@cigces.uct.ac.za
Heart of Africa Earth & Ocean Monitoring Jürgen Neumeyer Ludwig Combrinck
Network across southern neum@gfz-potsdam.de Ludwig@hartrao.ac.za
Africa
Morphology of geomag- Mioara Mandea Peter Sutcliffe
netic field variations in mioara@gfz-potsdam.de psutcliff@hmo.ac.za
southern Africa
Epeirogenic history of Jörg Erzinger Maarten de Wit
southern Africa erz@gfz-potsdam.de maarten@cigces.uct.ac.za
Samuel Niedermann
nied@gfz-potsdam.de
Rock burst and earthquake Georg Dresen Steve Spottiswoode
hazards in deep gold mines dre@gfz-potsdam.de sspottis@csir.co.za
Jörg Erzinger Sue Webb
erz@gfz-potsdam.de webb@geosciences.wits.ac.za
Margins of Africa The Western (Atlantic) Michael Weber Coenie deBeer
Margin mhw@gfz-potsdam.de coenie@geobell.org.za
B. Buttkus
b.buttkus@bgr.de
The Southern Margin – Oliver Ritter Maarten de Wit
the Agulhas-Karoo oritter@gfz-potsdam.de maarten@cigces.uct.ac.za
Geoscience Transect Karsten Gohl
kgohl@awi-bremerhaven.de
The Southeastern Margin Wilfried Jokat Mike Watkeys
(start 2007) wjokat@awi-bremerhaven.de watkeys@nu.ac.za
Dredging of the Walvis Ridge, Wilfried. Jokat Anton le Roex
MeteorRise – Shona Ridge wjokat@awi-bremerhaven.de aleroex@geology@uct.ac.za
(start 2006)
Living Africa Generation, migration and Rolando di Primio George Smith
sequestration of natural gas dipri@gfz-potsdam.de gcsmith@geology.uct.ac.za
Seismic stratigraphy of the Gabriele Uenzelmann-Neben
South African margins uenzel@awi-bremerhaven.de
Neogene-Quaternary John Compton
palaeoceanography compton@geology.uct.ac.za
Past precipitation pattern of Hedi Oberhänsli Tim Partridge
South Africa oberh@gfz-potsdam.de tcp@iafrica.com
Capacity Building and Marian Tredoux
Outreach mtd@geology.uct.ac.za
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von Meeresströmungen, die klimatische Schwankungen
ausgleichen und sich dadurch positiv auf die Entwicklung
der frühesten Geschichte der Menschheit ausgewirkt
haben könnten.
Das südliche Afrika hat eine einzigartige ozeanographische
Umgebung. Unter dem Einfluss der warmen Agulhas-Strömung
und des kalten Benguelastroms entsteht
eine komplizierte Mischzone (Cape Cauldron), in der warmes
Wasser in den Atlantischen Ozean gelangt. Vermutlich
kommt es durch diesen Mechanismus zu einem bedeutenden
Wärmeaustausch zwischen der südlichen und
nördlichen Hemisphäre, wobei die geologische Vergangenheit
dieses Systems bisher noch wenig verstanden ist.
Das im Bereich des breiten Kontinentalhangs entlang der
Westküste aufwärts strömende Benguela-System ist ein
Gebiet hoher Bio-Produktivität, das erhöhte organische
Ablagerungen hervorruft und durch die erzeugte Dürre für
den Erhalt der umliegenden Wüstengebiete verantwortlich
ist. Südafrikas Tektonik ist einzigartig, was sich auch
durch die ungewöhnliche stark ausgeprägte Hochebene in
großer Entfernung von kompressiven Kontinentalrändern
zeigt. Vermutlich ist dies das weltweit beste Beispiel von
gleichzeitig stattfindender aktiver Epirogenese und innerkontinentaler
Seismizität. Die Ursprünge dieses Phänomens
sind allerdings kaum verstanden.
Inkaba ye Africa besteht aus 12 Projekten, die auf die drei
Hauptuntersuchungsgebiete, Heart of Africa (Im Herzen
Afrikas), Margins of Africa (Die Kontinentränder Afrikas)
und Living Africa, (Lebendiges Afrika) verteilt sind.
Zentraler Bestandteil von Inkaba ye Africa sind die Themen
Bildung und Öffentlichkeitsarbeit (capacity building
and outreach, siehe Tab. 1). Jährliche Arbeitstreffen finden
abwechselnd in beiden Ländern statt. Am letzten
Treffen in Kapstadt im Mai 2005 nahmen 94 Wissenschaftler
von Universitäten, staatlichen Institutionen und
der Industrie teil, darunter 20 Studenten.
Heart of Africa
Im Projekt „Heart of Africa“ wird der Energietransfer
vom Erdkern bis in den Weltraum hinein untersucht. Im
Projekt COMPASS (COmprehensive Magnetic Processes
under the African Southern Sub-continent) wird das Erdmagnetfeld
in dieser Schlüsselregion genau vermessen,
um – unterstützt durch globale Satellitenbeobachtungen
des Erdmagnetfeldes – Säkularvariationen besseres verstehen
und vorhersagen zu können (Hulot et al., 2002;
Dormy and Mandea, 2005). Satellitendaten zeigen eine
generelle Abnahme des Erdmagnetfeldes, wobei das Magnetfeld
im Bereich der Südatlantikanomalie signifikant
schwächer ist als in vergleichbaren Breiten der Erde. In
dieser Region ist der schützende Abschirmeffekt des Erdmagnetfelds
so stark vermindert, dass hochenergetische
elektromagnetische Teilchen bis in Tiefen von unter 100 km
in die Atmosphäre eindringen können. Kontinuierliche
Beobachtungen des Erdmagnetfeldes durch südafrikanische
Wissenschaftler am magnetischen Observatorium
in Hermanus haben eine Abnahme des Erdmagnetfeldes
um 26 % seit 1920 ergeben. Zudem ändert sich die Aus-
richtung des geomagnetischen Feldes sehr schnell im
südlichen Afrika. Im Nordwesten verschiebt sich die Deklination
weiter ostwärts, während im Südwesten ein Westwertstrend
zu beobachten ist. Durch dieses Verhalten des
Magnetfelds entsteht ein räumlicher Gradient über dem
Subkontinent, der im Laufe der Zeit immer größer wird.
In einem anderen Projekt („Die epirogenetische Geschichte
von Südafrika“) wird untersucht, ob eine Verbindung
zwischen der Hebungsgeschichte des Kontinents und dem
Afrikanischen „Superswell“ besteht, der vermutlich auf
eine regionale Aufwölbung des Erdmantels unter dem südlichen
Afrika und der umliegenden Ozeane zurückzuführen
ist: Gibt es möglicherweise einen Zusammenhang zwischen
diesem klassischen Beispiel für epirogenetische
Hebung, Konvektion im Erdmantel und Anzeichen einer
bevorstehenden Umkehr des Erdmagnetfeldes? Zur Quantifizierung
der Erosions- und Hebungsgeschichte werden
gegenwärtig Fissiontrack-Analysen und Datierungen kosmogen
gebildeter Isotope durchgeführt. Ergebnisse von
der Westküste Südafrikas zeigen, dass es dort vor 160 und
100 Millionen Jahren zu einer schnellen Hebung des Kontinents
gekommen ist. Dagegen gibt es von einem 600 km
langen Profil, das von der Südküste nordwärts verläuft
und auch drei Tiefbohrungen einschließt, klare Hinweise
darauf, dass der Cape Fold Belt vor 250 Mio. Jahren von
Sedimenten bedeckt und anschließend in der Kreide wieder
exhumiert wurde. Bis zu sechs Kilometer mächtige
Sedimente, die einstmals den Cape Fold Belt und das
Karoo-Becken überdeckten, wurden in zwei punktuellen
Episoden erodiert: in der frühen Kreide (120 bis 140 Ma)
und in der mittleren Kreide (80 bis 100 Ma); weniger als
15 % des Materials wurde in den letzten 80 Ma erodiert.
Die beiden Exhumierungsereignisse in der Kreide fanden
dabei zeitgleich mit zwei datierten Kimberlitintrusionen
(Kimberlite 200 und 450) statt. Durch diese Untersuchungen
ist es damit zum ersten Mal gelungen in Südafrika
eine direkte Verbindung zwischen erhöhter Hebungs-
bzw. Erosionsrate und einzelnen Episoden positiven
Mantelauftriebs herzustellen. Um zu verstehen, inwieweit
Topographie und Entwässerungsmuster darauf in
jüngerer Zeit reagiert haben, werden Datierungen an kosmogenen
Isotopen (Alter der Aufschlüsse an der Erdoberfläche)
mittels 12 Ne in Quarz durchgeführt.
Margins of Africa
Ziel von „Margins of Africa“ ist es, Gründe für das Abspalten
des südlichen Afrikas vom Superkontinent Gondwana
und damit im Zusammenhang stehenden Auswirkungen
zu erforschen. Wesentliche Bestandteile dieses Forschungsvorhabens
sind eine Reihe von geophysikalischen
Traversen zu Land und zur See, die über die drei verschiedenen
Typen von Kontinentalrändern des südlichen
Afrikas hinweg durchgeführt werden.
Abb. 2 zeigt, welche der Experimente bisher schon im
Bereich von zwei Kontinentalrändern stattgefunden haben.
1. Der westliche (oder Atlantische) Kontinentalrand von
Südafrika ist ein klassischer vulkanischer passiver
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
49

50
Kontinentalrand mit Grabenbildung, der mit der Entstehung
der ~ 130 Millionen Jahre alten Flutbasalte
der Paraná-Etendeka-Provinz verbunden ist, von
Sequenzen seewärts geneigter Reflektoren geprägt ist
und eine underplated ozeanische Kruste mit hohen
seismischen Geschwindigkeiten aufweist (z. B. Bauer
et al., 2000). Im Jahr 2003 wurden neue amphibische
seismische Experimente über das Orange-Becken hinweg
vermessen. Mit zwei jeweils 500 km langen Land-
Seeprofilen wurde der gesamte Verlauf von den tiefen
ozeanischen Becken bis in den stabilen Kontinent hinein
aufgenommen. Bei den Seemessungen wurden
Reflexions- und Refraktionsseismische Messungen
mit mehr als 2.300 Airgun-Schüssen und sieben Ozeanboden-Hydrophonen
(OBH) durchgeführt. Die
refraktionsseismischen Experimente wurden landseitig
mit jeweils 40 km langen Profilen fortgesetzt,
wobei mit Drei-Komponenten-Seismometern registriert
und an drei Stellen mit Bohrlochsprengungen
angeregt wurde. Vorläufige Geschwindigkeitsmodelle
weisen im Vergleich zu Modellen von Namibia auf
eine deutlich geringer mächtige underplated ozeanische
Kruste und niedrigere seismische Geschwindig-
Abb. 2: Lage von zwei kombinierten Land/See-seismischen Reflexions-
Refraktionsprofilen und MCS-Linien entlang der Westküste, sowie von zwei
Profilen über den südlichen Kontinentalrand Südafrikas. Die Agulhas Karoo
Geo-Traverse ist seeseitig ergänzt durch reflexionsseismische Untersuchungen
im Transkei-Becken. Magnetotellurikdaten wurden entlang von
zwei Landprofilen gewonnen. NNMB: Namaqua Natal Mobile Belt, CFB:
Cape Fold Belt, BMA: Beatti-Magnetikanomalie.
Locations of two onshore/offshore seismic refection/ refraction and MCS
lines across the west coast of South Africa and two lines across the southern
margin of South Africa. The Agulhas Karoo Geoscience Transect in the south
is complemented with offshore seismic reflection investigation in the Transkei
Basin. Magnetotelluric data were collected along two profiles on land.
NNMB: Namaqua Natal Mobile Belt, CFB: Cape Fold Belt, BMA: Beattie
Magnetic Anomaly.
keiten hin. Dies könnte ein Hinweis auf einen verminderten
Einfluss des Tristan/Walfisch-Rücken-Hotspots
im Süden sein, allerdings steht dies im Widerspruch
mit der in den südlichen Profilen gefundenen,
unvermindert häufigen oder sogar größeren Anzahl
von seewärts geneigten Reflektoren. Neue Datierungen
magnetischer Anomalien entlang der Küste lassen
auch darauf schließen, dass die vulkanische Aktivität
im Süden wesentlich älter ist als in Namibia.
2. Die Agulhas Karoo-Traverse über dem südlichen Kontinentalrand
Südafrikas erstreckt sich vom ozeanischen
Agulhas-Plateau, über die Agulhas-Falkland-
Scherzone, die die scharfe Ozean-Kontinentgrenze
dominiert, den Kontinentalhang und von dort über
240 km landeinwärts, hinweg über den Cape Fold Belt
und das Karoo-Becken mit dem darunter liegenden,
eine Milliarde alten granitischen Grundgebirge. Diese
Traverse schließt die Beattie-Magnetikanomalie – eine
der weltweit größten terrestrischen magnetischen
Anomalien – und die rätselhafte elektrische Leitfähigkeitsanomalie
des südlichen Kaps (SCCB) ein. Im
Jahr 2004 wurden in diesem Gebiet hoch auflösende
Magnetotellurikdaten an 82 Stationen im
Frequenzbereich zwischen 1.000 Hz und
0,001 Hz mit einem mittleren Stationsabstand
von zwei Kilometern ge-messen.
Diese neuen Daten zeigen eine Zone stark
erhöhter elektrischer Leitfähigkeit in
einer Tiefe von 5 bis 10 Kilometern, die
mit der Lage der Beattie-Magnetikanomalie
überein zu stimmen scheint (Weckmann
et al., 2005). Im November 2005
wurde dieses Profil nach Süden hin
verlängert. Komplementäre seismische
Daten, wurden in einem amphibischen
Experiment entlang von zwei Refraktionsprofilen
aufgenommen. Jedes der
Profile war 240 km lang, bestand aus
48 Dreikomponentenseismometern, und
es wurden 13 Bohrlochsprengungen ausgelöst.
Die seeseismischen Daten wurden
in drei Profilen gewonnen, die in ein
existierendes Reflexions-Refraktionsnetz
(Abb. 2 Gohl und Günzelmann-Neben,
2001) eingebunden waren. Für das 400 km
lange Profil im Westen wurden, in Verlängerung
des Landprofils, 20 Ozeanbodenseismometer
(OBS) aufgestellt. Das
östliche Profil war 700 km lang und es
wurde mit 27 OBS registriert. Vorläufige
Ergebnisse bestätigen eine hervorragende
Qualität der Daten, mit der reflektierte
Mantelphasen bis in eine Entfernung
von 200 km aufgelöst werden können.
Living Africa
Living Africa besteht aus einer Reihe von
integrierten Programmen, die darauf
abzielen mit Ablagerungsmodellen die
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Entwicklung der Kontinentalränder des südlichen Afrikas
nachzuverfolgen. Wesentliches Ziel ist es, Verbindungen
herzustellen zwischen Sedimentation, Tektonik, Eustatik,
organischer Reife, Erdölmigration, sowie Klimavariationen
und Ozeanzirkulation. So werden Seesedimente des
fossilen Tswaing-Meteoritenkraters auch unter Zuhilfenahme
anderer Klimaindikatoren, wie etwa Höhlenspeleothemen,
untersucht, um die kontinentale Klimageschichte
in der südlichen Hemisphäre zu rekonstruieren.
Das Projekt „Generierung, Migration und Sequestration
von natürlichen Gasen“ zielt darauf ab, ein ganzheitliches,
dynamisches Model für den Kohlenstoffkreislauf zu entwickeln,
unter Einbeziehung von geodynamischen Änderungen,
Ablagerungsmustern, organischer Sedimentation,
Reifeprozessen, Genese und schließlich Entgasung zurück
in die Atmosphäre und die Biosphäre. Aufbauend auf 3Dseismischen
und Bohrloch-Daten war es möglich, dazu ein
geologisches Model für den atlantischen Kontinentalrand
von der Syn-Rift-Phase bis hin zur gegenwärtigen Kontinentalrandkonfiguration
zu entwickeln. In Verbindung
mit Wärmeflussdaten konnte daraus ein Modell für das
Erdölsystem konstruiert werden, mit dem Genese, Reifung
und Leckagen von Kohlenwasserstoffen vorhergesagt
und getestet werden kann. Die Ergebnisse weisen auf
rezente und fossile Gasleckage, die zum Beispiel durch
tektonostratigraphische Strukturen kontrolliert werden
(Abb. 3).
Zwei komplementäre Projekte thematisieren eine großräumige
Reorganisation von Meeresströmungen in den
südlichen Ozeanen, die mit der Öffnung der Drake-Passage
verbunden ist (Compton et al., 2004). Chemo-Stratigraphische
Untersuchungen (Projekt Neogene bis Quartäre
Paleo-Ozeanographie) haben ergeben, dass seit dem
späten Oligozän eine signifikante Aufwölbung
entlang des atlantischen Kontinentalrandes
stattgefunden hat, während
seismische Stratigraphie und Sedimentuntersuchungen
auf eine proto-antarktische
Tiefenwasserströmung hinweisen,
die auch im Oligozän aktiv war (Uenzelmann-Neben,
2003). Darüber hinaus
konnte eine westwärts gerichtete Verlagerung
des Benguela-Stroms nachgewiesen
werden (Weigelt and Uenzelmann-
Neben, 2004). Die Auswertung zehn-
Abb. 3:A. Gasleckagen an tektonostratigraphischen
Strukturen, Orange-
Becken: B. Seismische Eigenschaften die
zum Training eines neuronalen Netzwerks
verwendet wurden: C. das trainierte
neuronale Netzwerk erkennt feinste
Leckagephänomene entlang des gleichen
Profils.
A. Gas seeps at stratigraphic pinch-outs,
Orange Basin: B. seismic attributes used
to train a neural network: C. the trained
neural network recognises subtle seepage
phenomena in the same profile.
bzw. hundertjähriger Datensätze vom Kontinentalhang im
Holozän können mit terrestrischen Mega-Flutereignissen,
die in den Flußterassen des Orange River erhalten sind,
korreliert werden. Im weiteren Verlauf des Projektes sollen
diese Daten auch mit terrestrischen Niederschlagsmustern
des südlichen Afrikas, die vom Monsun/ENSO 1 -
Kreislauf und antarktischen Wasserumwälzungen gesteuert
werden, mit hoch aufgelösten Klimadaten von Bohrlochkernen
aus dem fossilen Tswaing-Meteoritenkratersee
(Projekt: Niederschlagsmuster der Vergangenheit in Südafrika)
verglichen werden. Weiterhin werden Biomarker
benutzt, um ökologische Veränderungen zu modellieren.
Zusammengenommen ergibt dieses Projekt die umfassendste
Übersicht der historischen Klimaänderung in und
um das südliche Afrika.
Bildung und Öffentlichkeitsarbeit (Capacity Building
and Outreach)
Ein ganz wesentliches Ziel von Inkaba ye Africa ist es, die
Schlüsselgebiete Forschung und Entwicklung in Afrika
nachhaltig zu stärken und auszubauen. Die Gemeinschaft
der Geowissenschaftler in Südafrika hat erst kürzlich
demonstriert, dass sich der Stand von F&E in dieser
Region Afrikas gerade durch langfristig angelegte internationale
Kooperationen stark verbessern lässt (Tredoux
and Webb, 2004). Zusätzlich zu den integrierten Programmen
für Studenten, die eng mit den Aktivitäten der
Wissenschaftler in Inkaba ye Africa verknüpft sind, gibt
es ein besonderes Projekt, in dem die Lehrinhalte speziell
auf die Bedürfnisse der früher benachteiligten Studenten
abgestimmt sind. Weitere Bestandteile dieser Initiative sind
öffentliche Vorträge und spezielle Tage der offenen Tür.
1 Ozeanisch-klimatisches Phänomen: El Nino/Southern Oscillation
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
51

52
Literatur:
Bauer, K., S. Neben, B. Schreckenberger, R. Emmermann, K. Hinz, N. Fechner,
K. Gohl, A. Schulze, R.B. Trumbull, and K. Weber (2000), Deep structure of the
Namibia continental margin as derived from integrated geophysical studies, J. Geophys.
Res., 105, B11, 25829-25853.
Compton, J.S., R. Wigley, and I.K. McMillan (2004), Late Cenozoic phosphogenesis
on the western shelf of South Africa in the vicinity of the Cape Canyon, Marine
Geology 206, 19-40.
Dormy, E., and M. Mandea (2005), Tracking geomagnetic impulses down to the
core-mantle boundary, Earth Planet. Sci. Letters (in press).
Gohl, K., and G. Uenzelmann-Neben (2001), The crustal role of the Agulhas Plateau,
southwest Indian Ocean: evidence from seismic profiling, Geophys. J. Int.,
144, 632-646.
Hulot, G., C. Eymin, B. Langlais, M. Mandea, and N. Olsen (2002). Small-scale
structure dynamics of the geodynamo inferred from Oersted and MAGSAT satellite
data. Nature, 416, 620-623.
Tredoux, M. and S. Webb (2004), Research capacity building in Africa as part of
international programmes: experience gained form the Kaapvaal Craton project,
South African Journal of Geology, 107, 7-12.
Uenzelmann-Neben, G. (2003). Contourites on the Agulhas Plateau, SW Indian
Ocean: Indications for the evolutions of currents since Paleogene times, Stow, D.,
Faugeres, J.-C., Howe, J.C., Pudsey, C. & Viana, A. (eds), Deep-water Contourite
Systems: Modern Drifts and Ancient Series, Seismic and Sedimentary Characteristics.
Geological Society,London, Memoir, 22, 271-288.
Weckmann, U., Ritter, O., Jung, A., Branch, T. and de Wit, M., (2005). Magnetotelluric
measurements across the Beattie magnetic anomaly and the Southern Cape
Conductive Belt, South Africa, J. Geophys. Research (under review).
Weigelt, E., Uenzelmann-Neben, G. (2004). Sediment deposits in the Cape Basin:
Indications for shifting ocean currents? AAPG Bulletin, Vol. 88, No. 6, 765-780.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

CHAMP und GRACE – erfolgreiche Schwerefeldund
Klimamissionen
Frank Flechtner, Roland Schmidt, Markus Rothacher, Jens Wickert, Hermann Lühr
With the CHAMP (Challenging Mini-satellite Payload) and GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite
missions tremendous improvements in gravity field determination, but also in the field of atmospheric sounding
and magnetic field mapping, have been achieved. By their outstanding instrumentation the Earth's gravity field model
could be improved by a factor of 10 and, in the case of GRACE, by almost a factor of 100 compared to the best pre-
CHAMP satellite-only model. GRACE allows for the first time to monitor the time variability of the gravity field on
short time scales. These changes are due to seasonal and secular mass exchange between the oceans, the atmosphere
and the solid Earth. The variations provide valuable knowledge about the dynamic processes in the Earth interior, the
mass redistribution in the oceans or the change in ice coverage at the poles and in Greenland. Therefore, with GRACE,
a detailed monitoring of how much water, ice and material is being moved within the Earth's system has become possible
for the first time.
On the following pages the status of the two missions and some outstanding results will be presented. Additional information
on CHAMP and GRACE can be found in the GFZ reports 2000/01 and 2002/03.
Mit den CHAMP- (Challenging Mini-Satellite Payload)
und GRACE- (Gravity Recovery and Climate Experiment)
Satellitenmissionen sind enorme Verbesserungen
bei der Bestimmung des Erdschwerefeldes, aber auch bei
der Sondierung der Atmosphäre sowie der Kartierung des
Magnetfeldes erreicht worden. Durch ihre einzigartigen
instrumentellen Ausstattungen konnte das Schwerefeld im
Vergleich zu dem vor Beginn der CHAMP-Mission
besten, rein aus Satellitendaten bestimmten Modell, um
einen Faktor 10 bzw. im Falle GRACE bisher um das Hundertfache
verbessert werden. Mit GRACE ist es zudem
erstmals möglich geworden, die Variabilität des Schwerefeldes
auf kurzen Zeitskalen zu beobachten. Diese Änderungen
sind bedingt durch den saisonalen und langzeitlichen
Massenaustausch zwischen den Ozeanen, der
Atmosphäre und der festen Erde. Aus diesen zeitlichen
Variationen kann man somit wertvolle Erkenntnisse über
dynamische Vorgänge im Erdinneren, über die Umlagerung
der Wassermassen in den Ozeanen oder die Veränderung
der Eisbedeckung an den Polen oder in Grönland
gewinnen. Somit lässt sich mit der GRACE-Mission erstmals
im Detail beobachten, welche Mengen an Wasser,
Eis und Materie im System Erde in Bewegung sind.
Auf den folgenden Seiten werden der Stand der beiden
Missionen sowie einige herausragende Ergebnisse dargestellt.
Weitere Einzelheiten zu CHAMP und GRACE finden
sich in den Zweijahresberichten 2000/01 bzw. 2002/03
des GFZ Potsdam.
Die CHAMP-Mission
Abb. 1: Die Geo-Satelliten CHAMP (links) und GRACE (rechts, Abb. Astrium)
Geo-Satellites CHAMP (left) and GRACE (right)
Der CHAMP-Satellit ist seit seinem Start am 15. Juli 2000
nunmehr über 5 Jahre auf einer fast polaren Umlaufbahn
im All und hat damit seine nominelle Lebensdauer bereits
überschritten. Dies wurde durch ein zweimaliges Anheben
des Orbits um je etwa 15 km im Jahr 2002 möglich
(Abb. 2). Nach den momentanen Vorhersagen für die weitere
Solaraktivität wird CHAMP, sofern keine weiteren
Bahnkorrekturmanöver vorgenommen werden, etwa im
Frühjahr 2008 in der Erdatmosphäre verglühen.
Die Instrumente zur Schwerefeldbestimmung (GPS-
BlackJack-Empfänger in Verbindung mit einer zenitorientierten
Antenne, STAR-Akzelerometer, ASC Sternensensoren
am Satellitenkörper und am Ausleger, Laser Retroreflektor),
zur globalen Sondierung der vertikalen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
53

54
Abb. 2: Aktueller (grün) und vorherberechneter (rot, blau) Verlauf der Bahnhöhe
von CHAMP.
Experienced (green) and predicted (red, blue) orbit decay of CHAMP.
Schichtung der Atmosphäre (GPS-BlackJack-Empfänger
in Verbindung mit einer rückwärtsschauenden Antenne),
zur Bestimmung von Ionendriftgeschwindigkeit, Elektronendichte
und Temperatur entlang der CHAMP-Bahn
(Langmuir-Sonde und Digitales Ionen-Driftmeter DIDM)
sowie zur Berechnung hochaufgelöster Magnetfeldmodelle
(Fluxgate und Overhauser Magnetometer) arbeiten
nach wie vor ohne Probleme und liefern kontinuierlich
hochpräzise Messdaten.
Die Messdaten werden vom Bodensegment (siehe weiter
unten) empfangen und am GFZ Potsdam zu höherwertigen
Produkten verarbeitet. Zur Nutzung der Zustandsgrößen
in den Troposphären- und Stratosphärenschichten
wie Temperatur oder Wasserdampfgehalt
im Rahmen der Assimilation in Wettervorhersagemodellen
müssen diese Produkte
innerhalb von maximal 3 Stunden
bereitgestellt werden. Aus diesem Grunde
wurde vom GeoForschungsZentrum in
Zusammenarbeit mit dem DLR eine weitere
Empfangstation in Ny Ålesund auf
Spitzbergen aufgebaut und in Betrieb
genommen. Somit liegen die GPS-Messdaten
zur Atmosphärensondierung spätestens
nach einem Umlauf von CHAMP
um die Erde, d.h. jeweils nach etwa
100 Minuten vor und können in der verbleibenden
Zeit weiter aufbereitet werden.
Einige Beispiele hierzu sowie zur
Magnetfeldbestimmung mit CHAMP-
Beobachtungen finden sich weiter unten
sowie im Beitrag des Department 1 im
vorliegenden Berichtsband. Die sehr
guten Ergebnisse im Rahmen der Schwerefeldbestimmung
werden natürlich in
der Zwischenzeit durch die Nachfolgemission
GRACE in den Schatten
gestellt. Dessen ungeachtet liefert
CHAMP einen wichtigen Anteil bei
der Betstimmung des hochauflösenden
Schwerefeldes und kann auch dazu dienen,
GRACE-Schwerefelder in Zeiten
von Satellitenbahnwiederholungszyklen
zu stützen.
Die GRACE-Mission
GRACE ist eine amerikanisch-deutsche
Satellitenmission zur Beobachtung des
Schwerefeldes und seiner zeitlichen
Änderungen sowie zur Sondierung der
Atmosphäre mit GPS-Radiookkultationsmessungen
über einen Zeitraum von
mindestens 5 Jahren. Dabei umkreisen
zwei baugleiche Satelliten die Erde auf
nahezu polaren Bahnen in niedriger Höhe
und messen ihren gegenseitigen Abstand
und dessen Änderung mit extrem hoher
Genauigkeit. Die daraus abgeleiteten
Schwerefeldvariationen sind ein Maß für
alle Massenänderungen im System Erde. Somit können
Veränderungen in den Oberflächen- und Tiefenströmungen
der Ozeane, Änderungen in der kontinentalen Wasserspeicherung,
der Eismassenhaushalt oder großräumige
Deformationen und Massenbewegungen an der Erdoberfläche
und im Erdinneren erstmals auf globaler Skala
über längere Zeiträume beobachtet werden. Damit liefert
die GRACE-Mission wichtige Ergebnisse zur Erdsystemforschung.
Die von den beteiligten Wissenschaftlern so getauften
Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ wurden am 17. März
2002 vom nord-russischen Weltraumbahnhof Plesetsk mit
einer Rakete vom Typ „ROCKOT“ gestartet. Seither haben
Abb. 3: Abstand der beiden GRACE-Satelliten [m] während des Austauschmanövers
Mitte Dezember 2005 (http://www.csr.utexas.edu/grace/operations).
Distance between the two GRACE satellites [m] during the switch manoeuvre
mid December 2005 (http://www.csr.utexas.edu/grace/operations).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

sie bereits mehr als 21000-mal die Erde umkreist. Die
Anfangsflughöhe von 500 km ist durch nur geringe Sonnenaktivität
bis Ende 2005 auf 473 km abgesunken,
wodurch sich auch die Sensitivität zur Schwerefeldbestimmung
leicht erhöht hat. Um einer Alterung der Antenne
des K-Band-Mikrowellenentfernungsmessgerätes durch
Restmoleküle in der oberen Atmosphäre zu minimieren,
wurden im Dezember 2005 die beiden Satelliten wie
geplant nach etwa der Hälfte der Missionsdauer ausgetauscht.
Dieses gewagte Manöver (Abb. 3) verlief ohne
Zwischenfälle, wobei der kleinste Abstand der Satelliten
am 10. Dezember 2005 lediglich 400 m betrug. Seitdem
fliegt „Jerry“ vorneweg und durch seine Drehung um 180
Grad in Richtung „Tom“ befindet sich nun seine K-Band
Antenne im „Windschatten“.
Die wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Satelliten
arbeiten ohne Probleme und liefern bislang bis auf
wenige Ausnahmen kontinuierlich Messdaten.
Das zentrale Beobachtungsgerät zur Positionierung der
Satelliten und zur Durchführung der Radiookkultationsmessungen
ist der sich auch bei CHAMP im Einsatz befindende
GPS-BlackJack-Empfänger. Während die Positionsmessungen
seit Beginn der Mission als unbedingt
notwendige Beobachtungen zur Schwerefeldbestimmung
durchgeführt werden, wurden die Radiookkultationsmessungen
bisher nur experimentell für einige Tage, aber sehr
erfolgreich, aktiviert.
Das Instrument, das die extrem genaue Schwerefeldbestimmung
von GRACE erst ermöglicht, ist das von
NASA/JPL bereitgestellte Zweifrequenz-K-band-Entfernungsmesssystem
(HAIRS). Mit diesem Gerät kann man
den Abstand und die Abstandsänderungen der beiden
Satelliten genauer als 10 m bzw. 1 m/s beobachten. Diese
beiden Messgrößen stellen ein Maß für Massenvariationen
und damit Schwereänderungen unterhalb der Flugbahn
der beiden Satelliten dar.
Das SuperSTAR-Akzelerometer, eine Weiterentwicklung
des bei CHAMP bereits erfolgreich eingesetzten elektrostatischen,
dreiachsigen STAR-Akzelerometers, misst
die kontinuierlich auf den Satelliten wirkende, nicht-gravitative
Störbeschleunigung von bis zu 10 -4 m/s 2 mit einer
Auflösung von 10 -10 m/s 2 . Damit ist es um eine Größenordnung
genauer als das STAR-Gerät. Es arbeitet in allen
drei Achsen im Rahmen der Spezifikationen und liefert
damit wichtige Messdaten zur Trennung der nicht-gravitativen
Beschleunigungen von den Gravitationsbeschleunigungen.
Beide Satelliten tragen außerdem jeweils zwei Sternensensoren.
Diese dienen dazu, die Lage der Satelliten in
einem Quasi-Inertialsystem zu bestimmen und über das
bordseitige Lageregelungssystem die Satelliten in einer
definierten Ausrichtung zueinander und zur Erde zu halten.
Diese Information wird einerseits dazu benötigt, um
die K-Band-Beobachtungen optimal, d. h. ohne Leistungsverlust,
zu ermöglichen, andererseits müssen die
Beobachtungen der Beschleunigungsmesser aus dem
Instrumenten- in das Bahnkoordinatensystem transformiert
werden.
Schließlich befindet sich auf beiden Satelliten jeweils ein
vom GFZ Potsdam entwickelter und gebauter, sehr kompakter
und aus vier Prismen bestehender Laser-Retro-
Reflektor (LRR). Dieser ist, wie sein baugleicher
CHAMP-LRR, sowohl für Nacht- als auch für Tageslichtbedingungen
geeignet. Das Bodenstationsnetz des
Internationalen Laserdienstes (ILRS) liefert zu beiden
Satelliten etwa 3 bis 4 Passagen täglich. Da die Einzelschussgenauigkeit
einiger Stationen nur wenige mm
beträgt, stellen die SLR-Beobachtungen eine sehr gute
unabhängige Messgröße dar, die regelmäßig zu Validations-
und Kalibrationszwecken im Rahmen der GRACE-
Bahnbestimmung herangezogen werden.
Das CHAMP- und GRACE-Bodensegement
Die CHAMP- und GRACE-Bodensegmente bestehen
prinzipiell aus folgenden Komponenten:
• dem vom Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum des
DLR in Oberpfaffenhofen betriebenen Mission Operation
System (MOS), das für die laufende Überwachung
der Satellitenfunktionen, den Betrieb der
Sende- und Empfangsanlagen in Weilheim und Neustrelitz,
für die Übermittlung von Kommandos, Kontroll-
und Instrumentendaten und den Betrieb des Rohdatenzentrums
zuständig ist,
• einer vom GFZ betriebenen zusätzlichen polaren Empfangsstation
in Ny Ålesund auf Spitzbergen, bestehend
aus zwei unabhängigen Antennen und Empfängern, die
den gleichzeitigen Empfang der beiden GRACE- oder
der CHAMP-GRACE-Messdaten bei fast jedem Umlauf
der Satelliten und damit die Auswertung der Okkultationsdaten
in quasi Echtzeit sowie die kontinuierliche
Überwachung der Satelliten ermöglichen (Abb. 4),
• einem von GFZ, JPL und dem Internationalen GNSS
Service (IGS) bereitgestellten globalen Netz von GPS-
Stationen mit schneller Verfügbarkeit hochratiger Daten
für die schnelle Bahnbestimmung der GPS-Sendersatelliten
und für die Auswertung der Radiookkultationen,
• einem vom Internationalen Laser Ranging Service
(ILRS) koordinierten Netz von Laserstationen zur
Gewinnung von Präzisionsentfernungsmessungen
zum Laserreflektor für die Bahnbestimmung bzw. zur
unabhängigen Bahnkontrolle,
• einem vom GFZ Potsdam allein (CHAMP) und in
einem Gemeinschaftsprojekt (GRACE) zwischen dem
Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem Zentrum für
Weltraumforschung der Universität Texas (UTCSR)
und dem GFZ entwickelten und betriebenen Wissenschaftsdatensystem
zur Prozessierung der am Datenzentrum
bereitgestellten Rohdaten zu höherwertigen
Instrumentendaten, Schwerefeld- und Okkultationsprodukten
bzw. Magnetfeldinformationen. Diese Produkte
stehen dann über das Information System and
Data Center (ISDC) sowie zusätzlich bei GRACE am
Physical Oceanography Distributed Active Archive
Center (PO.DAAC) den Nutzern zur Verfügung.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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56
Abb. 4: Aufbau der zweiten Antenne der GFZ/DLR-Multisatelliten-Empfangsstation
in Ny Ålesund im Herbst
2005 (Foto C. Falck, GFZ).
Set-up of the second antennae of the GFZ/DLR multi-satellite
receiving station in Ny Ålesund in autumn 2005.
Das Schwerefeld der Erde und dessen zeitliche
Variation
Aus den Entfernungsbeobachtungen der CHAMP- und
GRACE-Missionen zu hochfliegenden GPS-Satelliten
und insbesondere durch die Abstandsvariationen zwischen
den beiden GRACE-Zwillingssatelliten wird das
Schwerefeld der Erde mit nie da gewesener Genauigkeit
und erstmals auch dessen zeitliche Variation bestimmt.
Damit hat ein neues Zeitalter der Schwerefeldbestimmung
begonnen, da man jetzt geophysikalische und klimatologisch
angetriebene Massenverlagerungen in der Hydrosphäre,
der Kryosphäre, den Ozeanen und der festen Erde
bilanzieren kann. Dadurch trägt die Schwerefeldkomponente
der beiden Missionen, neben der Sondierung der
Atmosphäre und der Bestimmung des Erdmagnetfeldes,
wesentlich zur globalen Klimaforschung bei.
Globale Schwerefeldmodelle
Die Standards und Korrekturmodelle für die CHAMPund
GRACE-Schwerefeldprozessierung wurden inner-
halb der wissenschaftlichen Prozessierungssysteme
immer wieder verbessert und erweitert. Zu erwähnen
sind die
• Nutzung eines verbesserten Modells zur Berücksichtigung
von Kurzzeitmassenvariationen in der
Atmosphäre und in den Ozeanen. Hier wird nun statt
des vereinfachenden barotropen Modells, das zusätzlich
Lücken an den Polen aufweist, ein globales baroklines
Modell, das durch die TU Dresden bereitgestellt
wird, verwendet;
• verbesserte Bestimmung der Mehrdeutigkeiten der
GPS-Beobachtungen. Dies führt insbesondere zu
genaueren GPS-Bahnen und -Uhrenparametern, die
damit einen verbesserten Referenzrahmen für die Auswertung
der CHAMP- und GRACE-Satelliten darstellen;
• Auswertung der Instrumentendaten in kürzeren Zeitintervallen
(Tageslösungen);
• Verwendung des am GFZ Potsdam berechneten
EIGEN-CG03C-Kombinationsschwerefeldes als verbessertes
Näherungsmodell.
Auf dieser Basis wurde fast die komplette GRACE-Mission
neu ausgewertet. Die daraus abgeleitete Schwerefeldserie
EIGEN-GRACE04S in Form von monatlichen
Modellen sowie einem daraus gemittelten statischen
Modell (entwickelt bis Grad und Ordnung 120) zeigt dabei
im kurz- und mittelwelligen Bereich eine etwa 25 – 30 %
bessere Anpassung an externe Vergleichsdaten (Schwereanomalien
oder das aus Altimeterdaten bestimmte ozeanische
Geoid) als die vorherige in 2004 gerechnete Serie
EIGEN-GRACE03S. Unrealistische Signale auf den Ozeanen
(Abb. 5a, b) sind in der neuen Lösung deutlich reduziert
oder nicht mehr vorhanden. Weiterhin kann man nun
alle niederen Grade der Schwerefeldlösungen benutzen,
da diese Terme im Gegensatz zu bisherigen Lösungen nun
sehr realistische Werte annehmen. Dies wird insbesondere
bei dem die Erdabplattung beschreibenden C 20-Koeffizienten
sichtbar (Abb. 6), der unabhängig aus Laser-Entfernungsmessungen
zum hochfliegenden Lageos-Satelliten
abgeleitet wurde.
Abb. 5a, b: Geoidänderung in [mm] zwischen Mai und August 2003, berechnet aus EIGEN-GRACE03S (links) und
EIGEN-GRACE04S (rechts) und dargestellt als räumliche Mittelwerte (Gauss-Filter mit einer Länge des Filterradius
von 500 km). Eingekreist sind bisher unrealistische Signale über den Ozeanen.
Geoid variations [mm] between May and August 2003 calculated from EIGEN-GRACE03C (left) and EIGEN-
GRACE04S (right), shown as spatial mean values calculated with a Gaussian filter with a filter radius length of 500
km. So far unrealistic signals over the oceans are encircled.
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Abb. 6: C 20-Variation abgeleitet aus monatlichen EIGEN-GRACE04S-
Schwerefeldern und 14-tägigen Werten aus LAGEOS Satellite Laser Ranging-Daten.
C 20 variations derived from monthly EIGEN-GRACE04S gravity fields and
bi-weekly values derived from LAGEOS satellite laser ranging data.
Analog wurden die CHAMP-Schwerefelder mit den
GRACE-Auswertestandards bis zu Grad und Ordnung 60
monatsweise über einen Zeitraum von fünf Jahren neu
berechnet und anschließend jeweils drei Monate als gleitendes
Mittel kombiniert. Die Güte dieser neuen Zeitreihe
EIGEN-CHAMP04S zeigt sich in der hohen Korrelation
vieler Kugelfunktionskoeffizienten mit denen der
GRACE-Lösung. Obwohl mit CHAMP insgesamt nur
eine geringere räumliche und zeitliche Auflösung des zeitvariablen
Schwerefeldes als mit GRACE erreicht werden
kann, dienen die CHAMP-Ergebnisse vor allem zur Verlängerung
der Zeitreihen der GRACE-Mission. Ähnliches
gilt für die Prozessierung des Lageos-Satelliten, dessen
über 20 Jahre ausgedehnte Zeitreihe insbesondere Schwerefeldkoeffizienten
beschreibt, die in einem direkten Zusammenhang
mit der Lage des Massenzentrums und den
Hauptträgheitsachsen der Erde stehen. Ziel der weiteren
Arbeiten wird es daher auch sein, die
Kombination der verschiedenen Satellitenmissionen
zu untersuchen, um mögliche
Synergieeffekte für die Erstellung
möglichst langer konsistenter Zeitreihen
als Grundlage für die geowissenschaftlichen
Anwendungen zu schaffen.
Räumlich hochauflösendes statisches
Schwerefeld
Aus den neuen Schwerefeldlösungen EI-
GEN-CHAMP04S, EIGEN-GRACE04S
und Lageos-SLR-Beobachtungen (Satellite
Laser Ranging) sowie reprozessierten
hochaufgelösten terrestrischen Schwerefeldinformationen
wurde begonnen, ein
neues Kombinationsschwerefeldmodell
EIGEN-CGS04C zu berechnen. Die Oberflächenschweredaten
stammen dabei aus
der Satellitenaltimetrie über den Weltmeeren,
wo das GFZ Potsdam ein neues
ozeanisches Geoid (Näheres dazu im
Bericht des Dep. 1 in diesem Band) berechnet
hat, und gravimetrisch bestimmten Schwereinformationen
über Land. Von der Kombination mit dem hochfliegenden
Lageos-Satelliten wird insbesondere eine Stabilisierung
der langwelligen Anteile des Schwerefeldes
erwartet. Aus diesem hochauflösenden Schwerefeld kann
man topographisch-geophysikalische Strukturen wie
Anden, Himalaja, nordatlantischer Rücken (positive
Anomalien) oder Tiefseegräben am Rande des Nordwestpazifiks
oder an der Westküste Südamerikas (negative
Anomalien) bis hinab zu etwa 50 km (halbe Wellenlänge)
gut erkennen (Abb. 8). Da das Schwerefeld an der Erdoberfläche
ein Summensignal der Dichteverteilung über
den gesamten Erdkörper darstellt, sind für eine weitere,
tiefer gehende Interpretation der geophysikalischer Strukturen
und Prozesse dreidimensionale seismologische
Tomografie-Modelle (siehe Detailbericht des Dep. 1)
notwendig.
Abb.7a,b:Korrelationsmatrix für EIGEN-CHAMP04S- und EIGEN-GRACE04S-Kugelfunktionskoeffizienten Cnm ,dargestellt
bis Grad und Ordnung 10 (links) und beispielhaft der Koeffizient C44 (rechts).
Correlation matrix for EIGEN-CHAMP04S and EIGEN-GRACE04S spherical harmonic coefficients Cnm, up to degree
and order 10 (left) and exemplified the coefficient C44 (right).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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58
Abb. 8: Geographische Verteilung der Schwereanomalien (bezogen auf die
ellipsoidische Normalschwere in Einheiten mgal = 10 –5 m/s 2 ~10 –6 g) des
Kombinationsschwerefeldes EIGEN-CG03C (rechts) und des vorläufigen
Kombinationsmodells EIGEN-CG04C (links). Man erkennt im Schwerefeldmodell
bereits die reduzierte Streifigkeit (fehlerhafte Abbildung der Satellitenbahnen)
sowie die erhöhte Auflösung.
Geographic distribution of gravity anomalies (referring to ellipsoidal mean
gravity in mgal = 10 –5 m/s 2 ~10 –6 g) of the EIGEN-CG03C (right) and the
preliminary EIGEN-CG04C (left) combination gravity field. Both the reduced
striping (deficient depiction of satellite orbits) and the increased resolution
are visible in the gravity field model.
Zeitvariabilität des Schwerefeldes
Da die Bodenspuren der GRACE-Satellitenbahnen sich
prinzipiell nicht wiederholen und die Bahnen und der relative
Abstand der Satelliten kontinuierlich mittels K-Band
hochpräzise vermessen werden, ist es erstmals möglich,
Schwerefelder höchster Genauigkeit über einen relativ
kurzen Zeitraum von einem Monat zu bestimmen und
damit die Variabilität des Schwerefeldes zu beobachten.
Diese Änderungen sind bedingt durch den saisonalen oder
langzeitlichen Massenaustausch zwischen den Ozeanen,
der Atmosphäre und der festen Erde. Aus diesen zeitlichen
Variationen kann man somit wertvolle Erkenntnisse über
dynamische Vorgänge im Erdinneren, über die Umlagerung
der Wassermassen in den Ozeanen oder die Veränderung
der Eisbedeckung an den Polen oder in Grönland
gewinnen.
Das Potential der neuen EIGEN-
GRACE04S-Schwerefeldlösungen zur
Beobachtung von Massenvariationen zeigt
sich beispielsweise im Vergleich mit der
aus dem WaterGap Hydrological Model
(WGHM) abgeleiteten Variation des kontinentalen
Wasserhaushalts. Da bei der
Prozessierung bekannte kurzzeitige Variationen
(bedingt durch Ozean- und Erdgezeiten
sowie Massenverlagerungen in
der Atmosphäre und den Ozeanen) bereits
korrigiert wurden, sollte die Differenz
zweier derart bestimmter monatlicher
Schwerefelder mit der Differenz des
hydrologischen Signals in guter Näherung
übereinstimmen. Abbildung 9 a, b zeigt
die Differenzen zwischen zwei monatlichen
GRACE-Schwerefeldern und den
entsprechenden Differenzen des WGHM-
Modells. Man sieht das hohe Maß an
räumlicher Übereinstimmung insbesondere
in den Gebieten mit einem großen
hydrologischen Signal (Amazonas, Kongo,
Ob, etc.). Wertet man die ganzen vorhandenen
Schwerefeld- und WGHM-Zeitreihen
aus, indem man Beckenmittelwerte
für alle großen Wasserreservoirs berechnet, zeigt sich,
dass für die meisten Wasserreservoirs im Jahreszyklus die
Phasen gut übereinstimmen, GRACE dagegen fast immer
größere Amplituden wiedergibt (Abb. 10a, b). Dies könnte
in nicht ausreichend modellierten Anteilen (Grundwasser,
Schneebedeckung, etc.) im WGHM liegen.
Ein weiteres Potential der GRACE-Mission ist, den Ozeanbodendruck
zu bestimmen, der ein Maß für die Tiefseeströmungen
ist. Erste Analysen mit EIGEN-GRACE03S
(Kanzow et al., 2005) und EIGEN-GRACE04S haben hier
schon eine hohe Korrelation, allerdings bisher nur auf großräumigen
Skalen, festgestellt (Abb. 11). Da das Ozeanbodendrucksignal
im Gegensatz zur kontinentalen Hydrologie
eine nur sehr kleine Amplitude hat, wird dessen Bestimmung
eine der Herausforderungen bei den künftigen
Schwerefeldberechnungen und Auswertungen sein.
Abb. 9a, b: Differenzen zwischen den monatlichen (August 2003 minus Mai 2003) GRACE-Schwerefeldern (links) und
den entsprechenden Differenzen des WGHM-Modells (rechts) in Form von Geoidhöhen in [mm]. Räumliche Mittelung
wie in Abb. 5a, b.
Differences between the monthly (August 2003 minus May 2003) GRACE gravity fields (left) and the corresponding
differences of the WGHM model (right) in terms of geoid heights [mm]. Spatial mean as in Fig.5.
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Abb. 10a, b: Zeitserie der Beckenmittelwerte für Amazonas (links) und Ganges (rechts) (in Einheiten äquivalenter Wassersäule
in mm).
Time series of mean basin values for Amazon (left) and Ganges (right) (in units of equivalent water column in [mm]).
Abb. 11: Zeitserie des aus EIGEN-GRACE04S abgeleiteten Ozeanbodendrucks
(in mbar), gemittelt für den Nordatlantik und geglättet mit einem
1000 km- sowie 2500 km-Gauss-Filter, sowie das entsprechende Signal aus
dem ECCO-Ozeanmodel.
Time series of ocean bottom pressure derived from EIGEN-GRACE04S data
[mbar], averaged for the North Atlantic and smoothed with a 1000 km and
a 2500 km Gaussian filter, and the corresponding signal derived from the
ECCO ocean model.
Globale und präzise GPS-Atmosphärensondierung
Seit Februar 2001 werden an Bord des CHAMP-Satelliten
GPS-Radiookkultationsmessungen aufgezeichnet.
Mit dieser innovativen Fernerkundungsmethode können
präzise Informationen über die Vertikalstruktur der Erdatmosphäre
(Luftdruck, Temperatur und Wasserdampf) im
globalen Maßstab abgeleitet werden.
Bis Ende 2005 sind nahezu 400.000 Messungen durchgeführt
worden. Dieser in seiner Länge und Qualität weltweit
einzigartiger Datensatz hat wesentlich zur Weiter-
entwicklung der noch relativ jungen GPS-
Fernerkundungsmethode beigetragen.
Weiterhin wurde durch eine Vielzahl
internationaler Forschungsgruppen mit
den vom GFZ Potsdam bereitgestellten
Daten Studien zur Verbesserung globaler
Wettervorhersagen, zur Untersuchung
klimatologischer Veränderungen der Erdatmosphäre
und zur Untersuchung unterschiedlichster
atmosphärischer Phänomene
durchgeführt. Als Beispiel zeigt
Abb. 12 die globale Verteilung von Tropopausenparametern,
deren Veränderung
in direktem Zusammenhang mit klimatischen
Veränderungen (Erwärmung, Abkühlung)
steht. Das GFZ Potsdam konnte
auch die Bereitstellung der CHAMP-
Daten mit sehr kurzer Zeitverzögerung
(zwei Stunden) zwischen Messung und
Verfügbarkeit der atmosphärischen Parameter
demonstrieren, eine wesentliche
Voraussetzung für die Verbesserung der
Wettervorhersage.
Beide GRACE-Satelliten verfügen, analog
zu CHAMP, über die Voraussetzungen
zur Aufzeichnung von GPS-Radiookkultationsdaten.
Erste Messungen wurden Mitte 2004 auf
GRACE-B durchgeführt (Abb. 13) und wiesen eine mit
CHAMP vergleichbare Qualität auf. Zusammen mit
CHAMP wurden mehr als 300 Vertikalprofile täglich
gemessen. Verbesserte Charakteristika der Satellitenuhr
an Bord von GRACE im Vergleich zu CHAMP führte
weiterhin dazu, dass erstmals eine vereinfachende Methode
(differenzenlose GPS-Prozessierung) zur Auswertung
der GPS-Daten angewendet werden konnte. Durch den
Verzicht auf zusätzliche Daten führt dieses Verfahren zu
einer deutlichen Reduzierung der Anforderungen an Infrastruktur
und Auswertung von GRACE und auch zukünftiger
Satellitenmissionen mit GPS-Radiookkultation.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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60
Abb. 12: Mittlere globale Tropopausentemperatur (links) und -höhe (rechts), abgeleitet aus ca. 250.000 CHAMP-Okkultationsmessungen
zwischen Mai 2001 und Dezember 2005. Zeitliche Veränderungen dieser Tropopausenparameter sind
Indikatoren für Klimaänderungen. Eine globale Erwärmung hat u.a. eine im Mittel größere Tropopausenhöhe (Ausdehnung
der Troposphäre) zur Folge.
Mean global tropopause temperatures (left) and height (right), derived from approximately 250,000 CHAMP occultation
measurements between May 2001 and December 2005. Temporal variations of these tropopause parameters are
indicators for climate change. Global warming leads, among others, to an (on an average) increased tropopause height
(expansion of tropopause).
Abb. 13: Geografische Verteilung der ersten GPS-Okkultationsmessungen
von GRACE-B (120; rote Punkte) ergänzt
durch die Orte der CHAMP-Messungen (218, schwarze
Kreuze) zwischen dem 28. (06:00 UTC) und 29. Juli (07:00
UTC) 2004.
Geographic distribution of the first GPS occultation measurements
performed by GRACE-B (120; red dots), supplemented
by the locations of the CHAMP measurements
(218; black crosses) between July 28 (06:00 UTC) and
29 (07:00 UTC) 2004.
Auf CHAMP-Daten basierende hochaufgelöste
Magnetfeldmodelle
Ein weiteres Missionsziel von CHAMP ist die hochauflösende
Vermessung des geomagnetischen Feldes. Nach
einer kontinuierlichen Messphase von über fünf Jahren
kann diese Aufgabe mit zunehmender Präzision erfüllt
werden. Maßgeblich hierfür ist eine konstruktive Überlagerung
von mehreren günstigen Umständen.
Zum einen haben wir eine kontinuierlich länger werdende
Datenreihe. Diese erlaubt es, die Feldverteilung immer
genauer zu bestimmen. Es nimmt aber nicht nur die Datenmenge
zu, sondern auch ihre Qualität. Dies ist zum ei-
nen bedingt durch die abnehmende Bahnhöhe. CHAMP
nähert sich immer mehr dem Messobjekt Erde und registriert
damit mehr Details. Zum anderen befinden wir uns
zurzeit in der abklingenden Phase des solaren Aktivitätszyklus’.
Damit nehmen auch die Störungen der Magnetfeldmessungen
durch Ströme in der Ionosphäre und Magnetosphäre
ab. Diese positive Entwicklung hat dazu
geführt, dass CHAMP jetzt Magnetfeldmessungen mit
bisher nicht erreichter Auflösung ausführt.
Basierend auf den ausgezeichneten Daten konnten einige
bedeutende Ergebnisse erzielt werden. Vor allem seien hier
die hochauflösenden Modelle des Erdfeldes erwähnt. Spezielle
Anstrengungen wurden in die kontinuierliche
Weiterentwickelung der Modellreihe „POtsdam Magnetic
Model of the Earth“ (POMME) investiert. Die aktuelle
Version des Modells, POMME 2, ist mit einem vergleichsweise
großen Gewicht (50 %) in das von der IAGA
herausgegebene „International Geomagnetic Reference
Field“ (IGRF-2005) eingeflossen (Maus et al., 2005).
Wesentliche Verbesserungen in der Beschreibung des
magnetischen Hauptfeldes waren möglich, nachdem ein
neuer Ansatz für die Charakterisierung der äußeren Magnetfelder
eingeführt wurde. Die wesentliche Änderung
gegenüber früheren Ansätzen besteht darin, dass die parasitären,
äußeren Felder nicht mehr im erdfesten System
betrachtet werden, sondern in einem Koordinatensystem,
das der Geometrie der magnetosphärischen Ströme angepasst
ist. In diesem durch die Wechselwirkung von Sonnenwind
und Erdmagnetfeld festgelegten Rahmen lassen
sich die Effekte der Ströme mit wenigen Koeffizienten viel
genauer beschreiben (Maus und Lühr, 2005).
Unter Berücksichtigung aller bekannten magnetischen
Störeinflüsse, ionosphärischen Effekte, magnetosphärischen
Ströme, Induktion im Erdinneren, magnetischen
Signaturen der Ozeanströmung, wurde das Modell
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 14: Zwei Ausschnitte aus der Karte der Krustenmagnetisierung von CHAMP. Bei der erzielten Auflösung werden
über die magnetischen Signaturen großräumige geologische Strukturen sichtbar. Im amerikanischen Sektor ist z. B. das
Eisenerzlager von Kentucky (KT) besonders herausragend. Auch der Unterschied zwischen dem magnetisierten Kontinentalschild
und dem strukturlosen Ozeanboden wird deutlich. In der rechten Bildhälfte ist zu erkennen, wie magnetische
Anomalien tektonische Grenzen nachzeichnen. Dies wird besonders deutlich entlang des Java-Grabens. Negative
Abweichungen, Feldabschwächungen, (blaue Flächen) deuten auf erhöhte Temperaturen im Untergrund, rote dagegen
auf eine dicke kühle Kruste (Quelle: Maus et al., 2006, Geophys. J. Int.).
Two detail maps of the crustal magnetisation, as derived from CHAMP. At this resolution the magnetic signatures can
be related to large-scale geological feature. In the American sector the Kentucky iron ore deposit (KT) is particularly
outstanding. Furthermore, here the contrast becomes quite clear between the magnetized continental shield and the
featureless ocean bottom. In the right frame, showing the Indonesian region, we can see how magnetic anomalies mark
the active tectonic zones (green lines). This is particularly evident along the Java trench. Negative deviations (blue patches)
representing a weakening of the field, suggest an enhanced temperature of the crust. Red patches indicate a thick
and cool crust (from Maus et al., 2005, Geophys. J. Int.).
POMME 2.5 entwickelt. Dieses bietet eine Auflösung bis
zu Kugelfunktionsgraden 90, was einer räumlichen Auflösung
von etwa 220 km (halbe Wellenlänge) entspricht
(Maus et al., 2006). Bei der augenblicklichen Flughöhe
von CHAMP (~350 km) ist eine Steigerung kaum möglich.
Eine Kartierung der magnetischen Signaturen basierend
auf POMME 2.5 zeigt eine Reihe von deutlichen
Strukturen, die sich geologisch/tektonisch interpretieren
lassen. Im rechten Teil der Abb. 14 erkennt man ganz deutlich,
wie magnetische Signaturen die bedeutenden geologischen
Provinzen markieren. Auch der Ozean-Kontinent-
Kontrast wird hier deutlich (wenige Strukturen in den tiefen
Ozeanbecken). Im rechten Teil sind es mehr die tektonisch
aktiven Gebiete in der Umgebung von Indonesien,
die von magnetischen Signaturen markiert werden.
Besonders deutlich ist das Feldstärkedefizit entlang des
Java-Grabens.
Die Darstellung weiterer Forschungsergebnisse, die auf
CHAMP-Magnetfeldmessungen beruhen und sich im
Wesentlichen auf die äußeren Felder und das magnetische
Wetter beziehen, sind im Beitrag des Dep. 2 in diesem
Bericht zu finden. Basierend auf den bisherigen Erfahrungen
mit CHAMP und der erwarteten Entwicklung der
solaren Aktivität können wir davon ausgehen, dass die
interessantesten Messungen für das Magnetfeld noch vor
uns liegen.
Ausblick
Die bisher berechneten GRACE-Schwerefelder haben
bereits eine bemerkenswert hohe Qualität und werden von
der geowissenschaftlichen Nutzergemeinschaft bereits
intensiv verwendet. Dies zeigt sich insbesondere auch an
der großen Anzahl von Publikationen und Fachvorträgen
auf internationalen Konferenzen. Trotzdem gibt es noch
weiteres Verbesserungspotential, um insbesondere die vor
dem Start vorhergesagte Genauigkeit zu erreichen. Daher
werden weitere Untersuchungen folgen, die teilweise
innerhalb der zweiten Phase des vom BMBF geförderten
Geotechnologien-Programms „Erfassung des Systems
Erde aus dem Weltraum“ bearbeitet werden. Diese werden
sich mit der optimalen Parametrisierung der Instrumentendaten,
der Verbesserung der Modellierung kurzperiodischer
Massenvariationen in Atmosphäre und Ozeanen
oder der Berücksichtigung bisher nicht-modellierter
Effekte wie der post-glazialen Hebung oder täglicher
hydrologischer Signale beschäftigen.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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62
Der bisher günstige Treibstoffverbrauch, die geringe
Düsenaktivität sowie der Verlauf der Sonnenaktivität
machen einen Weiterbetrieb der GRACE-Mission bis mindestens
2010 sehr wahrscheinlich. Die dabei abnehmende
Bahnhöhe und damit steigende Sensitivität dieser Tandem-Mission
sowie der ab Frühjahr 2006 geplante permanente
Betrieb der Radiookkultationsmessungen auf
beiden Satelliten werden weiter zum Erfolg der Mission
beitragen.
Hingegen wird die CHAMP-Mission, wenn die Bahn nicht
noch einmal angehoben wird, leider im Frühjahr 2008 mit
dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre beendet sein. Bis
dahin sollten aber noch weitere, für die Schwerefeldbestimmung
wichtige Messdaten in niedriger Flughöhe
gewonnen werden. Durch die Abnahme der solaren Aktivität
kann man auch davon ausgehen, dass CHAMP noch
viele interessanteste Messungen zur Bestimmung und
Überwachung des Magnetfeldes liefern wird.
Die herausragenden Ergebnisse insbesondere der GRACE-
Mission waren Anlass für ein Schwerpunktprogramm
„Massenvariationen und Massentransporte im System
Erde“, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
bereits bewilligt wurde und das ab Juli 2007 über sechs
Jahre läuft. Hier sollen Wechselbeziehungen und Austauschmechanismen
zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Eiskappen,
kontinentalen Wasserspeichern und fester Erde in
einem integrierten, interdisziplinären Lösungsansatz aus
den Schwerefeld- (CHAMP, GRACE, GOCE) und Altimetriemissionen
(Envisat, Jason) gewonnen werden.
Literatur
Beyerle, G., T. Schmidt, G. Michalak, S. Heise, J. Wickert, and Ch. Reigber (2005)
GPS radio occultation with GRACE: Atmospheric Profiling utilizing the zero difference
technique, Geophys. Res. Lett., 32, L13806, doi: 10.1029/2005GL023109.
Kanzow, T., F. Flechtner, A. Chave, P. Schwintzer, R. Schmidt and U. Send
(2005) Seasonal variation of ocean bottom pressure derived from GRACE:
Local validation and global patterns, Geophys. Res. Let., 110, C09001, doi:
10.1029/2004JC002772.
Maus, S. and H. Lühr (2005) Signature of the quiet-time magnetospheric magnetic
field and its electromagnetic induction, Geophys. J. Int., doi:10:1111/j.1365-
246X.2005.02691.x.
Maus, S., S. McLean, D. Dater, H. Lühr, M. Rother, W. Mai, and S. Choi (2005)
NGDC/GFZ candidate models for the 10th generation of IGRF, Earth Planets
Space, 57, 1151-1156.
Maus, S., M. Rother, K. Hemant, C. Stolle, H. Lühr, A. Kuvshinov, and N. Olsen
(2006) Earth's lithospheric magnetic field determined to spherical harmonic degree
90 from CHAMP satellite measurements, Geophys. J. Int., doi: 10.1111/j.1365-
246X.2005.02833.x.
Reigber, Ch., Schmidt, R. Flechtner, F., König, R., Meyer, Ul., Neumayer, K.H.,
Schwintzer, P., Zhu, S.Y. (2005) An Earth gravity field model complete to degree
and order 150 from GRACE: EIGEN-GRACE02S, J. Geodynamics, 39, 1-10, doi:
10.1016/j.jog.2004.07.001.
Schmidt, R., Schwintzer, P., Flechtner, F., Reigber, Ch., Güntner, A., Döll, P., Ramillien,
G., Cazenave, A., Petrovic, S., Jochmann, H., Wünsch, J. (2005): GRACE
observations of changes in continental water storage, Global and Planetary
Change (im Druck).
Schmidt, T., S. Heise, J. Wickert, G. Beyerle, and Ch. Reigber (2005) GPS radio
occultation with CHAMP and SAC-C: global monitoring of thermal tropopause
parameters, Atmospheric Chemistry and Physics, 5, 1473-1488.
Wickert, J., G. Beyerle, R. König, S. Heise, L. Grunwaldt, G. Michalak, Ch. Reigber,
T. Schmidt (2005) GPS radio occultation with CHAMP and GRACE: A first
look at a new and promising satellite configuration for global atmospheric sounding,
Annales Geophysicae, 23, 653-658.
Wickert, J., T. Schmidt, G. Beyerle, R. König, Ch. Reigber, and N. Jakowski (2004)
The radio occultation experiment aboard CHAMP: Operational data analysis and
validation of vertical atmospheric profiles, J. Met. Soc. Japan, Special issue ’Application
of GPS Remote Sensing to Meteorology and Related Fields’, 82(1B), 381-
395.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

A comprehensive view of the Earth’s magnetic
field from ground and space observations
Mioara Mandea, Hermann Lühr, Monika Korte, Georgios Balasis, Hans-Joachim Linthe, Kumar Hemant, Eberhard
Pulz, Patricia Ritter, Martin Rother, Claudia Stolle, Erwan Thébault, Ingo Wardinski
Seit einigen Jahren gewinnen eine Reihe von Satelliten Beobachtungsdaten des Erdmagnetfelds in hoher Qualität. Das
GeoForschungsZentrum Potsdam ist zum einen aktiv an dieser Art von Satellitenmissionen beteiligt und unterhält zum
anderen eine wachsende Anzahl geomagnetischer Observatorien am Boden. Wir beschreiben hier die unterschiedlichen
Charakteristika von Observatoriums- und Satellitendaten hinsichtlich Qualität, räumlicher Abdeckung und zeitlicher
Verteilung. Es werden Beispiele präsentiert, wie aus der Kombination von an der Erdoberfläche gewonnenen Daten
und Satellitenmessungen deutlich verbesserte Beschreibungen des Erdmagnetfelds gewonnen werden können. Damit
eröffnen sich neue Möglichkeiten für Studien der Flüssigkeitsbewegung im Erdkern, der Leitfähigkeit des Erdmantels,
der Zusammensetzung der Lithosphäre bis hin zur Dynamik von Stromsystemen in Ionosphäre und Magnetosphäre.
In recent years, high-quality observations have been obtained
from a number of geomagnetic satellites. GeoForschungsZentrum
Potsdam (GFZ) is actively involved in
these kinds of satellite missions, but is also involved in
maintaining and extending ground-based geomagnetic
field measurements using a number of observatories. We
discuss the different characteristics of observatory and
satellite data, like quality, spatial coverage and temporal
distribution. Examples are presented about how the combination
of ground-based data and satellite measurements
can provide improved descriptions of the geomagnetic
field, and how they offer new opportunities for studies ranging
from core flow, mantle conductivity and lithospheric
composition to the dynamics of ionospheric and magnetospheric
currents.
Introduction
The Earth's magnetic field is mainly due to a geodynamo
mechanism in the liquid, metallic outer core. The lithospheric
contribution, due to rocks which acquired information
about the magnetic field at the time of their solidification
from the molten state, adds to the dominant core
magnetic field. In addition, external fields represent a third
contribution which is produced primarily by the interaction
of the solar wind with the magnetosphere, and their
intensities vary with the solar wind speed and the orientation
of the embedded magnetic field. The solar wind
modifies current systems in the magnetosphere and ionosphere
surrounding the Earth, producing magnetic variations
on varying time scales from a second to a solar cycle.
Moreover, these highly variable external fields cause
secondary, induced fields in oceans and electrically conductive
regions of the lithosphere and the upper mantle.
To fully describe the geomagnetic field it is necessary to
either measure the intensity and two angles of direction or
three orthogonal components. The angles are declination
(the deviation of the local geomagnetic field lines from
geographic north) and inclination (the angle of intersection
with the Earth’s surface). Orthogonal components are
commonly chosen to be X, Y and Z for the directions
towards geographic north, east and vertically down, respectively.
The unit used to describe the geomagnetic field
is the nanoTesla (nT), with the Tesla in fact being the unit
for magnetic flux density.
When a measurement of the geomagnetic field is taken at
any given point and time, the resulting value contains the
superposition of fields having different origins, as discussed
above and varying in magnitude. These are:
1) the core field, generated in the fluid outer core, which
ranges between 30000 nT at the equator to 65000 nT
at the poles;
2) the lithospheric field, generated by magnetized rocks,
generally having a strength of the order of tens to a few
hundreds of nT, but reaching a few thousand nT over
strong anomalies;
3) the external fields, generated by magnetospheric and
ionospheric currents, and varying from fractions of a
nT up to a few thousand nT during large magnetic
storms;
4) the electromagnetically induced field, generated by
currents induced in the crust and the upper mantle by
the time-varying external field, amounting up to some
tens of nT.
Separating these contributions directly is impossible
(Mandea and Purucker, 2005). In 1838 Gauss using spherical
harmonic functions developed a method to describe
the geomagnetic field globally, providing a rough separation
between internal and external contributions to the
field. Geomagnetic field models based on spherical harmonics
are still widely used, but due to the multitude of
sources, a strict separation of all contributions is not feasible.
The geomagnetic field is also subject to temporal variations
over a broad range of time scales, including complete
reversals of the whole field on geological times. The
so-called short-term variations are detectable over time
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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64
scales spanning fractions of a second to decades. The very
short period variations (seconds to hours) can safely be
attributed to sources external to the Earth, while the longer-period
variations (annual to decades) are due to both
solar cycle variations with its harmonics and core field
variation (known as secular variation). These different
variations are superimposed and while it was previously
thought that their main part is of external origin, recently
the question of the shortest time scales of the core field
observable at the Earth’s surface has again become controversial.
Systematic observations of the geomagnetic field exist for
almost two hundred years, providing information about its
morphology and time-evolution. An example with one of
the longest data series worldwide is the Adolf Schmidt
Geomagnetic Observatory of GFZ Potsdam at Niemegk.
Time variations, as shown in Fig. 1, are revealed by continuous
magnetic records, monitored by geomagnetic
observatories where the permanent installation of instruments
ensures reliable measurements of the geomagnetic
field. Additionally, so-called magnetic repeat-station measurements
are regularly made at particular locations and
distinct times to resolve the secular variation in specific
areas as well as to increase the density of available groundbased
magnetic data distribution. In addition, new satellite
measurements, being made continuously since 1999,
are greatly improving our knowledge of the geomagnetic
field all over the globe. GFZ contributes to these with its
CHAMP satellite, which is in operation since July 2000
and is expected to continue until 2008. The GFZ Potsdam
is unique in combining the expertise of measuring the geomagnetic
field from both ground and space, to investigate
a broad range of internal and external field variations.
Here, we give a tour of the different kinds of measurements,
with special emphasis on how ground and satellite
measurements complement each other. More detailed
scientific results on specific problems about the geomagnetic
field are described in the part concerning Section 2.3
activities of this report.
Measuring the Earth’s Magnetic Field
Magnetic observatories
Historically, the role of magnetic observatories was to
monitor the secular change of the geomagnetic field, and
this remains one of their most important tasks. Some
Fig. 1: Monthly mean values of the geomagnetic field (left) and its secular variation (right) recorded at the Niemegk
observatory (since 1930) and its predecessors at Seddin (1906-1930) and Potsdam (1890-1906). The three components
are in the directions of geographic north (X), east (Y) and vertically down (Z).
Monatsmittelwerte des Erdmagnetfelds (links) und ihre Säkularvariation (rechts), gemessen am Observatorium Niemegk
(seit 1930) und den Vorgängerstationen in Seddin (1906-1930) und Potsdam (1890-1906). Die drei Komponenten
zeigen in Richtung geographisch Nord (X), Ost (Y) und vertikal nach unten (Z).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Fig. 2: Participants of the international colloquium celebrating the 75th anniversary of the Adolf Schmidt Geomagnetic
Observatory Niemegk of GFZ Potsdam.
Teilnehmer des internationalen Festkolloquiums aus An-lass des 75-jährigen Bestehens des Adolf-Schmidt-Observatoriums
für Geomagnetismus des GeoForschungsZentrums Potsdam in Niemegk. (Fotos: R. Holme, E. Pulz, GFZ, und
H.-D. Scherz)
observatories were installed at the end of 19 th century. One
of them was the Potsdam Magnetic Oservatory, which started
regular operation on January 1, 1890. Today, the old
building on Telegrafenberg hosts the Paleomagnetic Laboratory,
maintained by Section 3.3 of GFZ Potsdam. Due
to anthropogenic disturbances of the measurements, caused
mainly by the electrified railway system, the observatory
had to be moved to Seddin in 1906, some 20 km southwest
of Potsdam. It operated there for only 20 years, until
it had to be moved again for similar reasons. On July 30,
1930 a new observatory was opened in Niemegk. The
Adolf Schmidt Geomagnetic Observatory, run by GFZ
since 1992, celebrated its 75 th anniversary in 2005, bringing
together geomagnetists from around the world for a
celebratory colloquium (Fig. 2). Today, more than 200 observatories
are in operation worldwide, but not all of them
satisfy the technical standard to participate in the INTER-
MAGNET project, requiring a guaranteed level of data
quality and near real-time data exchange (Fig. 3). To run
a modern magnetic observatory generally involves continuous
variation measurements of three field components
(one-minute or even one-second data sampling) which
are recorded automatically by fluxgate magnetometers.
However, these instruments are subject to drifts arising
from sources both within the instrument (e.g. temperature
effects) and the stability of the instrument mounting.
Moreover, due to the large difference in amplitude between
the very strong, but only slowly varying core field
and the much weaker but fast external variations, the latter
can be determined with much higher accuracy if constant
values are compensated for and only the variations
are measured about a baseline. These measurements do
not provide absolute values and the instruments are
known as variometers. Absolute measurements of the full
vector field, sufficient in number to control the instrumental
drift, are necessary to calibrate the variometer
recordings.
A scalar measurement of the field intensity, obtained commonly
by a proton magnetometer, is considered as absolute:
it depends only on our knowledge of a physical constant
(gyromagnetic ratio) and a measurement of fre-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Fig. 3: Global distribution of geomagnetic observatories (top) and amount of available observatory data (bottom).
Only those marked in blue fulfill the INTERMAGNET quality standard with near real-time distribution of minute data.
Some of the observatories marked in red only provide annual mean data. The distribution is highly non-uniform, with
the northern hemisphere better covered than the southern hemisphere. The blue stars mark Niemegk observatory of
GFZ and the stations currently run in cooperation with local institutions.
Weltweite Verteilung geomagnetischer Observatorien (oben) und deren verfügbare Daten (unten), Stand 2000. Nur die
blau markieren Observatorien erfüllen den INTERMAGNET-Standard mit Verfügbarkeit von Minutenwerten in quasi
Echtzeit. Einige der rot markierten Stationen liefern nur Jahresmittelwerte. Die Verteilung ist sehr ungleichmäßig, mit
deutlich besserer Abdeckung der Nordhalbkugel. Die blauen Sterne markieren das Observatorium Niemegk des Geo-
ForschungsZentrums und die Observatorien, die zurzeit in Kooperation mit lokalen Instituten betrieben werden.
quency, and it can be achieved with great accuracy. However,
scalar magnetometers determine only the strength of
the magnetic field and provide no information about its
direction. Absolute measurements of the direction of the
geomagnetic field, i.e. the angles of declination and inclination,
are performed with an instrument known as a fluxgate-theodolite
(DI-flux) that requires manual operation
and takes about 30 minutes per measurement. In a landbased
observatory, such absolute measurements are typi-
cally made once to twice a week and are used to monitor
the drift of the fluxgate variometers. So far no instrument
exists to carry out the complete absolute measurements
automatically. In an attempt to change this, the Niemegk
observatory together with the Technical University of
Braunschweig is currently developing an alternative
instrument to carry out automatically the absolute threecomponent
measurements of the magnetic field to calibrate
variometer recordings (Fig. 4).
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Fig. 4: Orienting a first prototype of an instrument under
development at Niemegk observatory. This instrument
eventually will allow for the automatic absolute determination
of three field components.
Der erste Prototyp eines am Observatorium Niemegk in
Entwicklung befindlichen Messgeräts, das hier ausgerichtet
wird. Dieses Gerät wird nach Fertigstellung die
automatische Absolutmessung von drei Magnetfeldkomponenten
ermöglichen. (Foto: E. Pulz, GFZ)
Modern land-based magnetic observatories
all use similar instrumentation to produce
similar data products. The fundamental
measurements recorded are oneminute
values of the vector components
and scalar intensity. The one-mi-nute data
are important for studying variations in the
geomagnetic field external to the Earth, in
particular, the daily variation and magnetic
storms. Data from 13 observatories distributed
worldwide are used to produce the
Kp global magnetic activity index. This
index is the most commonly used parameter
to characterise the level of magnetic
disturbances. It is currently computed
and distributed around the world by Niemegk
observatory. Other indices of special
or regional variations are derived from
different subsets of observatory data.
From the standard one-minute data, hourly,
daily, monthly and annual mean values
are produced. The monthly and annual
mean values are useful to determine the
secular variation originating in the Earth’s
core. The quality of secular-variation estimates
depends critically upon the longterm
stability, i.e. the quality of the absolute
measurements at each observatory.
However, as mentioned earlier, not all
existing magnetic observatories have the
technical standard to achieve the desired
data quality, and the global network of stations
has large spatial gaps. GFZ Potsdam
is increasing its efforts to improve the global
data coverage by supporting observatories
worldwide and installing new obser-
vatories in cooperation with local institutions. Our involvement
currently includes, besides Niemegk, the existing
observories Wingst (Northern Germany) and Panagjurishte
(Bulgaria), and the newly installed ones at Villa Remidios
(Bolivia) and Keetmanshoop (Namibia), see Fig. 3.
Magnetic field satellites
Since the 1960s, the Earth’s magnetic field intensity has
been measured intermittently by satellites. Only recently
have there been a few missions dedicated to measuring
the full vector field, using star cameras to establish
precisely the direction of a triaxial fluxgate sensor in
space. High-quality fluxgate sensors onboard spacecraft
are instruments with a very high temporal resolution,
but they suffer from small drifts of the order of some
nT/yr. For a multi-year mission this requires absolute
intensity measurements onboard satellites in order to
calibrate the vector instrument (as well as for ground
observatories). This is achieved by combining the measurements
from all the different orientations a satellite
aquires of the ambient magnetic field over a day. It is
possible to perform a full in-orbit calibration of the fluxgate
instrument at regular intervals (e.g. Olsen et al.,
Fig. 5: The three satellites currently measuring the geomagnetic field from
space: CHAMP (bottom), Ørsted (upper left) and SAC-C (upper right).
Die drei Satelliten, die gegenwärtig das Erdmagnetfeld vektoriell aus dem
Weltraum vermessen: CHAMP (unten), Ørsted (oben links) und SAC-C (oben
rechts).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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68
2003). Special attention has to be paid to the magnetic
disturbances coming from the satellite. In order not to
degrade the measurements both magnetic field instruments
are kept remote from the spacecraft body by
mounting them at the end of a few meter long non-magnetic
boom (Fig. 5).
The first satellite mission that provided valuable vector
data for geomagnetic field modeling was MAGSAT (Langel
et al., 1980), which resulted in magnetic measurements
over a six month period between 1979 and 1980. The following
20 years were without high-quality satellite magnetic
field missions. The first satellite to improve the situation
was Ørsted, launched in 1999, and still partially operational
after 7 years. The satellite carries as its primary
scientific instruments a tri-axial fluxgate magnetometer
and a star camera for measuring the vector components of
the geomagnetic field. Its position along the orbit is determined
by using Global Positioning System (GPS) receivers.
The satellite's main body carries the electronics while
an 8-meter boom hosts the magnetic field instruments. It
takes the Ørsted satellite about 100 minutes to orbit the
Earth in its near-polar orbit. The local time of the orbit
plane changes by 0.9 minutes per day, and the data are
from an altitude range of 640 to 850 km. The same fluxgate
and star camera package together with a scalar magnetometer
were mounted on the SAC-C spacecraft, launched
about two years after Ørsted. SAC-C has a circular
orbit at an altitude of 702 km, and a fixed local time (LT),
crossing the equator at 10:24 and 22:24 LT. This experiment
has suffered from a malfunctioning star camera
which has prevented the acquisition of any vector data.
From development to operation, CHAMP (Challenging
Minisatellite Payload) is a GFZ project. Launched in July
2000 with its highly precise, multi-functional and complementary
payload elements (magnetometer, accelerometer,
star sensors, GPS receiver, laser retro reflector, iondrift
meter) and its orbital characteristics (near polar, low
altitude, long duration), CHAMP has generated simultaneously
highly-precise gravity and magnetic field measurements
for more than 5 years. CHAMP has a length of
8.33 m (including the boom) and an initial mass of
522 kg. With an orbital period of 93 minutes, and an initial
altitude of 454 km, the satellite moves rapidly through
local time, with a change of 5.45 minutes/day. Attitude stability
relies on magneto-torquers and a cold-gas propulsion
system. Its aerodynamic shape together with tri-axial
attitude control ensures that a stable flight configuration
is achieved in the relatively dense atmosphere at low-altitude.
The two redundant magnetic fluxgate sensors are
mounted together with the star cameras on an optical
bench providing a mechanical stability between these systems
of better than 20 arcsec. The optical bench is located
about 2 meters away from the spacecraft's main body,
and the Overhauser Magnetometer is mounted at the tip
of the 4-meter boom. This configuration is a compromise
between avoidance of magnetic interference from the spacecraft
and cross-talk between the vector and scalar magnetometers.
The almost circular and near-polar (87.3 deg.
inclination) orbit allows for a homogeneous and almost
complete global coverage of the Earth by gravity and magnetic
field measurements.
Magnetic data
Three parameters are important when dealing with magnetic
data: quality, spatial distribution, and temporal coverage.
Data Quality
Many magnetic observatories have operated for decades,
some for more than 100 years. Up until the 1990s many
observatories were still operating in the classical mode,
with analogue recording and, consequently, requiring long
periods for data processing and dissemination, as well as
providing less accurate final data. Developments in technology
since that time have allowed more and more observatories
to change to digital recordings, while at the same
time updated equipment has seen data quality gradually
improve from 10 second sampling at 1 nT resolution to
the current INTERMAGNET standard of 1 second sampling
at 0.1 nT resolution. Data recorded in observatories
in real time are known as variational or preliminary data,
as they lack the absolute calibration and may have a baseline
offset, which itself can have a slow drift. These preliminary
data are useful for investigations concerned with
relatively rapid changes in the magnetic field occurring
over time periods of less than a couple of days, i.e. the
external field contributions. However, for studies involving
longer time scales and in particular, changes of the
core field, absolute data time series are essential. These
definitive data are obtained through data processing, with
adjustments made for baseline drift based on the regularly
performed absolute measurements at each observatory.
These steps for obtaining definitive magnetic data are
necessary to satisfy the minimum requirements of an
INTERMAGNET Magnetic Observatory (IMO): longterm
stability of the order of 5 nT/year and an accuracy of
±10nT for 95 % of reported data and ± 5nT for the definitive
data.
With the launch of three satellites (Ørsted, CHAMP and
SAC-C) since 1999, high-accuracy scalar and vector magnetic
measurements have now become available from
near-Earth orbits. The Ørsted Overhauser proton-precession
magnetometer measures the scalar values of the magnetic
field with an accuracy of < 1nT, while the fluxgate
magnetometer together with the star camera provides vector
data with a precision of < 3-5 nT. The same package is
mounted on the SAC-C spacecraft, but the vector data cannot
be used, as the star camera has given no information
during the course of the mission, possibly because of a
cabling problem on the boom. As a consequence, magnetic-field
measurements from SAC-C are restricted to the
1 Hz values from the scalar magnetometer, with an accuracy
of better than 4 nT. This higher value is partially due
to the uncertainty of the spacecraft fields.
Currently, the best available magnetic satellite data are
those produced by the CHAMP mission. The CHAMP scalar
magnetometer provides an absolute in-flight calibra-
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Fig. 6: Coverage of the Earth with CHAMP satellite magnetic data after one day (top) and one week (bottom).
Abdeckung der Erdoberfläche durch magnetische Daten des CHAMP-Satelliten nach einem Tag (oben) und einer Woche
(unten).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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70
tion capability for the vector magnetic field measurements.
A dedicated program ensuring the magnetic cleanliness
of the spacecraft allows for an absolute accuracy
of < 0.5 nT for the magnitude data. For the fluxgate magnetometers,
the overall noise level is of the order of 50 pT.
The scalar calibration using the absolute Overhauser
observations is run on a daily basis, and the instrument
parameters for the fluxgate data processing are updated
every two weeks. The corrections applied to the data concern
the scaling factors, field offsets, non-orthogonality
and the stray fields from the satellite. A remaining uncertainty
of the vector data is due to thermal bending of the
optical bench. These bending angles have to be determined
in special modelling procedures. Data from both the
vector fluxgate magnetometer and the scalar Overhauser
magnetometer are available to the worldwide community
through the data center, ISDC, at GFZ.
Spatial distribution
The distribution of magnetic observatories over the globe
(see Fig. 3) is highly non-uniform, with the northern
hemisphere having better coverage than the southern
hemisphere. The observatory distribution is a key parameter
in determining the secular variation on the global
scale. This is the reason why in some regions, for example
the Pacific, the uncertainty in the secular variation is
of the order of hundreds of nT/yr (Mandea and Macmillan,
2000), while in better-covered regions such as Europe,
it is a few nT/yr. One possibility to counterbalance this
uneven geographical distribution is the use of an adequate
weighting scheme (Langlais and Mandea, 2000). However,
adequate weighting cannot make up for the lack of
information in the regions sparsely covered by data. The
only definitive way to remedy this issue is to establish
additional observatories, in particular, in the southern
hemisphere and to upgrade all existing observatories to
the INTERMAGNET standard.
Another possibility to improve our knowledge of the secular
variation is to have well-distributed global measurements
from satellites. The data provided by each of the
three satellites currently in orbit ensure a good coverage
of the Earth’s surface in a very short period of time. Fig. 6
shows the orbit tracks for one day and for one week, respectively,
for the CHAMP satellite. The coverage over one
week already appears sufficient for a good data distribution.
However, these plots are based on all available measurements,
without considering data quality and selection
criteria with respect to external disturbances. For core field
and secular variation studies a selection of quiet time data
is necessary as long as we do not understand all individual
field sources in sufficient detail to separate them. This
can lead to a drastic reduction in the amount of usable data.
Temporal coverage
Since the installation of the first magnetic observatory in
1832 by Gauss, their number has continuously increased.
However, the number of observatories providing hourly
means or one-minute data (INTERMAGNET observato-
ries) is lower than the total number. Some observatories
only offer annual means as they do not have the modern
equipment to produce high-resolution data (Fig. 3).
The time span covered by satellite missions is quite short
in comparison to observatory time series of the order of
decades to more than a century. The first satellite providing
magnetic vector data was MAGSAT in 1980, which
was in operation for only 6 months. Since 1999/2000, there
are three satellites providing high accuracy magnetic vector
data. However, there is an important difference between
observatory and satellite data: observatories provide
continuous time series from one location, whereas a
satellite records the field values while travelling through
space. The data series thus contain both spatial and temporal
variations, and the purely temporal resolution for a
given location is worse than that of an observatory (at best
1 sample/day).
Joint analysis of observatory and satellite data
The launch of the Danish satellite Ørsted marked the start
of the international initiative Decade of Geopotential Field
Research declared by the IUGG, which highlighted the
importance of gravity and magnetic field measurements
from space. The GFZ satellite CHAMP was launched
shortly after Ørsted. Once more, we want to stress that
there are important differences between observatory and
satellite data. The separation of spatial and temporal signals
is a challenging task for satellite data alone. Moreover,
the ground-based and satellite data are taken at different
distances to the various sources. Using the Ørsted
and CHAMP measurements together with magnetic observatory
data yields maximum information. Only the combination
of satellite and ground-based data will improve
our knowledge of the individual sources of the geomagnetic
field enough to allow a highly accurate separation of
sources over multi-year time intervals. However, considerable
difficulties exist in carrying out joint analyses of
ground-based and satellite data due to their different spatial
and temporal information content. In the following, a
few examples of different ways to take advantage of the
combination of these measurements are given.
Core field and secular variation
IGRF models
The best-known global geomagnetic field model is the
International Geomagnetic Reference Field (IGRF). A
new model in this series is produced every 5 years, from
a range of measurements provided by magnetic observatories,
ships, aircraft and satellites. Several candidate
models, including one from the GFZ geomagnetism group
(Maus et al., 2005), are submitted each time to a dedicated
working group of the International Association of Geomagnetism
and Aeronomy (IAGA), which determines a
final reference model. This model series, based on a classical
spherical harmonic analysis of a vast amount of data,
represents the magnetic field generated in the Earth’s core.
Even in the present era of the GPS navigation system, the
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Fig. 7: Percentage change of the geomagnetic field intensity from 1980 to
2001, as determined by the MAGSAT and CHAMP satellites
Änderung der Intensität des Magnetfelds von 1980 bis 2001 in Prozent, hergeleitet
aus den Messergebnissen der Satelliten MAGSAT und CHAMP
IGRF models and particularly their description of declination
still play an important role for navigation purposes.
Magnetic compasses are used as backup systems on
ships and aircraft, so the declination has to be known at
all locations and times. IGRF declination information is
even implemented in the GPS system for orientation support.
The IGRF models also play an important role as a
standard to eliminate the core field contributions in aeromagnetic
surveys for geological studies or prospecting.
The quality of models in this series has dramatically increased
over the last two field generations.
Indeed, since the 8 th generation (Mandea
and Macmillan, 2000), the main-field
models are currently defined up to spherical
harmonic degree/order 13 (compared
to degree 10 for all previous generations).
The recent models (9 th and 10 th
generation) represent the fruitful combination
of satellite and observatory data.
The satellite data on the one hand are needed
to ensure a good distribution over the
globe, while on the other, information
about magnetically quiet conditions are
provided by the observatories. Moreover,
the continuous observatory data improve
the secular variation estimates in the
models. The use of both satellite and
ground-based data has dramatically
improved the quality of geomagnetic field
models (Olsen et al., 2006).
Secular variation models
Modelling the secular variation on characteristic
timescales of the order of a few
decades can be significantly improved if
we take advantage of all the available
magnetic satellite data. We can compare
the core field descriptions obtained from
the Ørsted and CHAMP missions over the
last few years to those from the MAGSAT
mission of 1979-1980 (Hulot et al.,
2000). It is obvious that the magnetic field
does not change uniformly over the Earth
(Fig. 7). While the overall strength of the
dipole field is decreasing, there exist a
few regions where the field strength is
increasing. An extremly strong decrease
is seen in two areas, in the South Atlantic
and in the Meso-American region.
More detailed information can be derived
from a time-dependent model of the secular
variation between 1980 and 2000, such
as the one developed by Wardinski (2005).
The endpoints of this time interval were
chosen because of the availability of highquality
field models derived from satellite
measurements during these epochs.
Using this a priori field information, the
Gaussian coefficients are expanded in
time from 1980 until 2000 as a function of cubic B-splines.
Between the two endpoints, observatory annual and
monthly mean values are used, as well as repeat station
data. Satellite and ground-based data complement each
other ideally, with the satellite data giving the optimal spatial
resolution at both end-points and the ground-based
data ensuring optimal temporal resolution in between. The
model is used to study the question of shortest observable
time-scales of the core field secular variation and to infer
from it possible scenarios of fluid flow at the boundary
Fig. 8: All available CHAMP data (X, Y, Z component) in a 1° x 1° longitude
and latitude region centered over the Niemegk Observatory.
Alle verfügbaren CHAMP-Daten (X-, Y- und Z-Komponente) für ein Gebiet
von 1° x 1° Länge und Breite über dem Observatorium Niemegk.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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72
between Earth’s outer core and mantle in order to gain a
better understanding of the geodynamo process. Some
more detail on these results is given in the part of Section
2.3 in this report.
Geomagnetic jerks
Over a very short time span, a number of abrupt changes
in the secular variation have been noted in the series of
magnetic observatories. The cause of these so-called geomagnetic
jerks is not completely known, but they may
reflect the reconfiguration of hydromagnetic motions in
the outer core over small scales and short time-intervals.
These phenomena are difficult to study, because of their
small amplitudes and the overlap of their frequency range
with the effect of solar-dependent external variations.
Moreover, the highly uneven coverage of the globe by
magnetic observatories makes it difficult to study their
geometry and evolution, and whether they are of a global
nature.
One way to overcome the problem of the uneven spatial
distribution of time series is again to turn to satellite data.
A good global coverage is obtained from satellite data in
a short period of time, but satellite data are not very hel-
Fig.9:Secular variation of the radial magnetic field at the core mantle boundary
for epochs 1900, 1930, 1975 and 1990 using the Jackson et al. (2000)
model. The extreme values (red/blue) are +/– 13 µT/yr.
Säkularvariation des radialen Magnetfelds an der Kern-Mantel-Grenze für
die Jahre 1900, 1930, 1975 und 1990 nach dem Modell von Jackson et al.
(2000). Die Extremwerte (rot/blau) sind +/– 13 µT/a.
pful if our interest is focused on a certain location over a
longer period of time. Fig. 8 shows, as an example, all
available CHAMP data over an area of 1° x 1° centered
on the Niemegk Observatory. It is clear that the temporal
resolution, even for a larger area at a fixed position, is not
comparable with what observatories provide as continuous
data. However, this time series can be used for interpolating
the temporal behaviour of the magnetic field. This
kind of plot will be a useful first step in studying secular
variation, and possibly geomagnetic jerks, at a given position
from satellite data.
However, only the joint analysis of observatory and satellite
data can really be useful for the global study of geomagnetic
jerks. To circumvent the spatial and temporal
distribution difficulties, the use of continuous field models
derived from ground-based and satellite data, such as the
Comprehensive Model by Sabaka et al. (2002, 2004), is
one possible solution. Chambodut and Mandea (2005) studied
the temporal and spatial distribution of jerks detected
in these models over the four last decades. The jerks
around 1971, 1980 and 1991 are characterized by a clear
bimodal behaviour of their occurrence date. So far, no
geomagnetic jerk occured during the lifetime of the magnetic
field satellites. A much better description of a jerk
could be provided if it were to occur
during the time of operation of one or preferably
several satellites.
South Atlantic Anomaly
Another interesting feature of the core
field is the so-called South Atlantic
Anomaly. This is a large area of very low
field intensity (less than 20000 nT) over
South America, the southern Atlantic and
southern Africa. Moreover, from MAG-
SAT and CHAMP data we observed that
the field there has been decreasing by
some 8 % during the past 20 years (see
Fig. 7). Recent studies have identified distinct
patches of reversed magnetic flux at
the poles and below Africa which could
be related to the present day field decrease
and might even be a hint that the geodynamo
is heading towards a reversal
(Hulot et al., 2002). The most prominent
feature in this respect is the growing patch
of reverse magnetic polarity beneath
South Africa. To give an indication of
recent changes, Fig. 9 shows the distribution
and evolution of the radial magnetic
field component at the core-mantle
boundary during the past century. The
model used here (Jackson et al., 2000)
shows a region of reversed field direction
(red area) which propagates north-eastward.
At present this patch is just below
South Africa. Moreover, a large longitudinal
difference in field changes is observed,
again with a maximum variation in
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Fig. 10: Two teams from GFZ Potsdam and Hermanus Magnetic Observatory
(HMO, South Africa) carrying out magnetic repeat station measurements
on the South Africa, Namibia and Botswana networks (red stars). Blue
dots are the existing observatories Hermanus, Hartebeesthook and Tsumeb.
The star marks the newly constructed observatory Keetmanshoop, a cooperative
project between GFZ and HMO.
Zwei Teams von Mitarbeitern des GFZ Potsdam und Hermanus Magnetic
Observatory (HMO, Südafrika) führen an Stationen in Südafrika, Namibia
und Botswana (rote Sterne) magnetische Säkularpunktmessungen durch. Die
blauen Punkte markieren die bestehenden Observatorien Hermanus, Hartebeesthook
und Tsumeb, der Stern stellt die Lage des in Kooperation von
GFZ und HMO neu errichteten Observatoriums Keetmanshoop dar. (Fotos:
M. Mandea und M. Korte, GFZ)
this area. In order to better understand this
behaviour, efforts have been started
recently to re-establish the southern African
repeat station network at a density last
surveyed 7 years ago. In a co-operation
between Hermanus Magnetic Observatory
(South Africa) and GFZ Potsdam,
absolute measurements for the three field
components and continuous field variations
were performed at 40 stations in fall
2005 (Fig. 10). This amount of new data,
still in processing at the time of writing,
will bring us useful information about the
field morphology at the epoch of measurements.
To constrain the core field temporal
variations further, additional measurements
campaigns are planned over
the next years.
The orientation of the geomagnetic field
in southern Africa is also changing rapidly.
In the northwest part of southern Africa
the declination is propagating eastward
(at Tsumeb) and in the south-east part it
is heading westward (at Hermanus and
Hartebeesthoek), as shown in Fig. 11.
This causes a spatial gradient over the
subcontinent which is presently increasing
with time. A greater density of continuous
observations is required in order
to resolve the structure of the field orientation
and its evolution. At the end of
2005, again in cooperation with Herma-
Fig. 11: Evolution of the geomagnetic declination at Hermanus, Hartebeesthook and Tsumeb in the southern African
continent.
Änderung der magnetischen Deklination in Hermanus, Hartebeesthook und Tsumeb, alle im südlichen Afrika.
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74
Fig. 12: Construction of a measurement hut at the new
geomagnetic observatory Keetmanshoop, Namibia.
Aufbau einer Hütte für magnetische Messungen am neuen
Observatorium Keetmanshoop in Namibia. (Foto: H.-J.
Linthe, GFZ)
nus Magnetic Observatory, a new magnetic observatory
was installed in Keetmanshoop (Namibia), which will provide
data from 2006 onward (Fig. 12).
Lithospheric field
Improved lithospheric field models are of great importance
for geodynamics studies, but a high spatial data resolution
is essential in order to develop them. Satellite data
have strongly improved global lithospheric field descriptions
(e.g. the MF4 model by Maus et al., 2006), but contain
only the large-scale part of the lithospheric field due
to the distance of the satellite from the Earth’s surface.
Aeromagnetic surveys provide detailed pictures of magnetic
anomalies, but are generally confined to quite limited
regions, thus lacking the large-scale parts of the lithospheric
field. Moreover, only field intensity but not the
whole vector field information is gained in such surveys.
The available ground vector data, on the other hand, are
not distributed densely enough to provide sufficient
information on the lithospheric field.
It has already been mentioned that the combination of the
different data types is not straightforward. However,
recently a method for analysing magnetic data from different
platforms has been developed and improved by Thé-
Fig. 13: Vector maps of geomagnetic anomalies over Germany
obtained by using ground, aeromagnetic and
CHAMP satellite data. The north (X), east (Y) and vertical
(Z) components of the magnetic field are shown from
top to bottom.
Karten der Magnetfeldanomalien über Deutschland aus
der Kombination von Bodendaten, aeromagnetischen Daten
und CHAMP-Satellitendaten. Es sind, von oben nach
unten, die Nord- (X), Ost- (Y) und Vertikalkomponente (Z)
des Magnetfelds dargestellt.
bault et al. (2004). It is based on the solution of the Laplace
equation within a spherical cone, and is referred to as
Revised Spherical Cap Harmonic Analysis. It is designed
for the inclusion of data from different altitudes, i.e. from
ground, aeromagnetic and satellite, for a combined inversion.
The method has already successfully been applied
for regional modeling. The example shown in Fig. 13 is
for Germany. For this area, data from the three German
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observatories Fürstenfeldbruck, Niemegk and Wingst,
German repeat station data, and the available aeromagnetic
and CHAMP satellite measurements have been considered.
The results are detailed vector maps of the lithospheric
geomagnetic field, with the large-scale information
coming mainly from the satellite data and the smallscale
information mainly from the aeromagnetic, combined
with the observatory and in particular the denser repeat
station measurements, to give the full vector description.
External field
The development of new analysis techniques for data from
satellites and observatories permits an improved separation
of the field sources into those which are internal and
external to the Earth’s surface and also into those above
and below the orbits where the satellite observations are
made. Thus, in theory, the ionospheric sources which are
external to the Earth’s surface but below the satellites'
orbits, can be isolated. Such a separation allows for better
parameterization of both the main geomagnetic field and
the external variations which are modulated by solar activity.
In the following example, both satellite and groundbased
data is used for studying the ionospheric contribution
in magnetic field measurements. The most intense
current system in the ionosphere is that of the horizontally
flowing auroral electrojet in the auroral oval.
The strength and latitudinal position of these current
flows depend on many factors, for example on the solar
zenith angle, solar wind activity, magnetospheric convection
and substorm processes. The characteristics of
the auroral electrojet reflect the dynamics and the processes
at the magnetopause and in the outer magnetosphere.
The electric energy is transported from the magnetosphere
to the ionosphere by currents flowing along
the field lines. Their intensity controls the electric field
and partially the state of ionospheric conductivity, and
with it the strength and location of the auroral electrojet
(Campbell, 1997). As an example, Fig. 14 shows the horizontal
ionospheric current density computed from mag-
netic field measurements taken onboard the CHAMP
satellite (Ritter et al., 2004) and from the IMAGE
ground-based magnetometer network (Amm and Viljannen,
1999). For this purpose total field data sampled by
the Overhauser Magnetometer on CHAMP and the horizontal
magnetic field measurements of the IMAGE network
were used. The high correlation shown in Fig. 14
demonstrates the capability of ground-based observations
at high latitudes to predict the strength of the electrojet
signatures in the satellite magnetic field scalar
data.
Conclusion and outlook
Fig. 14: The auroral electrojet above Scandinavia obtained from intensity
measurements on the CHAMP satellite and horizontal magnetic field measurements
by the IMAGE network at the Earth’s surface.
Der polare Elektrojet über Skandinavien, hergeleitet aus Messungen der
Magnetfeldintensität des Satelliten CHAMP und Aufzeichnungen der horizontalen
Magnetfeldkomponenten an den Stationen des IMAGE-Netzwerks
am Erdboden.
The Earth’s magnetic field is used for probing the Earth’s
lithosphere and deep interior and understanding solar-terrestrial
relationships; it is also a tool for navigation, directional
drilling, geological studies and mineral exploration.
The geomagnetic field is shielding our habitat from the
direct influences of the solar wind, which becomes apparent
during strong geomagnetic storms when the shield is
pushed Earth-ward under the influence of the high-speed
solar wind. Satellite failures, problems in telecommunication
and radio transmission or even regional power failures
are often encountered as consequences of them. To
map the geomagnetic field and both its spatial and temporal
variations, it is essential to improve our understanding
of the different processes contributing to it and to
increase the predictability of the future field evolution.
Data from ground observatories, special surveys over land
and sea, and from satellites must be jointly used to achieve
these goals.
The data gathered by geomagnetic observatories form the
backbone in tracking continuously the magnetic field variations;
their data are made available in a variety of time
frames ranging from near real-time to 5-year summary
information. GFZ is contributing to the worldwide observatory
network with its central observatory in Niemegk,
from where observatories in Wingst (Northern Germany),
Bolivia, Bulgaria and Namibia are operated in cooperation
with local institutions. Further cooperations with the
aim of bringing more observatories to the INTERMAG-
NET standard and filling other gaps in the
global network are planned.
During the last few years, three new
satellites including GFZ’s CHAMP were
launched by different agencies to measure
the Earth’s magnetic field from
space. Their data are made available by
each of the mission data centres. For
scientists, the biggest benefit of the highquality
and huge amount of magnetic
measurements, from ground and space,
is a fresh point of view of the hidden interior
of the planet, and its place in the
magnetic solar system.
Our magnetic planet will remain under
observation with ESA’s forthcoming
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Fig. 15: Artistic view of the upcoming ESA-mission SWARM that will consist
of a three-satellite constellation measuring the geomagnetic field.
Die kommende ESA-Mission SWARM wird mit einer Konstellation aus drei
Satelliten das Erdmagnetfeld vermessen – modellhafte Darstellung.
Swarm mission (Fig. 15). Three satellites will be launched
in 2009 and are intended to measure the magnetic field
and its variations far more accurately than ever before
(Friis-Christensen et al., 2004). Based on the expertise gained
from CHAMP, GFZ is well prepared to play a leading
role in this ambitious mission.
Acknowledgments
Parts of the work described here have been funded by the
„BMBF/DFG Sonderprogramm GEOTECHNOLOGIEN“,
the DFG „Schwerpunktprogramm Erdmagnetische Variationen“,
or have been carried out within the „INKABA YE
AFRICA“ project. The results presented were possible only
by the data acquisition and processing work of CHAMP
data, Sungchang Choi and Wolfgang Mai, and German
repeat station and observatory data, Martin Fredow, Anneleen
Glodeck, Ingrid Goldschmidt, Jürgen Haseloff, Carsten
Müller, Hannelore Podewski, Stefan Rettig, Jutta
Schulz, Manfred Schüler, and Kathrin Tornow.
All maps were plotted using the GMT software (Wessel
and Smith, 1991).
References
Amm, O. and A. Viljanen, Ionospheric disturbance magnetic
field continuation from the ground to the ionosphere
using spherical elementary current systems, Earth Planets
Space, 51, 431-440, 1999.
Campbell, W.H., Introduction to geomagnetic fields, Cambridge
University Press, 290 pp., 1997.
Chambodut, A. and M. Mandea, Evidence for geomagnetic
jerks in comprehensive models, Earth Planets Space,
57, 139-149, 2005.
Friis-Christensen, E., A. De Santis, A. Jackson, G. Hulot, A.
Kuvshinov, H. Lühr, M. Mandea, S. Maus, N. Olsen, M.
Purucker, M. Rother, T. Sabaka, A. Thomson, S. Vennerstrom,
and P. Visser, Swarm. The Earth's Magnetic Field and
Environment Explorers, ESA SP-1279, 6, 2004.
Hulot, G., C. Eymin, B. Langlais, M. Mandea, and N. Olsen,
Small-scale structure dynamics of the geodynamo inferred
from Ørsted and MAGSAT satellite data, Nature, 416, 620-
623, 2002.
Jackson, A., A. R. T. Jonkers and M. R. Walker, Four centuries
of geomagnetic secular variation from historical
records, Phil. Trans. R. Soc. Lond., A, 358, 975-990.
Langel, R. A., R. H. Estes, G. D. Mead, E. B. Fabiano, and
E. R. Lancaster, Initial geomagnetic field model from
Magsat vector data, Geophys. Res. Lett., 7(10), doi:
10.1029/0GPRLA000007000010000793000001, issn:
0094-8276, 1980.
Langlais, B. and M. Mandea, An IGRF candidate main geomagnetic
field model for epoch 2000 and a secular variation
model for 2000-2005, Earth Planets Space, 52pp,
1137-1148, 2000.
Mandea, M. and S. Macmillan, International Geomagnetic
Reference Field – the eighth generation, Earth Planets
Space, 52, 1119-1124, 2000.
Mandea, M. and M. Purucker, Measurements of the Earth’s magnetic field from
space, Surveys in Geophysiscs, 26, (No. 4), 415-459, DOI: 10.1007/s10712-005-
3857-x, 2005.
Maus, S., S. Maxmillan, T. Chernova, S. Choi, D. Dater, V. Golovkov, V. Lesur, F.
Lowes, H. Lühr, W. Mai, S. McLean, N. Olsen, M. Rother, T. Sabaka, A. Thomson
und T. Zvereva, The 10 th Generation International Geomagnetic Reference Field,
Geophys. J. Int., 161, 561-656, 2005.
Maus, S., M. Rother, K. Hemant, C. Stolle, H. Lühr, A. Kuvshinov, and N. Olsen,
Earth's lithospheric magnetic field determined to spherical harmonic degree 90
from CHAMP satellite measurements, Geophys. J. Int., doi: 10.1111/j.1365-
246X.2005.02833.x, 2006.
Olsen, N., H. Lühr, T. Sabaka, M. Mandea, M. Rother, L. Toffner-Clausen, S.
Choi, CHAOS - A Model of Earth’s Magnetic Field derived from CHAMP, Ørsted,
and SAC-C magnetic satellite data, J. Geophys. Int., in review, 2006.
Olsen, N., L. Toffner-Clausen, T. J. Sabaka, P. Brauer, J. G. Merayo, J. L. Jorgensen,
J.-M. Leger, O. V. Nielsen, F. Primdahl, and T. Risbo, Calibration of the Ørsted
vector magnetometer, Earth Planet Space, 55, 11-18, 2003.
Ritter, P., H. Lühr, A. Viljanen, O. Amm, A. Pulkkinen, and I. Sillanpää, Ionospheric
currents estimated simultaneously from CHAMP satellite and IMAGE
ground-based magnetic field measurements: A statistical study at auroral latitudes,
Ann. Geophys., 22, 417-430, 2004.
Sabaka, T., N. Olsen, and R. A. Langel, A comprehensive model of the quiet-time,
near-Earth magnetic field: phase 3, Geophys. J. Int, 151, 32-68, 2002.
Sabaka, T., N. Olsen, and M.E. Purucker, Extending comprehensive models of the
Earth’s magnetic field with Ørsted and CHAMP data, Geophys. J. Int., 159, 521-
547, 2004.
Thébault, E., J. J. Schott, M. Mandea, and J. P. Hoffbeck, A new proposal for Spherical
Cap Harmonic modelling, Geophys. J. Int., 159, 83-103, 2004.
Wardinski, I., Core Surface Flow Models from Decadal and Subdecadal Secular
Variation of the Main Geomagnetic Field, Ph.D., FU Berlin, 132 pp, 2005.
Wessel, P. and W. H. F. Smith, New, improved version of the Generic Mapping Tools
released, EOS Trans. AGU, 79 579, 1998.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

CONTINENT – Der Baikalsee: ein außergewöhnliches
kontinentales Klimaarchiv
Hedi Oberhänsli, Birgit Heim, François Demory, Jens Klump, Hermann Kaufmann, Norbert Nowaczyk, Ronald Conze
und CONTINENT-Partner
Lake Baikal represents one of the few Eurasian, continental, lacustrine sites with an extremely long, uninterrupted sedimentary
record (spanning potentially 25 million years) that can be exploited for high-resolution palaeoclimate studies.
Baikal is also close to the boundaries of two important weather systems - the Siberian high-pressure zone and the Asian
monsoon zone. Over recent decades, scientists have become increasingly aware that weather systems in one region of
the world can have significant effects on climate elsewhere, many thousands of miles away. By definition, remote influences
such as these are termed teleconnections. Moreover, it is also increasingly apparent that the earth's climate can
change very abruptly in contrast to current predictions that, for example, global warming will occur gradually over
the next 50 to 100 years. It is therefore important that we are fully able to understand the extent and rate of change of
past climate variability. Lake Baikal represents a site remote from oceanic influences, for long time ignored in highresolution
climate studies. By reconstructing climate variability in continental Eurasia, we can contribute to the knowledge
base of, for example, the importance of changes in oceanic circulation to climate in regions remote from oceans
during known periods of instability.
In CONTINENT (High Resolution CONTINENTal Paleoclimate Record in Lake Baikal) we used both biological and
non-biological proxies to reconstruct climate variability in Eurasia during the interglacials known as the Holocene
(10 kiloannum (ka = 1000 years) before present BP) and the Eemian (c. 110 to130 ka BP), and the preceding Terminations
I and II phases. Of interest were also abrupt climatic changes, in particular their timing and extent. However,
in order to do this with confidence we also investigated contemporary processes in the lake that are likely to affect
each of the different climate proxies. Challenges identified include understanding: (i) biological processes in the photic
zones, e.g. life cycle strategies of organisms dependent on ice-cover in the lake; (ii) processes influencing windblown
and riverine input to the lake; (iii) transport of biological and non-biological particles through the water
column, e.g. rates of transport, seasonality; and (iv) processes that affect final incorporation of sediment particles
into the sedimentary record, e.g. grazing, dissolution of diatom tests, bacterial consumption of organic material, typical
processes occurring at the water/sediment interface. In order to address these challenges, climate has been reconstructed
at high resolution: on decadal to centennial scales. Using these results we have learned more about the
influence of climate forcing factors and their feedbacks. CONTINENT provided an improved knowledge on the central
Asian climate history, which helps toward a better understanding of European and Northern Hemisphere climate
systems.
Meteorologische Messreihen belegen, dass auch Zentraleurasien
in den letzten 100 Jahren eine deutliche Erwärmung
erfahren hat, die sich wahrscheinlich in die Zukunft
fortsetzen wird (Todd und Mackay, 2004). Diese Aussagen
beruhen auf Eisdickenentwicklung am Baikalsee und
dem Beginn des Eisaufbaus und Abschmelzens. Temperaturmessungen
zeigen weiter, dass seit den 1980er Jahren
ansteigende kontinentale Wintertemperaturen über
Eurasien und Nordamerika zu einem großen Teil für die
beobachtete generelle Erwärmung über der Nordhemisphäre
verantwortlich sind, während der Nordatlantik
leicht kühlere Werte zeigt. In Sibirien hat das zu extremen
räumlich und zeitlich gestreuten Temperatur- und Feuchtigkeitsanomalien
geführt.
Weite Permafrostbereiche finden sich bereits klimatisch
im Ungleichgewicht. Bleibt es bei diesem Klimatrend,
würde das bedeuten, dass sich die Grenze des permanenten
Dauerfrostes, die sich derzeit noch am Nordende des
Baikalsees befindet, langsam aber stetig weiter nach Norden
zurückzieht. Dies wird eine Vielzahl von ökologischen
Veränderungen nach sich ziehen. Noch ungeklärt ist,
inwieweit die Auftauprozesse in Permafrostböden, unter
anderem durch einsetzende Kompostierung der organischen
Substanzen, Treibhausgase in noch nicht einschätzbarem
Ausmaß zur Klimaveränderung freisetzen
werden. Dass sie ihre Bedeutung haben, deckt sich mit
Modellen, denn deren Ergebnisse gehen von starken
Zunahmen von Treibhausgas und partikulären Aerosolen
aus. Aus klimatischen Modellierungen wird prognostiziert,
dass in den nächsten Dekaden in Zentralasien die
Wintertemperaturen um 2 bis 8 °C (globale Durchschnittstemperaturen
1,5 bis 4,5 °C) ansteigen und die
Niederschläge um 300 bis 600 mm/Jahr zunehmen könnten
(IPCC, 2001; z. B. Abb. 1). Die für die nächsten 50 bis
150 Jahre vorliegenden Prognosen sind allerdings mit großer
Unsicherheit behaftet, weil Rückkopplungsprozesse
nicht ausreichend bekannt sind. Ebenfalls sind in Zukunft
mehr Extremereignisse zu erwarten. In Zentralsibirien
würde das bedeuten, dass mehr Frühjahrs- und Sommerstürme
auftreten, die zu extremen Sommergewittern führen
und verstärkt massive Staubmassen aus den zentralasiatischen
Wüsten nach Osten bis nach Nordamerika transportieren.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 1: Globale Temperaturänderungen, die in den letzten 150 Jahren gemessen wurden (unten links). Der rote Pfeil
könnte die Richtung in die Zukunft weisen, wenn wir mit einer deutlichen Erwärmung rechnen. Das große Bild zeigt
die Temperaturverteilung, basierend auf einer maximalen vorhergesagten Erwärmung, wie sie in 100 bis 200 Jahren
zu erwarten wäre. Danach wäre im Baikalgebiet mit einer durchschnittlichen Temperaturzunahme von 5 bis 8 °C zu
rechnen (ICPP, 2001).
Global temperature changes as recorded during the last 150 years are shown in the inset to the lower left. The red arrow
points toward increasing values indicating considerable warming during the coming decades though the extent of the
increase is not yet clear. From the least conservative assumption (Scenario A2) global temperature changes have been
proposed. The succession of colour changes makes obvious that major temperature increases are expected to occur in
mid and high latitudes of the N Hemisphere. In the Baikal area, annual average temperature might rise according to
this scenario as much as 5 to 8 °C during the following 200 years (ICPP, 2001).
Unsere kurzen meteorologischen Datenreihen von 100 bis
120 Jahren reichen allerdings nicht aus, um Ereignisse mit
extremen Amplituden zu beleuchten, deren Prozesse auch
zu verstehen und regionale Zusammenhänge aufzudecken.
Daher müssen wir klimatische Studien aus den letzten
Interglazialen (Warmzeiten) nutzen. Aus ihnen lernen
wir, wie wir Extremereignisse einzustufen und deren Auswirkung
und Nachhaltigkeit auf das gesamte Klimasystem
einzuschätzen haben. Extreme Klimaereignisse können
im Kontext der Folgewirkungen verstanden werden,
wenn aus verschiedenen Räumen paläoklimatische Daten
zusammengebracht werden. Zur ausgewogenen Modellvalidierung
sollten ebenfalls Daten aus unterschiedlichsten
Regionen zur Verfügung stehen. Gerade Untersuchungen
der letzten Jahre weisen darauf hin, dass die klimatische
Variabilität im Raum beträchtlich ist. Daten der
letzten 30 Jahre zeigen für Sibirien, dass für die dort aufgetretenen
extremen räumlichen und zeitlichen Temperatur-
und Feuchtigkeitsanomalien die Prozesse bisher nicht
hergeleitet werden können (IPCC, WMO/UNEP, 2001).
Gute Gründe, den zentral in Eurasien gelegenen Baikalsee
als Untersuchungsobjekt auszuwählen, sind die Interaktionen
zwischen verschiedenen atmosphärischen Systemen,
die im Baikalseegebiet studiert werden können
(Abb. 2). Im Winter liegt das Zentrum der Sibirischen
Hochdruckzelle über dem westlichem Baikalgebiet und der
nordwestlichen Mongolei. Als Folge der Druckverteilung
dringt nur wenig Feuchtigkeit aus dem Nordatlantik und
Nordpazifik nach Zentral- und Ost-Sibirien vor, so dass die
Winter in der Regel kalt und trocken sind; dies wird kontrolliert
durch die Stärke der Hochdruckzelle und deren
meridiane Position. Im Sommer dagegen wird die Feuchtigkeitsverteilung
in der Baikalregion über die thermisch
kontrollierte Tiefdruckzelle, mit Zentrum südwestlich des
Tibetischen Plateaus, und über die Polarfront gesteuert.
Deren Positionen und Dynamik kontrollieren den arktischen
Vortex und die Spur der Westwinde, die feuchte Luft
aus dem Nordatlantik bzw. dem Arktischen Meer nach
Zentralsibirien bringen und so im Sommer zu Regen und
zu starker Wolkenbedeckung über dem See führen. Zudem
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

wird das südliche Einzugsgebiet der Selenga, des größten
Zuflusses des Baikalsees, im Sommer auch mit monsunalen
Niederschlägen aus dem Nordwest-Pazifik beliefert.
Entsprechend war diese exponierte klimatische Positionierung
des Baikalsees auch die Motivation, eine der ersten
Bohrungen im Rahmen des vom GFZ Potsdam koordinierten
„International Continental Scientific Drilling Program“
(ICDP) im Baikalsee abzuteufen (Abb.3). Zudem
dokumentieren die Sedimente des ältesten Sees der Erde
eine lückenlose Klimageschichte für die letzten 25 bis
35 Millionen Jahre. Die Bohrung erwies sich als sehr
erfolgreich und eröffnete die Möglichkeit, in einem 200 m
langen Sedimentkern die Klimageschichte der letzten
5 Millionen Jahre einschließlich der Nordhemisphärenvergletscherung,
die sich vor ca. 2,7 Mio. Jahren etablierte,
zu studieren (z. B., Williams et al, 1998; Kashiwaya,
2003; Demske et al., 2002). Das CONTINENT-Projekt
(High Resolution CONTINENTal Paleoclimate Record in
Lake Baikal) kann als Weiterführung dieser ersten lakustrinen
ICDP-Bohrung gesehen werden, denn CONTINENT
als Folgeprojekt wird viele komplexe Prozesse, die beim
ersten Anlauf noch nicht verstanden werden konnten, nun
weiter klären (Z. B., Oberhänsli and Mackay, 2005).
Im EU-geförderten Projekt CONTINENT standen zwei
Fragen im Zentrum:
(i) Wie funktioniert das Ökosystem Baikalsee heute,
und welche Prozesse sind Schlüssel zum Verständnis
des Klimas der Vergangenheit?
• Welche Prozesse sind für die Biologie in der photischen
Zone relevant? Ist z. B. die Überlebensstrategie
der Organismen von der Dauer und der Dicke der Eisbedeckung
abhängig?
• Wie funktioniert der Nährstoffkreislauf?
• Welche Prozesse beeinflussen den allochthonen Eintrag
(Aerosole oder Flussfracht) in den Baikalsee
und welche die räumliche Verteilung der detritischen
Partikel?
• Was passiert während des Transports von biologischen
and abiotischen Partikeln durch die Wassersäule, die
im zentralen Becken bis 1650 m mächtig ist? Wie viel
Material wird biologisch abgebaut, wo finden laterale
Transporte statt?
• Welche Prozesse können die Einbettung der Partikel
an der Wasser-Sediment-Grenzfläche beeinflussen:
Bioturbation und zoologisches Abweiden, bakterieller
Abbau, chemische Lösung und Umwandlung an der
Sediment-/Wassergrenzfläche?
Abb. 2: Druckverteilung während des Winters und Sommers über Eurasien. Hauptmerkmale sind das Sibirische
Hochdruckgebiet und das Tibetische Tiefdruckgebiet. Sie kontrollieren die Feuchtigkeit über Eurasien, die aus dem
Nordatlantik, der Arktis (sommers und winters) und dem NW-Pazifik (hauptsächlich im Sommer) herangeführt werden.
Pressure distributions over Eurasia during winter and summer. The major features are the Siberian High-Pressure Cell
and the Tibetan Low-Pressure Cell, which control on atmospheric moisture distribution over Eurasia originating from
the North Atlantic, and the Arctic Oceans (summer and less pronounced during winter) as well as from the NW Pacific
(mostly during summer).
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Abb.3:Für das ICDP-Bohrprogramm wurde mit dem Forschungsschiff
„ULAN UDE“ (oben) die Bohrplattform zur
Bohrungsstelle gebracht und mit dem Bohren begonnen,
als der gesamte Bohrkomplex eingefroren war. Die Bohrung
wurde beendet, als das Eis im frühen Sommer aufbrach.
Für das CONTINENT-Programm (http://continent.gfz-potsdam.de)
haben wir das Forschungsschiff
„VERESHAGIN“ (unten) für das Aussetzen der Sedimentfallen,
die biologische, physikalische und chemische
Geländearbeit sowie für die seismischen Aufnahmen und
zum Einholen von Sedimentkernen vom Limnologischen
Institut in Irkutsk angemietet (Fotos: H. Oberhänsli, GFZ).
For the ICDP deep drill hole the research vessel (RV)
„ULAN UDE“ (above) was dragging a barge with drilling
tower and equipment to the site. When the lake was
frozen and ship position had stabilized drilling could be
started and continued until the ice cover was breaking up.
For the CONTINENT field studies (http://continent.gfzpotsdam.de),
like deployment of sediment traps, biological,
physical and chemical monitoring, seismic survey
of surface sediment layers, and sediment coring we rented
RV „VERESHAGIN“ (below) from the Limnological
Institute, RAS, Irkutsk during the summer cruises from
2001 to 2003.
(ii) Welche Klimavariationen charakterisieren die letzten
beiden Interglaziale (Warmzeiten) in Zentralsibirien?
• Holozän (0 bis 10 ka BP) und Eem (entspricht der
Kasantzevo-Warmzeit) (117 bis 127 ka BP)
• mit den zugehörigen Übergängen aus den vorangehenden
Glazialen (Terminationen I und II)
Die Klimavariationen sollten in hoher zeitlicher Auflösung,
von Jahrzehnten bis zu einem Jahrhundert, rekon-
struiert werden. Darüber hinaus sollten die gefundenen
Paläoklimavariationen mit Daten aus Westeuropa und
Asien verglichen werden, um im räumlichen Vergleich
Amplituden von kurzen Klimaereignissen und die Ausrichtung
der Änderungen zu evaluieren.
Wir erwarteten, dass sowohl die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen,
wie auch die wechselnden Niederschläge
aus den Sedimentparametern herauszulesen sind.
Wichtig war es uns, für beide Interglaziale Daten in Zeit
und Raum zu bekommen. Deshalb wurden drei Bohrlokationen
geplant und damit auch dem Monitoring der morphologischen
und klimatischen Diversität des Sees Rechnung
getragen (vgl. Abb. 4, 5).
Wie funktioniert das Ökosystem Baikalsee?
Der Baikalsee ist mit einer Tiefe von bis zu 1650 m der
tiefste Süßwassersee der Welt. Der südsibirische See, ca.
650 km lang und maximal 80 km breit, erstreckt sich über
eine Oberfläche von 31.500 Quadratkilometern und hat
eine durchschnittliche Wassertemperatur von 4 °C. Aufgrund
seiner Tiefe ist er zugleich auch der größte Süßwasserkörper
der Welt: er enthält ein Fünftel des Süßwassers
aller Seen der Erde.
Der Baikalsee besteht aus drei morphologisch durch
Unterwasserrücken abgetrennten Becken von unterschiedlicher
Tiefe (maximal: 1650 m, minimal: 910 m).
Im August kann die Oberflächentemperatur 8 bis 10 °C
erreichen, in Ufernähe oder kleinen Buchten sogar 14 bis
18 °C.
Der See ist dimiktisch. Das bedeutet, dass der See zeitweise
geschichtet ist (mit Epilimnion und Hypolimnion).
Der Wasserkörper wird also einmal im Jahr bis zu einer
Tiefe von 250 m windbedingt umgewälzt und friert mindestens
für die Hälfte des Jahres zu. Die Sommerschichtung
dauert nur kurz (Ende Juli-Anfang September), doch
dabei wird das Epilimnion (Deckschicht) bis zu 50 m
mächtig. In Jahren mit langen Wintern und kühlen Sommern
kann im Nordbecken die Schichtung auch ausbleiben
(Kozhova and Izmest’eva, 1998). Der See ist ab Ende
Dezember für die Hälfte des Jahres mit Eis bedeckt. Eisfrei
wird das Südbecken ab Mitte Mai, das Nordbecken
erst ab Mitte Juni (Kozhov 1963). Diese extrem jahreszeitlich
geprägte limnologische Situation hat Auswirkungen
auf die Primärproduktion und damit auf die gesamte
Nahrungskette.
Hier liegt der Schlüssel zur Frage: „Welche biologischen
Seesedimentparameter liefern welche Klimainformationen,
und was bewirkt und beeinflusst diese klimatische
Signalbildung?“, die wir zuerst zu lösen hatten, bevor wir
die Rekonstruktion der Klimavariationen in der Vergangenheit
angehen konnten. Wir hatten ein ausgedehntes
Monitoringprogramm vor Ort mit Expeditionen geplant,
die im März (Insolation nimmt zu: wichtiger Zeitpunkt in
der saisonalen Produktivität) und im Juli/August (Beginn
des Sommerproduktionsmaximums) stattfanden. Nicht
nur die autochthonen (d. h. Vor-Ort-) Prozesse bilden Kli-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

masignale im Sediment ab. Der Baikalsee ist über Flussfrachten
und äolischen Transport das Auffangbecken für
wechselnde allochthone (d. h. außerhalb des Systems
generierte) Einträge, die ebenfalls Klimasignale (Klimaproxies)
mit sich bringen.
Monitoring für biologische, chemische und minerogene
Parameter
Geländedaten
Während der Sommerexpeditionen von 2001 – 2003
wurden biologische, geochemische, sedimentologische
und physikalische Geländeuntersuchungen im Baikalsee
durchgeführt (Abb. 4). Dazu wurden Stationen mit
wechselnder Primärproduktion und terrigenem Eintrag
ausgewählt. Die erfolgreiche Bohrung und Einholung
der drei CONTINENT-Sedimentkerne gelang im Sommer
2001 vom Forschungsschiff VERESHAGIN aus
(Abb. 5).
Die bio-optische Geländedatenaufnahme bestand in spektro-radiometrischen
Messungen (GER Geländespektrometer)
des photischen Bereiches mit gleichzeitiger Wasserprobennahme
aus den entsprechenden Tiefen. Die
Hauptparameter der limnologischen Geländedatenaufnahme
wurden aus der Analyse der lipophilen Phytoplanktonpigmente
(Chlorophylle und Carotinoide mittels
High-Pressure-Liquid-Chromatography (HPLC)), sowie
der Kieselalgenvergesellschaftung (Diatomeen) gewonnen.
Nährstoffe und Schwebstoffgehalt und eine Vielzahl
weiterer Parameter wurden ebenfalls analysiert. Temperatur-
und Dichte-Stationsprofile (CTD-Sonde) bis in
100 m Wassertiefe gaben Aufschluss über die Schichtungsverhältnisse
der Wassersäule. Zusätzlich wurde mit
multispektralen fluorometrischen Messungen (Moldaenke
FluoroProbe) die Tiefenverteilung der verschiedenen
taxonomischen Phytoplanktergruppen erfasst. Nach Kalibrierung
der FluoroProbe auf die Phytoplanktonvergesellschaftung
im Baikalsee (Diatomeen, Cryptomonaden,
Blaualgen, etwas weniger gesichert Grünalgen) bestätigten
die Daten aus den hochauflösenden Fluoreszenzprofilen
die Konzentrationen der Phytoplankter aus dem
regionalen und saisonalen Monitoring, die auf Zählungen
der Phytoplanktergruppen und HPLC-Pigmentanalysen
basierten. Neben Offenwasserstationen wurden gezielt
Transekte, ausgehend von der Barguzin-Mündung und
vom Selenga-Delta, in das Pelagial erstellt. Da auf den
Forschungsfahrten horizontale Fluoreszenztransekte kontinuierlich
gefahren wurden, erhöhte sich die Beobachtungsdichte
signifikant. Der CONTINENT-Geländedatensatz
stellte auch die Grundlage für die Evaluierung der
Satellitendatenprodukte dar.
Optische SeaWiFS-Satellitendaten
Der spektral wirksame Wasserinhaltsstoff der obersten
Gewässerschicht im Pelagial ist das Chlorophyll-a
(Chl-a), ein guter Indikator für die Primärproduktion. Von
radiometrisch hochaufgelösten Ocean-Colour-Satelliten
werden in täglichen Aufnahmezyklen diese spektralen
Signale der Weltmeere global erfasst und dem Nutzer als
Chl-a-Standardprodukte zur Verfügung gestellt. Dieser
nutzt die globalen Chl-a-Daten in den marinen, logistisch
schwer zu erfassenden Gebieten zum Phytoplanktonmonitoring.
Dieses Potential der optischen Gewässerfernerkundung,
bezüglich flächenhafter
hydrodynamischer und quantitativer Prozesse
fehlende Informationen zu liefern,
konnte jedoch bisher für den limnischen
Bereich wenig ausgeschöpft werden.
Daher haben wir in dieser ersten bio-optischen
Satellitendatenanalyse des Baikalsees
Satellitendatenprodukte entwickelt
Abb. 4: Landsat TM-MOSAIK RGB742
(UTM 48), Quelle: Baikal Online-GIS:
http://dc108.gfz-potsdam.de/website/.
Karte der Geländestationen:
„Ground truthing“ 2001 – 2003 (weiße
Punkte), Sedimentfallen (rote Punkte),
Bohrstellen der Sedimentkerne (gelbe
Punkte): Continent Ridge (Norden), Posolsky,
Vydrino Shoulder (Süden).
Landsat TM-MOSAIK RGB742 (UTM 48),
source: Baikal Online-GIS: http://dc108.
gfz-potsdam.de/website/. Sampling
map: „Ground truthing“ 2001 – 2003
(white dots), sediment traps (red dots),
sediment coring sites (yellow dots): Continent
Ridge (north), Posolsky Bank,
Vydrino Shoulder (south).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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82
Abb. 5: Aktivitäten im Gelände 2001 bis 2003: Side-scan-sonar SONIC 3 der Kollegen aus St. Petersburg (oben links),
Geländespektrometer GER (unten links), Bekernung mit modifiziertem Kullenberglot (Prof. Meischner, Universität
Göttingen) (oben rechts). 70 m Sedimentkerne gestapelt im Container (Mitte rechts). Susanne Fietz und Xavier Boes
bei der Kernbeschreibung und Beprobung am GFZ Potsdam (unten rechts). In der Bildmitte das russische Forschungsschiff
„Vereshagin“ (Fotos: J. Klump, GFZ).
Activities during field trips summer 2001 to 2003: Side- scan-sonar SONIC 3 of the colleagues from St. Petersburg
(upper left), GER spectrometers (lower left), modified Kullenberg corer (Prof. Meischner, University Göttingen; upper
right). To the middle at the right side 70 m cored sediment packed in the container. To the right below Susanne Fietz
and Xavier Boes are describing and sampling cores at GFZ Potsdam. In the central part the Russian research vessel
„Vereshagin“.
und evaluiert, und in unsere wissenschaftlichen Fragestellungen
eingesetzt. Unsere Grundlagen waren High
Resolution Picture Transmission (HRPT)-Satellitendaten
des NASA-SeaWiFS-Instrumentes mit insgesamt 8 spektralen
Aufnahmebereichen (Bänder) im Blauen, Grünen,
Roten und Nahinfraroten und 1,3 km 2 räumlicher Auflösung
pro Pixel. Ab Juni 2001 erhielten wir regelmäßig über
18 Monate Rohdaten der HRPT-Empfangsstation in Ulan
Baator (Mongolei). Die digitalen Rohdaten wurden von
uns radiometrisch zu empfangenen Strahldichten am Sensor
konvertiert. Dann musste das Hauptsignal der Atmosphäre
herauskorrigiert und die spektralen wasserverlassenden
Reflektanzen (entspricht der apparenten Gewässerfarbe)
herausgerechnet werden (Heim et al., 2003). Nun
musste noch untersucht werden, inwieweit für den sehr
klaren Baikalsee die spektralen Variationen der Gewässerfarbe
über empirische und globale Algorithmen zu
Chl-a-Konzentrationen konvertiert werden können (Heim
et al., 2005; Heim 2005). Des weiteren sollte aus den
atmosphärenkorrigierten Satellitendaten die räumliche
Ausdehnung der Flusseinträge lokalisiert und deren saisonale
Dynamik beobachtet werden. Trotz der halbjährigen
Eisbedeckung und häufiger Wolkenbedeckung, vor
allem im späten Frühjahr und Sommer, konnten aus den
Satellitendaten kurze Zeitserien im Sommerhalbjahr
gewonnen werden.
Sedimentfallen im südlichen und nördlichen Baikalsee
Zur Erfassung der saisonalen Dynamik im Wasserkörper
wurden zwei komplexe Verankerungen mit Sedimentfallen
von März 2001 bis Juli 2003 ausgesetzt. Das in verschiedenen
Wassertiefen aufgefangene partikuläre Material
wird zur Quantifizierung der vertikalen Stoffflüsse für
die verschiedenen Jahreszeiten genutzt. Daraus kann auf
biologische Produktionsraten in der photischen Zone, aber
auch auf biologische Abbauprozesse in tieferen Schichten
des Wasserkörpers geschlossen werden.
Eine Gerätekette wurde im Nordbecken und die andere im
Süd-Zentralbecken verankert (Abb. 6). Sie bestanden aus
9 bzw. 15 integrierenden Fallen, 2 sequenziellen Fallen,
13 bzw. 17 Temperaturloggern, 1 Strömungsmesser und
einem akustischen Auslösersystem. Aussetzen und Einholen
geschah im Winter vom Eis (Südbecken) oder von
dem Forschungsschiff VERESHAGIN. Die Datenaufnahme
in den verschiedenen Wasserstockwerken erfolgte
je nach Gerätebestückung im 60- oder 10-Minutentakt
(Abb. 7). Die Beprobungsdauer in den sequenziellen Fallen
wurde auf die biologische Dynamik abgestimmt und
lag zwischen 10 Tagen und 2 Monaten. Die Verankerungen
wurden jährlich eingeholt, dabei die Daten ausgele-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 6: Ausstattung der Sedimentfalle aus
dem Nordbecken (EAWAG Zürich; Mike
Sturm). Im Nordbecken wurden die Temperaturen
alle 10 Minuten mit dem Brancker
TR-1000 Logger bei 16, 174, 227, 389,
550, 740, 795, und 868 m Wassertiefe registriert.
Strömungsgeschwindigkeit und
Richtung wurden in Bodennähe alle 30 Minuten
mit einem Aanderaa-Strömungsmesser
aufgezeichnet. Im Südbecken (Falle
nicht gezeigt) wurde die Temperatur alle
60 Minuten mit VEMCO-Minilogs bei 16,
41, 75, 100, und 195 m Wassertiefe und alle
10 Minuten mit Brancker TR-1000-Temperaturloggers
bei 303, 350, 397, 455, 540,
825, 1015, 1210, 1305, 1352, und 1396 m
Wassertiefe aufgezeichnet. In Bodennähe
(1398 m) wurden ebenfalls alle 30 Minuten
Strömungsgeschwindigkeit und Richtung
aufgezeichnet. Beide Verankerungen
wurden während der CONTINENT-Sommerexpedition
im Juli 2003 geborgen.
Zusammen mit der PEEPER-Sonde, die
Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlendioxidflüsse
an der Sediment/Wasser-Grenzschicht
aufzeichnet, sind Sauerstoff-Flussdaten
für Frühjahr und Sommer 2001 aufgezeichnet
(Maerki et al., 2005; Foto: M.
Sturm, EAWAG Zürich).
Sediment trap deployed in the North Basin
(EAWAG, Zurich; Mike Sturm). Temperature
was recorded every 10 minutes using Brancker TR-1000 Loggers at 16, 174, 227, 389, 550, 740, 795, and 868 m
water depth. Current speed and direction were recorded every 30 minutes with an Aanderaa current meter. In the South
Basin (trap not shown), temperatures were recorded with VEMCO Minilogs at 16, 41, 75, 100, and 195 m at 60 minutes
intervals and with Brancker TR-1000 temperature loggers at 303, 350, 397, 455, 540, 825, 1015, 1210, 1305, 1352,
und 1396 m again at 10 minute intervals. Near-bottom (1398 m), current speed and direction were recorded every
30 minutes. The PEEPER instrument registering O, N and CO2 fluxes at the sediment water interface is shown together
with O2 data sequences for spring and summer 2001 (right) (Maerki et al., 2005).
sen, die Fallen beprobt und dann der gesamte Komplex
erneut mit Probegefäßen bestückt und wiederum ausgesetzt.
Des weitern wurden mittels einer PEEPER-Sonde
die Stoffflüsse (Ammonium, Nitrat, Phosphate, Sauerstoff)
zwischen der Sediment-Wasser-Grenzschicht und
den obersten 5 cm Sediment gemessen, um die Nährstoffflüsse
aus den Fallen zu komplettieren (Abb. 6, Maerki
et al, 2004).
Biotische und abiotische Dynamik im Baikalsee
Phytoplanktonverteilung im Baikalsee
Für das CONTINENT-Projekt waren die saisonal sich
ändernden Diatomeen- und Pigmentverteilungsmuster,
die im Projektverlauf mit ökologisch gut definierten
Bedingungen verknüpft werden konnten, von besonderem
Interesse. Die schalenbildenden Diatomeen (Bacillariophycea)
sind die häufigsten Phytoplankter im pelagialen
Baikalsee. Sie teilen den photischen Bereich mit weiteren
Mikrophytoplanktern (Eustigmatophycea, Chrysophycea,
Cryptophycea) und autotrophen Picoplanktern (Auto-
trophic Picoplankton APP: Eukaryonten und Cyanobakterien).
Letztere Gruppen tragen keine Schalen und können
demzufolge nicht wie Diatomeen im Sediment direkt
nachgewiesen werden. Sie sind dagegen gut über Pigmente
im Sediment nachzuweisen. Da jede Phytoplanktergruppe
photosynthetische Schlüsselpigmente (Markerpigmente
= MP) besitzt, können die Beiträge der einzelnen
Phytoplanktergruppen auf Grund dieser aus den
Geländedaten festgelegten Anteile zum totalen Chl-a-
Gehalt über lineare Regressionen errechnet werden:
Chl-a = a(MPBacillariophyceae+Chrysophyceae) +
b(MPChlorophyta) + c(MPEustigmatophyceae) +
d(MPCyanobakterielle APP);
Dabei wurden die Schlüsselpigmentkombinationen über
einen iterativen Ansatz bestimmt. Als Kriterien liegen die
Bedeutung der milieuspezifischen Faktoren (a, b, c und d),
die Koeffizienten des Bestimmtheitsgrades (r 2 ) und der
totale Anteil an Chl-a in der beprobten Region zu Grunde.
Dieses Konzept wurde mit mikroskopischen und quantitativen
Bestimmungen des Phytoplanktons unterstützt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Zur Absicherung der Interpretation der Pigmentdaten
wurde die Pigmentzusammensetzung der Gruppen auch
in Zuchtversuchen untersucht und mit Werten aus der Literatur
verglichen (Fietz, 2005). Über Chlorophylle sowie
die drei Marker-Pigmente (MP) Fucoxanthin, Lutein und
Zeaxanthin konnte daher sehr gut auf die heterogene Phytoplankter-Verteilung
im Baikalsee geschlossen werden
(Abb. 8).
Die Verteilung der verschiedenen Diatomeen-Arten, die
im Baikalsee einen eindeutigen Nord-Süd-Gradienten
zeigt, wird über viele Faktoren - wenn auch in unterschiedlichem
Grad - gesteuert und spiegelt so die Komplexität
des Systems wider (Mackay et al., 2006). Wichtig
sind folgende Faktoren:
• Schneedicke auf dem Eis, Dauer der Eisbedeckung,
Dauer der Bedeckung mit opakem (lichtundurchlässigem)
Eis
• Wassertemperatur im Juli,
• Wassertrübung durch minerogene Suspensionsfracht,
suspendiertes organisches Material
• Zooplanktonkonzentration, Wassertiefe (entscheidend
für Trophiestrukturen).
Abb. 7: Das Temperaturprofil über die
obersten 300 m Wassersäule im Frühjahr/Frühsommer
zeigt deutlich die Advektions-
und Turbulenzereignisse in Abhängigkeit
des Anstiegs der Sonneneinstrahlung
und damit sich erwärmender
Oberflächenwassertemperaturen. (Wüest
et al., 2005).
Temperature profiles across the topmost
300 m of the surface water layer during
the spring/early summer. Advection and
turbulences are evidenced as a result of
increasing insolation, thus increasing
surface water temperature in late spring/
early summer (Wüest et al., 2005).
Wie die Faktoren zeigen, sind einerseits
Prozesse, die zu stark wechselnden Lichtverhältnissen
in der photischen Zone führen,
aber auch turbulente Umwälzungen,
die Nährstoffe zur Wiederverwendung
wieder nach oben bringen, ausschlaggebend
für die Prosperität der geologisch
wichtigsten Phytoplanktergruppe der Diatomeen
(z. B. Abb. 9). Lichtverhältnisse im
Winter und zum Teil auch im Sommer werden
über Niederschläge kontrolliert (d. h.
Ausmaß der Schneebedeckung, Ausmaß
der Wolkenbedeckung, die die Intensität
der auftreffenden Globalstrahlung beeinflusst,
u. ä.). Durch ausgedehntes Monitoring
während der letzten 10 Jahre ist weitgehend
bekannt, welche Verhältnisse im
Winter und im Sommer Arten begünstigen
bzw. zurückdrängen (Jewson und Granin,
2004, Mackay et al. 2006).
Interessant ist, dass die absolute Wassertemperatur einen
nicht so entscheidenden Faktor darstellt, weil diese in dem
riesigen Wasserreservoir vor allem im Winter wenig
schwankt und zudem immer nahe am Gefrierpunkt liegt.
Auch im Sommer sind die Wassertemperaturen für die
Plankterpopulation nicht im absoluten Wert bedeutend.
Sie sind aber dafür entscheidend, ob und wo sich die spätsommerliche
Schichtung oder die Umwälzungen unter der
Eisschicht im Winter und im Frühjahr entwickeln können.
Temperaturänderungen spielen also eine relative Rolle für
die komplexe Hydrophysik des Baikalseesystems. Ein
steuernder Faktor, der als wichtig identifiziert werden
konnte, ist der Niederschlag, der wiederum von der atmosphärischen
Zirkulation gesteuert wird.
Biologische Faktoren (Nahrungsnetze, Interaktionen zwischen
Populationen, community ecology; Abb. 9) nehmen
zwar eine wichtige Rolle ein, sind aber bis jetzt kaum unter
dem Aspekt der geologischen Anwendung untersucht worden.
In dem Sinne könnten Biomarkerstudien trotz schnellen
bakteriellen Abbaus gute Einblicke in Zooplankterpopulationen
bringen. Derzeit sind im Rahmen von
CONTINENT noch Untersuchungen in Arbeit, die dazu
neue Perspektiven eröffnen werden.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 8: Chlorophyll-a-Konzentration auf die verschiedenen Phytoplanktongruppen aufgeteilt. Die Daten der vier Stationen
(S-Becken = Vydrino, Posolsky, Z-Becken, N-Becken = Kontinent-Rücken) zeigen große Variationen über die
drei Sommer 2001 bis 2003 (Fietz et al., 2005). Links unten sind die Schlüsselpigmentverteilungen und rechts unten
die Konzentrationen der verschiedenen Phytoplankter für die vier Stationen aufgezeichnet. Die Diatomeen stellen die
dominante Gruppe in der Phytoplankterzusammensetzung.
Chlorophyll-a distribution attributed to the different phytoplankton groups calculated with multiple linear regression
techniques across the lake (4 stations: S Basin = Vydrino, Posolsky, C Basin, N Basin = Continent Ridge) during summer
2001 to 2003 (upper panel, Fietz et al., 2005) is indicating a strong interannual variability. To the left (below) the
distribution of marker pigments and to the right the phytoplankton concentration at the 4 stations during the summer
season. Diatoms are evidently the most abundant group.
Für Phytoplankter, die keine Schalen ausbilden, ist die
Nährstoffverfügbarkeit wichtig. Die Messkampagnen
zeigten allerdings, dass Nährstofflimitierung, anders als
in europäischen und nordamerikanischen Seen, kaum für
Phosphor, sondern höchstens ausnahmsweise für Stickstoff
gilt. Neben Nitrat and Ammonium zeigt z. B. im Sommer
auch der anorganische Stickstoff eine Abreicherung
im Selenga-Delta. Erstere Abnahmen sind der Denitrifizierung
zuzuschreiben. Die N 2-Abnahme erklärt sich
mit den während der Sommersaison vorherrschenden N-
Abb. 9: Wichtigste biotische Prozesse in der photischen
und aphotischen Zone: (i) Primärproduktion mit Nahrungskreislauf,
(ii) Export des organischen Materials aus
der photischen Zone mit wirksamen Abbauprozessen
in der Wassersäule (iii) „New Production“ in der photischen
Zone dank der wiederverwendbaren Nährstoffe
(http://lepo.it.da.ut.ee/~olli/eutr/sedFig3.gif).
Principal biotic processes occurring in the euphotic and
aphotic zones: (i) Primary production and food web, (ii)
Sedimentation through the water column: showing degradation
processes of organic matter settling to the bottom,
and (iii) new production in the photic zone using recycled
nutrients (http://lepo.it.da.ut.ee/~olli/eutr/sedFig3.gif).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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fixierenden, cyanobakteriellen Picoplanktern. Somit sind
deren Pigmente ein ausgezeichneter Indikator für die
Sommerproduktivität als Folge der Nährstoffsituation.
Gemessen am gesamten Phytoplanktonvolumen sind die
Anteile der cyanobakteriellen und eukaryotischen autotrophen
Picoplankter am höchsten bei der Station Posolsky
in der Nähe des Selenga-Deltas (61 %) und im südlichen
Becken, in dem der Flusseintrag maximal ist, während
sie am niedrigsten im nördlichen Becken (11 %) sind
(Fietz 2005, Fietz und Nicklisch, 2004). Diese Unterschiede
in der Häufigkeit bilden den Nährstoffgradienten
für Stickstoff zwischen Süd- und Nordbecken ab und zeigen
somit die unterschiedlichen Trophiestrukturen. Insgesamt
ist die Phytoplankterproduktion im Winter geringer
als während der eisfreien Zeit. Die totale Primärproduktion
erreichte im Juli/August, der Hauptproduktionszeit,
im nördlichen Becken eine über die Wasserkolonne
integrierte Akkumulation von 0,3 g m –2 Tag –1 Kohlenstoff.
Im wärmeren südlichen Becken liegt sie von Juli bis
August bei 0,8 g m –2 Tag –1 Kohlenstoff. Allerdings treten
alle 3 bis 5 Jahre im späten Winter „Melosirablüten“ auf.
Dabei vermehrt sich die Diatome Aulacoseira baicalensis,
früher Melosira genannt, im März-April und erreicht in
1 bis 25 m Wassertiefe Biomassen von 4 bis 6 g/m 3 . Diese
extremen Kieselalgenblüten sind über erhöhte Silizium-
Konzentrationen gesteuert, die sich über komplexe biologische
Interaktionen aus der Vorjahressituation ergeben.
Während der „Melosira-Jahre“ dominiert im Sediment die
Winterproduktion, während in den anderen Jahren größtenteils
die Sommerproduktion für das Sedimentsignal
ausschlaggebend ist (David Jewson; persönl. Mitt. 2005).
Satellitendaten-Auswertung: In situ Bioproduktion
und Flusseintrag
Die Gewässerfernerkundung kombiniert mit „Ground
Truthing“ bewährte sich als eine ausgezeichnete Methode,
die biologische und allochthone Dynamik im Oberflächenwasser
des Baikalsees in Raum und Zeit nachzuvollziehen.
Der riesige Seekomplex erwies sich als ein biooptisch
vielseitiges Studienobjekt. Aus den morphologischen,
klima- und einzugsgebietbedingten Gegebenheiten
des Baikalsees hatte sich ein regionales Unterwasserlichtfeld
der oberen Wasserschicht entwickelt, das den
Baikalsee von den bio-optischen Rahmenbedingungen
bisheriger Gewässerfernerkundungsstudien des marinen
Bereiches, der Küstenfernerkundung, und der mesotrophen
großen europäischen Seen unterscheidet. Die bio-
Abb. 10: Atmosphärenkorrigierte wasserverlassende Reflektanzen, Baikalsee, 23. 07. 2002, dargestellt als SeaWiFS
,Quasi True Colour‘, ein „Red Green Blue (Bänder:) 642“-Bild. Irradianzreflektanz-Messungen des Unterwasserlichtfeldes,
Juli 2002, sowie die Information zur Phytoplankton-Dominanz* (*S. Fietz, IGB, Berlin) veranschaulichen
die bio-optischen Provinzen (B. Heim, 2006).
Atmospherically corrected water leaving reflectance, Lake Baikal 23/07/2002, presented as SeaWiFS ,Quasi True Colour‘,
a „Red Green Blue (spectra:) 642“-picture. Irradiance reflectance measurements of the under water light field, July
2002, and the phytoplankton dominances * (*S. Fietz, IGB, Berlin) are used to visualise the bio-optical provinces.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

optischen Rahmenbedingungen, die durch
die ausgedehnten Gelände-Messkampagnen
definiert werden konnten, sind die
hohe Transparenz und der oligotrophe
Status in den Beckenbereichen sowie die
Besonderheit von sehr organikreichen
Flusseinträgen aus den Sumpfgebieten
des Hinterlandes.
Die Evaluierung der empirischen globalen
Chl-a-Algorithmen zeigte, dass eine
standarisierte Atmosphärenkorrektur für
den Baikalsee zu bedeutenden Überschätzungen
von Chl-a bis zu Faktor 10
führt. Diese Chl-a-Überschätzung in den
Standard-Chl-a-Satellitenprodukten tritt
in Bezug auf oligotrophe Seen weltweit
auf und behindert die Nutzung dieser
eigentlich frei zur Verfügung stehenden
Daten. Über regionale Recherchen zur
Atmosphärenschicht über dem Baikalsee
konnte eine angepasste Atmosphärenkorrektur-Prozessierung
für das Baikalseegebiet
eingerichtet werden, die eine Korrektur
zu realen spektralen Strahlungswerten
(der wasserverlassenden Reflektanz)
ermöglichte (Abb.10).
Für den Baikalsee als oligotrophes System
mit entsprechend sehr niedrigen Chla-Werten,
die zwischen 0,7 und 2 µg l –1
liegen, funktionierte der SeaWiFS-OC2-
Chl-a-Algorithmus, der aus einem globalen
Datensatz (2853 Messsätze) oligotropher
mariner Gewässer entwickelt wurde (O’Reilly et
al. 1998, 2000) am besten (Heim, 2005). Die Evaluierung
mit den Geländedatensätzen zeigte eine Ableitungsgenauigkeit
im Rahmen des vorgegebenen NASA- und ESA-
Qualitätsstandards für Chl-a-Ableitung aus optischen Satellitendaten
einer gringeren Abweichung als ± 35 %.
Die SeaWiFS-Chl-a-Daten offenbarten eine relativ
homogene horizontale Verteilung Anfang des Sommers,
die aufgrund der sich entwickelnden thermischen
Schichtung im Juli/August in einer heterogenen Wirbelstruktur
zerbricht. Durch diese in den Satellitendaten
räumlich nachvollziehbare Heterogenität konnten wir
überprüfen, ob die einzelnen Monitoringstationen in
getrennten Produktivitätsprovinzen liegen und inwiefern
die Ergebnisse der einzelnen Stationen miteinander
betrachtet werden können. Gemittelte Konzentrationen
der einzelnen Beckenbereiche aus den Chl-a-Zeitreihen
der Jahre 2001 und 2002 zeigen deutlich einen Anstieg
der Bioproduktion im Juli/August, der über das Zeitfenster
der Geländekampagnen nicht mehr erfasst werden
konnte (Abb. 11).
Auch die Flusseinträge (Parameter Suspended Particulate
Matter, SPM) konnten wir im ersten Jahr der Untersuchungen
auf spektakuläre Weise verfolgen, denn im südlichen
Einzugsgebiet des Baikalsees fand während der
Abb. 11: Ausschnitte aus den aus atmosphärenkorrigierten SeaWiFS-Satellitendaten
berechneten Chl-a-Karten des Baikalsees. Sie zeigen die räumliche
Verteilung der Primärproduktivität. Die berechneten Chl-a-Werte widerspiegeln
auch die Werte außerhalb der Expeditionszeit. Die Kurven im unteren Teil
der Abbildung zeigen die Sommerproduktivität (2002) für verschiedene Gebiete
im Baikalsee; blau: ultraoligotroph im zentralen Nordbecken; orange: oligotroph
im Zentralbecken; grün: Südbecken (B. Heim, 2006).
Chl-a maps of Lake Baikal calculated from atmospherically corrected Sea-
WiFS satellite data provide spatial information on primary productivity. The
calculated Chl-a data also provide information on the seasonal succession of
productivity beyond the expedition time windows (summer 2002, CON02-8).
The graph at the bottom displays summer (2002) productivity of different
regions in Lake Baikal: blue: ultra-oligotrophe central North Basin; oranges:
oligotrophe Central Basin; green: South Basin (B. Heim, 2006).
Feldaufnahmen ein Jahrhundertgewitter statt. Die Belieferung
des Sees mit Huminstoffen und minerogenem
Detritus war demzufolge außergewöhnlich reichlich. Das
optische Signal dieses organikreichen Flusseintrages
bestand in einer deutlich verstärkten Absorption im blaugrünen
Wellenbereich, der in den kurzwelligen SeaWiFS-
Bändern sichtbar wurde und sich noch in einem Zeitraum
von zwei Wochen nach dem katastrophalen Flutereignis
hielt. Über diesen optischen Indikator konnte die Intensität
und die außergewöhnliche räumliche Ausbreitung der
Flusseinträge vor allem in das Südbecken nachvollzogen
werden (Abb. 12). Für die Ableitung des am Baikalsee
anzutreffenden organikreichen Flusseintrages wurde ausgehend
von Schlussfolgerungen aus der Barguzin- und
Selenga-Transektenbeprobung und den Schwebstoffgeländedaten
von Juli 2001 ein empirischer Algorithmus
generiert. Auch in den Zeiten der Schneeschmelze zeigten
die SeaWiFS-Satellitendaten, dass über einen mehrwöchigen
Zeitraum im Mai bedeutende Flusseinträge in
das Südbecken stattfanden (Heim et al., 2005).
Wie werden die Signale aus der photischen Zone
ins Sediment verbracht?
Damit die Proxies aus den Sedimenten mit realistischen
ökologischen Situationen in Verbindung gebracht und entsprechend
quantifiziert werden können, mussten zuerst
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 12: Terrigener Eintrag (SPM in mg/L), dargestellt auf der SeaWiFS-Karte für den 19. 07. 2001. Der Eintrag aus
dem Hinterland des Barguzin und der Selenga sowie aus umliegenden Gebirgsbächen ist erhöht, weil zwei Wochen früher
ein Unwetter geherrscht hatte (B. Heim, 2006).
SPM (suspended particulate matter) presented on a SeaWiFS map for 19 /07/2001 (SPM concentrations are in mg/L).
Selenga, and Barguzin Rivers and local mountain rivers bring the terrigenous input. It is intensified due to heavy rainfall-events
that occurred up-stream two weeks earlier (B. Heim, 2006).
geeignete Transfermodelle erstellt werden. An zwei Beispielen
wird gezeigt, warum die Suche nach den Transfermodellen
so wichtig ist: (i) am Abbau der photosynthetischen
Pigmente und (ii) an den Lösungsvorgängen
an Diatomeen, die beide wichtige Proxygruppen darstellen.
Monitoring-Daten zeigten, dass Bakterien im Sommer
und im Winter unabhängig von der Populationsdichte bis
30 % der täglichen Primärproduktion konsumieren. Der
Abbau der photosynthetischen Pigmente in der Wassersäule
wird zusätzlich zur bakteriellen Zersetzung auch
über weitere Prozesse, wie Photooxidation und Zooplanktonabweidung
kontrolliert. In zwei Tiefenprofilen
von Sedimentfallen wurden die Abbauraten über 3 Jahre
quantifiziert (Abb. 13). Der Baikalsee bildet insofern auch
besondere Transfermodelle aus, da folgende Prozesse für
ihn von großer Bedeutung sind: die euphotische Zone
(> 1 % des Oberflächenlichtes) geht bis zu einer Tiefe von
50 m, und bis zum Boden des Sees in über 1000 m Tiefe
ist reichlich Sauerstoff vorhanden. Besonders dominant
scheint die Zooplanktonabweidung zu sein. Das vorherrschende
Zersetzungsprodukt der photosynthetischen Pigmente
sind Phaeopigmente, vor allem das Phaeophorbid-a,
die sich im Verdauungssystem der Meso- und Mikrozooplankter
(Carpenter und Bergquist, 1985) bilden. Da keine
Phaeophorbide in unseren Wasserproben nachgewiesen
werden konnten, verlassen die Phaeopigmente in den relativ
großen Kotpillen der Mesozooplankter rasch den photischen
Bereich der Wassersäule. Dies bestätigen auch frü-
here Beobachtungen am Baikalsee, in denen postuliert
wurde, dass das Abweiden durch Zooplankton große
Bedeutung im Nahrungsnetz hat (Koshov, 1963).
Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Abnahme von
Chl-a und Phaephorbid-a in den obersten Schichten exponentiell,
aber unter 250 m Tiefe deutlich langsamer stattfindet.
Setzt man die Konzentration von Chl-a und Phaephorbid-a
in einer Tiefe von 40 m als 100 %, finden wir
in 100 m Wassertiefe nur noch 57 %, bei 250 m noch
27 %, und in Bodennähe auf 1400 m Tiefe noch 22 % der
ursprünglichen Menge (Fietz et al., 2005) (Abb. 13). Für
die anderen Chlorophylle und die Carotinoide gelten ähnliche
Abbauraten. Unterschiedliche, größenabhängige
Pigment-Abbauraten wurden vor allem bei den Bacillariophyceae
und Chrysophyceae, der chemotaxonomischen
Gruppe mit den höchsten Anteilen an der Phytoplanktervergesellschaftung,
beobachtet (Fietz et al., 2005). Die
generell geringeren Abbauraten in größeren Wassertiefen
sind wahrscheinlich über die niedrigen Wassertemperaturen
zu erklären. Alle unsere Geländebeobachtungen weisen
darauf hin, dass die Ablagerung von photosynthetischen
Pigmenten auf der Sedimentoberfläche im Baikalsee
durch diese vielen Faktoren beeinflusst wird. Aber
dank der gefundenen Transfermodelle, die aus den Beobachtungen
abgeleitet wurden, können wir jetzt auf die
ursprüngliche Phytoplanktervergesellschaftung schließen.
Damit können die biotischen Sedimentproxies für
ökologische Informationen und damit zur Rekonstruktion
des Klimas genutzt werden.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 13: Häufigkeit des Chl-a, sowie des Abbauproduktes Pheophorbid-a und Pheophytin a in der Wassersäule (links)
(Fietz, 2005). Das Abbau-Modell ist in der Mitte dargestellt. Rechts sind die prozentualen Anteile der einzelnen Phytoplankter
am Chl-a abgebildet. Die prozentualen Veränderungen in der Tiefe zwischen 600 und 800 m und 1000 und
1200 m deuten auf horizontale Tiefenströmungen, denn dort befinden sich zum Zeitpunkt der Fallenbeprobung Wassermassen
mit anderen Phytoplankterinhaltsstoffen.
Abundance of Chl-a, the decay product Pheophorbid-a und Pheophytin a in the water column (left) (Fietz, 2005). In
the middle, the decay model for pigments is shown. Percentage of phytoplankton contributing to Chl-a is shown to the
right. The variations in the abundance between 600 and 800 m, 1000 and 1200 m highlight levels of lateral water transport
containing other phytoplankton assemblages then at the mooring station.
Die Auflösungsprozesse an den Diatomeen sind ein weiterer
entscheidender Prozess, der mit einberechnet werden
muss. Die im Baikalsee beobachteten Auflösungsraten sind
speziesabhängig und damit leicht zu korrigieren. Für
Rekonstruktionen früher lebender Diatomeen-Populationen
wurden Korrekturfaktoren für die einzelnen Diatomeen-Arten
errechnet. Dazu wurde die Zusammensetzung
der lebenden Populationen mit den Vergesellschaftungen
aus verschiedenen Sedimentfallentiefen und dem heutigen
Oberflächensediment verglichen. Am aggressivsten sind
die Lösungsvorgänge allerdings an der Sediment-Wasser-
Grenzfläche (Battarbee et al., 2005). Obwohl die Lösungsresistenz
selektiv ist und nur ca. 1 % der ursprünglichen
Population erhalten bleibt, werden die meisten ökologisch
informativen Arten im Sediment eingebettet und stehen uns
heute für die Rekonstruktion des Klimas zur Verfügung.
Diese dank langjährigem Monitoring gefundenen Transfermodelle
sind nun Werkzeuge, die uns erlaubten, mit
geringen Fehlern behaftete Rückschlüsse auf ursprüngliche
Populationen zu machen und damit klimatische Veränderungen
in der Vergangenheit zu quantifizieren.
Einige Einblicke in Klimavariationen während
der letzten beiden Warmzeiten
Für die zweite Aufgabe des Projektes CONTINENT, der
Aufdeckung der charakteristischen Klimavariationen,
standen uns Sedimentkerne von drei ausgewählten Sta-
tionen zur Verfügung. Dazu mussten wir geeignete Bohrstationen,
an denen kontinuierliche und ungestörte Kerne
geborgen werden konnten, auswählen. Die Suche nach solcherart
geeigneten Bohrstationen wurde zuerst mit geophysikalischen
Geländeaufnahmen an drei Punkten des
Baikalsees vorangetrieben. Dazu wurde ein Subbottom-
Profiler (3,5 kHz) sowie ein hochfrequenter Sparker (500
bis 1000 Hz) zur Charakterisierung des Untergrundes mit
einer Auflösung von 10 bis 50 cm bis in eine Sedimenttiefe
von mehreren 10 Metern eingesetzt. Diese Aufnahmen
erlaubten ungestörte Seesedimentabfolgen zu lokalisieren
und dadurch tektonikbedingte Versätze und
bodenströmungsbedingte Hiaten (Lücken in Sedimentabfolgen)
zu umgehen. Dann wurde in Kombination mit dem
abbildenden Side-Scan-Sonar (SONIC-3) mit 100 bzw.
300 kHz-Auflösung überprüft, ob an den ausgewählten
Stationen an der Sedimentwassergrenze Sedimentumlagerungen
stattfinden (Abb. 14).
Mit der Kombination dieser drei Methoden konnten im
Nord- und Südbecken und südlich des Selenga-Deltas drei
Kernstationen ausgemacht werden (vgl. gelbe Punkte
Abb. 4), die uns tatsächlich kontinuierliche und minimal
gestörte Abfolgen lieferten. Mit einem Kullenberg-Kolbenlot
(modifiziert durch Prof. Meischner, Göttingen)
wurden vom Forschungsschiff VERESHAGIN an jeder
ausgewählten Station drei Kerne mit 12 cm Durchmesser
und jeweils einem Vorlot gezogen und geborgen (vgl. oben
rechts Abb. 5). Die Kernlänge lag zwischen 9 und 13 m.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
89

90 Abb. 14: Das seismische Profil, mit einem vergrößerten Ausschnitt aus dem hochauflösenden seismischen Profil, zeigt
die wichtigsten Strukturen und die seismischen Einheiten, welche die wechselnde Sedimentologie am Kontinent-Rücken
nachzeichnet (links). Eine perspektivische Ansicht auf den Kontinent-Rücken wurde auf der Basis der neuen bathymetrischen
Karte (INTAS Project 99-1669, Debatist et al., 2002) konstruiert (rechts). Die gelben Pfeile zeigen Strömungsund
mögliche Sedimenttransportrichtungen an. Die Topographie wurde der öffentlich zugänglichen SRTM-Datenbank
entnommen. Das Bild wurde mit der Software IVS Fledermaus® erstellt (Charlet et al., 2005).
Seismic profile (to the left) across the Continent Ridge, with a close-up of high-resolution reflection seismic data, clearly
shows the main structural characteristics and the different seismic units making up the sedimentary cover. 3-Dview
on the Continent Ridge coring site (to the right). Bathymetry from INTAS Project 99-1669, Debatist et al., (2002).
The yellow arrows indicate current directions and reflect possible sediment transport tracks. Topography from public
SRTM database. Image created with IVS Fledermaus® (Charlet et al., 2005).
Abb. 15: Die synthetische Paläointensitätskurve
(Baikal 200), die aus allen
gemessenen Baikalkernen zusammengestellt
wurde (Demory et al., 2005), ist der
Referenzkurve von ODP Site 984 (Channell,
1999) gegenübergestellt. Für die
Kompilation wurden die Daten vorgängig
geglättet. Einige Korrelationen zwischen
den beiden Kurven sind mit gestrichelten
Linien hervorgehoben. Das Paläointensitätsminimum
fällt wahrscheinlich in das
Blake Event, eine Umpolung um ca. 119 ka
(grau markiert).
Paleointensity variations versus age, a
synthetic curve „Baikal 200“ resulting
from compilation of available curves from
Lake Baikal is compared with the reference
curve from ODP Site 984 (Channell,
1999). For the compilation, data
have been averaged using a sliding window
of 2 ka (the variance is marked by the
grey shadow). Dashed lines show some of
the correlations. The grey lines show the
location of the low paleointensities related to geomagnetic excursions. Note that the lowest paleointensities may fall
into the Blake event at approx. 119 ka (Demory et al., 2005).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Am GFZ Potsdam wurden die Kerne gemeinsam mit den
Projektpartnern geöffnet, beschrieben und in Auflösung
von 0,5 bis 2 cm Sedimentproben entnommen (unten
rechts Abb. 5). Die erste vorläufige Korrelation der Kerne
beruhte auf den Porositäts- und auf magnetischen Suszeptibilitätswerten.
Dann musste eine für die klimatischen Rekonstruktionen
zuverlässig anwendbare absolute Sedimentchronologie
vorgelegt werden. Dieses Altersmodell für die vergangenen
150.000 Jahre erstellten wir mittels radiometrischer
Analysen ( 210 Pb, AMS- 14 C) und paläomagnetischer Messungen.
Besonders geeignet für die Chronologie, die absolute
Altersbestimmung, ist die Intensität der Magnetisierung
der Seesedimente (Abb. 15). Sie hängt von zwei Faktoren
ab:
(i) von der Konzentration der magnetischen Partikel im Sediment.
Diese ist von den Gesteinstypen im Einzugsgebiet,
Verwitterungsprozessen, Transport- und damit verbundenen
Fraktionierungsprozessen sowie den Redox-Verhältnissen
im Ablagerungsmilieu, die über Erhalt oder Auflösung der
magnetischen Partikel entscheiden, abhängig.
(ii) von der Stärke des Erdmagnetfeldes zur Zeit der Ablagerung.
Die magnetischen Partikel richten sich relativ
schnell in der Wassersäule parallel zum aktuellen Magnetfeld
aus und werden während der Ablagerung entsprechend
von der umgebenden Sedimentmatrix fixiert. Der
Ausrichtungsgrad ist dabei von der Größe der Partikel,
d. h. vom Verhältnis magnetischer Moment zur Masse des
Partikels, sowie von der Stärke des Magnetfeldes abhängig.
Somit können im Sediment nicht nur die Lage und
Richtungsänderungen des Erdmagnetfeldes aufgezeichnet
werden, sondern auch seine Intensitätsschwankungen.
Zur Kalibrierung werden meist nur die normierten relativen
Änderungen ausgewertet. Zu einer solchen relativen
Paläointensitätsbestimmung wird die Intensität der natürlichen
Magnetisierung mit der Intensität einer später
künstlich aufgeprägten Magnetisierung normiert. Da zur
Magnetisierung ein Magnetfeld konstanter Richtung und
Stärke verwendet wird, ist die damit produzierte Magnetisierung
nur noch von der Konzentration der magnetischen
Partikel abhängig. Das Intensitäts-Verhältnis von
natürlicher zu künstlicher Magnetisierung spiegelt daher
die relativen Änderungen des Erdmagnetfeldes zur Zeit
der Sedimentation wider. Dieses gilt jedoch nur, wenn die
magnetischen Komponenten nicht bei und/oder nach der
Ablagerung durch chemische Prozesse verändert oder gar
weggelöst wurden. Im Rahmen von Paläointensitätsbestimmungen
werden daher meist umfangreiche Begleitmessungen
durchgeführt, um derartige Fälle auszuschließen.
Paläointensitätsbestimmungen werden seit etwa 10 bis
15 Jahren systematisch durchgeführt.
Mit Hilfe der Radiokarbonmethode (AMS 14 C) oder anderen
Techniken (z. B. Thermo-Lumineszenz oder Optisch-
Stimulierte-Lumineszenz) datierte Datenreihen zeigen
häufig weltweit korrelierbare, vergleichbare Amplituden-
variationen der Paläointensität, mit Perioden in der Größenordung
von tausend bis zehntausend Jahren. Sie können
somit zur Datierung von neu gewonnenen Bohrkernen,
wie im Falle des Baikalsees herangezogen werden.
Ausgeprägte Minima der Paläointensität sind zudem mit
auffälligen Richtungsanomalien des Erdmagnetfeldes
verbunden, die sich im Idealfall meist als kurzfristige, nur
einige wenige tausend Jahre währende Umpolungen des
Erdmagnetfeldes dokumentieren. Solche Ereignisse treten
etwa alle 20.000 bis 50.000 Jahre auf. Sofern diese mit
niedrigen Feldintensitäten verbundenen Richtungsänderungen
im Sediment aufgezeichnet worden sind, können
sie als weitere eindeutige Zeitmarkierung zur Datierung
herangezogen werden. Für die Baikal-Chronologie liegt
die Auflösung mittels charakteristscher Zeitmarken zwischen
2000 und 4000 Jahren.
Welche Klimabedingungen herrschten während der letzten
beiden Interglaziale (Warmzeiten) in Zentralsibirien?
In der Folge soll anhand von zwei Beispielen die Bedeutung
der Temperatur- und der Feuchtigkeitsänderungen im
regionalen klimatischen Umfeld erläutert werden.
Einen tiefen Einblick in das Klimageschehen während historischer
Zeit in Zentralsibirien erhielten wir durch die
gezielte Untersuchung der wechselnden Diatomeenvergesellschaftungen
(Mackay et al., 2005). Für diese Untersuchung
wurde ein mit Pb 210 und AMS- 14 C datierter Sedimentkurzkern
aus dem Südbecken des Baikalsees verwendet.
Zuerst wurden die Häufigkeiten der Diatomeenarten
entsprechend ihrer Empfindlichkeit auf Lösungsvorgänge
korrigiert. Nachdem die Diatomeenarten mittels
einer Clusteranalyse gruppiert wurden, kristallisierten
sich dabei drei Zeitzonen mit typischen Vergesellschaftungen
heraus, nämlich aus den Zeiträumen 880 bis 1180
Anno Domini (AD) (I), 1180 bis 1840 AD (II), und 1840
bis 1994 AD (III). Das erste Zeitintervall, Zone I, entspricht
der mittelalterlichen Warmzeit, gefolgt von der
Kleinen Eiszeit, Zone II, und dem jüngsten Erwärmungstrend,
Zone III (Abb. 16).
Die Schlüsselarten, die ökologische Bedingungen, wie
unterschiedliche Schneebedeckung der Eisdecke im Winter,
oder sommerliche Schichtung der Wasserkolonne
anzeigen, sind uns aus rezenten Studien bekannt (Abb. 16).
Synedra acus, die häufigste Art in Zone I, ist eine weit verbreitete
Form, die, im Gegensatz zu den endemischen Diatomeenarten,
besonders gut bei hohem Lichtangebot
gedeiht. Dies konnte bei Laborversuchen getestet und
bestätigt werden. Worauf kann also ein bevorzugtes Auftreten
der Diatomee Synedra acus hindeuten? Ein verstärktes
günstiges Lichtangebot konnte vorliegen, wenn
die Wolkenbedeckung im Frühjahr/ Sommer geringer als
z. B. heute und damit die Sonneneinstrahlung beträchtlich
erhöht war. Meteorologisch müsste folgender Kontext erstellt
werden: Aus Studien in Westmonsun-beeinflussten
Gebieten (Indien) ist bekannt, dass in Zeitzone I das Sommertief
über dem Tibetischen Plateau stärker ausgeprägt
war als heute. Das wirkte sich auf die Trajektorien der mit
Feuchtigkeit beladenen Westwinde aus, die sich in der
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
91

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Abb. 16: Relative Häufigkeit von Diatomeen nach spezies-spezifischer Korrektur und Normierung auf 100 %. Das
Schneeakkumulationsmodell beruht auf Korrekturfaktoren und Trainingsdatensätzen mit fünf korrigierten Arten. Die
Diatomeenverteilungen deuten hin auf eine Erwärmung ab ca. 1750 AD, deutlich früher, als aus vielen Datensätzen
für Europa nachvollzogen werden kann (Mackay et al., 2005).
Relative percentages of diatoms after correcting for dissolution and recalculated to sum to 100 %. The snow-accumulation
model is based on diatom data using correction factors and training sets with five corrected taxa. From the diatom
abundance pattern it becomes evident that warming starts as early as c. 1750 AD, which is significantly earlier
then reported previously for Europe (Mackay et al., 2005).
Folge räumlich verschoben; das Baikalseegebiet erhielt
darüber geringere Wolkenbedeckung, aber höhere Sonneneinstrahlung
während der Hauptproduktionszeit der
Phytoplankter.
In Zone II, während der Kleinen Eiszeit, gewann die Diatomee
Cyclotella minuta an Bedeutung. Diese Form ist eine
typische Überlebenskünstlerin, wenn im Herbst und Winter
aufgrund von Schneebedeckung auf der Eisdecke die
Lichtverhältnisse minimal sind. Was bedeutet es also, wenn
diese eher lichtfeindliche Diatomee zu den Klimabedingungen
dieser Zeit ihre ökologisch besten Bedingungen
hatte? In Zone II müsste die winterliche sibirische Hochdruckzelle
sehr ausgeprägt gewesen sein. Wenn die Winddynamik
minimal ist und die Winter sehr lang sind, kann
dies eine erhöhte Schneeakkumulation in der Baikalregion
bedeuten. Die Schneedicke in Abb. 16 wurde über ein
Transfermodell errechnet (Mackay et al., 2003, 2006).
In Zone III treten Phytoplankter bevorzugt auf, die heutzutage
am Baikalsee ihr Maximum an Produktionsaktivität
im Frühjahr haben. Diese Diatomeen sind auch generell
wenig an die lichtabschirmende Schneeschicht auf
dem Eis angepasst. Deshalb zeigt diese Diatomeenvergesellschaftung
an, dass der Eisaufbruch früher beginnt als
in den Zonen I und II und weist über die erhöhte Produktionsaktivität
der Phytoplankter im Frühjahr auf die begin-
nende globale Erwärmung hin. Interessant ist die Beobachtung,
dass diese Erwärmung schon um 1750 und damit
50 bis 100 Jahre früher als in Europa einsetzte.
Welche Klimabedingungen herrschten im vergangenen
Interglazial (der Eem- oder Kasantzevo-Warmzeit) in
Zentralsibirien?
Das vergangene Interglazial, d. h. die Warmzeit zwischen
den letzten beiden Glazialen (Eiszeiten), ist für uns im
Hinblick auf seine Erwärmungsgeschichte sehr interessant.
Es wurde in früheren Arbeiten häufig als Analog für
zukünftige Entwicklungen herangezogen, was sich allerdings
als nicht länger haltbar herausgestellt hat. Pollendaten
belegen Veränderungen im saisonalen Niederschlags-
und Temperaturmuster, denn die Vegetation reagiert
innerhalb von wenigen Dekaden, falls einer der Klimaparameter
oder beide sich ändern. Heute liegen die
mittleren Temperaturen im Baikalseegebiet bei 14 bis 16 °C
im Sommer und bei –22 bis –26 °C im Winter. Mittlere
Niederschlagsraten über dem See sind 160 bis 400 mm/
Jahr, die in den umliegenden Gebirgen auf über 700 mm/
Jahr ansteigen. Das Maximum der Niederschläge konzentriert
sich in unserer Zeit auf die Sommerzeit.
Aus den Pollendaten in den Seesedimentkernen wurden
über Transfermodelle ehemalige Vegetationsbestände
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(Biome) evaluiert (Prentice et al., 1996; Tarasov et al.,
2005) und unter Verwendung der Best Modern Analog-
Methode die klimatischen Faktoren des vorherigen Interglazials
bestimmt (Guiot et al. 1989; Tarasov et al., 2005).
Die quantitative Rekonstruktion für saisonale Temperaturen
und Niederschläge ist in der Abb. 17 zu sehen. Am
Übergang vom Glazial zum Interglazial (ca. 130 bis
128 ka BP) lagen die Temperaturen des kältesten Monates
noch bei –38 °C, während die Temperaturen des wärmsten
Monats 11 bis 13 °C betrugen. Die jährlichen Niederschläge
wurden mit 300 mm veranschlagt. Diese Bedingungen
waren ideal für Taigabestände. Durch einen Wechsel
zu Tundravegetation manifestiert sich der Übergang
zum Interglazial. Die Niederschläge nahmen deutlich zu
(500 bis 600 mm/Jahr) und die Wintertemperaturen
erreichten Werte wärmer als –22 °C, während die Sommertemperaturen
bei 16 bis 17 °C lagen, wärmer als die
heutigen Temperaturwerte. Dann folgte eine rasche
Abkühlung vor 118.000 Jahren, begleitet durch einen drastischen
Feuchtigkeitsrückgang. In der Folge verschwanden
die Wälder und wurden durch Buschgras-Vergesellschaftungen
ersetzt (118 bis 115 ka BP). Minimale und
maximal Temperaturen waren deutlich zurückgegangen
(Durchschnittstemperaturen im Winter bei –28 bis –30 °C,
im Sommer bei 14 bis 15 °C), ebenso gingen die jährlichen
Niederschläge bis 250 mm zurück.
Zusammen mit der Temperatur- und Niederschlagsentwicklung
ist in Abb. 17 das Profil der globalen Insolation
und der Meerespiegelhöhe, die auf die Änderungen des
Eiskappenvolumens zurückgeht, abgebildet. Der generelle
Verlauf der Sommertemperaturkurve folgt der Insolationskurve
für mittlere Breiten. Erkennbar ist eine parallele
Absenkung des Meeresspiegels und Zunahme des Eisvolumens.
Die Eismasse kontrolliert die klimatische Kontinentalität
in Zentralasien (ein höherer Meeresspiegel
resultierte aus reduzierten Eismassen, die sich in einer
geringeren Kontinentalität auswirken). Nach Schätzungen
von Lambeck und Chappell (2001) lag der Meeresspiegel
vor 126.500 Jahren am höchsten. Zu Zeiten des Meeresspiegelhochstandes
beobachten wir im Baikalsedimentkern
die wärmsten Wintertemperaturen (–20 °C). Vor
126.000 Jahren begannen die Wintertemperaturen wieder
zu sinken und die Korrelation zwischen der Temperaturentwicklung
und der Meerespiegelabsenkung zusammen
mit der parallelen Zunahme des Eisvolumens wird vor
118.000 Jahren besonders deutlich.
Generell können wir aussagen, dass ein reduziertes Poleis-Volumen
ausschlaggebende Folgen auf die atmosphärische
Zirkulation hatte, da zu Zeiten maximaler Meeresspiegelstände
die Winter in Sibirien wärmer als heute
waren. Diese klimatischen Folgen in Sibirien zeigen sich
Abb. 17: Klimatische Parameter (Tcold months, Twarm months, P annual) für den Pollendatensatz vom Continent-Rücken (Granoszewski
et al., 2005). Diese wurden mit der „Modern Analogue Method“ errechnet für das letzte Interglazial, Termination
II und den Übergang zum frühen Weichselglazial. Mittelwerte (offene Kreise) sind zusammen mit Standardabweichungen
aufgetragen (Tarasov et al., 2005). Die klimatischen Parameter sind Meeresspiegeländerungen (Lambeck
und Chappell, 2001) und δ 18 O-Werten aus Stalagmiten der Dongge-Höhle (China) (Yuan et al., 2004) sowie der
Modalkorngröße aus den Sedimenten vom Continent-Rücken zum Vergleich gegenübergestellt.
Climate variables (Tcold months, Twarm months, P annual) reconstructed from Continent Ridge pollen record (Granoszewski
et al., 2005) using the modern analogue approach for the last Interglacial, Termination II and transition into the cold
interval following Kasantzevo. Mean values (open circles) with standard deviations are shown (Tarasov et al., 2005).
For comparison we show sea level changes (Lambeck und Chappell, 2001), δ 18 O values from stalagmites of Dongge
cave (China) (Yuan et al., 2004) and modal grain sizes values from sediments of Continent Ridge.
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deutlich in der Vegetationsentwicklung. Die sehr niedrige
Winterinsolation, die aufgrund der veränderten Lage der
Erdachse damals in Sibirien sogar niedriger war als heute,
scheint dagegen keine übergeordneten direkten Effekte zu
zeigen. Diese bedeutend wärmeren Winter als heute, die
sich in Zeiten von Meeresspiegelhochständen entwickelten,
können durch eine Kombination von Faktoren erklärt
werden: z. B. durch höhere zyklonische Aktivität entlang
der Polarfront, durch Zunahme des Einflusses der wärmenden
Westwinde, durch generell wärmere atmosphärische
Strömungen.
Wir können annehmen, dass Veränderungen dieser Art,
bedingt durch die Abschwächung der Sibirischen Hochdruckzelle,
die winterliche Winddynamik im Baikalseegebiet
reduzierte. Einsicht in die atmosphärische Dynamik
in der Baikalregion haben wir über die Korngrößenverteilung
der windverfrachteten Partikel im Sediment
erhalten. Ein geeigneter Parameter ist die Modalgröße der
Partikelfraktion zwischen 2 und 63 µm. Vergleicht man
deren Größenverteilung in den Seesedimentkernen mit
den Änderungen des Polareisvolumens, fällt folgendes
auf: Bei Zunahme der Polareismasse steigt der Modalwert
der Korngrößen, bei einer Reduzierung der Polvereisung
liegt parallel ein Rückgang der Korngrößen vor (Abb. 17).
Damit wird offensichtlich, dass während des interglazialen
Wärmeoptimums die atmosphärische Dynamik, nicht
aber unbedingt die Intensität, in der Baikalregion deutlich
geringer war als während der kühleren Intervalle. Dies
kann mit der meridionalen Verlagerung gekoppelt mit der
Abschwächung der Sibirischen Hochdruckzelle erklärt
werden. Wir nehmen an, dass die Korngrößenabnahme
einem Anstieg der distaleren (= weiter entfernten und
daher feineren) Staubkomponente entspricht. Wir können
allerdings nicht ausschließen, dass ein Teil des Staubeintrags
auch auf vermehrten distalen Sommereintrag
zurückzuführen ist, wie das auch Modellberechnungen für
zukünftige Erwärmungen voraussagen. Zeitgleiche Wechsel
zeigen sich auch im Sommer in den Zirkulationsänderungen
im monsunbeeinflussten Südostasien. Isotopenuntersuchungen
an Stalagmiten in China (Dongge-Höhlensignal
(Yuan et al. 2004); (Abb. 17)) belegen eine δ 18 O-
Zunahme vor 120.000 Jahren, was auf eine Abschwächung
des monsunalen Einflusses deutet.
Ausblick
Nachdem es über viel Monitoring im Projekt gelungen
war, die klimatischen Parameter, die Klimaproxies, für
dieses große lakustrine System mit ozeanähnlichen boundary
conditions zu kalibrieren, stand den ersten Rekonstruktionen
der klimatischen Variationen für Sibirien in
den Warmzeiten nichts mehr im Wege. Es zeigte sich, dass
Feuchtigkeit neben Temperaturänderungen der entscheidende
Faktor für die klimatische Signalbildung im Sediment
ist. Aber noch sind nicht alle Daten ausgewertet. Aus
heutigen Untersuchungen wissen wir, dass das Geschehen
im Nordatlantik über die Nordatlantische Oszillation
(NAO) die Wintertemperaturen der Nordhemisphäre weitestgehend
bestimmt. Unsere Daten, die wir derzeit daraufhin
untersuchen, scheinen auf ähnliche Weise auf Ein-
flüsse aus dem Nordatlantik in der Eem/Kasantzevo-
Warmzeit hinzuweisen. Aber jetzt schon wurde klar, dass
ein Archiv nicht allein aus dem Punkt heraus verstanden
werden kann, seine Geschichte muss auch im Raumbezug
gewertet werden. Dazu werden wir in Zukunft „strategisch
wichtige“ Archive untersuchen, die Aussagen zur longitudinalen
und meridionalen Bewegung von Trajektorien
und Hochdruck- und Tiefdrucksystemen über tausende
Jahre zurück zulassen.
Literatur:
Channell J.E.T., 1999. Geomagnetic paleointensity and directional secular variation
at Ocean Drilling Program (ODP) site 984 (Bjorn Drift) since 500 ka: comparison
with ODP site 983 (Gardar drift). J Geophys Res 104:22937-22951
Charlet F., Fagel N., De Batist M., Hauregard F., Minnebo B., Meischner D. and
the SONIC Team. 2005. Sedimentary dynamics on isolated highs in Lake Baikal:
evidence from detailed high-resolution geophysical data and sediment cores. Global
Planet. Change, 46, 125-143.
Demory F., Nowaczyk N.R., Witt A. and Oberhänsli H. 2005. High-resolution magnetostratigraphy
of late Quaternary sediments from Lake Baikal, Siberia: timing
of intracontinental paleoclimatic responses. Global Planet. Change, 46, 167-186.
Fietz, S., Nicklisch, A., 2004. An HPLC analysis of the summer phytoplankton
assemblage in Lake Baikal. Freshwater Biology 49, 332-345.
Fietz, S. 2005. Recent and fossil phytoplankton pigments in Lake Baikal as markers
for community structure and environmental changes. Dissertation Humboldt
Universität Berlin, 2005.
Granoszewski W., D. Demske, M. Nita, G. Heumann, A.A. Andreev, (2005) Vegetation
and climate variability during the last inter- glacial evidenced in the pollen
record from Lake Baikal. Global Planetary Change, 46 (1-4),187-198.
Guiot J., A. Pons, J.-L. de Beaulieu, M. Reille, 1989. A 140,000 year climatic reconstruction
from two European pollen records. Nature, 338, 309-313.
Heim, B., Magnussen, S., Oberhaensli, H., Kaufmann, H., 2003. Case 2 Lake Baikal:
analyses of SeaWiFS data within the scope of the paleoclimate project CON-
TINENT. EARSeL eProceedings 3, 127- 135.
Heim, B., Oberhaensli, H., Fietz, S., Kaufmann, H., 2005. Variation in Lake Baikal's
phytoplankton distribution and fluvial input assessed by SeaWiFS satellite
data. Glob. Planet. Change 46, 9 -27.
Heim, B., 2006. Quantitative and qualitative analyses of Lake Baikal's surface
waters using Ocean Colour Satellite Data (SeaWiFS). Dissertation Universität Potsdam,
2006.
INTAS Project 99-1669 Team, 2002. A new bathymetric map of Lake Baikal. Open-
File Report on CD-ROM.
IPCC 2001. Climate change 2001: the scientific basis. Working Group 1 contribution
to the IPCC Third Assessment Report (Summary for Policy Makers)
(http://www.ipcc.ch).
Kashiwaya, K.S., 2003. Long Continental Records from Lake Baikal. Springer Verlag,
Berlin, 370 pp.
Kozhov, M., 1963. Lake Baikal and its life. Monogr. Biol. 11.,
Kozhova O.M. and Izmest´eva L.R.. 1998. Lake Baikal: Evolution and biodiversity.
Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands, 447 pp.
Lambeck K., J. Chappell, 2001. Sea level change through the Last Glacial cycle.
Science, 292, 679-685.
Mackay, A.W., Battarbee, R.W., Flower, R.J., Granin, N.G., Jewson, D.H., Ryves,
D.B., Sturm, M., 2003. Assessing the potential for developing internal diatombased
inference models in Lake Baikal. Limnol. Oceanogr. 48, 1183- 1192.
Mackay, A.W., Jewson, D.H., Morley, D.H., Rioual, D.W., Ryves, D.B., 2006, in
review. Assessing the vulnerability of endemic diatom species and primary production
in Lake Baikal to predictions of future climate change: a multivariate approach.
Mackay, A.W., Ryves, D.B., Battarbee, R.W., Flower, R.J., Jewson, D., Rioual,
P., Sturm, M., 2005. 1000 years of climate variability in central Asia: assessing
the evidence using Lake Baikal (Russia) diatom assemblages and the application
of a diatom-inferred model of snow cover on the lake. Glob. Planet. Change 46,
281-297.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Maerki, M., Müller, B., Wehrli, B.,2005 submitted for publication. New perspectives
to assess mineralization pathways in surface sediments. Limnol. Oceanogr.
Müller, B., Maerki, M., Schmid, M., Vologina, E.G., Wehrli, B., West, A., Sturm,
M., 2005. Internal carbon and nutrient cycling in Lake Baikal: sedimentation,
upwelling and early diagenesis. Glob. Planet. Change 46, 101- 124.
Prentice I, W. Cramer, S.P. Harrison, R. Leemans, R.A. Monserud, A.m. Solomon,
1992. A global biome model based on plant physiology and dominance, soil properties
and climate. J Biogeogr., 19,117-134.
Oberhänsli H. and Mackay A. 2005. Progress towards reconstructing past climate
in Central Eurasia, with special emphasis on Lake Baikal. Global Planet. Change,
46, 1-7.
O'Reilly, J.E., et al. (22 co-authors), 2000. SeaWiFS Post Launch Calibration and
Validation Analyses: Part 3. Hooker, S.B., Firestone, E.R. NASA Tech. Memo. 11,
2000-206892. NASA Goddard Space Flight Center.
O'Reilly, J.E., Maritorena, S., Mitchell, B.G., Siegel, D.A., Carder, K.L., Garver,
S.A., Kahru, M., and McClain, C.R., 1998, Ocean colour chlorophyll algorithms
for SeaWiFS. J. Geophys. Res. 103, 24937-24953.
Williams, D.F., Peck, J., Karabanov, E.B., Prokopenko, A.A., Kravchinsky, V., King,
J., Kuzmin, M.I., 1997. Lake Baikal record of continental climate response to orbital
insolation during the past 5 million years. Science 278, 1114- 1117.
P. Tarasov, W. Granoszewski, E. Bezrukova, S. Brewer, M. Nita, A. Abzaeva, and
H. Oberhänsli, 2005. Quantitative reconstruction of the last interglacial vegetation
and climate based on the pollen record from Lake Baikal, Russia. Climate Dynamics,
25, 625-637.
Todd, M.C., Mackay, A.W., 2003. Large-scale climate controls on Lake Baikal ice
cover. J. Clim. 16, 3186- 3199.
Wüest, A., Ravens, T.M., Kocsis, O., Schurter, M., Sturm, M., Granin, N., 2005.
Cold intrusions in Lake Baikal-direct observational evidence for deep water renewal.
Limnol. Oceanogr. 50 (1), 184-196.
Yuan, D., H. Cheng, R.L. Edvards, C.A. Dykovski, M.J. Kelly, M. Zhang, J. Qing,
Y. Lin, Y. Wang, J. Wu, J.A. Dorale, Z. An, and Y. Cai, 2004. Timing, duration, and
transitions of the Last Interglacial Asian Monsoon. Science, 304, 575-578.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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96
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Seismische Vorauserkundung im Tunnelbau
mit konvertierten Oberflächenwellen
Stefan Lüth, Rüdiger Giese, Peter Otto, Kay Krüger, Sylvio Mielitz, Günter Borm
For a safe construction and operation of underground excavation it is essential to have access to as many data as possible
about the soil and/or rock properties around the construction. Before the start of the construction, geological and
geophysical investigations are to be performed from the surface above the planned excavation and from boreholes or
smaller exploratory tunnels. Seismic measurements play an increasingly important role in geological prediction during
tunnel construction. All systems currently in use are based on excitation and recording of seismic body waves and their
reflections from structures ahead of the tunnel face which are extracted and used for the detection of heterogeneities.
At the GFZ Potsdam, the Integrated Seismic Imaging System (ISIS) has been developed during recent years. The system
consists of a pneumatic hammer as seismic source and three-component receivers implemented at the tips of anchor
rods typically used for underground construction. The system software processes the measured data and is able to image
the results in space together with other geological and geotechnical information. Test measurements in the Piora adit
at the Gotthard base tunnel construction site as well as synthetic modelling have shown that surface waves which are
excited at the tunnel wall and converted at the tunnel face provide the strongest signal for seismic prediction ahead of
the tunnel face. This wave type is called RSSR-reflection. It travels as a surface wave from the source at the tunnel wall
to the tunnel face where it converts to an S-wave. This wave is reflected at a heterogeneity ahead of the tunnel, returns
to the tunnel face and converts back to a surface wave. The use of this wave type allows for a stable seismic prediction
ahead of the tunnel face without much interference with the construction operations since no sources and receivers
need to be placed at the tunnel face.
Einleitung
Eine wichtige Voraussetzung für den sicheren Bau und
Betrieb von Untertagebauwerken ist eine möglichst genaue
Kenntnis der Boden- bzw. Gesteinseigenschaften in der
Umgebung des Bauwerks. Deshalb werden z. B. vor der
Konstruktion eines Tunnels Erkundungsbohrungen bzw.
Stollen abgeteuft und von der Erdoberfläche aus geologische
und geophysikalische Untersuchungen durchgeführt.
Diese Untersuchungen liefern jedoch nur ein unvollständiges
Bild der geologischen und geotechnischen Bedingungen
im Verlauf der geplanten Trasse, da Bohrungen in
ihrer Zahl begrenzt sind und von der Erdoberfläche her ausgeführte
Untersuchungen eine relativ geringe Auflösung
besitzen. Deshalb sind seit einigen Jahren Erkundungssysteme
in der Entwicklung, die es ermöglichen, mit Hilfe
geophysikalischer Messungen während des Tunnelvortriebs
die Lage von geologischen Gefahrenzonen im Vorfeld
der Tunnelauffahrung zu bestimmen. Die herkömmlichen
Systeme nutzen seismische Verfahren, die auf Grund
der großen Reichweite und hohen Auflösung anderen geophysikalischen
Verfahren überlegen sind. Sie arbeiten nach
folgendem Grundprinzip: Seismische Raumwellen (Poder
S-Wellen) werden entweder nahe der seitlichen Tunnelwand
oder an der Tunnelortsbrust angeregt. Diese werden
an geologischen Heterogenitäten reflektiert oder rückgestreut
und von Empfängern aufgenommen, die um den
Tunnel oder direkt an der Ortsbrust platziert werden. Eine
räumliche Abbildung der Reflektoren erfolgt durch Reflektionstomographie
bzw. Migration.
Seit den frühen 90er Jahren sind weltweit verschiedene
tunnelseismische Vorauserkundungssysteme eingesetzt
worden. Für den Tunnelbau in Lockergesteinen wurde das
sogenannte Sonic Softground Probing (SSP) entwickelt
(Kneib et al., 2000). Dieses System nutzt einen hochfrequenten
P-Wellen-Vibrator und Beschleunigungsaufnehmer,
die beide im Schneidrad einer Tunnelbohrmaschine
befestigt sind. Während des Bohrens werden die seismischen
Messungen durchgeführt. SSP liefert ein reflexionsseismisches
Abbild von P-Wellen-Reflektoren bis
maximal 100 m vor der Tunnelortsbrust. Im Festgestein
wird neben anderen das Tunnel Seismic Prediction (TSP)
-System eingesetzt (Dickmann und Sander, 1996). Dieses
System nutzt bis zu 30 in Bohrlöchern seitlich in der Tunnelwand
platzierte Sprengstoffladungen als Quellen und
zwei bis vier Drei-Komponenten-Beschleunigungsaufnehmer
in Bohrlöchern. Sprengladungen und Empfänger
sind in etwa 20 bis 50 m langen Profilen seitlich an der
Tunnelwand angeordnet. Die Auswertung der Messungen
besteht in der Identifizierung von Reflexionen von Störzonen
vor der Ortsbrust anhand ihrer Laufzeitkurven in
den Registrierungen.
Das Integrierte Seismische Imaging System ISIS, das am
GeoForschungsZentrum Potsdam entwickelt wurde, ist in
den vergangenen Jahren vor allem zur tomographischen
Erkundung des Tunnelumfeldes genutzt worden. Das
Messsystem besteht aus einer nicht-explosiven seismischen
Quelle (Impakthammer oder magnetostriktiver Sonar-Vibrator),
die seitlich an der Tunnelwand angebracht
wird und dort seismische Wellen anregt. Diese werden
dann von Geophonen aufgenommen, die in den Spitzen
von Gebirgsankern befestigt sind (Abb. 1). Für die tomographische
Erkundung des Tunnelumfeldes wurden 10 bis
40 Anker mit Drei-Komponenten-Geophonen auf ausge-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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wählten Profilen installiert und entlang dieser Profile dann
mit einer Quelle in dichtem Schusspunktabstand angeregt.
Die gemessenen Datensätze wurden zur tomographischen
Bestimmung von P- und S-Wellen-Geschwindigkeiten verwendet
(Giese et al., 2005), eignen sich aber auch grundsätzlich
für reflexionsseismische Auswertung (Lüth et al.,
2005).
Wellentypen in der Tunnelseismik
Um die bei tunnelseismischen Messungen registrierten
Wellentypen zu verstehen, wurden an der Universität Kiel
Modellrechnungen mit Hilfe einer Finite-Differenzen-
Methode zur Lösung der Wellengleichung durchgeführt.
Für die numerische Simulierung wurde ein Modell erstellt,
das aus einem Tunnel mit einem Durchmesser von 10 m
besteht, der von einem homogenen Festgestein umgeben
ist (Bohlen et al., 2006). Vor der Ortsbrust des Tunnels
befindet sich eine Störungszone, deren Inneres geringere
seismische Geschwindigkeit hat als die Umgebung. Es
wurde ein Schuss an der Tunnelwand simuliert, der von
einer Reihe von Geophonen entlang eines Profils registriert
wurde. An der Schussposition wurde mit einem
Ricker-Wavelet mit einer dominanten Frequenz von 500 Hz
angeregt. Die Auswertung der Simulationen besteht zunächst
in einer Analyse des Wellenfeldes in Abhängigkeit
der Zeit nach der Anregung. Zunächst zeigen sich die bei
einer Anregung einer Punktquelle typischen P- und S-Wellen.
Es wird eine Anregung senkrecht zur Tunnelwand
simuliert, daher breiten sich P-Wellen vor allem senkrecht
zur Tunnelwand aus, während S-Wellen sich vor allem
parallel zur Tunnelachse ausbreiten. Mit der größten
Amplitude lässt sich eine Rayleigh-Welle beobachten, die
sich mit etwa 92 % der S-Wellen-Geschwindigkeit entlang
der Tunnelwand ausbreitet. Erreicht diese Rayleigh-
Welle die Tunnelortsbrust, wird ein großer Teil ihrer Energie
in eine S-Welle umgewandelt, die sich von der Ortsbrust
ausgehend weiter in Vortriebsrichtung ausbreitet.
Ein Teil von ihr wird an der Störungszone vor der Ortsbrust
reflektiert und kehrt als S-Welle zur Tunnelortsbrust
zurück. Hier wird nun ein Teil der reflektierten S-Welle in
eine Rayleigh-Welle zurück konvertiert, die sich dann entlang
der Tunnelwand ausbreitet. In den simulierten Seismogrammen
zeigt sich der hier beschriebene Typ von
Reflexion als deutlicher Einsatz und einer Laufzeitkurve
mit negativer Steigung. Die Laufzeit dieses Einsatzes wird
mit zunehmendem Schuss-Empfänger-Abstand kleiner.
Seinem Laufweg entsprechend wird dieser Wellentyp als
RSSR-Reflexion bezeichnet (Abb. 2).
Messungen im Piora-Sondierstollen des Gotthard-
Basistunnels
Als wichtiger Bestandteil des künftigen Europäischen Hochgeschwindigkeits-Schienennetzes
wird der Gotthard-Basistunnel
gebaut. Er wird mit seiner Fertigstellung voraussichtlich
im Jahr 2015 eine Länge von 57 km erreichen und
damit der längste Verkehrstunnel der Welt sein. Seine Trasse
schneidet zahlreiche geologische Schwächezonen, die für
den Bau des Tunnels besonders kritisch sind: das Tavetscher
Abb. 1: (a) In der Tunnelwand befestigter Gebirgsanker mit Geophonkabel, (b) Kleinbagger mit Schlaghammer,
(c) Verteilung der Geophon- und Schlagpunkte im Piora-Sondierstollen (von oben). Die Lage der Drei-Komponenten-
Geophone wird durch graue invertierte Dreiecke angezeigt, die Hammerschlagpunkte durch schwarze Rauten. (Fotos:
S. Mielitz, GFZ)
(a) Anchor fixed in the tunnel wall with geophone cable, (b) small excavator with pneumatic hammer, de distribution
of geophone and impact locations (top view). Three-component geophones are indicated by grey inverted triangles,
impact locations by black diamonds.
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Abb. 2: Seismogramme der numerischen
Simulation eines tunnelseismischen Experiments.
Es ist die Komponente senkrecht
zur Tunnelwand dargestellt. Deutlich
zu erkennen sind folgende Phasen:
R – direkte Rayleigh-Welle, CR – einmal
um den Tunnel zirkulierende Rayleigh-
Welle, RR1 – Ortsbrustreflexion der
direkten Rayleigh-Welle, RR2 – Ortsbrustreflexion
der zirkulierenden Rayleigh-Welle,
RSSR – Konvertierte und an
einer Störungszone vor der Ortsbrust
reflektierte S-Welle.
Seismograms of a numerical simulation
of tunnel seismic measurements. The
component perpendicular to the tunnel
wall is shown. The following phases can
be identified: R – direct Rayleigh wave,
CR – Rayleigh wave which circulated once around the tunnel, RR1 – tunnel face reflection of the Rayleigh wave, RR2
– tunnel face reflection of the circulating Rayleigh wave, RSSR – converted and reflected S-wave from a fault zone
ahead of the tunnel face.
Zwischenmassiv, die Urseren-Garvera-Zone, sowie die Pioramulde
(Abb. 3). Die Pioramulde liegt im Übergang vom
Gotthardmassiv im Norden und der südlich angrenzenden
Penninischen Gneiszone. Sie besteht aus sedimentären
Ablagerungen mit darin enthaltenem Dolomit. Dieser ist in
Folge einer metamorphen Überprägung während der alpinen
Gebirgsfaltung teilweise zuckerkörnig ausgebildet. Um
die Pioramulde im Hinblick auf eine mögliche Gefährdung
der Tunnelbaustelle zu untersuchen, wurde vom AlpTran-
sit Konsortium ein Sondierstollen gebohrt, der wenige Meter
vor der Pioramulde endet. Von der Ortsbrust des Stollens
wurden Sondierbohrungen in die Pioramulde abgeteuft,
um die mechanischen Eigenschaften der Gesteine der
Pioramulde zu untersuchen (Schneider, 1997).
An der Ortsbrust dieses Sondierstollens wurden im März
2005 durch das GFZ Potsdam in Zusammenarbeit mit der
Amberg Messtechnik AG seismische Messungen durch-
Abb.3:Geologisches Längenprofil entlang des Gotthard-Basistunnels (GBT, Quelle: http://www.alptransit.ch) (oben),
migrierte seismische Sektion der konvertierten und reflektierten Oberflächenwellen mit Ergebnissen der Sondierung
Bo1.2 (unten). Entlang der Sondierung Bo1.2 ist schematisiert der RQD-Wert (Rock Quality Designation) dargestellt,
der ein Maß für den Zustand des bei der
Sondierung geförderten Kerns darstellt
(aus Schneider, 1997). Hohe Werte deuten
auf festen, ungeklüfteten Fels hin, niedrige
Werte auf stärker geklüfteten Fels.
Folgende Einheiten lassen sich den Farben
zuordnen (beginnend an der Ortsbrust):
rot: Betonzapfen zur Stabilisierung
der Ortsbrust; pink: kakirisierte
Störzone; grün: Pioramulde.
Geological section along the Gotthard
base tunnel (GBT, source: http://www.
alptransit.ch) (top), migrated seismic section
of the converted and reflected surface
waves with RQD (rock quality designation)
values of exploratory well 1.2.
The RQD value is a measure for the stability
of the rock delivered by investigation
of the cores of the well (Schneider, 1997).
High values indicate stable unfaulted
rocks, low values indicate strongly faulted
rocks. The following units can be identified
according to the colours (starting
from the tunnel face): red: concrete cone
stabilising the tunnel face; magenta: cataclastic
fault zone; green: Piora basin.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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geführt, um die Anwendbarkeit der konvertierten und
reflektierten Oberflächenwellen zur Detektion einer Störungszone
zu untersuchen. Die Messanordnung bestand
aus folgenden Komponenten: zwei Drei-Komponenten-
Geophone in den Spitzen von Gebirgsankern, die ca.
60 m hinter der Ortsbrust seitlich in die Tunnelwand
gesetzt wurden, sowie 76 Schlagpunkte, an denen der
GFZ-Impakthammer eingesetzt wurde (vgl. Abb. 1). Von
den 76 Schlagpunkten sind 36 in einem Profil an der in
Vortriebsrichtung linken Tunnelwand angeordnet. Der
mittlere Punktabstand beträgt 1,5 bis 1,6 m. Fünf Punkte
sind an der Ortsbrust, und 35 an der in Vortriebsrichtung
rechten Tunnelwand. An jedem Schlagpunkt wurden
16 Schläge angeregt und vertikal gestapelt. Die Verteilung
von seismischen Empfängern und Hammerschlagpunkten
sowie die unbearbeiteten seismischen Daten sind in
Abb. 4 dargestellt. Die unbearbeiteten Daten werden von
der direkten P- und der direkten Rayleigh-Welle beherrscht.
Eine Rayleigh-Wellen-Reflexion ist innerhalb der
Schlagpunktlinie zwischen Punkt 1 und 10 zu erkennen.
Abb. 4: Messgeometrie des seismischen Experiments an der Ortsbrust des
Piora-Sondierstollens (oben) und Rohdaten der Messungen (unten). Die
Messdaten zeigen die dritte Komponente (senkrecht zur Tunnelwand) von
Empfänger 1 (rotes invertiertes Dreieck). Die Signale von 76 Schlagpunkten
(schwarze Rauten) wurden aufgezeichnet. Die Punkte 1 bis 36 liegen
an der in Vortriebsrichtung linken Tunnelwand, Punkte 37 bis 41 an der
Ortsbrust und Punkte 42 bis 76 an der in Vortriebsrichtung rechten Tunnelwand.
RR0: Rayleigh-Wellen-Reflexion von einer Diskontinuität bei
Schlagpunkt 16.
Source and receiver point distribution of the seismic experiment in the Piora
adit (top) and raw data of the measurements (bottom). The data show the
component perpendicular to the tunnel wall of receiver 1 (red inverted triangle).
The signals of 76 impact points (black diamonds) were recorded. The
points 1 – 36 are on the left tunnel wall (looking towards the tunnel face),
the points 37 – 41 are on the tunnel face, and the points 42 – 76 are on the
right tunnel wall. RR0: Rayleigh wave reflection of a discontinuity near
impact point 16.
Die Datenbearbeitung unterdrückt die großen Amplituden
der direkten P-, S- und Rayleigh-Wellen, verbessert das
Verhältnis von Nutz- und Störsignalen und verstärkt
Amplituden von Einsätzen mit größerer Laufzeit, um Verluste
durch Dämpfung und sphärische Divergenz auszugleichen.
Dazu werden folgende Prozesse durchgeführt:
Median-Filterung, Bandpass-Filterung und zeitproportionale
Skalierung der Amplituden. Das Ergebnis dieser
Bearbeitung für die tunnelwandnormale Komponente des
Empfängers 1 ist in Abb. 5 dargestellt. Die direkten P-, Sund
Rayleigh-Wellen sind weitgehend unterdrückt. Reflektierte
Rayleigh-Wellen von Diskontinuitäten entlang
der Schlagpunktlinie und von der Ortsbrust des Sondierstollens
sind zu erkennen. Nach den Einsätzen der Reflexionen
von der Tunnelbrust treffen mit einer Verzögerung
von etwa 20 ms dazu parallele Einsätze ein, die von RSSR-
Reflexionen vor der Ortsbrust herrühren.
Mit einem an der Kirchhoff-Migration orientierten Abbildungsverfahren
(z. B. Schleicher et al., 1993) lassen
sich die in den Seismogrammen erkennbaren
RSSR-Reflexionen im Raum
abbilden. Wir nennen dieses Verfahren
RSSR-Migration. Hierfür werden im
dreidimensionalen Raum Flächen gleicher
Laufzeit (sog. Isochronen) für
RSSR-Reflektionen berechnet und die in
den Seismogrammen enthaltenen Amplituden
auf diese Isochronen verteilt. Das
Ergebnis ist dann ein räumliches Abbild
von RSSR-Reflektoren. Bei einer stationären
Tunnelbrust verbleibt eine hohe
räumliche Unschärfe, da die ortsfeste
Tunnelortsbrust als sekundäre Quelle
betrachtet wird. Bei einem aktiven Tunnelvortrieb
hingegen überlagern sich
RSSR-Reflexionen von verschiedenen
Ortsbrustpositionen konstruktiv, so dass
eine bessere räumliche Auflösung von
Reflektoren möglich ist (Abb. 6). In
Abb. 7 sind die seismischen Daten mit
den RSSR-Reflexionen und das Ergebnis
der RSSR-Migration gegenüberge-
stellt. Für die Migration wurden die von
Empfänger 1 aufgezeichneten Schüsse
42 bis 76 (Abb. 4) berücksichtigt. Etwa
45 m vor der Ortsbrust liegt ein Reflektor,
der mit dem Einsatz der Phase
RSSR1 korreliert, etwa 20 m weiter in
Vortriebsrichtung liegt ein weiterer Reflektor,
der mit der Phase RSSR2 korreliert.
Im Rahmen der Vorerkundung der Pioramulde
durch das AlpTransit-Konsortium
wurden von der Ortsbrust des Piora-Sondierstollens
Erkundungsbohrungen abgeteuft
und das dabei angetroffene Gestein
charakterisiert. Folgende Einheiten
wurden dabei angetroffen: ein 8 m mächtiger
Betonzapfen, mit dem der Son-
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Abb. 5: Daten nach Bearbeitung (Empfänger 1, tunnelwandnormale Komponente).
R: Direkte Rayleigh-Welle, RR1: Rayleigh-Reflexion der Tunnelortsbrust,
RSSR1: RSSR-Reflexion von Kakirit-Lage, RSSR2: RSSR-Reflexion
vom Übergang der Kakirit-Lage zur Piora-Mulde.
Seismic data after processing (receiver 1, perpendicular to the tunnel wall).
R: direct Rayleigh wave, RR1: Rayleigh wave reflection from the tunnel face,
RSSR1: RSSR reflection of cataclastic layer, RSSR2: RSSR reflection from
the transition of the cataclastic layer to the Piora basin.
dierstollen verfüllt wurde, Lucomagno-Gneise, eine ca.
16 m mächtige kakiritische Störzone, sowie die Piora-
Mulde, die durch einen Wechsel von sehr instabilem zuckerkörnigem
Dolomit und festeren karbonatisch-sulfatischen
Gesteinen geprägt ist (Schneider, 1997). Die Einheiten
sind in Abb. 3 zusammen mit der RSSR-Migration
der Aufzeichnungen von Empfänger 1 dargestellt. Erhöhte
Reflexionsamplituden zeigen sowohl den Übergang
vom Lucomagno-Gneis zum Kakirit als auch vom Kakirit
zur Pioramulde.
Zusammenfassung und Ausblick
Das am GFZ Potsdam entwickelte Integrierte
Seismische Imaging System ISIS
besteht den aus Hardware-Komponenten
sowie der Software, die zur Vorauserkundung
im Tunnelbau erforderlich sind.
Dazu zählen seismische Quellen, die
wiederholbare und hochfrequente Signale
anregen und Empfängersysteme, die
zusammen mit im Tunnelbau üblichen
Gebirgsankern verwendet werden können.
Die Software leistet die zur Interpretation
der gemessenen Daten notwendige
Bearbeitung und Visualisierung und
Aufzeichnung weiterer geologischer und
geotechnischer Daten. Bei Messeinsätzen
unter Verwendung dieses Systems
wie auch bei der Auswertung der synthetischen
Modellierung seismischer Wellen
in der Tunnelseismik hat sich gezeigt,
dass an der Tunnelwand entlang laufende
Oberflächenwellen mit der größten Energieangeregt
werden. Modellierungen zeigten auch, dass
diese sich grundsätzlich dazu eignen, Reflektoren vor der
Ortsbrust eines Tunnels zu erkennen. Die Reflexionen
stammen von an der Ortsbrust zu S-Wellen konvertierten
Oberflächenwellen, die nach der Reflexion zur Ortsbrust
zurückkehren und dort wieder zu Oberflächenwellen
konvertieren (RSSR-Reflexionen). Messungen des GFZ
Potsdam an der Ortsbrust des Piora-Sondierstollens an der
Baustelle Gotthard-Basistunnels zeigten in den Messdaten
Einsätze, die mit dem Auftreten von RSSR-Reflexio-
Abb. 6: Prinzip der RSSR-Migration für zwei verschiedene Positionen der Tunnelortsbrust. Die seismische Quelle
(schwarze Raute) und der Empfänger (invertiertes Dreieck) können an einer festen Position operieren und liegen mit
der Tunnelachse in einer Ebene. Für die erste Ortsbrustposition (blaue Linie) sind die Strahlwege einer RSSR-Reflexion
skizziert: Schwarze Pfeile zeigen Rayleigh-Wellen, blaue Pfeile zeigen S-Wellen. Die Isochrone einer RSSR-Reflexion
wird durch einen Kreis um die Kante der Ortsbrust auf der Seite von Quelle und Empfänger repräsentiert. Es
besteht eine starke räumliche Mehrdeutigkeit in der Lokalisierung des Reflektors. Wird die Messung nach einem gewissen
Vortrieb wiederholt (rote Linie), wird die Mehrdeutigkeit bereits deutlich reduziert. Eine weitere Verbesserung in
der Lokalisierung des Reflektors kann durch die Anordnung von Schlagpunkten und Empfängern um den Tunnel herum
erreicht werden.
Principle of the RSSR migration assuming two different tunnel face positions. The seismic source (black diamond) and the
receiver (inverted triangle) can operate at
a fixed location. The ray paths for an RSSR
reflection are shown for the first tunnel
face position (blue line): Black arrows
indicate Rayleigh waves, blue arrows indicate
S waves. The isochrone of a RSSR
reflection is represented by a circle around
the edge of the tunnel face on the side of
the source-receiver profile. There is a
strong spatial ambiguity for the location of
the reflector. If the measurements are repeated
after the tunnel has been drilled further
(red line) the spatial ambiguity can be
resolved. Furthermore, if sources and
receivers are distributed at all azimuths
around the tunnel axis the reflector can be
located still more exactly.
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Abb. 7: Datenbeispiel der tunnelwandnormalen Komponente eines Empfängers (oben) und migrierte Sektion der gezeigten
Daten (unten). RR1: Reflektierte Oberflächenwelle von der Tunnelortsbrust, RSSR1: Konvertierte und reflektierte
Oberflächenwelle vom Beginn der Kakirit-Schicht, RSSR2: Konvertierte und reflektierte Oberflächenwelle von der Pioramulde.
Data example of the component perpendicular to the tunnel wall of receiver 1 (top) and migrated section of the data
(bottom). RR1: reflected surface wave from the tunnel face, RSSR1: converted and reflected surface wave from the cataclastic
layer, RSSR2: converted and reflected surface wave from the Piora basin.
nen erklärt werden können. Es konnten RSSR-Reflexionen
vom Beginn einer kakiritisierten Schicht sowie von
deren Übergang zur Pioramulde nachgewiesen werden.
Ein für die Überprüfung der Praxistauglichkeit des Systems
notwendiger Schritt ist nun die Anwendung bei einem
aktiven Tunnelvortrieb. Die bisher durchgeführten synthetischen
Modellierungen wie auch die Testmessungen
im Piora-Sondierstollen lassen erwarten, dass ein entsprechender
Einsatz eine wesentliche Unterstützung bei
der Detektion von Heterogenitäten vor dem Tunnel bedeutet.
Da das System hinter der Ortsbrust seitlich an der Tunnelwand
installiert wird, stört es nicht den Vortrieb an der
Ortsbrust und kann unabhängig von der Vortriebsart
genutzt werden. Da bei der Anregung an der Tunnelwand
Oberflächenwellen mit größerer Energie angeregt werden
als Raumwellen, kann bei diesem System grundsätzlich
mit einem hohen Verhältnis von Nutz- zu Störsignalenergie
und somit sehr stabilen Messergebnissen gerechnet
werden.
Literatur:
Bohlen, T., Lorang, U., Rabbel, W., Müller, C., Giese, R., Lüth, S., 2006. Seismic
prediction ahead of tunnel construction using Rayleigh to body wave conversion
at the head face. Manuscript in preparation.
Dickmann, T., and Sander, B., 1996. Drivage concurrent tunnel seismic prediction.
Felsbau 14, 406-411.
Giese, R., Klose, C., and Borm, G., 2005. In-Situ seismic investigations of fault
zones in the Leventina Gneiss Complex of the Swiss Central Alps: Geological
Society Special Publication 240, 15-24.
Kneib, G., Kassel, A., and Lorenz, K., 2000. Automated seismic prediction ahead
of the tunnel boring machine. First Break, 295-302.
Lüth, S., Buske, S., Giese, R., Goertz, A., 2005. Fresnel volume migration of multicomponent
data. Geophysics 70(6), 121-129.
Schleicher, J., Tygel, M., and Hubral, P., 1993. 3-D true-amplitude finite-offset
migration. Geophysics 67, 1112-1126.
Schneider, T.R., 1997. Gotthard-Basistunnel: Neue geologische Erkenntnisse im
Bereich des Tavetscher Zwischenmassivs und der Piora-Mulde. Schweizerischer
Ingenieur- und Architekten-Verein, Dokumentation D 0143.
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Technologieentwicklung im In-Situ-
Geothermielabor Groß Schönebeck
Ernst Huenges, Günter Zimmermann, Andreas Reinicke, Guido Blöcher, Heinz Gerd Holl, Björn Legarth, Ali Saadat,
Inga Möck, Helmuth Winter, Wulf Brandt, Silke Köhler, Angelika Spalek, Mathias Poser, Jörg Schrötter, Rainer Becker
Generation of electricity from geothermal heat is up to now limited to regions characterised by high temperature
(T > 150 °C) at lower depths. Beside the temperature, adequate rock types are required which store and supply hot
water. A reservoir rock with these profitable storage properties is represented by a 265 million years old sandstone
horizon which can be found in North-Germany in 4000 m depth. Hot water in these sandstones possesses a sufficiently
high temperature of 150 °C for electrical power production. To achieve the necessary productivity for economic use,
new surface and subsurface technologies have to be developed. For this purpose GFZ Potsdam uses an abandoned well
in Groß Schönebeck as an In-Situ geothermal laboratory. The investigated subsurface technologies include (I) reservoir
stimulation with the generation of artificial fractures to enhance the flow rates and (II) mitigation strategies to
preserve the initial conditions of the reservoir rock. The experiments demonstrated the enhancement of the productivity
by a selective frac design. In a second deep well at this site Groß Schönebeck these results will be applied for the
realisation of a doublet system (with a production well and an injection well) which will be coupled to a power plant
to enable electrical power production.
Zusammenfassung
Die Erzeugung von Strom aus Erdwärme durch die Nutzung
von Heißwässern beschränkt sich bisher auf Gebiete,
die durch hohe Temperaturen (T > 150 °C) in geringen
Tiefen der Erdkruste charakterisiert sind. Neben der Temperatur
sind aber auch Gesteinstypen notwendig, die
genug Heißwasser speichern und wieder abgeben können.
Ein 265 Mio. Jahre alter Sandsteinhorizont, den man in
Nord-Deutschland in 4.000 m Tiefe antrifft, stellt ein
Reservoirgestein mit günstigen Speichereigenschaften
dar. Die Heißwässer in diesem Sandstein besitzen eine zur
Stromerzeugung ausreichende Temperatur von circa
150 °C. Um die notwendige Produktivität zur wirtschaftlichen
Nutzung zu erreichen, müssen über- und untertage
neue Technologien entwickelt werden. Hierzu nutzt das
GeoForschungZentrum Potsdam seit 2002 eine Altbohrung
in Groß Schönebeck als In-Situ-Geothermielabor. Zu
den erforschten Untertage-Technologien zählen (I) die
Reservoirstimulation durch die Erzeugung künstlicher
Risse, um die Förderraten von Heißwasser zu erhöhen,
und (II) speicherschonende Aufschlussverfahren zur Erhaltung
der initialen Speichereigenschaften der Reservoirgesteine.
Die Experimente haben gezeigt, dass durch gezieltes
Riss-Design die Fördermenge an Heißwasser wesentlich
erhöht werden kann. In einer zweiten neuen Tiefbohrung
am Standort Groß Schönebeck sollen nun diese
Ergebnisse zur Realisierung einer Dublette (bestehend aus
Förderbohrung und Injektionsbohrung) umgesetzt werden,
durch die – gekoppelt an einen Kraftwerkskreislauf
– Stromerzeugung ermöglicht werden soll.
Einleitung
Anspruchsvolle energie- und umweltpolitische Zielsetzungen
stellen die Energieversorgung vor neue Herausforderungen:
Der Energiemix der Zukunft soll ökologisch
verträglich, ressourcensicher, wettbewerbsfähig und vor
allem nachhaltig sein. Die Minderung von Emissionen und
die deutliche Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien
an der Stromversorgung stehen dabei im Vordergrund.
Aus Erdwärme kann Energie in Form von technisch nutzbarer
Wärme oder elektrischem Strom bedarfsgerecht hergestellt
werden. Die Erde birgt dafür ein hohes, energiewirtschaftlich
interessantes Potenzial. Die geothermische
Fündigkeit ist dabei nicht auf vulkanische Gebiete
beschränkt. Im Prinzip gibt es Erdwärme fast überall, auch
in Mitteleuropa.
Allerdings muss man hier in Tiefen von vier bis fünf Kilometern
bohren, um ein Temperaturniveau zu erschließen,
das hoch genug ist, um über Dampfturbinen effektiv elektrische
Generatoren antreiben zu können. Dieses Potenzial
kann erst dann genutzt werden, wenn die noch hohen
Kosten und Risiken der Erschließung nachhaltig gesenkt
werden. Die Herausforderung liegt in der Entwicklung von
Technologien, die die Ergiebigkeit geothermischer Lagerstätten
steigern und die Risiken bei der Lagerstättenerkundung
senken.
Eine Wärmequelle ist heißes Wasser aus der Erde. Heute
nutzen noch die meisten größeren geothermischen Kraftwerke
der Welt heißes oberflächennahes Wasser aus vulkanisch
erhitzten Gesteinsschichten. Ähnliche hydrothermale
Systeme kommen aber auch in nichtvulkanischen
Regionen vor. Es gibt sie zum Beispiel im süddeutschen
Raum und in der Norddeutschen Tiefebene. Praktisch
überall im Untergrund stößt man ab 4.000 m Tiefe auf über
150 °C heiße Gesteinsformationen. Sie enthalten das bei
weitem größte Reservoir an geothermischer Energie, das
derzeit technisch zugänglich ist. Hydrothermalsysteme
oder trockene Hot-Dry-Rock-Systeme (HDR-Systeme),
wie diese Formationen je nach Wasserführung genannt
werden, stellen deshalb ein großes Zukunftspotenzial für
die Energieversorgung dar. Trocken bedeutet hier, dass
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
103

104
nicht ausreichend natürliches Wasser vorhanden ist, um es
wie bei den hydrothermalen Lagerstätten über einen längeren
Zeitraum an die Oberfläche zu pumpen.
Oft haben diese Felsformationen jedoch zu kleine natürliche
Risse, die einen zu geringen Wasserdurchsatz
und keinen effektiven Wärmeaustausch ermöglichen. Mit
speziellen Stimulationsmethoden müssen dann zusätzliche
künstliche Risse erzeugt und die bestehenden
erweitert werden. Eine solche Methode ist die hydraulische
Stimulation der Klüfte und Risse: Das sogenannte
Hydraulic Fracturing ist in der Erdöl- und Erdgasindustrie
ein gängiges Verfahren (Economides et al., 2002; Entingh,
2000). In den 1940er Jahren entwickelt und ständig
weiter verbessert, wird es dort eingesetzt, um die Produktivität
von Bohrungen gezielt zu erhöhen. Dem
Hydraulic Fracturing kommt zunehmend auch in der Erdwärmenutzung
eine Schlüsselrolle zu. Mit ihm kann die
natürliche Wasserdurchlässigkeit des Reservoirgesteins
so erhöht werden, dass die geothermische Energiepro-
duktion ökonomisch interessant wird. Die Stimulationsmethoden
der Kohlenwasserstoffexploration sind allerdings
für die geothermische Nutzung von Warmwasservorkommen
nur begrenzt anwendbar. Für die Anwendung
in Geothermiebohrungen müssen sie weiterentwickelt und
angepasst werden (Abb. 1).
Die Entwicklung geeigneter Technologien zur Nutzung
der Untergrundwärme bildet daher seit einigen Jahren
einen der Forschungsschwerpunkte am GeoForschungs-
Zentrum Potsdam. Im europäischen Rahmen wird sie auch
im elsässischen Soultz-sous-Forêts zur Entwicklung des
HDR-Verfahrens vorangetrieben. Die Forschungs- und
Entwicklungsarbeiten verbinden interdisziplinäre Grundlagenforschung
zur Charakterisierung potenzieller geothermischer
Lagerstätten mit wirtschaftlichen und verfahrenstechnischen
Betrachtungen des Betriebs geothermischer
Anlagen. Die Forscher des GFZ Potsdam können
vor allem bei der Untersuchung geologischer, geochemischer,
geophysikalischer und geomechanischer Aspek-
Abb.1: Prinzipskizze der geplanten geothermischen Stromerzeugung. Aus einer Produktionsbohrung fördert eine Pumpe
heißes Tiefenwasser nach oben. Mit der Wärme wird in einem Verdampfer im Kraftwerkskreislauf eine Turbine zur
Stromgenerierung betrieben. Eine bereits bei niedriger Temperatur siedende organische Flüssigkeit in einem zweiten
Kreislaufsystem (Organic Rankine Cycle) treibt die Turbine an. Das vom zweiten Kreislauf gekühlte Tiefenwasser wird
über eine Injektionsbohrung (blau) wieder in die Tiefe gepresst.
Principle of the planned geothermal power generation. A pump delivers hot water from the depth through a production
well. A circuit working with an organic liquid of low boiling point is heated by the hot water. The gas pressure produced
drives a turbine and a generator (ORC). The cooled off water will be reinjected through a second borehole into
the underground.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2: Geologisches Blockbild der
Umgebung der bestehenden Bohrung
GrSk 3/90 (gelb). Legende: -1: Karbon,
-2: Autun Vulkanit, -3: Eldena (6-1) bis
Havel, -4: Mellin bis Eldena (7), -5:
Werra Anhydrit bis Peckensen, -6: Zechstein
1 bis 4, -7 mittlerer-unterer Buntsandstein,
-8: Oberer Buntsandstein, -9:
Unterer Muschelkalk, -10: Mittlerer
Keuper bis Oberer Muschelkalk, -11:
Oberer Keuper, -12: Lias, -13: Kreide,
-14: Känozoikum
Geological 3D image of the area near the
existing well Groß Schönebeck 3/90
te der Lagerstättenerschließung neueste Forschungsergebnisse
anwenden. Hinzu kommt die Analyse und Bewertung
des Gesamtsystems. Für hydraulische Experimente und
Bohrlochmessungen verfügt das GeoForschungsZentrum
über ein In-Situ-Forschungslabor in einer 4,3 km tiefen
Geothermiebohrung im Nordosten Brandenburgs.
Im November 2003 wurde dort in einem Großexperiment
die Methode des massiven „Wasserfracs“ erstmals in
150 °C heißen sedimentären Tiefengesteinen im Norddeutschen
Becken getestet. Der Test hatte Erfolg: Nach dieser
Riss-Stimulierung stieg die Produktivität der Bohrung in
einen Bereich hinein, der die geothermische Stromerzeugung
im Norddeutschen Becken nicht nur generell möglich,
sondern auch energiewirtschaftlich interessant macht.
Das Geothermielabor Groß Schönebeck
Das GFZ entschied sich für Groß Schönebeck als Standort
der Forschungsbohrung auf Basis von geologischen und
bohrtechnischen Datenanalysen. Da eine mehrere Kilometer
tiefe Bohrung sehr teuer ist, kamen nur bereits existierende
Altbohrungen in Frage, die sich wieder öffnen lassen.
Außerdem haben Altbohrungen den Vorteil, dass ihre Bohrakten
bereits detailliert Auskunft über den Untergrund
geben. Diese Akten umfassen Informationen über angetroffene
Schichten, Gesteinsparameter, Zementationsprotokolle,
Bohrberichte und andere wichtige Informationen.
Es wurden die Bohrakten von mehr als fünfzig Altbohrungen
recherchiert, die für die Durchführung von Stimulationsexperimenten
und die angestrebte Nachnutzung
zunächst geeignet schienen. Die Wahl fiel auf die 1990 abgeteufte
Erdgasexplorationsbohrung E GrSk 3/90 in Groß
Schönebeck. Da die Altbohrung wie üblich mit Zement verfüllt
war, musste sie „aufgewältigt“ werden, d. h. dass der
Zement durch Nachbohren entfernt wird. Dabei wurde die
Bohrung um 54 Meter auf 4.294 Meter vertieft. Danach stand
sie als In-Situ-Versuchs- und -Messlabor für die Durchführung
von Bohrlochmessungen und Experimenten bereit.
Die Bohrung erschließt geothermisch interessante Horizonte
des Norddeutschen Beckens in Tiefen zwischen
3.900 und 4.300 Metern bei Temperaturverhältnissen um
150 °C. Bis zur Tiefe von 3.873 Metern ist sie mit nach
unten abnehmenden Durchmessern teleskopartig verrohrt.
An der Erdoberfläche hat sie einen Durchmesser von
24,5 cm und im Bohrlochtiefsten 12,7 cm. Im Oktober
2003 wurde die Bohrung nochmals vertieft, die Endteufe
liegt seitdem bei 4.309 m.
Für den Raum Groß Schönebeck (Umfeld der Bohrung
Groß Schönebeck 3/90) wurde ein geologisches 3D-Modell
entwickelt (Abb. 2), das das Störungsmuster und die geologischen
Horizonte inklusive Zielhorizont des geothermalen
Speichers in 4.000 m Tiefe zeigt.
Für die Modellierung wurden bereits existierende Daten
genutzt, bestehend aus 2D-Seismik- und Tiefbohrungsarchiven.
Die reprozessierten und als Ausdruck vorliegenden
2D-Seismikprofile wurden digitalisiert, die Bohrungsdaten
waren aus vorhergehenden Arbeiten digital
verfügbar. Insgesamt liegen nun 138 km 2D-Seismik und
Informationen aus 15 Tiefbohrungen von je 4.000 m Teufe
digital vor. Diese Daten wurden georeferenziert und
– basierend auf der 2D-Seismik – wurden das Störungsmuster
hergeleitet und nach strukturgeologischen Kriterien
ein 3D-Störungsmodell berechnet. Das Störungsmuster
besteht aus zwei Störungssystemen, die durch das
Zechsteinsalz entkoppelt sind. Die Teufenlage und Oberflächenform
der geologischen Horizonte wurde durch die
Verrechnung der reflexionsseismischen Markerhorizonte
mit den entsprechenden Teufenlagen gemäß der Bohrungen
verrechnet. In dem bisher existierenden 3D-Modell
wurden die Seismikhorizonte auf die Teufenlage aus den
Bohrungen geeicht. Um die Varianz dieser unterschiedlichen
Fehlergrenzen der Basisdaten zueinander statistisch
zu erfassen und in die Berechnung mit einfließen zu
lassen, wird derzeit ein Modell mit einer geostatistischen
Methode entwickelt. Mit neu gewonnenen Daten können
die 3D-Modelle auf ihre Aussagefähigkeit hin überprüft
werden. Darüber hinaus wurde ein strukturelles 3D-Lithofaziesmodell
für den geothermalen Speicher berechnet,
das die störungsgebundene Verteilung von sedimentären
Ablagerungstypen zeigt.
Vor der Durchführung von Stimulationsexperimenten war
es zunächst wichtig, den Ausgangszustand der Bohrung
zu bestimmen. Dazu fanden 2001 hydraulische Tests und
Bohrlochmessungen statt. Außerdem mussten Gesteinsproben
anhand von Laborstudien und Bohrlochmessungen
charakterisiert werden.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Stimulation steigert Produktivität
Neben den Mindesttemperaturen von 150 °C ist die stabile
Förderung großer Mengen von Thermalwasser eine
zweite Grundvoraussetzung für die Energiegewinnung,
denn das Wasser transportiert die Wärme zur Bohrung und
schließlich ins Kraftwerk.
Damit das funktioniert, muss der Gesteinskörper gut
durchlässig sein, also einen hohen Anteil hydraulisch verbundener
kleiner Hohlräume und Risse besitzen (Hot
Fractured Rock). Das gewährleistet eine gute Durchströmung
und einen hohen Wasserzufluss zur Bohrung. Wie
schon erwähnt, ist allerdings in Tiefen mit Mindesttemperaturen
um 150 °C die natürliche Permeabilität (Durchlässigkeit)
der Gesteine nur gering. Sie müssen durch Stimulation
künstlich aufgebrochen werden, um eine erhöhte
Wasserzirkulation zu erreichen.
Stimulationsexperimente haben zwei Ziele: Sie sollen im
Tiefengestein ein weitreichendes Risssystem erzeugen,
zugleich sollen sie einen Anschluss an wasserführende
Klüfte herstellen, die von Natur aus vorhanden sind. Dazu
wird in kurzer Zeit und unter hohem Druck ein Fluid, meistens
Wasser, in eine Bohrung verpresst. Der Druck des
hinein gepressten Fluids überschreitet dabei die im Gebirge
vorherrschenden Spannungen. So erweitert er vorhandene
Risse im Gestein, verbindet sie miteinander und
erzeugt neue Klüfte (Hydraulic Fracturing). Im Verlauf
des Experimentes werden die Injektionsraten stufenweise
erhöht und das Fluid gegebenenfalls mit hochviskosen
Zusätzen versetzt. Falls nötig, wird es auch zur Sicherung
der Rissöffnung mit Stützmitteln versetzt. Das sind
zum Beispiel Keramikkugeln von etwa 1 mm Durchmesser:
Sie lagern sich in den hydraulisch erzeugten Rissen
im Gestein ein und halten sie offen, wenn der Druck nachlässt.
Durch die Stimulation entsteht ein weit verzweigtes Kluftsystem,
das dem Thermalwasser neue Fließwege zur Förderbohrung
schafft: Nun funktioniert es als Transportweg
und als untertägiger Wärmetauscher mit großer Kontaktfläche.
Stimulation der Sandsteine
Die ersten – noch relativ sanften – Stimulationsexperimente
in den Sandsteinhorizonten in 4.200 Metern Tiefe
wurden noch weitgehend konventionell durchgeführt
(Legarth et al. 2005). Darunter versteht man ein Verfahren,
das auf Erfahrungen aus der Erdöl- und Erdgas-Exploration
basiert. Mehrere Hundert Kubikmeter einer hochviskosen
Flüssigkeit, einem Spezialgel, wurden bei einem
Überdruck von 17 Mpa injiziert und Stützmittel eingebracht.
Tatsächlich zeigten Messungen nach der Stimulation
einen erhöhten Zufluss an Grundwasser aus dem
umgebenden Gestein. Ein Produktionstest wies entsprechend
höhere Fließ- und Förderraten nach, ein erstes Indiz
für den Erfolg des Experiments. Es bewies, dass schon
geringe Druckanregungen Risse im Gebirge initiieren
können.
Die Tests waren auch ein operationeller Erfolg. Im offenen
und unverrohrten Bohrlochbereich im tiefsten Abschnitt
gelangen Experimente, die hohe Risiken bergen.
Dazu gehört der erstmalige Einbau eines so genannten
Packers in über 4 km Tiefe: Ein Packer ist ein Abdichtungssystem
für das Injektionsrohr. Wichtig war vor allem
nicht nur das Setzen des Packers: Nach dem Experiment,
bei dem das System unter hoher Belastung stand, musste
dieser wieder aus der Bohrung ausgebaut werden, um sie
nicht für die folgenden Experimente zu verschließen.
Anschließend wurde zur Abschätzung der hydraulischen
Parameter, die durch die Stimulation verändert wurden,
über rund zwei Monate ein Langzeitpumptest mit einem
Fördervolumen von insgesamt 580 m 3 durchgeführt (Reinicke
et al. 2005). Über einen längeren Zeitraum und unter
moderaten Druckbedingungen wurden die Durchlässigkeit
der unterschiedlichen Gebirgshorizonte, die Ausdehnung
des Reservoirs und die chemische Zusammensetzung des
zu fördernden Tiefenwassers bestimmt. Durch den Vergleich
mit den Daten vor den ersten Stimulationsversuchen
konnte so abgeschätz werden, wie sich die Produktivität
der Sandsteine durch die Stimulation verändert hat.
Allerdings erwies sich die durch die Sandsteinstimulation
erzeugte Produktivität als noch nicht ausreichend für eine
wirtschaftliche Stromerzeugung. Daher wurde entschieden,
die Experimente mit einer massiven Stimulation fortzusetzen.
Massive Stimulationsexperimente
Im Verlauf der nun folgenden massiven Stimulationsexperimente
wurden insgesamt etwa 12.000 m 3 Wasser sukzessive
mit steigender Injektionsrate und damit steigendem
Druck in den Untergrund injiziert (Zimmermann
et al. 2005). Um hohe Fließraten bis 80 l/s realisieren zu
können, wurden spezielle leistungsfähige Pumpaggregate
bereitgestellt (Abb. 3). Die übertägigen Anlagenteile
mit dem Bohrkopf und den Zuleitungen waren ausgelegt,
Abb. 3: Hochleistungspumpen für den massiven Wasserfrac
in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schöne-beck
bei Berlin, November 2003 (Foto: E. Huenges,
GFZ)
High capacity pumps for the massive water frac in the
geothermal research well Groß Schönebeck near Berlin,
November 2003
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4: Das Abbild der elektrischen Leitfähigkeit der Bohrlochwandungen (360°-FMI-Messung) in der Bohrung Groß
Schönebeck 3/90 zeigt einen 120 m langen Riss nach der ersten massiven Wasserfracbehandlung.
The image of the electrical conductivity of the borehole wall (360 degree FMI-measurements) in the well Groß Schönebeck
3/90 shows a 120 m long fracture after the first massive waterfrac treatment.
einem Druck von 50 MPa standzuhalten. Drei etwa 80 Meter
tiefe Wasserbrunnen stellten die Wassermengen bereit.
Das Wasser wurde in Behältern mit einer Kapazität von
1.500 m 3 zwischengespeichert und chemisch aufbereitet,
um die Verträglichkeit mit dem Tiefengestein und den Tiefenwässern
zu gewährleisten. Dazu gehört eine Ansäuerung
des Wassers, um Eisenhydroxyd-Ausfällungen im
Tiefenreservoir zu vermeiden.
Im ersten Abschnitt des Experimentes wurde ein Stufeninjektionstest
gestartet. Dabei wurde sukzessive die Injektionsrate
erhöht, zunächst bis 24 l/s; der Differenz-Druck
stellte sich bei 17 MPa ein. Folgende Wirkung wurde deutlich
beobachtet: Bereits ab einer Injektionsrate von 8 l/s
verringerte sich mit weiter ansteigender Injektionsrate der
Druckanstieg je Einheit der Injektionsrate. Entsprechend
erhöhte sich die Injektivität. Es wurde also mehr Flüssigkeit
je Druckeinheit im Untergrund verpresst, demnach
öffneten sich dort bereits Risse und Klüfte.
In einem anschließenden Test wurde untersucht, ob die
Injektivitätssteigerung auch mit einer Produktivitätssteigerung
verbunden ist. Während eines fünfstündigen Tests wurden
250 m 3 Wasser aus der Tiefe gefördert. Im Vergleich zu
den im Sommer 2002 durchgeführten Pumptests lag die
Produktivität damit bereits um ein Vielfaches höher. Mit
besonderen physikalischen (elektrischen, seismischen und
passiv Radioaktivität aufzeichnenden) Bohrlochmesssonden
wurden dann struktur- und gesteinbestimmende Messungen
im offenen Bohrlochabschnitt durchgeführt. Als
spezielle Messmethode kam auch ein Formation-Micro-
Imager (FMI) zum Einsatz, der den elektrischen Widerstand
der Bohrlochwand mit einer örtlichen Auflösung im Zentimeterbereich
vermessen kann. Damit ergab sich ein Bild,
das deutlich einen vertikalen Riss von etwa 150 m Länge
im unteren, unverrohrten Abschnitt des Bohrlochs zeigt
(Abb. 4) (Holl et al. 2005). Weitere Messungen belegen,
dass die Bohrung im tiefsten Abschnitt Gesteinsformationen
des Rotliegend durchteuft hat (vgl. Abb. 2).
Um das Risiko auszuschließen, dass bei weiteren massiven
Stimulationsexperimenten das Bohrloch im noch
unverrohrten Abschnitt im Tiefenbereich von 3.985 m bis
4.300 m einstürzt, wurde ein Schutzstrang aus Rohren
installiert. Dieser ist im so genannten Speicherbereich gelocht,
damit das Wasser durch die Wand der Bohrung fließen
kann. In der gesicherten Bohrung wurde dann das Testprogramm
mit Stimulation, Fördertest und Stufeninjektion
fortgesetzt (Abb. 5). Diese Tests konnten eine beachtliche
Produktivität von etwa 14 m 3 /(h MPa) (beim Riss-
Schließungsdruck) nachweisen (Abb. 6). Sie liegt damit
erstmals in einem Bereich, der geothermische Stromerzeugung
im Norddeutschen Becken nicht nur möglich,
sondern energiewirtschaftlich interessant macht.
Thermische Signatur der Stimulation im Reservoir
Mit der faseroptischen DTS-Temperaturmesstechnik (Distributed
Temperature Sensing) können Temperaturprofile
quasi-kontinuierlich mit hoher zeitlicher Auflösung
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 5: Produktionstest 2003 in Groß Schönebeck (Foto:
A. Saadat, GFZ)
Drilling rig, production test 2003, Groß Schönebeck
gemessen werden. Der Einsatz erfolgt entweder mit Bohrlochmesskabeln
(wireline, z. B. Hurtig et al., 1993; Förster
et al., 1997, Büttner and Huenges, 2003) oder indem der
faseroptische Sensor hinter der Verrohrung fest in der Bohrung
installiert wird (Henninges et al., 2005). Für den Einsatz
in Tiefbohrungen wurde in Kooperation mit der Industrie
ein spezielles Bohrlochmesskabel entwickelt, welches
für eine Einsatztemperatur bis 200 °C spezifiziert ist.
Dieses Kabel kam in der Bohrung Groß Schönebeck 3/90
zum Einsatz und stellte erstmalig DTS-Messdaten eines
Wireline-Systems aus Tiefen bis 4.250 m zur Verfügung.
Dabei wurde die Temperatur der kompletten Bohrlochstrecke
vermessen. Ziel dabei war, den Prototyp des
Kabels für die Charakterisierung der hydraulisch aktiven
Zonen zu verwenden: Der interne Aufbau des stimulier-
Abb. 6: Zunahme der Produktivität der Bohrung Groß Schönebeck durch
hydraulisches Aufbrechen (Frac). Nach jeder Stimulationsbehandlung
wurde die Produktivität getestet und daraus die hier dargestellten Indizes
ermittelt. Der Produktivitätsindex vom Februar 2003 konnte nur als Mindestwert
bestimmt werden. Der Wert vom Dezember 2003 wurde beim Rissschließungsdruck
bestimmt.
Enhancing productivity in Groß Schönebeck during hydraulic fracturing.
The productivity tested after each stimulation treatment was the base for the
shown indices. The productivity index of Febr. 2003 represents only the minimum
value. The value at the Nov./Dec. bar 2003 reflects productivity after
the fractures had closed.
ten Bereiches sollte möglichst erfasst werden. Drei Monate
nach dem zweiten massiven Wasserfrac wurden etwa
100 m 3 kaltes Wasser in die Bohrung gepumpt und
anschließend die Temperaturen mittels DTS-Technik und
zusätzlichen Messfahrten einer p/T-Sonde zur Überprüfung
und Kalibrierung des Prototyps gemessen.
Abb. 7 zeigt das Ergebnis der ersten DTS-Messungen
unmittelbar nach der Kaltwasserinjektion zusammen mit
dem Temperaturprofil einer Bohrlochsondenfahrt zwei
Monate danach. Betrachtet man den stimulierten Bereich
genauer, so kann man neben einer schwachen zeitlichen
Änderung zum ersten Mal deutlich die interne Strukturierung
des stimulierten Bereiches erkennen. Zwei hydraulisch
aktive Zonen (Ia, Ib) existierten bereits vor den massiven
hydraulischen Stimulationen. Nach dem Experiment wurde
eine dritte Zone (II) im Bereich des gelochten Liners nachgewiesen.
Diese dritte Zone wurde durch die Stimulation
innerhalb einer Zone von Konglomeraten und Vulkaniten
erzeugt, die unterhalb der Rotliegend-Sandsteine liegen.
Die hier dargestellten Ergebnisse belegen die Durchführbarkeit
von Wireline-DTS-Messungen in Tiefen über 4 km
und Temperaturen von 143 °C in salinaren Formationsfluiden.
Damit können mit Hilfe dieser Technologie wichtige
Eingangsgrößen für thermo-hydraulische Modellrechnungen
über das aufgeschlossene Reservoir erhalten werden.
Moderate Injektion in das Reservoir nach Stimulation
Im Dezember 2004 wurde in der Forschungsbohrung Groß
Schönebeck ein Injektionsexperiment durchgeführt, bei
dem über 18 Tage konditioniertes Brunnenwasser
mit einem Volumenfluss von
2 l/s injiziert wurde (Abb. 8). Anschließend
wurden die Bohrung eingeschlossen (shutin)
und die Druckentwicklung beobachtet.
Die Einschlussphase dauerte 76 Tage.
Die Auswertungen der Druckkurven zeigen
ein eindeutiges bilineares Fließregime
an (4.Wurzel-t-Gesetz). Dieses Fließverhalten
ist charakteristisch für einen
vertikalen Riss mit einer begrenzten Riss-
Leitfähigkeit. Der vertikale Riss wurde
während der vorangegangenen massiven
Stimulationsexperimente erzeugt und
konnte mit Hilfe von bildgebenden Bohrlochmessverfahren
über eine Mächtigkeit
von ca. 160 m im Reservoir nachgewiesen
werden. Zum Ende der Injektionsphase
beginnt das Fließverhalten in ein
pseudo-radiales Fließen überzugehen
(ln-t-Gesetz) und zeigt das Abströmverhalten
jenseits der horizontalen Ausdehnung
des Risses an. Gleiches gilt für die
Einschlussphase des Experiments.
Die Auswertungen der Druckkurven deuten
auf einen vertikalen Riss mit einer
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Rissleitfähigkeit von 1 Dm hin. Die Risshalblänge liegt
bei etwa 250 m, bei einer angenommenen effektiven Risshöhe
von ca. 43 m. Die zugehörige Transmissibilität liegt
bei 4 x 10 –14 m 3 und kennzeichnet die Durchlässigkeit der
Konglomerate und der Vulkanite. Das eigentliche Fluidreservoir
(Elbe-Hauptsandstein) ist bei diesem moderaten
Differenz-Druck nicht angeschlossen, was sich auch in
dem nach dem Test durchgeführten Temperatur-Log verifizieren
ließ.
Das statische Temperatur-Profil kennzeichnet die Temperaturstörungen,
die durch die massiven Frac-Experimente
hervorgerufen wurden. Das dynamische Temperaturprofil
wurde während der Förderung mit
2 l/s gemessen und charakterisiert die
aktiven Zuflussbereiche bei moderaten
Differenzdrücken.
Nachhaltige Thermalwasserproduktion
– Implikationen aus hydraulischem
Modell
Mit Hilfe gekoppelter thermisch-hydraulischer
Modellierung auf Basis des geologischen
Modells und unter Einbeziehung
der in den verschiedenen Experimenten
erzielten Gesteinsparameter wurden
Szenarien potenzieller nachhaltiger
Thermalwasserproduktion aus dem Reservoir
untersucht. Die thermisch-hydraulischen
Modellierungen haben zum Ziel,
das Reservoir der Bohrung Groß Schönebeck
3/90 zu charakterisieren und ei-
Abb.7:Temperaturmessungen in der Bohrung
nach Kaltwasserinjektionen in stimulierte
Horizonte im Vergleich mit Temperaturmessungen
vor der Stimulation
(Henninges et al., 2005). Links: Temperatur-Tiefen-Zeit-Verlauf.
Mitte: Temperaturmessungen
zu verschiedenen Zeiten,
A: nach Aufwältigung Oktober 2001,
B:vor der massiven Stimulation 4. November
2003, C: 5. März 2004 nach der massiven
Stimulation und D: 28. April 2004.
Hydraulisch aktive Zonen sind bezeichnet
als Ia, Ib, II (siehe Text). Rechts: Lithologie
und Gamma Ray.
Temperature measurements in the borehole
after cold-water injection into stimulated
horizons compared to temperature
measurements before stimulation
(Henninges et al., 2005). Left: temperature-depth
profiles; Centre: Temperature
measurements at different times; A: After
re-opening (Oct. 2001); B: before massive
stimulation (Nov. 4, 2003); C: March 5,
2004 after massive stimulation; D: April
28, 2004; Hydraulic active zones are
denoted as Ia, Ib, II (see text); Right:
Lithology and Gamma Ray.
nen nach thermischen und hydraulischen Gesichtspunkten
idealen Standort für die geplante Förderbohrung abzuschätzen.
Basierend auf den Ergebnissen der hydraulischen
Tests (Reinicke et al., 2005; Zimmermann et al.,
2005, Huenges et al., 2004), der Stimulationsexperimente
(Legarth et al., 2005) und Kernuntersuchungen (Lotz,
2004; Trautwein, 2005) wurden gekoppelte thermischhydraulische
Modellierungen mit Hilfe des Finite-Elemente-Programms
FeFlow (Diersch, 2002) durchgeführt.
Zielsetzung dieser Modellierungen war es, quantitative
Aussagen über die Produktivität, die Nachhaltigkeit und
das thermische Verhalten des Reservoirs unter den geplanten
Produktions- und Injektionsbedingungen (Dubletten-
Abb. 8: Aufbau des Injektionsexperiments im Winter 2004/2005 (Foto:
A. Saadat, bearb. Geothermie-Gruppe GFZ)
Installation of the injection experiment in winter 2004/2005
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Abb. 9: Thermisch-hydraulische Modellierung eines Thermalwasserkreislaufes
mit einer Rate von 75 m 3 /h (mit paralleler Ausrichtung künstlich
erzeugter Fracs, wie in den Kästchen im linken Diagramm skizziert). Druckentwicklung
(links) in der Injektionsbohrung sowie Temperaturverteilung
einer Dublette mit 250 m Abstand nach 20 Jahren Förderung und Injektion.
Risstransmissibilität im Frac wurde mit 1 Dm und die Transmissibilität im
Fernbereich mit 0,1 Dm angenommen.
Thermal hydraulic model of the thermal water loop (75 m 3 /h) (frac orientation
parallel and perpendicular). Pressure vs. time within injection well (left)
and temperature distribution of a doublet with 250 m distance of injection
point to production point. Assumption for transmissibility of the fracture
1 DM ans transmissibility of environ rocks 0.1 Dm.
betrieb) zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden verschiedene
Szenarien simuliert, insbesondere der Abstand der
beiden Bohrungen variiert, um den nach hydraulischen
und thermischen Gesichtspunkten günstigsten Abstand
der Bohrungen abzuschätzen (Abb. 9). Sind die beiden
Bohrungen so angeordnet, dass die künstlich erzeugten
Fracs in beiden Bohrungen parallel zueinander und senkrecht
zur Verbindungslinie beider Bohrungen stehen, stellen
sie ein ideales thermisch-hydraulisches System dar.
Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen
hydraulisch miteinander kommunizieren, aber gleichzeitig
thermisch entkoppelt sind, um einen thermischen Kurzschluss
auszuschließen.
In Abb. 9 ist die Temperaturverteilung einer Dublette nach
20 Jahren Förderung und Injektion dargestellt. Die Injektionstemperatur
in das Reservoir beträgt
70 °C. Das Reservoir besitzt eine mittlere
Temperatur von 150 °C. Der Abstand der
künstlich erzeugten Risse in beiden Bohrungen
beträgt 250 m. Dabei stehen die
künstlich erzeugten Fracs in den beiden
Bohrungen parallel zueinander. Eine
serielle Anordnung führt zu einem vorzeitigen
ungewollten Kurzschluss im Thermalwasserkreislauf.
Die parallele Anordnung
stellt ein ideales Anströmverhalten
hinsichtlich der Ausbreitung der Temperaturfront
dar. Für die Reservoireigenschaften
wurde ein poröses Medium ohne natür-
liche Risse und Klüfte vorausgesetzt. Dieses
entspricht dem jetzigen Stand der
Erkenntnis, dass durch die hydraulischen
Experimente keine natürlichen Klüfte
Ausblick
angeschlossen wurden (Zimmermann et
al., 2005; Legarth et al., 2005).
Aus dem Temperaturprofil in Abb. 9 ist
ersichtlich, dass die Temperaturstörung der
Injektionsbohrung unter den gegebenen
Modellannahmen erst nach 20 Jahren die
Förderbohrung erreicht hat. Um einen thermischen
Kurzschluss über die Betriebsdauer
von 20 Jahren auszuschließen, wird
man als konservative Abschätzung für den
Abstand beider Risssysteme mindestens
ca. 250 m wählen. In dieser Abschätzung
sind die prognostizierten konduktiven
Trennflächensysteme im Umfeld der Lokation
Groß Schönebeck, die nach den Planungen
mit der zweiten Bohrung angeschlossen
werden sollen, noch nicht berücksichtigt.
Diese stellen bevorzugte
Fließwege dar und beschleunigen die Ausbreitung
der Temperaturstörung. Gleichzeitig
aber erhöhen sie die Produktivität des
Reservoirs, sodass der Thermalwasserkreislauf
bei niedrigeren Injektionsdrücken
als modelliert, d. h. bei moderatem Einsatz
von Hilfsenergie, realisiert werden kann.
Die Stimulation ist nur ein erster Schritt. Jetzt muss
bewiesen werden, dass das Risssystem auch längere Zeit
offen bleibt und den Transport großer Wassermengen
garantiert. Der nächste Schritt zu einer geothermischen
Energieerzeugung ist die erfolgreiche Zirkulation des
Wassers zwischen zwei räumlich getrennten Bohrungen,
die im Bereich des Reservoirs etwa einen halben Kilometer
auseinander liegen. Dazu wird im Frühjahr 2006
in Groß Schönebeck ein zweites Bohrloch abgeteuft
(Abb. 10). Ein mehrere Monate dauerndes Zirkulationsexperiment
soll zeigen, ob sich das erzeugte Risssystem
zum dauerhaften Transport und Wärmeaustausch des im
Untergrund vorhandenen Wassers eignet. Nur langfristig
gesicherte Produktionsraten erlauben die nachhalti-
Abb. 10: November 2005, Vorbereitung des Bohrplatzes für die zweite Bohrung
(Foto: A. Saadat,GFZ)
November 2005, preparation of the drill site fore the second borehole
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

ge Nutzung eines Heißwasserreservoirs. Erst dann lohnt
sich die Investition in die Stromerzeugung.
In Groß Schönebeck soll die vorhandene Altbohrung als
Injektionsbohrung verwendet werden. Die bisherigen
Experimente zeigen, dass sie sich wegen ihrer Injektivitätswerte
gut dazu eignet. Zudem sprechen geometrische
Gründe dafür, die neu abzuteufende Bohrung zur Förderung
zu nutzen. Sie kann so angelegt werden, dass sie nicht
senkrecht durch den Speicherbereich stößt, sondern darin
abgelenkt wird. Das sorgt für einen längeren Verlauf in
dieser für die Produktion entscheidenden Schicht und
damit für größere Zuflussflächen.
Die vielfältigen Visualisierungsmöglichkeiten der 3D-
Modelle (beliebige Profilschnitte, Abdecken beliebiger
Horizonte, Hervorheben bestimmter Störungsblöcke und
Störungen, Eingabe bestehender und geplanter Bohrungsverläufe)
dienen als Entscheidungshilfe für die geologische
und technische Planung der Richtbohrarbeiten
für die Bohrung Groß Schönebeck 4/05 wie in Abb. 11
wiedergegeben.
Kann eine ausreichende Produktivität nachgewiesen werden,
dann soll in Groß Schönebeck in Kooperation mit Partnern
aus der Industrie eine Strom produzierende Forschungsanlage
errichtet werden. Sie soll vor allem verfahrenstechnische
Fragen klären, dabei steht die Wirtschaftlichkeit
geothermischer Stromerzeugung im Vordergrund.
Die langfristige Zukunft der Geothermie in Mitteleuropa
kann durchaus optimistisch eingeschätzt werden. Die
kürzlich in Neustadt-Glewe in Betrieb genommene geothermische
Kraft-Wärmekopplungsanlage zeigt, dass
Stromerzeugung aus Erdwärme unter hiesigen geologischen
Bedingungen realisierbar ist.
Die Entwicklung der Geothermie in Deutschland kann zu
einem wichtigen Beitrag für den weltweiten Ausbau regenerativer
Energien werden, denn der geologische Untergrund
hier ist typisch für Mitteleuropa und damit repräsentativ
für viele Gebiete. Funktioniert diese Technologie
also in Deutschland erfolgreich, dann kann sie weltweit
auf Gebiete ähnlicher geologischer Struktur übertragen
werden.
Literatur
Büttner, G. and E. Huenges, 2003. The heat transfer in the region of the Mauna
Kea (Hawaii) – constraints from borehole temperature measurements and coupled
thermo-hydraulic modelling. Tectonophysics, 371, 1-4, 23-40.
Diersch, H.-J.G. (2002). Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation
System – Reference Manual, Institute for Water Resources Planning and Systems
Research Ltd., Berlin.
Economides, M.J., Oligney, R., Valkó (2002). Unified Fracture Design, Orsa Press,
Alvin, Texas, USA.
Entingh, D. J., (2000). Geothermal Well Stimulation Experiments in the United
States, Proceedings of the World Geothermal Congress 2000, Kyushu – Tohoku,
Japan, pp. 3689-3694
Förster, A., J. Schrötter, D. F. Merriam, and D. D. Blackwell, 1997. Application of
optical-fiber temperature logging – An example in a sedimentary environment;
Geophysics, 62 (4), 1107 - 1113.
Abb. 11: Räumliche Darstellung des Bohrverlaufs der
bestehenden (hinten) und geplanten Bohrung (vorne) mit
Markierung der geologischen Horizonte. Der vertikale
Maßstab (mit Skala in m) ist gegenüber dem horizontalen
Maßstab um den Faktor 0,2 verkleinert.
3D view of the borehole profiles of the existing (behind)
and the planned boreholes (in front) showing the geological
horizons. The vertical scale (in m) is reduced by factor
0.2 compared to the horizontal scale.
Henninges, J., Schrötter, J., Erbas, K., and Huenges, E., 2005. Temperature field
of the Mallik gas hydrate occurrence – implications on phase changes and thermal
properties. In: Dallimore, S.R., and Collett, T.S. (eds.), Scientific Results
from Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie
Delta, Northwest Territories, Canada, Geological Survey of Canada Bulletin,
585.
Holl, H.-G., I. Moeck, and H. Schandelmeier, 2005. Characterisation of the Tectono-Sedimentary
Evolution of a Geothermal Reservoir – Implications for Exploitation
(Southern Permian Basin, NE Germany), Proceedings World Geothermal
Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005, 1-5.
Huenges, E., Holl, H.-G., Legarth, B., Zimmermann, G., Saadat, A., and Tischner,
T., 2004, The stimulation of a sedimentary geothermal reservoir in the North German
basin: case study Groß Schönebeck: Z. Angew. Geol., v. 2, p. 24-27.
Hurtig, E., J. Schrötter, S. Großwig, K. Kühn, B. Harjes, W. Wieferig, and R. P.
Orrell. 1993. Borehole temperature measurements using distributed fibre optic sensing;
Scientific Drilling, 3 (6), 283-286.
Legarth B., E. Huenges, G. Zimmermann, 2005, Hydraulic fracturing in a sedimentary
geothermal reservoir: Results and implications, International Journal of
Rock Mechanics & Mining Sciences 42, 1028-1041.
Lotz, B. (2004). Neubewertung des rezenten Wärmestroms im Nordostdeutschen
Becken, Scientific Technical Report STR 04/04, Potsdam, 226 p.
Reinicke A., G. Zimmermann, E. Huenges, H. Burkhardt, 2005, Estimation of
hydraulic parameters after stimulation experiments in the geothermal reservoir
GroßSchönebeck 3/90 (North-German Basin), International Journal of Rock
Mechanics & Mining Sciences 42, 1082-1087.
Trautwein U. and Huenges E., 2005, Poroelastic behaviour of physical properties
in Rotliegend sandstones under uniaxial strain, International Journal of Rock
Mechanics & Mining Sciences 42 (2005) 924-932
Zimmermann G., Reinicke A., Holl H. G., Legarth B., Saadat A., and Huenges E.,
2005, Well Test Analysis After Massive Waterfrac Treatments in a Sedimentary
Geothermal Reservoir, Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya,
Turkey, 24-29 April 2005, 1-5.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
111

112
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Hochdruck-Mineralphysik mit Synchrotron-
Strahlung – ein Zugang zu den Bedingungen
des tiefen Erdinneren
Hans J. Müller, Frank R. Schilling, Christian Lathe, Jörn Lauterjung
A journey to the interior of the Earth: During the early 80's of the last century geoscientists worldwide discovered synchrotron
radiation as a highly valuable tool for In-Situ investigations of geomaterials, i.e. experiments under simulated
Earth's mantle conditions. MAX80, a single-stage multi-anvil DIA-system at HASYLAB, Hamburg and operated by
GFZ Potsdam, was among the high-pressure pioneer apparatusses at a synchrotron beamline. Intensity and brilliance
of synchrotron radiation makes transient X-ray difraction (XRD) possible. The maximum conditions are about 12 GPa /
2000 K. To make Earth’s mantle transition zone conditions accessible, a more powerful double-stage multi-anvil,
MAX200x, was installed at HASYLAB’s HARWI-I beamline. The the first experiments with synchrotron radiation were
performed recently. This device bases on the experience gained with MAX80 and a similar apparatus at SPring-8, the
Japanese third-generation synchrotron radiation facility. Both apparatusses are placed at disposal to the worldwide
scientific user communities by GFZ Potsdam.
The interpretation of seismic data from the Earth's deep interior requires measurements of physical properties of Earth
materials under experimental simulated mantle conditions. Elastic wave velocity measurements at samples under
In-Situ conditions in high-pressure devices can be performed by ultrasonic interferometry. Whereas the classical sweep
method is very time-consuming, the newly developed ultrasonic data transfer function technique (DTF) is as fast as
XRD, just a few seconds to record the digitized response of the system.
Ultrasonic interferometry requires the exact sample length measurement under In-Situ conditions, because the interference
pattern do not only depend on wave velocity but also on sample length. X-ray imaging using the brilliant synchrotron
radiation, called X-radiography, produces grey-scale images of the sample under In-Situ conditions by converting
the X-ray image to an optical image by the fluorescence of a Ce-YAG-crystal at high P, T. Saving the optical
image by a CCD-camera after redirection by a mirrow also requires only few seconds. To quantify X-radiograpy, the
images are evaluated by image processing. Because X-radiography requires a much larger beam diameter than XRD,
fixed primary slits of MAX80 were exchanged by a 4-blade high precision slit system.
Some recent results on the non-quenchable high-P/low-P clinoenstatite transition, on the quartz-coesite transition,
on the standard-free pressure measurement and on innovative pressure generation techniques are given to demonstrate
the recent and future potentials of high-pressure mineral physics using synchrotron radiation at DESY, Hamburg.
Zusammenfassung
Eine Reise ins Erdinnere: In den frühen 1980er Jahren
erkannten die Geowissenschaftler weltweit die gewaltige
Bedeutung von Synchrotron-Strahlung für In-Situ-Messungen
an Geomaterialien, d. h. für Experimente unter
simulierten Erdmantel-Bedingungen. MAX80, eine vom
GFZ Potsdam am HASYLAB Hamburg betriebene, in
Japan konstruierte, einstufige Viel-Stempel-DIA-Apparatur,
ist eine der weltweit ersten an einem Synchrotron
installierten Hochdruck-Apparaturen. Intensität und Brillanz
der Synchrotron-Strahlung ermöglicht auch transiente
Röntgen-Beugung (XRD). Die Maximal-Drücke und
-Temperaturen liegen bei 12 GPa und 2000 K. Um die
Bedingungen an der Übergangszone zwischen oberem
und unterem Mantel im Labor erreichen zu können, wurde
eine leistungsfähige doppelstufige Viel-Stempel Apparatur,
MAX200x, an der HARWI-II-Beamline des HASY-
LAB installiert, aufbauend auf Erfahrungen mit MAX80
und einer ähnlichen Apparatur an der SPring-8, der japanischen
Synchrotron-Strahlungs-Quelle der dritten Generation.
MAX200x absolvierte kürzlich erfolgreich ihre
ersten Experimente mit Synchrotron-Strahlung und steht
wie MAX80 der weltweiten wissenschaftlichen Nutzergemeinschaft
zur Verfügung.
Die Interpretation seismischer Daten aus dem tiefen Erdinneren
erfordert Messungen der physikalischen Eigenschaften
von dafür repräsentativen Materialien unter experimentell
simulierten Bedingungen des Erdmantels. Messungen
der Ausbreitungs-Geschwindigkeiten elastischer
Wellen an Proben unter In-Situ-Bedingungen innerhalb
von Hochdruck-Apparaturen ermöglicht die Ultraschall-
Interferometrie. Im Gegensatz zur sehr zeitraubenden klassischen
sweep-Methode ist die neu entwickelte Ultraschall-
Daten-Transfer-Funktions-Methode (DTF) ebenso schnell
wie die Röntgenbeugung. Einige Sekunden genügen, um
das digitalisierte Meßergebnis abzuspeichern.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
113

114
Die Ultraschall-Interferometrie erfordert eine genaue
Messung der Probenlänge unter In-Situ-Bedingungen,
weil das Interferenz-Muster nicht nur von der Wellengeschwindigkeit
in der Probe, sondern auch von der
Probenlänge abhängt. Ein die brillante Synchrotron-
Strahlung nutzendes Röntgen-Bild-Verfahren, genannt
X-Radiographie, erzeugt, ähnlich wie bei der medizinischen
Röntgendiagnostik, schwarz/weiße Halbtonbilder
der Probe unter In-Situ-Bedingungen durch Umwandlung
eines Röntgenbildes in ein sichtbares optisches Bild mit
Hilfe der Fluoreszenz eines Ce-YAG-Kristalls. Dieses Bild
wird durch einen Spiegel aus der Richtung des Röntgenstrahls
abgelenkt und von einer CCD-Kamera aufgenommen.
Auch dieses Verfahren benötigt nur einige Sekunden.
Um quantitative Informationen aus dem Röntgenbild zu
erlangen, wird es mit Hilfe digitaler Bildbearbeitung ausgewertet.
Weil die X-Radiographie einen viel größeren
Strahldurchmesser als die Röntgenbeugung erfordert,
wurde die ursprünglich feste Primärblende der MAX80
gegen eine 4-Blatt-Präzisions-Blende ausgetauscht.
Eine Auswahl der neuesten Ergebnisse zum nicht quenchbaren
Hoch-P/Niedrig-P-Klinoenstatit-Phasenübergang,
zum Quarz-Coesit-Phasenübergang, zur standard-freien
Druckmessung und zu innovativen Druck-Erzeugungs-
Methoden werden vorgestellt, um das gegenwärtige und
zukünftige Potential der Hochdruck-Geomaterial-Forschung
mit Synchrotronstrahlung am DESY, Hamburg zu
demonstrieren.
Einleitung
1864 beschrieb Jules Verne in seinem weltberühmten
Roman „Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ phantasievoll
eine Reise ins Innere unseres Heimatplaneten. Sie
beginnt mit einem Einstieg in den Krater des isländischen
Vulkans Snaefellsjökull. Nachdem die Reisenden unterirdische
Flüsse und Meere befahren hatten, gelangten sie
unfreiwillig durch eine Sprengung in den Schlot des gerade
ausbrechenden Vulkans auf der Insel Stromboli. So
kehrten sie, weit vom Einstiegsort auf Island entfernt, zur
Oberfläche zurück. Kürzlich war in den Medien eine mehr
technologische Variante einer solchen Reise zu sehen.
Wahrscheinlich vom Bathyscaph Trieste inspiriert, der
1960 mit einer zweiköpfigen Besatzung im Marianengraben
die Rekordtiefe von 10.740 m erreicht hatte, sollte
eine massive Kapsel die Insassen vor Druck und Temperatur
im Erdinneren schützen. Um das Eindringen zu
ermöglichen, sollte das Material um die Kapsel mit Hilfe
starker Laser geschmolzen werden. Beide Varianten sind
anregend, technisch und wissenschaftlich so jedoch nicht
möglich. Dennoch enthalten beide einen Kern von Wahrheit.
Wie wir heute ziemlich sicher wissen, ist Wasser im
Erdmantel in weit größerer Menge als in den Weltmeeren
vorhanden. Aus der seismischen Tomographie und der
Geochemie wissen wir von Transportvorgängen riesigen
Ausmaßes mittels Subduktion zu großen Tiefen bis an die
Kern-Mantel-Grenze, also bis zu 3000 km Tiefe, und entsprechendem
Rücktransport zur Oberfläche, z. B. in Plumes.
Der Mantel ist in seinem Aufbau und in seiner Mineralogie
also keineswegs einfach und homogen, wie lange
angenommen worden war. Es gibt erhebliche stoffliche,
strukturelle und energetische Wechselwirkungen mit der
Kruste und an der Kern-Mantel-Grenze. Die Plattentektonik
ist das Ergebnis dynamischer Prozesse im Erdinneren.
Ohne Verständnis der Dynamik des Mantels, d. h. der
treibenden Kräfte hinter der beobachteten Kinematik,
bleibt Krusten-Forschung zu Teilen nur empirisch und
deskriptiv. Auch in naher Zukunft verfügbaren Tiefendaten
planetarer Nachbarn sind eine weitere Chance und
Herausforderung für die geowissenschaftliche Materialforschung
bei extremen Drücken und Temperaturen. Die
Erforschung des „Systems Erde“ ist undenkbar ohne die
wissenschaftliche Erkundung des Erd-Mantels in seiner
vollen Ausdehnung bis hin zur Kern-Mantel-Grenze.
Welchen Zugang haben wir nun wirklich zum Erdinneren?
Der direkte Zugang mittels Tiefbohrungen endet in
ca. 15 km Tiefe. Diese Grenze ergibt sich in erster Linie
aus der Temperaturzunahme. Die Spülungszirkulation, die
nicht nur die Kühlung sondern auch insbesondere den
Antrieb der Downhole-Motoren bewirkt, stößt an technologische
Grenzen. Wegen zunehmender Torsion des Bohrstranges
ist der Antrieb der Bohrwerkzeuge von der Oberfläche
her nur für geringere Teufen einsetzbar. Die Natur
hilft uns um den Preis einer gewissen Mehrdeutigkeit noch
ein Stück weiter. Natürliche Exhumierung vordem subduzierter
Gesteine ist bis etwa 30 bis 40 km Tiefe nachgewiesen
worden. Neuerdings fand man mikrodiamanthaltige
Gesteine aus wahrscheinlich sogar etwa 200 km
Tiefe. In den zur Gewinnung von Natur-Diamanten abgebauten
Kimberlit-Pipes wurden die Diamanten vermutlich
in wenigen Stunden aus 150 bis 300 km Tiefe mittels Eruption
an die Oberfläche gebracht. Nach Stand des Wissens
gibt es keine kristallinen Proben aus größerer Tiefe. All
unser „tieferreichendes“ Wissen gründet sich weitgehend
auf indirekte Beobachtungen, v.a. seismische Daten, d. h.
Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, Beugung
und Reflexion von elastischen Wellen, die, ausgelöst von
Erdbeben weltweit, den gesamten Erdkörper durchwandern.
Das Ergebnis ist aber konkret nur die Verteilung der
elastischen Eigenschaften in der Erde. Eine direkte strukturell-stoffliche
Aussage ist nicht möglich. Dazu kann man
nur durch die Kombination von experimenteller Simulation
der Bedingungen in großer Tiefe und interdisziplinäre
irdischer und planetarer Beobachtungen kommen. Deshalb
ist es von erstrangiger Bedeutung, unter den experimentell
simulierten In-Situ-Bedingungen (In-Situ bedeutet
am Ursprungsort, d. h. Untersuchungen bei Bedingungen,
die denen der Natur entsprechen) gleichzeitig die
elastischen Eigenschaften und die Strukturdaten zu messen,
um über den Vergleich mit den seismischen Daten aus
großer Tiefe zu einer stofflich-strukturellen Aussage zu
kommen.
Anders als bei der klassischen Quench-Methode, d. h. der
strukturellen Untersuchung von Hochdruck-Proben nach
dem Versuch, außerhalb ihres eigentlichen Stabilitätsbereiches
unter Nutzung der Metastabilität, arbeitet die
moderne Mineralphysik in Echtzeit und unter In-Situ-
Bedingungen. Ultraschall-Interferometrie erlaubt die Messung
der elastischen Eigenschaften von kleinen Proben
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

innerhalb von Druckkammern mit hoher Genauigkeit.
Synchrotronstrahlung – eine extrem intensive Röntgenstrahlung,
die bei der Radial-Beschleunigung von Elektronen
und Positronen in Speicherringen entsteht – gestattet
in Echtzeit die simultane strukturelle Untersuchung der
gleichen Proben. Durch die Kombination dieser drei verschiedenen
Methoden – Seismologie, Ultraschall-Interferometrie,
Röntgen-Phasenanalyse – ist ein leistungsfähiger
virtueller Zugang zum Erdinneren gegeben. Sowohl
transiente Messungen, also die messtechnische Protokollierung
eines Phasenüberganges in Echtzeit, als auch
insbesondere die Untersuchung nicht
quenchbarer Phasen sind nur mit In-Situ-
Verfahren möglich. Auch wenn es heute
noch nicht absehbar ist, wie stark die
experimentellen Möglichkeiten unser
Bild vom Erdinneren und dem der planetaren
Körper verändern werden, wissen
wir doch, dass In-Situ-Experimente bei
hohen Drücken und Temperaturen neue
Einsichten in die Prozesse im Inneren der
Erde und der Planeten liefern und wesentliche
Erkenntnisse zur Lösung heute noch
kontrovers diskutierter Vorgänge im
Erdinneren beitragen werden.
Druckerzeugung und Druckvervielfachung
Eine Probe wird so lange komprimiert,
bis Verdichtungsdruck und Gegendruck
der Probe wieder im Gleichgewicht sind.
Geschieht das in allen Punkten und Richtungen
des Raumes gleichmäßig, ist ein
hydrostatischer Druck gegeben. Plausiblerweise
muss das verdichtende Werkzeug
härter als die Probe sein. Da sich das
Werkzeug zur Verdichtung bewegen
muss, kann es nicht allseitig unterstützt
sein. Somit werden Druck- und Zugspannungen
im Werkzeug erzeugt, die bei
Überschreiten der Maximalwerte zum
Bruch führen. Um diese Grenze möglichst
weit hinauszuschieben, kommt es bei der
Konstruktion von Hochdruck-Zellen neben
der Benutzung hochfester Materialien
insbesondere auf eine konstruktive Begrenzung
dieser Spannungen an.
Abb. 1 zeigt die wahrscheinliche Druck
und Temperaturverteilung im Erdinneren
und die jeweiligen Grenzwerte der verschiedenen
heute üblichen Druck-Kammern.
Von den für die experimentelle
Simulation von Mantelbedingungen in
Frage kommenden fünf Systemen scheiden
Belt- und Piston-Zylinder wegen
ihres konstruktiv schwierigen bis unmöglichen
Zuganges für den Synchrotron-
Strahl weitgehend aus. Es verbleiben
somit drei Möglichkeiten: Toroid-Zelle
(Paris-Edinburgh-Zelle), Vielstempel-Apparatur (Multi-
Anvil) und Diamant-Stempelkammer (DAC). Abb. 2 vergleicht
die Grundprinzipien dieser drei Druckerzeugungs-
Methoden (Mueller et al., 2002a). Trotz aller Verschiedenheit
haben Toroid-Zelle und DAC eines gemeinsam –
in erster Näherung sind beide ein-axiale Druck-Kammern.
Hydrostatischer Druck wird nur durch das Fließverhalten
der Dichtungsmaterialien ermöglicht.
Bei der Toroid-Zelle wird der eigentlich ungehinderte seitliche
Ausfluss des Einbaus durch die spezielle Matrizen-
Abb. 1: Das tiefe Erdinnere (a) und die Hochdruck-Systeme zur experimentellen
Simulation der In-Situ-Bedingungen (b) (geändert nach Schilling,
2005; Kellogg et al., 1999; Luth, 1993, Mueller et al., 2002)
The Earth’s deep interior (a) and the high-pressure systems for experimental
simulation of In-Situ conditions (b) (modified from Schilling, 2005; Kellogg
et al., 1999; Luth, 1993, Mueller et al., 2002a)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 2: Druckerzeugungs-Technik in a) Toroid-Kammer
(Paris-Edinburgh-Cell), b) Diamant-Stempel-Kammer
(DAC) und c) Multi-Anvil-Apparatur; rosa – Dichtung, rot
– Probe (geändert nach Mao & Hemley, 1998; Sherman
& Stadtmuller, 1987, Mueller et al., 2002a, 2002b)
Pressure generation techniques in a) toroid- (Paris-Edinburgh-cell)
apparatus, b) diamond anvil cell (DAC), and
c) multi-anvil apparatus; pink - gasket, red - sample (modified
from Mao & Hemley, 1998; Sherman & Stadtmuller,
1987, Mueller et al., 2002a, 2002b)
form und die innere Reibung des mineralischen Druckübertragungsmittels
verhindert. Der größte Vorzug ist der
lateral völlig ungehinderte Zugang für den Synchrotron-
Strahl. Für die hier nicht weiter behandelte Neutronen-
Beugung ist zusätzlich der freie Winkelbereich von 360°
für die Detektoren entscheidend. Dem steht die Hauptbegrenzung
gegenüber, dass eine wesentliche Überschreitung
des nach langer Entwicklung heute erreichten Maximaldrucks
von 12 GPa kaum denkbar erscheint. Im
Gegensatz dazu steht der extreme Druck von bis zu
300 GPa in Verbindung mit der weitgehenden Transparenz
(nahes UV, sichtbares Licht, größter Teil des IR, Röntgen-
Bereich) der Diamant-Stempel-Zellen, d. h. die Probe
kann neben verschiedenen spektroskopischen Messungen
sogar lichtmikroskopisch beobachtet werden, der Hauptvorteil
der DAC. Wegen der geringen Größe des Druckraumes
genügt zur lateralen Unterstützung ein einfacher
Metallring oder neuerdings wegen des lateralen Synchrotron-Strahlungs-Zugangs
auch einer aus einem Kompositwerkstoff.
Die größten Nachteile ergeben sich gleichfalls
aus dem geringen Probenvolumen von 10 –11 bis 10 –14
m 3 und dementsprechend hohen Temperatur- und sekundären
Spannungsgradienten. Die Probe wird mittels Laser
punktuell erhitzt. Die dicht benachbarten Diamanten müssen
kühl gehalten werden. Dementsprechend sind polykristalline
Proben und Prozessuntersuchungen an Mehrkomponenten-Systemen
weitgehend ausgeschlossen. Eine
einfache geometrische Vergrößerung ist nicht möglich
ohne das Grundprinzip aufzugeben.
Im Gegensatz dazu basieren Vielstempel-Apparaturen
(Yagi, 1988; Yagi et al., 1987a, b) prinzipiell auf der weitgehend
allseitigen Unterstützung der Stempel. Sie sind
vom Prinzip her also drei-axial. Somit gibt es keine grundsätzliche
Begrenzung für Druck, Temperatur und Probenvolumen.
Das heute übliche Probenvolumen liegt bei 10 –7
bis 10 –8 m 3 . Es ist also tausendfach bis 10-millionenfach
größer als bei der DAC. Die Hauptnachteile gegenüber der
DAC sind heute noch der weit geringere Maximaldruck
und der fehlende spektroskopische und optische Zugang
Abb. 3: Kawai-Walker-Module in geöffnetem Zustand,
a) GFZ, b) APS, Argonne (Fotos: M. Koch-Müller, GFZ;
H.J. Mueller, GFZ)
Kawai-Walker-modules in opened state, a) GFZ, b) APS,
Argonne
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

zur Probe durch intransparente Stempel
und Dichtungen. Einstufige Multi-Anvils
erreichen mit Hartmetall-Stempeln etwa
8 GPa, mit solchen aus kubischem Bornitrid
10 bis 12 GPa. Zweistufige Systeme
mit Kawai-Walker-Modul (Abb. 3)
(jeweils 4 der 8 Zweit-Stufen-Stempel
haben einen gemeinsamen Sitz um eine
Spitze herum) kommen bis etwa 35 GPa.
Wird ein DIA-System (6 Stempel werden
gleichmäßig und rechtwinklig zueinander
auf das Probenzentrum hin voran
geschoben) mit einer dritten Stufe aus
gesintertem Diamant ausgerüstet, sind
etwa 60 GPa und mehr erreichbar. DIA-
Systeme erreichen höhere Maximaldrücke
wegen der gleichmäßigeren Stempelbelastung.
Bei Benutzung einer Deformations-DIA
(D-DIA), bei dem zusätzlich
zur gleichmäßigen Kompression der
DIA in einer Achse geregelt eine zusätzliche
Kraft aufgebracht werden kann,
wurden kürzlich schon in einem nur zweistufigen
System fast 100 GPa erreicht.
Das Grundprinzip der Mehrstufigkeit beruht auf dem
Abbau der Lateralspannung an jeder Stufengrenze und der
Erhöhung der praktischen Druckfestigkeit durch laterale
Stützung. Weiterhin können die Materialien für die jeweilige
Belastung optimiert werden, d. h. außen zäh und geringer
druckfest, innen superhart und spröde. Vereinfacht
ausgedrückt, je geringer die Druckeffizienz des Systems
ist, d. h. je geringer der Innendruck bei gegebener verdichtender
Kraft ist, desto besser werden die Stempel
unterstützt und desto höher wird der ohne Bruch erreichbare
Grenzdruck. Natürlich nimmt dabei der Gesamt-
Kraftbedarf zu. Die Anlage wird also stärker, größer und
schwerer.
Abb. 4: Die Maschinentische von MAX200x werden von Fa. Max Voggenreiter
in der Grube der HARWI-II Halle am DESY/HASYLAB montiert (Foto:
H.J. Mueller, GFZ)
The machine tables of MAX200x during assemblage in the pit of the HARWI-
II hall at DESY / HASYLAB by Max Voggenreiter Co.
Das Department 4 „Chemie der Erde“ des GFZ Potsdam
betreibt am Speicherring DORIS des DESY-HASYLAB,
ebenfalls eine Einrichtung der Helmholtz-Gemeinschaft,
zwei DIA-Systeme: MAX80, ein System mit einer Stempel-Kantenlänge
von 6 bis 3,5 mm in der ersten Stufe und
einer 2.500 kN Presse, betrieben an einem Ablenkmagneten
des DORIS-Speicherringes, und die neue MAX200x,
ein System mit zur Zeit 70 mm Kantenlänge in der ersten
Stufe und einer 17.500 kN Presse, betrieben am Wiggler
HARWI-II, der zur Zeit im Weltmaßstab stärksten an
einem Synchrotron installierten Presse. Die Aufstellung
am Synchrotron potenziert die wissenschaftlichen Möglichkeiten
für eine Druckerzeugungsanlage, ist jedoch
Abb. 5: MAX80 und MAX200x vor Montage der Strahlenschutz-Umhausung (Fotos: E. Gantz, H.J. Mueller, GFZ)
MAX80 and MAX200x still without hutch
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 6: Zweistufiger DIA-Messaufbau zur MAX200x,
a) vor und b) nach dem Hochdruck-Versuch, c) deformierte
Oktaeder und Dichtungen (Fotos: H.J. Mueller, GFZ)
Double-stage DIA set-up of MAX200x, a) prior and b)
after the high-pressure run, c) deformed octahedron and
gaskets
technisch weit anspruchsvoller als eine klassische Aufstellung
für Quench-Experimente. Neben den Problemen
des Strahlenschutzes für Bediener und Umwelt muss die
gesamte Anlage nämlich zur Ausrichtung des Synchrotron-Strahles
auf verschiedene Teile der Probe mit einer
Genauigkeit von ≤ 10 µm reproduzierbar im Raum manipuliert
werden können. Das hohe Gewicht – bei MAX200x
sind das immerhin ca. 30 t – macht die Aufgabe schwierig.
Die Anlage steht auf 3 Maschinentischen. Der untere
Rotations-Tisch bewegt die Anlage um ± 15° mit einer
Genauigkeit von 0,01° bei einer Geschwindigkeit von
5°/min . Darauf sitzt der Hubtisch für eine Bewegung von
± 125 mm bei einer Geschwindigkeit von 20 mm/min. Als
letztes unmittelbar unter der Presse kommt der Horizontaltisch
für eine Lateralbewegung von ± 50 mm bei einer
Geschwindigkeit von ebenfalls 20 mm/min. Wegen der
vom Speicherring vorgegebenen Strahlhöhe musste diese
Einrichtung unterflur in einer Grube angeordnet erden
(vgl. Abb. 4).
MAX80, eine der ersten Multi-Anvils an einem Synchrotron,
wird seit mehr als einem Jahrzehnt neben der
Eigennutzung der weltweiten Nutzergemeinde zur Verfügung
gestellt. Die brandneue MAX200x wird im Laufe
des Jahres 2006 diesem erfolgreichen Beispiel folgen,
ebenfalls der wissenschaftlichen Community zur Verfügung
stehen und die wissenschaftliche Ausbeute vervielfachen.
Abb. 5 zeigt beide Anlagen der Anschaulichkeit
halber während der Installation, also noch ohne Strahlenschutz-Umhausung.
Abbildung 6 demonstriert die
verschiedenen Stadien eines zwei-stufigen Versuchs an
der MAX200x.
Röntgenbeugung (XRD)
Der Name MAX für die beiden Multi-Anvils des GFZ
Potsdsam leitet sich von „Multi Anvil X-ray diffraction“
ab. Wie einleitend bemerkt ist die Röntgenbeugung unter
In-Situ-Bedingungen das primäre Ziel. Nur so kommt man
für strukturelle Untersuchungen von den Einschränkungen
der Quench-Methode frei. Da die üblicherweise verwendeten
Hartmetall-Stempel (Wolframkarbid in Kobalt
gebunden) für Röntgenstrahlen hochabsorbierend sind,
wird der durch die Primärblende auf etwa 0,1 mal 0,1 mm
ausgeschnittene weiße (großer Wellenlängen-Bereich,
analog zu weißem, sichtbarem Licht) Synchrotron-Strahl
durch die von den Gaskets (vgl. Abb. 2) offengehaltenen
Spalte zwischen den Stempeln zur Probe geleitet. Der
ungebeugte Strahl verlässt die Anlage auf der gegenüberliegenden
Seite in gleicher Weise und wird im so genannten
Beam Stop absorbiert. Der Fächer des gebeugten
Strahls verlässt die Anlage ebenfalls durch einen Spalt
zwischen den Stempeln. Zwei in großem Abstand voneinander
angebrachte Detektorblenden werden so justiert,
dass nur die im Probenzentrum gebeugten Strahlen auf
den Germanium-Festkörper-Detektor fallen. Das so gewonnene
Beugungs-Spektrum wird über einen PC ausgelesen.
Wegen der hohen Intensität der Synchrotron-Strahlung
genügen Expositionszeiten von weniger als eine
Minute, mit eingeschränkter Genauigkeit schon einige
Sekunden, um Veränderungen in der Kristall-Struktur zu
detektieren. Transiente Messungen sind also möglich.
Neben der hier beschriebenen energiedispersiven Röntgenbeugung
können auch winkeldispersive Röntgenbeugungs-Experimente
durchgeführt werden. Dazu wird ein
Doppel-Kristall-Monochromator mit Si(311)-Einkristallen
benutzt. Ein CCD-Detektor von 133 mm Durchmesser
fängt die vier Beugungs-Fächer auf, die von den vier
Schlitzen zwischen den Stempeln aus den Beugungs-Ringen
ausgeschnitten werden. Da als Ergebnis der Monochromatisierung
(nur ein ganz schmaler Frequenzbereich
wird benutzt) der größte Teil des weißen Spektrums zurückgehalten
wird, steigt die Expositionszeit am Ablenk-
Magneten in den Stundenbereich. Das Verfahren wird für
die Linien-Verfeinerung bei Präzisions-Untersuchungen
eingesetzt.
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Druckmessung
Mineralphysikalische Hochdruck-Daten wären ohne Angabe
des Druckes, bei dem gemessen wurde, weitgehend
wertlos. Wegen der o. g. lateralen Stempel-Unterstützung
hilft eine Messung der Kraft und anschließende Berechnung
– Kraft pro Fläche – nicht weiter. Der klassische Weg
für Multi-Anvil-Systeme ist die Kalibrierung mit Hilfe der
Änderung des elektrischen Widerstandes bei verschiedenen
Phasenübergängen (Abbildung 7) bis 33 GPa.
Generell besteht das Problem, dass nur punktuell und nicht
parallel während des eigentlichen Versuchs gemessen wird,
weil die Drücke bei gegebener Kraft zwischen einzelnen
Versuchen erheblich schwanken können, nämlich bis zu
10 %. Am Synchrotron steht die wesentlich leistungsfähigere
Methode der Messung der Kompression der Elementarzelle
von Eichsubstanzen mittels XRD zur Verfügung.
Damit ist eine kontinuierliche Druckmessung während
jedes Druckversuches möglich, weil dazu lediglich eine
kleine Menge des Druckstandards mit in den Messaufbau
eingefügt und der Synchrotron-Strahl darauf fokussiert
werden muss. Wegen seiner geringen Röntgendichte, leichten
Verformbarkeit und einfachen Verfügbarkeit wird meist
NaCl benutzt. Insbesondere bei höheren Temperaturen wird
Au, Pt und MgO bevorzugt. Das Verfahren setzt die genaue
Kenntnis der Zustandsgleichung des benutzten Druck-Standards
voraus (Decker, 1971). Die Abbildungen 8 und 9 zeigen
die Ergebnisse von auf diese Art ausgeführten Druckmessungen.
Bei MAX200x (Abb. 8) wurde ein Standard-
Zwei-Stufen-Einbau 10/5 (10 mm Oktaeder-Einbau-Länge
und 5 mm Stempel-Stirnflächen-Länge) mit 8 Hartmetallwürfeln
von 32 mm Kantenlänge benutzt. Die Probe war
nicht vorverdichtet. Abbildung 9 gestattet einen Vergleich
des mit der MAX80 erreichten Drucks bei einem Standard-
Einstufen-Versuch mit 6 mm Stempeln mit den Daten eines
Zwei-Stufen-Versuchs bei gleicher Kantenlänge der Primärstempel.
Dazu wurde entsprechend Utsumi et al. (1986)
und Wang & Utsumi (2005) eine zweite Stufe mit kegel-
Abb. 7: Druck-Kalibrierung mit Hilfe elektrischer Widerstands-Messung
bei Phasenübergängen (geändert nach
Barlog, 2005)
Pressure calibration using electrical resistance measurement
at phase transitions (modified from Barlog, 2005)
Abb. 8: Druck-Kalibrierung mit Hilfe von XRD und NaCl-
Zustandsgleichung nach Decker (1971) – MAX200x mit
zwei-stufigem 10/5-Messaufbau in einfachem Bor-Epoxid-
Oktaeder (Mueller et al., 2006)
Pressure calibration using XRD and EoS for NaCl by
Decker (1971) – MAX200x with double-stage 10/5-set-up
in a simple boron epoxy octahedron (Mueller et al., 2006)
Abb. 9: Druck-Verdoppelung durch Sub-Stempel-Konfiguration
(Versuch 125) – Druck-Kalibrierung mit Hilfe
von XRD und NaCl-Zustandsgleichung nach Decker
(1971) – MAX80 (Mueller et al., 2006)
Pressure-doubling by sub-anvil configuration (run 125)
– pressure calibration using XRD and EoS for NaCl by
Decker (1971) – MAX80 (Mueller et al., 2006)
förmigen Stempeln in den würfelförmigen Messaufbau eingefügt.
Im Gegensatz zur Literaturangabe wurde statt der
dort benutzten Stempel aus gesintertem polykristallinen
Diamant nur einfache feinkörnige Hartmetall-Stempel
benutzt. Die Probe war ebenfalls nicht vorverdichtet. Dennoch
erbrachte schon dieser erste, noch nicht optimierte Versuchsaufbau
bereits eine Verdoppelung des erreichten
Maximaldrucks (Mueller et al., 2006). Das verdeutlicht hinlänglich,
welches Potential in der Mehrstufigkeit von Multi-
Anvil-Apparaturen steckt.
Temperatur-Erzeugung und Messung
Die experimentelle Simulation von In-Situ-Bedingungen
des tiefen Erdinneren erfordert neben hohen Drücken auch
hohe Temperaturen. In Multi-Anvil-Anlagen erreicht man
das durch elektrische Widerstandsheizung. Ein rohrför-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
119

120
miger Heizer umgibt dazu die Probe. Wegen geringer
Röntgen-Absorption, geringen elektrischen Widerstandes,
guter Verformbarkeit sowie guter Bearbeitbarkeit ist
Graphit das meistverbreitete Material. Da sich bei höheren
Drücken und Temperaturen Graphit aber in Diamant
umwandelt, werden dann LaCrO 3,verschiedene Karbide
oder Rhenium-Blech verwendet. Für reine XRD-Messungen
genügt die Phasen-Anschnitt-Steuerung der Leistungsquelle.
Für Ultraschall-Interferometrie ist diese Technik
nicht geeignet, weil das Ausschneiden von Teilen des
sinusförmigen Heizstromes breitbandige Störfelder verursacht.
In diesem Sinne ist Gleichstrom-Heizung optimal,
erfordert aber aufwendige Abschirmung und Isolation
des Thermoelementes, um Verfälschungen der Thermospannung
auszuschließen. Die modernste und leistungsfähigste
Methode ist die variable Hochfrequenz-Heizung.
Man benutzt dazu eine Frequenz außerhalb des für
die Messung kritischen Bereiches, z. B. einige Kiloherz.
Diese wird in einem Schwingkreis erzeugt, anschließend
geregelt verstärkt und dann mit einem Transformator dem
Verbraucher elektrisch angepasst. MAX80 ist mit Phasen-
Anschnitt-Steuerung und Gleichstrom-Heizung, MAX200x
mit Gleichstrom- und Hochfrequenz-Heizung ausgestattet.
Die Temperatur-Messung ist nicht besonders synchrotronspezifisch.
Sie erfolgt mit Hilfe des Seebeck-Effektes, d. h.
mittels Thermoelementen, die durch die Gaskets nach
außen geführt werden. Der thermoelektrische Effekt ist
aber druckabhängig (z. B. Li et al., 2002), was bisher meist
vernachlässigt wird. Eine völlig neue Möglichkeit zur
Temperaturmessung (Getting, 2005) ergibt sich auf der
Basis des Johnson-Rauschens, d. h. ein Widerstand erzeugt
ein Spannungs-Rauschen, dessen Leistung der thermodynamischen
Temperatur proportional ist. Damit zeichnet
sich eine absolute Temperatur-Messung
unter Hochdruckbedingungen ab. Da die
Messung letztlich auf der Wärmeschwingung
der Atome selbst beruht, werden alle
sekundären Beeinflussungen ausgeschlossen.
Daraus ergibt sich eine deutlich größere
Genauigkeit. Die ersten Geräte befinden
sich in Erprobung.
Am Synchrotron ergibt sich für jede Temperatur-Messmethode
der Vorteil, dass mit
Abb. 10: Schematische Darstellung des
Ultraschall-Laufweges bei MAX80 und
die resultierenden Oszillogramme – einfallende
Ultraschall-Welle und reflektierte
Wellen an jeder Trennfläche (Vertikalverschiebung
und 45°-Winkel der
Reflektionen sind unreal und dienen
nur der Demonstration (Mueller et al.,
2002b)
Schematic sketch of ultrasonic travel path
at MAX80 and the resulting oscillogram
– incident ultrasonic wave and reflected
waves at each interface (offset and 45°
angle of the reflections are only for
demonstration) (Mueller et al., 2002b)
Hilfe der Röntgen-Radiographie (siehe unten) unter In-
Situ-Bedingungen die genaue Position der Messstelle auch
bei erheblicher Probenverformung stets kontrolliert werden
kann.
Messung seismischer Geschwindigkeiten in Hochdruck-Apparaturen
mittels Ultraschall-Interferometrie
Die in der Petrophysik für verschiedene Druck-Kammer-
Typen sehr erfolgreichen Laufzeit-Methoden zur Bestimmung
der seismischen Geschwindigkeiten (Kern, 1982;
Mueller, 1995; Mueller & Raab, 1997; Mueller & Massonne,
2001; Ramelow, 2005) sind für die Hochdruck-
Mineralphysik meist ungeeignet, weil das Verhältnis von
Probenlänge zur Länge der Vorlaufstrecke durch die massive
Druckerzeugungs-Technik zu ungünstig ist. Die so
erreichbare Genauigkeit wäre ungenügend. Die für Gasdruck-Kammern
übliche Unterbringung der Ultraschall-
Schwinger im Druckraum scheidet wegen deren geringer
Festigkeit und des druckbedingten massiven Absinkens
des Konversionsfaktors der Ultraschall-Wandler aus. Sie
werden daher in druckfreien Hohlräumen hinter den Stempeln
untergebracht. Im Gegensatz zur erstgenannten Methode
wertet die Ultraschall-Interferometrie die Überlagerung
von reflektierten elastischen Wellen aus. Eine
Reflexion tritt an einer Grenzfläche immer dann ein, wenn
sich die akustische Impedanz, d.h. das Produkt von Dichte
und Wellengeschwindigkeit, signifikant ändert. Unabhängig
von der Länge der Vorlaufstrecke funktioniert das
Verfahren also so lange mit hoher Genauigkeit, wie am
Empfangs-Schwinger noch eine auswertbare Welle eintrifft.
Das Optimierungsziel ist also, dass die Reflexionen
vor Erreichen der Probe möglichst schwach sein sollten;
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am Probenende sollte die Energie möglichst vollständig
reflektiert werden. Konkurrierende Erwägungen der Festigkeit,
Wärmeleitung, elektrischen Isolation u. a. setzen
dem praktische Grenzen. Abbildung 10 zeigt schematisch
alle Reflexionen innerhalb eines Mess-Aufbaus der
MAX80.
Grundsätzlich sind Geschwindigkeitsmessungen in jedem
Teilstück möglich. Für die Messung der elastischen Geschwindigkeiten
in der Probe sind die von beiden Probengrenzflächen
reflektierten Wellen wichtig. Diese werden
für jede Frequenz innerhalb des ausgewerteten Frequenzbereiches
separat überlagert und interferieren miteinander.
Da sich die Wellenlänge mit der Frequenz ändert,
kommt es periodisch zur Ausbildung von konstruktiver
(verstärkender) und destruktiver (schwächender) Interferenz.
Das äußert sich in einer periodischen Schwächung
und Überhöhung des resultierenden Signals durch destruktive
und konstruktive Interferenz (Abb. 11). Der
Abstand zwischen diesen Minima und Maxima ∆f ist bei
bekannter Probenlänge l ein Maß für die Wellengeschwindigkeit
v.
v
∆f = (1)
2l
Wegen der großen Periodizität lässt sich dieser Abstand
als Mittelwert sehr genau messen (Abb. 12). Deshalb ist
die Interferometrie um bis zu drei Größenordnungen
genauer als die Bestimmung der seismischen Geschwindigkeiten
mit der Laufzeit-Methode (Birch, 1960, 1961;
Schreiber et al., 1973; Li et al., 1998).
Abb. 11: Konstruktive und destruktive
Interferenz von zwei Wellenzügen (Mueller
et al., 2002c)
Constructive and destructive interference
of two wavelets (Mueller et al., 2002c)
Da die Wellenlänge der elastischen Wellen
zur Vermeidung von Messfehlern
deutlich kleiner als die Probengröße, aber
größer als die Mineral-Körner polykristalliner
Proben sein muss, ergibt sich ein
nutzbarer Ultraschall-Wellenbereich zwischen
10 7 und 10 8 Hz. Erzeugung und
Empfang der Ultraschallwellen basieren
auf dem Piezo-Effekt, d.h. der Eigenschaft
bestimmter polarer Kristalle, sich
bei Anlegen einer elektrischen Spannung
zu verformen bzw. bei Verformung an der
Oberfläche elektrische Spannungen zu
erzeugen. Wegen Konversionseffektivität
und Temperaturbeständigkeit wird in der
Hochdruck-Mineralphysik meist LiNbO 3
verwendet. Zur Sicherung der benötigten
Breitbandigkeit, d. h. Unterdrückung
der Resonanzüberhöhung, werden die
Schwinger stark bedämpft. In der Digitaltechnik
läuft die Messung praktisch so
ab, dass ein durchstimmbarer Sinusgenerator
einen elektrischen Wellenzug der
Frequenz x zum Schwinger schickt. Das
nach Ende der Laufzeit empfangene Signal wird verstärkt,
digitalisiert und auf einer Festplatte abgelegt. Der Generator
wird auf die Frequenz x+1 eingestellt und der Vor-
Abb. 12: Die Laufzeitkurven sind als Funktion der Frequenz
bei 7,7 GPa dargestellt. Die Erfassung aller auftretenden
konstruktiven und destruktiven Interferenzen
gestattet die Bestimmung der Laufzeit in der Probe als
Regressions-Gerade für die horizontale Punkt-Folge zwischen
den Kurven entgegengesetzter Krümmung. (Mueller
et al., 2005a)
Travel-time curves are plotted as a function of frequency
at 7.7 GPa. Picking all available constructive and destructive
interferences as a function of frequency allows for
the determination of the travel time inside the sample as a
regression result for the horizontal point sequence between
the curves of opposite curvature. (Mueller et al., 2005a)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
121

122
gang wiederholt sich bis zur oberen Grenzfrequenz. Das
Ergebnis der Messung sind die Antworten der Messstrecke
auf jede der eingestellten monochromatischen Wellenzüge
zwischen oberer und unterer Grenzfrequenz. Das
ist die so genannte Sweep-Methode. Wird, wie z. Zt. an
der MAX80 üblich, zwischen 5 und 65 MHz mit einer Stufung
von 100 kHz gemessen, ergeben sich 601 Wellen-
Dateien. Das Abfahren dieses Bereiches und die Speicherung
der Ergebnisse dauert ca. 30 Minuten, für beide Wellentypen
(v p und v s) also insgesamt ca. eine Stunde. Damit
war die Ultraschall-Interferometrie der zeitlich limitierende
Faktor der Versuche. Die Anlage wurde dabei thermisch
sehr belastet. Die Expositionszeit-Vorteile der
hochintensiven Synchrotron-Strahlung gehen verloren.
Transiente Messungen sind so nur sehr eingeschränkt
möglich.
Eine neue Methode zur transienten Messung von
seismischen Geschwindigkeiten – die Ultraschall-
Daten-Transfer-Funktions-Technik (DTF)
Die Lösung des zeitlichen Problems der Sweep-Methode
wäre, wenn all diese Einzelmessungen parallel zur gleichen
Zeit ausgeführt werden könnten. Das gibt es seit kurzem
tatsächlich. Es ist die DTF-Methode. Eine erste mineralphysikalische
Anwendung dieser Technik wurde von Li
et al. (2002) publiziert. Unabhängig davon wurde eine ähnliche
Methode im Dep. 4 des GFZ Potsdam für die Belange
der GFZ-Mineralphysik entwickelt (Mueller et al.,
2005b). Dazu wird eine Anregungsfunktion berechnet, die
alle Frequenzen im gesamten erforderlichen Bereich
gleichmäßig anregt. Das ist allgemein die Fourier-Transformierte
des Frequenzbereiches im Zeitbereich. Praktisch
wird es komplizierter, weil das Einschwing-Verhalten
des Ultraschall-Wandlers, seine Resonanzkurve und
die Kennwerte des Arbiträrgenerators, der die errechnete
Funktion in ein elektrisches Signal umwandelt, berück-
sichtigt werden müssen. Die Lösung ist eine modifizierte
„raised cosine function“, die mit einem Digital-Filter hergestellt
wird (Abb. 13). Die Antwort der Messstrecke auf
diese Anregung ist die Daten-Transfer-Funktion, die analog
zur Anregung die Antwort auf alle monochromatischen
Wellenzüge zwischen den beiden Grenzfrequenzen enthält
(Abb. 14). Mit deren Abspeicherung, was beim Stand
der Technik je nach Auflösung zwischen 2 und etwa
30 Sekunden erfordert, ist die Messung abgeschlossen.
Werden Triple-Mode-Transducer benutzt, also solche, die
gleichzeitig Kompressions- und Scherwellen erzeugen und
empfangen, besitzt dies in einigen Sekunden aufgezeichnete
Signal den Informationsgehalt von einer Stunde Messung
mit der Sweep-Methode. Zur Reproduktion der Ergebnisse
für jede einzelne Frequenz wird die Daten-Transfer-
Funktion mit den Einzel-Frequenzen gefaltet. Das entspricht
der Multiplikation der Fourier-Transformierten.
f • g ↔ F ⊗ G (2)
Der Zeitaufwand wird also vom Experiment zur mathematischen
Auswertung verlagert. Die weitere Datenverarbeitung
entspricht der der Sweep-Methode. Die DTF-
Technik erfordert eine extreme Auflösung der gespeicherten
DTF. Diese Funktion (DTF) ist die Überlagerung
einer unendlichen Menge von monochromatischen Antworten
zwischen den beiden Grenzfrequenzen. Die Auflösung
muss also so hoch sein, dass auch die schwächste
darin enthaltene Einzel-Frequenz nach der Faltung noch
auflösbar ist. Anderenfalls wird die reproduzierte monochromatische
Antwort verfälscht (Abb. 15). Da die Fourier-Transformation
numerisch mit Hilfe des Algorithmus
der schnellen diskreten Fourier-Transformation (FFT)
abgewickelt wird, muss wegen Abbruch-Effekten im
Randbereich das abgespeicherte Signal auch noch mindestens
mit 3-facher Länge des Auswertungs-Bereiches
Abb. 13: Vergleich der Transfer-Funktion H(ω) des idealen Nyquist-Impulses und des raised-cosinus Impulses
mit verschiedenen Abkling-Faktoren einschließlich ihrer Impuls-Antworten (inverse Fourier-Transformierte von H) im
Zeit-Bereich. Ein raised-cosinus Impulse mit dem Abkling-Faktor α = 0 ist ein idealer Nyquist-Impuls) (Mueller et al.,
2005b)
Comparison of transfer function H(ω) of the ideal Nyquist pulse and the raised-cosine pulse with different roll-off factors,
as well as their impulse responses (inverse Fourier transform of H) in spatial domain. A raised-cosine pulse with
roll-off factor α = 0 is an ideal Nyquist pulse (Mueller et al., 2005b)
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Abb. 14: Ultraschall-Daten-Transfer-Funktion einer
Klinoenstatit-Probe bei 1 GPa – MAX80 (Mueller et al.,
2003)
Ultrasonic data transfer function of a clinoenstatite sample
at 1 GPa – MAX80 (Mueller et al., 2003)
gespeichert werden. Erst die DTF-Methode macht die
Ultraschall-Interferometrie uneingeschränkt synchrotron-adäquat
und für transiente Messungen tauglich.
Röntgen-Radiographie
Abb.15:Reproduktion eines monochromatischen Ultraschallsignals aus der
Daten-Transfer-Funktion durch Faltung in Abhängigkeit von der Auflösung
der DTF – 65.000 Datenpunkte sind für eine unverfälschte Reproduktion
nicht ausreichend (Mueller et al., 2006)
Reproduction of a monochromatic ultrasonic signal from the data transfer
function by convolution in dependence on DTF-resolution – 65,000 data
points are insufficient for a true reproduction (Mueller et al., 2006)
Ultraschall-Interferometrie erfordert eine sehr genaue Längenmessung
unter In-Situ-Bedingungen, weil der gemessene
kritische Frequenz-Abstand ∆f von Wellengeschwindigkeit
und Probenlänge abhängt. Am Synchrotron ist das möglich
durch Erstellen eines Röntgen-Schattenbildes der Probe
und ihres Umfeldes. Geschieht das mit weißer Synchrotron-
Strahlung, wie an der MAX80, wird dazu als Primärblende
eine schrittmotor-gesteuerte 4-Blatt-Präzisions-Blende benutzt.
Diese wird für die Röntgen-Radiographie (engl.
X-radiography) horizontal bis zur Schlitzweite zwischen den
Hartmetallstempeln und vertikal bis etwas über die Probenlänge
hinaus aufgefahren. Da alle Blenden-Blätter reproduzierbar
und unabhängig voneinander bewegt werden können
ist somit auch eine beliebige Verschiebung des Bestrahlungsfeldes
möglich. Wegen der größeren Strahlungsintensität
am Hard Wiggler wird bei der MAX200x monochromatische
Strahlung für die X-Radiographie benutzt werden.
Nach Passieren der Hochdruck-Zelle wird das Röntgen-
Schatten-Bild durch Fluoreszenz in einem 0,1 mm dicken
Ce:YAG-Kristall (vom Institut für Kristallzüchtung IKZ,
Berlin zur Verfügung gestellt) teilweise in
ein entsprechendes Lichtbild von etwa
540 nm Wellenlänge (hellgrün) umgewandelt.
Eine möglichst geringe Dicke des Kristalls
ist bedeutsam, um die Erwärmung
durch Röntgenabsorption zu begrenzen.
Die Erwärmung erfolgt im Volumen, die
Kühlung neben der Wärmeleitung zur Fassung
durch die Oberfläche zur umgebenden
Luft. Je dünner der Kristall ist, desto
größer ist sein Oberflächen/Volumen-Verhältnis.
Außerdem wird das optische Bild
schärfer, da es ebenfalls im Volumen des
Kristalls entsteht. Ein Al-beschichteter
Spiegel entkoppelt das optische Bild
vom nichtkonvertierten Röntgen-Schatten-
Bild, welches analog zur XRD im Beam-
Stop absorbiert wird. Eine CCD-Kamera
fängt das lichtoptische Bild nach Vergrößerung
durch ein lichtstarkes Makroobjektiv
ein. Es wird dann außerhalb der
Strahlenschutz-Umhausung auf einem
PC gespeichert. Die maximale optische
Auflösung von ca. 1 µm wird bestimmt
durch die Wellenlänge des grünen Lichts
von etwa 0,5 µm und die Apertur des
Objektivs von weniger als 0,5. Der minimale
Objekt-Abstand von ca. 4 cm ist ein
stark limitierender Faktor für die Objektivauswahl.
Alle Bauteile aus optischem
Glas und insbesondere der CCD-chip der
Kamera müssen zur Vermeidung von
Strahlen-Schäden außerhalb des direkten
Strahls gehalten und gegen Streustrahlung
abgeschirmt werden (Mueller
et al., 2005a, 2006). Abbildung 16 zeigt
ein Schema der X-Radiographie an
den Multi-Anvil-Anlagen MAX80 und
MAX200x.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb.16:X-Radiographie für Multi-Anvil-Apparaturen (geändert nach Mueller
et al., 2005a)
X-radiography scheme for multi-anvil cells (modified from Mueller et al.,
2005a)
Abb. 17: Proben-Längen-Messung einer Klinoenstatit-Probe unter In-situ-
Bedingungen mittels X-Radiographie und Bildanalyse (Mueller et al., 2005c,
2006)
In-Situ sample length measurement of a clinoenstatite sample by X-radiography
and image processing (Mueller et al., 2005c, 2006)
Die abgespeicherten optischen Bilder werden zur Messung
der Probenlänge entlang einer vordefinierten Linie einer
Schwärzungsanalyse mittels digitaler Bildanalyse unterzogen.
Dazu wird das Farbbild zunächst in ein schwarz/weiß
Halbton-Bild umgerechnet. Weil sich die Röntgendichte der
meisten an die Probe grenzenden Bauteile wenig unterscheidet,
werden 5 µm dicke Gold-Folien als Marker
und zugleich Ultraschall-Ankopplungs-Medium benutzt.
Abbildung 17 zeigt das Abbild einer Klinoenstatit-Probe
zwischen der Al 2O 3-Laufstrecke (oben) und dem NaCl-
Reflektor (unten) und das Ergebnis der Bildanalyse. Der
dunkle Bereich innerhalb des NaCl dicht an der Grenzfläche
zur Klinoenstatit-Probe ist das Thermoelement.
Unabhängig von der Längenmessung für die Ultraschall-
Interferometrie hat die Röntgen-Radiograpie entscheidende
Vorteile, z. B. bei der Messung der Probenverformung
in Deformations-Experimenten mit röngenstrahlen-transparenten
Stempeln und
bei der In-Situ-Viskositätsmessung von
Schmelzen mit Hilfe der Kugel-Fall-
Methode.
Standardfreie Druckmessung mit
Ultraschall-Interferometrie
Die Zuverlässigkeit der Druck-Standards
ist eine Schlüsselfrage jeglicher Hochdruck-Forschung.
Schon seit längerer
Zeit gibt es Anzeichen dafür und Diskussionen
darüber, dass alle Standards bei
höheren Drücken eine Unsicherheit von
10 bis 20 % haben könnten. Im Zuge der
sich ständig zu höheren Drücken verlagernden
geowissenschaftlichen Fragestellungen
ist das äußerst unbefriedigend.
Die unabhängige und simultane Messung
der dynamischen Kompressibilität mittels
Ultraschall-Interferometrie und der statischen
Kompressibilität mit Hilfe der
XRD-basierten druckinduzierten Volumenkompression
an einer Probe eröffnet
die Möglichkeit der standardfreien Druck-
Kalibrierung und demzufolge der absoluten
Druckmessung, weil alle dazu benötigten
Parameter auf direktem Wege und
unabhängig voneinander bestimmt werden,
d. h. irgendwelche zusätzlichen
Daten, wie z. B. die Volumenabhängigkeit
des Grüneisen-Parameters u. a., sind
nicht erforderlich. NaCl wurde gleichzeitig
als Druckstandard entsprechend der
Decker-Zustandsgleichung (Decker, 1971)
und als Probe für die Ultraschall-Interferometrie
benutzt. Die nur am Synchrotron
mögliche Röntgen-Radiographie-Längenmessung
hatte dabei entscheidende Bedeutung,
weil Verformungsmodelle, wie
Cook’s Methode (Cook, 1957; Kung et
al., 2001a, b), untauglich sind, da die Probendeformation
stark und vor allem nicht
hydrostatisch, d. h. ungleichmäßig in den Achsen des Raumes,
ist.
1 + αγT P dP
S = 1 + ∫ (3)
3h0 0 ⎧ 1 4 1 ⎫
⎜ – ⎜
⎩ t2 3 t p 2
s ⎭
S: lineare Kompression
α: linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
γ: thermodynamischer Grüneisen-Parameter
T: absolute Temperatur
P: Druck
ρ 0:Dichte bei Normaldruck
l 0: Probenlänge bei Normaldruck
t p, t s: Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Kompressions-
und Scherwellen entlang der Probe
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Abb. 18: Elastische Wellengeschwindigkeiten v p and v s von
polykristallinem NaCl unter Hochdruck. Die Versuche 2.2
und 3.10 benutzen einen 8-mm-Einbau für 6 mm Stempel-
Stirnfläche; Versuch 3.27 benutzt einen 5,5-mm-Einbau
für 3,5 mm Stempel-Stirnfläche (Mueller et al., 2003,
2005a)
Elastic wave velocities v p and v s of polycrystalline NaCl
at high pressure. Runs 2.2 and 3.10 use 8 mm set-ups for
6 mm anvil truncation; run 3.27 uses a 5.5 mm set-up for
3.5 mm anvil truncation. (Mueller et al., 2003, 2005a)
Abbildung 18 zeigt die Werte der Ultraschall-Ausbreitungs-Geschwindigkeiten
der verschiedenen Hochdruck-
Experimente.
Daraus wird mit
K S = ρ (v p 2 – 4/3 vs 2 ) (4)
κ = 1/K S
(5)
der adiabatische Kompressionsmodulus K S und die entsprechende
Kompressibilität κ S berechnet. Abbildung 19
vergleicht die daraus mit verschiedenen Dichte-Fit-
Methoden errechnete dynamische Kompressibilität mit
der aus statischen Kompressionsexperimenten (Birch,
1986). Dabei zeigt sich bei etwa 1,2 GPa die erste Überschneidung
als wahrscheinliches Ergebnis nicht-intrinsischer
Kompression (Schließung von Mikro-Rissen) bei
den statischen Kompressionsexperimenten. Danach laufen
die Kurven mit steigendem Druck weitgehend parallel.
Bei 5,3 GPa tritt die zweite und bedeutsamere Über-
Abb. 19: Kompressibilität von NaCl, gemessen mittels
Ultraschall-Interferometrie und statischer Kompression:
Zur Berechnung der Kompressibilität aus den elastischen
Wellengeschwindigkeiten wird die Dichte als Funktion des
Druckes benötigt. Die In-Situ-Dichte wurde aus der Analyse
der Probendeformation (Deformations-Fit) bestimmt,
unter Benutzung von veröffentlichten Zustandsgleichungen
(EoS Fit) und durch sukzessive Approximation. Die
X-Achse bezieht sich auf den Druck-Standard nach Decker
(1971). (Mueller et al., 2003, 2005a)
Compressibility of NaCl measured by ultrasonic interferometry
and static compression: The calculation of compressibility
from elastic wave velocities require the density
as a function of pressure. The In-situ density was determined
by analyzing the sample deformation (deformation
fit), using published EoS (EoS fit) and successive approximation.
The X-axis is related to the Decker (1971) pressure
scale. (Mueller et al., 2003, 2005a)
schneidung ein, da die Kurven mit steigendem Druck eine
zunehmende Abweichung zeigen. Beim Maximaldruck
von 7,71 GPa unserer Experimente ist die statische Kompressibilität
6,6 % höher als unser Messwert. Das bestä-
Abb. 20: Mittels Ultraschall-Interferometrie gemessener
Druck im Vergleich mit der Druckskale nach Decker
(1971) bezogen auf die Zustandsgleichung nach Birch
(1986). (Mueller et al., 2003, 2005a)
Pressure measured by ultrasonic interferometry vs.
Decker (1971) pressure scale related to the EoS by Birch
(1986). (Mueller et al., 2003, 2005a)
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125

126
tigt die weithin diskutierte Vermutung und deutet auf
beträchtliche Abweichungen bei höheren Drücken hin.
Abbildung 20 vergleicht die Drücke entsprechend Decker
(1971) mit unseren aus Ultraschallmessungen abgeleiteten
Werten. Diese Daten wurden bis zur fünften Potenz
polynominell gefittet:
p us = 0,34611 + 0,6807 p De + 0,01921 pDe 2
p us = + 0,00246 pDe 3 + 8,4777 . 10 –4 pDe 4 (6)
p us = + 5,75971 . 10 –5 pDe 5
wobei p us der aus unseren Ultraschall-Messungen abgeleitete
Druck und pDe der Druck entsprechend Decker
(1971) ist.
Quarz-Coesit-Phasenübergang – transiente Messungen
Die Hochdruckphase Coesit des SiO 2 spielt eine bedeutsame
Rolle bei der Interpretation des Subduktionsprozesses
von Krustenmaterial. Coesit wurde von Chopin, 1984 und
Gillet et al., 1984 in Gesteinen des Dora Meira-Massivs in
den West-Alpen sowie von Schreyer, 1995 u. a. auch in anderen
vorher subduzierten kontinentalen Gesteinen gefunden.
Daher ist der Quarz-Coesit-Phasenübergang von grundsätzlicher
Bedeutung für das Verständnis der Prozesse in
der subduzierenden Kruste. Hinzu kommt, dass die Natur
Abb. 21: v p und v p von Quarz und Coesit – 8 mm und
6 mm Einbauten. (Mueller et al., 2006)
v p and v s for quartz and coesite – 8 mm and 6 mm cubes.
(Mueller et al., 2006)
des Quarz-Coesit-Phasenübergangs kontrovers diskutiert
wird, weil Hochdruck-XRD-Untersuchungen auf eine
Zwischenphase während des Transformations-Prozesses
hindeuten (Zinn et al., 1997). Lathe et al. (2005) untersuchten
mit der MAX80 den Einfluss geringer Mengen von
H 2O auf die Reaktionskinetik. Das Ergebnis ist bedeutsam
in Hinblick auf die Ableitung der maximalen Versenkungs-
Tiefe von Gesteinen aus dem Auftreten von Coesit bzw. aus
den Spuren seiner Rückumwandlung zu Quarz.
Als Ausgangsmaterial für die Ultraschall-Hochdruck-
Experimente wurde natürlicher, gleichkörniger Quarzit
mit einem SiO 2-Gehalt von mehr als 99 Gewichts-Prozent
(Schilling, 1999) benutzt. Auf einer Präzisions-Rundschleif-Maschine
wurden daraus entsprechend den standardisierten
Messaufbauten Probenzylinder von 2,4 mm
Durchmesser und 1,6 mm Länge bzw. 2 mm Durchmesser
und 1,2 mm Länge hergestellt. Zur optimalen Ultraschall-Ankopplung
wurden die Stirnflächen poliert. Die
Experimente wurden entsprechend mit den Standard-Einbauten
für 6 mm und 4 mm Stempel-Stirnflächen-Kantenlänge
durchgeführt. Abbildung 21 zeigt die Ergebnisse
für die Wellengeschwindigkeiten.
Ein minimaler Druck von 4,5 GPa erwies sich als notwendig,
um den Phasenübergang von Quarz nach Coesit
zu starten. Die mit Synchrotron-Strahlung aufgenommenen
XRD-Daten zeigten bei 800 °C einen vollständigen
Umsatz in weniger als 2 Minuten. Das war viel zu schnell
für die benutzte Minimum-Sweep-Technik. Deshalb wird
der Frequenz-Bereich minimiert und die Frequenz-Stufung
maximiert um die für den Sweep benötigte Zeit zu
verkürzen, weil die leistungsfähigere DTF-Technik zum
Zeitpunkt der Experimente noch nicht zur Verfügung
stand. Das bedeutet jedoch, dass die Genauigkeit zugunsten
der Geschwindigkeit der Messung eingeschränkt
wird, weil die Periodizität und Mittelung des interferometrischen
Verfahrens eingeschränkt oder geopfert wird.
Die optimale Reaktions-Kinetik wurde bei einer Temperatur
von 720 °C bis 750 °C gefunden. Bei niedrigeren
Temperaturen startete die Reaktion entweder überhaupt
nicht oder stoppte bei etwa 50 % Umsatz zu Coesit. Die
Druckmessung, durchgeführt unter Benutzung des NaCl-
Reflektor als XRD-Druck-Standard, offenbarte die Ursache
dafür. Die temperatur-induzierte Erweichung des Bor-
Epoxid-Harz-Würfels führt zu einem Stress-Abbau im
gesamten Reaktionsraum. Hinzu kommt die mit dem Phasenübergang
verbundene Volumen-Kontraktion der Probe.
Beides führt zu einem dramatischen Druckabbau, der die
Reaktion stoppt. Die Veränderung der Materialeigenschaften
des Bor-Epoxid-Harzes erwies sich als so nachhaltig,
dass selbst eine Erhöhung der Pressenkraft auf
850 kN nicht ausreichte, um einen Druck von 4,5 GPa –
wie vor dem Phasenübergang – zu erreichen.
Um höhere Drücke nach dem Phasenübergang erreichen
zu können, wurde ein Experiment mit 6 mm Bor-Epoxid-
Harz-Würfel für eine Stempel-Stirnflächen-Kantenlänge
von 4 mm und den kleineren Quarz-Proben durchgeführt.
Zusätzlich wurden künstliche Gasket-Leisten aus Komposit-Material
benutzt, sonst nur üblich bei zweistufigen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 22: Transiente Messungen am Quarz-Coesit-Phasenübergang
– XRD und vp Laufzeit. (Mueller et al.,
2006)
Transient measurements at the quartz-to-coesite transition
– XRD and vp travel time. (Mueller et al., 2006)
Multi-Anvil-Apparaturen, um der Bor-Epoxid-Harz-
Würfel-Deformation entgegenzuwirken (Mueller et al.,
2003, 2005a).
Abbildung 21 zeigt die v p- und v s-Daten auch dieser Versuche.
Nun konnten zwar mehr Datenpunkte für Coesit
gemessen werden, aber sogar mit dem kleineren Einbau und
der lateralen Unterstützung konnte kein Maximaldruck von
10 GPa erreicht werden, wie ohne Wärmebehandlung.
Abbildung 22 gestattet den Vergleich der transienten v p-
Daten mit den Ergebnissen der gleichzeitig durchgeführten
XRD-Messungen. Diese erste transiente Ultraschall-Interferometrie-Technik
arbeitete mit einem Frequenz-Sweep
von etwas mehr als 2 MHz und einer Frequenz-Stufung von
300 kHz. Die dabei beobachtete Verschiebung eines Maximums
der konstruktiven Interferenz entspricht einer Zunahme
von vp von etwa 6,5 km/s auf ca. 7,5 km/s mit Hinweisen
auf einen temporären Zwischenzustand. Entsprechende
höherauflösende DTF-Experimente sind in Vorbereitung.
Nicht-quenchbarer Phasenübergang in Klinoenstatit
– Mehr-Phasen-Hochdruck-Experimente
Durch In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung ist
es möglich, auch nicht-quenchbare Phasen zu untersu-
chen. Als erstes System untersuchten wir den Hochdruck-
Klinoenstatit (MgSiO 3, HCEn)/Niederdruck-Klinoenstatit
(LCEn) – Phasenübergang unter Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen
mit In-Situ-XRD. Pyroxene gehören
zu den häufigsten gesteinsbildenden Mineralen in Kruste
und oberem Mantel. Ausgehend von der Analyse natürlicher
ultramafischer Hochdruck-Gesteine (e. g., Bozhilov
et al., 1999) wurden Pyroxene als die zweitwichtigste
Phase im oberen Mantel eingeschätzt, mit Anteilen von
bis zu 25 Volumen-Prozent (Ringwood, 1975). Woodland
& Angel (1997) vermuteten den orthorhombisch-Hochdruck-Monoklin-Phasenübergang
in Ca-armen Pyroxenen
als Ursache für die „seismische X-Diskontinuität“
(Revenaugh & Jordan, 1991). Das Wissen um die physikalischen
und chemischen Eigenschaften des Mantels ist
eine Vorbedingung für das Verständnis solcher für das
System Erde wesentlicher Prozesse, wie Subduktion und
Schmelze. Man hatte zunächst einen Zusammenhang zwischen
der „X-Diskontinuität“ und der Hydratation des
die subduzierende ozeanische Lithosphäre umgebenden
Mantels vermutet. Das steht jedoch dazu im Widerspruch,
dass man die Diskontinuität unterhalb der subduzierenden
Platte stets deutlicher fand als darüber, wo die Konzentration
von Wasser und anderen Volatilen durch aufwärts
gerichtete Wanderung viel höher ist. Dieser Widerspruch
wird durch die Hochdruck-Ergebnisse aufgelöst, weil der
orthorhombisch→hoch-P-monoklin-Phasenübergang in
Ca-armen Pyroxenen keinerlei Änderung des Chemismus
mehr erfordert (Woodland & Angel, 1997).
Enstatit, das reine Magnesiumsilikat-Endglied mit Pyroxen-
Stöchiometrie, MgSiO 3, existiert mindestens in fünf Phasen
mit Pyroxen-Struktur. Protoenstatit (PEn, Raumgruppe
Pbcn) ist stabil bei Temperaturen oberhalb 1000 °C bei Normaldruck.
In Richtung zu niedrigen Temperaturen transformiert
PEn zu Orthoenstatit (OEn, Raumgruppe Pbca). Der
Übergang von OEn zu Hochdruck-Klinoenstatit (LCEn,
Raumgruppe P2 1/c) wurde zuerst von Turner et al. (1960)
publiziert bei 0,5 GPa and 500 °C. Pacalo & Gasparik
(1990) bewiesen die Stabilität von Hochdruck-Klinoenstatit
(HCEn, Raumgruppe C2/c) bei für den oberen Mantel
charakteristischen Bedingungen 8,0 GPa und 900 °C. Angel
et al. (1992) publizierten auf der Grundlage von Einkristall-
XRD die Klinoenstatit-Transformation von der P2 1/c- zur
C2/c-Struktur bei ca. 5,5 bis 8,0 GPa und Normaltemperatur.
Sie bestimmten auch die Struktur von HCEn und schlussfolgerten
aus ihren Ergebnissen, dass der LCEn-HCEn-
Übergang nicht quenchbar sei, weil er bei Dekompression
bei Normaltemperatur in die P2 1/c-Struktur zurückfällt.
Abbildung 23 zeigt das MgSiO 3-Phasendiagramm im
Druck-Temperatur-Bereich 5 bis 9 GPa und 20 °C bis
1.200 °C. Unsere Experimente starteten mit reinem LCEn-
Pulver. Durch Druckerhöhung auf 6,5 GPa bei Normaltemperatur
wurde reiner HCEn gebildet und der Phasenübergang
mittels In-Situ-XRD nachgewiesen. Die Überführung
zu LCEn wurde durch stufenweise Steigerung der Temperatur
in Schritten von 50 K durchgeführt und ebenfalls mit
Synchrotron-Strahlung detektiert (Abb. 24). Abbildung 25
gibt einen Überblick unserer Experimente und vergleicht
unsere Phasengrenze mit den Daten von Angel & Hugh-
Jones (1994). Unsere Ergebnisse repräsentieren die Mini-
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128
Abb. 23: p-T-Diagramm für MgSiO 3 – Zusammenfassung
der experimentellen Daten von Angel et al. (1992), Angel
and Hugh-Jones (1994), Kanzaki (1991), Pacalo and Gasparik
(1990), Ulmer and Stalder (2001), und Mueller et
al. (2002d). (Mueller et al., 2002d)
p-T-diagram for MgSiO 3 showing summary of experimental
data by Angel et al. (1992), Angel and Hugh-Jones
(1994), Kanzaki (1991), Pacalo and Gasparik (1990),
Ulmer and Stalder (2001), and Mueller et al. (2002d).
(Mueller et al., 2002d)
mum-Druck-Bedingungen der HCEn-LCEn-Phasengrenze,
beschrieben durch P (GPa) = 0,0021 (GPa/°C) T (°C) +
6,048 (GPa).
Die Regressionsanalyse (Belsley et al., 1980; Holland &
Redfern, 1997) wurde zur Strukturverfeinerung der energiedispersiven
XRD benutzt. Diese Methode basiert auf
der Minimierung der Differenzen zwischen den gemessenen
d hkl und ihren berechneten Werten und wurde durchgeführt
unter Nutzung des Programms UnitCell vom
Department of Earth Sciences der Cambridge University.
Abbildung 26 vergleicht unsere Elementarzell-Parameter
mit Literaturdaten. Unsere Daten stimmen mit den Ergebnissen
von Shinmei et al. (1999) aus einer ähnlichen Multi-
Anvil-Anlage bei deutlich kleinerer Standardabweichung
unserer Daten sehr gut überein und bei Drücken unterhalb
7 GPa sogar mit denen von Angel & Hugh-Jones (1994)
aus einer DAC bei Benutzung von synthetischen CEn-Einkristallen.
Zur Durchführung von Ultraschall-Messungen wurde bei
Normaldruck synthetisiertes LCEn-Pulver in der MAX80
heiss-isostatisch gepresst (HIP) (Liebermann et al., 1975)
bei 0,4 GPa und 1.400 °C für 2 Stunden um Proben mit
weniger als 0,8 % Porosität zu erhalten. Ohne diese Maßnahme
würde der hochfrequente Ultraschall gestreut und
Geschwindigkeits-Messungen wären unmöglich. Die elastischen
Wellengeschwindigkeiten, v p und v s, der CEn-
Probe wurden unter In-Situ-Bedingungen sowohl mit der
Sweep- als auch mit der DTF-Technik gemessen (Mueller
et al., 2005b).
Entsprechend der üblichen Methode zur Durchführung
petrologischer Hochdruck-Experimente wurden die ersten
Ultraschall-Experimente ebenfalls prograd durchgeführt,
d. h. Druck und Temperatur nehmen während des Experiments
zu. Kung et al., 2004 beschrieb und
begründete die entgegengesetzte Strategie,
weil anderenfalls bei weitgehend
porenfreien Proben, wie sie bei Ultraschall-Messungen
benutzt werden, die
Gefahr bestünde, das die gemessenen
Phasengrenzen durch unrelaxierten
Stress innerhalb der Proben scheinbar
verschoben werden würden. Deshalb
führten wir auch ein Experiment dieser
Art aus. Abbildung 27 illustriert die p-T-
Pfade unserer Experimente im Phasendia-
Abb.24:XRD-Daten für HCEn und LCEn
bei 6,6 GPa und 250 °C/300 °C. Wegen
ihrer sehr geringen Energie-Verschiebung
haben die stärkeren Peaks nur eine
begrenzte Bedeutung für den Phasennachweis.
Mehrere kleinere Peaks gestatten
die Phasen-Identifikation. (Mueller et
al., 2002d)
XRD-data for HCEn and LCEn at 6.6 GPa
and 250 °C/ 300 °C. The stronger peaks
have a limited significance for phase
detection because the energy shift is very
small. Using several smaller peaks enable
the phase identification. (Mueller et
al., 2002d)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

gramm MgSiO 3 (Angel & Hugh-Jones, 1994; Mueller et
al., 2005b).
Abbildung 28 zeigt die Messergebnisse für die Ultraschall-Wellengeschwindigkeiten
aus zwei Versuchen.
Nach dem prograden Passieren der Phasengrenze bei
6,4 GPa wurde die Temperatur weiterhin bis 700 °C erhöht,
um das entgegengesetzte Passieren der Phasengrenze zu
HCEn beim anschließenden Druckanstieg auf 7,5 GPa
auszuschließen. Run 3/52 erfasst die Druck-Abhängigkeit
der Geschwindigkeit in LCEn bei konstanter Temperatur
von 700 °C zu 0,8 km/(s GPa) für v p und 0,7 km/(s GPa)
für v s. Die Messungen wurden mit der Sweep-Technik auf
beiden Druck-Niveaus ausgeführt. Die DTF-Technik
Abb. 25: Schema der Experimente zur
Bestimmung der HCEn-LCEn Phasengrenze.
Die Volllinie entspricht den von
Angel und Hugh-Jones (1994) veröffentlichten
Daten. Die punktierte Linie repräsentiert
unsere Ergebnisse der Maximum-
Temperatur-Bedingungen der HCEn-
LCEn Phasengrenze. (Mueller et al.,
2002d, 2005b)
Scheme of experimental runs to determine
the HCEn-LCEn phase boundary. The
dotted line represents the data published
by Angel and Hugh-Jones (1994). The
solid line represents our results of the
maximum temperature conditions of the
HCEn-LCEn phase boundary. (Mueller
et al., 2002d, 2005b)
wurde zum Vergleich ebenfalls an diesen Punkten benutzt
und zusätzlich dazwischen. Die Daten belegen die gute
Übereinstimmung der Messergebnisse beider Methoden
(Mueller et al, 2005b).
Versuch 3/112 ist eine multiphasiges retrogrades Experiment
im HCEn-Stabilitätsfeld. Nach Erhöhung des Druckes
bis 7,2 GPa wird die Temperatur sehr langsam mit
1 K pro Minute gesteigert bis 875 °C. Als Ergebnis der
thermischen Ausdehnung steigt der Druck dabei auf
11,3 GPa. Danach wird die Temperatur genau so langsam
wieder verringert. Die Ultraschall-Messungen werden
wegen der bei vorher höheren Temperatur erfolgten Stress-
Relaxation nur während dieses zweiten Versuchs-Seg-
Abb. 26: Veränderung der HCEn Elementar-Zell-Parameter
mit dem Druck
bei Normaltemperatur und bei hohen
Temperaturen dicht an der HCEn-LCEn-
Phasengrenze. Schema der Experimente
zur Bestimmung der HCEn-LCEn-Phasengrenze.
Die Ergebnisse dieser Arbeit
( ■) werden verglichen mit denen von
Shinmei et al. (1999) ( ■) und Angel und
Hugh-Jones (1994) ( ▲) veröffentlichten
Daten. Die eingezeichneten Geraden
repräsentieren die Ergebnisse der linearen
Regression nach der Methode der
kleinsten Quadrate für unsere Daten und
die der Vergleichsautoren. (Mueller et al.
(2005b)
Variation of HCEn unit cell parameters
with pressure at RT and at elevated temperatures
close to the HCEn-LCEn
phase boundary. The results of this study
( ■) are compared with the data published
by Shinmei et al. (1999) ( ■) and Angel
and Hugh-Jones (1994) ( ▲) The lines
represent the least square linear best fit
for the data sets of this study and of
the comparative authors. (Mueller et al.
(2005b)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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130
Abb. 27: p-T-Pfad für Ultraschall-Messungen mit Klinoenstatit
(MgSiO 3 – Hochdruck HCEn) – Niederdruck-
Klinoenstatit (LCEn). (Mueller et al. (2006)
p-T-paths for ultrasonic measurements with clinoenstatite
(MgSiO 3 – high-pressure HCEn) – low-pressure clinoenstatite
(LCEn). (Mueller et al. (2006)
Abb. 28: Kompressions- und Scherwellen-Geschwindigkeiten v s and v s in
Klinoenstatit bei verschiedenen p- und T-Bedingungen. (Mueller et al.
(2006)
Compressional and shear wave velocities, v p and v s, in clinoenstatite at
various p- and T-conditions (HIP samples). (Mueller et al. (2006)
Abb. 29: Druck-bedingte Verkürzung einer Klinoenstatit-Probe – aufgezeichnet
mittels X-Radiographie unter In-Situ-Bedingungen. (Mueller et al.,
2005c, 2006)
Pressure-induced length decrease of a clinoenstatite sample – monitored by
X-radiography under In-Situ conditions. (Mueller et al., 2005c, 2006)
ments ausgeführt. Die Ergebnisse für v p und v s zeigen die
kombinierte p-T-Abhängigkeit entlang des in Abb. 27
gezeigten Versuchspfades. Nach Erreichen der Normaltemperatur
wird der Druck auf 6,1 GPa verringert. Während
dieses Versuchssegments wurden v p und v s für eine
stress-relaxierte Probe in Abhängigkeit vom Druck bei
Normaltemperatur gemessen. Die Werte der Druckabhängigkeit
für HCEn bei Normaltemperatur wurden
bestimmt mit 0,089 km/(s GPa) für v p und mit 0,02 km/
(s GPa) für v s. Die Ergebnisse stimmen mit den Daten von
Kung et al. (2004) überein. Nach diesem Segment wurde
ein erneuter Temperatur-Zyklus mit 2 K pro Minute gestartet.
Die etwas höhere Temperatur-Steigerungs-Rate ist für
alle späteren Versuchszyklen akzeptabel, weil die Probe
nach Durchlaufen des ersten Versuchszyklus bereits
stress-relaxiert ist. Der langsame Druckabfall verursacht
keinen bedeutsamen neuen Stress in der Probe. Run 3/112
wurde bei 320 °C unplanmäßig durch blow out (Austritt
des Druckübertragungsmittels) beendet. Weitere derartige
Experimente sind in der Vorbereitung. Abbildung 29
zeigt die druckinduzierte Probenverkürzung
einer Klinoenstatit-Probe mit X-
Radiographie erfasst.
Der LCEn-HCEn-Phasenübergang ist
eine bedeutsame Reaktion für tiefe
Bereiche kalter, da schnell subduzierter
Platten, wo der Temperaturanstieg verzögert
ist. Unsere vorläufigen Ergebnisse
deuten auf einen Geschwindigkeits-Abfall
von weniger als 0,5 % in
einem kalten, pyrolitischen Mantel.
Während des Phasenüberganges kann es
zu einer Veränderung des rheologischen
Verhaltens durch Deformations-Plastizität
(e. g. Poirier, 1982; Schmidt et al.,
2002) kommen. Daher sollte die reduzierte
Scherfestigkeit beim CEn-Phasenübergang
zu deutlich reduzierter Viskosität
CEn-haltiger Gesteine führen und
damit die Rheologie des lithosphärischen
Mantels von abtauchenden Platten beeinflussen.
Rückschau und Ausblick
Der Aufbau der GFZ-Hochdruck-Mineralphysik
mit in Europa einzigartigen
experimentellen Möglichkeiten ist ohne
engste nationale und internationale
Kooperation undenkbar. Die Helmholtz-
Gemeinschaft garantiert engste Zusammenarbeit
zwischen DESY und GFZ
Potsdam sowie mit dem Partner-Institut
GKSS in der HARWI-Halle. Auf internationaler
Ebene hat COMPRES (Consortium
for Materials Properties Research
in Earth Sciences) die ausschlaggebende
Bedeutung für unmittelbaren
und unverzüglichen Informations-Austausch,
wissenschaftliche Schwerpunkt-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 30: Weltweite Entwicklung der Leuchtstärke von Röntgen-Strahlungs-Quellen
im 20sten Jahrhundert. (geändert nach DESY Hamburg,
2006)
International brilliance increase of X-ray sources during the 20th century.
(modified from DESY Hamburg, 2006)
Definition, Unterstützung neuer Technologien sowie
effektiven Zugang zu den Strahlungs-Quellen. Die uneigennützige
und freimütige Hilfe der Hochdruck-Mineralphysik-Teams
von SUNY, APS und SPring-8 verhalf
uns zu einem Schnellstart ohne Irr- und Umwege.
Die Hochdruck-Mineralphysik an intensiven Strahlungsquellen
steht vor einer bedeutenden neuen Etappe
ihrer Entwicklung. Es zeichnen sich völlig neue, weit
leistungsfähigere Druckerzeugungs-Anlagen, Strahlungsquellen
mit um Größenordnungen höherer Brillanz
(Abb. 30) und damit in Zusammenhang stehende neuartige
Messmethoden ab. Um nur einige zu nennen: es wird
mehrstufige großvolumige Druckerzeugungs-Anlagen
unter Nutzung binderfreien polykristallinen Diamants
oder großer Einkristalle, abgeschieden aus der Gasphase
sowie verstärkte Nutzung optimierter Komposit-
Werkstoffe geben; die Konstruktion wird zunehmend
rechnergestützt optimiert; Hochbrillanz-Synchrotrons
Literatur:
erlauben das mühelose Durchdringen
von Probenkapseln und damit Experimente
mit volatilen Phasen sowie insbesondere
punktuelles Messen der elastischen
Wellengeschwindigkeiten mit
Hilfe inelastischer Röntgen-Kernstreuung.
Neuartige Druckerzeugungs-Anlagen
und leistungsfähige Spallations-
Quellen werden die Möglichkeiten der
Hochdruck-Mineralphysik an Neutronen-Quellen
qualitativ und quantitativ
potenzieren und damit völlig neue Einblicke
in die Verteilung von Wasser und
anderen Volatilen sowie in die Textur-
Entwicklung unter extremen Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen
ermöglichen. Die synchrone Anwendung
von ultrakurzen Laser-Impulsen
und ultrakurzen hochintensiven Röntgen-Impulsen
aus neuen Linearbeschleunigern
wird die dynamische Hochdruck-Erzeugung
revolutionieren und
extreme Strahlendosen ohne Proben-
Desintegration oder Degradation erlauben.
Mit PETRA III entsteht am DESY
z. Zt. das weltweit brillanteste Synchrotron,
mit dem Freie-Elektronen-Röntgen-Laser
XFEL die weltweit leistungsfähigste
Impuls-Röntgen-Quelle auf der
Basis eines supraleitenden Linearbeschleunigers.
Die Zusammenarbeit im
Rahmen der Helmholtz-Gemeinschaft
erlaubt es uns, diese Entwicklungen für
spannende zukunftsorientierte Geomaterial-Forschung
zu nutzen.
Angel, R.J., Chopelas, A. and Ross, N.L., (1992). Stability of high-density clinoenstatite
at upper-mantle pressures. Nature, 358: 322-324.
Angel, R.J. and Hugh-Jones, D.A., (1994). Equations of state and thermodynamic
properties of enstatite pyroxenes. J. Geophys. Res., 99, B 10: 19777-19783.
Barlog, P. (2005). Pressure calibration in multi-anvil apparatus. pers. comm.
Belsley, D.A., Kuh, E., Welsh, R.E., (1980). Regression diagnostics: Identifying
influential data and sources of colinearity. John Wiley New York.
Birch, F. (1960). The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars.
Part 1. J. Geophys. Res., 65, 1083-1102.
Birch, F. (1961). The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars.
Part 2. J. Geophys. Res., 66, 2199-2224.
Birch, F., (1986). Equation of state and thermodynamic parameters of NaCl to
300 kbar in the high-temperature domain. J. Geophys. Res. 91, 4949-4954.
Bozhilov, K.N., Green, H.W. and Dobrzhinetskaya, L., (1999). Clinoenstatite in Alpe
Arami peridotite: Addditional evidence of very high pressure. Science, 284, 128-132.
Cook, R.K., (1957). Variation of elastic constants and static strains with hydrostatic
pressure: a method for calculation from ultrasonic measurements. J. Acoust.
Soc. Am. 29, 445-449.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
131

132
Decker, D.L., (1971). High-pressure equation of state for NaCl, KCl, and CsCl. J.
Appl. Phys. 42, 3239-3244.
Getting, I.C., (2005). Johnson Noise Thermometry at High Pressure. COMPRES
Annual Meeting 2005, Mohonk Mountain House, New Paltz, June 16-19, pers.
comm.
Holland T.J.B., Redfern S.A.T., (1997). Unit cell refinement from powder diffraction
data: the use of regression diagnostics, Min. Mag. 61, 65-77.
Kellogg, L.H., Hager, B.H., Van der Hilst, R.D. (1999). Compositional stratification
in the deep mantle, Science 283, 1881-1884.
Kern, H., (1982). P- and s-wave velocities in crustal and mantle rocks under the
simultaneous action of high confining pressure and high temperature and the effect
of the rock microstructure. In: Schreyer, W. (ed) High Pressure Researches in Geoscience,
E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 15-45.
Kung, J., Angel, R.J., Ross, N.L., (2001a). Elasticity of CaSnO3 perovskite. Phys.
Chem. Minerals 28, 35-43.
Kung, J., Weidner, D.J., Li, B., Liebermann, R.C., (2001b). Determination of the
elastic properties at high pressure without pressure scale. Eos Transactions, AGU
82, F1383.
Kung, J., Li, B., Uchida, T., Wang, Y., Neuville, D., Liebermann, R.C., (2004). In-
Situ measurements of sound velocities and densities across the orthopyroxene ÷
high-pressure clinopyroxene transition in MgSiO 3 at high pressure. Phys. Earth
Planet. Int. 147, 27-44.
Lathe, C., Koch-Müller, M., Wirth, R., van Westrenen, W., Mueller, H.J., Schilling,
F.R., Lauterjung, J., (2005). The influence of OH in coesite on the kinetics of the
coesite-quartz phase transition, Am. Mineral. 90, 36-43.
Li, B., Chen, G., Gwanmesia, G.D., Liebermann, R.C. (1998). Sound velocity measurements
at mantle transition zone conditions of pressure and temperature using
ultrasonic interferometry in a multianvil apparatus. In „Properties of Earth and planetary
materials at high pressure and temperature“, Geophys. Mon. 101, Manghnani,
M.H. & Yagi, T eds., AGU, Washington, 41-61.
Li, B., Chen, K., Kung, J., Liebermann, R.C. and Weidner, D.J. (2002): Sound velocity
measurement using transfer function method. J. Phys. Condens. Matter 14,
11337-11342.
Li, B., Kung, J., Uchida, T., Wang, Y. (2005). Pressure calibration to 20 GPa by
simultaneous use of ultrasonic and X-ray use. J. Appl. Phys. 98, 013521-1-5.
Li, J., Hadidiacos, C., Fei, Y. (2002). Effect of pressure on the emf of W5%Re-
W26%Re thermocouple: Implications for the 660-km seismic discontinuity. Eos
Trans., AGU, 83, S337.
Liebermann, R.C., Prewitt, T.C., Weidner, D.J. (1985). Large-volume high-pressure
mineral physics in Japan, Eos Trans. AGU, 66, 138.
Liebermann, R.C., Ringwood, A.E., Mayson, D.J., Major, A. (1975). Hot-pressing
of polycrystalline aggregate at very high pressure for ultrasonic measurements. In
„Proceedings of the 4th conference on High Pressure“, Osugi, J. ed., Physico-Chemical
Society of Japan, Tokyo, pp. 495-502.
Luth, R.W. (1993). Apparatus and techniques for experiments at mantle pressures.
– In: Experiments at High Pressure and Applications to the Earth’s Mantle, Luth,
R.W. ed., Min. Ass. Canada, Short Course Handbook, 21, 1-13.
Mao, H.K and Hemley, R.J. (1998). New windows on the Earth's deep interior. –
In: Ultrahigh-Pressure Mineralogy, Physics and Chemistry of the Earth’s Deep
Interior, Hemley, R.J., ed., Min. Soc. Am, Washigton, DC, Reviews in Mineralogy,
37, 1-32.
McSkimin, H.J. (1950): Ultrasonic measurement techniques applicable to small
solid specimens. J. Acoust. Soc. Am., 22, 413-418.
Mueller, H.J. (1995). Modelling the lower crust by simulation of the In-Situ conditions:
an example from the Saxonian Erzgebirge. Phys. Earth Plan. Int., 92, 3-15.
Mueller, H.J., Raab, S. (1997). Elastic wave velocities of granite at experimental
simulated partial melting conditions. Phys. Chem. Earth (A), 22, 93-96.
Mueller, H.J., Massonne, H.-J. (2001). Experimental high pressure investigation of
partial melting in natural rocks and their influence on V p and V s. Phys. Chem. Earth
(A), 26, 325-332.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lauterjung, J. (2002a). In-situ investigation of physical
properties of rocks and minerals at lower crustal and mantle conditions –
methods, measurements, challenges. Z. Geol. Wiss., 30, 49-76.
Mueller, H.J., Lauterjung, J., Schilling, F.R., Lathe, C., Nover, G. (2002b). Symmetric
and asymmetric interferometric method for ultrasonic compressional and
shear wave velocity measurements in piston-cylinder and multi-anvil high-pressure
apparatus. Eur. J. Mineral. 14, 581-589.
Mueller, H.J., Lathe, C., Schilling, F.R., Lauterjung, J. (2002c). Standard-free pressure
measurement by ultrasonic interferometry in a multi-anvil device. Eos Trans.
AGU, 83, 47, F609.
Mueller, H.J., Lathe, C., Wunder, B., Schilling, F.R. (2002d). In-Situ study of the
High-P (HCEn) – low-P (LCEn) clinoenstatite transition. HPMPS-6, Verbania.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lauterjung, J., Lathe, C. (2003). A standard free pressure
calibration using simultaneous XRD and elastic property measurements in a
multi-anvil device. Eur. J. Mineral. 15, 865-873.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lathe, C. (2003), Simultaneous determination of elastic
and structural properties under simulated mantle conditions using multi-anvil
device MAX80. Eos Trans. AGU, 84, 46, F1590.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lathe, C., Lauterjung, J. (2005a). Calibration based
on a primary pressure scale in a multi-anvil device, In: Chen, J., Wang, Y., Duffy,
T., Shen, G., Dobrzhinetskaya, L. (eds.) Advances in High Pressure Technology for
Geophysical Application, chapter 4, Elsevier B.V., pp. 427-449.
Mueller, H.J., Lathe, C., Schilling, F.R. (2005b). Simultaneous determination of
elastic and structural properties under simulated mantle conditions using multianvil
device MAX80, In: Chen, J., Wang, Y., Duffy, T., Shen, G., Dobrzhinetskaya,
L. (eds.) Advances in High Pressure Technology for Geophysical Application, chapter
21, Elsevier B.V., pp. 427-449.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lathe, C. (2005c). MAX200x – a new double-stage
multi-anvil high-pressure apparatus at a HASYLAB beamline. COMPRES Annual
Meeting 2005, Mohonk Mountain House, New Paltz, June 16-19.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lathe, C. (2005d). Multi-anvil techniques in conjunction
with synchrotron radiation – MAX80 and MAX200x. Eos Trans. AGU,
86, 46, F1590.
Mueller, H.J., Schilling, F.R., Lathe, C. (2006). Multi-Anvil techniques in conjunction
with synchrotron radiation – MAX80 and MAX200x, in review.
Pacalo, R.E.G. and Gasparik, T., (1990). Reversals of the orthoenstatite-clinoenstatite
transition at high pressures and high temperatures. J. Geophys. Res., 95, B10:
15853-15858.
Poirier, J.P., (1982). On transformation plasticity. J. Geophys. Res. 87, 6791-6797.
Ramelow, J., (2005). The influence of intergranular, supercritical water on the elastic
properties of rocks. Diss. FU Berlin.
Revenaugh, J. and Jordan,T.H., (1991). Mantle layering from ScS reverberations 3.
The upper mantle. J. Geophys. Res., 96. 19781-19810.
Ringwood, A.E., (1975). Composition and petrology of the Earth’s mantle. Mac-
Graw-Hill, New York, 74-122.
Schilling, F.R. (1999). A transient technique to measure thermal diffusivity at elevated
temperatures, Eur. J. Mineral, 11, 1115-1124.
Schmidt, C., Bruhn, D. and Wirth, R., (2002). Experimental evidence of transformation
plasticity in silicates: minimum of creep strength in quartz.. Earth Planet.
Sci. Lett. 6468, 1-8.
Schreiber, E., Anderson, O.L., Soga, N. (1973). Elastic Constants and their Measurement.
McGraw-Hill Book Company, New York, p. 196.
Sherman, W.F. and Stadtmuller, A.A. (1987). Experimental Techniques in High-
Pressure Research. – John Wiley & sons Limited, Chichester, New York, Brisbane,
Toronto, Singapore, 471 pp.
Shinmei, T., Tomioka, N., Fujino, K., Kuroda, K. and Irifune, T., (1999). In-Situ
X-ray diffraction study of enstatite up to 12 GPa and 1473 K and equations of state.
Am. Min., 84, 1588-1994.
Turner, F.J., Heard, M. and Griggs, D.T., (1960). Experimental deformation of enstatite
and st accompanying inversion to clinoenstatite. Abstr. Proc. 21 Int. Geol.
Congr., 18, 399-408.
Ulmer, P. and Stalder, R., (2001). The Mg(Fe)SiO3 orthoenstatite-clinoenstatite
transitions at high pressures and temperatures determined by Raman-spectroscopy
on quenched samples. Am. Min., 86: 1267-1274.
Utsumi, W., Toyama, N., Endo, S., Fujita, F.E., Shimomura, O. (1986). X-ray diffraction
under ultrahigh pressure generated with sintered diamond anvils. J. Appl.
Phys., 60, 2201-2204.
Wang, Y. & Utsumi, W. (2005). 6/2: A possible marriage between multi-anvil and
DAC. (oral paper), COMPRES Annual Meeting 2005, Mohonk Mountain House,
New Paltz, June 16-19, pers. comm.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Woodland, A.B., Angel, R.J. (1997). Reversal of the orthoferrosilite – High-P clinoferrosilite
transition, a phase diagram for FeSiO 3 and implications for the mineralogy
of the Earth's upper mantle. Eur. J. Mineral., 9, 245-254.
Yagi, T. (1988): MAX80. Large-volume high-pressure apparatus combined with
synchrotron radiation. Eos Trans. AGU, 69, 12, 18-27.
Yagi, T., Akaogi, M., Shimomura, O., Suzuki, T., Akimoto, S. (1987a). In-Situ observation
of the olivine-spinel transformation in Fe 2SiO 4 using synchrotron radiation.
J. Geophys. Res., 92, 6207.
Yagi, T., Akaogi, M., Shimomura, O., Tamai, H., Akimoto, S. (1987b). High pressure
and high temperature equations of state of majorite. In: High-Pressure Research
in Mineral Physics, Geophys. Monogr. Ser., 39, or Min. Phys. Ser., 2, Manghnani,
M. H. & Syono, Y. eds., AGU Washington, D.C., 141-147.
Zinn, P, Hinze, E., Lauterjung, J., Wirth, R. (1997). Kinetic and microstructural
studies of the quartz-coesite phase transition. Phys. Chem. Earth, 22, 105-111.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
133

134
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Neue experimentelle Entwicklungen an der
GFZ-Ionensonde zur quantitativen Bestimmung
volatiler Elemente
Dieter Rhede und Michael Wiedenbeck
The concentration of carbon in silicate samples at the µg/g level represents a key parameter in global element cycling
models. Obtaining accurate data for this element, however, has proven a formidable challenge for analytical geochemistry.
Here we describe a new approach based on secondary ion mass spectrometry (SIMS) which has demonstrated
that the carbon solubility in broad spectrum of mantle minerals is extremely low, i.e. in the low µg/g range or less. Key
to this success was the use of ion implantation, a technology commonly applied in the semi-conductor industry but little
used in the geosciences, for the production of the all-essential calibration samples. Equally challenging for the analysts
is the quantitative determination of hydrogen in nominally anhydrous minerals. SIMS is one of a small number of
analytical techniques which is able to address this topic, but it faces limitations imposed by vacuum quality and instrument
background. Here we describe in-house designed technical improvements to our Cameca ims 6f instrument which
have significantly improved our limit of detection for hydrogen such that the presence of 500 ng/g H 2 can now be detected
with confidence.
Die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) ist eine
der wichtigsten Mikromessmethoden in den Geowissenschaften.
Sie wird vor allem für die absolute Bestimmung
von Spurenelementen im Konzentrationsbereich von einigen
10 ng/g bis zu einigen 1000 µg/g im Mikrometerbereich
eingesetzt. Die SIMS ermöglicht die In-Situ-Bestimmung
von Isotopenverhältnissen, wofür es bisher kaum
andere zuverlässigen Messverfahren gibt. Insbesondere
die Isotopie leichter Elemente wie diejenigen von Li, Be
und B, mit deren Hilfe wir Stoffkreislaufprozesse in Erdkruste
und Erdmantel untersuchen, oder die Isotopie schwerer
Elemente wie Uran und Blei zur Altersbestimmung sind
wichtige Einsatzgebiete für die SIMS. Theoretisch besteht
die Möglichkeit, die Konzentration der meisten Elemente
im ng/g-Bereich zu bestimmen, jedoch gibt es bei einigen
Elementen, z. B. Kohlenstoff und Wasserstoff, immer noch
beträchtliche Schwierigkeiten bei der Quantifizierung. Im
Folgenden sollen am Beispiel dieser beiden Elemente die
grundlegenden Probleme und die erfolgreichen Entwicklungsarbeiten
zu deren Überwindung am GeoForschungs-
Zentrum Potsdam dargestellt werden.
Das SIMS-Messverfahren beruht darauf, dass zunächst
Primärionen erzeugt werden, die im Hochvakuum auf eine
Probenoberfläche geschossen werden. Dabei wird von der
Oberfläche Material abgetragen, welches zum Teil ionisiert
wird. Diese Sekundärionen werden anschließend in
einem Sektorfeldmassenspektrometer analysiert.
Auf der Primär-Seite des Geräts (Abb. 1) werden 16 O – bzw.
133 Cs + -Ionen erzeugt und in einem elektrischen Feld auf
hohe Geschwindigkeit (ca. 1.000 km/s) beschleunigt. Mit
einer Ionenoptik wird dieser Primärionenstrahl auf die gut
polierte Oberfläche der Messprobe fokussiert, bei einem
Strahldurchmesser zwischen 5 bis 30 µm. Hier wird die
ganze Energie der Primärionen in den obersten etwa
100 nm an das Probenmaterial abgegeben, was zu einer
gezielten Erosion der Probenoberfläche führt. Einige Prozent
der durch diese Wechselwirkung freigesetzten Atome
in der Probe werden dabei ionisiert und in einem starken
elektrischen Feld beschleunigt. Um die Ionen der relevanten
Elemente von allen anderen entstandenen Ionen
sicher zu trennen, wird dieser Sekundärionenstrahl durch
einen Sektorfeldmagneten geführt, der die einzelnen
Abb. 1: Überblick SIMS-Gerät „Cameca ims 6f“ in Potsdam
(Foto: M. Wiedenbeck, GFZ Potsdam).
General view of the Potsdam Cameca ims 6f instrument.
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Ionen nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung (m/e)
voneinander separiert. Ein hochempfindliches Detektorsystem
übernimmt anschließend die Zählung der Ionen.
Da das ganze Verfahren im Ultrahochvakuum (UHV, d. h.
bei einem Druck von < 10 –7 Pa) durchgeführt wird, müssen
die Proben UHV-beständig sein.
Das GFZ Potsdam betreibt seit 1998 ein SIMS-Gerät der
Firma CAMECA von Typ „ims 6f“ und hat sich dabei auf
die Quantifizierung von „schwierigen“ Elementen spezialisiert.
Bestimmung von Kohlenstoff
Die Gesamtkonzentration von Kohlenstoff im oberen Erdmantel
beträgt je nach Modellrechnung zwischen einigen
100 bis über 1.000 µg/g. Obwohl Kohlenstoff damit nur als
Spurenelement im Erdmantel vorkommt, bildet er dennoch
das größte Kohlenstoffreservoir unseres Planeten. Es stellt
sich die Frage, wo und in welcher Form sich Kohlenstoff
im Erdmantel befindet. Ist er als Spurenelement in Silikatund
Oxidmineralen enthalten, die die weitaus häufigste
Komponenten des Mantels bilden oder ist er vorwiegend
in viel selteneren Karbonaten gebunden, die im Prinzip stabile
Mineralphasen im Erdmantel bilden könnten? Die Antwort
auf diese Frage würde z. B. einen direkten Hinweis
auf die CO 2-Entgasungsgeschichte unseres Planeten liefern.
In Zusammenarbeit mit Prof. Hans Keppler (Uni Bayreuth)
und seiner Gruppe beschäftigten wir uns daher mit
der Entwicklung geeigneter Nachweisverfahren für die
Bestimmung von Kohlenstoffspuren in Silikaten.
Der quantitative Nachweis von geringsten Spuren an Kohlenstoff
ist ein schwieriges Unterfangen, da Kohlenstoff
an der Erdoberfläche ein sehr häufiges Element ist. Somit
ist die Herstellung einer „sauberen“ Probenoberfläche
nahezu unmöglich, da CO 2 aus der Atmosphäre sofort zu
einer Belegung, d. h. einer Kontamination der Probenoberfläche
führt. Weiterhin können sich organische Verbindungen
aus dem Restgas der Massenspektrometereinrichtung
auf der Probe niederschlagen. Aufgrund dieses
Kontaminationsproblems müssten alle bisherigen Unter-
Abb. 2: Mikroskopaufnahme synthetischer Olivinkristalle
(Mg 2SiO 4), die in einer 13 C-gesättigten Schmelze
gezüchtet wurden (Foto: H. Keppler, Uni Bayreuth).
Photomicrograph of synthetic olivine crystals produced
from a 13 C saturated melt.
suchungen zu diesem Thema mit größter Vorsicht interpretiert
werden. Eine wesentliche Aufgabe war es sicherzustellen,
dass das gemessene Kohlenstoffsignal wirklich
aus der Probe kommt und nicht durch Kontamination der
Probenoberfläche hervorgerufen wird.
Ein erster Schritt zur Lösung des Problems war der Austausch
aller schmiermittelhaltigen Gerätekomponenten
wie z. B. der Vorvakuumpumpen an unserer SIMS-Anlage
durch den Ersatz ölfreier Bauteile. Damit konnten über
einen längeren Zeitraum hin die noch im Vakuumteil des
Gerätes befindlichen organischen Restkomponenten deutlich
reduziert werden. Aber es waren noch weitere Entwicklungsarbeiten
notwendig. Anstatt mit dem gewöhnlichen
Isotop 12 C, das etwa 99 % des gesamten natürlichen
Kohlenstoffs ausmacht, wurden synthetische Messproben
mit dem selteneren Isotop 13 C angereichert. Die Züchtung
synthetischer, kohlenstoffgesättigter Olivinkristalle bei
hohen, dem Erdmantel entsprechenden Drücken und Temperaturen
erfolgte durch die Arbeitsgruppe in Tübingen in
Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth
(Abb. 2).
Mithilfe der SIMS-Isotopenmessung konnte man nun
unterscheiden, ob der gemessene Kohlenstoff tatsächlichaus
der Probe ( 13 C) kommt oder von einer Kontaminationsquelle
( 12 C) an deren Oberfläche.
Messungen mit der SIMS stellen im eigentlichen Sinn kein
absolutes Messverfahren dar. Daher müssen zur Quantifizierung
der Konzentrationen Referenzproben mit genau
bekannten Konzentrationen, aber auch ähnlicher chemischer
Zusammensetzung und kristallographischer Struktur,
dagegen gemessen werden. Da es solche Referenzproben
nicht gab, adaptierten wir eine in der Halbleiterindustrie
übliche Methode zur Herstellung solchen Materials.
Dazu nimmt man einen kohlenstofffreien Olivinkristall
und beschießt ihn in einem Teilchenbeschleuniger mit
einer bekannten Dosis an 13 C. Dadurch wird der Kohlenstoff
in die Oberfläche implantiert und man erhält ein
Referenzmaterial mit definiertem Kohlenstoffgehalt und
ansonsten gleicher stofflicher Zusammensetzung und
kristallographischer Struktur wie die unbekannte Probe
(Abb. 3). Damit war es erstmalig möglich, den Kohlenstoffgehalt
eines Olivins quantitativ zu bestimmen und
gleichzeitig zwischen Oberflächen- und Volumenanteil zu
unterscheiden. Damit konnte nachgewiesen werden, dass
die Sättigungskonzentration für Kohlenstoff im Olivin,
dem am häufigsten vorkommenden Silikat im oberen Erdmantel,
bei nur wenigen µg/g oder sogar noch darunter
liegt (Keppler et al., 2003). Geht man von der modellierten
Gesamtkonzentration an Kohlenstoff im Erdmantel
aus, und wäre dieser Kohlenstoff überwiegend in Silikaten
gebunden, dann müssten die Kohlenstoffkonzentrationen
in ihnen um 2 bis 3 Größenordnungen größer sein
als wir gemessen haben. Daraus folgt, dass der Kohlenstoff
im Erdmantel vorwiegend in seltenen, aber sehr
kohlenstoffreichen Mineralphasen wie in Karbonaten
gebunden sein muß. Hochdruckkarbonate wurden bisher
in natürlichen Mantelgesteinen nicht nachgewiesen, sieht
man von karbonatischen Mikroeinschlüssen in Diaman-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 3: Tiefenprofil einer Referenzprobe, die mit einer bekanntem 13 C-Dosis
implantiert wurde. Die Fläche unter der 13 C-Kurve und der 13 C-Fluss des
Partikelbeschleunigers wird für die Kalibrierung von Kohlenstoff in Olivin
verwendet. 12 C wurde bestimmt, um eine Korrektur für die vorhandene Oberflächenkontamination
durchführen zu können.
An example of a SIMS depth profile measured on a reference material
implanted with a known dose of 13 C. The required calibration of the relative
sensitivity factor for carbon in olivine can be calculated from the area
under the 13 C curve and the known dose of 13 C. The 12 C isotope is used to
correct for the presence of surficial carbon contamination on the sample.
ten einmal ab. Tatsächlich haben Untersuchungen an Karbonaten,
die in Höchstdruckapparaturen synthetisiert worden
sind gezeigt, dass diese bei sehr hohen Drucken stabil
sein können, dass sie aber bei Druckentlastung schnell
instabil werden und CO 2 freisetzen können.
Bestimmung von Kristallwasser
Die richtige und reproduzierbare mikroanalytische Bestimmung
von Kristallwasser im Bereich von wenigen µg/g
ist schon seit langem eine große analytische Herausforderung
in den Geowissenschaften, ohne dass bisher allseits
befriedigende Lösungen gefunden wurden (Koga et al,
2003, Kurosawa et al., 1997, Deloule et al, 1995). Sehr
viele Untersuchungen konzentrieren sich auf die infrarotspektroskopische
Bestimmung von Kristallwasser in nominell
wasserfreien Silikaten, um Hinweise zur P-T-Abhängigkeit
und zum Mechanismus des Einbaus von Wasser in
das Kristallgitter zu erhalten. Da SIMS die Möglichkeit der
Bestimmung von geringsten Wasserstoffgehalten bietet,
kann man damit Kristallwasser bzw. OH – -Gruppen im
Mikromaßstab direkt bestimmen. Das Ziel unserer Untersuchungen
bestand darin, einerseits durch Gerätemodifikationen
einen minimalen 1 H-Sekundärionenuntergrund
zu erreichen und andererseits die analytischen Messbedingungen
zu optimieren, um niedrigste Nachweisgrenzen
für H 2O zu erreichen. Gleichzeitig sollten aber auch reproduzierbare,
quantitative Analysen im Bereich < 50 µg/g
routinemäßig möglich sein. In einem ersten Schritt konzentrierten
wir uns dabei auf die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration
mittels 16 O – -Primärionen, im Anschluss
daran sollte auch die Anregung mit 133 Cs + -Primärionen
optimiert werden (Rhede und Wiedenbeck, 2006).
Die an der CAMECA ims 6f serienmäßig
vorhandene Probenschleuse besitzt nur
zwei Probenpositionen, so dass während
der Messung ein Probenhalter in der Vorvakuumschleuse
und maximal ein zweiter
in der Messkammer positioniert werden
kann. Da aber in der Regel mehrere
Probenwechsel am Tag erforderlich sind,
können die Proben vor einer Messung nur
eine sehr begrenzte Zeit im Vorvakuum
entgasen, bevor sie in die Messkammer
eingeschleust werden. Das dadurch bedingte
„schlechte“ Vakuum (mit einem
Druck von im Bereich von 10 –5 Pa) in der
Probenschleuse „verschlechtert“ beim
Probenwechsel auch das Vakuum in der
Messkammer erheblich, wodurch der
Signaluntergrund für Wasserstoff stark
ansteigt. Verbesserungen konnten hier
nur durch umfangreiche konstruktive
Änderungen erreicht werden, die wir selber
durchgeführt haben. Dazu war es notwendig,
eine relativ große Probenvorratskammer
zu entwickeln, die ständig
evakuiert bleibt. Der Probenwechsel sollte
über eine kleinere Vorschleuse erfolgen,
die dann sehr rasch auf UHV abgepumpt
werden kann (Abb. 4). Zusätzlich
zur Möglichkeit, mehrere Proben über Tage zu lagern und
zu entgasen, sollten auch häufig verwendete Referenzproben
dauerhaft in der Probenvorratskammer verbleiben
können. Eine solche Kammer mit 12 Probenpositionen
wurde als optimale Größe angesehen und in den GFZ-
Werkstätten konstruiert. Sie besteht aus einem 16-Positionenkarussel,
das auf einer UHV-Drehdurchführung
montiert ist, deren Achse parallel zur Probentransportrichtung
zeigt. Das Karussell besteht aus vier identischen
Cu-Blöcken, die jeweils drei Probenhalter aufnehmen
können. Jede vierte Position auf dem Karussell ist nicht
belegt, um mittels einer Transportstange den Probenwechsel
in die Messkammer zu ermöglichen. Zur Reduzierung
der Entwicklungskosten wurde die serienmäßige
vorhandene Transportstange an ihrem ursprünglichen
Platz belassen und die 2-Positionenkammer von CAMECA
als Vorschleuse weiter verwendet. Eine zusätzliche Transportstange
verbindet nun die Vorschleuse mit der Probenvorratskammer.
Des weiteren wurden in der Vorratskammer
und der Vorschleuse IR-Heizlampen und Thermoelemente
integriert, um Proben individuell heizen und deren
Temperatur in-situ messen zu können. Ein speziell entwickelter
Cu-Tank für flüssigen Stickstoff zur Kühlung der
Proben in der Vorratskammer vervollständigt heute den
Geräteumbau.
Der Einsatz eines mit flüssigem Stickstoff gekühlten Probentisches
(Wiedenbeck et al., 2004) sollte einerseits den
1 H-Sekundärionenuntergrund verringern und andererseits
die Untersuchung von Flüssigkeitseinschlüssen ermöglichen.
Außerdem wurde durch die Reduzierung der Probenentgasung
eine Verbesserung der Vakuumbedingungen
in unmittelbarer Nähe der Sekundärionenentstehung
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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erwartet, die zu niedrigeren Wasserstoffuntergrundsignalen
führen sollte. Während der Testphase des neuen Probentisches
traten jedoch Probleme auf. Beim Abkühlen
des Tisches mit flüssigem Stickstoff kam es zu Verformungen,
die einen Wechsel der Probe von der Vorschleuse
in die Messkammer verhinderten. Deshalb waren bisher
nur Testmessungen möglich, die jedoch gezeigt haben,
dass unsere Erwartungen bezüglich der Vakuumbedingungen
und der Reduzierung des Wasserstoffuntergrundsignals
erfüllt werden können. Wir werden versuchen, dieses
Problem in Zukunft zu beheben. Eine weitere Reduzierung
der störenden Restgase in unmittelbarer Umgebung
der Messprobe konnte durch den Einsatz einer
Extraktionsplatte (Getter) aus einer Zirkonlegierung erreicht
werden. Bei sehr geringen Konzentrationen (< 20 µg/g
H 2O) verkürzt sich die Messzeit damit um Faktor 5.
Probenpräparation: Zur Entwicklung der Wasserbestimmung
mit SIMS wurden natürliche Granatkristalle in
Edelsteinqualität als Referenzmaterial verwendet. Deren
Wassergehalte liegen zwischen 17 und 870 µg/g, die mit
anderen unabhängigen Methoden bestimmt wurden (Maldener
et al, 2003). Ein synthetischer Olivinkristall mit ca.
8 µg/g H 2O (bestimmt mit FTIR, Koch-Müller, pers. Mitteilung),
der 12 Stunden lang bei 1.100 °C getempert
wurde, diente als zusätzliche Referenzprobe. Alle „unbekannten“
Proben und Referenzmaterialien wurden auf
jeweils einer Quarzglasscheibe unter Verwendung von
möglichst wenig Epoxidharz eingebettet und poliert. Die
Proben wurden anschließend im Ultraschallbad in hochreinem
Ethanol gereinigt, bei 70 °C im Vakuum getrock-
Abb. 4: CAMECA ims 6f mit neuer Probenkammer und
veränderter Vorschleuse (Foto: M. Wiedenbeck, GFZ)
View of the ultra-high vacuum storage chamber, which was
developed at the GFZ Potsdam.
net, danach mit ca. 30 nm Gold beschichtet, dann sofort
in die Probenkammer angebaut und bei Druck < 3 x 10 –7 Pa
mindestens 3 Tage lang entgast. Vor jeder Messperiode
war es notwendig, das gesamte Gerät mindestens 48 h lang
bei ca. 100 °C auszuheizen, um das an den Kammer-innenwänden
adsorbierte H 2O zu entfernen. Mit dem neuen
Schleusensystem und einem speziellen Kühlfinger, der
permanent mit flüssigen Stickstoff gefüllt war (Abb. 1),
wurde immer ein Ultrahochvakuum bei einem Druck von
< 5 x 10 –8 Pa in der Messkammer während der Messungen
erreicht.
Messbedingungen: Ein 50 nA-Strahl von 16 O – -Primärionen
wird auf 22,5 kV beschleunigt und auf der Probenoberfläche
mit einem Durchmesser von 30 µm fokussiert.
Dieser Primärionenstrahl wird dann über einen Bereich
von 80 x 80 µm gerastert. Eine Energiefilterung der Sekundärionen
erfolgt durch –150 V-Probenoffset und ein
100 eV breites Energiefenster. Ein zusätzliches elektronisches
Fenster mit einer Größe von 20 x 20 µm, zentriert
über die Mitte des Rasters, stellt sicher, dass nur aus der
Kratermitte emittierte Ionen gezählt werden. Störende
Einflüsse der Kraterränder können damit eliminiert werden.
Pro Zyklus wird bei 1 H 10 s und bei 30 Si zwei Sekunden
lang gezählt. Die Sputterzeit, die bis zum Erreichen
der Gleichgewichtsbedingungen (d. h. konstantes 1 H+/ 30 Si+)
notwendig ist, hängt vom H 2O-Gehalt der Probe ab (bis
zu 120 min bei geringen Konzentrationen). Zur Erstellung
der Kalibrierkurven werden immer die letzten 50 Zyklen
jeder Messung gemittelt.
Die 133 Cs + -Primärionen werden auf 17,5 kV beschleunigt
und der 2 nA-Strahl zu einem ≈ 10 µm großen Fleck fokussiert
und über eine Fläche von 35 x 35 µm gerastert. Negativ
geladene Sekundärionen werden von der auf –7,5 kV
liegenden Probe extrahiert und die auftretenden positiven
Aufladungen durch einen Elektronenstrahl kompensiert.
Die Messungen wurden mit einer Massenauflösung von
M/∆M ≈ 3000, einem Energiefenster von 50 eV und ohne
Probenoffset durchgeführt. Durch Anwendung einer
100 µm-Feldblende werden nur Sekundärionen aus einem
Bereich mit ≈ 8 µm Durchmesser gezählt.
Die Kalibrierungskurven, die mit 16 O – und 133 Cs + -Primärionen
bei den oben beschriebenen Messbedingungen
erhalten wurden, sind über den gesamten H 2O-Bereich
sehr gut linear (Abb. 5). Bei beiden Verfahren streuten die
einzelnen Punktanalysen für die meisten Proben im
Bereich von ≈ 20 %, wobei nicht eindeutig zwischen der
externen Reproduzierbarkeit der Methode und einer realen
Inhomogenität der Proben im 10 µm-Bereich unterschieden
werden kann. Mehrmalige, unabhängige Messreihen
mit 16 O – -Primärionen zeigten wie sensibel die Rekalibrierung
der relativen Ionenausbeute ist. Trotz identischer
Einstellungen des Geräts und bei gleichen Vakuumbedingungen
wurden Unterschiede in der Steigung der
Kalibrierungsgeraden von bis zu 13 %. Für den synthetischen
Olivin variierte der gemessene H 2O-Gehalt innerhalb
einer Messperiode um 25 %; der absolute H 2O-Wert
für alle Messungen betrug 10 ± 3 µg/g. Im Vergleich dazu
wurde mit 133 Cs + -Primärionen ein H 2O-Gehalt von 7 ±
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A
B
Abb.5:SIMS-Kalibrierungskurven für H 2O-Gehalte mit verschiedenen Primärionen;
(A) „best-fit“ Kurven für 16 O – -Primärionen von drei unabhängigen
Messreihen und (B) für 133 Cs + -Primärionen. Die Messdaten zeigen eine
lineare Korrelation der Wasserstoffkonzentration über mehrere Größenordnungen.
SIMS calibration curves for H 2O abundances with obtained using different
primary ion beams; (A) for 16 O – primary ions showing best fit curves for
three independent analytical sessions and (B) for 133 Cs + ions. These data are
consistent with a linear calibration over several orders of magnitude in H
concentration.
2 µg/g bestimmt. Diese Daten ermöglichen
eine Abschätzung einer Nachweisgrenze
von 3 bis 4 µg/g H 2O auf einer analysierten
Fläche von wenigen µm Durchmesser,
die mit unserem Gerät erreicht
werden kann.
Für die Bestimmung sehr geringer H 2O-
Gehalte ist ein extrem niedriges Untergrundsignal
für Wasserstoff wichtig. Die
Abb. 6: Abhängigkeit des Gleichgewichtsverhältnisses
1 H + / 30 Si + vom Primärstrom
für zwei Referenzproben (Granate)
mit unterschiedlichen H 2O Gehalten.
Beam-current dependence of the steady
state 1 H + / 30 Si + ratio from two garnet reference
samples with different H 2O contents.
Hauptquellen für den Untergrund sind
Kollisionen der Ionen mit Restgasteilchen
nahe der Probenoberfläche, die Adsorption
von Restgas auf der Probenoberfläche
und die Absputterung von Wasserstoff
von der Extraktionsplatte. An zwei Proben
(170 µg/g H 2O und 17 µg/g H 2O) wurden
die Wechselwirkungen zwischen Restgasdruck
und der 1 H + -Zählrate bei verschiedenen
Primärionenströmen und jeweils
bei Gleichgewichtsbedingungen untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei sehr
geringen Konzentrationen eine Erhöhung
des Primärionenstroms das Untergrundsignal
verringert (Abb. 6). Um den Mechanismus
dieser Restgasadsorption besser
zu verstehen, wurden mit 16 O – - und
133 Cs + -Primärionen zeitabhängige Untersuchungen
durchgeführt. Nach dem Erreichen
einer konstanten Zählrate für 1 H +
und 30 Si + wurde der Sputterprozess unterschiedlich
lang unterbrochen, wodurch
unter anderem auch Wasserstoff an der zu
messenden Oberfläche adsorbiert wurde.
Es zeigte sich, dass die mit 16 O – gesputterten
Oberflächen eine sehr starke Aktivierung
für die Adsorption von Wasserstoff
aufwiesen. Selbst bei einem Druck
von nur 3 x 10 –8 Pa war die Oberfläche
innerhalb von 15 min vollständig mit Wasserstoff
gesättigt (Abb. 7). Beim Einsatz
von 133 Cs + -Primärionen wurde diese starke
Adsorptionseigenschaft der Oberfläche
für Wasserstoff nicht beobachtet, ein
Hinweis darauf, dass eine Aufladung der
Oberfläche bei nicht leitenden Proben
eine große Rolle für die Wasserstoffadsorption
im UHV spielen könnte. Es
darf nicht vergessen werden, dass die 1 H + -
Zählrate gegenüber Variationen der Beschleunigungsspannung
des zur Ladungskompensation
notwendigen Elektronen-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
139

140
Abb. 7: Ergebnisse der Zeitabhängigkeit der 1 H + -Intensität für Olivin, für
eine ansteigende Adsorptionsdauer (Strahl aus) und dem anschließenden
Abfall der 1 H + -Intensität nach der Restgasadsoption. Die Messung wurde
mit einem 16 O – Primärstrom von 4 nA durchgeführt.
Results from a time series experiment for 1 H + measured on olivine showing
spikes and subsequent decay of the H secondary ion signal associated with
gas adsorption during beam-off („Strahl aus“) periods of increasing duration
given in minutes. This experiment used a 4 nA 16 O – primary beam.
strahls empfindlich reagiert. Daher ist eine sorgfältige
Kalibrierung unumgänglich. Bei unseren Messbedingungen
konnte für den Olivin, bei einer Zählrate von
15 Ionen/s, ein elektroneninduzierter 1 H-Untergrundwert
von 0,4 Ionen/s bestimmt werden.
Literatur:
Deloule, E., Paillat, O., Pichavant, M.und Scaillet, B. (1995)
Ion microprobe determination of water in silicate glasses:
methods and applications. Chem. Geol. 125, 19-28.
Maldener, J., Hösch, A., Langer, K. und Rauch, F. (2003)
Hydrogen in some natural garnets studied by nuclear reaction
analysis and vibrational spectroscopy. Phys. Chem.
Minerals 30, 337-344.
Keppler, H., Wiedenbeck, M. und Shcheka, S.S. (2003) Carbon
solubility in olivine and the mode of carbon storage in
the Earth's mantle. Nature 424, 414-416.
Koga, K., Hauri, E., Hirschmann, M. und Bell, D. (2003)
Hydrogen concentration analyses using SIMS and FTIR:
Comparison and calibration for nominally anhydrous minerals.
G3-Geochem. Geophys. Geosys. 4, 1-20.
Kurosawa, M., Yurimoto, H. und Sueno, S.(1997) Patterns
in the hydrogen and trace element compositions of mantle
olivines. Phys. Chem. Minerals 24, 385-395.
Rhede, D. und Wiedenbeck, M. (2006) SIMS quantification
of very low hydrogen contents. App. Surf. Sci. (im
Druck).
Wiedenbeck, M., Rhede, D., Lieckefett, R. und Witzki, H.
(2004) Cryogenic SIMS and its applications in the earth
sciences. App. Surf. Sci. 231-232, 888-892.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Risikokarten für Deutschland: erste Ergebnisse
vom „Center for Disaster Management and
Risk Reduction Technologies“ (CEDIM)
Annegret Thieken1 , Heidi Kreibich1 , Petra Köhler1 , Matthias Müller1 , Gottfried Grünthal1 , Patrick Heneka2 , Thomas
Hofherr2 , Rutger Wahlström1 , Lorenz Kleist2 , Bruno Büchele2 , Andres Kron2 , Sergiy Tyagunov2 , Joachim Wächter1 , Bruno
Merz1 , Christoph Kottmeier2 , Bodo Ruck2 , Franz Nestmann2 , Lothar Stempniewski2 , Jochen Zschau1 1 2 GeoForschungsZentrum Potsdam, Universität Karlsruhe
The Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) was founded in 2002 and is a joint
venture between the GFZ Potsdam and the Technical University of Karlsruhe. CEDIM aims at understanding hazards
and risks, detecting upcoming hazardous events early and coping with the consequences of disasters at a better level.
In the project „Risk Map Germany“ the objectives are to develop methodologies for mapping different hazards and
risks on a nationwide scale and to quantitatively compare risks due to earthquakes, storms and floods.
The paper outlines the concepts of risk analysis that is used within the project „Risk Map Germany“. Basically, „risk“
is defined as the probability that a given loss will occur and thus encompasses three aspects: hazard, exposure and
vulnerability. Then data processing and management is outlined. First results for the assessment of earthquake, storm
and flood risks are presented. Finally, the „CEDIM Risk Explorer“, a web-based map service that summarises all project
results is presented.
Abb. 1: Teilprojekte im CEDIM-Projekt „Risikokarte Deutschland“
Subprojects of the CEDIM-Project „Risk Map Germany“
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
141

142
CEDIM – Center for Disaster Management and
Risk Reduction Technology
CEDIM wurde im November 2002 gemeinsam vom Geo-
ForschungsZentrum Potsdam und der Universität Karlsruhe
gegründet. An diesem virtuellen Institut sind sechs
Sektionen des GFZ und elf Institute der Universität Karlsruhe
beteiligt (http://www.cedim.de).
Wesentliches Ziel der Forschungsarbeiten in CEDIM ist
es, Risiken durch Naturgefahren und mensch-gemachte
Gefahren besser zu verstehen, früher zu erkennen und die
Folgen von Katastrophen besser zu beherrschen. Dazu ist
die Zusammenarbeit verschiedener, in der Katastrophenforschung
tätiger wissenschaftlicher Disziplinen notwendig.
In CEDIM reicht dieser Verbund von den Geowissenschaften
und der Meteorologie über die Ingenieurwissenschaften,
die Regionalplanung und die Informatik bis
hin zu den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Durch
die gemeinsame Weiterentwicklung der wissenschaftlichen
Grundlagen sowie durch die Entwicklung neuer
Technologien, beispielsweise von Visualisierungstechniken
und Implementierungen von Informationssystemen,
sollen mögliche Schäden infolge von Katastrophen signifikant
reduziert werden.
In einem ersten Projekt werden Methoden und Werkzeuge
zur Risikokartierung in Deutschland erarbeitet, und
zwar für Gefährdungen durch Hochwasser, Stürme, Starkbeben,
Weltraumwetter und „Anthropogene Katastrophen“.
Für keine dieser Gefahren existiert zurzeit eine
deutschlandweite Karte mit quantitativen Risikoangaben.
Alle Teilprojekte des CEDIM-Projektes „Risikokarte
Deutschland“ sind in Abb. 1 zusammengestellt.
In diesem Beitrag wird zunächst das im Projekt „Risikokarte
Deutschland“ verfolgte Konzept der Risikoanalyse
erläutert. Danach werden beispielhaft Eingangsdaten und
Ergebnisse präsentiert. Abschließend wird das Softwaretool
„CEDIM Risk Explorer“ vorgestellt, in dem alle Projektergebnisse
aufbereitet und präsentiert werden können.
Konzept der Risikoanalyse im CEDIM-Projekt
„Risikokarte Deutschland“
Ein Ziel im Projekt „Risikokarte Deutschland“ war es, die
Risiken, die durch die Naturgefahren Sturm, Hochwasser
und Erdbeben entstehen, miteinander vergleichbar darzustellen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde folgendes
Konzept für die Risikoanalyse erarbeitet, das am Beispiel
der Naturgefahr Hochwasser in Abb. 2 schematisch dargestellt
ist: In den Ingenieurwissenschaften und bei technischen
Risikoanalysen wird der Begriff Risiko häufig als
Wahrscheinlichkeit definiert, mit der ein bestimmter
Schaden eintritt bzw. überschritten wird (z. B. Kaplan and
Garrick, 1981; Crichton, 1999; CEDIM, 2005; Grünthal
et al., 2006). Diese Definition liegt auch den Arbeiten im
CEDIM-Projekt „Risikokarte Deutschland“ zugrunde. In
diesem Kontext beinhaltet Risiko drei verschiedene
Aspekte: Gefährdung, Vulnerabilität (im Sinne von Schadensanfälligkeit)
und (Vermögens-)Wert der potenziell
betroffenen Objekte (Risikoelemente).
Gefährdungsabschätzungen werden für jede Naturgefahr
getrennt durchgeführt und beinhalten räumliche Szenarien
mit Intensitätsaussagen, zum Beispiel Überflutungstiefen
für Hochwasser, Böenwindgeschwindigkeiten für
Stürme und makroseismische Intensitäten für Erdbeben
(Büchele et al., 2006; Heneka et al., 2006; Tyagunov et al.,
2006). Für quantitative Risikoabschätzungen muss jedem
Szenario außerdem eine Überschreitungswahrscheinlichkeit
oder Wiederkehrperiode zugeordnet werden (vgl.
Abb. 2).
Das Wiederkehrintervall beschreibt die Zeitdauer, die im
langjährigen statistischen Mittel zwischen Ereignissen
derselben Größenordnung liegt und ist der Reziprokwert
der Überschreitungswahrscheinlichkeit:
1
T = ___ (1)
P ü
mit T: Jährlichkeit oder Wiederkehrintervall und P ü: Überschreitungswahrscheinlichkeit.
Abb. 2: Elemente einer quantitativen Risikoanalyse, dargestellt am Beispiel Hochwasser (Quelle: Merz & Thieken,
2004.)
Elements of a quantitative risk analysis, taking flooding as an example (Source: Merz & Thieken, 2004).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Da die Auswirkungen der meisten Naturkatastrophen in
Deutschland weniger durch eine große Zahl von Opfern
als vielmehr durch Schäden an Vermögenswerten und der
öffentlichen Infrastruktur sowie durch Produktionsausfälle
charakterisiert werden, stehen im Projekt „Risikokarte
Deutschland“ wirtschaftliche Schäden im Vordergrund.
Dabei wird prinzipiell zwischen direkten Kosten (Reparatur-
und Wiederherstellungskosten, Kosten für Hilfeleistungen)
und indirekten Kosten (Kapitalkosten, Umzugskosten,
Einkommensverluste, Mietverluste, Arbeitslosigkeit)
unterschieden, die für verschiedene Sektoren
oder Risikoelemente (Privathaushalte, Unternehmen, Infrastruktur,
Land-/Forstwirtschaft etc.) abgeschätzt werden
können. Für die Risikoanalyse in CEDIM wurden zunächst
direkte ökonomische Schäden an Wohngebäuden –
definiert als Wiederherstellungskosten für das Referenzjahr
2000 – als Risikoindikator ausgewählt. Darüber hinaus
wurden in den Teilprojekten „Infrastruktur“ und „Man-
Made Hazards“ Auswirkungen von extremen Ereignissen
auf kritische Infrastrukturen in Deutschland untersucht.
Um verschiedene Risiken vergleichen zu können, ist es
essentiell, dass alle Schadensabschätzungen auf demselben
Kostenansatz (z. B. Zeitwerte oder Wiederherstellungswerte)
und Werteinventar basieren. Um dies zu gewährleisten,
wurde ein einheitliches Inventar der potentiell gefährdeten
Vermögenswerte entwickelt. Diese Festlegung impliziert,
dass die verwendeten Schadenmodelle nur Schadensgrade
berechnen, d. h. den Schaden als Prozentanteil des Gesamtwertes
des geschädigten Objekts liefern. Der monetäre Schaden
wird danach durch Multiplikation der Schadensgrade
mit dem entsprechenden Vermögensbestand ermittelt.
Risikoaussagen entstehen durch die Berechnung von Schäden
für mehrere Gefährdungsszenarien, denen jeweils eine
Überschreitungswahrscheinlichkeit oder ein Wiederkehrintervall
zugeordnet ist. Diese Risikokurve quantifiziert das
Risiko über die gesamte Bandbreite von denkbaren Ereignissen.
Aufgrund der Unsicherheit der Schadenabschätzung
werden Risikoaussagen im Allgemeinen aggregiert
(z. B. pro Gemeinde). Für Planungen und Risikobewertungen
wird oftmals nicht die gesamte Risikokurve ausgewertet,
sondern es wird stattdessen der Schadenserwartungswert
E(D) berechnet, der z. B. für Hochwasser folgendermaßen
definiert werden kann (s. Merz & Thieken, 2004):
∞
R = E〈D = ∫ D(q)f(q)dq (2)
qD
wobei q den jährlichen maximalen Abfluss, f(q) die kontinuierliche
Verteilungsfunktion von q und D(q) den zu
erwartenden Schaden beschreibt. q D ist der Abfluss, ab
dem Hochwasserschäden auftreten. Wenn nur wenige Szenarien
betrachtet werden, wird der Schadenerwartungswert
folgendermaßen ermittelt:
∞
R = E〈D = ∑ ∆ PjD j
j = 1
(3)
wobei D j und ∆P j den mittleren Hochwasserschaden und das
Wahrscheinlichkeitsinkrement für das j-te Intervall angeben
und m die Anzahl der Wahrscheinlichkeitsinkremente ist.
Die Berechnung für andere Risiken erfolgt analog.
Extreme Ereignisse tragen aufgrund ihrer Seltenheit nur
wenig zum Schadenerwartungswert bei (Merz & Thieken,
2004). Risikobewertungen, die nur auf dem Schadenerwartungswert
basieren, tendieren demnach dazu, extreme
Ereignisse zu vernachlässigen. Es wird daher empfohlen,
die gesamte Risikokurve in die Bewertung einzubeziehen.
Datengrundlagen und Datenbereitstellung
Um die Vergleichbarkeit der Risikoanalysen zu gewährleisten,
wurde eine gemeinsame Datenbasis erstellt. Diese
besteht sowohl aus akquirierten Datensätzen als auch aus
eigenen Berechnungen zu den Vermögenswerten. Die
Bereitstellung der Daten erfolgt über einen internetbasierten
Server, der im Nachfolgenden beschrieben wird.
CEDIM Data Center
Die Projektgruppe „Datenmanagement und GIS“ am
Daten- und Rechenzentrum des GFZ Potsdam hat eine
Informationsinfrastruktur für das CEDIM-Projekt „Risikokarte
Deutschland“ aufgebaut. Diese stellt die Basis
eines gemeinsamen Daten- und Informationsmanagements
für die Erarbeitung einer katastrophenübergreifenden,
integrierten digitalen Risikokarte Deutschland dar (Köhler
et al., 2006).
Ein einheitlicher Datenbestand, der von allen Teilprojekten
gleichermaßen verwendet wird, ist Voraussetzung für
die Vergleichbarkeit der abgeschätzten Risiken. Über das
„CEDIM Data Center“, einen internetbasierten Geodatenserver,
werden die Daten den am Projekt „Risikokarte
Deutschland“ beteiligten Mitarbeitern zur Verfügung gestellt.
Im Data Center besteht für die Wissenschaftler die
Möglichkeit, Informationen über vorhandene Daten (Metadaten)
einzusehen, Daten am Bildschirm zu visualisieren
und deren Eignung für die jeweilige Aufgabe zu prüfen.
Exportierte Datensätze können im lokalen GIS weiterverarbeitet
werden.
Die vielfältigen Datenbestände wurden von diversen
öffentlichen und privaten Datenanbietern akquiriert. Die
Daten wurden über aufwändige Harmonisierungs- und
Integrationsprozesse zusammengeführt und werden zentral
verwaltet. Diese Datenbasis umfasst Geobasisdaten
als grundlegende Referenz raumbezogener Sachverhalte
und Beziehungen, relevante Fachdaten z. B. zur Landnutzung
und statistische Daten (INFAS Geodaten, 2001) zur
Demographie, Gebäudecharakteristik, Kaufkraft etc. Sie
sind wesentliche Grundlage für die Arbeiten der einzelnen
Teilprojekte (vgl. Abb. 1).
Abschätzung der Vermögenswerte von Wohngebäuden in
Deutschland
Während Eingangsdaten und Methoden der Gefährdungs-
und Vulnerabilitätsanalysen für die verschiede-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
143

144
nen Naturgefahren variieren, muss für einen konsistenten
Vergleich von Risiken eine einheitliche Datenbasis
über die potenziell exponierten Werte verwendet werden.
Um Vermögenswerte der Wohngebäude in ganz Deutschland
zu ermitteln, wurde eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe
gebildet. Diese entwickelte eine Methode zur
Abschätzung der Wohngebäudewerte auf Basis von Normalherstellungskosten
(NHK), INFAS-Geodaten zur
Anzahl und Art der Gebäude pro Gemeinde und weiteren
statistischen Daten, z. B. den Wohnflächen pro Landkreis.
In einem ersten Berechnungsschritt wurde für die Gebäude
nach Angaben von INFAS die Wohnfläche pro Gebäudetyp
und Gemeinde mit Hilfe von Daten des Bundesamtes
für Bauswesen und Raumordnung (BBR, 2003) und
des Statistischen Bundesamtes (2004) berechnet. In einem
zweiten Schritt wurde die Wohnfläche pro INFAS-Gebäudetyp
auf NHK-Gebäudetypen aufgeteilt. Danach wurden
mit Hilfe der Normalherstellungskosten (BMVBW, 2001)
und der Korrekturfaktoren pro Bundesland und Gemeindegröße
monetäre Größen pro Gebäudetyp und Gemeinde
ermittelt (s. Kleist et al., 2006).
Mit diesem Ansatz wurden Berechnungen für ganz Deutschland
durchgeführt, d. h. pro Gemeinde liegt ein Wert für
das Gesamtwohnvermögen und das Pro-Kopf-Wohnvermögen
vor. Abb. 3 zeigt die geographische Verteilung des
Pro-Kopf-Wohnvermögens in Deutschlands Gemeinden
für das Referenzjahr 2000. Das mittlere Pro-Kopf-Wohnvermögen
beträgt 42.820 €, wobei ein deutlicher Nord-
Süd-Unterschied zu erkennen ist.
Da für die meisten Risikoanalysen Aussagen auf
Gemeindeebene für eine Verschneidung mit Gefährdungsszenarien
zu grob sind, wurde außerdem eine Disaggregierung
der Wohngebäudewerte innerhalb der
Gemeindegrenzen auf Basis der CORINE-Landnutzungsdaten
vorgenommen. Mit dem verwendeten Ansatz
von Gallego (2001) kann die Bevölkerung pro Gemeinde
wie folgt auf CORINE-Landnutzungselemente verteilt
werden:
Xm = ∑ ScmYcm c
Y cm = U cW m
Abb. 3: Pro-Kopf-Wohnvermögen auf Gemeindeebene in Deutschland
(Angabe in [€/Einwohner] für das Referenzjahr 2000).
Per-Capita Asset Value of residential buildings at the community level in
Germany (Data are given in [€/Inhabitant] for the reference year 2000).
(4)
(5)
X m: Bevölkerung in Gemeinde m
S cm: Fläche der Landnutzungsklasse c in Gemeinde m
Y cm: Bevölkerungsdichte in Landnutzungsklasse c in
Gemeinde m
U c: Quasi-Median der Bevölkerungsdichte in Landnutzungsklasse
c (iterativ ermittelt)
W m: Korrekturfaktor für Gemeinde m
Die Bevölkerungsdichte U c wurde von Gallego (2001) für
sechs Landnutzungsklassen und drei verschiedene Gemeindetypen
ermittelt. Für die korrekte Wiedergabe der
Gesamtbevölkerung pro Gemeinde ist für
jede Gemeinde der Korrekturfaktor W m
zu bestimmen.
Für die Disaggregierung wurden Gemeindegrenzen
und CORINE-Landnutzungsklassen
verschnitten. Jedem CO-
RINE-Element wurde die entsprechende
Bevölkerungsdichte Y cm zugewiesen.
Durch Multiplikation von Bevölkerungsdichte
und der Fläche des Elementes
konnte die Gesamtbevölkerung in diesem
Element ermittelt werden. Das Wohnvermögen
des Elementes wurde bestimmt,
indem die Bevölkerung mit dem Pro-
Kopf-Wohnvermögen der zugehörigen
Gemeinde multipliziert wurde. Abschließend
wurde ein spezifisches Wohnvermögen
in [€/m 2 ] berechnet, indem das
Wohnvermögen des Elementes durch die
Fläche des Elementes dividiert wurde. Die
resultierende Karte kann schließlich mit
Gefährdungsszenarien verschnitten werden,
um exponierte Werte zu bestimmen.
Abb. 4 zeigt das auf Gemeindeebene
aggregierte bzw. das mit den Landnutzungsdaten
CORINE disaggregierte Einheitswohnvermögen
[€/m 2 ] in Deutschland.
Durch die Disaggregierung kann die
räumliche Verteilung des Wohnvermögens
besser dargestellt werden. Bei einer
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4:A: Choroplethenkarte des auf Gemeindeebene aggregierten Einheitswohnvermögens in Deutschland B: Dasymetrische
Karte des Wohnvermögens, d. h. mit Landnutzungsdaten disaggregiertes Einheitswohnvermögen. Die Werte
sind in €/m 2 angegeben (Referenzjahr: 2000).
A: Choroplethic map of unit assets of residential buildings per community in Germany. B: Dasymetric map of unit
assets of residential buildings by use of CORINE land cover data. Data are given in €/m 2 (Reference year: 2000).
Verschneidung mit Gefährdungsszenarien liefern die
räumlich disaggregierten Werte genauere Ergebnisse
(Thieken et al., 2006). Die Karten in Abb. 3 und Abb. 4
werden als Eingangsdaten für die Risikoanalyse der einzelnen
Naturgefahren verwendet.
Risikoanalysen für verschiedene Naturgefahren
Risikoanalyse Erdbeben
Internationale Erfahrungen, einschließlich tragischer
Lektionen aus den großen Erdbeben der jüngsten Vergangenheit
zeigen, dass sich das seismische Risiko durch
das weltweit zunehmende Wachstum von Ballungsräumen
rapide erhöht. Adäquate Gegenmaßnahmen zur Risikominderung
werden bisher nur in unzureichendem Ausmaß
getroffen. Weitgehend unterschätzt wird das Erdbebenrisiko
in Ländern mit niedriger und mittlerer seismischer
Aktivität, da in Betracht zu ziehen ist, dass das Risiko nicht
nur vom Gefährdungsgrad abhängig ist, sondern insbesondere
auch von der Gesamtsumme der gefährdeten von
Menschen geschaffenen Werte und ihrer Schadensanfälligkeit
gegenüber seismischen Einwirkungen.
In seismisch gefährdeten Gebieten zu leben bedeutet, dass
die seismische Gefährdung unabwendbar ist. Es ist unmöglich,
diese Naturgefährdung zu vermindern. Die Bereitstellung
von verlässlichen seismologischen und ingenieur-seismologischen
Informationen für Planungs- und
Konstruktionszwecke als Ergebnis von Erdbebengefährdungeinschätzungen
stellt einen wichtigen Faktor dar, der
zur Leistungsfähigkeit von Risikomanagementprogrammen
beiträgt. Zur Methodik von Erdbebengefährdungseinschätzungen
hat sich in den letzten Jahren ein grundlegender
Wandel vollzogen, angesichts dessen jegliche
früheren Einschätzungen der Erdbebengefährdung einer
dringenden Revision bedürfen.
Das Teilprojekt „Erdbebenrisiko“ setzt sich zusammen aus
der Gruppe von Mitarbeitern der Sektion 5.3 des Geo-
ForschungsZentrums Potsdam, die schwerpunktmäßig die
Gefährdungsaspekte bearbeitet, und der Gruppe der Universität
Karlsruhe (TH), die in ständigem Dialog mit der
GFZ-Gruppe die Bau- und Schadensaspekte analysiert.
Als gemeinsames Produkt beider Teams entsteht eine Erdbeben-Risikokarte
für Deutschland.
Die Erdbebengefährdung wurde auf Basis der existierenden
D-A-CH-Karte für eine Nicht-Überschreitungswahrscheinlichkeit
von 90 % in 50 Jahren abgeleitet (Grünthal
et al., 1998). Weiterhin wurden Vulnerabilitätsverteilungsmodelle
für ausgewählte repräsentative Kommunen mit
unterschiedlichen Einwohnerzahlen konstruiert. Dafür
wurden Schadens-Wahrscheinlichkeits-Matrizen sowie
Fragilitäts- und Vulnerabilitätskurven für unterschiedliche
Gebäudetypen entsprechend der Vulnerabilitätsklassifikation
der Europäischen Makroseismischen Skala
EMS-98 erstellt (Grünthal, 1998) und auf die INFAS-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
145

146
Daten zum Gebäudebestand angewendet. Diese Auswertungen
lieferten die Basis für Schadenskurven für Kommunen
unterschiedlicher Größe sowie für Abschätzungen
von potentiellen Schadensverteilungen abhängig vom seismischen
Input.
Mit diesem Ansatz wurden potentielle Schäden am
existierenden Gebäudebestand von Kommunen in ganz
Deutschland analysiert, und die räumliche Verteilung des
Risikopotentials für das Gesamtgebiet Deutschlands
wurde aus der Kombination von seismischer Gefährdung,
Vulnerabilitäten des Gebäudebestands und den Werten der
gefährdeten Gebäude grob abgeschätzt.
Die wichtigsten Ergebnisse und Karten des Teilprojektes
„Erdbebenrisiko“ sind in Wahlström et al. (2004), Tyagunov
et al. (2006) sowie im Teilbericht der Sektion 5.3
in diesem Berichtband ausführlich dargestellt.
Insgesamt wurde in diesem Projekt eine Methodik zur groben
Abschätzung der Erdbebengefährdung sowie der seismischen
Schäden entwickelt. Die gewonnenen Resultate
zeigen die Anwendbarkeit des entwickelten Ansatzes hinsichtlich
der Erdbebenrisikoanalyse im regionalen und
nationalen Maßstab. Mit einigen Modifikationen kann die
Methodik für die Schadens- und Verlustabschätzung für
einzelne seismische Ereignisse und die Entwicklung von
Erdbebenszenarien verwendet werden.
Auf der Grundlage der gesammelten Informationen über
den Gebäudebestand der ausgewählten repräsentativen
Kommunen wurden die Vulnerabilitätsstrukturmodelle
für fünf Bevölkerungsklassen zusammengestellt. Es wird
angenommen, dass diese Modelle repräsentativ und anwendbar
auf alle Kommunen in erdbebengefährdeten
Gebieten Deutschlands sind. Die Ergebnisse der Abstimmung
zeigen, dass die Modelle zur groben Abschätzung
der monetären Verluste bei zukünftigen Erdbeben verwendet
werden können.
Aus den Arbeiten sind folgende Karten entstanden:
• Eine Karte des spezifischen Schadens (mean damage
ratio) für den vorhandenen Gebäudebestand deutscher
Kommunen wurde produziert.
• Eine Karte der Verteilung des Erdbebenrisikopotentials
für das Territorium der Bundesrepublik Deutschland
wurde als Kombination aus der Erdbebengefährdung
und Vulnerabilität von Bauwerken sowie den
Gebäudewerten erstellt.
Die erzielten Ergebnisse entsprechen dem betrachteten
Erdbebengefährdungsniveau für eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit
von 90 % in 50 Jahren. Die Karten
stellen eine erste Näherung zur Abschätzung der Erdbebenrisikoverteilung
in Deutschland dar.
Von Erdbeben betroffene Gebiete nehmen beträchtliche
Teile Deutschlands ein. Die besonders von Erdbeben betroffenen
Gebiete sind teils dicht besiedelt, industrialisiert und
weisen eine hohe Konzentration an Infrastruktur auf mit
besonderer Herausforderung für künftige Katastrophenvorsorgemaßnahmen
und Risikominderungsaktivitäten.
Für Deutschland stellt sich das typische Problem, dass kleine
Eintreffenswahrscheinlichkeiten potentiell schwerwiegende
finanzielle Verluste hervorrufen. Dadurch sind Erdbeben-Risikoanalysen
unentbehrlich für Planer, Versicherer
und Entscheidungsträger zur Vorsorge bei möglichen
künftigen seismischen Ereignissen größeren Ausmaßes,
wie diese in der Historie mehrfach aufgetreten sind. Hinsichtlich
der Karten und weiterer Details zur Erdbebenrisikokartierung
Deutschlands sei auf die Berichterstattung der
Sektion 5.3 in diesem Berichtband verwiesen.
Ermittlung des Sturmschadensrisikos für Wohngebäude
in Deutschland und Erstellung einer hochaufgelösten
Risikokarte
Winterstürme fordern in Deutschland Jahr für Jahr Tote
und Verletzte und verursachen insbesondere an Wohngebäuden
Schäden in mehrstelliger Millionenhöhe. Laut
Versicherungswirtschaft stellt Sturm in unseren Breitengraden
die teuerste Naturgefahr dar, und es muss in Hinblick
auf den Klimawandel mit intensiveren und häufigeren
Stürmen gerechnet werden.
Die Quantifizierung des Sturmschadensrisikos (Schadenserwartungswerte)
ist für Vorsorge, Anpassungs- und
Bewältigungsmaßnahmen unerlässlich. Im vorliegenden
Vorhaben wird deshalb eine Sturmschadensrisikokarte für
Wohngebäude für ganz Deutschland erstellt. Eine solche
bundesweite Risikokartierung wurde bisher noch nicht
durchgeführt und verlässliche Angaben über das Sturmrisiko
in hoher räumlicher Auflösung fehlen gänzlich.
Das Projekt besteht aus zwei eng miteinander verzahnten
Teilprojekten. Das Teilprojekt am Institut für Meteorologie
und Klimaforschung (Universität Karlsruhe/Forschungszentrum
Karlsruhe) befasst sich mit der Sturmgefährdung;
am Laboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamik
des Instituts für Hydromechanik (Universität
Karlsruhe) werden die Berechnungen zur Vulnerabilität
von Gebäudestrukturen und zum Sturmschadensrisiko
durchgeführt.
Die Ziele des Projekts sind, ein Verfahren zur bundesweiten
Abschätzung des Sturmschadensrisikos in hoher räumlicher
Auflösung zu entwickeln, Sturmgefährdungskarten
für beliebige Überschreitungswahrscheinlichkeiten mit
einer Auflösung von 1 x 1 km 2 zu erstellen sowie die Schadensanfälligkeit
von existierenden Wohngebäuden zu
modellieren.
Im Projekt wurden folgende Arbeiten durchgeführt:
Mit Hilfe von Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes
(DWD) wurden die stärksten Sturmereignisse der letzten
30 Jahre detektiert. Für die räumlich hoch aufgelöste
Starkwindsimulation dieser Sturmereignisse wurde das
numerische Modell KAMM (Karlsruher Atmosphärisches
Mesoscaliges Modell) modifiziert. Die Anfangsfelder
für das Modell wurden mittels eines Tools aus
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

ERA-40 Daten des ECMWF gewonnen. Mit extremwertstatistischen
Methoden wurde dann an jedem Punkt des
1 km x 1 km Rasters eine Verteilungsfunktion (Gumbel)
angepasst, mit der Aussagen über die Auftretenswahrscheinlichkeiten
bestimmter Windgeschwindigkeiten an
einem bestimmten Ort gemacht werden können.
Die Vulnerabilität von privaten Wohngebäuden wurde mit
Schadensfunktionen abgeschätzt. Dazu wurde ein theoretisches
Modell erstellt und mit Schadensdaten vergangener
Sturmereignisse der SV-Gebäudeversicherung Baden-
Württemberg kalibriert und validiert. Dieses Modell ermöglicht
die Berechnung der Anzahl der betroffenen
Gebäude und der Schadenshöhe innerhalb einer Gemeinde
in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten und der
Ortslage.
Die Verknüpfung von Sturmgefährdung, Vulnerabilität
und betroffenen Werten resultiert in der Risikoabschätzung.
Dazu wurden mit Hilfe von Monte-Carlo-Methoden
für jede Gemeinde spezifische Schadens-Häufigkeitskurven
(Risikokurven) erstellt. Es lassen sich für jährliche
Überschreitenswahrscheinlichkeiten bis pmin = 0,005
(das entspricht einer mittleren Wiederkehrperiode von
200 Jahren) die zu erwartenden Schäden inklusive einer
Angabe der Unsicherheiten ablesen.
Mit dieser Vorgehensweise konnten folgende Ergebnisse
erzielt werden:
Die Starkwindgefährdungskarte für Baden-Württemberg
(Abb. 5) veranschaulicht die stark von den orographischen
Gegebenheiten geprägte Gefährdung im südwestdeutschen
Raum. Diese führen zu großen räumlichen Unterschieden
in der Auftretenswahrscheinlichkeit bestimmter Windgeschwindigkeiten.
Windgeschwindigkeiten von 45 m/s, die
am Feldberg in fast jedem Jahr auftreten, erwartet man in
Freiburg nur alle 200 Jahre. Allgemein liegen die Werte in
dem zu erwartenden Bereich. Während Geschwindigkeitsmaxima
an Flanken, Kanten und Kuppen auftreten, befinden
sich die Minima meist in kleinen und engen Tälern.
Das Schadensrisiko für bestimmte Gebiete innerhalb
Baden-Württembergs ist in Abbildung 6 dargestellt. Die
statistisch am stärksten betroffenen Gebiete liegen entlang
des östlichen Schwarzwaldes und der nord-westlichen
Schwäbischen Alb.
Des Weiteren wurden fiktive Sturmszenarien berechnet.
Bei einem Sturmszenario mit 10 % höheren Windgeschwindigkeiten
als beim Orkan „Lothar“ (26. 12. 1999)
muss für Baden-Württemberg mit der dreifachen Schadenshöhe
und der doppelten Anzahl der betroffenen
Gebäude gerechnet werden.
Methodenentwicklung für eine verbesserte Hochwasserrisikoabschätzung
Trotz der Tatsache, dass Hochwasserereignisse natürliche
Erscheinungen sind, die schon immer aufgetreten sind und
auch zukünftig immer wieder auftreten werden, ist in den
Abb. 5: Starkwindgefährdungskarte für Baden-Württemberg.
Dargestellt ist die Böenwindgeschwindigkeit die mit
einer jährlichen Wahrscheinlichkeit von 2 % erreicht oder
überschritten wird.
Storm hazard map for Baden-Württemberg. The map
shows the wind gust velocity which is equaled or exceeded
with an annual probability of 2 %.
Abb.6:Sturmschadensrisikokarte für Baden-Württemberg.
Dargestellt ist der Schaden, der mit einer jährlichen Wahrscheinlichkeit
von 1 % erreicht oder überschritten wird.
Storm damage risk map for Baden-Württemberg. The
map shows the damage which is equaled or exceeded with
an annual probability of 1 %.
letzten Jahrzehnten ein Anstieg der durch Hochwasser verursachten
Schäden zu verzeichnen. Ein wesentlicher Faktor
ist hierbei die Siedlungsentwicklung der letzten Jahre
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
147

148
Abb. 7a, b: Schäden an der Verkehrsinfrastruktur durch Hochwassereinwirkung (Bulgarien, Juli 2005, Fotos: A. Thieken,
GFZ)
Damage to public infrastructure caused by a severe flood event (Bulgaria, July 2005)
und Jahrzehnte, die zu einem ständigen Wertezuwachs in
gewässernahen Bereichen geführt hat. In Deutschland verursachten
zum Beispiel die Rheinhochwasser der Jahre
1993 und 1995 insgesamt 810 Mio. €, das 1997er Oderhochwasser
330 Mio. €, das Pfingsthochwasser 1999 an
der Donau 412 Mio. € und das Augusthochwasser 2002
an der Elbe und Donau 11.800 Mio. € Schaden (Kron,
2004). Der Bedarf an verbesserten Methoden zur Einschätzung
des Hochwasserrisikos und an räumlichen
Daten, insbesondere an Gefahren- und Risikokarten, für die
Verbesserung des Risikomanagements ist offensichtlich.
Somit lag der Fokus des Teilprojektes „Hochwasserrisiko“
auf der Entwicklung verbesserter Methoden zur Gefahrenund
Vulnerabilitätsabschätzung sowie der Hochwasserrisikokartierung.
Die Methodenentwicklung und ihre Implementierung
in operationelle Werkzeuge wurden in ausgewählten
Testgebieten durchgeführt. Die entwickelten Methoden
sind auf andere Flüsse übertragbar (Abb. 7a,b).
Entsprechend dem Konzept der Risikoanalyse (vgl. Abb. 2)
wird der Bereich Hochwasser in den Teilprojekten „Hydrologie“,
„Hydraulik“, „mikroskalige Schadenabschätzung“
(Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der Universität
Karlsruhe) und „mesoskalige Schadenabschät-
zung“ (Sektion Ingenieurhydrologie am GeoForschungs-
Zentrum Potsdam) bearbeitet.
In der Hydrologie wurde das Regionalisierungsmodell für
Hochwasserabfluss-Kennwerte in Baden-Württemberg
(LfU, 1999; 2001) für den Extrembereich, das heißt für
Wiederkehrintervalle zwischen 200 und 10.000 Jahren,
erweitert. Die Validierung erfolgte durch den Vergleich der
berechneten Hochwasserabfluss-Kennwerte mit den Ergebnissen
extremwertstatistischer Analysen an verfügbaren
Pegelstellen und mit den Ergebnissen einer Niederschlags-Abflussmodellierung
im Einzugsgebiet der Fils.
Im hydraulischen Teil des Projektes wurde als Referenzszenario
für Extremereignisse das Hochwasser im Jahr
1824 am Neckar modelliert, und das Hochwassersimulationsmodell
Neckar für Extremsituationen erweitert. Die
Unsicherheiten in der Berechnung der Wasserstände und
als Folge auch die Auswirkungen auf die berechneten
Hochwasserschäden wurden analysiert.
Für die mikroskalige Schadenabschätzung wurde auf
Basis des Hochwassersimulationsmodells für den Neckar
eine spezifische Modellkomponente zur Schadenabschät-
Abb. 8: Mittlere Schadensätze für Wohngebäude und Hausrat für verschiedene Teildatensätze
Mean damage ratios of buildings and contents for different sub-samples
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 9: Mittlere Wohngebäudezusammensetzung in Deutschland
Mean residential building structure in Germany
zung entwickelt, so dass ein praktisches, GIS-basiertes
Tool zur Hochwasserschadenanalyse bereitgestellt werden
konnte. Da Voruntersuchungen gezeigt hatten, dass
die Variabilität in den Schadendaten und somit die Unsicherheit
bei der Schadenabschätzung um so geringer wird,
je mehr spezifizierende Einflussfaktoren berücksichtigt
werden, wurde für die mesoskalige Schadenabschätzung
ein multifaktorielles regelbasiertes Schadenabschätzungsmodell
entwickelt.
Um die Zusammenhänge zwischen den Ereignisfaktoren
und dem resultierenden Schaden besser zu verstehen, und
daraus ein multifaktorielles Schadensmodell für private
Haushalte zu entwickeln, wurden zunächst
Schadendaten nach dem Hochwasser
2002 analysiert, die wichtigsten
schadenbeeinflussenden Faktoren identifiziert
und Indikatoren, z. B. für Hochwasservorsorge
und Kontamination gebildet.
Als wichtige Faktoren wurden der
Wasserstand, der Gebäudetyp, die Gebäudequalität,
Vorsorge und Kontamination
identifiziert. Die 1697 Einzelschäden wurden
zunächst in Teildatensätze eingeteilt,
entsprechend den Faktoren Wasserstand
(bis 20 cm, 21 bis 60 cm, 61 bis 100 cm,
101 bis 150 cm, über 150 cm), Gebäudetyp
(Einfamilienhaus, Reihen-/Doppelhaus,
Mehrfamilienhaus) und Gebäudequalität
(mittel, sehr gut). Da nicht alle
Teildatensätze für „sehr gute Gebäude-
qualität“ besetzt waren, wurden die statistischen
Kenngrößen für die mittlere Gebäudequalität
berechnet, und für die sehr
gute Gebäudequalität wurden durchschnittliche
„Aufschläge“ (Skalierungsfaktoren)
abgeschätzt (Abb. 8). Entsprechend
wurden auch Zu- und Abschläge
(Skalierungsfaktoren) für die Fälle
„keine Kontamination – keine Vorsorge“,
bis „keine Kontamination – sehr gute Vorsorge“
und „starke Kontamination – keine
Vorsorge“ berechnet. Um diese auf einzelne
Gebäude bezogenen Werte auf
die Mesoskala zu übertragen, wurde die
Wohngebäudestruktur mit Hilfe der
INFAS-GEOdaten (2001) analysiert und
in fünf Typen unterteilt (Abb. 9). Für jede
Kombination von Einflussfaktoren in den
fünf Gebäudestrukturtypen werden mittlere
Schadenssätze berechnet, was die
deutschlandweite Anwendung des Schadenmodells
ermöglicht.
Zusammenführung der Ergebnisse
im CEDIM Risk Explorer
Um alle Projektergebnisse einheitlich
aufzubereiten und in einem System zu
veröffentlichen, wurde ein Konzept für
einen internetbasierten Kartenservice
erarbeitet. Dafür wurde zunächst die vorhandene Client-
Server-Struktur des CEDIM Data Center (s. o.) genutzt
und parallel zum bestehenden Geodatenservice ein neuer
Kartenservice „CEDIM Risk Explorer“ aufgesetzt, der
ebenfalls auf dem Internet Map Service ArcIMS von ESRI
beruht (Abb. 10). Für den Kartenservice wurde eine der
neuen Bestimmung angepasste grafische Oberfläche
erzeugt. Außerdem wurden die Funktionalitäten angepasst
und z. B. um eine Druckfunktion ergänzt.
Die in CEDIM erarbeiteten Karten werden im CEDIM
Risk Explorer nach Gefahren-, Vulnerabilitäts- und Risikokarten
sowie nach den Katastrophentypen eingeteilt.
Abb. 10: Client-Server-Struktur des digitalen Risikoatlas (Prototyp)
Client-Server-Structure of the digital risk atlas (Prototype)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
149

150
Abb. 11: Gestaltung des „CEDIM Risk Explorer“ Inhaltsverzeichnis, Kartenfenster, Werkzeugleiste
Layout of the CEDIM Risk Explorer – table of contents, map window, toolbar
Einzelne Karten können für die Visualisierung ausgewählt
und miteinander kombiniert werden. Die Abb. 11 zeigt ein
Beispiel. Durch das Software Tool „CEDIM Risk Explorer“
wurde ein nutzerorientiertes Werkzeug geschaffen,
mit dem zukünftige Daten und Ergebnisse verschiedener
CEDIM-Projekte konsequent aufgenommen und dargestellt
werden können.
Ausblick
Im CEDIM-Projekt „Risikokarte Deutschland“ wurden
neue Methoden zur großskaligen Abschätzung von Risiken
durch die Naturgefahren Erdbeben, Sturm und Hochwasser
entwickelt. Diese erlauben es, regionale Gefahrenund
Risikokarten zu erstellen. Während die Arbeiten im
Teilprojekt „Erdbebenrisiko“ weitgehend abgeschlossen
sind, wird im Teilprojekt „Sturmrisiko“ das Verfahren, das
für Baden-Württemberg entwickelt wurde, weiter vereinfacht,
damit es auf ganz Deutschland angewendet werden
kann. Für die Abschätzung des Hochwasserrisikos liegt
ein mesoskaliges Schadenmodell vor, dass es erlaubt,
großräumige Schadenabschätzungen durchzuführen. Aufgrund
der Komplexität der Prozesse und der erforderlichen
Genauigkeit ist die Erstellung großräumiger Hochwasserszenarien
eine zukünftige Aufgabe dieses Teilprojektes.
Wenn für alle Naturgefahren großräumige Abschätzungen
vorliegen, kann ein quantitativer Vergleich der drei
Naturgefahren für Deutschland durchgeführt werden.
Literatur:
BBR (Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung): INKAR 2003 – Indikatoren
und Karten zur Raumentwicklung 2003, CD-ROM, Bonn, 2003.
BMVBW (Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen): Normalherstellungskosten
2000 (NHK 2000), Berlin, 2001.
Büchele, B., Kreibich, H., Kron, A., Thieken, A.H., Ihringer, J., Oberle, P., Merz,
B., Nestmann, F.: Flood-risk mapping: contributions towards an enhanced assessment
of extreme events and associated risks. – Submitted to NHESS, 2006.
CEDIM: Glossary: Terms and definitions in risk science. http://www.rz.uni-karlsruhe.de/~gd202/www.cedim/english/seite_16.php,
2005.
Crichton, D.: The Risk Triangle. In: Ingleton, J. (ed.): Natural Disaster Management.
Tudor Rose, London, pp. 102-103, 1999.
Gallego, J.: Using land cover information to map population density, Statistical
Commission and Economic Commission for Europe. Conference of European Statisticians,
Tallinn, Estonia, Working Paper No. 21, 1-10, 2001.
Grünthal, G. (Editor): 1998, European Macroseismic Scale 1998 (EMS-98),
Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Volume 15,
99 pp., Luxembourg.
Grünthal, G., Mayer-Rosa, D. and Lenhardt, W. A.: 1998, Abschätzung der Erdbebengefährdung
für die D-A-CH-Staaten – Deutschland, Österreich, Schweiz,
Bautechnik 75, 10, 753-767.
Grünthal, G., Thieken, A.H., Schwarz, J., Radtke, K., Smolka, A., Merz, B.: Comparative
risk assessment for the city of Cologne, Germany – storms, floods, earthquakes.
– Natural Hazards, 38(1-2): 21-44, DOI: DO00018598, 2006.
Heneka, P., Hofherr, T., Ruck, B., Kottmeier, Ch : Development of a striom damage
risk assessment method nad application to the German state of Baden-Württemberg.
– Submitted to NHESS, 2006.
INFAS GEOdaten GmbH: Das DataWherehouse, Bonn. Status: December 2001.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Kaplan, S., Garrick, B. J.: On the quantitative definition of risk, Risk Analysis, 1(1),
11-27, 1981.
Kleist L., Thieken A., Köhler P., Müller, M., Seifert I., Borst D., Werner U.: Estimation
of the regional stock of residential buildings as a basis for comparative risk
assessment for Germany, Submitted to NHESS, 2006.
Köhler, P., Müller, M., Sanders, M., Wächter, J.: Data management and GIS in
CEDIM: From integrated spatial data to the mapping of risk. – Submitted to
NHESS, 2006.
Kron, W.: Zunehmende Überschwemmungsschäden: Eine Gefahr für die Versicherungswirtschaft?
ATV-DVWK: Bundestagung 15.-16.09.2004 in Würzburg,
DCM, Meckenheim, 47-63, 2004.
LfU (Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg): Hochwasserabfluss-
Wahrscheinlichkeiten in Baden-Württemberg. Oberirdische Gewässer/Gewässerökologie
54, Karlsruhe, 1999.
LfU (Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg): Hochwasserabfluss-
Wahrscheinlichkeiten in Baden-Württemberg – CD. Oberirdische Gewässer/
Gewässerökologie 69, Karlsruhe, 2001.
Merz, B., A.H. Thieken: Flood risk analysis: Concepts and challenges. – Österreichische
Wasser- und Abfallwirtschaft, 56(3-4): 27-34, 2004.
Statistisches Bundesamt: GENESIS online. 3. Wohnen, Umwelt. https://www.
genesis.destatis.de, Wiesbaden, 2003.
Thieken, A.H., M. Müller, L. Kleist, I. Seifert, D. Borst, U. Werner: Regionalisation
of asset values for risk analyses. – Accepted at NHESS, 2006 (in press).
Tjagunov, S., G. Grünthal, R. Wahlström, L. Stempniewski, J. Zschau: Seismic risk
mapping for Germany. – Submitted to NHESS, 2006.
Wahlström, R., S. Tjagunov, G. Grünthal, L. Stempniewski, J. Zschau, M. Müller
(2004): Seismic risk anaylsis for Germany : Methodology and preliminary results.
In : Malzahn, D. & T. Plapp (Hrsg.): Disasters and Society – from Hazard Assessment
to risk calculation, Logos-Verlag, Berlin, S. 83-90.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
151

152
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Das Industrie-Partnerschaftprogramm (IPP):
Internationale Kooperation zur Erforschung
von Kohlenwasserstoffsystemen
Brian Horsfield, Volker Dieckmann, Rolando di Primio, Heinz Wilkes, Andrea Vieth
Global energy requirements are growing rapidly driven mainly by the industrialisation of third world countries. The
increasing energy demand is still being largely covered by fossil fuels, although it is evident that new energy sources
will be required in the future. Improving petroleum exploration efficiency and recovery rates are, hence, of critical
importance in ensuring the supply of fossil fuels. Additionally, growing environmental concerns and energy saving policies
require a focus on clean energy sources. With that perspective in mind, finding high quality petroleum and especially
natural gas is of major interest, as evident from the European Union programme supporting research on the formation
and production of conventional and non-conventional gas reservoirs.
The Industry Partnership Programme (IPP) at GFZ Potsdam offers the petroleum industry the possibility to work towards
achieving these goals by actively participating in our research programme. The main principle here is not to offer research
on demand, but to co-operatively define areas of scientific collaboration. Such an industry involvement in research
is of special interest for the field Fluid Dynamics and Basin Evolution, which is one of the three main research
themes of our group. Our IPP projects focus on furthering the understanding of the processes controlling the generation,
distribution and degradation of petroleum and are, hence, of direct relevance for the main goals of petroleum
exploration. 12 companies are currently taking part in one or more projects. Participation in our IPP programme allows
the petroleum industry to be actively involved in the forefront of research. Current ongoing projects include investigations
on the prediction of petroleum phase and composition, the use of petroleum asphaltenes as a representative of
source rock organic matter, the early generation of natural gas, and petroleum biodegradation in reservoirs.
Energie und Umwelt
Der globale Energiebedarf wächst kontinuierlich infolge
zunehmender Industrialisierung in der Dritten Welt und
der weltweiten Verbesserung des Lebensstandards. Dabei
wird die Nachfrage auch weiterhin überwiegend durch
fossile Energieträger gedeckt. In Deutschland werden
80 % der benötigten Energie durch die Verbrennung von
Erdgas, Erdöl und Kohle und nur 20 % durch Wasserkraft,
Atom-, Wind-, Sonnen- und geothermische Energie bereitgestellt.
Man geht davon aus, dass die Weltwirtschaft
mindestens in den nächsten 50, wahrscheinlicher aber
100 Jahren stark auf fossile Energieträger angewiesen sein
wird. Nichtsdestoweniger wird immer klarer, dass etwa
bis zum Jahre 2020 neue Energiequellen erschlossen werden
müssen, da zu diesem Zeitpunkt die Nachfrage das
abnehmende Angebot fossiler Energiequellen übersteigen
wird. Europa im Allgemeinen und Deutschland im Besonderen
wegen seiner Pläne zum Ausstieg aus der Atomenergie
müssen daher die Verfügbarkeit fossiler Energieträger
sicherstellen, bis andere Energiequellen eine wettbewerbsfähige
Alternative bieten. In der nahen Zukunft
wird es darauf ankommen, die Explorations- und Produktionseffizienz
insbesondere in Nicht-OPEC Ländern
zu erhöhen. Weitere Informationen zu diesem Thema findet
der Leser in einem kürzlich erschienenen Übersichtsartikel
(Welte, 2004).
Neben dem Ziel, den industriellen Energiebedarf abzudecken,
muss die moderne Kohlenwasserstoffexploration
und -produktion in besonderer Weise die Bedürfnisse des
Umweltschutzes und der nachhaltigen Nutzung von
Ressourcen berücksichtigen. Aus dieser Perspektive ist
der Fund stark schwefelhaltigen Öls im Gegensatz zu
schwefelarmem Öl oder der Fund von Erdöl anstatt von
Erdgas sehr unterschiedlich zu bewerten. Besonders zu
erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass Erdgas als
die saubere Energiequelle für das Europa des 21. Jahrhunderts
angesehen wird, da es bei gleichem Energieinhalt
im Vergleich zur Verbrennung von Kohle nur die Hälfte
und im Vergleich zur Verbrennung von Erdöl nur zwei Drittel
des Treibhausgases CO 2 freisetzt. Deshalb wurde die
Forschungsförderung der Europäischen Union auf die
Erforschung der Entstehung und Ausbeutung konventioneller
und unkonventioneller Gaslagerstätten ausgerichtet.
Partnerschaft mit der Industrie
Das GFZ Potsdam beschäftigt sich mit gekoppelten Energie-
und Umweltaspekten in seinem Industrie-Partnerschafts-Programm,
kurz IPP, das durch die Unternehmen
Wintershall und RWE-DEA aus Deutschland, ExxonMobil,
Chevron und ConocoPhillips aus den USA, Petrobras
Brasilien, BG Großbritannien, ENI-Agip Italien, Hydro
und Statoil aus Norwegen, Shell Niederlande und Total
Frankreich finanziert wird. Das seit drei Jahren laufende
Programm ist weltweit eines der größten seiner Art.
In den vergangenen Jahrzehnten haben sich weltweit verschiedene
Formen von Industriekooperationen entwi-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
153

154
ckelt. In den meisten Fällen werden dabei
Forschungsziele ausschließlich an den
Bedürfnissen der Unternehmen ausgerichtet
oder direkt von den Unternehmen
vorgegeben. Dem breiten Spektrum an
wissenschaftlichen Themen und dem
Zusammenspiel verschiedener Disziplinen
werden solche Kooperationen aber
nicht gerecht, da oft nur einzelne, häufig
tagesaktuelle Fragestellungen bearbeitet
werden und keine langfristigen Strategien
verfolgt werden können.
Das IPP des GFZ Potsdam gründet sich
hingegen auf einer partnerschaftlichen
Zusammenarbeit. Die verschiedenen Forschungsprojekte
sind in das Forschungsprogramm
des GFZ eingebettet und sind
somit Bestandteile unseres vordefinierten
Gesamtforschungskonzepts. Die Ergebnisse
sind nicht nur für die Unternehmen
nutzbar, sondern führen oft zu entscheidenden
Fortschritten in unserem
Forschungsschwerpunkt „Fluidentwicklung
und Dynamik sedimentärer Becken“.
In Hinblick auf die Erdölindustrie wird
Exploration mehr und mehr in Regionen
betrieben, wo es zunehmend schwieriger
wird, Erdöl und -gas zu finden. Gerade
deshalb müssen alle chemischen, physikalischen
und biologischen Prozesse, die
die Entstehung, Migration, Lagerstättenbildung
und den Abbau des Erdöls kontrollieren,
äußerst präzise verstanden
werden. Unsere IPP-Projekte werden vor
allem deshalb in erheblichem Umfang
durch die Industrie unterstützt, weil sie sich all diesen
Themen unter Nutzung der aktuellsten und modernsten
Forschungsansätze und Vorgehensweisen widmen.
Forschung mit der (und nicht für die) Industrie ist eine entscheidende
Komponente zum Erreichen unserer wissenschaftlichen
Ziele. Hierfür gibt es mehrere Gründe. Erstens
eröffnet uns das IPP den Zugang zu wertvollem Probenmaterial
und geologischer Information für unsere Forschung,
die uns sonst nicht zur Verfügung stünden. Zweitens
ermöglichen die finanziellen Mittel, die durch das
IPP bereitstehen, jungen Wissenschaftlern, ihre Forschung
als Postdocs fortzusetzen oder eine Doktorarbeit durchzuführen
und sich so weiterzubilden. Und nicht zuletzt
erhalten unsere jungen Wissenschaftler die nötigen Kontakte,
um eine Karriere in der Industrie zu beginnen.
Ein zweites wichtiges Element unserer IPP Aktivitäten ist
neben der Forschung die Ausbildung. GFZ-Schulen, die
unter der Schirmherrschaft des Marie-Curie-Centre of
Excellence Eurobasin durchgeführt werden, beinhalten
Lehrangebote, die Mitarbeiter aus der Industrie, der akademischen
Forschung und Studenten auf den neuesten
Stand bringen und als Ergänzung der Forschungsakti-
Abb. 1: Die Deckung des Energiebedarfs wird zunehmend schwieriger. Um
die Erfolgsaussichten zu verbessern, oder, in anderen Worten, um das Explorationsrisiko
zu minimieren, ist die Erdölindustrie bestrebt, über konzeptionelle
und technische Fortschritte auf dem Laufenden zu bleiben und neue
Schlüsseltechnologien in die tägliche Praxis zu implementieren. „Den
aktuellen Kenntnisstand erreichen“, „das neue Knowhow innerhalb der
Firma anwenden“ und „auf dem Stand bleiben“ sind die drei wesentlichen
Entwicklungsstufen, an denen das GFZ Potsdam und seine Kooperationpartner
beteiligt sind. Das Industrie Partnerschaft Programm (IPP) ist das
Forschungsportal des GFZ, das hochaktuelle Ansätze in die Industrie vermittelt.
Replenishing energy reserves is becoming more and more difficult. In order
to enhance the chance of success, in other words to minimize the exploration
risk, the petroleum industry seeks to keep abreast of emerging conceptual
and technical advances, and implement key elements into its business
practice. „Getting up to date“, „Applying knowledge within the company“
and „Staying up to date“ are the three stages of development. GFZ Potsdam
and its cooperation partners are involved in all three. The Industry Partnership
Program (IPP) is GFZ Potsdam's research portal, bringing cutting
edge ideas into the industry.
vitäten des IPP anzusehen sind („Stay up to Date“) (Abb. 1).
Kurse zum Thema Petroleum System Evaluation: Fluid
Compositional Prediction wurden bereits in Berlin
und Perth (Australien) durchgeführt und sind für die
Zukunft in Südamerika und China geplant. Außerdem
werden allgemein zugängliche Informationsbriefe für die
Industrie herausgegeben (http://www.gfz-potsdam.de/
pb4/pg3/index.html).
Die Grundlagen
Bei der Suche nach Erdöl und Erdgas in einem Explorationsgebiet
sind im Wesentlichen drei Fragestellungen von
größter Bedeutung (Abb. 2):
• Gibt es ein Kohlenwasserstoffmuttergestein?
• Gibt es ein Trägergestein, welches die Migration von
Kohlenwasserstoffen erlaubt?
• Gibt es eine Lagerstättenstruktur, welche die Akkumulation
von Kohlenwasserstoffen erlaubt?
Die erfolgreiche Auffindung von Lagerstätten hängt ganz
entscheidend von der genauen Kenntnis der Entstehung,
der Verteilung, den Eigenschaften und den Veränderungen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2: Vier grundlegende Elemente müssen
vorhanden sein, damit es zur Entstehung
von Öl- und Gaslagerstätten kommen
kann: ein Muttergestein, in dem Erdöl
und/oder Erdgas gebildet wird, ein Träger-
bzw. Reservoirgestein, durch das Öl
und Gas aufgrund von Auftriebskräften
migrieren, ein undurchlässiges Deckgestein,
das den Verbleib der Kohlenwasserstoffe
in der Lagerstätte gewährleistet,
sowie eine geologische Falle, in der Erdöl
und Erdgas akkumulieren können. Die
Geschwindigkeit der Kohlenwasserstoffbildung,
die Trennung von Öl und Gas
während der Migration und der biologische
Abbau von Erdöl in Lagerstätten werden
in IPP Projekten untersucht.
Petroleum formation requires four fundamental elements to be present or fulfilled: a source rock in which oil is generated
and from which it is expelled, a carrier/reservoir rock into which the petroleum flows, and through which its
migrates under the action of buoyancy, a seal to retain the oil within the reservoir and a geological trap in which the
petroleum can accumulate. The speed of generation, segregation of oil and gas during migration, and the biological
alteration of oil in traps are being addressed in IPP research projects.
der entsprechenden Sedimente im Zuge der geologischen
Entwicklung eines Sedimentbeckens ab. Darüber hinaus
müssen bestimmte Druck- und Temperaturbedingungen im
Untergrund erfüllt sein, damit Kohlenwasserstoffe entstehen,
migrieren und akkumulieren können (Abb. 2). Die
Rolle der Temperatur im Untergrund muss
dabei hervorgehoben werden. Ihr Einfluss
auf Sedimente ist der Antrieb für die verschiedensten
thermischen und mikrobiellen
Umwandlungsprozesse im sedimentären
organischen Material in Muttergesteinen
oder Lagerstätten.
Genese
Allgemein kann man zwischen thermischen
und biochemischen Prozessen, die
zur Bildung von Erdöl und Erdgas führen,
unterscheiden. Erdöl und Erdgas werden
aus organischer Substanz überwiegend
pflanzlichen Ursprungs (Landpflanzen/
Algen) gebildet. Dieses Material ist nach
dem Absterben der verschiedenen Lebensformen
durch sauerstoffarme Bedingungen
in feinkörnigen Tonsteinen nicht verwittert,
sondern in gewissen Grenzen erhalten
geblieben. Erdöl und Erdgas sind dabei
nichts anderes als Kohlenwasserstoffe,
welche durch mikrobielle oder thermische
Prozesse aus dem sedimentären organischen
Material freigesetzt worden sind.
Die thermische Umwandlung von festem
organischem Material zu flüssigen oder
gasförmigen Kohlenwasserstoffen setzt
bei etwa 70 bis 120 °C ein. Der Beginn der
Kohlenwasserstoffbildung wird von den
Eigenschaften des ursprünglich eingela-
gerten organischen Materials, insbesondere seiner Stabilität,
kontrolliert. Wichtige Kenngrößen sind der Ursprung
des organischen Materials aus Pflanzen und/oder Algen, die
Umweltbedingungen während der Ablagerung sowie das
Ausmaß der Absenkung in Bereiche höherer Temperaturen.
Abb. 3: Die Kohlenwasserstoffbildung wird im Labor durch Aufheizexperimente
mit unreifen Muttergesteinen simuliert. Die Ergebnisse werden zur
Berechnung von Aktivierungsenergien (E a) und Frequenzfaktoren (A) benutzt,
die im Prinzip die Stärke der chemischen Bindungen widerspiegeln,
die im Verlauf der Kohlenwasserstoffbildung gebrochen werden müssen. Die
Anwendung dieser Parameter auf die Aufheizgeschichte von Sedimentbecken
ermöglicht die Ermittlung der Erdöl- und Erdgasbildungsraten. Das
Foto zeigt die Vorbereitung eines solchen Experiments in unserem Pyrolyselabor
(Foto: K. Günter, GFZ).
Petroleum generation is simulated via the heating of immature source rock
samples in the laboratory. The results are used to calculate activation energies
(E a) and frequency factors (A) which essentially define the strengths of
the chemical bonds that have to be broken in order for generation to proceed.
These parameters, when applied to the heating history of source rocks in sedimentary
basins, allow rates of generation to be calculated. The picture shows
the preparation of such an experiment in our pyrolysis laboratory.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Erdöl und Erdgas werden durch die Spaltung chemischer
Bindungen im sedimentären organischen Material
während der Absenkung des Sediments gebildet.
Diese Prozesse können in Laborexperimenten – so
genannten Pyrolyseexperimenten – simuliert werden
und durch die Anwendung chemisch-physikalischer
Gesetzmäßigkeiten – den Gesetzen der Reaktionskinetik
– für natürliche Ablagerungsräume rekonstruiert
werden (Abb. 3).
Migration
Sobald Kohlenwasserstoffe in einem Muttergestein in
hinreichender Menge gebildet worden sind, setzen sie
sich aufgrund des hohen Drucks und der Auftriebskräfte
in Bewegung. Bei diesem als Migration bezeichneten Prozess
wandern die verschiedenartigen Kohlenwasserstoffgemische
durch poröse und permeable Trägersteine entlang
der Deckgesteine in flachere Regionen. Die Migrationswege
werden im Wesentlichen von der Struktur des
auflagernden dichten Deckgesteins kontrolliert. Die
Erdöl- und Erdgasgemische wandern dabei aus dem
Hochtemperatur-Hochdruck-Bereich der Muttergesteine
in Zonen mit relativ niedrigen Temperaturen und Drü-
cken. Die konstante Abnahme von Temperatur und Druck
während der Migration der Öl- oder Gasphasen hat einen
entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung und
den Phasenzustand. So kann sich ein einphasiges Fluid
(Gas oder Öl) in eine flüssige und eine gasförmige Phase
trennen; der umgekehrte Vorgang ist ebenfalls möglich.
Wann und wo diese Separationsprozesse stattfinden, ist
im Wesentlichen von der Zusammensetzung des ursprünglich
gebildeten Erdöls/Erdgases und den regionalen
Druck- und Temperaturbedingungen abhängig (Abb. 4).
Akkumulation
Abb. 4: Einphasige Kohlenwasserstofffluide können sich in eine flüssige und
eine gasförmige Phase trennen, wenn der Migrationsweg in Bereiche niedrigen
Drucks und niedriger Temperatur führt. Ob jeweils ein Ein- oder Zweiphasensystem
vorliegt, hängt auch von der Zusammensetzung des Fluids ab.
Gas (rot) und Öl (grün) können gegebenenfalls in getrennten Fallen akkumulieren,
wie das hier dargestellte Ergebnis einer Beckenmodellierung
zeigt. Pfeile zeigen migrierende Fluide an.
Petroleums may segregate into fluid and gaseous phases if their migration
pathways lead into low pressure and low temperature levels. Whether a single
or two-phase system exists is also dependent on the composition of the
petroleum. Gases (red) and oils (green) may eventually accumulate separately,
as shown in this output from a petroleum system model. Arrows indicate
migrating fluids.
Die Lagerstätten von Erdöl und Erdgas sind an Fallenstrukturen
gebunden, welche eine weitere Migration der
Kohlenwasserstoffe stoppen. Es kann sich dabei um tektonische
Faltungen und Störungszonen oder aber auch
durch Faziesänderungen entstandene poröse Sedimentlinsen
und -kanäle handeln. Weil die Kohlenwasserstoffe diesen
Strukturen nur schlecht entweichen können, werden sie
hier oft nachhaltig verändert. Im Zuge der weiteren geologischen
Entwicklung können Lagerstätten z. B. in größere
Teufen abgesenkt oder in flachere Zonen angehoben werden.
Dadurch können nach der Akkumulation der Kohlenwasserstoffe
in der Lagerstätte Umwandlungen
von Öl zu Gas oder auch mikrobielle
Abbauprozesse stattfinden.
Im Folgenden werden die Hauptprojekte
dargestellt.
Vorhersage der Erdöl- und Erdgaszusammensetzung
Hintergrund
Die Bildung und Zusammensetzung von
Erdöl und Erdgas in der Natur wird durch
eine Reihe von Prozessen gesteuert. Aus
der Kenntnis der Art des eingelagerten
organischen Materials können die Muttergesteine
grob klassifiziert und erste Einschätzungen
bezüglich der zu erwartenden
Erdöle und Erdgase gemacht werden
(Abb. 5). Während konventionelle Klassifizierungen
sich im wesentlichen nach der
Menge der generierten Kohlenwasserstoffe
richten, wurde im GFZ Potsdam und in
den IPP-Projekten eine Klassifizierung
nach Organofaziestypen etabliert, die direkten
Bezug auf die Zusammensetzung
der entsprechenden Produkte nimmt. In
Zusammenhang damit steht die Vorhersage
des Phasenverhaltens und somit der
Veränderung der Kohlenwasserstoffzusammensetzung
während der Migration.
Von entscheidender Bedeutung sowohl für
Zeitpunkt und Ort dieser Prozesse als auch
für die Produkte der Phasenseparierung
ist die ursprüngliche Zusammensetzung
der Gemische. Neben den Druck- und
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5: Die Analyse von Muttergesteinen aus unterschiedlichen Explorationsgebieten in aller Welt zeigt, dass
deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der gebildeten Kohlenwasserstoffe zu erwarten sind. Die chemische
Zusammensetzung des organischen Materials im Muttergestein, die weitgehend von der Art der Pflanzen
und Algen im Ablagerungsgebiet abhängt, bestimmt ihrerseits die Art des Erdöls oder Erdgases, das gebildet
wird. Das Dreieck belegt, dass unterschiedliche Öl- und Gastypen durch Pyrolyseexperimente erkannt werden
können. Das zweite Diagramm, das die Ergebnisse anderer Aufheizexperimente und Zustandsgleichungen verwendet,
zeigt die Reaktion unterschiedlicher Erdöl- und Erdgastypen auf Veränderungen von Druck und Temperatur.
Analysis of source rocks from different exploration areas from all over the world shows that significant differences in
the composition of the newly formed hydrocarbons are to be expected. The organic chemical composition of the organic
matter in the source rock, governed largely by the types of plants and algae living in and around the site of deposition,
determine the types of petroleum that source rock may generate during deep burial. The triangle shows that different
basic petroleum types can be recognised by laboratory heating experiments. The second diagram, constructed
from other laboratory heating experiments and petroleum engineering equations of state, shows how the different types
of petroleum respond to changing pressure and temperature.
Temperaturbedingungen in einem Sedimentbecken spielt
die Gaszusammensetzung eine übergeordnete Rolle.
Wichtigster Gradmesser ist der Methananteil in der Gasfraktion
und der Gasanteil in dem Produktgemisch.
Obwohl in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Vorhersage
der Erdölzusammensetzung große Fortschritte
gemacht wurden, ist es nur sehr eingeschränkt gelungen,
die Gaszusammensetzung in geologischen Systemen korrekt
vorherzusagen, da eklatante Unterschiede zwischen
Laboruntersuchungen und der Natur zu beobachten sind.
Ziel
In diesem Projekt sollen die Kohlenwasserstoffgenese aus
unterschiedlichsten Muttergesteinstypen untersucht und
erste Modelle zur genauen Vorhersage des Phasenverhaltens
und der Qualität von Erdöl und Erdgas in Lagerstätten
entwickelt werden.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Es wurden in diesem Projekt erstmals Muttergesteine
unterschiedlichster geographischer Herkunft (Brasilien,
Norwegen, Italien, Westafrika) unter dem Gesichtspunkt
des Phasenverhaltens untersucht. Hierauf aufbauend
wurde ein global gültiges Konzept zur Vorhersage der
Erdöl- und Erdgaszusammensetzung entwickelt. Die geologischen
Rahmenbedingungen reichen dabei von passiven
Kontinentalrändern über deltaische Gebiete bis hin zu
Riftbecken. Der Bogen spannt sich von Muttergesteinen
lakustriner und mariner Ablagerungsräume bis hin zu
Sedimenten terrestrischen Ursprungs
Die Ergebnisse der Untersuchungen dokumentieren
einen systematischen Zusammenhang zwischen dem
Gas-zu-Öl-Verhältnis (GOR) und dem Methananteil
in der Gasfraktion unter natürlichen und künstlichen
Randbedingungen beobachtet, obwohl insbesondere
der Methananteil in den Produkten aus den Laborexperimenten
deutlich niedriger war. Durch die Anwendung
von neuronalen Netzwerken ist es gelungen, die
Ergebnisse der künstlichen Reifungsexperimente so zu
korrigieren, dass daraus prädiktive kompositionelle
Modelle der Erdölentstehung formuliert werden konnten,
die in numerische Beckensimulationen implementiert
werden können. Die gute Übereinstimmung zwischen
den Vorhersagen und den natürlichen Erdölei-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
157

158
Abb. 6: Ergebnisse von Phasenvorhersagen. Für dieses Untersuchungsgebiet
zeigt ein Vergleich die gute Übereinstimmung der Vorhersagen mit den
Eigenschaften, die für natürliche Proben ermittelt wurden. Die Vorhersage
des Gas-Öl-Verhältnisses (gas-oil ratio GOR) ist in den meisten Fällen gut.
Darüber hinaus ist die Vorhersage von API-Dichte und Sättigungsdruck als
wichtigen Qualitätsindikatoren ausgezeichnet.
Results of phase predictions. For the study area the predictions are compared
with properties determined on natural samples, and the correlation is
generally very good. The prediction of GOR (gas-oil ratio) is good in most
cases and, in addition, predictions of API densities and saturation pressures
as important quality parameters are excellent.
genschaften in verschiedenen Untersuchungsgebieten
belegen die globale Gültigkeit der Forschungsergebnisse
(Abb. 6).
Asphaltene als geochemische Marker
Hintergrund
Das Hauptinteresse unserer Forschung
liegt auf den Asphaltenen, die mit den
gesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffen
die Hauptbestandteile von
Erdöl darstellen. Sie repräsentieren die
makromolekulare Fraktion der Erdöle
und scheinen besonders geeignet, strukturelle
Merkmale der Muttergesteine zu
archivieren und zu transportieren. Diese
Ähnlichkeiten mit den Muttergesteinen
zu untersuchen ist von großer Bedeutung,
da mit zunehmender Exploration in Gebieten
mit extremen klimatischen Bedingungen
und insbesondere in Offshore-
Gebieten mit Wassertiefen von mehr als
1.000 m die Anzahl der Bohrungen aus
wirtschaftlichen Gründen reduziert wird
und somit die Muttergesteine, die in den
meisten Fällen unterhalb der Lagerstätten
liegen, nicht mehr erbohrt werden. Ohne
Proben aus dem Muttergestein und weitere
Informationen über die Muttergesteine
ist die konventionelle Vorhersage
der Kohlenwasserstoffbildung nicht mög-
lich, was das wirtschaftliche Risiko
zusätzlich erhöht. Die Forschung in diesen
extremen Explorationsgebieten hat
sich deshalb auf die erbohrten Erdöl- und
Erdgaslagerstätten konzentriert, da auch
diese wichtige Informationen über das
Ablagerungsmilieu und die Qualität der
Muttergesteine enthalten können (Abb. 7).
Ziel
In diesem Projekt sollen durch die Untersuchung
von Erdölen und ihren Asphaltenfraktionen
Modelle entwickelt werden,
die auf die Organofazies und die
Umwandlungseigenschaften tiefer Muttergesteine
schließen lassen und eine
numerische Beschreibung in Beckenmodellen
ermöglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Von den beteiligten Erdölfirmen wurden
ausgesuchte Proben- und Datensätze so
genannter natürlicher Laboratorien zu Verfügung
gestellt, in denen der geologische
und geochemische Kenntnisstand sehr
hoch ist. Die verschiedenen Elemente
eines Erdölsystems sind in diesen Gebieten sehr gut
erforscht und können somit in einen guten Bezug zueinander
gebracht werden. Verschiedene Offshoregebiete wur-
Abb. 7: Asphaltene sind außerordentlich komplexe Erdölbestandteile, die
Informationen über das organische Material enthalten, aus dem das Öl
gebildet wurde. Daher kann das Verhältnis von Öl und Gas während der
Kohlenwasserstoffbildung aus einem Muttergestein durch die Pyrolyse von
Asphaltenen abgeschätzt werden.
Asphaltenes are extremely complex components of the petroleum carrying
information about the parent organic matter from which the whole
petroleum was generated. Thus, the ratio of gas to oil generated by the
kerogen in a source rock can be estimated from the pyrolysis of asphaltenes.
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den als Untersuchungsgebiet ausgewählt und Proben unterschiedlichster
geographischer Herkunft und aus verschiedenen
Ablagerungsräumen konnten für das Forschungsprojekt
zur Verfügung gestellt werden.
Unsere Arbeiten haben zu einem Durchbruch in der Beurteilung
heterogener Muttergesteine geführt. Es konnten
verlässliche Modelle entwickelt werden, welche den
natürlichen Organofaziesvariationen und somit den unterschiedlichen
Eigenschaften des gebildeten Erdöls und
Erdgases Rechnung tragen. Dies erlaubt eine wesentlich
bessere Beschreibung der Fenster der Kohlenwasserstoffgenese
in numerischen Beckenmodellen. Für die Nordsee
wurde darüber hinaus gezeigt, dass das Ölfenster in deutlich
größere Teufen reicht und deutlich breiter ist, als bisher
angenommen. In Simulationsexperimenten, in denen
außerdem die Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe,
die aus den Asphaltenen gebildet wurden, detektiert
wurde, zeigte sich eine außergewöhnlich gute Übereinstimmung
mit der molekularen Zusammensetzung natürlicher
Erdöle. Das Verhältnis von aromatischen zu gesättigten
Kohlenwasserstoffen in unseren Experimenten entspricht
nahezu dem in der Natur. Diese Übereinstimmung
von Pyrolyseprodukten aus Muttergesteinskerogen und
den natürlichen Ölen konnte bisher nicht gezeigt werden.
Somit kann mit der Untersuchung der Asphaltene eines
Erdöls die Qualität der Vorhersagen, auch ohne Untersuchung
des Muttergesteins, stark verbessert werden. Eine
Konsequenz dieser Arbeiten ist die verbesserte Vorhersage
der so genannten API-Dichte eines Öles, des internationalen
Maßstabs für die Qualität und den Wert eines produzierten
Öls (Abb. 8).
Frühe Gasbildung
Hintergrund
Konventionelle Untersuchungen zur Bildung von Kohlenwasserstoffen
konzentrieren sich im Wesentlichen auf
sedimentäres organisches Material, welches in großen
Teufen von über 2.500 m in den Sedimenten eingelagert
ist. Nur hier, so die konventionelle Annahme, sind die
Bedingungen vorhanden, die zu einer ökonomisch ausreichenden
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus sedimentärem
organischem Material führen können. Da die
Reaktionen in den Muttergesteinen vor allem durch hohe
Temperaturen angetrieben werden, werden reaktionskinetische
Modelle angewendet, um die Umwandlung von
Kohlenwasserstoffen in Raum und Zeit nachzuzeichnen.
Ein weiteres Phänomen stellen mikrobielle Prozesse dar,
durch die sedimentäres organisches Material in Methan
Abb.8:Profil des Tampen Spur-Gebiets in der norwegischen Nordsee. Erdöleigenschaften wurden auf der Basis sowohl
der konventionellen Muttergesteinskinetik als auch der Asphaltenkinetik berechnet. Die Vorhersage der API-Dichte
auf der Basis der Asphaltenkinetik führt zu Werten, die den in diesem Explorationsgebiet gemessenen sehr ähnlich
sind.
Profile through the Tampen Spur area in the Norwegian North Sea. Petroleum properties were calculated using both
conventional source rock kinetics and that from petroleum asphaltenes. Predictions of density (API Gravity) based on
asphaltene kinetics closely resemble those of the petroleums in the area.
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160
Abb. 9: Nach konventionellen Konzepten ist die mikrobielle Gasbildung auf frühdiagenetische und die thermische Gasbildung
auf frühkatagenetische Prozesse in Sedimentbecken beschränkt. Zwischen den Zonen, in denen diese Prozesse
stattfinden, gibt es eine weitgehend unerforschte Zone – die „graue Zone“ – für die mikrobielle und thermische Prozesse
bislang ausgeschlossen wurden. Im IPP-Projekt „Shallow Gas“ untersuchen wir genau diese Zone, weil neue
Forschungsergebnisse gezeigt haben, dass gerade hier thermische und mikrobielle Prozesse überlappend stattfinden
können.
Conventional concept of microbial and thermal gas generation in nature. According to this concept, microbial gas generation
is limited to early diagenetic processes in shallow parts of sedimentary basins while thermal gas forms only
during early catagenesis in deeper parts sedimentary basins. Between these two zones lies a largely unexplored zone
– the so called grey zone – in which neither thermal nor microbial alterations are supposed to be active. With the IPP
– Shallow Gas project we study precisely this zone because recent research results have shown that thermal and microbial
processes can overlap.
umgewandelt werden kann. Diese Prozesse laufen, nach
konventionellen Vorstellungen, nur bei niedrigen Temperaturen
und in geringen Teufen ab, da mit der Zunahme der
Temperatur in größeren Teufen lebensfeindliche Bedingungen
für Mikroorganismen herrschen und weiterhin wichtige
Substrate für den mikrobiellen Metabolismus fehlen.
Zwischen diesen Zonen der abiotischen und biotischen
Umwandlung des organischen Materials befindet sich ein
großer Bereich, der hinsichtlich seines Potentials zur Bildung
von Kohlenwasserstoffen weitgehend unerforscht ist
(Abb. 9). Diese Zone, die bis zu mehrere Kilometer mächtig
sein kann, ist in das Blickfeld der Forschung gerückt,
da auch hier enorme Mengen organischen Materials enthalten
sind und erhalten wurden.
Sowohl der Vergleich numerischer Vorhersagen als auch
die Existenz thermischer Gase in Sedimenten aus dieser
Zone und der Nachweis intensiver mikrobieller Aktivitäten
in großen Teufen haben deutlich gezeigt, dass die
konventionellen Annahmen und Modelle unzureichend
sind.
Ziel
In diesem Projekt sollen geochemische Prozesse identifiziert,
untersucht und numerisch beschrieben werden, die
zur frühen thermischen Umwandlung oberhalb des konventionellen
thermischen und/oder zur späten mikrobiellen
Umwandlung von sedimentärem organischem Material
unterhalb des konventionellen mikrobiellen Gasfensters
führen können.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Die Umwandlung organischen Materials in Sedimenten
führt zur Bildung von Kohlenwasserstoffen – also Erdöl
und Erdgas – und zur Freisetzung von anorganischen
Gasen wie Kohlendioxid und Wasserstoff. Eine mathematische
Beschreibung dieser Prozesse erfolgt mit reak-
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tionskinetischen Modellen, welche es erlauben, aus den
Ergebnissen von Pyrolyseexperimenten kinetische Parameter
abzuleiten. Diese kinetischen Modelle beschreiben
mittels Aktivierungsenergie und Frequenzfaktor die Spaltung
chemischer Bindungen im makromolekularen organischen
Material. Obwohl theoretisch jede einzelne chemische
Verbindung durch ein individuelles Aktivierungsenergie-Frequenzfaktor-Paar
beschrieben werden sollte,
hat es sich seit nunmehr 20 Jahren durchgesetzt, kinetische
Modelle zu entwickeln, die eine deutliche Vereinfachung
der tatsächlichen Prozesse darstellen. Auf die Vorhersage
der Gasbildung aus marinen und lakustrinen Muttergesteinen
scheinen diese Vereinfachungen keinen nennenswerten
Einfluss zu haben. In terrestrischen Ablagerungsräumen
hingegen schlägt der Vergleich zwischen
natürlichen Gasvorkommen und den konventionellen Vorhersagen
oft fehl, da natürliche Kohlenwasserstoffe in
wesentlich flacheren Sedimenten auftreten als durch numerische
Modelle vorhergesagt (Abb. 10). Aus diesem
Grund wurde ein neues reaktionskinetisches Modell entwickelt,
welches insbesondere Reaktionen mathematisch
erfasst, die nicht in der Hauptphase, sondern in der frühen
Phase der Umwandlung organischen Materials ablaufen.
Die Anwendung dieses Modells in einem natürlichen System
und der Abgleich der Vorhersagen mit natürlichen
Kohlenwasserstoffvorkommen zeigen, dass die thermische
Umwandlung organischen Materials viel früher einsetzt
als bisher angenommen. Da die Umwandlung des
Kerogens bereits bei Temperaturen von unter 80 °C einsetzte,
ergeben sich auch neue Perspektiven im Hinblick
auf die Verfügbarkeit von Substraten für die mikrobielle
Gasbildung. In den ermittelten Temperaturbereichen können
Mikroorganismen aktiv sein und beispielsweise
Methan produzieren, was durch die thermische Bildung
von z. B. Kohlendioxid und Wasserstoff in relativ großen
Teufen von weit über 1.000 m begünstigt wird.
Die Ergebnisse dieses Projektes verdeutlichen, dass eine
wesentlich größere Menge organischen Materials in Sedimentbecken
an der Bildung von Kohlenwasserstoffen
beteiligt ist als ursprünglich angenommen. Somit kann
von einer wesentlich größeren Menge freier Kohlenwasserstoffe
ausgegangen werden, was sowohl unter explorationsgeologischen
Gesichtspunkten als auch für die Erforschung
des weltweiten Kohlenstoffkreislaufs von essentieller
Bedeutung ist.
Abb. 10: (a) Abhängigkeit der Gaszusammensetzung von der thermischen Reife und (b) Vorhersage der thermischen
Gasbildung auf der Basis konventioneller Modelle. In natürlichen Systemen tritt thermisches Gas bereits bei niedriger
Reife auf, während konventionelle Modelle die Bildung thermischen Gases erst bei höherer Reife vorhersagen. Vorhersagen
auf der Basis der von uns weiterentwi-ckelten Modelle stimmen deutlich besser mit den natürlichen Gegebenheiten
überein.
(a) Dependence of gas composition on thermal maturity and (b) predictions of thermal gas generation based on conventional
models. In nature, thermal gas seems to become evident at relatively low maturity levels, while predictions
indicate gas generation only at elevated maturities. Our improved models provide a better match with nature.
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161

162
Biodegradation
Hintergrund
Viele geologische Prozesse werden durch die Einwirkung
oder Präsenz von Mikroorganismen beeinflusst, zum Beispiel
die Verwitterung von Gesteinen oder die Umwandlung
organischen Materials in Sedimenten. Eine außerordentlich
negative Rolle im Hinblick auf die Exploration
und Förderung hochwertiger Erdöle und Erdgase haben
Mikroorganismen in Lagerstätten. Hier bauen sie qualitativ
wichtige Erdöl- und Erdgasbestandteile ab und führen
zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Qualität und Fördereigenschaften,
aber auch der ursprünglich akkumulierten
Volumina. Insbesondere die API-Dichte, als internationaler
Maßstab für die Qualität und den Wert eines
produzierten Öls, sinkt mit zunehmendem Einfluss der
mikrobiellen Aktivität. Dieses Phänomen, welches man
als Biodegradation bezeichnet, betrifft etwa 80 % der
weltweit bekannten Erdöllagerstätten. Im Wesentlichen
sind flach liegende, also generell logistisch attraktive
Lagerstätten betroffen, da die Biodegradation nur bei Temperaturen
bis 80 °C stattfinden kann. Da es genau diese
flachen Lagerstätten sind, die eine immer größere wirtschaftliche
Rolle spielen, ist die Vorhersage des Ausmaßes
der Biodegradationsprozesse in einer Lagerstätte
unabdingbare Voraussetzung für erfolgreiche Explorationsaktivitäten.
Ziel
In diesem Projekt sollen die Effekte der mikrobiellen Aktivitäten
an Erdölen unterschiedlicher Herkunft untersucht
und regional gültige Reaktionsmechanismen zur besseren
Qualitätsvorhersage beschrieben werden.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse dieses Projektes zeigen, dass es entgegen
konventionellen Annahmen keine allgemein gültigen Muster
für die progressive Biodegradation in Erdölsystemen
gibt. Die Biodegradation läuft scheinbar nicht stufenweise
ab, sondern wird vielmehr über den gleichzeitigen, aber
unterschiedlich schnellen Abbau verschiedener Kohlenwasserstoffe
kontrolliert. Da unterschiedliche Mikroorganismen
im Hinblick auf die von ihnen abgebauten Erdölbestandteile
ausgesprochene Spezialisten sind, kann davon
ausgegangen werden, dass die Mikroflora einer Lagerstätte
entscheidenden Anteil an den qualitativen Veränderungen
der Erdöle hat. Weil Mikroorganismen unabdingbar
einen wässrigen Lebensraum benötigen, ist der so
genannte Öl-Wasserkontakt, der sich an der Basis der
Ölsäule befindet, eine bevorzugte Zone für die Biodegradation.
Die Ergebnisse unserer Untersuchungen belegen,
dass die unterschiedliche Bioverfügbarkeit verschiedener
Erdölbestandteile im Wasser eine wichtige Rolle bei der
Biodegradation von Kohlenwasserstoffen in Lagerstätten
spielt. Die Erkenntnis, dass unterschiedliche Erdölbestandteile
gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen Raten
abgebaut werden, hat die Entwicklung neuer molekularer
Parameter zur Beschreibung der Abbauvorgänge ermöglicht.
Dadurch ist es auch möglich geworden, die Erdölqualität
in Abhängigkeit vom Ausmaß der Biodegradation
besser vorherzusagen.
Literatur:
Welte, D.H. (2004) Fossile Kohlenwasserstoffe – Wirklichkeit und Wahrnehmung
heute und morgen. Nova Acta Leopoldina NF 91, Nr. 339, 265-285.
Publikationen mit Industrierelevanz:
Dieckmann, V. (2005). Modelling petroleum formation from heterogeneous
source rocks: The influence of frequency factors on activation energy distribution
and geological prediction. Marine and Petroleum Geology, 22, 375-390.
Haberer, R.M., Mangelsdorf, K., Dieckmann, V., Fuhrmann, A., Wilkes, H. and Horsfield,
B., 2005: Characterization of the organic matter in lignites of the Kugmallit
Sequence (Oligocene) at the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate
production research well. In: Dallimore, S.R., Collett, T.S. (Eds), Scientific Results
from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie
Delta, Northwest Territories, Canada. Geological Survey of Canada Bulletin
585, p. 11
Haberer, R.M., Mangelsdorf, K., Wilkes, H., Horsfield, B., 2006. Occurrence and
paleoenvironmental signifcance of aromatic hydrocarbon biomarkers in Oligocene
sediments from the Mallik 5L-38 Gas Hydrate Research Well (Canada). Organic
Geochemistry, in press.
Liguo Hu, A. Fuhrmann, H. Poelchau, B. Horsfield, Zhanwen Zhang, Tiesheng Wu,
Yixian Chen, Jinyou Li (2005). Numerical Simulation of Petroleum Generation
and Migration in the Qingshui Sag, Western Depression of the Liaohe Basin, NE
China. AAPG Bulletin, 89 (12), 1629-1649.
Huvenne, V.A.I., Bailey, W. R. , Shannon, P.M., Naeth, J., di Primio, R., Henriet,
J.P., Horsfield, B., de Haas, H., Wheeler, A. and Olu-Le Roy, K. (2005) The Magellan
mound province in the Porcupine Basin. International Journal of Earth Sciences,
DOI: 10.1007/s00531-005-0494-z.
Lüders, V., Reutel, C, Hoth, P, Banks, D.A, Mingram, B, Pettke, T. (2005) Fluid
and gas migration in the North German Basin: fluid inclusion and stable isotope
constraints. International Journal of Earth Sciences 94, 5/6, 990-1009.
Magri, F., Bayer, U., Clausnitzer, V., Jahnke, C., Fuhrmann, J., Möller, P., Pekdeger,
A., Tesmer, M., Voigt, H., 2005. Deep reaching fluid flow close to convective
instability in the NE German Basin-results from water chemistry and numerical
modeling. Tectonophysics, 397, 5-20.
Naeth, J., di Primio, R., Horsfield, B., Schaefer, R.G., Shannon, P.M., Bailey, W.R.,
and Henriet, J.P., 2005. Hydrocarbon seepage and carbonate mound formation: a
basin modelling study from the Porcupine Basin (offshore Ireland). Journal of
Petroleum Geology, 28 (2), p. 43-62.
Vieth, A., Wilkes, H., 2005. Deciphering biodegradation effects on light hydrocarbons
in crude oils using their stable carbon isotopic composition: a case study
from the Gullfaks oil field, offshore Norway. Geochimica et Cosmochimica Acta,
70, 651-665.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
163

164
Schutz gegen Wind und Schnee: Die neue GFZ-Satellitenempfangsantenne in Ny Ålesund auf Spitzbergen bekommt
eine Antennenkuppel (Foto: C. Falck, GFZ).
Protection from wind and snow: The new GFZ satellite receiving antenna at Ny Ålesund on Spitsbergen gets a radome.
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Department 1
Geodäsie und Fernerkundung
Globale Prozesse können den Lebensraum des Menschen
auch innerhalb kurzer Zeiträume verändern. Ereignisse
wie der Tsunami im Indischen Ozean vom 26.12.2004
oder die Überschwemmungen in New Orleans vom August
2005, Erdbeben, Vulkanismus, die gegenwärtige starke
Abnahme des Magnetfeldes, Tageslängenänderungen,
Grundwasserverschiebungen und Änderungen im Massenhaushalt
polarer Eisflächen sind unmittelbarer Ausdruck
dieser Dynamik und zeigen direkt auch ihre gesellschaftliche
Relevanz. Ihre Wirkung wird in der Variabilität
des Gravitationsfeldes und des Magnetfeldes der
Erde, der Veränderlichkeit der Erdrotation und in großräumigen
Deformationen des Erdkörpers sichtbar. Permanente
Überwachung und Erfassung von großen, aber
auch von sehr kleinen Veränderungen erfordern ein umfassendes
globales Erdbeobachtungssystem, das sowohl
Ereignisse von sehr kurzer Dauer (Erdbeben, Vulkanausbrüche,
Hangrutschungen, etc.) als auch Prozesse, die sich
über Jahrhunderte oder gar Jahrmillionen erstrecken
(postglaziale Landhebung, Plattenverschiebungen, etc.),
erkennen kann. Die zugrundeliegenden Prozesse finden
ihren Ausdruck in der seismologischen Struktur des Erdinnern
und seiner stofflichen Zusammensetzung. Wesentliche
Voraussetzung zum Verständnis des Systems Erde und
seiner Dynamik ist die Kenntnis dieser Prozesse und
Strukturen. Zu einem solchen System kann die Geodäsie
und Fernerkundung einen ganz bedeutenden Beitrag liefern,
denn die geodätischen Weltraumverfahren, die Satellitenmissionen
und terrestrischen Beobachtungsmethoden
ermöglichen es heute, das System Erde mit einer noch
nie erreichten Genauigkeit zu erfassen.
Global gewonnene, lange Zeiträume überdeckende Datenreihen
von diesen Phänomenen sind von ausschlaggebender
Bedeutung für eine gesicherte Prozessmodellierung
(Geomonitoring). Zielvorgabe für diese Aufgabe ist es,
eine die Kontinente, Ozeane und großen Eisflächen überdeckende
integrierte Geomonitoring-
Infrastruktur zu schaffen, diese im Verbund
mit Teilstrukturen von internationalen
Partnern und Diensten operationell zu
betreiben und die damit erfassten Datenreihen
in räumlich-zeitlich hochauflösende
Modelle umzusetzen. Nur auf dieser
Basis lassen sich Bezugssysteme und
Modellgrößen mit größtmöglicher
Genauigkeit und zeitlicher Frequenz
bestimmen und überwachen.
Die Vision eines solchen geodätischen
Erdbeobachtungssystems, d. h. eines
Global Geodetic Observing Systems
(GGOS: Projekt der International Association
of Geodesy (IAG)) zur Erfassung
globaler Prozesse und Veränderungen umfasst daher als
Erstes eine globale Beobachtungsinfrastruktur (Abb. 1.1).
Sie muss aus drei unterschiedlichen Komponenten bestehen:
(1) aus einem globalen, Kontinente überdeckenden
Netz von integrierten geodätisch-geophysikalischen Permanentstationen
mit Beobachtungstechniken wie VLBI
(Very Long Baseline Interferometry), SLR/LLR (Satellite
and Lunar Laser Ranging), DORIS (Doppler Orbitography
and Radiopositioning Integrated by Satellite) und
insbesondere GNSS (Global Navigation Satellite Systems:
GPS, GLONASS und in Zukunft GALILEO) sowie
gravimetrischen, seismischen, meteorologischen und
anderen Sensoren, (2) aus Satellitenmissionen und ganzen
Satellitenkonstellationen mit geeigneten Sensoren für
das Monitoring des Schwere- und Magnetfeldes, der Meeres-
und Eisoberflächen und der Deformation der Erdoberfläche
und schließlich (3) aus einer Verdichtung dieser
satellitengestützten Datensätze mit terrestrischen, flugzeug-
und schiffgestützten Instrumenten. Diese integrierte
Geomonitoring-Infrastruktur kann nur in einer engen
Kooperation vieler internationaler Partner und Dienste
operationell betrieben und weiter verbessert werden.
Schließlich müssen als Teil dieser Vision die von einem
GGOS gesammelten, ständig wachsenden Datenmengen
mit neuesten Informationstechnologien erfasst, archiviert
und immer näher an Echtzeit an die Nutzer verteilt werden.
Äußerst effiziente Programmsysteme und Prozessierungseinheiten
sind dann für die Modellierung und Interpretation
der Schwerefelder, Magnetfelder, Deformationsfelder,
Erdrotationsparameter und deren zeitliche
Veränderungen erforderlich.
Mit dieser national und international vernetzten Infrastruktur,
den GNSS und anderen geodätischen Weltraumtechniken,
den Schwerefeld- und Magnetfeldmissionen
CHAMP, GRACE, GOCE, SWARM, den Ozean- und Eis-
Abb. 1.1: Monitoring und Modellierung der Prozesse im System Erde.
Monitoring and modelling of the processes in the Earth system.
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166
überwachungssatelliten ERS-2, JASON-1, ENVISAT,
ICESAT, CRYOSAT-2 und den SAR/InSAR/optischen
Satelliten TerraSAR-X, TanDEM-X und EnMAP werden
neben der mehr grundlagenorientierten Modellbildung zu
Prozessen im Erdkern, Erdmantel und der Kruste auch
eine Vielzahl praktischer Anwendungen ermöglicht. Hierzu
gehören die laufende Bereitstellung eines für die Präzisionsvermessung,
die terrestrische und interplanetare
Navigation essentiellen fundamentalen globalen Bezugssystems
mit Millimetergenauigkeit, einer Höhenbezugsfläche
(Geoid) ebenfalls mit Millimetergenauigkeit für die
hochgenaue interkontinentale Höhenübertragung, die
Überwachung des Meeresspiegelanstiegs und die Nutzung
von GPS und GALILEO für das Nivellement mit Satelliten
und die Präzisionszeitübertragung. Daneben können
die Zirkulation der Ozeane, Tiefenströmungen, Wärmeaustausch
an der Ozeanoberfläche und in großen Feuchtgebieten,
Veränderungen im Massenhaushalt der großen
Eisflächen, Veränderungen im globalen Grundwasserhaushalt
und die Änderung des mittleren Meeresspiegels
mit hoher Genauigkeit beobachtet und überwacht werden.
Die kontinuierliche Auswertung von Satellitenmessungen
zum Schwerefeld, Magnetfeld, zur Deformation der Erde
und zur Atmosphäre liefert wichtige Elemente zur Überwachung
und kurzfristigen Vorhersage des irdischen Wetters,
des Weltraumwetters und zu Frühwarnsystemen und
trägt damit wesentlich zum Schutz von Menschenleben
und von technischen Systemen bei.
Die im Folgenden beschriebenen Arbeiten zeigen, dass das
Department 1 des GFZ Potsdam mit einer breiten Palette
von nationalen, europäischen und internationalen Aktivitäten
zu den Zielen eines „Global Geodetic Observing
System“ (GGOS) beiträgt. Diese Aktivitäten reichen von
der Beobachtungsinfrastruktur (globale Beobachtungsnetze,
Satellitenmissionen) über die effiziente und hochgenaue
Analyse dieser Beobachtungen und deren Kombination
bis hin zur Modellierung und Interpretation.
Internationale Dienste, GPS-/GALILEO-Technologien
GFZ-Beiträge zum International GNSS Service
Das Department 1 trägt maßgeblich zur Infrastruktur des
Internationalen GNSS Service (IGS) bei (GNSS = Global
Navigation Satellite System). Dies beinhaltet u. a. die Analysekoordination
und Kombination der IGS-Kernprodukte,
die Leitung des „Tide Gauge Benchmark Project for
Sea Level Monitoring“ (TIGA), die Bereitstellung und
Betreuung von 17 Permanentstationen im IGS-Netz, den
Betrieb eines operationellen Datenzentrums und schließlich
den Betrieb eines IGS-Analysezentrums.
Abb. 1.2a: Die Qualität der GFZ-Satellitenbahnvorhersagen
konnte durch Fixierung der Phasenmehrdeutigkeiten
von 10 auf 5 cm verbessert werden.
Quality of GFZ orbit predictions was improved from
10 cm to 5 cm by ambiguity-fixing.
Abb. 1.2b: Stationsgeschwindigkeiten, abgeleitet aus 12 Jahren globaler GPS-Daten (1993-2005). Zum Vergleich sind
die Geschwindigkeiten des internationalen Referenzsystems ITRF2000 und des aus geophysikalischen Daten gewonnenen
Modells NUVEL-1A angegeben.
Site velocities from 12 years of global GPS data (1993-2005). For comparison the velocities from the international
reference frame ITRF2000 and from the geophysically derived model NUVEL-1A are given.
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Die am GFZ-Analysezentrum erzeugten Produkte beinhalten
hochgenaue Bahnen der GPS-Satelliten, Satellitenund
Stationsuhren, Stationspositionen, Polkoordinaten
und Erdrotationsschwankungen sowie Troposphärenparameter.
Diese Produkte gehen in die IGS-Kombinationslösungen
ein, die von einem großen Nutzerkreis beispielsweise
für Positionierung und Zeitsynchronisation verwendet
werden. Durch die Implementierung einer effektiveren
und robusteren Strategie können jetzt mehr als
95 % der Phasenmehrdeutigkeiten im globalen Stationsnetz
fixiert werden, was zu Verbesserungen in den Produkten,
u. a. bei den Satellitenbahnvorhersagen (Abb. 1.2a)
für Echtzeitanwendungen führt.
Für die Überwachung des Internationalen Terrestrischen
Referenzsystems wurde die Anzahl der Stationen weiter
erhöht. Das Ausgleichen aller globalen GPS-Daten der
letzten 12 Jahre liefert Stationsbewegungen (Abb. 1.2b)
mit hoher Genauigkeit und damit tektonische Plattenbewegungen,
die sehr gut mit geophysikalischen Modellen
für die stabilen Plattenbereiche übereinstimmen und die
zu Modellverbesserungen an Plattenrändern beitragen
können.
Um präzise (< 1 mm/Jahr) vertikale Bewegungsgenauigkeiten,
wie sie für Meeresspiegelüberwachungen benötigt
werden, aus GPS-Zeitreihen ableiten zu können, ist die
Maßstabsstabilität des terrestrischen Referenzsystems
entscheidend. Es konnte nachgewiesen werden, dass
Maßstabsänderungen, die mit Veränderungen in der Satellitenkonstellation
einhergehen, auf fehlerhafte Parameter
der Satellitenantennen zurückzuführen sind. Mit den am
GFZ Potsdam neu bestimmten Antennenparametern
konnte die Maßstabsbestimmung wesentlich stabilisiert
werden (Abb. 1.3). Die vom GFZ abgeleiteten Antennenmodelle
sind gemeinsam mit denen der Technischen Universität
München zu einem neuen Modell des IGS
zusammengeführt worden.
Abb. 1.3: Differenzen im Maßstab des globalen GPS-
Stationsnetzes relativ zum System ITRF2000 unter Nutzung
von Antennenparametern des IGS sowie der GFZ-
Lösung mit verbesserten satellitenspezifischen Antennenparametern
(GFZS). Die plötzliche Maßstabsänderung
im Jahr 2000 tritt bei Verwendung von GFZS nicht
mehr auf.
Scale differences of global GPS networks relative to
ITRF2000 for solutions with the standard IGS antenna
parameters and with the improved satellite-specific antenna
parameters from GFZ (GFZS). A sudden scale change
during the year 2000 is not present anymore in the new
solution.
Globales GPS-Netz
Das globale GPS-Bodennetz wurde vom GFZ Potsdam
eingerichtet, um internationale geodynamische Dienste
und eigene Großprojekte zu unterstützen. Die erste Station
wurde 1994 in Kitab (Usbekistan) in Betrieb genommen
und fungiert bis heute als IGS „Core-Station“. In den
darauf folgenden Jahren wurden weitere Permanentstationen
in Zentralasien, Südamerika und Südostasien eingerichtet.
Diese Erweiterung fand im Rahmen von GFZ-
Projekten in der Tienshan-Pamir-Region, des Sonderforschungsbereichs
„Deformationsprozesse in den Anden“
und des GPS-Deformationsnetzes GEODYSSEA statt.
Gegenwärtig besteht das globale GPS-Bodennetz des
GeoForschungsZentrums aus 31 kontinuierlich arbeitenden
Stationen (Abb.1.4), deren Daten in zahlreichen wissenschaftlichen
Vorhaben genutzt werden.
Anfänglich wurden die dekodierten Beobachtungen an die
IGS-Zentren innerhalb von 48 Stunden geliefert. Um die
Satellitenmissionen CHAMP und GRACE zu unterstützen
und die Sondierung der Atmosphäre in Nahezu-Echtzeit
zu ermöglichen, müssen Daten schon nach etwa
20 bis 40 Minuten den Nutzern zur Verfügung stehen.
Aus diesem Anlass wurde in Kooperation mit dem Jet Propulsion
Laboratory (JPL) der NASA ein sogenanntes
High-Rate/Low-Latency (HR/LL) GPS-Bodennetz für die
CHAMP- und GRACE-Satellitenmissionen eingerichtet.
Gegenwärtig erfordern einige Projekte die Bereitstellung
der Daten mit maximalen Verzögerungen von nur fünf
Minuten (Metop/GRAS) und eine Datenverfügbarkeit von
weit über 90 %. Das Frühwarnsystem GITEWS (German-
Indian Ocean Tsunami Early Warning System) stellt noch
strengere Anforderungen – geplant ist Data-Streaming in
Echtzeit. Daher lagen in den letzten zwei Jahren die
Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten auf Real-Time-
Systemkomponenten und sehr zuverlässigen autonomen
modularen Feldsystemen. Ein Prototyp-Netz aus elf der
globalen GFZ-Stationen für GPS-Data-Streaming in Echtzeit
wurde auf Basis des HR/LL-Netzes eingerichtet. Die
Real-Time-Daten können im jeweiligen Empfänger-Format
zur Verfügung gestellt werden. Mit dem Betrieb dieses
Prototyp-Netzes leistet das GFZ einen bedeutenden
Beitrag zum Real-Time-Pilotprojekt des IGS.
GPS Antennenphasenzentrumsvariationen und -offsets
GPS-Messungen beziehen sich jeweils auf das elektromagnetische
Phasenzentrum der Empfangs- bzw. Sendeantenne.
Dieses fällt jedoch in der Regel nicht mit dem
mechanischen Referenzpunkt (z. B. Zentrum der Antennenunterkante
im Falle der Empfangsantenne, Massenzentrum
im Falle des Satelliten) zusammen. Der Abstand
zwischen dem mechanischen Referenzpunkt und dem
mittleren elektromagnetischen Referenzpunkt wird als
Antennenoffset bezeichnet (siehe Abb. 1.5). Zusätzlich zu
diesem mittleren Offset hängt die Lage des elektromagnetischen
Referenzpunktes noch von der Richtung des
empfangenen Signals ab. Diese Abhängigkeit ist die sogenannte
Antennenphasenzentrumsvariation (Phase Center
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
167

168
Abb. 1.4: Das globale GPS-Bodennetz des GFZ Potsdam.
GFZ Potsdam’s global GPS network.
Variation, PCV). PCV und Offsets für Empfängerantennen
relativ zu einer Referenzantenne können aus GPS-
Beobachtungen zweier Stationen mit geringem Abstand
(etwa 10 Meter) bestimmt werden.
Absolute Kalibrierwerte werden einerseits durch Labormessungen
in einer anechoischen Kammer, andererseits
durch Feldmessungen mit einer auf einem Messroboter
befestigten Antenne gewonnen. Dieses Verfahren wurde
Abb. 1.5: Geometrie einer GPS-Empfangsantenne; als
Antennenoffset wird der Abstand zwischen dem mechanischen
Referenzpunkt und dem mittleren Phasenzentrum
bezeichnet. Phasenzentrumsvariationen beschreiben die
Lage des Phasenzentrums in Abhängigkeit der Richtung
des empfangenen Signals. Entsprechendes gilt für die Sendeantenne
des Satelliten.
Geometry of a GPS receiver antenna, the antenna offset
is defined by the distance between the antenna reference
point and the mean phase center. Phase center variations
describe the location of the antenna phase center in dependence
of the received signal. The geometry for the satellite
transmitter antenna is analog.
von der Universität Hannover und der Firma Geo++ entwickelt.
Werden diese absoluten PCV für die Empfängerantennen
in der Auswertung eines globalen Netzes verwendet,
so können PCV und Offsets für die Satellitenantennen
als zusätzliche Parameter geschätzt werden.
In Kooperation mit der Technischen Universität München
(TUM) hat das GFZ Potsdam aus reprozessierten GPS-
Daten der letzten elf Jahre Satellitenantennen-PCV für die
verschiedenen Satellitentypen (Block-I, BlockII/IIA,
Block IIR-A und Block IIR-B) sowie vertikale Antennenoffsets
für jeden individuellen Satelliten bestimmt. Die
jeweiligen Mittelwerte der beiden Analysezentren sind in
Abb. 1.6 dargestellt. Obwohl für die Parameterschätzung
unterschiedliche Beobachtungsnetze, Softwarepakete und
Auswertestrategien verwendet wurden, ist die Übereinstimmung
der von GFZ und TUM bestimmten Parameter
hervorragend. Insbesondere zeigen die neuesten GPS-
Satelliten des Blocks IIR-B die größten Phasenzentrumsvariationen,
deren Vernachlässigung systematische Fehler
in den entsprechenden Auswertungen verursachen würde.
Die Variationen der vertikalen Antennenoffsets innerhalb
eines Satellitentyps wiederum zeigen, dass sich die einzelnen
Satelliten signifikant voneinander unterscheiden
und diese Unterschiede für hochgenaue Analysen berücksichtigt
werden müssen.
Werden diese absoluten PCV und Offsets für globale GPS-
Lösungen verwendet, so ergeben sich deutliche Verbesserungen
gegenüber dem relativen Modell. So wird beispielsweise
die interne Konsistenz der Satellitenbahnen
verbessert und die Maßstabsänderung gegenüber dem
Referenzsystem ITRF2000 um mehr als die Hälfte verringert.
Inzwischen hat sich der IGS (International GPS
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.6: Mittelwerte der von GFZ und TUM bestimmten Satellitenantennen-Phasenzentrumsvariationen und -offsets:
(a) blockspezifische Phasenzentrumsvariationen, (b) satellitenspezifische vertikale Offsets.
Mean values of the satellite antenna phase center variations and offsets estimated by GFZ and TUM: (a) block-specific
phase center variations, (b) satellite-specific vertical offsets.
Service for Geodynamics) ebenfalls dazu entschieden,
von einer relativen Antennenkalibrierung (lediglich für
Empfängerantennen) zu einem absoluten Modell (Empfänger-
und Satellitenantennen) zu wechseln. Der Übergang
auf das von GFZ und TUM bestimmte Modell ist für
Mitte 2006 geplant.
Globale GPS-Reprozessierung
Seit mehr als zehn Jahren werden GPS-Beobachtungen
des IGS-Stationsnetzes jeweils zeitnah von den IGS-Analysezentren
ausgewertet. Im Lauf der vergangenen Jahre
gab es zahlreiche Weiterentwicklungen und Verbesserungen
der hierfür verwendeten Modelle und Auswertestrategien.
Besonders die Modellierung der Satellitenbahnen
ist deutlich vorangeschritten. Die aus diesen GPS-Auswertungen
resultierenden Parameterzeitreihen (z. B. Satellitenbahnen,
Erdrotationsparameter, Stationskoordinaten,
Troposphärenparameter) sind inhomogen und eine geophysikalische
Interpretation schwierig. Abhilfe schafft
hier eine komplette Neuverarbeitung, die jedoch aufgrund
Abb. 1.7: Stationsnetz für GPS-Reprozessierung, Stationen des IGS Referenzrahmens
sind in rot dargestellt.
Tracking network used for the GPS reprocessing, IGS reference frame stations
are indicated by red dots.
des großen Datenvolumens und des enormen Rechenaufwands
bisher nur von wenigen Einrichtungen in Angriff
genommen wurde.
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Planetare Geodäsie
der Technischen Universität Dresden und der Forschungseinrichtung
Satellitengeodäsie der Technischen
Universität München wurden im Rahmen eines von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts
in den letzten drei Jahren die Voraussetzungen für eine
derartige Reprozessierung geschaffen. Hierfür wurde die
am Astronomischen Institut der Universität Bern entwickelte
Bernese GPS Software 5.0 verwendet. Die komplette
Verarbeitung des aus etwa 200 Stationen bestehenden
Netzes (siehe Abb. 1.7) für einen Beobachtungszeitraum
von 12 Jahren nahm ca. zwei Monate Rechenzeit in
Anspruch (LINUX-Cluster).
In Abb. 1.8 sind die Koordinatenwiederholbarkeiten der
wöchentlichen Koordinatenlösungen des CODE-Analysezentrums
und der neu verarbeiteten Lösung dargestellt.
Die CODE-Zeitreihe zeigt Anfang 1998
einen deutlichen Genauigkeitsgewinn
durch Verwendung eines verbesserten
Referenzrahmens. Anfang 2002 führte
eine verfeinerte Strategie zur Lösung der
Phasenmehrdeutigkeiten zu einer weiteren,
deutlich sichtbaren Verbesserung.
Die reprozessierte Zeitreihe weist hingegen
ein homogenes Genauigkeitsniveau
auf, da die verbesserten Auswertemodelle
für den gesamten Zeitraum verwendet
wurden. Ähnliche Genauigkeitsverbesserungen
zeigen sich auch bei den Satellitenbahnen.
In Abb. 1.9 ist die interne Konsistenz
der Satellitenbahnen in Form der
wöchentlichen mittleren Bahngenauigkeit
dargestellt. Besonders deutlich ist die
Verbesserung für Block IIR-A-Satelliten
im Jahr 1998. Der vertikale Antennenoffset
dieses Satellitentyps war zunächst
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
169

170
Abb. 1.8: Koordinatenwiederholbarkeit der Wochenlösungen des CODE-
Analysezentrums und der reprozessierten Zeitreihe. Wichtige Änderungen
in der CODE-Verarbeitungsstrategie sind durch senkrechte Linien markiert.
Coordinate repeatability of the weekly solutions from the CODE analysis
center and the reprocessed time series. Important changes in the CODE processing
scheme are indicated by vertical lines.
unbekannt und wurde daher dem der Block II/IIA-Satelliten
gleichgesetzt. Ab Anfang 1999 wurde ein neu
bestimmter Wert verwendet, der zu einer deutlichen Verbesserung
in der Bahnqualität führte. Die reprozessierten
Satellitenbahnen sind von diesem Effekt nicht betroffen,
hier zeigt sich lediglich zu Beginn der Block IIR-A-Zeitreihe
eine etwas schlechtere Qualität, da die Signale des
entsprechenden Satelliten anfänglich noch nicht von allen
Beobachtungsstationen erfasst wurden. Innerhalb des IGS
wurde die Wichtigkeit derartiger GPS-Reprozessierungen
durch die Gründung einer entsprechenden Arbeitsgruppe
gewürdigt. Der Beginn einer vom IGS koordinierten
Reprozessierung, an der auch das GFZ
mit zwei verschiedenen Lösungen teilnehmen
wird (hier beschriebene Lösung
sowie Lösung des GFZ-IGS-Analysezentrums),
ist für 2006 geplant.
Analysedienst für den International
Laser Ranging Service
Seit November 2003 läuft das Pilotprojekt
„Positioning & Earth Orientation“
des International Laser Ranging Service
(ILRS). Die sechs Analysezentren, die
Agenzia Spaziale Italiana (ASI), das Bundesamt
für Kartographie und Geodäsie
(BKG), das Deutsche Geodätische Forschungsinstitut
(DGFI), das GFZ, das
Joint Center for Earth Systems Technologies
(JCET) und der National Environment
Research Council Space Geodesy
Facility (NSGF), berechnen jeden Dienstag
Stationskoordinaten und Erdorientierungsparameter
aus Satellite Laser Ranging (SLR)-Beobachtungen
zu den Satelliten LAGEOS-1 und -2 und ETA-
LON-1 und -2. Die individuellen Lösungen werden von
den zwei Kombinationszentren des ILRS zusammengeführt
und offiziell am Mittwoch bereitgestellt. Mittlerweile
wurden mehr als 100 Lösungen abgeliefert. Lediglich
eine Lösung konnte aufgrund einer Stromabschaltung
nicht rechtzeitig fertiggestellt werden. Dies entspricht einer
Zuverlässigkeit unseres Dienstes von mehr als 99 Prozent.
Auch die Qualität der Lösungen ist gut. In Tab. 1.1 sind
die Abstände der individuellen Beiträge zur kombinierten
Abb. 1.9: Mittlere wöchentliche Bahngenauigkeit der verschiedenen GPS Satellitentypen: (a) jeweils zeitnah mit den
momentan aktuellen Modellen verarbeitete Zeitreihe des CODE-Analysezentrums, (b) reprozessierte Zeitreihe.
Mean weekly orbit accuracy of the different types of GPS satellites: (a) near real-time time series of the CODE analysis
center processed with the latest models available at that date, (b) reprocessed time series.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Tabelle 1.1:Residuen zur kombinierten Lösung des Wochenprodukts 050611 als Weighted Root Mean Squares (WRMS).
Residuals for the combined weekly solution 050611 as weighted root mean squares (WRMS).
Institut Position X-Pol Y-Pol Tageslänge
(mm) (10 –6 ") (10 –6 ") (10 –6 s)
ASI 6,7 148 173 35
BKG 5,7 66 262 31
DGFI 10,8 466 441 126
GFZ 5,5 229 272 53
JCET 8,6 207 288 30
NSGF 13,1 283 309 –
Abb. 1.10: Qualität der Bahnanpassung und Anzahl der Beobachtungen der
historischen Lösungen.
Orbital fits and number of observations of the historical solutions.
Lösung einer zufällig herausgegriffenen Woche zusammengestellt.
Einige der Analysezentren werteten 2005 historische
SLR-Beobachtungen bis zurück zum Jahr 1993, also kurz
nach dem Start von LAGEOS-2 aus. Ziel war die Bereitstellung
einer kombinierten Lösung der SLR-Technik als
Beitrag zur Berechnung des neuen International Terrestrial
Reference Frame 2004 (ITRF2004). Die Qualität der
GFZ-Lösungen zeigt Abb. 1.10, in der die Güte der Bahnanpassungen
und die Anzahl der Beobachtungen für alle
Wochenlösungen dargestellt sind. Im Mittel liegt die
Modellierungsgenauigkeit bei ca. 1 cm über den gesamten
Analysezeitraum. Die Anzahl der Beobachtungen ist
ständig gewachsen und sorgt damit für stabile Wochenlösungen.
Die SLR-Technik trägt wesentlich zur Maßstabsbestimmung
des terrestrischen Referenzrahmens bei
(z. B. ITRF2004).
ICGEM – International Centre for Global Earth Models
Das vom Department 1 eingerichtete ICGEM ist eines von
sechs Zentren des International Gravity Field Service
(IGFS) der International Association of Geodesy (IAG).
Der IGFS ist ein neuer zentraler Dienst der IAG. Er besteht
aus den folgenden sechs Zentren: International Gravity
Bureau (BGI), International Geoid Service (IGeS), Inter-
national Center for Earth Tides (ICET),
International Centre for Global Earth
Models (ICGEM), International DEM
Service (IDEMS) und dem IGFS Technical
Centre.
Zu den Aufgaben des ICGEM gehören
insbesondere das Sammeln und Bereitstellen
globaler Schwerefeldmodelle.
Gegenwärtig stehen 94 Schwerefeldmodelle
einschließlich einer Liste der zugehörigen
Publikationen zur Verfügung.
Die Modelle und alle notwendigen Hindergrundinformationen
werden in einem
einheitlichen Format vorgehalten, das
selbsterklärend und offen für zukünftige
Anforderungen, wie z. B. Zeitreihen von
Koeffizienten ist. Eine automatisierte
Evaluierungsprozedur für diese globalen
Schwerefeldmodelle wird für die Bewertung
der im Department 1 berechneten Schwerefeldmodelle
genutzt. Der Zugang zu diesen Prozeduren soll auch
für andere Nutzer geöffnet werden. Die interaktive Visu-
Abb.1.11:Die interaktive Visualisierung (Modell: EIGEN-
CG03C).
The interactive visualisation (model: EIGEN-CG03C).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
171

172
alisierung von Schwerefeldfunktionalen der Modelle und
Differenzen von Modellen steht bereits online zur Verfügung
(http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ICGEM.
html). Geoidundulationen können farblich codiert und
illuminiert auf eine frei interaktiv drehbare oder um die
Polachse rotierende Kugel projiziert werden (Abb. 1.11).
Über ein Web-Interface können auch verschiedene Funktionale
der Schwerefeldmodelle auf wählbaren Gitterpunkten
berechnet werden. Das berechnete Gitter steht
nach wenigen Sekunden zum Download zur Verfügung.
GPS-Reflektionsmessungen mit dem OpenGPS-Empfänger
GNSS-Signale im Frequenzbereich des L-Bandes (1,2 und
1,6 GHz) weisen eine hohe Reflektivität an Wasser-, Eisund
Schneeoberflächen auf, so dass ein Teil der einfallenden
Satellitensignale wieder abgestrahlt wird. Diese an
vielen Orten der Erde frei verfügbaren reflektierten Signale
lassen sich trotz der zum Teil geringen Signalpegel
für altimetrische Zwecke nutzen. Mit einem am GFZ
modifizierten GPS-Empfänger konnten in einer Messkampagne
vom 21. bis 24. 09. 2004 vom Königsstuhl auf
der Insel Rügen aus einer Höhe von 118 m Höhenmessungen
der vorgelagerten Ostseeoberfläche gewonnen
werden. Im Gegensatz zu einem konventionellen Gezeitenpegel
können die Ozeanhöhendaten mit einem boden-
Abb. 1.12: Minütlich modellierte Verteilung von GPS-Reflexionspunkten
(grau) für einen Zeitraum von 8 Stunden (oben) und Ausschnitt eines mit 50
Werten pro Sekunde gemessenen Höhenprofils (unten).
Top: Distribution of GPS reflection events, predicted in a 1-min-sampling
within a 8-hour timespan (grey). Bottom: Extract of a measured height profil
with 50 data samples per second.
basierten GPS-Reflektometrieempfänger von einem Standort
gemessen werden, der vor Wellen und Stürmen geschützt
ist. So sind ungestörte Langzeitbeobachtungen
möglich. Weil eine Vielzahl von GPS-Satelliten zur Messung
parallel genutzt werden können, decken die Reflektionspunkte
einen großen Bereich ab (Abb. 1.12). Relative
Höhenschwankungen können mit einer Genauigkeit
von wenigen Zentimetern und einer zeitlichen Auflösung
von 50 Hz erfasst werden. Im Gegensatz zu konventionellen
Pegeldaten weisen die GPS-Reflektometriedaten
eine einheitliche Bezugshöhe/Höhenreferenz auf (z. B.
ITRF2000).
Wie gewinnt man diese altimetrischen Höheninformationen?
Einfache geometrische Überlegungen zeigen, dass
der Weg, den das reflektierte GPS-Signal zur Empfängerantenne
zurücklegt, länger ist, als der Weg des direkt empfangenen
GPS-Signals. Diese Wegverlängerung ist abhängig
von der GPS-Empfängerhöhe und der Position des
beobachteten GPS-Satelliten. Da sich die Position des
GPS-Satelliten kontinuierlich ändert, ändert sich auch
ständig der Wegunterschied zwischen dem direkten und
reflektierten Signal. An der Empfängerantenne kommt es
dann zu Interferenzen zwischen dem direkten und reflektierten
GPS-Signal, die periodische Amplitudenschwankungen
verursachen. Bei der GPS-Reflektometrie können
aus den gemessenen Amplitudenschwankungen und der
bekannten Geometrie von GPS-Empfänger
und GPS-Satellit relative Höhenschwankungen
der Wasseroberfläche am
Ort der Reflexion abgeleitet werden. Der
OpenGPS-L1-Empfänger, der auf einer
open-source Empfängersoftware, handelsüblicher
PC-Hardware und einem
modifizierten kommerziell erhältlichen
Einfrequenz-GPS-Modul basiert, kann
diese Amplitudenschwankungen mit
hoher zeitlicher Auflösung von 50 Messungen
pro Sekunde aufzeichnen und
so mit Hilfe der Trägerphasenänderung
die gezeigten Höhenprofile mit wenigen
Zentimetern Genauigkeit gewinnen
(Abb. 1.13). Obwohl in der Regel die signifikanten
Wellenhöhen der Ostsee die
Wellenlänge des GPS-Signals deutlich
überstiegen, konnten unter flachen Beobachtungswinkeln
von weniger als 8° aufgrund
des Rayleigh-Kriteriums kohärente
Reflexionen beobachtet und relative
Höhenänderungen erfolgreich abgeleitet
werden.
Unter Federführung des GFZ Potsdam
fand vom 22. 07. bis 13. 08. 2005 eine
internationale, multidiszipinär ausgerichtete
Expedition in die Tienshan-Gebirgsketten
Kirgisistans zum Inylshik-Gletschersystem
statt. Dort wurden erste
Monitoring-Aufgaben mit Hilfe des
OpenGPS-Empfängers durchgeführt. Die
seit zwei Jahrzehnten beobachtete Re-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

gression der Vergletscherung in dieser Region verändert
die Dynamik der Gletscher. Eine Zunahme von Schlammlawinen
und Dammbrüchen ist die Folge. Untersuchungsschwerpunkt
war der vom Süd-Inylshik aufgestau-
Abb. 1.13: (A) Mit dem OpenGPS-Empfänger
gemessene ungefilterte Korrelationswerte,
(B) daraus abgeleitete Phasenwerte
φ. (C) Höhenänderungen am
Reflektionspunkt, aus der bekannten
Geometrie von Empfänger, Satellit,
Reflektionspunkt und den Phasenwerten
berechnet.
(A) Unfiltered correlation data measured
by the OpenGPS receiver, (B) derived
phase values φ. (C) Relative height change
at the reflection point, derived from the
varying phase data and from the known
geometry of receiver, satellite and reflection
point.
te und vom Nord-Inylshik gespeiste Merzbacherssee
(Abb. 1.14). In den Sommermonaten
haben Dammbrüche dort in den
vergangenen Jahren regelmäßig massive
Schäden an der Infrastruktur unterhalb
des Gletscherausflusses hervorgerufen.
Kurz vor der Expedition ist der Damm
erneut gebrochen, aufgrund des heißen
Sommers früher als gewöhnlich. Die verschiedenen
früheren Füllhöhen des mittlerweile
wieder teilgefüllten Sees kann
man im oberen Bild von Abb. 1.15 anhand
der verschiedenen Uferlinien erkennen.
Der OpenGPS-Empfänger konnte am
Ostufer des Merzbachersees in einer Höhe von 3.271 m
auf anstehendem Gestein, 43 m oberhalb der eisbedeckten
Seeoberfläche, installiert werden (Abb. 1.16). Mit
einer um 45° Richtung Westen verkippten GPS-Antenne
Abb. 1.14: Karte des Nord- und Süd-Inylshik-Gletschersystems, dem größten Gletschersystem der Tienshan-Region in
Kirgisistan, Zentralasien, mit einer Gesamtlänge von mehr als 65 km und einer Fläche von mehr als 815 km 2 .
The North- and the South-Inylshik glacier system, the largest glacier system of the Tienshan region in Kyrgyzstan, Central
Asia, has a total length of more than 65 km and comprises an area of more than 815 km 2 .
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
173

174
Abb. 1.15: Ostufer des Merzbachersees am 24.07.2005,
aufgenommen während des Transporthubschrauberanflugs
(oben) und gleiche Lokation am 26.07.2005, aufgenommen
auf dem Weg zur OpenGPS-Messlokation mit
Blick nach Süden Richtung Eisbarriere des Süd-Inylshiks
(unten) (Fotos: A. Helm, GFZ).
Top: East shoreline of the Merzbacher lake on July 24,
2005. The aerial view was taken during the transfer with
the helicopter. Bottom: Same location on July 26, photo
taken on the way to the OpenGPS measurement location.
The ice dam of the South-Inylshik can be seen in south
direction.
konnten im Zeitraum vom 27.07. bis 10.08. täglich mehrere
Höhenprofile gewonnen werden. Ein zweiter Dammbruch
konnte am 01.08. beobachtet werden, woraufhin der
Seespiegel erneut um mehr als 20 m bis auf den Seegrund
gefallen ist. Erste Auswertungen der Reflektometriedaten
erfassen nicht nur den absoluten Höhenabfall, sondern lassen
auch die veränderte Topographie der reflektierenden
Seeoberfläche erkennen (Abb. 1.17). Bis zum Ende des
Experiments konnte kein erneutes Wiederauffüllen beobachtet
werden.
Die Methode der GPS-Reflektometrie bietet damit die
Möglichkeit, im ufer- und küstennahen Bereich See- und
Meeresspiegeländerungen – wichtige klimarelevante Faktoren
– zu überwachen. Durch den kommenden Aus- und
Aufbau der russischen und europäischen GNSS-Systeme
GLONASS und GALILEO wird die Zahl der zur Verfügung
stehenden GNSS-Signale weiter erhöht. Die Methode
lässt sich aber nicht nur für bodengestützte Fernerkun-
Abb. 1.16: Während der Kalibrationsmessung im Norduferbereich
des Merzbachersees mit einem Trimble 4000
GPS-Empfänger stieg der Wasserspiegel am 30.07.2005
um 4 cm/Std. an (oben). Bei der Wiederholungsmessung
am 01.08. fiel der Wasserspiegel um 5 cm/Std. Eine dritte
Wiederholungsmessung am 3. August 2005 konnte nicht
mehr durchgeführt werden, da der Wasserspiegel bereits
um mehrere Meter gefallen war und der aktuelle Uferbereich
nicht mehr zugänglich war (unten) (Fotos: A. Helm,
GFZ).
Top: During the calibration measurement with a Trimble
4000 GPS receiver at the northern shoreline of the Merzbacher
lake the water level rised on July 30, 2005 with a
rate of 4 cm/h. During a second calibration measurement
on August 1 at the same location the water level dropped
with a rate of 5 cm/h. Bottom: On August 3 the water level
already dropped several meter. Thus, a third measurement
could not be conducted anymore and access to the new
shoreline was not possible anymore without risc.
dung einsetzen, sondern wird zurzeit auch für eine weltraumgestützte
globale Überwachung des Meeresspiegels
weiterentwickelt.
Das TOR-Experiment auf TerraSAR-X
Für die Erdfernerkundung gewinnen heute satellitengestützte
Radarverfahren an Bedeutung. Der deutsche Satellit
TerraSAR-X repräsentiert dabei eine neue Generation
von Flugkörpern. Die Abkürzung SAR steht für „Synthetic
Aperture Radar“ – Radar mit synthetischer Apertur.
Mittels relativ kleiner Radarantennen wird eine hohe Auf-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb 1.17: Aus den am 30.07. (oben) und
03.08.2005 (unten) berührungslos gemessenen
GPS-Reflexionsdaten lassen sich
die gezeigten Höhenprofile des Merzbachersees
ableiten. Aus den absoluten Höhen
beider Profile lässt sich das Absinken
des Wasserspiegels in diesem Zeitraum
mit 14 m abschätzen.
From the remotely measured GPS reflection
data on July 30 (top) and August 3,
2005 (bottom) the shown height profiles
of lake Merzbacher can be calculated.
From the absolute heights of both profils
a water level drop of 14 m can be estimated
within the observed time interval.
lösung erzielt, die sonst nur mit wesentlich
größeren Durchmessern (Aperturen)
erreichbar ist. Der „Trick“ des SAR-Verfahrens
besteht darin, die Momentaufnahme
einer großen stationären Antenne durch viele, mit
Hilfe einer kleinen, phasengesteuerten Antenne gewonnene
Aufnahmen zu ersetzen. Dabei wird jedes Objekt im
Sendestrahl im Verlauf der Aufnahme unter verschiedenen
Blickwinkeln angestrahlt. Bei genauer Kenntnis der
Bahn des Radarsenders kann anschließend aus den
gewonnenen Intensitäten und Phasenlagen ein Bild synthetisiert
werden, das dem einer großen Antenne entspricht.
TerraSAR-X trägt als Hauptnutzlast ein Radar-Phasenarray,
das bei einer Frequenz von 9,65 GHz, d. h. im sogenannten
X-Band arbeitet. Testflüge mit X-Band Radaranlagen
an Bord des Space Shuttle (X-SAR 1994, SRTM
2000) waren bisher auf wenige Tage begrenzt, so dass die
wiederholte Aufnahme eines Gebiets über längere Zeiträume
hinweg unmöglich war. Im Gegensatz dazu soll
TerraSAR-X eine Missionsdauer von fünf Jahren erreichen
und aufgrund seiner hohen Bahnneigung von 97,4°
nahezu alle Gebiete der Erde erfassen. Der Satellit wird
im Rahmen einer Public Private Partnership zwischen dem
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
und der EADS Astrium GmbH realisiert und soll 2006
vom Startplatz Baikonur in seine Erdumlaufbahn gebracht
werden.
Das GFZ Potsdam betreibt auf TerraSAR-X das TOR-
Experiment als Sekundärnutzlast, welches zur Verbesse-
Abb. 1.18: Oben: Wasserspiegel des Merzbachersees am
30.07.2005, gesehen vom GPS-Empfängerstandort.
Mitte: Am 05.08.2005 ist der Wasserspiegel des Merzbachersees
fast bis zum Seegrund gefallen. Unten: Am
10.08.2005 hat der stetige Wasserzulauf des Nordinylshik-
Gletschers ein voll ausgebildetes Flussbett geschaffen
(Fotos: A. Helm, GFZ).
Top:Water level of lake Merzbacher on July 30, 2005, seen
from the OpenGPS receiver location. Middle: On August 5,
2005 the water level already dropped to the lake bottom.
Bottom:On August 10 the steady water inflow of the North-
Inylshik glacier created a fully developed river channel.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
175

176
Abb. 1.19: Der Satellit TerraSAR-X in Flugkonfiguration
mit ausgeklapptem X-Band Downlink-Ausleger. Die flache
Radarantenne befindet sich an der Unterseite des
Raumflugkörpers und zeigt zur Erdoberfläche (Quelle:
DLR).
The TerraSAR-X spacecraft in flight configuration with the
X-band downlink boom deployed. The flat radar antenna
at the lower part of the satellite body is facing towards the
Earth surface.
rung der wissenschaftlichen Nutzung der SAR-Daten
sowie zur Sondierung der Erdatmosphäre dienen soll. Das
Hauptziel besteht dabei in einer auf wenige Zentimeter
genauen Bahnbestimmung des Satelliten. TOR (Tracking,
Occultation and Ranging) enthält einen Zweifrequenz-
GPS-Empfänger mit insgesamt vier Antennen sowie einen
Laserretroreflektor. Der von der US-Firma BroadReach
Engineering Inc. hergestellte GPS-Empfänger ist im Wesentlichen
identisch mit dem auf CHAMP eingesetzten
„BlackJack“ Instrument, das vom Jet Propulsion Laboratory
in Pasadena entwickelt wurde und das seit dem Start
von CHAMP Juli 2000 ausgezeichnete Daten liefert.
Abb. 1.21: Links: Laserretroreflektor für TerraSAR-X,
rechts: Signalverteilung im Fernfeld, Skala: 2 Bogensekunden
pro Unterteilung (Foto: L. Grunwaldt, GFZ).
Left side:Laser retroreflector for TerraSAR-X, right side:farfield
signal distribution, scale is 2 arcseconds per division.
Abb. 1.20: Die GPS-Navigationsantennen zur präzisen
Bahnbestimmung auf Choke-Ringen montiert (Foto:
EADS Astrium).
The GPS navigation antennas for precise orbit determination
mounted on choke rings.
Damit eine Bahngenauigkeit von wenigen Zentimetern
erreicht werden kann, dürfen die GPS-Signale die Navigationsantennen
nur auf direktem Weg erreichen. Reflexionen
an Teilen des Satellitenkörpers würden die Messwerte
verfälschen und zu Ungenauigkeiten führen. Daher
fertigte und qualifizierte das GeoForschungsZentrum für
TerraSAR-X spezielle Antennenaufbauten. Diese sogenannten
Choke-Ringe sollen störende GPS-Signalreflexionen
weitgehend unterdrücken (Abb. 1.20).
Zwei weitere TOR-Antennen werden zur vertikalen Sondierung
der Erdatmosphäre genutzt und empfangen die
Signale von GPS-Satelliten, welche für TerraSAR-X gerade
am Horizont auf- bzw. untergehen. Die Verzögerung
des Radiosignals beim Durchstrahlen der Troposphäre
wird zur Ableitung von weltweiten Temperatur- und Feuchteprofilen
genutzt. Dieses Radiookkultationsverfahren
funktioniert auf CHAMP seit 2001 sehr erfolgreich.
Der Laserretroreflektor ist an der Unterseite des Satelliten
angebracht und dient zur externen Kalibrierung bzw.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Validierung der mittels GPS vermessenen Bahn. Die im
weltweiten Netz des International Laser Ranging Service
arbeitenden Laserbodenstationen vermessen dabei Teilstücke
der Satellitenbahn zentimetergenau durch Laufzeitmessung
ultrakurzer Lichtimpulse und bieten somit
eine vom GPS unabhängige hochgenaue Referenz zur
Qualitätsanalyse der GPS-Bahnen. Der am GFZ Potsdam
entwickelte und bereits auf den Missionen CHAMP sowie
GRACE-A und -B erfolgreich eingesetzte Reflektor ist
nur ca. 10 cm groß (Abb. 1.21). Die Besonderheiten des
Reflektors bestehen zum einen in der geringen Anzahl der
eingesetzten Prismen, wodurch das reflektierte Signal sehr
„scharf“ wird, zum anderen in einem speziellen Verfahren
zur Kompensation des Einflusses der Satellitengeschwindigkeit
auf die Richtung des Rückkehrsignals. Durch spezielle
Formgebung der Reflexprismen wird das am Reflektor
auf TerraSAR-X reflektierte Licht im Fernfeld dort
konzentriert, wo sich die Laserstation befindet. Ohne diesen
Kunstgriff würde ein großer Teil des Signals für die
Messung verlorengehen.
Das GeoForschungsZentrum besitzt aus seinen Arbeiten
zur präzisen Bahnbestimmung der Missionen CHAMP
und GRACE eine jahrelange Erfahrung auf dem Gebiet
der GPS-gestützten Bahnen, die extern durch Lasermessungen
validiert werden. Zusammen mit dem TOR-Experiment
auf TerraSAR-X sollen die so verbesserten Radardaten
zur Registrierung von Landsenkungen, bei der Überwachung
und der Modellierung lokaler geologischer
Gefährdungen, wie Hangrutschungen und Felsstürzen,
sowie zur Erforschung der Eisdynamik eingesetzt werden.
Das Schwerefeld der Erde
Entwicklung der räumlichen Auflösung auf Basis moderner
Schwerefeldmodelle
Ein wesentlicher Aspekt der Missionen CHAMP und
GRACE ist die Verbesserung der räumlichen Auflösung
des statischen Schwerefeldes, die gegenüber der Zeit vor
CHAMP deutlich um bis zu zwei Größenordnungen
gesteigert werden konnte. Abb. 1.22 zeigt hierzu beispielhaft
Schwereanomalien (Abweichungen vom Normalschwerefeld)
über Europa aus dem Schwerefeldmodell
GRIM5-S1, einer Kombination aus Satellitendaten
der Zeit vor CHAMP, aus einem rein aus CHAMP-Beobachtungen
abgeleiteten Modell (EIGEN-CHAMP03S),
einem gegenüber CHAMP höher auflösenden GRACE-
Abb. 1.22: Verbesserung der räumlichen Auflösung globaler Erdschwerefeldmodelle bestimmt aus Daten verschiedener
geodätischer Satelliten (GRIM5-S1 Modell), nur aus CHAMP-Beobachtungen (EIGEN-CHAMP03S), nur aus
GRACE-Daten (EIGEN-GRACE03S) und die mit GOCE erwartete Auflösung. Dargestellt sind Abweichungen der
Schwere gegenüber mittleren Werten (Schwereanomalien) in mGal, wobei 1 mGal = 10 –5 m/s 2 .
Improvement of the spatial resolution of static global gravity field models from geodetic satellite data (GRIM5-S1
model), from CHAMP-only (EIGEN-CHAMP03S), from GRACE-only data and the to-be expected resolution from
GOCE. Displayed are the deviations of gravity with respect to mean values (gravity anomalies) in mGal, where 1 mGal
= 10 –5 m/s 2 .
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
177

178
Produkt (EIGEN-GRACE03S) sowie einer Projektion,
wie sie aus der Analyse der GOCE-Missionsdaten in 2007
erwartet wird. Gegenüber der Zeit vor CHAMP werden
auf Basis von CHAMP- und insbesondere GRACE-Daten
deutlich kleinere Schwerefeldstrukturen aufgelöst, wie sie
beispielsweise durch Gebirge hervorgerufen werden
(Ural, Atlas, Alpen). Mit GRACE-Daten lassen sich Strukturen
mit einem Durchmesser größer als 150 km erfassen,
die GOCE-Mission soll Strukturen bis 80 km Durchmesser
auflösen.
Hochauflösende Schwerefeldmodelle aus der Kombination
von Satelliten- und Oberflächendaten
Eine höhere räumliche Auflösung globaler Modelle allein
aus Satellitendaten, d. h. kleiner als 150 km (GRACE)
bzw. kleiner als 80 km (GOCE), ist derzeit nicht erreichbar.
Dagegen liefern Oberflächenmessverfahren wie Gravimetrie
und Satellitenaltimetrie regionale Schwerefeldmodelle
sehr hoher Auflösung im räumlich kurzwelligen
Bereich unterhalb ca. 200 km. Zur Berechnung maximal
auflösender Schwerefeldmodelle werden Satelliten- und
Oberflächenschweredaten kombiniert, um Schwerefeldmodelle
zu generieren, die sowohl im lang- als auch im
kurzwelligen Spektralbereich eine hohe Genauigkeit besitzen.
Abb. 1.23 verdeutlicht, wie die Auflösung von satellitenbasierten
Schwerefeldmodellen durch eine Kombi-
Abb. 1.23: Geoidundulationen (links) und Schwereanomalien (rechts) globaler
Schwerefeldmodelle.
Geoid undulations (left) and gravity anomalies (right) of global gravity field
models.
nation mit Oberflächendaten gesteigert wird. Derartige
Kombinationsmodelle werden am GFZ Potsdam seit zehn
Jahren berechnet, wobei mit den verfügbaren CHAMPund
GRACE-Daten jedoch neue Herausforderungen im
Hinblick auf eine optimale Kombination der verschiedenen
Datentypen entstanden sind. Dies liegt einmal an der
wesentlich höheren räumlichen Auflösung der neuen
Satellitendaten, die wegen ihrer Sensitivität im Wesentlichen
den langwelligen Anteil des Schwerefeldmodells
bestimmen. Hier ist der optimale Übergangsbereich zu
bestimmen, ab dem die Oberflächendaten die homogenen
Satellitendaten ergänzen. Andererseits erlaubt die Verfügbarkeit
neuer langwelliger Schwerefeldmodelle allein
aus CHAMP- und GRACE-Daten eine verbesserte Aufbereitung
und auch Homogenisierung der verschiedenen
terrestrischen Datensätze bzw. macht diese notwendig.
Ein Aspekt hierbei ist die Aufdeckung systematischer Einflüsse
in den Oberflächendaten, die mit den neuartigen
Satellitenmodellen viel klarer sichtbar werden und korrigiert
werden müssen.
Ein kürzlich am GFZ berechnetes Kombinationsmodell
EIGEN-CG03C setzt sich zusammen aus GRACE-Daten
(376 Tage; Februar bis Mai 2003, Juli bis Dezember 2003
und Februar bis Juli 2004), CHAMP-Daten (860 Tage; Oktober
2000 bis Juni 2003) sowie aus Geoidundulationen
und Schwereanomalien an der Erdoberfläche. Abb. 1.24
zeigt die geografische Verteilung der verschiedenen
für EIGEN-CG03C benutzten
Oberflächendatensätze, die beispielsweise
von der National Imagery and Mapping
Agency (NIMA) und dem Alfred-Wegener-Institut
veröffentlicht wurden und
von den Herkunftsinstitutionen jeweils
aus einer Vielzahl von Einzelmesskampagnen
(Altimetrie und Gravimetrie)
aufbereitet wurden.
Das Schwerefeldmodell EIGEN-CG03C
wurde in einem aus mehreren Schritten
bestehenden Verfahren berechnet, das auf
der Kombination von Normalgleichungen
für die Kugelfunktionskoeffizienten
beruht. Das Zusammenfügen der Teillösungen
ergab das endgültige Modell
EIGEN-CG03C, das aus Kugelfunktionskoeffizienten
bis Grad und Ordnung
360 besteht (Abb. 1.25). Es besitzt damit
eine räumliche Auflösung von ca. 50 km
auf der Erdoberfläche. Dies entspricht in
etwa der dreifachen Auflösung der
aktuellen CHAMP- und GRACE-Modelle.
Die Genauigkeit von EIGEN-CG03C
beträgt 3 cm bzw. 0,4 mGal bei einer
Auflösung von 200 km und 30 cm bzw.
8 mGal in der vollen Auflösung. Die Koeffizienten
und weitere Informationen können
von den Internetseiten des GRACE-
Projekts (http://www.gfz-potsdam.de/
pb1/op/grace/results) heruntergeladen
werden.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.24: Die geografische Verteilung der in das Kombinationsmodell
EIGEN-CG03C eingegangenen Oberflächendatensätze (1: Schwereanomalien
im Nordpolarbereich, 2: Schwereanomalien für Nordamerika, 3: Schwereanomalien
in der Antarktis, 4: Schwereanomalien auf den Ozeanen und
im Küstenbereich, 5: Geoidundulationen über den Ozeanen und 6: Schwereanomalien
auf dem Festland).
The geographical distribution of the surface data sets as used for the combined
model EIGEN-CG03C (1: gravity anomalies in the Arctic, 2: North
America, 3: the Antarctic, 4: oceans and coastal zones, 5: geoid heights
above oceans, 6: gravity anomalies above continents).
Abb. 1.25: Schwereanomalien (mGal) des Kombinationsmodells EIGEN-
CG03C.
Gravity anomalies (mGal) of the combination model EIGEN-CG03C.
Abb. 1.26: Der GOCE-Satellit (Quelle: ESA).
The GOCE satellite.
Die ESA-Satellitenmission GOCE
Die Satellitenmission GOCE („Gravity
Field and Steady-State Ocean Circulation
Explorer“) ist die erste „Earth Explorer
Core Mission“ der ESA im Rahmen
des „Living Planet Programme“. Gleichzeitig
ist GOCE (Abb. 1.26) nach
CHAMP und GRACE der dritte speziell
zur globalen und hochgenauen
Erfassung des Erdschwerefeldes konzipierte
Satellit.
Bislang können Informationen über die
globale Struktur des Erdschwerefeldes
nur durch die Analyse von Störungen der
Satellitenbahnkurven abgeleitet werden,
z. B. aus GPS-Messungen (CHAMP)
oder aus gegenseitigen Distanzmessungen
zwischen zwei hintereinander fliegenden
Satelliten (GRACE). Bei der
GOCE-Mission wird nun erstmals die
Aufzeichnung von direkten Messsignalen
des Erdschwerefeldes auf einem
Satelliten realisiert: Weil sich alle Satelliten
bzw. ihre Massenzentren im Orbit im
Zustand der Schwerelosigkeit befinden,
ist Schwerkraft, die einen Satelliten auf
seiner Bahn hält, an Bord nicht messbar.
Möglich ist jedoch die Messung der
Schwerkraftdifferenzen zwischen dem
Massenzentrum und wenige Dezimeter
davon entfernten Messpunkten. Dies wird
auf GOCE mit hochgenauen, elektrostatischen
Beschleunigungsmessern, sogenannten
Akzelerometern realisiert, Weiterentwicklungen
der in CHAMP und
GRACE verwendeten Beschleunigungsmesser.
Im Satelliten GOCE bilden die
drei senkrecht zueinander stehenden
Paare von dreiachsigen Akzelerometern
das sogenannte Satellitengradiometer
(Satellite Gravity Gradiometer – SGG),
dessen Schwerpunkt im Massenzentrum
liegt (siehe Abb. 1.27).
Abb. 1.27: Das Herzstück des GOCE-Gradiometers bei
der Montage: Die drei Akzelerometer-Paare (Foto: ESA).
The core of the GOCE gradiometer – the three accelerometer
pairs.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
179

180
Die Messungen der Schwerefeldgradienten dieses Satellitengradiometers,
zusammen mit klassischen Bahnstörungsanalysen
auf der Basis der gleichzeitig durchgeführten GPS-
Messungen, gestatten eine bisher unerreichte Genauigkeit
bei der Bestimmung des globalen Schwerefeldes. Das Ziel
der GOCE-Mission ist die Bestimmung des Geoids (Äquipotentialfläche
des Erdschwerefeldes) mit einer Genauigkeit
von ein bis zwei Zentimetern und die Erfassung der
Anomalien des Erdschwerefeldes mit einer Genauigkeit von
1 mGal (1 mGal = 10 –5 m/s 2 ) bei einer räumlichen Auflösung
besser als 100 km. GOCE wird voraussichtlich Anfang 2007
vom russischen Kosmodrom Plesetsk gestartet. Die von der
GOCE-Mission erwarteten hochgenauen Informationen
über das Schwerefeld werden zu einem besseren Verständnis
von geophysikalischen Prozessen im Erdinneren beitragen,
wie z. B. die mit Vulkanismus und Erdbeben verbundenen
physikalischen Vorgänge. Außerdem werden von
GOCE Beiträge zur Erforschung der Ozeanzirkulationen,
der postglazialen Landhebungen, von Eismassenbilanzen
und von Meerespiegeländerungen erwartet.
Im Rahmen des GOCE-Projekts haben zehn europäische
geowissenschaftliche und geodätische Forschungseinrichtungen
das „European GOCE Gravity Consortium“ (EGG-
C) gegründet. Unter der Leitung dieses Konsortiums wird
seit einigen Jahren die „GOCE High-Level Processing
Facility“ (GOCE-HPF) aufgebaut, ein über ganz Europa
verteiltes Datenverarbeitungssystem zur Schwerefeldbestimmung.
Nach dem Start des Satelliten wird die HPF im
Auftrag der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA die Prozessierung
der GOCE-Messdaten durchführen. Dabei ist
vorgesehen, die GOCE-Messungen gleichzeitig nach verschiedenen
Algorithmen auszuwerten. Das GFZ Potsdam
bildet einen Teil des EGG-C und ist innerhalb der HPF in
Zusammenarbeit mit dem Centre National d’Etudes Spatiales
(CNES) in Toulouse, Frankreich für die Bestimmung
des Erdschwerefelds direkt aus den GOCE-Messungen
(„direct method“) zuständig. Dazu sind vom GeoForschungsZentrum
Techniken für die Verarbeitung der Gradiometer-
und GPS-Messungen sowie deren Filterung und
Gewichtung entwickelt worden. Außerdem wurden die bei
CHAMP und GRACE erfolgreich angewandten Techniken
der Schwerefeldbestimmung aus Bahnstörungen auf der
Basis von GPS-Messungen an die erwarteten Bedingungen
der GOCE-Mission angepasst.
Ein wichtiger Meilenstein beim Aufbau der HPF war der
erfolgreiche „Acceptance Review 1 Test“ im Sommer 2005
– ein vollständiger Leistungstest aller Datenübertragungs-,
Archivierungs- und Prozessierungssysteme unter den
zeitlich realistischen Anforderungen des späteren Missionsbetriebs.
Da es noch keine realen Messungen eines
Satellitengradiometers gibt, wurde dieser Test mit simulierten
Messdaten durchgeführt – ein in der Satellitengeodäsie
bewährtes Verfahren zum Testen komplexer Softwaresysteme.
Dafür standen 30 Tage mit dem Erdschwerefeldmodell
EGM96 simulierte GOCE-Messdaten von der
ESA zur Verfügung. Die Schwerefeldbestimmung an diesen
Daten ergab das in die Simulation hineingesteckte
Schwerefeldmodell mit einer Genauigkeit, die dem Missionsziel
von GOCE entspricht.
Beobachtungen mit Supraleitgravimetern – Station
Sutherland in Südafrika
Das Supraleitgravimeter (SG) an der vom GFZ betriebenen
Station Sutherland (SAGOS) in Südafrika registriert
seit 2000 kontinuierlich Schwerevariationen in hoher Qualität.
Die Station ist Bestandteil des Global Geodynamic
Project (GGP), das weltweit 20 SG-Stationen umfasst. Die
Daten werden sowohl im GFZ Potsdam als auch von internationalen
Institutionen ausgewertet. Aus den am GFZ
durchgeführten Datenanalysen sollen zwei Ergebnisse vorgestellt
werden.
Abb. 1.28: „Dual Sphere“ Supraleitgravimeter-Installation
an der Station Sutherland, (Foto: Neumeyer,
GFZ).
„Dual Sphere“ Superconducting Gravimeter installation
at station Sutherland.
Abb. 1.29: Eingang des „South African Geodynamic
Observatory Sutherland“, SAGOS (Foto: Neumeyer, GFZ).
Entrance of „South African Geodynamic Observatory
Sutherland“, SAGOS.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Vergleich der zeitlichen Variationen des Erdschwerefeldes
abgeleitet aus SG-Registrierungen, GRACE-Beobachtungen
und globalen hydrologischen Modellen
Die zeitlichen Variationen des Erdschwerefelds, die aus
GRACE-Beobachtungen gewonnen werden, haben eine
Schwereauflösung von ca. 1 µGal bei einer räumlichen
Abb.1.30:Blick vom SAGOS zu den astronomischen
Beobachtungskuppeln des
„South African Astronomical Observatory“
(SAAO) in Sutherland (Foto: Neumeyer,
GFZ).
View from SAGOS to astronomical observation
domes at „South African Astronomical
Observatory“ (SAAO) Sutherland.
Auflösung (λ/2) von 1.330 km (l max = 15)
sowie eine zeitliche Auflösung von einem
Monat. Für eine Kombination dieser aus
GRACE abgeleiteten zeitlichen Variationen
des Schwerefeldes mit Bodenmessungen
sind nur Supraleitgravimeter geeignet, da diese
die geforderte Langzeitstabilität (korrigierbare lineare
Drift von wenigen µGal pro Jahr) und Schwereauflösung
(~ 0,1µGal im Zeitbereich) besitzen.
Damit Schwerevariationen, die aus GRACE-Beobachtungen
abgeleitet wurden, mit den Supraleitgravimeter-Mes-
Abb. 1.31: Schwerevariationen (δgm), die aus SG- und
GRACE-Beobachtungen sowie dem globalen hydrologischen
Model H96 an den SG-Stationen MO, WE, ME, SU,
WU und MA abgeleitet wurden.
Gravity variations (δgm) derived from SG, GRACE and
H96-model at SG sites MO, WE, ME, SU, WU and MA.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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182
sungen verglichen werden können, werden aus beiden Zeitreihen
die gleichen bekannten Schwerevariationen herausgerechnet.
Deshalb sind Erd- und Ozeangezeiten, Polgezeiten
sowie Auflasten der Atmosphäre und des Ozeans
in beiden Vergleichsdatensätzen nicht enthalten. Als Ursache
für die verbleibenden Schwerevariationen werden vornehmlich
hydrologische Einflüsse angenommen. Deshalb
wurden zusätzlich Schwerevariationen aus dem globalen
hydrologischen Modell H96 (NOAA Climate Prediction
Center) ermittelt und verglichen. Für den Vergleich wurden
sechs Supraleitgravimeter-Stationen Sutherland, Südafrika
(SU), Moxa, Deutschland (MO), Wettzell, Deutschland
(WE), Metsahovi, Finnland (ME), Matsushiro, Japan
(MA) und Wuhan, China (WU) ausgewählt (Abb. 1.31).
Neben den GRACE-Lösungen des GFZ wurden die Lösungen
der University of Texas, Center for Space Research
(UTCSR) mit den räumlichen Auflösungen λ/2 =
2.000 km ((l max = 10), λ/2 = 1.330 km ((l max = 15) und λ/2
= 1.000 km ((l max = 20) verglichen. Der Vergleich zeigt
eine Übereinstimmung der Schwerevariationen, die aus
SG (δgm SG), GRACE (δgm G-GFZ und δgm G-UTCSR) und dem
hydrologischen Modell H6 (δgm H96) abgeleitet wurden. Es
konnte gezeigt werden, dass aus SG-Messungen abgeleitete
Schwerevariationen, die auf Punktmessungen beruhen,
dann für ein großes Gebiet repräsentativ sind, wenn
die lokalen Effekte (vornehmlich hydrologische) reduziert
werden. Um dies zu verdeutlichen, wurden die SG-Schwerevariationen
auch ohne Reduktion des lokalen Grundwassereinflusses
für die Stationen MO, ME und WE dargestellt
(δgm SG-gwl).
Translatorische Schwingung des inneren Erdkerns (Slichter-Triplett)
Nach der Theorie von Slichter (1961) werden Moden der
freien Oszillation der Erde durch translatorische Schwingungen
des inneren Erdkerns hervorgerufen. Beim Slich-
Abb. 1.32: Detektion des Slichter-Triplett.
Detection of the Slichter-Triplet.
ter-Triplett (den drei Slichter-Moden) handelt es sich um
solche vornehmlich durch die Erdrotation aufgespalteten
Moden, die durch eine translatorische Schwingung des
innern Erdkerns verursacht werden. Seit der ersten Vermutung
dieser Schwingung wurden zahlreiche Schweremessungen
von unterschiedlichen Gravimetern untersucht,
leider bisher ohne anerkanntes positives Ergebnis.
Die durchgeführte Analyse ist ein Beitrag zur signifikanten
Detektion dieses Tripplets. Für die Analyse wurden
Daten der GGP-Stationen verwendet und einer einheitlichen
Bearbeitung unterzogen. Zunächst wurden die
Daten auf eine Abtastrate von fünf Minuten gefiltert und
reduziert sowie ein aus Modellparametern berechnetes
Schweregezeitensignal subtrahiert. Anschließend wurden
die Schwereeinflüsse der Polbewegung (mit den C04-Daten
des IERS) und der Ozeanauflast (Verwendung der
Kataloge NAO99b und FES99) subtrahiert. Die Korrektur
des Schwereeinflusses des Luftdrucks erfolgte mit
Hilfe der frequenzabhängigen Admittanz zwischen Luftdruck
und Schweresignal. Eine abschließend durchgeführte
Erdgezeitenanalyse bestimmte aus den verbleibenden
Residuen die lokalen Erdgezeitenparameter, um die
oben erwähnten Modellparameter an die Station anzupassen.
Für die Signalanalyse zur Detektion der Moden wurden
die Residuen auf den interessanten Frequenzbereich von
2,5 cpd (cycles per day) bis 8,5 cpd bandpassgefiltert. Eine
Multistationslösung (Courtier 2000) wurde verwendet,
um die Residuen der sieben am weitesten verteilten Stationen
(Boulder, Colorado; Canberra, Australien; Matsushiro,
Japan; Membach, Belgien; Metsahovi, Finnland;
Sutherland, Südafrika und Wien, Österreich) zusammenzuführen.
Die eigentliche Frequenzanalyse wurde mit dem
Goertzel-Algorithmus (eine Erweiterung der Fast Fourier
Transform, die eine höhere Frequenzauflösung ermöglicht)
durchgeführt. Ein Vergleich der als
signifikant erkannten Amplituden (Signifikanzschwelle
von etwa 70 % im Testverfahren)
mit einem theoretischen Aufspaltungsverhältnis
ergab als Ergebnis
das in Abb. 1.32 dargestellte Triplett.
Atmosphärensondierung
Boden- und satellitengestützte Fernerkundung
der Erdatmosphäre mit GPS-
Signalen
Parallel zur Etablierung des U.S.-amerikanischen
Satellitennavigationssystems
GPS (Global Positioning System) für präzise
Navigation mit verschiedensten
Anwendungen in Wirtschaft, Militärwesen
und Wissenschaft, entwickelten sich
GPS-basierte Methoden zur Atmosphärenfernerkundung.
Grundprinzip dieser
Techniken ist die Ableitung atmosphärischer
Parameter (z. B. Brechungsvermögen,
Luftdruck, Temperatur, Wasser-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.33: Globale und regional verdichtete GPS-/GALILEO-Bodennetzwerke bilden zusammen mit einer Konstellation
niedrigfliegender Satelliten (ausgerüstet mit GPS-/GALILEO-Empfängern) und den Navigationssatelliten ein geodätisch-basiertes
System zur globalen Sondierung der elektrisch neutralen und ionisierten Erdatmosphäre.
Global and regionally densified GPS/GALILEO ground networks constitute, together with a constellation of low Earth
orbiting satellites (equipped with GPS/GALILEO receivers) and the navigation satellites, a geodetically based system
for global sounding of the electrically neutral and ionized Earth atmosphere.
dampf und Elektronendichte) aus Veränderungen der
GPS-Signale beim Durchgang durch die elektrisch neutralen
und ionisierten Erdatmosphärenschichten. Wesentliche
Eigenschaften sind: Wetterunabhängigkeit, hohe
Genauigkeit bei hoher vertikaler Auflösung, Kalibrierungsfreiheit
und vergleichsweise kostengünstige Umsetzung.
Bodengestützte Techniken erlauben eine regional
hoch aufgelöste Ableitung des gasförmigen atmosphärischen
Wassergehalts, der Gesamtanzahl der freien
Elektronen (vertikal integrierte Säulen) sowie entsprechender
3D-Verteilungen mit hoher zeitlicher Auflösung.
Die weltraumgestützte GPS-Radiookkultationsmethode
wird zur Vertikalsondierung atmosphärischer und ionosphärischer
Parameter im globalen Maßstab an Bord
niedrigfliegender Satelliten, wie z. B. CHAMP und GRACE
eingesetzt. Daher sind boden- und weltraumgestützte Techniken
komplementär bezüglich der räumlichen und zeitlichen
Auflösung. Die Eigenschaften der GPS-Fernerkundungsmethoden
erlauben vielfältige Anwendungen in
der Atmosphären-/Ionosphärenforschung und haben ein
großes Potential zur Verbesserung regionaler und globaler
numerischer Wettervorhersagen, zur Beobachtung von
Weltraumwettereffekten und zur Beobachtung von klimatisch
bedingten Änderungen der Erdatmosphäre. Gegenstand
gegenwärtiger Forschung ist weiterhin die Auswertung
von an Meeres- oder Eisoberflächen reflektierten
GPS-Signalen zur Ableitung charakteristischer Eigenschaften
der reflektierenden Oberflächen, wie z. B. Meeresspiegelschwankungen,
Wellenhöhen und -richtungen
oder Eisbedeckung. Bei zukünftiger Nutzung aus dem
Weltraum ergibt sich eine völlig neue Methode zur Beobachtung
der Ozeane und Polargebiete im globalen Maßstab.
In naher Zukunft wird das GPS-System durch das
europäische GALILEO-Satellitennavigationssystem ergänzt.
Damit wird sich die Zahl der Signalquellen für die
Atmosphärensondierung etwa verdoppeln. Abb. 1.33 zeigt
eine mögliche zukünftige Konstellation der Verfahren zur
GPS-/GALILEO-basierten Atmosphärenfernerkundung.
Das GFZ Potsdam nutzt seit 1997 GPS-Bodenmessungen
des sich ständig erweiternden globalen Bodennetzes
des IGS (International GNSS Service, gegenwärtig ca.
300 Stationen, davon 180 am GFZ ausgewertet) zur Ableitung
des vertikal integrierten Wasserdampfgehaltes der
Atmosphäre (Wasserdampfsäule). Zusätzlich werden seit
2000 die Daten eines regional verdichteten GPS-Netzes,
gegenwärtig ca. 280 Stationen, in die Auswertung einbezogen.
Für 220 dieser Stationen erfolgen die Analysen
kontinuierlich und die Ergebnisse werden mit geringer
zeitlicher Verzögerung in Nahezu-Echtzeit zur Verfügung
gestellt. Erste Untersuchungen zur Auswirkung von GPS-
Daten auf regionale numerische Wettervorhersagen wurden
vom Deutschen Wetterdienst durchgeführt und zeigten
z. B. etwa 2 % Verbesserung für die 12h-Vorhersage
der relativen Feuchte. Der Einfluss auf die Niederschlagsvorhersage
ist nicht eindeutig nachweisbar. Für
einige Fallstudien, z. B. das Elbehochwasser, konnten
jedoch signifikante Verbesserungen mit GPS-Daten demonstriert
werden (Abb. 1.34).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
183

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Abb 1.34: Tatsächliche Niederschlagsverteilung über
Deutschland (synop, oben), abgeleitet aus Wetterradardaten
während des Elbehochwassers (08. 08. 2002, 18:00
UTC). Zugehörige 12h-Vorhersage des Deutschen Wetterdienstes
ohne GPS-Bodendaten (opr, Mitte) und mit
GPS-Daten von ca. 100 Stationen (gps, unten). Eine Verbesserung
der Lage und der Intensität der Niederschlagszelle
im Bereich des Erzgebirges konnte durch
zusätzliche Verwendung von GPS-Daten erreicht werden.
Actual precipitation distribution over Germany (synop,
top), derived from weather radar data during the Elbe
flood (August 8, 2002, 18:00 UTC). Corresponding 12-h
forecast of the German Weather Service without GPS
ground data (opr, centre) and with GPS data of approximately
100 stations (gps, bottom). An improvement of
location and intensity of rain segments in the region of the
Erz Mountains is possible by adding GPS data.
Bereits seit 2001 wird die GPS-Radiookkultationsmethode
an Bord von CHAMP kontinuierlich angewendet. Mit
bisher über 400.000 Okkultationsmessungen ist der von
CHAMP bereitgestellte Datensatz weltweit einzigartig. Er
wird von zahlreichen internationalen Forschungsgruppen
genutzt. Weiterhin bildet er die Grundlage zur Vorbereitung
neuer operationeller GPS-Okkultationsmissionen,
deren Start für das Frühjahr 2006 vorgesehen ist, wie die
U.S./taiwanesische Satellitenmission COSMIC und die
polumlaufende Komponente des europäischen Wettersatellitensystems
METOP, auf der sich ebenfalls GPS-Empfänger
zur Atmosphärensondierung befinden.
Erste Okkultationsmessungen von GRACE wurden Mitte
2004 aufgezeichnet und Ende September 2005 folgte erstmals
eine größere Anzahl von Messungen. Zusammen mit
CHAMP konnte die täglich verfügbare Zahl global verteilter
Okkultationsmessungen somit etwa verdoppelt
werden. Die Daueraktivierung der GRACE-Okkultationen
wird für Anfang 2006 erwartet. Die Datenqualität von
GRACE ist mit der von CHAMP vergleichbar (siehe
Abb. 1.35).
Die CHAMP-Daten werden routinemäßig ausgewertet
und entsprechende Datenprodukte (global verteilte Vertikalprofile
des atmosphärischen Brechungsvermögens,
der Temperatur, des Wasserdampfs und der Elektronendichte)
über das GFZ-Datenzentrum bereitgestellt
(Abb. 1.36). Die Qualität der Atmosphärendaten wird
durch ständige Vergleiche mit globalen Wetteranalysen
und Messungen des globalen Netzes von Radiosondenstationen
(Wetterballone) gewährleistet.
Herzstück der operationellen GFZ-Bodeninfrastruktur für
den Datenempfang ist eine polare Satellitenempfangsantenne.
Diese ist Voraussetzung für die weltweit erstmals am
GFZ mit CHAMP demonstrierte kontinuierliche Bereitstellung
von Nahezu-Echtzeit-GPS-Okkultationsdaten für
globale Wettervorhersagezentren. Ziel eines national
geförderten Forschungsprojekts (GEOTECHNOLOGIEN)
wird die weitere Verringerung der Bereitstellungsverzögerung
und die Verbesserung von globalen Wettervorhersagen
mit CHAMP- und auch GRACE-Daten sein.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.35: Vergleich von GPS-Okkultationsmessungen
von CHAMP und GRACE
mit meteorologischen Analysen des Europäischen
Zentrums für Mittelfristvorhersage
(ECMWF) für den 23. bis 30.09.2005.
Dargestellt sind mittlere prozentuale Abweichung
zwischen CHAMP bzw. GRACE
und ECMWF (blau) und die entsprechende
Standardabweichung (rot) für mehr als
1.000 Messungen beider Satelliten. Verglichen
wurde das atmosphärische Brechnungsvermögen
(Refraktivität N), eine
Größe, die von den Wetterdiensten für die
Datenassimilation genutzt wird. Aus den
Abweichungen kann auf Schwachstellen
der Analysen geschlossen werden.
Comparison of CHAMP and GRACE GPS
occultation measurements with meteorological
analysis of the European Centre
for Medium-Range Weather Forecasts
(ECMWF) for September 23-30, 2005.
The mean deviation in percent between
CHAMP, respectively GRACE, and the
ECMWF (blue) and the corresponding
standard deviation (red) for more than
1,000 measurements of both satellites are illustrated. The atmospheric bending capacity (refractivity N), a parameter
being used by weather services for data assimilation, was compared. From these deviations, weak spots of the analysis
can be concluded.
Am Europäischen Zentrum für Mittelfristvorhersage
(ECMWF) konnten mit CHAMP-Daten erste Verbesserungen
der globalen Wettervorhersage, vor allem für die
Vorhersage auf der Südhalbkugel demonstriert werden.
Bemerkenswert ist dabei, dass bei Verwendung einer relativ
kleinen Anzahl von CHAMP-Messungen (12.500 im
Vergleich zu ca. 2,5 Millionen anderer Daten) bereits eine
signifikante Verbesserung bei der Vorhersage erreicht
werden konnte.
Am GFZ selbst erfolgen klimatologische Untersuchungen
mit den CHAMP-Daten zu Veränderungen von Tropopauseneigenschaften
und zu atmosphärischen Wellenphänomenen
(Schwerewellen, Abb. 1.37), die sich in das
DFG-Schwerpunktprogramm im Rahmen des internationalen
CAWSES-Atmosphärenforschungsprogramms einordnen
(Climate and Weather of the Sun-Earth-System).
Gegenwärtig wird beispielsweise untersucht, ob es einen
solaren Einfluss auf die Häufigkeit der Wellenphänome-
Abb. 1.36: Globale Verteilung der mittleren spezifischen Feuchte in einer Höhe von ca. 4 km (600 hPa Druckniveau)
für den Nordsommer 2004 (01.06. bis 31.08.), abgeleitet aus ca. 11.200 CHAMP-Okkultationsmessungen.
Global distribution of mean specific humidity in an altitude of approximately 4 km (600 hPa pressure level) for the northern
summer 2004 (June 1 to August 31, 2004), derived from approximately 11,200 CHAMP occultation measurements.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
185

186
ne und somit auf Wetter und Klima gibt. Die nach wie vor
schwierige globale Charakterisierung derartiger Phänomene
ist für die Klima- und Wettermodellierung bzw.
-vorhersage von erheblicher Bedeutung. Die GPS-Radiookkultation
kann hier aufgrund der hohe vertikalen Auflösung
und des globalen Charakters der Messungen einen
wertvollen Beitrag leisten.
Hervorzuheben sind weiterhin GFZ-Untersuchungen zur
globalen Erfassung von Tropopausenparametern (z. B.
Druck, Höhe, Temperatur). Auch hierfür sind GPS-Okkultationsmessungen
besonders geeignet (siehe Artikel
„CHAMP und GRACE – erfolgreiche Schwerefeld- und
Klimamissionen“ in diesem Bericht). Die globale Erwärmung
ist mit einer Ausdehnung der Erdatmosphäre verbunden,
die auch zu einer globalen Anhebung der Tropopause
führt und mit CHAMP sichtbar gemacht werden
kann. Aktuelle Studien zeigen, dass diese Tropopausenerhöhung
neben Beobachtungen auf der
Erdoberfläche als zusätzlicher Indikator
für Klimaänderungen dienen kann. Teilweise
kann sogar ein deutlich klareres und
signifikanteres Klimasignal erhalten
werden als aus Änderungen der Erdoberflächentemperatur.
Statistisch signifikante
Aussagen sind jedoch erst nach der
Analyse von Datensätzen, die sich über
klimatologisch relevante Zeiträume
erstrecken, zu erwarten.
Beobachtung des Meeresspiegels
TIGA – Prozessierung von GPS-Daten an
Pegelstationen
Gezeitenpegel, wie sie in vielen Häfen
und Küstenabschnitten betrieben werden,
haben eine überragende Bedeutung für
die Beobachtung langfristiger Änderungen
des Meeresspiegels, da hiermit z. B.
klimatisch bedingte Änderungen verfolgt
Abb. 1.37: Globale Verteilung der mittleren
(2001 bis 2005) Energie von atmosphärischen
Schwerewellen von Dezember
bis Februar (Südsommer), abgeleitet aus
CHAMP-Messungen im Rahmen des
CAWSES-Projektes (siehe Text). Die
Parametrisierung der Schwerewellenaktivität
für die globale Wetter- und Klimamodellierung
ist derzeit eine Herausforderung
in der Atmosphärenforschung.
Global distribution of mean (2001-2005)
energy of atmospheric gravity waves from
December until February (southern summer),
derived from CHAMP measurements
within the framework of the CAW-
SES project. The parametrization of gravity
wave activity for global weather and
climate modelling is a challenge for
atmosphere research.
werden können. Während über viele Jahrzehnte hydrographische
Dienste und Behörden die Pegelstationen
unterhalten haben, werden sie heute häufig von wissenschaftlichen
Einrichtungen und internationalen Initiativen
betrieben (z. B. GEO/GEOSS, WMO, GGOS, UNES-
CO/GLOSS). Für die wissenschaftliche Nutzung der
Pegelmessungen ist eine unabhängige und kontinuierliche
Überwachung des Höhenbezugs der Messungen notwendig,
um vertikale Höhenänderungen der Pegelstation zu
korrigieren. Mit GPS-Messungen können neben den langfristigen
auch kleinskalige zeitliche Änderungen, z. B.
durch wechselnde Auflastdeformationen hervorgerufen,
erfasst werden.
Aus GPS abgeleitete Koordinaten werden heute in hoher
Qualität und Kontinuität vom International GNSS Service
(IGS), zu dem auch das GFZ seit 1991 beiträgt, zur Verfügung
gestellt. Wöchentliche Lösungen mit bis zu 280
Abb. 1.38: Verteilung der am TIGA-Projekt teilnehmenden (grün) und in
Kürze zu installierenden (rot) Stationen.
Distribution of stations participating in TIGA (green) and soon to be installed
(red).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

weltweit verteilten Stationen werden mit nur geringer zeitlicher
Verzögerung aus den Teillösungen von mehreren
Analysezentren kombiniert. Untersuchungen am GFZ und
anderen Forschungseinrichtungen haben aber gezeigt,
dass diese Produkte nur eingeschränkt für die Kombination
mit Pegelmessungen nutzbar sind.
Vom IGS wurde 2001 die Einrichtung eines Pilotprojekts
„Tide Gauge Benchmark Monitoring Pilot Project“ (TIGA)
beschlossen, das sich dieser Thematik widmet. Dieses
Pilotprojekt unter der Leitung des GFZ Potsdam hat sich
seit dieser Zeit erfolgreich entwickelt. Aktuell stellen
über 100 Stationen die GPS-Daten, Pegeldaten und die
notwendigen Verbindungsmessungen zur Verfügung
(http://op.gfz-potsdam.de/tiga/). Das Hauptziel von
TIGA ist die Prozessierung und Neuprozessierung von
GPS-Daten an Pegelstationen, allerdings mit einer hohen
zeitlichen Verzögerung. So wird sichergestellt, dass eine
möglichst große Anzahl von Stationen ausgewertet werden
kann und dass im Rahmen der Neuprozessierung auch
Inhomogenitäten in den bisher vom IGS verbreiteten Zeitserien
vermieden werden können. Insgesamt tragen zu
dem Pilotprojekt sechs Analysezentren bei. Im Hinblick
auf eine bestmögliche Konsistenz aller Koordinaten der
GPS-Stationen und daran angeschlossenen Pegel ist eine
Kombination der Lösungen aller Analysezentren nötig.
Nur dadurch kann gewährleistet werden, dass die abgeleiteten
Zeitreihen der Stationskoordinaten für alle Stationen
in einem einheitlichen globalen Referenzsystem
gegeben, untereinander konsistent und vergleichbar sind.
Bisher stand im Rahmen des TIGA-Projekts keine derartige
Kombination zur Verfügung sondern lediglich die
individuellen Lösungen der einzelnen Analysezentren.
Deshalb wurde am GFZ Ende 2005 damit begonnen, die
Einzellösungen der Analysezentren auf einer wöchentlichen
Basis zu kombinieren. Die ersten Tests beschränkten
sich auf Daten eines Jahres (23.12.2001 bis 28.12.2002).
Von den sechs Analysezentren wurden zunächst nur vier
in die Kombination einbezogen. Die beiden anderen Lösungen
weisen einige Besonderheiten auf, die im Hinblick
auf etwaige negative Auswirkungen auf das Kombinationsergebnis
noch näher untersucht werden müssen. Die
berücksichtigten Analysezentren sind das GFZ Potsdam
mit einer globalen Stationsüberdeckung, eine Lösung für
die Region Australien-Pazifik-Antarktis der GeoScience
Australia (AUSLIG), eine Atlantik-Lösung des Deutschen
Geodätischen Forschungsinstituts (DGFI) und das Bundesamt
für Kartographie und Geodäsie (BKG) mit einer
Lösung europäischer Stationen. Die Qualität einer individuellen
Lösung lässt sich sehr gut anhand der Wiederholbarkeiten
der Stationskoordinaten beurteilen. Diese drücken
aus, wie gut das zugrunde liegende Referenzsystem
von Woche zu Woche realisiert wurde und wie stabil diese
Realisierung über den gesamten Zeitraum ist (Abb. 1.39).
Insgesamt zeigt sich, dass die Lage mit einer Genauigkeit
von 2 bis 3 mm realisiert werden kann, während für die
Höhe nur etwa eine Genauigkeit von 7 mm erreicht wird.
Die Wiederholbarkeit der Höhe ist für GPS-Lösungen
typischerweise etwa um einen Faktor drei schlechter als
Abb. 1.39: Vergleich der Wiederholbarkeiten der Stationskoordinaten
für die einzelnen Analysezentren und die
wöchentliche Kombination (aufgeteilt in die drei Komponenten
Nord, Ost und Höhe).
Repeatabilities of station coordinates for the different analysis
centers and the combined solution with the three components
north, east and height.
die Lage. Allerdings stellen die unterschiedlichen Skalenfaktoren
in den einzelnen GPS-Lösungen ein Problem
dar (Abb. 1.40). Sie resultieren aus den unterschiedlichen
Verarbeitungsstrategien und -modellen und hängen auch
von der Netzgröße ab. Diese Skalierungsdifferenzen führen
dazu, dass die Kombination keine optimalen Höhenkomponenten
liefert. Daher soll zukünftig der Maßstab
des kombinierten globalen Netzes durch lediglich eine
Einzellösung (idealerweise einer globalen Lösung, z. B.
GFZ) definiert werden, während für alle anderen Einzellösungen
ein Skalierungsfaktor geschätzt wird. Durch die-
Abb. 1.40: Skalierungsfaktoren der einzelnen Analysezentren
gegenüber der jeweiligen wöchentlichen Kombinationslösung
aller Analysezentren. 1 ppb entspricht dabei
einer Höhenänderung von ca. 6 mm auf der Erdoberfläche.
Scaling between the networks of the individual analysis
centres and the combined solution for each week. 1 ppb
corresponds to about 6 mm difference in height at the Earth's
surface.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
187

188
ses Vorgehen wird garantiert, dass der Maßstab der Kombinationslösung
nicht als Mischung verschiedener, sich
widersprechender Realisierungen entsteht und dadurch
die Stabilität der Höhenkomponente leidet.
GPS-Bojen
Das GFZ Potsdam betreibt seit 2002 ein Messnetz von
Bojen und Bodendrucksensoren im Bereich der Nordsee.
Hauptziel ist die Überwachung und die Kalibration von
Radaraltimetern. Über das auf der zentralen Boje befindliche
GPS wird die Höhe der Meeresoberfläche mit Zentimetergenauigkeit
in dem gleichen Referenzsystem
bestimmt, in dem auch die Messungen der Altimetersatelliten
erfolgen. Eine zeitgleich mit der Boje messende
GPS-Referenzstation befindet sich in ca. 45 km Entfernung
in List auf Sylt. Dadurch ist ein annahmefreier Vergleich
der aus Altimetrie- und GPS-Daten berechneten
Meereshöhe möglich. Die 10 Hz GPS-Messungen werden
über Bojenneigung und Eintauchtiefe auf die Wasseroberfläche
reduziert. Die auf diese Weise errechneten
Daten repräsentieren den Verlauf der Wellen, aus dem
durch geeignete Filterung die Meeresspiegelhöhe und die
signifikante Wellenhöhe abgeleitet werden können. Weiterhin
wurden für die Auswertung wichtige meteorologische
Datenreihen gesammelt (Windgeschwindigkeit, Luftdruck,
Luft- und Wassertemperatur, Salzgehalt etc.).
Abb. 1.41: Im Dezember 2005 im Indischen Ozean ausgebrachte
GPS-Boje für das Tsunami-Frühwarnsystem
(Foto: T. Schöne, GFZ).
GPS buoy deployed in the Indian ocean for the tsunami
early warning system in December 2005.
Abb. 1.42: Blick ins Innere der GPS-Boje (Foto: T. Schöne,
GFZ).
View into the GPS buoy.
Auf dem Meeresboden unter der GPS-Boje und an drei
weiteren Stellen in der näheren Umgebung wurden Druckpegel
verankert, die zusätzliche Informationen über die
Meeresspiegeloberfläche und ihre Neigung liefern. Diese
relativen Pegelmessungen ermöglichen eine Höhenkorrektur
für Satellitenüberflüge, die nicht exakt über der
Bojenposition erfolgen.
Auch im Rahmen des Aufbaus eines Tsunami-Frühwarnsystems
im Indischen Ozean wird diese Technologie eingesetzt.
Gemeinsam mit Bodendrucksensoren und Ozeanbodenseismometern
bilden sie ein System, mit dem
effektiv und hochgenau kleinste Änderungen des Meeresspiegels
detektiert werden können. Über ein Warnzentrum
werden die Daten später allgemein zur Verfügung
gestellt und dienen der Überwachung des Indischen Ozeans.
Insgesamt sollen bis zu zehn Systeme gebaut und im
Indischen Ozean ausgebracht werden.
Satellitenaltimetrie – hochgenaue Bestimmung
mittlerer Meeresspiegelhöhen
Änderungen des Meeresspiegels sind in der Erdgeschichte
auf verschiedenen Zeitskalen zu beobachten. Sie sind
einerseits ein hoch sensibler Indikator für Klimaänderungen,
andererseits beeinflussen sie die Bewohner und Ökosysteme
der Küstenbereiche. Daher besteht unabhängig
davon, ob es sich bei den derzeitigen Änderungen um
natürliche oder anthropogene Prozesse handelt, ein besonderes
Interesse, den mittleren Meeresspiegel mit hoher
Genauigkeit zu bestimmen und die möglichen Ursachen
für seine Variation zu untersuchen.
In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Satellitenaltimetrie
bei der Bestimmung von Meeresspielgeländerungen
eine zunehmend wichtige Rolle eingenommen. Von Satelliten
aus kann z. B. eine starke regionale Variabilität beobachtet
werden, die auch dekadische Zeitskalen aufweist.
Dabei haben sich die Genauigkeiten der Messungen über
die Jahre deutlich verbessert. Während in den ersten Jahren
die radialen Bahnfehler und das Messrauschen Fehler
in der Meereshöhe im Dezimeterbereich verursachten,
weisen die heutigen Missionen nur noch Fehler im Zentimeterbereich
auf. Trotz dieser enormen technischen Ent-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

wicklung divergieren die Abschätzungen
des globalen Meeresspiegeltrends aus
Altimeterdaten je nach verwendeten
Kalibrierungen und Korrekturalgorithmen
noch signifikant. Eines unserer Ziele
ist es daher, die besten Kalibrations- und
Korrekturalgorithmen auszuwählen und
sie gegebenenfalls zu optimieren. Optimierte
Altimeterdaten erlauben die hochgenaue
Bestimmung von mittleren Meeresspiegelhöhen
und deren zeitliche Variabilität.
Durch die Verknüpfung mit den
neuen und hochgenauen Schwerefeldern
der GRACE-Mission ergibt sich zudem
die Möglichkeit zu unterscheiden, ob
Änderungen des Meeresspiegels in der
Massen- und/oder der Dichtebilanz des
Ozeans ihren Ursprung haben.
Optimierung der Altimeterdaten
Sowohl für Untersuchungen des globalen
Meeresspiegelanstiegs, insbesondere der
Massenänderungen im Ozean, als auch
der mittleren Meerestopographie werden
sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit
der Altimeterdaten gestellt. Vorhandene
Kalibrations- und Korrekturalgorithmen
wurden daher für die verschiedenen
Missionen mit statistischen
Methoden systematisch untersucht,
wobei fortwährend neu entwickelte Algorithmen
integriert wurden. Speziell aus
dem Vergleich verschiedener zeitlich überlappender Missionen
(TOPEX, ERS-2, Jason-1) konnten Inkonsistenzen
in den bisher verwendeten Korrekturalgorithmen festgestellt
werden. Aus diesen Ergebnissen resultierten beispielsweise
Verbesserungen in der Ionosphärenkorrektur
für die ERS-2-Daten und im „sea state bias“ für die
TOPEX-Daten. Deutliche Verbesserungen in den Altimetrie-Resultaten
konnten durch eine vereinheitlichte Neuberechnung
der Satellitenbahnen von ERS-1, ERS-2 und
TOPEX auf Grundlage der GRACE-Schwerefelder
erreicht werden. Erste Untersuchungen der ebenfalls neu
berechneten GEOSAT-Satellitenbahnen zeigen auch für
diese relativ alten Daten deutliche Verbesserungen.
Ein großes Verbesserungspotential besteht noch für Daten
aus Gebieten mit Meereisbedeckung. Das von der Meeresoberfläche
zum Satelliten reflektierte Signal wird
durch das Eis verformt, wodurch die mittels Standardalgorithmen
ermittelten Meereshöhen einen relativ großen
Fehler aufweisen können (Abb. 1.43). Zur Verbesserung
solcher Daten aus gerade für die Klimaforschung interessanten
Gebieten wurde ein sogenannter Waveform-Simulator
für Eis und Schnee entwickelt. Mithilfe dieses Simulators
sollen in Zukunft die Prozessierungsalgorithmen an
solche speziellen Situationen angepasst und die vorhandenen
Daten reprozessiert werden. Ein weiteres aussichtsreiches
Anwendungsgebiet des Waveform-Simulators
liegt in der GPS-Altimetrie.
Abb. 1.43: Zeitlicher Verlauf der Intensität des vom Satelliten empfangenen
Signals nach Reflektion an verschiedenen Oberflächen (Wasser, Eis und Wasser
mit Meereis) simuliert mit dem am GFZ Potsdam entwickelten Waveform-Simulator.
Radar signal power as a function of time received by the satellite after reflection
from different surfaces (water, ice and water covered by ice floes) as
simulated by GFZ Potsdam's waveform simulator.
Mittlere Meeresspiegelhöhen und Ozeantopographie
Aus den optimierten Altimeterdaten wurde ein konsistentes
Modell des mittleren Meeresspiegels (Mean Sea Surface
Height) sowie seiner Fehler abgeleitet. Solche Modelle
des mittleren Meeresspiegels sind eine wesentliche Voraussetzung
für die Schätzung von räumlich hoch aufgelösten
kombinierten Schwerefeldmodellen. Diese zusätzliche
Information stellt damit für viele geowissenschaftliche
Anwendungen eine wesentliche Ergänzung zu den
Daten der CHAMP- und GRACE-Missionen dar.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am GeoForschungsZentrum
liegt auf der Kombination der Radaraltimetrie
mit den aus GRACE-Daten abgeleiteten Schwerefeldmodellen.
Das Resultat dieser Kombination, die dynamische
Ozeantopographie kann einerseits durch den
Vergleich mit in situ gemessenen Ozeantemperaturen und
-salzgehalten sowie mit den Ergebnissen von Ozeanzirkulationsmodellen
zur Validierung der verwendeten Schwerefeldmodelle
herangezogen werden. Zum anderen ist die
Kenntnis der mittleren dynamischen Ozeantopographie
selbst grundlegend für verschiedene Untersuchungen in
der Meeres- und Klimaforschung. So ermöglicht eine Verbesserung
der mittleren dynamischen Ozeantopographie
eine genauere Bestimmung ozeanischer Massen- und
Wärmetransporte. Zusätzlich ist sie eine wichtige Eingangsgröße
für numerische Ozeanzirkulationsmodelle.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
189

190
a) b)
Abb. 1.44: Dynamische Ozeantopographie a) aus Radaraltimetrie und EIGEN-GRACE03S und b) abgeleitet aus In-
Situ-Messungen (WOCE-Klimatologie, Koltermann und Gouretski, 2004).
Ocean dynamic topography derived a) from radar altimetry and EIGEN-GRACE03S and b) from in-situ measurements
(WOCE-climatology, Koltermann und Gouretski, 2004).
Für die Kombination der räumlich höher aufgelösten Altimeterdaten
mit den Schwerefeldmodellen wurden unterschiedliche
räumliche Filter mit verschiedenen Filterweiten
getestet. Um die Qualität der Satellitenlösung zu beurteilen,
wurde sie mit einer dynamischen Topographie, die im Rahmen
des internationalen World Ocean Circulation Experiment
(WOCE) erstellte wurde, verglichen. Der Vergleich der
Datensätze zeigt, dass die neuen, am GFZ Potsdam geschätzten
GRACE-Schwerefeldmodelle (EIGEN-GRACE_03S)
räumliche Skalen größer als 400 km auflösen können – ein
gewaltiger Fortschritt gegenüber allen vorherigen Lösungen,
die auf Satellitendaten basieren. Dies kann sowohl für die
Ozeantopographie als auch für die geostrophische Zirkulation
in den oberen Ozeanschichten (Abb. 1.44 und 1.45)
gezeigt werden. Die zonal ausgerichteten Oberflächenströ-
a) b)
mungen lassen sich sogar für kleinere räumliche Skalen
bestimmen. Vergleiche mit einer aus In-Situ-Daten berechneten
dynamischen Ozeantopographie erlauben die Eingrenzung
von Problemzonen (z. B. Hawai), geben aber auch
Hinweise auf barotrope Strömungen, die aus den In-Situ-
Daten allein nicht abgeleitet werden können.
Änderungen des Meeresspiegels – Masse oder Temperatur?
Damit eine qualifizierte Aussage über die zukünftigen
Änderungen des Meeresspiegels möglich wird, müssen
die Ursachen für die beobachteten Phänomene untersucht
und verstanden werden. Der Meeresspiegelanstieg hat im
Wesentlichen zwei Ursachen: (1) Änderungen der Dichte
des Meerwassers, die überwiegend auf die Änderungen
Abb. 1.45: Geostrophische Oberflächenströmung im Nordatlantik a) aus Radaraltimetrie und EIGEN-GRACE03S und
b) In-Situ-Messungen (WOCE-Klimatologie).
Geostrophic surface circulation in the North Atlantic Ocean calculated a) from radar altimetry and EIGEN-GRACE03S
and b) from in-situ measurements (WOCE climatology).
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im Wärmehaushalt zurückgeführt werden können und (2)
den Eintrag von Wassermassen z. B. durch das Schmelzen
von Gletschern und polaren Eismassen. Der Verlauf
dieser beiden Faktoren, ihre Wechselwirkungen und ihre
regionalen Auswirkungen sind nur unzureichend geklärt.
Die Untersuchung der zeitvariablen Schwerefelddaten aus
GRACE zusammen mit den absoluten Änderungen des
Meeresspiegels eröffnet erstmalig die Möglichkeit, die
typischen räumlich-zeitlichen Skalen der beiden Komponenten
zu untersuchen.
Bei den aus GRACE abgeleiteten Massenschwankungen
über dem Ozean handelt es sich um einen neuartigen
Datensatz, der sich nur sehr eingeschränkt mit unabhängigen
Messungen validieren lässt. Ein Vergleichsdatensatz
lässt sich aus Zeitreihen des absoluten und des dichteabhängigen
Meeresspiegels erstellen. Ersterer kann aus
Altimetermessungen, zweiterer aus vertikalen Temperatur-
und Salzgehaltsprofilen bestimmt werden. Um zeitlich
und räumlich gut aufgelöste Informationen über die
Dichteverteilung im Weltozean zu erhalten, wird seit 2000
an dem internationalen ARGO-Projekt (Array for Real
time Geostrophic Oceanography) gearbeitet. Es besteht
aus einer Flotte von autonomen Driftern, die sich überwiegend
auf einer Tiefe von 2.000 m aufhalten und alle
zehn Tage an die Oberfläche steigen, um von dort ihre
Daten an einen Satelliten zu senden. Für den Atlantischen
Ozean liegen bereits für 2003 und 2004 genügend Daten
vor, um den Anteil von Änderungen der Dichte an denen
des Meeresspiegels monatlich bestimmen zu können.
Erste Vergleiche der drei Datensätze zeigen eine qualitative
Übereinstimmung zwischen den einerseits aus
GRACE-Daten und andererseits aus Altimeter- und In-
Situ-Daten abgeleiteten Massenvariationen im Atlantik.
Erdrotation
Prozesse im Erdkern und Erdrotationsvariationen
Die Kenntnis des geomagnetischen Felds in der Kern-
Mantel-Übergangszone ist Voraussetzung für eine Model-
lierung des Einflusses von Prozessen im Erdkern auf die
Erdrotation. Eine direkte Bestimmung von kurzperiodischen
bis dekadischen Feldvariationen mit Dynamomodellen
ist momentan nicht möglich. Mit Hilfe einer im
GFZ Potsdam entwickelten Methode der strengen Inversion
globaler geomagnetischer Daten („nichtharmonische
Feldfortsetzung“) gelingt es aber, das geomagnetische
Feld nahe der Kern-Mantel-Grenze (KMG) aus dem beobachteten
Feld auch unter der Annahme zu bestimmen, dass
zwischen der Erdoberfläche und dem Zielort der Feldfortsetzung
elektrisch leitfähige Schichten liegen, die die
Feldvariationen beeinflussen. Die entsprechenden Untersuchungen
wurden mit neuen satellitengestützten und
zeitlich höher als bisher aufgelösten Felddaten (Monatsmittel)
fortgesetzt. Abbildung 1.46 zeigt ein Beispiel einer
Feldfortsetzung mit neuen Daten.
Während in früheren Untersuchungen vorwiegend die
Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der Methode in
Abhängigkeit von verschiedenen Leitfähigkeitsmodellen
bestimmt wurden, liegen nun die Schwerpunkte auf der
Bestimmung physikalischer Größen und dem Studium des
Zeitverhaltens des Magnetfeldes an der KMG. Die dazu
notwendigen Untersuchungen wurden in Kooperation mit
den Sektionen 2.3 und 5.3 des GeoForschungsZentrums
durchgeführt.
Durch Inversion einer Näherung der Induktionsgleichung,
der sogenannten frozen-flux Gleichung, wurde
das Geschwindigkeitsfeld des flüssigen Kerns an dessen
Oberfläche im Zeitraum von 1980 bis 2000 berechnet.
Früher wurden die dazu notwendigen Magnetfelder
an der KMG durch eine harmonische Feldfortsetzung
bestimmt, die nur in Nichtleitern anwendbar ist. Die
Ergebnisse mit der neuen Methode wurden nach zwei
Aspekten untersucht. Es war von Interesse, ob sich die
neue Feldfortsetzungsmethode auf die Bestimmung der
Kerngeschwindigkeit auswirkt und welche Bewegungsstrukturen
auf der Kernoberfläche erkennbar sind.
Abb. 1.47 zeigt ein Beispiel des Geschwindigkeitsfeldes
für das Jahr 1991.
Abb. 1.46: Zwei Bilder der Radialkomponente Br des geomagnetischen Feldes als Beispiel für die Feldfortsetzungsmethode
mit neuen Daten des GFZ Potsdam. Die detaillierten Strukturen an der KMG entstehen, weil höhere Grade
der Kugelfunktionsentwicklung bei der Fortsetzung mehr verstärkt werden als niedrige.
Two maps of the radial component Br of the geomagnetic field as an example for the field continuation with new data
of GFZ Potsdam. The more detailed structures at the core-mantle boundary (CMG) are produced because higher degrees
of the spherical harmonic expansion are stronger amplified than lower ones.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
191

Abb. 1.47: Geschwindigkeitsfelder an der KMG für das Jahr 1991 für verschiedene Grade (n) der Kugelfunktionsentwicklung
des geomagnetischen Feldes, aus dem sie berechnet wurden. Linke Säule: Geschwindigkeitsfelder aus dem
Magnetfeld, das durch nichtharmonische Fortsetzung zur KMG bestimmt wurde. Rechte Säule: Differenzen der
Geschwindigkeitsfelder aus den Magnetfeldern, die durch nichtharmonische bzw. harmonische Fortsetzung zur KMG
berechnet wurden.
CMB velocity fields for the epoch 1991 for different degrees (n) of the geomagnetic field, from which they are inferred.
Left column: Velocity field based on the geomagnetic field determined by non-harmonic downward continuation to the
CMB. Right column: Difference of velocity fields derived from the geomagnetic fields calculated by non-harmonic and
harmonic downward continuation to the CMB, respectively.
192 Anhand des Beispiels sind einige wichtige Ergebnisse
erkennbar. Die Differenzen zwischen den Geschwindigkeitsfeldern
aus beiden Fortsetzungsmethoden sind
global unterschiedlich verteilt und nicht einfach durch
einen konstanten Betrag oder Faktor beschreibbar. Sie
ändern sich außerdem mit der Zeit. Das Resultat der
Inversion hängt erwartungsgemäß auch vom Grad n der
benutzten Kugelfunktionsentwicklung des Magnetfeldes
ab. Eine umfangreiche Analyse dieses Einflusses
anhand aller Ergebnisse hat gezeigt, dass die Frage der
Abgrenzung des internen Hauptfeldes vom Krustenfeld
durch die Zuordnung zu den Graden der Feldentwicklungen
möglicherweise nicht allein durch Strukturuntersuchungen
mit dem Oberflächenfeld geklärt werden
kann. Schließlich sind auch bestimmte Strukturen
der Erdkernbewegung erkennbar, wie eine äquatoriale
Westdrift und eine Wirbelstruktur in der nördlichen
Hemisphäre, deren Zuordnung zu bestimmten dynamischen
Vorgängen im Erdkern Gegenstand zukünftiger
Untersuchungen sein kann.
Mit Hilfe der Geschwindigkeitsfelder wurde der Relativdrehimpuls
des Erdkerns und aus diesem dann die Tageslängenvariationen
(∆LOD) bestimmt, die von den Erdkernbewegungen
erzeugt werden. Die dahinter stehende
Physik ist das Drehimpulsgleichgewicht zwischen Erdkern
und -mantel für eine kräftefreie Erde. Für die Berechnung
des Relativdrehimpulses wurde die Kernbewegung
durch starre Rotation (unendlich) dünner axialer Zylinderringe
approximiert, deren Rotationsgeschwindigkeit
dem zonalen Anteil des Kernoberflächengeschwindigkeitsfeldes
gleichgesetzt wird. Abgesehen von dieser
Annahme benutzt das verwendete Standardmodell weitere
grobe Vereinfachungen: Die Dichte des Kerns wird als
konstant angenommen, der Innenkern existiert in diesem
Standardmodell nicht und die Benutzung des zonalen
Oberflächengeschwindigkeitsfeldes ist nur möglich,
wenn dieses äquatorsymmetrisch ist.
In unseren Untersuchungen wurde für den Zeitraum 1980
bis 2000 die Abhängigkeit der ∆LOD von der Feldfortset-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

zungsmethode und dem Grad der Kugelfunktionsentwicklung
des Magnetfeldes untersucht, aus dem das Geschwindigkeitsfeld
berechnet wurde. Die Ergebnisse und die
beobachteten Variationen sind in Abb. 1.48 dargestellt.
Das Resultat ließ eine erste Schlussfolgerung zu: die
∆LOD-Kurven sind im Allgemeinen glatter für die nichtharmonische
Feldfortsetzung und ein im Vergleich zu den
IERS-Werten optimaler Verlauf wird mit dem Grad 12 der
Magnetfeldentwicklung erreicht.
Abb. 1.48: Geglättete tägliche ∆LOD
(IERS) im Vergleich zu den ∆LOD, die
vom Geschwindigkeitsfeld an der KMG
abgeleitet wurden. Es wurden Kugelfunktionsentwicklungen
unterschiedlichen
Grades und verschiedene Methoden der
Fortsetzung des Magnetfeldes benutzt.
Smoothed daily ∆LOD data (IERS) compared
with ∆LOD derived from CMB
velocity field: Spherical-harmonic
expansions of different degree and different
methods of downward continuation
of the geomagnetic field are applied (nonharmonic,
harmonic).
Mit der Abb. 1.49 kann man schließlich überprüfen, ob
die für die Theorie notwendige Voraussetzung der Äquatorsymmetrie
erfüllt ist. Die Abbildung zeigt, dass die
Annahme nur annähernd gilt und die ∆LOD daher nur eine
entsprechende Näherung darstellen.
Noch nicht geklärt sind die internen Ursachen der dekadischen
Polbewegungsvariationen. Hierbei scheint eine
Polbewegung des Innenkerns relativ zum Mantel eine
Rolle zu spielen. In den letzten zwei Jahren wurde die
Abb. 1.49: u φ-Komponente des zonalen toroidalen Geschwindigkeitsfeldes an der KMG in Abhängigkeit von der Zeit
und der Ko-Breite (Poldistanz) zwecks Überprüfung der Annahme zur Äquatorsymmetrie von u φ.
u φ component of the zonal toroidal velocity field at the CMB in dependence on the time and the co-latitude (polar distance)
for checking the assumption of equatorial symmetry.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
193

194
Nachweisbarkeit einer Eigenschwingung des Pols des
Innenkerns (free wobble) mit einer Periode zwischen fünf
und sechs Jahren untersucht. Diese Bewegung wirkt sich
zwar theoretisch auf die Polbewegung und das Schwerefeld
aus, die Untersuchungen lieferten wegen der kleinen
Signale jedoch ein Negativresultat.
Erdmodellierung
Ein neues globales Dichtemodell der Kruste und des oberen
Mantels
Die Ableitung eines neuen globalen Dichtemodells der
Kruste und des oberen Mantels ist eine der wichtigsten
Aufgaben des Forschungsprogramms „Erde im Wandel“.
Die Kenntnis dieser Strukturen ist nicht nur entscheidend
für das Verständnis der nahen Oberfläche, sondern auch
für die Erforschung der tieferen Gebiete, weil deren
Auswirkungen zum großen Teil von den Einflüssen der
Lithosphäre und der Manteldynamik überdeckt werden.
Das Schwerefeld der Erde ist sehr sensibel bezüglich der
Struktur der Erde und der dynamischen Prozesse in ihrem
Innern, deshalb wird es als grundlegende Randbedingung
in diesen Untersuchungen genutzt. Die Daten des Schwe-
a)
b)
Abb. 1.50: Die Hauptkrustenschichten: (A) Sedimentdicke (obere Grenzschicht);
(B) Tiefe der Kruste-Mantelgrenze (untere Grenzschicht).
Global image of the main crustal layers: (A) thickness of sediments; (B)
depth to the bottom of the crust.
refeldmodells müssen allerdings zusätzlich mit seismischer
und geologischer Information kombiniert werden.
Das erste Ziel der Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet
ist die Ableitung eines neuen globalen Modells der Kruste.
Der Umfang des zur Verfügung stehenden seismischen
Datenmaterials ist während der letzten zehn Jahre enorm
gewachsen. Auf der Grundlage dieser Daten haben wir ein
globales Krustenmodell abgeleitet, welches im Gegensatz
zu bereits existierenden globalen Modellen niedriger Auflösung
wie CRUST2.0 auf Originaldaten basiert. Abbildung
1.50 zeigt zwei Hauptgrenzflächen der Kruste (Sedimente/feste
Kruste und Kruste/Mantel). Am stärksten wirken
sich die Verbesserungen des aktuellen Modells in
Nordamerika und Eurasien aus. Hier betragen die Differenzen
zu CRUST5.1 und CRUST2.0 in der Tiefe der
Mohorovičić-Diskontinuität ±15 km.
Das Schwerefeld der Kruste wurde berechnet und vom
gemessenen Feld subtrahiert, so dass man die verbleibenden
Mantel-Schwereanomalien erhält (Abb. 1.51a). Auf
die gleiche Art und Weise wurde die Resttopografie
berechnet, d. h. der Teil der Topografie, der durch die Inhomogenitäten
in der Krustendichte einschließlich der Variation
der Krustendicke nicht oder überkompensiert ist.
Aus diesen beiden Größen wurde im nächsten Schritt
zusammen mit Daten der seismischen
Tomografie ein Dichtemodell für den
Mantel abgeleitet. Die mittlere Dichteverteilung
innerhalb des oberen Mantels
wurde durch gemeinsame Inversion dieser
Daten berechnet und ist in Abb. 1.51b
dargestellt.
Im nächsten Modellierungsschritt wurde
der Einfluss verschiedener Faktoren wie
Temperatur und Variationen in der stofflichen
Zusammensetzung untersucht.
Gestützt auf die Verteilung der seismischen
Geschwindigkeit und unter
Berücksichtigung der entsprechenden
Mineralphysik, können die Temperaturvariationen
im oberen Mantel geschätzt
werden. Die zuverlässigsten Ergebnisse
erhält man für Nordamerika, wo die seismische
Tomografie und das Temperaturmodell
von Goes und Van der Lee (2002)
verwendet wurden. Die durch Temperaturvariationen
erzeugte Schwere im oberen
Mantel wurde bestimmt und vom
Gesamtfeld des Mantels abgezogen. Die
resultierenden Anomalien auf Basis der
Mantelzusammensetzung sind in Abb.
1.52 dargestellt. Die residuale dynamische
Topografie wurde auf der Grundlage
der gleichen Krustendaten berechnet.
Die resultierende Dichtestruktur nach gemeinsamer
Inversion aller Daten ist in
Abb. 1.53 dargestellt.
Die Anomalie A entspricht der alten kontinentalen
Wurzel (kanadischer Schild).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

a)
b)
Die Zone der niedrigen Dichte ergibt sich nach Abzug des
thermischen Effekts und steht mit dem Material des abgereicherten
Mantels (depleted mantle) im Zusammenhang.
a)
Abb. 1.51: (A) Mantel-Schwereanomalien
(gemessene Schwere minus Krusteneffekt).
(B) Dichteanomalien im oberen
Mantel (gemittelt von 10 bis 100 km) – ein
Ergebnis der gemeinsamen Inversion von
Restschwere (siehe A), Resttopografie
und seismischen Daten.
(A) Residual mantle gravity anomalies
obtained after removal of the crustal
effect from the observed gravity. (B) Density
anomalies in the upper mantle (averaged
for 50-100 km depths) – a result of
the joint inversion of the residual gravity
(see A), residual topography and seismological
data.
Die horizontale Verschiebung der Wurzel
könnte ein Ergebnis des „basal drag“ sein,
der durch die Mantelkonvektion hervorgerufen
wird. Die ausgedehnte positive
Anomalie B-C-D ist deutlich in zwei Teile
unterteilt. Die Anomalie B befindet sich
hauptsächlich unter dem Golf von Mexiko,
direkt unter der Kruste. Sie resultiert
im Wesentlichen aus der Schweremodellierung
und ist in den seismischen Daten
fast unsichtbar. Sie ist möglicherweise
verantwortlich für eine schnelle Subduktion
dieses jungen Sedimentbeckens. Die
Anomalien C und D liegen in größeren
Tiefen (100 bis 200 km) und haben wahrscheinlich
einen unterschiedlichen Ursprung.
Die Anomalie D könnte einen
Überrest der ostwärts gerichteten Subduktion der Farallon-Platte
(Van der Lee und Nolet, 1997; Zhao, 2004)
widerspiegeln.
Abb. 1.52: Mantel-Schwereanomalien für Nordamerika. (A) Gesamtschwerefeld; (B) Schwereanomalien verursacht durch
Variationen der stofflichen Zusammensetzung (Schwerefeld A minus Schwereanomalien verursacht durch Temperaturvariationen
im oberen Mantel). Die Linien 1 und 2 zeigen den Verlauf der Querschnitte in Abb. 1.53.
Residual mantle anomalies for North America. (A) „total“ field; (B) „compositional“ gravity anomalies obtained after
removal of the effect of temperature variations in the upper mantle from the field A. Lines 1 and 2 show the location of
sections with mantle density anomalies in Fig. 1.53.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
b)
195

196
a)
b)
Abb. 1.53: Dichtestruktur der Lithosphäre und des oberen Mantels unter
Nordamerika. (A) Gesamte Dichteanomalien. (B) Dichteanomalien aus
der stofflichen Zusammensetzung nach Reduktion des thermischen Einflusses,
geschätzt aus Daten der seismischen Tomografie. Die Lage der
Querschnitte 1 und 2 und der größten Anomalien (A-D) sind in Abb. 1.52
dargestellt.
Density structure of the lithosphere and upper mantle under North America.
(A) total density anomaly. (B) compositional density anomaly after removing
of the thermal effect estimated from seismic tomography data. Position
of the sections 1 and 2 and location of the main anomalies (A-D) are shown
in Fig. 1.52.
Nachdem die Modelle für die Kruste und den oberen Mantel
vorliegen, können wir mit der Modellierung der gesamten
Mantelstruktur beginnen. Die neuen Lithosphärenmodelle
sind hierbei besonders in kontinentalen Gebieten
wichtig, wo sie erstmals eine zuverlässige Schätzung der
dynamischen Topografie ermöglichen, eine der wichtigsten
Randbedingungen bei der Modellierung der Mantelkonvektion.
Abbildung 1.54 zeigt ein erstes Dichtemodell
des gesamten Mantels, das auf der Grundlage
einer gemeinsamen Inversion von
Schweredaten und seismischen Daten berechnet
wurde. Anhand dieses Modells
wurden die Mantelflussgeschwindigkeiten
geschätzt. Wichtig ist dabei, dass die
horizontalen Variationen der Viskosität,
welche aus Mantelflussgeschwindigkeiten
und den Gleichungen der Mineralphysik
bestimmt wurden, berücksichtigt
wurden. Die nächste Aufgabe besteht
darin, die Modellparameter auszugleichen,
sodass die Modelle bestmöglich mit
den beobachteten GPS-Plattengeschwindigkeiten
und dem gemessenen Geopotential
(Schwere und Geoid) in Übereinstimmung
gebracht werden.
Struktur und Dynamik des Tienschan
Der Tienschan in Zentralasien ist der
größte und aktivste interkontinentale Gebirgsgürtel
der Erde. Die hohe heute gemessene
und aus der Geschichte bekannte
seismische Aktivität lässt eine rasante
Krustendeformation in diesem Gebiet
erwarten. Dies ist eine Folge der hohen
Geschwindigkeit, mit der sich Indien
und Eurasien auf einander zu bewegen
(Abb. 1.55), wobei der Tienschan mindestens
die Hälfte davon absorbiert.
Diese Situation ist absolut einzigartig für
interkontinentale Gebirgsgürtel. Der Mechanismus,
der die Verkürzung der Kruste
in diesem Gebiet steuert, ist bis heute
unklar. Die Diskrepanz zwischen den Verkürzungsraten
von ca. 20 mm/Jahr (aus
GPS-Messungen) und ca. 10 mm/Jahr (aus
seismischen Momenten großer Krustenbeben
abgeleitet) ist beachtlich. Um die
Struktur der Kruste und des oberen Mantels
zu modellieren und Typ und Intensität
der tektonischen Prozesse, welche für die
starke Krustendeformation in dieser Region
verantwortlich sind, genau zu bestimmen,
haben wir Schweredaten der
neuen Satelliten-Missionen CHAMP und
GRACE, regionale GPS-Beobachtungen
und neue seismische Daten analysiert.
Die Dynamik der Erde wird maßgeblich
von Dichteanomalien bestimmt. Gleichzeitig
erzeugen alle tektonischen Prozesse
Dichtestörungen (wie die Topografie), die jeweils spezifisch
sind. Als wichtigste Randbedingung bei der Konstruktion
eines dynamischen Modells in dieser Region
kann deshalb das Schwerefeld genutzt werden. Zentralasien
ist eine der Regionen, in denen die älteren Schwerefeldmodelle
(z. B. EGM96) große Fehler aufweisen.
Wegen der politischen Grenzen müssen Geodäten und
Geophysiker zudem verschiedene Datensätze, die extrem
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

a) b)
Abb. 1.54: (A) Ein erstes Dichtemodell des gesamten Mantels, berechnet auf der Grundlage einer gemeinsamen Inversion
von Schweredaten und seismischen Daten (Querschnitt 105° West bis 75° Ost). Die Pfeile zeigen die Mantelflussgeschwindigkeiten.
(B) Das abgeleitete nichtisostatische Geoid, berechnet anhand von Dichteanomalien und dynamischen
Deformationen der Oberfläche.
(A) Initial density model of the whole mantle which is based on a joint inversion of the gravity and seismological data
(cross-section 105 W-75 E). Arrows show mantle flow velocities. (B) calculated non-isostatic geoid, which is produced
by the density anomalies and dynamic deformations of the surface.
inhomogen sind, vereinigen. Die neuen CHAMP- und
GRACE-Missionen liefern erstmalig homogene und qualitativ
hochwertige Schweredaten, welche die gesamte
Erde gleichmäßig überdecken. Das neue Schwerefeldmodell,
das unter Einbeziehung aller verfügbaren terrestrischen
und satellitengestützten Daten berechnet wurde, ist
in Abb. 1.56 dargestellt. Die Differenzen zwischen dem
neuen und alten Schweremodell (EGM96) betragen bis zu
±100 mGal. Unter der Annahme, dass diese Differenzen
hauptsächlich auf Fehler im alten Modell zurückzuführen
sind, war das alte Modell als Randbedingung für die
Modellierung des Tienschan-Gebiets nicht geeignet. Obwohl
sich die Dichteinhomogenitäten, die durch Anomalien
in der Temperatur und der stofflichen Zusammenset-
zung hervorgerufen werden, direkt im gemessenen Schwerefeld
abbilden, ist ihre Bestimmung ohne zusätzliche
Information über die Lithosphärenstruktur unmöglich.
Seismische Daten liefern solche Randbedingungen. Um
ein Abbild der tiefen Strukturen des Tienschan zu erhalten,
haben wir – in Zusammenarbeit mit dem IPE, Moskau
(Vinnik et al., 2004) – P- und S-Receiver-Functions
für nahezu 40 lokale seismologische Breitbandstationen
gemeinsam invertiert (Abb. 1.55). Diese Methode erfasst
zwar Änderungen der Geschwindigkeit mit der Tiefe
innerhalb der Kruste und im obersten Mantel, aber die
absoluten Werte der Geschwindigkeit werden ungenügend
bestimmt. Um diesen Nachteil zu umgehen, haben wir die
Abb. 1.55: Die Topografie Asiens und die Lage des untersuchten Gebiets im zentralen Tienschan (links). Schwarze Pfeile:
GPS-Plattengeschwindigkeiten; rote Sterne: Epizentren von starken Erdbeben (M > 5); schwarze Kreuze: Lage der
seismischen Stationen (rechts).
Topography of Asia and location of the study area Central Tien Shan (left). Black arrows: GPS plate velocities; red
stars: epicentres of strong earthquakes (M > 5); black crosses: location of seismic stations (right).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
197

198
Abb. 1.56: Neues Schwerefeldmodell basierend auf neuen Satellitendaten (CHAMP und GRACE) und existierenden
terrestrischen Daten (links). Differenz zwischen dem neuen und dem alten (EGM96) Schwerefeldmodell in mGal
(rechts).
New gravity model based on the new satellite missions (CHAMP and GRACE) and existing terrestrial data (left). Difference
between the new and old (EGM 96) gravity model in mGal (right).
P- und S-Receiver-Functions gemeinsam mit den Residuen
von teleseismischen P- und S-Laufzeitgeschwindigkeiten
invertiert. Durch diese Vorgehensweise war es möglich, ein
zuverlässiges dreidimensionales P- und S-Geschwindigkeitsmodell
für die Kruste und den obersten Mantel zu
bestimmen. Abb. 1.57 zeigt die mittleren seismischen
Geschwindigkeiten V s in der mittleren und unteren Kruste.
Das Gebiet niedriger Geschwindigkeiten (Low-Velocity-
Zone, LVZ) in Abb. 1.57 (links) steht deutlich in Beziehung
zur Verteilung der seismischen Aktivität: starke Erdbeben
treten nur außerhalb dieses Gebiets oder an seinen Grenzen
auf. Das Fehlen starker Erdbeben zusammen mit dem
ungewöhnlich niedrigen Schermodul weist darauf hin, dass
(1) die mittlere Kruste von entscheidender Bedeutung für
die Entstehung starker Erdbeben ist und (2) die mittlere
Kruste der Low-Velocity-Zone des Tienschan zu schwach
ist, um genug Energie für starke Erdbeben aufnehmen zu
können. Die Low-Velocity-Zone im obersten Mantel stimmt
gut mit den basaltischen Aufschlüssen (ca. 50 Ma alt) überein.
Diese Zone könnte also im Zusammenhang mit heißem
Mantelmaterial stehen, das als Folge der magmatischen
Intrusion (oder sogar eines Mantel-Plumes) entsteht.
Das neue Schwerefeldmodell und die neuen seismischen
Messungen wurden gemeinsam ausgewertet, um ein Dich-
Abb. 1.57: Mittlere seismische Geschwindigkeiten (V s) in der mittleren Kruste (10 bis 35 km). Rote Sterne markieren
die Epizentren starker Erdbeben (M > 5), Dreiecke die Lage der seismischen Stationen (links). Mittlere Geschwindigkeiten
in der Unterkruste (75 bis 90 km). Schattierte Gebiete zeigen Gebiete mit basaltischen Aufschlüssen (rechts).
Average seismic velocities (V s) in the mid-crust (10 to 35 km). Red stars show epicentres of strong earthquakes (M > 5),
triangles the positions of the seismic stations (left). Average velocities in the subcrustal layer (75 to 90 km). Shaded
areas show positions of basaltic outcrops (right).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.58: Alternative geodynamische Modelle. Oben:
Einfache Verkürzung der Kruste. Unten: Partielle Subduktion
der Tarim-Lithosphäre unter den Tienschan.
Alternative geodynamic models. Top:Simple crustal shortening.
Bottom: Partial subduction of the Tarim lithosphere
under Tien Shan.
temodell des oberen Mantels zu berechnen. Dieses Modell
wurde verwendet, um Abweichungen der Lithosphäre vom
isostatischen Gleichgewicht zu schätzen, die wichtig sind
für das Verständnis des Mechanismus der Krustenverkürzung.
Die Kruste ist deutlich dicker am südlichen Rand des
Tienschan und außergewöhnlich dünn im zentralen Teil.
Dies spricht offensichtlich für das geodynamische
Modell, welches eine Unterkruste (oder sogar partielle
Subduktion) der Tarim-Lithosphäre unter dem Tienschan
(Abb. 1.58) einbezieht. Die gleiche Schlussfolgerung
lässt sich aus den isostatischen Anomalien aus
Abb. 1.59 (links) ziehen. Das Muster der isostatischen
Anomalien stimmt gut mit der Verteilung der Seismizität
überein.
Die Mantel-Schwereanomalien, die nach Subtraktion des
Krusteneffektes verbleiben (Abb. 1.59, rechts), stützen die
Idee eines heißen Mantels niedriger Dichte unter dem zentralen
Teil von Tienschan. Einige Diskrepanzen mit den
seismischen Geschwindigkeiten im obersten Mantel
(Abb. 1.57, rechts) deuten darauf hin, dass dieses Material
geringerer Dichte wesentlich tiefer, d. h. unterhalb
90 km liegt.
Zusammenfassend haben wir eine sehr starke Abweichung
der Tienschan-Lithosphäre vom isostatischen
Gleichgewicht festgestellt. Das Modell der einfachen
Krustenverkürzung funktioniert nicht im untersuchten
Gebiet. Die beste Anpassung erhält man für ein Modell,
bei dem sich die Tarim-Platte teilweise unter den Tienschan
schiebt. Man muss also eine partielle Aufspaltung
der Lithosphäre annehmen, wenn die gegenwärtige Bewegungsrate
über die gesamte Zeit der Tienschan-
Geschichte die gleiche geblieben ist. Es wurden zudem
große Dichte-Geschwindigkeits-Anomalien im oberen
Mantel des zentralen Teils des untersuchten Gebiets
gefunden. Diese Anomalien könnten das Ergebnis eines
magmatischen „Underplating“ im Frühstadium der tektonischen
Entwicklung sein. Die schwache Lithosphäre,
die ein Ergebnis der magmatischen Intrusion ist, könnte
das Aufsteigen des Gebirges nach der Kollision von
Indien und Eurasien bewirkt haben.
Abb. 1.59: Isostatische Anomalien des Schwerefeldes. Kreise zeigen die Epizentren der Erdbeben (alle, starke und
schwache) (links). Verbleibende Mantel-Schwereanomalien nach Subtraktion des Krusten-Effektes vom gemessenen
Schwerefeld (rechts).
Isostatic anomalies of the gravity field. Circles show epicentres of earthquakes (all, strong and weak) (left). Residual
mantle anomalies obtained after removing of the crustal effect from the observed gravity field (right).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
199

200
Glaziale Isostasie, Meeresspiegeländerung und
Mantelviskosität
Postglaziale Meeresspiegelindikatoren
Die Rekonstruktion der Meeresspiegelhöhe für die letzen
18.000 Jahre ist ein wichtiges Hilfsmittel, um die postglaziale
Relaxation der Erde nach dem Abtauen der letzten
pleistozänen Eisschilde auf der Nordhemisphäre zu
bestimmen. Zur Rekonstruktion dienen fossile Fundstücke,
die nahe den ehemaligen Küstenlinien sedimentiert
wurden. Nach Höhen- und Altersbestimmung bilden sie
Meeresspiegelindikatoren (sea-level indicators bzw. SLI),
die zunächst zur Rekonstruktion der Relaxationskurve für
eine bestimmte Region verwendet und ggf. weiter hinsichtlich
der Viskositätsverteilung im Erdmantel oder der
pleistozänen Vereisungsgeschichte invertiert werden können.
Die zur Archivierung der SLI dienende Datenbank wurde
in den letzten Jahren kontinuierlich erweitert und enthält
derzeit Angaben zu ca. 14.000 SLI (Abb. 1.60). Neben den
geographischen Koordinaten, der Höhe über dem heutigen
Meeresspiegel und dem Alter enthält die Datenbank
entsprechend den Originalpublikationen u. a. auch Angaben
zum Material und den Sedimentationsbedingungen
der SLI, die gezielt mit Hilfe der Fuzzy-Logik analysiert
werden können. Diese Analysemethode macht es möglich,
SLI anhand der in der Datenbank gespeicherten Angaben
individuell zu gewichten und damit die postglaziale Relaxation
der Erde genauer zu bestimmen. Mit dieser Methode
kann auch unterschieden werden, ob es sich bei einem
SLI um muschelähnliches Material handelt, was auf eine
untere Schranke des früheren Meeresspiegels hinweist,
oder um einen treibholzähnlichen Fund, was ein Indikator
für eine obere Schranke des früheren Meeresspiegels
ist. (Abb. 1.61).
Modellierung globaler Meeresspiegeländerungen
Die Kombination eines globalen Modells der pleistozänen
Eisbedeckung mit einem Modell der Viskositätsverteilung
kann u. a. dazu verwendet werden, die zeitlichen
Änderungen der Paläotopographie nach der letzten Verei-
Abb.1.60:Globale Verteilung der in einer
Datenbank am GFZ Potsdam gespeicherten
Meeresspiegelindikatoren. Die
Farben bezeichnen die unterschiedenen
Regionen: Fennoskandien (dunkelblau),
Britannien (hellblau), Barentssee (dunkelgrün),
Nordamerika (hellgrün), Äquatorialregion
(gelb), Antarktis und Patagonien
(rosa).
Global distribution of sea-level indicators
stored in the GFZ data bank. The colours
indicate the regions distinguished: Fennoscandia
(dark blue), Britain (light
blue), Barents Sea (dark green), North
America (light green), equatorial region
(yellow), Antarctica and Patagonia (pink).
Abb. 1.61: Höhe des Meeresspiegelindikators bezüglich
des heutigen Meeresspiegels als Funktion seines kalibrierten
Alters für die Region Churchill (Hudson Bay).
Blaue Symbole bezeichnen muschelähnliche Funde, was
auf eine untere Schranke des früheren Meeresspiegels hinweist.
Rote Symbole bezeichnen treibholzähnliche Funde,
was auf eine obere Schranke des früheren Meeresspiegels
hinweist. Die durchgezogene Linie ist die mit Hilfe der
Fuzzy-Logik bestimmte optimale postglaziale Relaxationskurve
(Exponentialfunktion). Das orange Band zeigt
den Bereich möglicher Exponentialfunktionen innerhalb
einer vorgegebenen Abweichung.
Height of sea-level indicator with respect to present-day
sea level as a function of its calibrated age for the region
Churchill (Hudson Bay). Blue symbols denote samples like
shell, which indicates a lower bound for the former sea
level. Red symbols denote samples like driftwood, which
indicates an upper bound for the former sea level. The
solid line is the best-fitting post-glacial relaxation curve
(exponential function) determined using fuzzy logic. The
orange band shows the range of possible exponential functions
within a predefined misfit.
sung zu modellien (Abb. 1.62). Eine wichtige Anwendung
ist die Berechnung des glazial-isostatisch induzierten
Anteils in den gegenwärtigen Meeresspiegeländerungen.
Dazu wurde zunächst eine globale Verteilung ungestörter
Pegelstationen festgelegt. Es wurden Stationen ausgewählt,
die weitgehend frei von tektonisch oder antropogen
bedingten Vertikalbewegungen, Luftdruckschwan-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

kungen und hydrologischen Effekten sind. Zur Erleichterung
der Auswahl wurde hierzu das Trendanalyse-Diagramm
entwickelt, was eine schnelle Identifizierung von
zeitlichen Variationen des Trends gestattet. Für die Pegel-
Abb. 1.62: Rekonstruktion der Paläotopographie
für Fennoskandien und den
Zeitpunkt 10.000 Jahre vor heute basierend
auf einem optimierten Viskositätsund
Eismodell.
Reconstruction of the palaeotopography
for Fennoscandia and the time epoch
10,000 years before present based on an
optimized viscosity and ice model.
station Churchill (Hudson Bay) sind beispielsweise
starke Trendänderungen um
1970 und 1990 zu erkennen (Abb. 1.63),
die auf Störungen unbekannter Ursache
hinweisen. Für die 121 ungestörten Stationen
wurden dann aus den entsprechenden
Zeitreihen zunächst die beobachteten
linearen Trends der Meeresspiegeländerungen
bestimmt. Nach Reduktion
hinsichtlich des glazial-isostatisch
induzierten Anteils ergab sich daraus ein
mittlerer globaler Meeresspiegelanstieg
von 1,46 ±0,20 mm/a. Für Fennoskandien,
wo die Stationsdichte hoch und der glazial-isostatisch
induzierte Anteil dominant ist, ergab sich nach
der Reduktion ein etwas niedrigerer Wert von 1,23
±0,68 mm/a.
Mantelviskosität unter Island
Island ist aufgrund seiner besonderen
Lage auf dem Mittelatlantischen Rücken
für geodynamische Studien eine attraktive
Region. Wegen der erhöhten Untergrundtemperatur
ist unter der Insel eine
niedrige Viskosität des Erdmantels zu
erwarten. Charakteristisch für Island sind
rezente Eiskappen, von denen der Vatnajökull
mit einem mittleren Radius von ca.
Abb. 1.63: Trendanalyse-Diagramm für
Monatsmittel der Meeresspiegelhöhe in
Churchill (Hudson Bay). Das obere Feld
zeigt den ursprünglichen Datensatz. Das
untere Feld zeigt Konturen der mittleren
Änderungsrate der Meeresspiegelhöhe als
Funktion des Mittelpunktes und der Länge
des berücksichtigten Zeitintervalls. Durch
Pfeile hervorgehobene Werte weisen auf
zurückliegende Abschätzungen der mittleren
Änderungsrate hin.
Trend-analysis diagram for monthly
means of the sea-level height at Churchill
(Hudson Bay). The top panel shows the
original data set. The bottom panel shows
contours of the mean rate of change of
sea-level height as a function of the midepoch
and length of the time interval considered.
Values highlighted by arrows
indicate previous estimates of the mean
rate of change.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
201

202
50 km am größten ist. Als Folge des seit ca. 1900 andauernden
Eisrückgangs sowie der erniedrigten Mantelviskosität
ist in der Umgebung des Vatnajökull eine Landhebung
zu erwarten, die hinsichtlich der Viskositätsverteilung
im Erdmantel invertiert werden kann. Zur Bestimmung
der Hebungsrate wurden seit 1991 unter der Leitung
von L. Sjöberg (Royal Institute of Technology, Stockholm)
südöstlich der Eiskappe an einer Reihe von Stationen
(Abb. 1.64) bis zu vier GPS-Kampagnen durchgeführt.
Zur Inversion der beobachteten Hebungsraten
wurde ein kreisförmiges Eismodell vorausgesetzt, sowie
Abb.1.65:Beobachtete (rote Kreise mit Fehlerbalken) und
vorhergesagte Hebungsraten (farbige Linien) als Funktionen
des Abstandes vom Eiszentrum für das kreisförmige
Eismodell und eine Lastgeschichte, die einen Eisverlust
von ca. 2 km 3 pro Jahr während der vergangenen
100 Jahre simuliert. Die Bereiche der Werte für die Lithosphärenmächtigkeit,
H L, die Asthenosphärenmächtigkeit,
H A, und die Asthenosphärenviskosität, ηA, die zu ähnlich
guten Anpassungen führen, weisen auf die Mehrdeutigkeit
der Inversion hin.
Observed (red circles with error bars) and predicted uplift
rates (coloured lines) as functions of the distance from the
ice centre for the circular ice model and a loading history
simulating an ice loss of about 2 km 3 per year during
the past 100 years. The ranges of values for the lithosphere
thickness, H L, the asthenosphere thickness, H A, and the
asthenosphere viscosity, ηA, resulting in similarly close
fits indicate the ambiguity of the inversion.
eine Lastgeschichte, die einen Eisverlust
von 2 km 3 pro Jahr während der vergangenen
100 Jahre simuliert. Als Viskosität
des oberen und unteren Mantels wurde
1 . 10 20 Pa s bzw. 1 . 10 22 Pa s angenommen.
Freie Parameter sind die Lithosphärenmächtigkeit,
die Asthenosphärenmächtigkeit
und die Asthenosphärenviskosität. Nahezu gleich
gute Anpassungen ergeben sich für 16 bis 46 km und 129
bis 384 km für die Lithosphären- bzw. Asthenosphärenmächtigkeit
und 1 . 10 18 bis 1 . 10 19 Pa s für die Asthenosphärenviskosität
(Abb. 1.65), was auf die Mehrdeutigkeit
der Inversion hinweist.
Geoidmodellierung
Abb. 1.64: Lagen der GPS-Stationen
südöstlich der Vatnajökull-Eiskappe
(Island) und Umriss des für die Inversion
verwendeten kreisförmigen Eismodells.
Locations of GPS stations south-east of
the Vatnajökull ice cap (Iceland) and outline
of the circular ice model used for the
inversion.
Eismassenänderung und Glazialisostasie
Mit dem Satellitenpaar GRACE können zum ersten Mal
globale zeitliche Variationen des Schwerefelds untersucht
werden. Nach und nach lassen sich aus der Zeitreihe der
monatlichen Schwerefelder immer verlässlichere lineare
Trends berechnen, die z. B. Rückschlüsse auf die langzeitlichen
Massenänderungen der großen Eisschilde
ermöglichen.
Über der Antarktis und über Grönland wird die heutige
Geoidänderung im Wesentlichen durch zwei Prozesse verursacht.
Einmal durch ein Ungleichgewicht zwischen dem
Schneefall auf dem Kontinent und dem Abfluss durch
Gletscher und Eisströme, und andererseits durch die glazialisostatische
Ausgleichsbewegung der Erde und dem
damit verbundenen Zufluss von Mantelmaterial in die
Gebiete früherer Eislasten. Der Einfluss einer unausgeglichenen
Eismassenbilanz auf das Geoid lässt sich relativ
einfach berechen. Die Bestimmung der Erdantwort auf
eine vergangene Eisbedeckung erfordert dagegen ein
komplexes visko-elastisches Erdmodell. Zusätzlich müssen
Annahmen über die Viskositätsstruktur des Mantels
und die Enteisungsgeschichte getroffen werden, die nicht
ausreichend bekannt sind.
Die Zeitreihe aus den GRACE-Monatslösungen wurde
verschiedenen statistischen Verfahren und Filtermethoden
unterworfen (Abb. 1.66). Abbildungen 1.67 und 1.68
zeigen Vergleiche der modellierten und beobachteten
Geoidänderung über Grönland und über der Antarktis.
Vor allem in der Westantarktis lassen sich erste Übereinstimmungen
zwischen den GRACE-Beobachtungen
und den Vorhersagen erkennen. Dort verursacht das
beschleunigte Zurückweichen von Gletschern und Eis-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

strömen mit dem Abfluss in die Amundsen-See einen
Massenverlust, der bereits im Trend der Schwerefelder
sichtbar ist.
Abb. 1.66: Statistische Prüfung von Trend
und jährlicher Periode in den sphärischharmonischen
Koeffizienten zweier
GRACE-Lösungen: CSR (Center for Space
Research) und GFZ Potsdam (Beobachtungszeitraum:
~ 2 Jahre). Rot kennzeichnet
signifikante Bereiche.
Statistical test of trend and annual period
in the spherical harmonic coefficients
of two GRACE solutions: CSR (Center for
Space Reseach) and GFZ Potsdam
(observation period: ~ 2 years). In red are
significant domains.
Konvektion im Erdmantel
Ein wichtiger Beitrag zum Verständnis
der Dynamik des Erdinnern wird durch
die Modellierung des statischen Geoids
geleistet. Das Geoid wird im Rahmen der
CHAMP-, GRACE- und, in Zukunft,
auch der GOCE-Mission mit zunehmender
Genauigkeit vermessen. Ein Vergleich
mit Modellierungen erlaubt es
unter anderem, die Viskositätsverteilung
im Erdmantel genauer abzuschätzen.
Das statische Geoid wird durch die Topographie
und die Lithosphärenstruktur,
aber auch zu großen Teilen durch den
Konvektionsprozess im Erdmantel verursacht.
Das am GeoForschungsZentrum
entwickelte Modell der Mantelkonvektion
beschreibt und löst die zugrunde liegenden
Gleichungen mit Hilfe spektraler
Finite-Elemente. Diese Repräsentation
erlaubt es auch sehr große laterale Viskositätsvariationen
in das Erdmodell zu
integrieren. So können hochviskose (elastische) Lithosphärenstrukturen,
wie z. B. Kratone, in den viskosen Erdmantel
eingebettet werden. Für die Beschreibung der Erde
können durch seismische Tomographie
bestimmte Dichteanomalien in das
Modell integriert werden. Damit kann der
Einfluss realistischer Strukturen auf die
Fließgeschwindigkeit im Erdmantel und
das statische Geoid untersucht werden.
Ein erstes numerisches Experiment für
eine zweidimensionale Erdstruktur zeigt
Abb. 1.69.
Abb. 1.67: Geoidänderung in mm/a für
Grönland. (a) Vorhergesagter Beitrag, der
durch heutige Massenänderungen und die
glazialisostatische Ausgleichsbewegung
hervorgerufen wird. (b) GRACE-Beobachtung
(GFZ, Release 3).
Geoid change in mm/a for Greenland. (a)
Predicted contribution of present time mass
changes and glacial-isostatic adjustment.
(b) GRACE observation (GFZ, release 3).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
203

204
a) b)
Abb. 1.68: Geoidänderung in mm/a für die Antarktis. (a) Vorhergesagter Anteil, der durch heutige Massenänderung
und die glazialisostatische Ausgleichsbewegung hervorgerufen wird. (b) GRACE-Beobachtung (CSR, Release 1 constrained).
Geoid change in mm/a for Antarctica. (a) Predicted contribution due to present-day mass changes and glacial-isostatic
adjustment. (b) GRACE observation (CSR, release 1 constrained).
a) b)
Abb. 1.69: (a) Erdmodell mit zweidimensionaler axialsymmetrischer Viskositätsstruktur. Dunkelgrau kennzeichnet sind
kratonische Strukturen. Rot und blau stellen eine langwellige positive bzw. negative Dichteanomalie im unteren Mantel
dar. (b) Mantelfluss aufgrund der Dichteanomalie aus (a). Die Farbskala zeigt die normalisierte vertikale Flussgeschwindigkeit
an. Der Mantelfluss ist auf die Gebiete außerhalb des hochviskosen Kratons beschränkt.
(a) Earth model with two-dimensional axisymmetric viscosity structure. Dark grey indicates cratonic structures. Red
and blue represent a positive and negative long-wavelength mass anomaly in the lower mantle, respectively. (b) Mantle
flow due to the mass anomaly shown in (a). The colour scale represents the normalized vertical flow velocity. The
mantle flow is confined to the outside of the craton due to its high viscosity.
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Fernerkundung
Die Fernerkundung stellt eine Schlüsseltechnologie für
die Erdbeobachtung dar. Sie trägt entscheidend dazu bei,
den Kostenaufwand für die flächenhafte und multitemporale
Datengewinnung zu minimieren. Sie schafft eine flächenbezogene
Datenbasis für vielfältige Zwecke, die z. B.
in Geoinformationssystemen genutzt werden kann. Am
GFZ Potsdam werden dazu neue Konzepte und Algorithmen
entwickelt, die den raumbezogenen und spektralen
Informationsgehalt unterschiedlicher Satelliten- und Flugzeugsensoren
analysieren. Die methodischen Entwicklungen
orientieren sich im Wesentlichen an den beiden
Schwerpunktthemen Umwelt und Naturgefahren. Die Ergebnisse
finden Eingang in die Arbeiten verschiedener
Großprojekte am GeoForschungsZentrum sowie innerhalb
der Helmholtz-Gemeinschaft und unterstreichen
damit den interdisziplinären Charakter und Nutzen der
Fernerkundung. Neben diesen methodischen Arbeiten bilden
die Machbarkeitsstudie des Hyperspektralsatelliten
EnMAP und zukünftige Einsatzmöglichkeiten dieses Satelliten
einen weiteren Schwerpunkt.
Landdegradation
Rund siebzig Prozent aller Trockengebiete außerhalb der
vollariden Wüsten sind vom Rückgang der Boden- und
Pflanzenbedeckung und damit von einer zunehmenden
Degradation des Landes betroffen. Klimaschwankungen
und nicht nachhaltige menschliche Aktivitäten wie Übernutzung,
Überweidung und Abholzung sind wesentliche
Ursachen für die komplexen Desertifikationsprozesse. In
der 1996 in Kraft getretenen UN-Konvention zur Bekämpfung
der Wüstenbildung (UN Convention to Combat
Desertification UNCCD) wird daher die Notwendigkeit
betont, verstärkt die Prozesse der Landdegradation und
Desertifikation zu erforschen.
Eine Voraussetzung für die Bekämpfung der Desertifikation
ist die genaue Kenntnis über das Ausmaß der degradierten
Gebiete und neuer, potentiell gefährdeter Gebiete.
Die Fernerkundung bietet die Möglichkeit, entsprechendes
thematisches Kartenmaterial im globalen, regionalen
und lokalen Maßstab flächenhaft und kostengünstig
zu liefern. Untersucht wird insbesondere das Potential der
abbildenden Spektroskopie für die Bestimmung von
boden- und vegetationsspezifischen Parametern, die mit
Landdegradationsprozessen verknüpft sind. Derartig
abgeleitete quantitative Parameter können vielfältig, beispielsweise
als Eingangsgrößen für Erosions- und Desertifikationsmodelle
zur Überwachung von Landdegradationsprozessen
eingesetzt werden. Ihre Integration in global
anwendbare Landdegradationsindizes ermöglicht die
Bestimmung des Ausmaßes der Degradation. Daneben
fließen sie in die Gewinnung von Indikatoren für die Charakterisierung
spezifischer Oberflächeneigenschaften in
Bezug auf Wasserzyklus, Erosionsprozesse und die Pflanzenproduktion
in Trockengebieten ein.
Im Rahmen von verschiedenen laufenden Projekten
wurden in zwei Regionen Testgebiete eingerichtet, im
Tagebaugebiet Welzow-Süd bei Cottbus und im Naturpark
Cabo de Gata-Níjar in der Provinz Almeria, Spanien.
Erfassung physikalischer und geochemischer Bodenparameter
Im Rahmen des Projekts „Quantifizierung oberflächennaher
Prozesse zur Charakterisierung von trockenheitsinduzierten
Veränderungen von Bodeneigenschaften, Erosion,
und Wasserhaushalt“ konnte durch die Kombination
von Feld- und Laborexperimenten, Fernerkundungsmethoden
und Modellierungsarbeiten das Prozessverständnis
verbessert und Prognosemethoden weiterentwickelt
werden. Es wurde ein interdisziplinärer Ansatz mit Hilfe
von drei Fachgebieten entwickelt: Fernerkundung, Bodenkunde
(Brandenburg Technische Universität, BTU Cottbus)
und Hydrologiemodellierung (Ingenieurhydrologie,
GFZ Potsdam). Die Methoden sind in einem Areal der
Niederlausitzer Bergbaufolgelandschaft erprobt worden.
Das Studiengebiet umfasst eine 2002 errichtete Rekultivierungsfläche
im Tagebaugebiet Welzow-Süd. Die Fläche
ist vor anthropogenen Einflüssen weitgehend geschützt
und bietet ideale Voraussetzungen für die Untersuchung
von Bodeneigenschaften und Erosionserscheinungen. Die
Fläche von insgesamt 16 ha weist eine deutliche Neigung
in südlicher Richtung auf. Im Wesentlichen befinden sich
drei verschiedene Substrate in dem Gebiet: Tertiärsand im
Norden (sauer, keine Vegetation), Quartärsand im südlichen
Bereich sowie zwei aufgeschüttete Tonhügel mit
ausgeprägtem Vegetationsbestand. Gerade in den Sanden
ergeben sich durch das Fehlen der Vegetation gute Bedingungen,
um Reflektanzmessungen mit Bodenparametern
in Beziehung zu setzen.
Bei Untersuchungen zur Erosion, einem wichtigen Prozess
bei der Entstehung von degradierten Böden, spielt die
Bodenfeuchte, insbesondere deren räumliche Variabilität
eine entscheidende Rolle. Um die Bodenfeuchte für größere
Einzugsgebiete zu messen, bietet sich die Fernerkundung
als Messverfahren an. Mit Feldspektrometern
wurden ausgewählte Bodenparzellen im Untersuchungs-
Abb. 1.70: Reflektanzspektren einer Tertiärsandprobe von
der Rekultivierungsfläche im Tagebau Welzow-Süd. Die
angegebenen Bodenfeuchtewerte wurden gravimetrisch
bestimmt.
Reflectance spectra of tertiary sand samples of the recultivation
zone in the lignite mine Welzow-Süd. The stated
soil moisture values were determined gravimetrically.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
205

206
Abb. 1.71: Oberflächennahe Bodenfeuchte vom 30.07.2004, ermittelt aus (a)
Hydrologie-Feldmessungen mit FDR-Sonde (Frequenz-Domain-Reflektometrie)
und (b) HyMap-basierter Auswertung auf Grundlage des Ratio-Merkmals
(1288 vs. 1515 nm). Die Regression basiert auf Quartärsand, dessen
Vorkommen durch die gestrichelte Linie markiert ist.
Surface soil moisture from July 30th 2004 determined from (a) Hydrology
field measurements with FDR sensor and (b) HyMap-based ratio calculation
(1288 vs. 1515 nm) based on the regression function for quaternary
sand. The dashed line shows the part of the area being covered with quaternary
sand.
gebiet gemessen und zusätzlich Proben davon aufbereitet
und untersucht. Die gravimetrisch erfassten Bodenfeuchtewerte
wurden anschließend mit den spektralen Eigenschaften
der Reflektanzmessungen verglichen und normiert.
(Abb. 1.70).
In den Sommern 2003 bis 2005 fanden jeweils hyperspektrale
Befliegungen des Testgebiets mit dem HyMap-
Sensor statt. Die aus den Labor- und Feldarbeiten
ermittelten Methoden zur Quantifizierung der Bodenfeuchte
wurden auf die spektrale Auflösung des Sensors
angepasst und erzielten durch Kalibrierung auf
einzelne Substrate gute Ergebnisse. In der Studie konnte
gezeigt werden, dass die Erfassung der Bodenfeuchte
in ariden Gebieten mit optischen spektral hochauflösenden
Fernerkundungsdaten ein großes Potential besitzt
(Abb. 1.71).
Spektrale Überwachung eines semiariden
mediterranen Ökosystems
Der Naturpark Cabo de Gata-Níjar in der
Provinz Almeria in Südost-Spanien ist
Untersuchungsgegenstand des in Kooperation
mit der Universität Almeria
durchgeführten Monitoring-Programms
INCAMAR. Das Gebiet gehört seit 1997
zu den UNESCO-Biosphärenreservaten
und beinhaltet eine hohe Biodiversität.
Viele endemische Tier- und Pflanzenarten
sind von Umweltveränderungen bedroht.
In dem Park werden daher detaillierte
Untersuchungen zur Vegetationsdynamik
und Krustenbildung, sowie zum Wasserzyklus
und zu Erosionsprozessen durchgeführt.
Für das Monitoringprogramm
wurden im Sommer 2003 typische Parzellen
definiert, die verschiedene Stufen
der Bodenentwicklung und der biologischen
Aktivität beinhalten (Abb. 1.72).
Diese werden regelmäßig mit Hilfe von
Feldmessungen und Bildanalysen auf
Veränderungen hin untersucht. Bei der
Ursachenforschung wird im Hinblick auf spektrale Abweichungen
zwischen einjährigen (Trocken- und Regenzeit)
und mehrjährigen Ereignissen unterschieden.
Ein weiteres Ziel der Arbeit ist die Entwicklung von Desertifikations-Indikatoren,
die auf Fernerkundungsdaten basieren
und speziell für trockene Gebiete geeignet sind. So
repräsentiert die aktuelle Vegetationsbedeckung einen der
wichtigsten Parameter zur Bestimmung der Erosion und
Landdegradation. Als Beispiel ist in Abb. 1.73 die Vegetationsbedeckung
für Juli 2003 und Mai 2004 im Landwirtschaftsgebiet
des Parks dargestellt, die mit Hilfe des
NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) berechnet
wurde. Vergleicht man dieses Ergebnis mit Feldbeobachtungen,
so fällt auf, dass der Vegetationsanteil meist
unterschätzt wird. Dies liegt an den spektralen Charakteristika
der mediterranen Vegetation, die sich von heimi-
Abb. 1.72: Links: Parzelle F, ursprüngliches Gebiet, wenig degeneriert, vulkanischer Boden (Foto: Univ. Almeria).
Rechts: Parzelle B, landwirtschaftliches Gebiet, degeneriert, vulkanischer Boden.
Left: Parcel F, natural area, little degraded, volcanic soils. Right: Parcel B, agricultural area, degraded, volcanic soils.
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schen Arten deutlich im Sichtbaren und Nahen Infrarot
Bereich (VNIR) unterscheidet. Deshalb wird derzeit ein
Programm zur automatischen Erkennung und Identifizierung
mediterraner Vegetation entwickelt. Verwendet werden
dazu spektrale Vegetationsmerkmale aus dem Kurzwelligen
Infrarot (SWIR-2) Bereich (2,05 µm bis
2,45 µm), der u. a. durch Absorptionen von Zellulose und
Lignin geprägt ist.
EU Projekt DeSurvey
April 2005 startete das integrierte EU-Projekt DeSurvey
(A Surveillance System for Assessing and Monitoring of
Desertification) mit dem Ziel, ein System zur Bewertung
und Überwachung von Landdegradations- und Desertifikationsprozessen
zu entwickeln. Der Beitrag des GFZ
Potsdam innerhalb des aus 39 internationalen Partnern
bestehenden Konsortiums beinhaltet die Entwicklung und
Anwendung von neuen Methoden zur Quantifizierung
von Bodenparametern aus Hyperspektraldaten, wie z. B.
Bodeneisengehalt und organische Bodensubstanz, die für
die Landdegradation relevant sind. Charakteristische Reflexionsmerkmale
der zu untersuchenden Bodeninhaltsstoffe
werden dazu mit Ergebnissen physikalischer und
chemischer Laboranalysen korreliert. Aus den so gewonnenen
Daten sollen Methoden entwickelt werden, die auch
bei Fernerkundungsdatensätzen unterschiedlicher Bodenauflösung
anwendbar sind.
Abb. 1.74 zeigt die Arbeitsschritte zur Bestimmung des
Bodeneisengehalts und präsentiert das vorläufige und
noch nicht verifizierte Ergebnis für das Untersuchungsgebiet
Cabo de Gata in Südost-Spanien. Als Grundlage
dienten hyperspektrale HyMap-Daten vom 11. 07. 2003,
die hier in Echtfarben dargestellt sind (Abb. 1.74a). Während
der Geländekampagne 2003 wurden von einem Feld
mit ausgeprägtem Wechsel von kalkreichem zu eisenreichem
Boden Proben genommen. Die Probenentnahmepunkte
wurden anhand der GPS-Koordinaten in den Bilddaten
lokalisiert (Abb. 1.74b) und die dazugehörigen Bildspektren
extrahiert. Für die Korrelationsanalyse zwischen
diesen Bildspektren der Punkte A bis H und den Ergebnissen
der Laboranalyse (Abb. 1.74c) wurde die aufge-
spannte Fläche zwischen dem 2. und 14. Spektralband der
HyMap-Daten (Abb. 1.74d) verwendet. Eine konkave
Krümmung der Spektralkurve in diesem Spektralbereich
wird durch die Absorption von Fe 2+ - und Fe 3+ -Ionen hervorgerufen
und korreliert mit dem Eisengehalt im Boden.
Über die so bestimmte Korrelationsgleichung kann für
jedes Bildpixel der Eisengehalt berechnet und graphisch
in Form einer Karte dargestellt werden (Abb. 1.74e). Die
Validation der Ergebnisse ist noch nicht abgeschlossen,
die berechneten Wertebereiche für den Eisengehalt stimmen
jedoch weitgehend mit den Feldbeobachtungen überein.
Im Sommer 2005 fanden erste Feldversuche in drei Testgebieten
in der Nähe von Almeria statt (Abb. 1.75b). Hier
wurden jeweils Bodenreflexionsspektren gemessen, Bodenproben
gesammelt und ein neu entwickeltes Skalierungsexperiment
durchgeführt. In den Untersuchungsgebieten
wurde dazu jeweils ein 1 m x 1 m großes Messfeld
abgesteckt und in vier Messhöhen mit unterschiedlicher
Bodenauflösung gemessen (Abb. 1.75a und c). Da diese
gemessenen Spektren immer eine Mischung der verschiedenen
Bodenmaterialien widerspiegeln, wurden zusätzlich
auch die reinen Materialien unabhängig von einer
vorgegebenen Bodenauflösung gemessen. So können aus
den Mischspektren die Mischungsverhältnisse bestimmt
werden. Die Skalierungsebenen des Experiments sollen
zeigen, ob die entwickelten Modelle zur Bestimmung verschiedener
Bodenparameter bei Fernerkundungsdaten unterschiedlicher
Bodenauflösung anwendbar sind.
Klassifizierung der Fruchtartenverteilung aus Fernerkundungsdaten
Die Landnutzung im Einzugsgebiet eines Gewässers spielt
eine wesentliche Rolle bei der Modellierung der Gewässergüte
in Flusseinzugsgebieten im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie,
insbesondere bei der Erfassung der
chemischen Qualitätsparameter. Im Haveleinzugsgebiet
stammen die wichtigsten diffusen Nährstoffeinträge aus
der Landwirtschaft. Sie nimmt im Gebiet große Flächenanteile
ein. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer
Analyse der Landnutzung in großer räumlicher Differen-
Abb. 1.73: Photosynthetisch aktive Vegetationsbedeckung berechnet auf Basis des NDVI (Normalised Difference Vegetation
Index) aus hyperspektralen HyMap-Daten.
Photosynthetic vegetation cover determined on the basis of NDVI from hyperspectral HyMap data.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
207

208
Abb. 1.74: Bestimmung des Bodeneisengehalts; a) Untersuchungsgebiete in Cabo de Gata-Nijar Naturpark (HyMap
Daten vom 11.07.2003, Echtfarbendarstellung), b) Bodenprobenentnahmepunkte, c) Laboranalyse der Bodenproben,
d) Spektren der Bodenproben A und G mit gekennzeichnetem Flächenmerkmal (pos. und neg.), das für die Korrelation
genutzt wird, e) vorläufige Bodeneisenkarte.
Determination of the soil iron content: a) Test site in Cabo de Gata-Nijar Natural Parc (HyMap data from 11.07.2003,
real color composite), b) soil sampling points, c) Laboratory analysis of the soil samples, d) Spectra of soil sample A
and G with indicated area feature (pos. and neg.) that is used for the correlation, e) preliminary soil iron map.
ziertheit und hoher zeitlicher Auflösung. Die Fernerkundung
hat mit der wiederholten zeitlichen Abbildung großer
Landschaftsausschnitte in hoher räumlicher Auflösung
beträchtliche Potentiale zur Lösung dieser Aufgabe.
Jede Verwendung von Fernerkundungsdaten und der Einsatz
von Fernerkundungsmethoden ist an einen bestimmten
Arbeitsalgorithmus geknüpft. Dabei spielt das Erstellen
einer Klassifikationsvorschrift zur Bildclusterung eine
zentrale Rolle. In der Regel ist diese gegenwärtig nicht
nur an einen Klassifizierungsalgorithmus gebunden, sondern
in hohem Maß auch an den verwendeten Datensatz.
Die Übertragung eines einmal erstellten Klassifikators auf
andere Datensätze scheitert fast immer an der Charakteristik
der ursprünglich verwendeten Daten. Bei Fruchtartenklassifikationen
in der Landwirtschaft ist das entscheidende
Hindernis die ungenügende Objektivität der
Klassen bezüglich des phänologischen Zustands der in den
verwendeten Aufnahmen abgebildeten Pflanzenbestände.
Während dieser Effekt in kleinräumigen Betrachtungen
keine Rolle spielt (Witterung) oder durch die Verwendung
von mehreren Beispielsflächen unterschiedlicher Bodenausstattung
ausgeglichen wird, führt die von veränderten
Boden- und Witterungsbedingungen modifizierte spektrale
Charakteristik der Kultur in anderen Anbaugebieten
als dem Erstellungsraum zu Fehlklassifizierungen.
Dieses Problem stellt den Ansatzpunkt für die jetzt entwickelte
Methode dar. Es wurde mit multitemporalen Daten
ein universeller, übertragungsfähiger Klassifikator erstellt,
der den Monitoringcharakter des multitemporalen Ansatzes
verstärken wird. Grundidee für diesen Klassifikator ist
die Erstellung spektraler Normkurven der Pflanzenentwicklung
von Kulturen (Abb. 1.76). Steht eine große
Anzahl von Satellitenszenen zur Verfügung, die das gleiche
Gebiet über einen langen Zeitraum zu verschiedenen
Phasen der phänologischen Entwicklung abbildet, erlaubt
dies anhand der Anbauinformation von Beispielbetrieben
die Analyse des Spektralverhaltens von Ackerkulturen in
jedem phänologischen Zustand. Die so gewonnenen
Wachstumskurven verknüpfen jeden phänologischen
Zustand im Lauf des Wachstums- und Reifeprozesses mit
der für diesen Zustand typischen Spektralinformation. Sie
erlauben eine Klassifikation von Ackerkulturen unabhängig
von der sonst üblichen Abgrenzung von Beispielsflächen
im zu klassifizierenden Satellitenbild.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 1.75: Skalierungsexperiment: a) schematische Skizze des Experiments, b) Lage der drei Untersuchungsgebiete in
der Umgebung von Almeria, c) El Cautivo: Zur Messung der Spektren aus 2,50 m Höhe wurde eine Leiter genutzt
(~ 100 cm Bodenauflösung GSD, Foto: GFZ).
Upscaling experiment: a) schematic scheme of the experiment, b) location of the three investigation area in vicinity of
Almeria, c) a ladder is used to acquire spectra from 2.5 m height (~ 100 cm GSD).
Routinemäßig werden Fernerkundungsdaten hinsichtlich
ihrer spektralen, radiometrischen und geometrischen Auflösung
korrigiert. Die das eigentliche Potential der Daten
bestimmende zeitliche Auflösung bleibt jedoch in der
Regel unbeachtet. Witterungsbedingte Bewertungen werden
meist in die Interpretation verlagert. Dieses Manko
wird in dem hier entwickelten Ansatz behoben und witterungsspezifische
Korrekturen in die Datenaufbereitung
integriert. Schon vor der Klassifizierung muss der eigentliche
Aufnahmezeitpunkt der zu klassifizierenden Daten
– unter Hinzuziehung agrarmeteorologischer Informatio-
nen sowie von Kenntnissen über die Abläufe der Normjahre
der Phänologie für die einzelnen Kulturen – in das
jeweils kulturspezifische phänologische Normjahr eingepasst
werden. Aus den Normkurven der Kulturen werden
die dem abgebildeten phänologischen Zustand entsprechenden
Spektraleigenschaften der Kultur entnommen
und damit ohne Hinzuziehung von zusätzlichen Testflächen
aus dem Bild die Anbausituation klassifiziert.
Ein Beispiel für die auf diesem Weg erreichte Zuordnungsgenauigkeit
der Früchte im Vergleich zu den tatsächlich
angebauten zeigt die Abb. 1.77
für 1995. In diesem Jahr stehen vier Aufnahmetermine
zur Klassifizierung zur
Verfügung, die auch in ihrer zeitlichen
Abb. 1.76: Aus Anbauinformationen von
Beispielbetrieben und Satellitendaten
gewonnene Spektralinformation für Winterweizen
und daraus abgeleitete Normkurve
der phänologischen Entwicklung
der Kultur.
Spectral information of winter wheat,
acquired from satellite images based on
cultivation information of typical agrarian
companies, and standard curve of phenological
development of this crop type.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
209

210
Abb. 1.77: Vergleich der Klassenzuweisung und der Anbaudaten für die Ackerflächen der Agrargenossenschaft Hohennauen
im Jahr 1995.
Comparison of classification result and cultivation information of agrarian company Hohennauen in 1995.
Verteilung günstig liegen. Deshalb entsprechen fast alle
Flächen in ihrer Zuordnung der Realität. Die Anzahl der
Szenen pro Jahr für den auszuwertenden Zeitraum von
1994 bis 2000 schwankt allerdings zwischen zwei (1998)
und fünf (1996). Es sind also oft zu wenige und in Bezug
auf die Aufnahmezeitpunkte oftmals Szenen mit redundanter
Information. Demzufolge müssen die Ergebniserwartungen
für die einzelnen Jahre unterschiedlich ausfallen.
Die Trennung in Dauer-, Winter- und Sommerkulturen
führt meist zu guten Ergebnissen, lediglich Zwischenfrüchte
erzeugen Fehlzuweisungen. Fehler treten auch bei
der Trennung von einigen Winter- und Sommerkulturen
untereinander auf. Die Ähnlichkeit der je nach Bildkombination
im Jahr nutzbaren Spektralinformation lässt sich
als Problem an der Trennbarkeit von Zuckerrüben, Mais
und Kartoffeln erkennen. Um diese Trennung zu erreichen,
wäre ein Bild von Ende September notwendig, wenn
der Erntebeginn die bis dahin gleiche Entwicklung der drei
Kulturen beendet. Diese notwendige Bedingung wird in
den meisten betrachteten Jahren nicht erfüllt. Für Winterfrüchte
treten ähnliche Probleme in anderen Jahren auf,
insbesondere in Jahren, in denen Trockenheit im Mai und
Juni zu einer vorschnellen Abreifung des Wintergetreides
auf sandigen Böden führt.
Das Verfahren stellt einen wesentlichen Fortschritt zum
bisherigen Vorgehen auf Trainingsflächenbasis dar. Es ist
zumindest im Havelgebiet immer wieder ohne weitere
Kenntnis von Anbauinformationen anwendbar, lediglich
die exakte phänologische Datierung der dann verwendeten
Aufnahmen ist erforderlich. Gegenüber der normalerweise
in die Modellierungen eingehenden Zufallsverteilung
von Kulturen oder Gleichbesetzung aller Flächen
mit einer Kultur erlaubt die im Ergebnis dieser Klassifizierung
entstehende realitätsnahe Raum- und Zeitverteilung
der Kulturen eine erheblich exaktere Bilanzierung
von Stoffströmen. Für andere Gebiete mit abweichenden
Niederschlags- und Bodenbedingungen ist die Anpassung
der phänologischen Datierung der Kurven erforderlich,
wobei die Kurvenform weiter verwendbar sein sollte.
Die Einbeziehung von Fuzzyinformationen wie den
Zusammenhang von Bodengüte und Frucht (Anbaueignung
eines Bodens für eine Frucht), die Wasserverfügbarkeit
am Standort (in Abhängigkeit von Speicherver-
mögen des Bodens, Grundwasseranschluss und Niederschlag)
und die Summe der Niederschläge bis zum Aufnahmezeitpunkt
(Trockenheitsindikator) in die Klassifizierung
erscheint sinnvoll. Als optimal zur Trennung
aller Kulturen hat sich im Ergebnis der Untersuchungen
die Bildkombination „Anfang/Mitte April – Mitte
Mai – Anfang Juli – Mitte August – Mitte September“
erwiesen.
Urbane Räume
Die Berücksichtigung ökologischer Belange bei stadtplanerischen
Bauvorhaben und Planungen gewinnt zunehmend
an Bedeutung. Das Erfassen der dazu notwendigen
aktuellen Datengrundlagen ist mit einem hohen Zeit- und
Kostenaufwand verbunden. Daher nimmt die Entwicklung
neuer automatischer Erfassungsmethoden einen
hohen Stellenwert ein. Am GFZ Potsdam werden derzeit
Konzepte zur Nutzung hyperspektraler Flugzeugscannerdaten
für die Modellierung städtischer Biotope entwickelt,
mit dem Ziel, flächendeckend und automatisch die Art und
Verteilung sowie den Zustand städtischer Biotope in verschiedenen
Testgebieten (Dresden, Potsdam und Berlin)
zu erfassen und quantitativ zu beschreiben. Da Biotope
eine definierte Mischung aus unterschiedlichen Einzelelementen,
wie Häuser, Parks und Straßen darstellen, ist
die materialspezifische Identifikation von städtischen
Oberflächenmaterialien eine wesentliche Voraussetzung.
Die Materialdiagnostik ist auf Basis der Hyperspektraltechnik
möglich. Die Ergebnisse wurden bereits in einem
vorangegangenen Zweijahresbericht vorgestellt und diskutiert.
Die Materialdiagnostik stellt den arbeits- und zeitintensivsten
Teil der Prozessierungskette dar. Dazu müssen alle
spektralen Varianten der im Bild vorkommenden Materialien
(Endmember) definiert werden. Problematisch
erweist sich hierbei, dass in urbanen Gebieten aufgrund
von Alterungsprozessen, unterschiedlichen Dachformen
und Beleuchtungsverhältnissen eine sehr hohe Anzahl an
spektralen Variationen existiert. Abb. 1.78 zeigt einige
Variationen für das Material Dachziegel. Dennoch wurde
der Versuch unternommen, diesen Prozessierungsschritt
weitgehend zu automatisieren.
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Abb. 1.78: Spektrale Varianten von Dachziegeln bedingt
durch Alter und Beleuchtung.
Spectral variations of tiles due to illumination and age.
Grundlage bilden Hyperspektraldaten des flugzeuggetragenen
HyMap-Sensors. Auf der Basis von sechs unterschiedlichen
Bildszenen wurden mehrere zehntausend
Beispielspektren gewonnen, die einen repräsentativen
Querschnitt der spektralen Variationen von 43 verschiedenen
urbanen Oberflächenmaterialien darstellen. Zur
Identifizierung ist es zunächst notwenig, repräsentative
Merkmale für die einzelnen Materialklassen zu definieren.
Da dies von Hand kaum noch zu bewerkstelligen ist,
werden die Spektren einer neu entwickelten computergestützten
Analyse unterzogen. Dazu werden für jedes Einzelspektrum
etwa 130.000 Merkmale (Formparameter)
bestimmt, die eventuell zur Differenzierung der Klassen
sinnvoll sind. Jedes Merkmal wird anschließend einzeln
bewertet in wie weit es zwei Klassen trennt, wobei die
besten zehn pro Merkmalstyp vermerkt werden. Gesucht
Abb. 1.79: HyMap-Bildszene (Dresden) und automatisch identifizierte Dachmaterialien.
HyMap image (Dresden) and automatically identified roof materials.
werden jedoch die Merkmale, die eine optimale Trennung
aller Materialien erlauben. Dazu werden in einer abschließenden
Optimierung die 1.000 besten Merkmale bestimmt.
Mit Hilfe eines ebenfalls neu entwickelten Klassifizierungssystems,
dass die Verwendung einer unbegrenzten
Merkmalsanzahl erlaubt, werden die verschiedenen Materialien
in einem Bild identifiziert. Da Mischpixel eine
spektrale Verwechslung durchaus noch möglich machen,
werden die identifizierten Objekte einer räumlichen
Formbewertung unterzogen.
Abb. 1.79 zeigt das Ergebnis der automatischen Identifizierung
verschiedener Dachmaterialien am Beispiel der
Stadt Dresden. Eine abschließende spektrale Clusteranalyse
der extrahierten Objektpixel liefert letztendlich die
für die weitere Datenprozessierung notwendigen repräsentativen
Endmember in Form der Clusterschwerpunkte.
Mit diesem neuen Ansatz lassen sich nach ersten Tests
mehr als 80 % der im Bild vorkommenden bedeutenden
Endmember automatisch bestimmen. Mit dem Einsatz
von Thermaldaten (ARES-Sensor) und der Integration von
3D-Stadtmodellen sollen die Ergebnisse in Zukunft weiter
verbessert werden.
EnMAP – Environmental Monitoring and Analysis Program
Der technische Fortschritt gestattet es heute, optische
Satelliten mit einer großen Anzahl von Spektralkanälen
zu realisieren. Diese so genannten „Hyperspektralsensoren“
stehen für eine neue Ära in der satellitengestützten
Erdbeobachtung und liefern ortsaufgelöste Signaturen der
Erdoberfläche vom sichtbaren bis zum infraroten Spektralbereich.
So lassen sich bisher unzugängliche Ökosys-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
211

212
temparameter und biophysikalische, biochemische und
geochemische Variablen regelmäßig und mit hoher Genauigkeit
bestimmen. Aufbauend auf diesen Datensätzen werden
qualitativ hochwertige Datenprodukte zur Erstellung
verbesserter Modelle und zum erweiterten Verständnis
weltweiter biosphärischer und geosphärischer Prozesse
gewonnen und in operativen Dienstleistungen angeboten.
2003 erging vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) der Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen
für eine nationale Satellitenmission in der Erderkundung.
Von den neun eingereichten Missionsvorschlägen wurden
der Hyperspektralsatellit EnMAP (Environmental Map-
Abb. 1.80: Der Hyperspektralsatellit EnMAP (Quelle:
Kayser-Threde GmbH).
Hyperspectral Imager EnMAP – Environmental Mapping
and Analysis Program.
ping and Analysis Program, Abb. 1.80) und das SAR-Interferometer
TanDEM-X (TerraSAR Add-on for Digital Elevation
Measurements) ausgewählt. Unter der wissenschaftlichen
Leitung des GFZ Potsdam, mit Unterstützung
der industriellen Partner Kayser-Threde, der GAF AG und
VISTA, wurde eine Machbarkeitsstudie (Phase A) für
EnMAP durchgeführt, deren Ergebnisse international evaluiert
worden sind. In Kürze soll nun entschieden werden,
welche nationale Erdbeobachtungsmission nach Terra-
SAR-X ausgewählt wird.
Die definierten Sensorparameter, insbesondere die spektrale
Auslegung, basieren auf den Anforderungen verschiedener
Nutzergruppen. Sie sind durch eine Reihe aufwändiger
Simulationsrechnungen ermittelt worden, mit
dem Ziel, die Leistungsfähigkeit des Systems bzw. die
gegenseitig abhängigen Sensorparameter im Rahmen der
technischen Machbarkeit zu optimieren. Dazu wurde ein
Simulationswerkzeug geschaffen, mit dessen Hilfe verschiedene
Sensoreinstellungen anwendungsorientiert analysiert
und bewertet werden können.
In einem ersten Schritt wurden dazu Feldspektren mit
Hilfe eines Atmosphärenmodells in Strahldichtewerte
transformiert. Als Eingabe dienten verschiedene Gasparameter
sowie die Koordinaten des Sensors im Verhältnis
zur Erdoberfläche. Anschließend wurden die Spektren mit
sensorspezifischen Responsefunktionen gefiltert, wobei
Position und Breite der Spektralbänder variierten. Die
Abb. 1.81: Vergleich des Informationsgewinns bei kontinuierlich spektraler Aufzeichnung (hyperspektral) gegenüber
der Datenaufzeichnung mit wenigen spektralen Bändern (multispektral).
Comparison of information return using contiguous bands (hyperspectral) versus the detection based on few distinct
bands (multispectral).
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endgültigen Simulationsspektren ergaben sich nach einer
weiteren Faltung mit unterschiedlichen, vordefinierten
Signal-Rauschverhältnissen (SNR). Zur optimalen Auslegung
der Detektoren wurden dabei Spektren von Mineralen,
die typischerweise auf der Erdoberfläche auftreten,
wie auch Spektren von Pigmenten und Wasserinhaltsstoffen
verwendet und deren Trennbarkeit über einen automatischen
Klassifizierungsansatz ermittelt.
Die Parameter von EnMAP sind so ausgelegt, dass die von
der Erdoberfläche reflektierte Strahlung vom Sichtbaren
bis Kurzwelligen Infrarot (420 nm bis 2.450 nm) mit einer
spektralen Auflösung von 10 nm und einem hohem Signal/Rausch-Verhältnis
in über 200 Spektralkanälen aufgezeichnet
wird (Abb. 1.81). Bei einer Bodenauflösung
von 30 m x 30 m Pixelgröße wird die Streifenbreite eines
Bildes 30 km betragen. Der Bordspeicher des Instruments
erlaubt die kontinuierliche Aufnahme von 1.000 km Bildlänge
und die Aufzeichnung von 5.000 km/Tag. Durch die
seitliche Schwenkbarkeit des Satelliten von ±30° kann
jedes Bodenelement im Rhythmus von vier Tagen abgetastet
werden. Damit wird EnMAP der erste Satellitensensor
sein, der global diagnostische Daten für unterschiedliche
Bereiche wie die Geosphäre (Abb. 1.82) und
die Biosphäre zur Verfügung stellt.
Abb. 1.82: Mineralidentifikation und Kartierung direkt
aus Hyperspektraldaten.
Mineral identification and mapping based on hyperspectral
data.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
213

214
GFZ-Wissenschaftlerin vor dem Seismogramm des Nias-Bebens vom 29. März 2005. Mit einer Magnitude von M W = 8,7
war es das bisher schwerste Folgebeben des Sumatra-Tsunamibebens vom Dezember 2004 (Foto: Matzerath, ddp).
GFZ scientist explaining the seismogram of the Nias earthquake of March 29, 2005. With a magnitude of M W = 8.7,
this was the strongest follow-up event of the Sumatra tsunami quake of December 2004.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Department 2
Physik der Erde
Die Brennpunkte der Forschungsarbeiten im Department 2
„Physik der Erde“ sind geodynamische Prozesse und ihre
Bedeutung für die Entwicklung des Systems Erde. Zu diesen
Prozessen gehören u. a. die Entstehung von aktiven
und passiven Kontinentalrändern, die Bildung großer
Scherzonen, Mantel-Plumes, Hotspot-Aktivitäten und Vulkanismus,
Gebirgsbildung und Erdbeben sowie Veränderungen
im Magnetfeld der Erde. In enger Verbindung mit
anderen Disziplinen entwickelt und setzt das Department 2
geophysikalische Methoden ein, um einerseits solche Prozesse
hochauflösend abzubilden, andererseits ihre Einwirkungen
auf den menschlichen Lebensraum im Hinblick
auf deren wachsende Vulnerabilität zu analysieren.
Da geodynamische Prozesse nicht isoliert existieren, sondern
in enger Wechselwirkung mit anderen Prozessen stehen,
z. T. im Erdinneren, im Ozean, in der Atmosphäre, in
der Ionosphäre und/oder auch im anthropogenen Bereich,
ist deren integrative Bearbeitung mit intensiver Kooperation
über die Sektionsgrenzen hinweg eine zentrale Aufgabe.
Das Department hat daher seit vielen Jahren an großen
interdisziplinären Gemeinschaftsprojekten teil. Zu
diesen gehört u. a. das Department übergreifende Satellitenprojekt
CHAMP, in dem die Sektion 2.3 für die Messung
des Magnetfeldes und dessen Modellierung verantwortlich
ist, das vom GFZ Potsdam geleitete und 2004
abgeschlossene Projekt „Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen“
(DFNK) und das im September 2002
gemeinsam vom GFZ Potsdam und der Universität Karlsruhe
eingerichtete „Center for Disaster Management and
Risk Reduction Technology“ (CEDIM), in dem sechs Sektionen
des GeoForschungsZentrums gemeinsam das Ziel
verfolgen, Risiken durch Naturgefahren und vom Menschen
verursachte Gefahren besser zu verstehen, sie früher
zu erkennen und die Folgen von Katastrophen besser
zu beherrschen.
Ereignisse wie die Tsunami-Katastrophe vom Dezember
2004 im Indischen Ozean, der Hurrikan Katrina oder
das Erdbeben in Pakistan/Indien 2005 haben erneut vor
Augen geführt, dass die Begrenzung und Reduzierung von
Naturrisiken zu den großen gesellschaftlichen Herausforderungen
unserer Zeit gehören. Im Falle der Tsunami-
Katastrophe haben das GFZ Potsdam und ein Konsortium
weiterer deutscher Forschungseinrichtungen sehr schnell
reagiert und bereits Anfang Januar 2005 der Bundesregierung
ein Konzept zum Aufbau eines Frühwarnsystems
vorgelegt. Ziel ist die Implementierung eines wirksamen
Tsunami-Frühwarnsystems für den Indischen Ozean, das
später auf den Mittelmeerraum und den Atlantik ausgedehnt
werden kann. Das Tsunami-Frühwarnsystem ist Teil
eines Early-Warning-Systems, das auch andere Naturkatastrophen
wie z. B. Erdbeben und Vulkanausbrüche erfassen
soll.
Auch der inzwischen abgeschlossene SFB Anden gehört
zu den großen Gemeinschaftsprojekten, an denen das
Department maßgeblich beteiligt war. Hier stand eine
prominente Subduktion ozeanischer unter kontinentaler
Lithosphäre auf dem Prüfstein. Dem Department 2 ist es
in diesem Rahmen u. a. gelungen, die Kombination aktiver
Seismik mit passiver Seismik und Magnetotellurik zu
einem Instrument der hochauflösenden Tiefensondierung
zu entwickeln, das wegen seiner Effektivität in Zukunft
mehr und mehr eingesetzt werden wird. Die besondere
Effektivität dieses Instruments leitet sich ab aus dem
Zusammenwirken neuer hochauflösender seismischer
Verfahren mit der in der Sektion 2.4 weiterentwickelten
„Receiver-Function“-Methode und einem Sondierungsverfahren,
das zur Seismik komplementäre Informationen
liefert, nämlich die elektrische Leitfähigkeit.
Die Sektionen
Zentrales Anliegen der Sektion 2.1 ist es, die im Zusammenhang
mit Erdbeben- und Vulkankatastrophen stehenden
Wirkungsketten vom jeweiligen Extremereignis bis
hin zur Wirkung auf den Menschen und seine Infrastruktur
umfassend zu analysieren und daraus verbesserte Möglichkeiten
der Katastrophenminderung abzuleiten. Gemeinsam
mit der Sektion 1.4 wurde beispielsweise nach
dem verheerenden Erdbeben vom 26.12.2003 in Bam, im
Südosten Irans, mit der D-InSAR-Messtechnik (Differential-Interferometric-Synthetic-Aperture-Radar)
und der
kontinuierlichen GPS-Messtechnik (Global Positioning
System) die durch das Erdbeben verursachte Krustendeformation
im Detail analysiert. Daraus abgeleitete Bodenverschiebungsdaten
konnten wichtige Information über
die Herdparameter des Bebens liefern.
Forschungsschwerpunkte in der Sektion 2.2 sind das Studium
tektonischer und geodynamischer Prozesse mit seismischen/seismologischen
Methoden sowie deren integrative
Interpretation und Modellierung. Ein wichtiger Aspekt
ist hierbei, durch ein entsprechendes Experiment-Design
Strukturen und Prozesse von plattentektonischen Skalenlängen
bis in den Zehner-Meterbereich aufzulösen. Dabei
stehen Prozesse an aktiven und passiven Plattengrenzen,
große Scherzonen, sowie Plumes und Hotspots im Vordergrund.
Die Arbeiten in der Sektion 2.3 sind auf zwei Ziele ausgerichtet:
(1) auf geologisch orientierte methodische Entwicklungen
zur Abbildung von vertikalen Scherzonen der
Lithosphäre. Hierbei kommt es vor allem auf die Bestimmung
der Tiefenerstreckung, der Geometrie und der „Füllung“
dieser Scherzonen an. Als Methode wird in diesem
Zusammenhang die elektromagnetische Tiefensondierung
weiterentwickelt und (2) auf das Magnetfeld der
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
215

216
Erde, seine räumliche und zeitliche Änderung, seine Aufteilung
in das Haupt- oder Kernfeld, das Krustenfeld und
seine externen Anteile aus der Ionosphäre und Magnetosphäre.
Dies sind Forschungsgegenstände sowohl der geomagnetischen
Observatorien Niemegk und Wingst als
auch der kontinuierlichen Messungen des GFZ-Satelliten
CHAMP.
In der Sektion 2.4 werden aus Erdbebenregistrierungen
Informationen über den Erdbebenherd und Strukturen im
Erdinneren erhalten. Dazu werden ein globales Netz moderner
Erdbebenstationen (GEOFON) betrieben und zusätzlich
temporäre passive (d. h. natürliche Erdbeben aufzeichnende)
Experimente mit den Stationen des GFZ
Gerätepools durchgeführt. Im Datenarchiv von GEOFON
stehen alle Originaldaten der permanenten Stationen im
Internet zur Verfügung. Ebenso werden die Originaldaten
der temporären Experimente im Internet
nach der Auswertung der Öffentlichkeit
angeboten.
Ein allen Sektionen des Departments gemeinsames
Ziel ist es, den Erdbeben-
Deformationsprozess im Detail zu untersuchen.
Thematisch stehen dabei die geophysikalische
Abbildung von Scherzonen,
detaillierte Untersuchungen des Erdbeben-Herdvorgangs
sowie die Mechanismen
und Auswirkungen des Spannungstransfers
in der Lithosphäre im
Vordergrund.
Task Force für Erdbeben
Am frühen Morgen des 05.12.2004 gegen
2:52 Uhr Ortszeit erschütterte ein Erdbeben
der Stärke M L = 5,4 Baden-Württemberg,
das Elsass und die Nordschweiz.
Der Landeserdbebendienst Baden-Württemberg
(LED) am Landesamt für Geologie,
Rohstoffe und Bergbau Baden-
Württemberg (LGRB) ermittelte das
Hypozentrum bei Waldkirch (48° 05´ N,
8° 02' E) in einer Teufe von ca. 10 km
(Abb. 2.1). Menschen kamen nicht zu
Schaden, Gebäudeschäden waren nach
Brüstle (pers. Mitt. 2005) wegen der vorwiegend
festen geologischen Untergrundbedingungen
(Granite, Gneise, Buntsandstein),
der gediegenen Bauweise im
Schwarzwald (Abb. 2.2) und des hochfrequenten
Charakters des Bebens meist
nur gering. Es war das stärkste Beben in
Baden-Württemberg seit dem 80 km entfernten
Albstadt-Erdbeben (M L = 5,7) auf
der Schwäbischen Alb am 03. 09. 1978
(Scherbaum & Stoll, 1983).
Als Herdmechanismus ergibt sich nach
Stammler & Klinge (2006) eine Blattverschiebung
mit schwachem Abschiebungs-
anteil. Ob die Elztalstörung oder eine etwa senkrecht dazu
verlaufende Querstörung (Franzke et al., 2003) das Beben
verursachte, wird sich nach der weitergehenden Analyse
der Nachbeben erweisen.
Entsprechend einer vertraglichen Regelung zwischen dem
GFZ Potsdam und dem LGRB wurde unmittelbar nach
dem Beben das seismische Stationsnetz des LED durch
12 kurzperiodische Stationen der Deutschen Task Force
(TF) für Erdbeben im Zeitraum vom 06.12.2004 bis
14.01.2005 lokal verdichtet. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften
und Rohstoffe ergänzte dieses Netz durch
zwei Breitbandstationen (Abb. 2.3) im gleichen Zeitraum.
Die von der TF registrierten Daten wurden dem LED zur
Auswertung zur Verfügung gestellt. Insgesamt sind viele
hundert Nachbeben registriert worden, davon sind 160
seismologisch auswertbar (M L > 0,5). Für spezielle Ana-
Abb. 2.1: Tektonische Karte, abgeleitet aus Fernerkundungsdaten mit dem
Beben vom 5. Dezember 2004. Die Herdflächenlösung von Stammler & Klinge
(2006) zeigt eine Blattverschiebung als Herdmechanismus.
Tectonic map derived from optical remote sensing data, the epicentre of the
2004 Waldkirch-earthquake. The fault-plane solution given by Stammler &
Klinge (2006) shows that the focal mechanism is of strike-slip type.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.2: Temporäre Station Disselhof in einem typischen Bauernhof im
Schwarzwald (Foto: GFZ Grosser).
Temporary station Disselhof, a typical farm house in the Black Forest region.
lysen im Rahmen einer Diplomarbeit zum Waldkirch-
Beben und seinen Nachbeben sind 80 Ereignisse ausgewählt
worden (Brüstle, pers. Mitt. 2006). Ein Teil des
Datensatzes ging an das Geophysikalische Institut der
Universität Stuttgart und dient nach Joswig (pers. Mitt.
2005) zum Test von Verfahren und Programmen zur Ereignisidentifikation.
Zeitabhängige Krustendeformation nach starken
Erdbeben
Während der letzten Jahre hat die Modellierungsgruppe
der Sektion 2.1 einen neuen Ansatz zur numerischen
Bearbeitung von ko- und postseismischer Deformation
entwickelt. Wang (1999) stellte die grundlegenden Strukturen
der Methodik zu stabiler und effizienter
numerischer Verarbeitung der
Greenschen Funktionen im mehrschichtigen
Halbraum dar. Wangs Ansatz ist
später zur Lösung elastischer (Wang et
al., 2003), poroelastischer (Wang and
Kümpel, 2003) und viskoelastischer
(Wang et al., 2006) Probleme verwendet
worden. Außerdem wurde in zwei jüngeren
Veröffentlichungen (Wang, 2005a,
2005b) ein neuer konsistenter Ansatz
Abb. 2.3: Lokales seismisches Netz zur
Registrierung der Nachbeben des Waldkirch-Erdbebens
installiert vom GeoForschungsZentrum
Potsdam, dem Landesamt
für Geologie, Rohstoffe und Bergbau
Baden-Württemberg und der Bundesanstalt
für Geowissenschaften und Rohstoffe
Hannover.
Local seismic network for the registration
of the aftershocks of the Waldkirch-earthquake.
It was installed by the GeoForschungsZentrum
Potsdam, the Landesamt
für Geologie, Rohstoffe und Bergbau
Baden-Württemberg, and the Federal
Institute for Geosciences and Natural
Resources in Hannover.
vorgestellt, der gravitative Effekte mit
der Approximation einer flachen Erde
einbezieht.
Den Programmen zur Kalkulation koseismischer
Deformationen einer mehrschichtigen
elastischen Kruste EDGRN/
EDCMP, veröffentlicht im Jahr 2003 und
innerhalb der internationalen wissenschaftlichen
Gemeinschaft breit genutzt
(z. B. Fialko et al., 2005; Hearn & Bürgmann,
2005), folgte PSGRN/PSCMP
(Wang et al., 2006), ein sehr leistungsfähiges
Werkzeug zur Kalkulation ko- und
postseismischer Deformation in einem
mehrschichtigen viskoelastisch-gravitativen
Halbraum. Es bietet eine Kombination
von Schnelligkeit, Genauigkeit und
Flexibilität, die von kaum einem anderen Programm
erreicht wird.
In mehreren Projekten wurden die neu entwickelten Programme
auf Deformationsdaten angewandt. Eine Studie
untersucht die Evolution des Coulomb-Spannungsfeldes
entlang der Nordanatolischen Verwerfungszone (NAV).
Dazu wurden die Effekte von zehn Erdbeben mit einer
Magnitude Ms > 6,5, die dort im Zeitraum von 1939 bis
heute stattfanden (Lorenzo-Martín et al., 2006b) betrachtet.
Die Auslösung dieser Ereignisse durch Spannungsübertragung
wurden mit einem optimierten Verfahren
geprüft: Es wurde eine Erdbebenserie (kumulative Triggerung)
anstelle von einzelnen Ereignispaaren betrachtet,
ein horizontal geschichtetes Medium benutzt und vor
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
217

218
allem die zeitabhängigen Effekte viskoelastischer Spannungsumlagerung
mit einbezogen. Die gegenwärtige
Situation ist in Abb. 2.4a dargestellt. Der größte Teil der
Region weist hohe Spannungswerte auf. Die lokale Seismizität
(M > 2) zwischen 0 und 17 km Tiefe (KOERI,
2005) entspricht in großen Bereichen der berechneten
Coulomb-Spannungsänderung, d. h. die hohe Aktivität
korreliert mit Gebieten hoher Spannung (0,3 MPa) westlich
des 1999er-I . zmit-Bruchs und ist im allgemeinen größer
in Gebieten mit Spannungen > 0,1 MPa. Der Effekt
regionaler tektonischer Spannungen (Abb. 2.4b, für zehn
Jahre) ist gering gegenüber dem Effekt von Spannungsänderungen
durch postseismische Spannungsumlagerung.
(Abb. 2.4c und d). Unsere Ergebnisse demonstrieren,
dass die gegenwärtige Spannungsverteilung in der
Marmara-Region nicht durch tektonische Aufladung, sondern
durch viskoelastische Spannungsumlagerung dominiert
wird.
Die Möglichkeit der Triggerung des Düzce- durch das
I . zmit-Beben durch Spannungsumlagerung wurde ebenfalls
untersucht. Im Allgemeinen wird eine positive Coulomb-Spannung
als Kriterium zur Auslösung angesehen.
Da die Herdflächenlösungen beider Ereignisse sehr ver-
schieden sind, wurde eine 3D-Analyse der Spannungsverhältnisse
auf der Bruchfläche des Düzce-Bebens erstellt.
Dazu wurden die Herdparameter des I . zmit-Bebens variiert:
die räumliche Lage um ±5 km, der Herdmechanismus
um ±10°. Es zeigte sich, dass die Größe des Bereichs positiver
Coulomb-Spannung nur in etwa 50 % der 729 Modelle
einen nennenswerten Anteil der Bruchfläche erfasst.
Das heißt, dass zum einen unter diesen komplizierten Verhältnissen
eine 3D-Analyse mit der Tensor-Transformation
der Spannungen unerlässlich ist, dass zum anderen
die Auslösung des Düzce-Bebens durch das Izmit-Beben
nicht sicher ist und dass im Umkehrschluss eine solche
Analyse genutzt werden kann, um die Herdparameter
eines Bebens stärker einzugrenzen.
Erdbebengefährdung in Städten
Die Abschätzung der möglichen Bodenbewegung im Falle
eines Erdbebens ist besonders für dicht besiedelte Gegenden
(Megastädte) von enormer Wichtigkeit. Dabei hängt
die maximal zu erwartende Bodenbewegung nicht nur von
der Stärke des Bebens, sondern auch von den Untergrundbedingungen
entlang des Laufwegs der Erdbebenwellen
ab. Besonders aufmerksam sollten die Untergrund-
Abb. 2.4: Änderung der Coulombspannung in 10 km Tiefe auf optimal orientierten Verwerfungsflächen (Farbskala, 10 MPa
uni-axiale Kompression, N120° E orientiertes regionales Spannungsfeld) und auf gegebenen Verwerfungen (gefüllte Kreise).
Das gesamte Spannungsfeld ist in (a) dargestellt; (b) zeigt die Änderung der Coulombspannung durch stetige zehnjährige
tektonische Aufladung; (c) und (d) zeigen den kumulativen Effekt viscoelastischer Spannungsumlagerung gegenwärtig
und im Jahr 2010. Das westliche Ende der 1999 I . zmit Erdbeben wird durch eine Doppellinie dargestellt. Kleine
Kreise in (a) stellen die lokale M > 2 Seismizität von 2000 bis 2004 zwischen 0 und 17 km Tiefe dar. Grüne Vierecke zeigen
die seismische Stationen des Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute (KOERI).
Coulomb stress change at 10 km depth on optimally oriented fault planes (colour field, 10 MPa uniaxial compression,
N120° E oriented regional stress field), and on given faults (filled circles). The total stress field is displayed in (a); (b)
shows the change in Coulomb stresses due to 10 years of steady tectonic loading; (c) and (d) show the cumulative effect
of viscoelastic relaxation, for the present time and in 2010, respectively. The double line displays the western end of
the 1999 I . zmit rupture. Small white dots in (a) show the local M ≥ 2 seismicity for the period 2000-2004 at depths between
0 and 17 km. Green squares display the location of the Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute
(KOERI) seismic stations.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

strukturen im direkten Umfeld des Gebietes daraufhin
untersucht werden, ob Erdbebenwellen möglicherweise
verstärkt werden und wenn ja, in welchen Frequenzbereichen.
Falls die Eigenfrequenzen von Gebäuden in diese
Bereiche fallen, muss mit größeren Schäden gerechnet
werden.
Abb. 2.5: Scherwellengeschwindigkeitsverlauf mit der
Tiefe in der Nähe von Pulheim (Deutschland). Aus einer
Vielzahl von möglichen Modellen (dünne graue Linien)
findet die Inversionsmethode das Modell (gestrichelt), das
an beide Ausgangsdaten (oben rechts: Dispersionskurve;
darunter: HVSRN) gleich gut angepasst werden kann (gepunktete
Linien in den beiden Teilbildern; der graue Bereich
gibt die Streuung der Messdaten wieder). Zusätzlich
werden gezeigt: Messergebnisse nach Budny, 1984 (dünne
schwarze Linie); frühere Ergebnisse nach Parolai et al.,
2006b (dicke graue Linie), wobei nur die Dispersionskurve
invertiert wurde, was zu einer größeren Unsicherheit
in der Gesamtmächtigkeit der Sedimente führte. Oben
rechts: Dispersionskurve der Fundamentalschwingung
(grau).
Shear wave velocity-depth profile close to Pulheim (Germany).
From a multitude of models (thin grey lines) the
inversion method finds the one (dashed) best fitting both
data sets (top inset: dispersion curve, below: HVSRN;
dotted lines are related to the best-fitting model, grey area
reflects the standard deviation). In addition are shown:
data after Budny, 1984 (thin dark line); previous inversion
results after Parolai et al., 2006b (thick grey line),
in which only the dispersion curve was used leading to
larger uncertainties in the estimate of the total thickness
of the sediments. Top right: Fundamental mode dispersion
curve.
Unser Augenmerk liegt in der Verbesserung bzw. Entwicklung
von Analysemethoden zur Abschätzung solcher
Standorteffekte. Im Rahmen verschiedener Projekte (z. B.
Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen, DFNK:
Parolai et al. 2005a, Richwalski et al., 2006, Fäcke et al.,
2006) haben wir diese Methoden erfolgreich angewendet
und führen nun die Arbeiten weiter (z. B. CEDIM: Megacity
Istanbul; INGV-DPC2004-2006: Potenza, Italien).
Die von uns bevorzugte Analysemethode beruht auf dem
spektralen Verhältnis der horizontalen zu vertikalen Fourierspektren,
die aus Erdbebendaten (HVSRE, Horizontal-to-Vertical
Spectral Ratio Earthquake) oder dem seismischen
Hintergrundrauschen (HVSRN, Horizontal-to-
Vertical Spectral Ratio Noise) berechnet werden. Da die
theoretischen Grundlagen dieser Methode noch debattiert
werden, sind empirische und numerische Studien von
großer Wichtigkeit. Die Auswertung von Nachbeben des
Izmit-Bebens von 1999 zeigte zum Beispiel, dass HVSRE
die Bodenverstärkung bei Frequenzen oberhalb der Fundamentalfrequenz
des Bodens unterschätzt (Parolai et al.,
2004a). Wir konnten mit Modellrechnungen zeigen, dass
dies dem Einfluss von Wellen zuzuschreiben ist, die an der
Grenzfläche zwischen Festgestein und Lockersedimenten
konvertiert werden (Parolai und Richwalski, 2004).
Darüber hinaus haben wir Standards festgelegt, wie die
Größe zur Beschreibung der Dämpfung der Bodenbewegung
durch Lockersedimente (k-Faktor) mit größerer Genauigkeit
bestimmt werden kann (Parolai und Bindi,
2004). Je nach Begrenztheit des untersuchten Frequenzbandes
und der Lage der Eigenresonanzen der Sedimente
wird k nämlich über- oder unterschätzt, was dann zu
fehlerhaften Vorhersagen der maximalen Bodenbeschleunigung
führen kann.
Durch die Entwicklung eines innovativen Inversionsverfahrens
können wir nun mit Hilfe sogenannter Microarrays
(8 bis 12 Seismometer verteilt im Zielgebiet) den Verlauf
der Scherwellengeschwindigkeit mit der Tiefe bestimmen
(Parolai et al., 2005b; Picozzi et al., 2005). Als Ausgangsdatenmaterial
dient das Hintergrundrauschen, das
aus dispersiven Oberfächenwellen besteht. Durch gleichzeitige
Inversion der Dispersionskurve, die auch den Einfluss
höherer Moden enthält, und der HVSRN-Kurve
erhält man ein Profil wie in Abb. 2.5 gezeigt. Benötigt man
Informationen aus einem größeren Gebiet und liegen
bestimmte Daten bereits vor, z. B. eine Schätzung der
Gesamtmächtigkeit der Sedimente, kann sogar das in
Abb. 2.6 gezeigte 3D-Geschwindigkeitsfeld aus Einzelmessungen
abgeleitet werden. Diese Daten bilden außerdem
die Grundlage für eine 3D Finite Differenzen Modellierung
der möglichen Bodenbewegung im Falle eines
Bebens.
Zurzeit wird die Erdbebengefährdung in Istanbul (Türkei),
Köln, Potenza und Gubbio (Italien) untersucht – Gebiete,
die sich durch dichte Besiedlung auszeichnen, bzw. wegen
Vorarbeiten als Testgebiete ideal sind. Für die Nordwest-
Türkei konnte mit Hilfe von Nachbebendaten des Izmit-
Bebens von 1999 die Dämpfungseigenschaft der Kruste
untersucht werden (Bindi et al., 2006a; 2006b). Abb. 2.7
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
219

220
Abb. 2.6: 3D-Modell der Scherwellengeschwindigkeit für den Raum Köln
und den Erftsprung.
3D model of shear wave velocity for the area of Cologne and the Erft fault
system.
zeigt, dass die Kruste Zonen höherer und niedrigerer
Dämpfung aufweist, deren Größe und Lage frequenzabhängig
ist. In Istanbul selbst wurden bereits an über
30 Standorten des Rapid Response Systems Messungen
des Hintergrundrauschens durchgeführt, in Kooperation
mit dem Kandilli Observatorium und der Bogazici Universität.
Diese Messungen werden zur Charakterisierung
der Standorteffekte an den Stationen dienen und sollen auf
das gesamte Beschleunigungsmessnetz der Stadt ausgeweitet
werden. Ebenso wurden Microarray-Messungen
Abb. 2.7: Räumliche Verteilung der Dämpfung in der West-Türkei.
Spatial distribution of attenuation in western Turkey.
(Abb. 2.8) durchgeführt. In verschiedenen
Tiefen werden Beschleunigungsaufnehmer
installiert, die helfen sollen,
nicht-lineare Effekte beim Durchlauf der
Erdbebenwellen zu entdecken und auszuwerten.
Die weitere Auswertung der im Rahmen
des DFNK gewonnen Daten für den Raum
Köln führte zu einer Validierung der
HVSRN mit Hilfe von Erdbebendaten
(Parolai et al., 2004b). Dadurch ist es nun
möglich, diese Ergebnisse innovativ in die
probabilistische Gefährdungsanalyse einfließen
zu lassen (Parolai et al., 2006a).
Die Stadt Potenza (Italien) ist ein weiterer
Forschungsschwerpunkt. Dort wird
ein temporäres seismisches Netzwerk
installiert und das Hintergrundrauschen
(auch innerhalb von Gebäuden) in
Kooperation mit der Universität Basilicata gemessen.
Mikroarray-Messungen und Messungen in einem Bohrloch
ergänzen die gewonnenen Daten zur Mikrozonierung.
Gubbio (Italien) zeichnet sich durch Sedimente aus,
die die Schwingungsdauer der Erdbebenwellen bei
bestimmten Frequenzen extrem verlängern. Es wurde
bereits ein seismisches Netzwerk installiert (Pacor et al.,
2006), ergänzt durch Messungen des Hintergrundrauschens
mit Mikroarrays. Die Arbeiten werden in Kooperation
mit verschiedenen italienischen Universitäten und
dem Instituto Nazionale di Geofisica e
Vulcanologia (INGV) durchgeführt.
Erdbeben und Geothermalfelder
Fluide spielen bei der Entstehung von
Erdbeben eine wichtige Rolle. Es gibt
viele Modelle, aber nur wenige Feldbeobachtungen.
In verschiedenen Gebieten
(Landers, Marmara-Gebiet, verschiedene
Schwarmbebengebiete) wurde eine auffällige
Korrelation zwischen Erdbeben-Clustern
und der Lage von Geothermalfeldern
beobachtet. Durch gezielte Experimente an
solchen Beben-Clustern soll untersucht
werden, ob es einen physikalischen Zusammenhang
zwischen räumlichen und zeitlichen
Variationen der Porendruckverteilung
in den Geothermalfeldern und der
Mikroseismizität gibt. Hierzu sollen zur
Charakterisierung der Erdbeben-Cluster
jeweils temporäre seismische Netze installiert
werden. Zeitgleich soll versucht werden,
den Druck in dem dazugehörigen Geothermalsystem
zu überwachen.
Geothermalsystem Bursa, Türkei
Erste Testmessungen wurden im Zeitraum
November 2003 bis April 2004 an dem
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.8: Microarray-Messungen in Istanbul (Foto: GFZ
Parolai).
Micro array measurements in Istanbul.
Geothermalsystem Bursa durchgeführt. An einem 400 m
und einem 700 m tiefen Bohrloch wurden jeweils Drucksensoren
am Bohrkopf installiert (Abb. 2.9). Die Druckregistrierungen
in der 700 m Bohrung sind von regelmäßigen
Einbrüchen des Kopfdruckes von 8 auf 4 bar gekennzeichnet.
Da diese jedoch nur tagsüber und nicht an Wochenenden
auftraten, wurde das Signal als ein Hinweis auf einen
bislang unbekannten Nutzer des Thermalwassers interpretiert.
Die 400 m tiefe Bohrung erwies sich – obwohl mitten
in einer Millionenstadt gelegen – als die Lokation mit dem
besten Signal-Rausch-Verhältnis aller in den letzten Jahren
untersuchten Thermalquellen. Die außerordentlich hohe
Datenqualität wird auch durch die Existenz der selten in
Grundwasserzeitreihen nachzuweisenden Erdgezeitenbänder
Q 1 und N 2 dokumentiert (siehe Abb. 2.10).
Geothermalsystem Armutlu-Halbinsel,
Türkei
Derzeit wird ein Experiment zur simultanen
Erfassung der Mikroseismizität und
des Fluiddrucks in Geothermalsystemen
auf der Armutlu-Halbinsel (südlich von
Istanbul) durchgeführt (Abb. 2.11). Dieses
Gebiet ist wesentlich durch drei Merkmale
gekennzeichnet: 1. Das westliche
Ende der Bruchfläche des 1999er Izmit-
Bebens befindet sich wahrscheinlich
nahe Yalova (Delouis et al. 2002; Cakir
et al., 2003). Dort gab es bereits vor diesem
Beben ein deutliches Beben-Cluster,
welches während der Nachbebenzeit noch
stärker ausgeprägt war und auch gegenwärtig
noch aktiv ist (Baris et al., 2002;
Karabulut et al., 2002). 2. In unmittelbarer
Nähe befindet sich das seit der Antike
genutzte Thermalfeld Yalova Termal
südwestlich von Yalova (Abb. 2.12). Neben
Blattverschiebungen gibt es in dieser
Region auch Erdbeben mit Abschiebungscharakter
(Bohnhof u. a. 2006), was auch
durch Geländebefunde bestätigt wurde
Abb. 2.9: Fluid-Druck-Messung am Bohrkopf einer 700 m
tiefen Geothermiebohrung im Stadtgebiet von Bursa, NW
Türkei. Der Relativdruck beträgt ca. 8 bar (Foto: GFZ
Woith).
Fluid-pressure-monitoring at the well-head of a 700 m
deep borehole in the city of Bursa, NW Turkey. The wellhead
pressure is about 8 bar.
(Eisenlohr, 1995). 3. Das Bruchsystem ist in
diesem Gebiet geprägt durch die Aufspaltung der
Nord-Anatolischen Verwerfung (NAV) in mindestens
drei Hauptzweige, einem nördlichen Zweig, der südlich
vorbei an den Prinzen-Inseln und Istanbul in die
Ganos-Verwerfung mündet, einen mittleren Zweig, der
die Halbinsel Armutlu vom Golf von Izmit trennt und
durch die Dardanellen verlängert wird und einem
südlichen Zweig, der Iznik-Mekecze-Verwerfung, die
nahe Akyazi von der NAV abzweigt, das südliche Ufer
des Iznik-Sees tangiert und in den Golf von Gemlik
mündet.
Abb. 2.10: Erdgezeiten (man beachte insbesondere die Gezeitenbänder Q 1
und N 2) in den Druckregistrierungen am Bohrkopf einer 400 m tiefen Bohrung
in Bursa. Dieser natürliche Spannungssensor ist extrem empfindlich
und sollte daher gut geeignet sein, tektonisch induzierte Spannungsänderungen
zu erkennen.
Earth tides (note the tidal bands Q 1 and N 2) in the fluid pressure monitored
at the well-head of a 400 m deep borehole in Bursa qualify the site as extremely
sensitive to detect tectonically induced strain changes.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
221

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Abb. 2.11: Armutlu-Halbinsel mit Blick nach Norden auf
das Marmarameer. Die rote Linie zeigt das westliche
Bruchende des 1999er Izmit-Erdbebens (Foto: GFZ
Grosser).
Armutlu peninsula (view to the north). The red line
depicts the westernmost end of the 1999 Izmit earthquake
rupture.
Diese drei Hauptstörungen sind die Ursache vergangener
wie zukünftiger Erdbeben, die Istanbul bedrohen. Neben
dem Thermalfeld Yalova gibt es in diesem Gebiet noch
warme/heiße Quellen bei Armutlu, Gemlik, Keramet am
Iznik-See, Orhangazi und Soguzak (Eisenlohr, 1995; Woith
et al., 2000) mit Austrittstemperaturen zwischen 25 bis
75 °C. Wegen der Existenz von Pull-Apart-Becken in der
Marmara-See, im Golf von Izmit und Gemlik aber auch
östlich davon und den relativ heißen Thermalquellen muss
eine Dehnungstektonik postuliert werden. Diese Hypothese
soll durch GPS-Wiederholungsmessungen an einem
Teil der 1999 von Bürgmann et al. (2002) besetzten GPS-
Punkte beginnend im Jahr 2006 überprüft werden.
Im Zeitraum September/November 2005 wurde ein temporäres
seismisches Netz (12 kurzperiodische Seismo-
Abb. 2.12: Quellfassung der Hauptquelle von Yalova Termal
(Foto: GFZ Woith). Die Wassertemperatur liegt bei ca.
62 °C und wird zusammen mit dem Wasserstand kontinuierlich
erfasst.
Main spring of the Yalova termal area (photo: GFZ Woith).
Water temperature (ca. 62 °C) and water level are monitored
continuously.
meter des GFZ und 10 Breitbandseismometer der Kocaeli-Universität)
auf der Armutlu-Halbinsel, am südlichen
Ufer des Golfes von Gemlik und nördlich des Golfes von
Izmit installiert (Abb. 2.13). Einige seismologische Stationen
des Kandilli Observatoriums der Bosporus Universität
Istanbul sind integriert. Das Land-Seismometer-
Netz wird durch 10 Ozeanboden-Seismometer (OBS)
seit Mitte November 2005 ergänzt. Dieses OBS-Netz
schließt an japanischen OBS-Registrierungen an, die im
Jahre 2000 südlich von Istanbul gemacht worden sind
(Sato et al. 2004) und soll zunächst für zwei Monate
registrieren. Mit dem jetzt installierten Netz kann die
Mikroseismizität auf den genannten Verwerfungen bzw.
in den Erdbeben-Clustern präziser als bisher möglich
bestimmt werden. Darüber hinaus kann der Anteil der
seismisch aktiven Normalverwerfungen, Riedelbrüche
und Blockrotationen in diesem durch
große Blattverschiebungen geprägten
Gebiet ermittelt werden. An den Thermalfeldern
Armutlu, Gemlik und Yalova
wurden Druck- und Temperatursensoren
angebracht. Die tektonischen Ergebnisse
von Eisenlohr (1995) sollen durch
Analysen von Fernerkundungsdaten erweitert
und präzisiert werden (Wetzel,
pers. Mitt. 2005).
Abb. 2.13: Temporäres seismisches und
hydrogeologisches Netzwerk auf der
Armutlu-Halbinsel und angrenzender
Gebiete. Dreiecke zeigen permanente
seismische Stationen; blaue Kreise die
Lage von Thermalquellen.
Temporary seismic and hydrogeological
network installed on the Armutlu peninsula
and adjacent areas. Triangles depict
permanent seismic stations; blue circles
show thermal springs.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Vulkanismus und Erdbeben
Einer mittlerweile allgemein akzeptierten Theorie zufolge
bewirken Erdbeben eine Umlagerung der Spannungen in
der Kruste und können somit weitere Erdbeben fördern
bzw. verhindern. Obwohl zahlreiche Fachbereiche der Erdbebenforschung
durch diese Theorie der Spannungs-Umlagerung
regelrecht revolutioniert wurden, sind derartige
Prozesse in der Vulkanologie noch neu und weitgehend
unerforscht.
Die Hinweise mehren sich jedoch, dass auch Vulkane über
ähnliche Prozesse mit Erdbeben kommunizieren. Beispielsweise
ereigneten sich die plinianischen Eruptionen
des Santa Maria in Guatemala sowie des Mt. Pelée auf
Martinique im Jahre 1902 nur kurz nach mehreren Erdbeben
der Magnitude M > 8 in Mittelamerika (Abb. 2.14).
Einen Monat nach dem großen Erdbeben von 1907 in
Japan mit geschätzter Magnitude M = 8,2 eruptierte der
Mount Fiji. Eruptionen am Vesuv in Italien korrelieren
zeitlich mit Erdbeben im südlichen Apennin. Die Eruption
des Ätna (Italien) 2002/2003 war ein komplexes Wechselspiel
von Erdbeben, aseismischen Störungsversätzen
und Eruptionen. Auch nach den großen Erdbeben an der
Sumatra-Andaman-Subduktionszone (M = 9,3 am 26.12.
2004 und M = 8,7 am 28.03.2005) lebten einige Vulkane
erneut auf. So eruptierte beispielsweise der Talang Vulkan
am 12.04.2005, und Barren Island am 28.05.2005. Ein
Erdbebencluster deutet möglicherweise auf eine weitere
Eruption Ende Januar an einem submarinen Vulkan bei
den Nicobaren (8° N, 94° E) hin. Die gewaltige Eruption
am Pinatubo in Indonesien folgte einem M = 7,7 Erdbe-
Abb.2.14:Auf mehrere starke Erdbeben folgten besonders
explosive vulkanische Aktivitäten. Das Foto zeigt die Stadt
St. Pierre auf der Karibikinsel Martinique, die infolge der
1902er-Eruption zerstört wurde. Von 20.000 Einwohnern
überlebten nur zwei (aus: Heilprin 1908, The eruption of
Mt. Pelee).
A number of large earthquakes were followed by highly
explosive volcanic activity. This photo shows the city of St.
Pierre on Martinique, completely destroyed by the 1902
eruption. Only 2 out of 20 000 inhabitants survived.
ben an der nahegelegenen Luzon Verwerfung, und die
Doppeleruption von Karymsky und Akademia Nauk im
südlichen Kamtschatka folgte nur drei Tage nach einem
M = 7,1 Erdbeben ca. 20 km entfernt. In Chile zeigten Vulkane,
die man bis dahin als inaktiv glaubte, eine deutliche
Aktivität als Reaktion auf Subduktionserdbeben.
Da in einigen Beispielen Vulkaneruptionen größeren Erdbeben
folgen, und anderswo Erdbeben Vulkaneruptionen
folgen, scheint die Interaktion zwischen Vulkanen und
Erdbeben beidseitig zu wirken. So ereigneten sich in
Island die beiden letzten großen M > 6 Erdbeben (17.06.
und 21.06.2000) kurz nach der Hekla-Eruption (28.02.
2000). Die Analyse der Kataloge für Erdbeben und Vulkaneruptionen
bestätigte vielfach, dass die zeitliche Korrelation
zwischen Vulkanen und tektonischen Erdbeben
statistisch von Bedeutung sind.
Laborvulkane auf Hawaii
Voruntersuchungen fanden in internationaler Kooperation
mit den Universitäten Miami und Stanford (USA) an den
Laborvulkanen Hawaiis statt und zeigen nicht nur eine
Kopplung zwischen Erdbeben und Eruptionen, sondern
auch eine direkte Korrelation zwischen der Spannungsänderung
infolge eines Erdbebens und der Richtung späterer
Eruptionen und Intrusionen. Die voluminösesten
Eruptionsphasen wurden nach großen Erdbeben verzeichnet,
wie beispielsweise nach dem M = 7,9 Pahala Erdbeben
von 1868, oder dem M = 7,5 Kalapana Erdbeben von
1975. Für Hawaii lassen diese Spannungsuntersuchungen
detaillierte Prognosen zu, wo nach welchem Erdbeben eine
Eruption wahrscheinlich ist und umgekehrt (Abb. 2.15).
Sind diese Erkenntnisse und Mechanismen auf andere Vulkane
übertragbar und im Rahmen der Gefahrenabschätzung
anzuwenden?
Die zentralen Fragen, wie und welche Spannungsumlagerungen
zu Eruptionen führen, sind noch nicht geklärt.
So ist unklar, ob das Magma infolge kompressiver Spannungen
ausgequetscht wird oder ob die tektonische Dekompression
bewirkt, dass gasreiche Phasen in magmatischen
und hydrothermalen Feldern aufsteigen und zu einer
Druckerhöhung führen. Dynamische Spannungen sind
direkt an die seismischen Wellen (Oberflächenwellen und
Raumwellen) gekoppelt. Beispielsweise wurde nach dem
Magnitude M = 7,4 Landers Erdbeben (Kalifornien, USA)
von 1992 nachgewiesen, dass dynamische Spannungsveränderungen,
die mit den seismischen Wellen selbst
assoziiert waren, sowohl Erdbeben, als auch vulkanische
Aktivität in der Long Valley Caldera triggerten. Die
genaue Wirkungsweise ist jedoch unklar. Möglicherweise
lösen die seismischen Wellen kleine Gasblasen im Magma,
was bei deren Aufstieg einen deutlichen Druckanstieg
erzeugen würde. Statische Spannungsveränderungen durchlaufen
die elastische Kruste in einem Zeitintervall zwischen
kurz vor dem Erdbeben und kurz nach dem Passieren
der seismischen Wellen. Die Spannungsveränderungen
in der elastischen Kruste werden zudem durch eine
langsame, viskose Erholungsphase (Relaxation) von fließfähigen
Materialien beeinflusst. Viskoelastische Eigen-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 2.15: Beispieluntersuchungen für den Mauna Loa Vulkan, Hawaii. Durch Radar-Satellitendaten werden Oberflächendeformationen
gemessen. Diese werden invertiert (hier durch eine Gangintrusion), womit schließlich die Coulomb-Spannungsänderung
berechenbar ist. Die Spannungen werden hauptsächlich an der Vulkan-Südostflanke aufgebaut.
Tatsächlich finden die meisten neuen Beben hier statt.
Case scenario Mauna Loa volcano, Hawaii. Surface deformation is measured by space geodetic measurements. The
deformation signal is inverted and the best fit solution (here: dike intrusion) is used as input parameter in forward
models of Coulomb stress field changes. The predicted stress changes are maximum at the volcano's southeast flank.
Indeed, most new earthquakes occur at the southeast flank.
schaften werden u. a. in der unteren Kruste, im oberen
Mantel, oder in thermisch aufgeheizten Bereichen in Vulkanen
vermutet – Prozesse die in Zukunft gezielt untersucht
werden und im Rahmen einer prognostischen Studie
helfen sollen, Vulkangefahren nach starken Erdbeben
einzuschätzen.
MERAMEX – Geophysikalische Untersuchungen der
Sunda-Subduktionszone in Indonesien
Das interdisziplinäre Verbundprojekt SUNDAARC, das
im Rahmen des BMBF/DFG-Sonderprogramms „Geotechnologien
– Kontinentränder: Brennpunkte im Nutzungs-
Abb. 2.16: Lage des SUNDAARC-Untersuchungsgebietes mit der Sunda-Straße, Zentraljava und den Vulkanen Krakatau,
Merapi und Kelut.
Map of the SUNDAARC investigation area with Sunda Strait, Centraljava and the volcanoes Krakatau, Merapi and Kelut.
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und Gefährdungspotenzial der Erde“ angelegt wurde, verfolgt
das Ziel, den Vulkanismus und seine Einbindung in
den Subduktionsprozess entlang eines Teils des aktiven
Kontinentrandes des Sunda-Inselbogens in Indonesien zu
untersuchen sowie die internen Prozesse und externen
Einflüsse auf die vulkanische Aktivität und seine Beziehungen
zum regionalen Stressfeld besser zu verstehen
(Abb. 2.16).
Partner des SUNDAARC-Projekts auf indonesischer Seite
sind:
• Directorate General of Geology and Mineral Resources
(DGGMR – co-ordination), Jakarta; Directorate
of Volcanology and Geological Hazard Mitigation
(DVGHM, Bandung; Geological Research and Development
Center (GRDC), Bandung;
• Marine Geology Institute (MGI), Bandung; Research
Center of Geotechnology (LIPI), Bandung; Agency for
the Assessment and Application of Technology (BPPT),
Jakarta; Meteorological and Geophysical Agency
(BMG), Jakarta;
• National Coordination Agency for Surveys and Mapping
(BAKOSURTANAL), Cibinong;
• Gadjah Mada University (UGM), Yogyakarta;
• Bandung Institute of Technology (ITB), Bandung;
• University of Diponegoro (UNDIP), Semarang;
• University of Lampung (UNILA); Lampung
• Mines and Energy Services, Serang, Province of Banten.
SUNDAARC unterteilt sich in die Teilprojekte: i) KRAK-
MON (Krakatau-Vulkankomplex Monitoring; BGR); ii)
DEVACOM (Regionale Entwicklung von Hochrisikovulkanen
an aktiven Kontinenträndern; LMU München) und
iii) MERAMEX (Merapi Amphibisches Experiment; GFZ
(Sekt. 2.1, 2.4), IFM-GEOMAR, Univ. Kiel).
In Subduktionszonen findet ein komplexes Zusammenspiel
von tektonischen Prozessen in Raum und Zeit statt,
die die gesamte Lithosphäre beeinflussen und verändern.
Dabei spielen Fluide und Schmelzen eine entscheidende
Rolle. Eine genauere Kenntnis der Subduktionsprozesse
und des damit verbundenen Vulkanismus im Sundabogen
wird zu einer besseren Gefährdungs- und damit Risikoeinschätzung
von Naturgefahren führen.
Um ein detailliertes Geschwindigkeitsstrukturmodell für
den Unterbau des Merapi zu bekommen, wurde in einem
inzwischen abgeschlossenen Projekt mittels teleseismischer
Erdbebenwellen eine Strukturanalyse des tieferen
Untergrundes bis hinab in den Erdmantel versucht. Die
hierbei eingesetzte Methode der Receiver-Function, basierend
auf der Analyse von P zu S konvertierten Scherwellen,
ließ aufgrund der Kleinräumigkeit des seismischen
Netzwerkes, sowie der geometrischen Einflüsse des
Vulkangebäudes auf Signale mit Frequenzen > 0,2 Hz nur
wenige Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des tieferen
Untergrundes bis hinab zu der unter dem Merapi abtauchenden
Lithosphärenplatte zu und ergaben somit keine
detaillierte Auflösung der Tiefenstruktur.
Das Teilprojekt MERAMEX knüpft an diese Fragestellung
an. Es konzentriert sich auf die Wechselbeziehungen
zwischen den Subduktionszonen-Prozessen und dem
Bogenvulkanismus, wie er etwa anhand des aktiven Stratovulkans
Merapi auf Zentraljava zu beobachten ist. Die
Aktivitäten unterteilen sich in einen „aktiv-seismischen“
Part, bei dem see- und landseitig die Signale eines Luftpulser
Arrays registriert wurden und einen passiven seismologischen
Part. Die Offshore-Aktivitäten wurden im
Rahmen der Fahrten SO176 und SO179 des Forschungsschiffs
SONNE durchgeführt. Im „passiv-seismischen“
Part wurde die regionale seismische Aktivität im Raum
von Zentraljava und den Karimun Jawa Inseln, Java-See,
landseitig mit einem seismischen Netz aus 120 seismischen
Stationen aus dem Gerätepool des GFZ Potsdam
bzw. von der Universität Kiel über einen Zeitraum von
fünf Monaten erfasst. Parallel registrierten seeseitig 14 OBS/
Abb. 2.17: Seismometer Stationsnetz des MERAMEX Projekts.
Registriert wurde im Zeitraum Mai bis Oktober
2004.
Seismometer station network of the MERAMEX Project.
Running time of the stations was in the time between May
until October 2004.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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226
OBH Geräte vom IFM-GEOMAR. Das temporäre seismologische
Netz (Abb. 2.17) deckte ein Gebiet von
150 km x 200 km ab, bei einem mittleren Stationsabstand
von 20 km (landseitig) und 40 km bis 90 km (seeseitig).
Zurzeit wird die registrierte Seismizität in einem Bebenkatalog
zusammengefasst. Dieser lässt erkennen, dass für
eine tomographische Modellierung mindestens drei bis
vier lokale Beben pro Tag genutzt werden können. Außerdem
stehen eine Anzahl regionaler und teleseismischer
Ereignisse für die Analyse zur Verfügung. Die lokalen
Beben kommen dabei überwiegend aus der Kopplungszone.
Als Besonderheit konnten zwei Beben aus ca.
600 km Tiefe registriert werden.
Ein Hauptmerkmal des Untersuchungsgebietes ist eine
ca. 100 km breite Zone geringer seismischer Aktivität
um 110° Ost, an deren westlichen und östlichen Übergängen
wiederum eine Häufung von Hypozentren zu
beobachten ist. Diese so genannte ‚seismische Lücke‘
korreliert mit einem abrupten Wechsel in den vorderen
Inselbogenstrukturen. Ein durchgehend ausgebildeter
Akkretionskeil bzw. äußeres Hoch und Forearc-Becken,
wie sie weiter westlich vor Sumatra und West-Java zu
erkennen sind, haben sich vor Zentraljava nicht entwickelt.
Markante Anzeichen weisen auf eine Änderung der
Tektonik und einen Übergang von einem akkretionären
(vor West-Java) zu einem nicht-akkretionären/erosiven
System (vor Zentral- und Ostjava) hin. Eines der Ziele
der marinen Untersuchungen der Fahrten SO176 und
SO179 ist die Analyse dieses Übergangs und der damit
einhergehenden tektonischen Mechanismen. Seismische
und tomographische Analysen der neu gewonnenen Erdbeben-
und Refraktionsdaten sollen die Geometrie des
Subduktionssystems modellieren und mögliche Variationen
in der Neigung der abtauchenden Platte aufdecken.
Da die Airgun-Schüsse der Offshore-Refraktionsprofile
gleichzeitig auch von den Landstationen registriert
wurden, soll diese amphibische Studie zu einem
dreidimensionalen Modell der Vorderbogenstruktur und
des Untergrundes unter dem Merapi bis hin zur abtauchenden
Platte führen. Dies wird zu einem besseren
Verständnis der Subduktionsdynamik und möglicher
Zusammenhänge zwischen der Subduktion von ozeanischen
Plateaus, Subduktionserosion und vulkanischen
Prozessen führen.
Das Monitoring der natürlichen Seismizität und deren Verteilung
im Subduktionsbereich erlaubt die dreidimensionale
Auflösung der gesamten Lithosphäre oberhalb der
Benioff-Fläche mit Hilfe tomographischer Verfahren und
damit auch des gesamten Aufstiegspfadbereichs der Fluide
und Schmelzen von ihrer Entstehung beim Austritt aus
Abb. 2.18: Ergebnis der tomographischen Untersuchung für P- und S-Wellen. Für die Analyse wurden mehr als 13.000
P und S Laufzeiten von mehr als 292 Ereignissen verwendet. Die Farbangaben in den Karten und Tiefenschnitten beziehen
sich auf Prozentwerte.
Results of the tomography analysis for P and S waves. In total more than 13 000 P and S arrival times from 292 events
were used for this study. The colours in the maps and cross sections show values in percent.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.19: Modell des Aufstiegs von Fluiden und partiellen Schmelzen von
der abtauchenden Platte in über 100 km Tiefe bis an die Oberfläche. Schwarze
Punkte stellen lokalisierte Erdbeben dar.
Model of ascent of fluids and partial melts coming from the down going slab
beneath 100 km depth up to the surface. Located earthquakes are marked
with black dots.
der abtauchenden ozeanischen Platte bis in die obersten
Krustenstockwerke. Die Methode der Dämpfungstomographie
(Qp), die in den letzten Jahren mit Datensätzen
des SFB 267 aus den zentralen Anden entwickelt worden
ist, eignet sich hervorragend, diese Subduktionsprozesse
dreidimensional abzubilden. Erste vorläufige Analysen
sind sehr viel versprechend. So zeigen die lokalisierten
Beben den Verlauf der Benioff-Zone als ca. 30 km dicke
Doppelschicht im Tiefenbereich von 80 bis 150 km. Die
abtauchende ozeanische Platte verläuft nahezu horizontal
bis zu einer Entfernung von 150 km vom Trench. Zwischen
150 und 250 km Entfernung beträgt der Subduktionswinkel
etwa 45°. Dahinter lässt sich mit ISC-Daten
ein steiles Einfallen nach Norden mit einem Winkel
um 70° für den Bereich bis 600 km Tiefe abschätzen. Erste
laufzeittomographische Untersuchungen (Abb. 2.18)
ergeben eine ausgeprägte Zone erniedrigter Geschwindigkeit
(bis –15 % vom Referenzmodell AK 135) in der
Kruste zwischen dem Merapi und dem Vulkan Lawu an
der Grenze zu Ostjava, die bis in den oberen Mantel reicht.
An seismische Stationen oberhalb dieser anomalen Zone
(MLA) lassen sich insbesondere bei den registrierten
Scherwellensignalen starke Dämpfungseffekte beobachten,
was ein Hinweis sein kann für Fluide bzw. partielle
Schmelzen in diesem Krustenbereich. Die Lage der Anomalie
korreliert sehr gut mit einer negativen Bouguer-
Anomalie in diesem Bereich in der Schwerekarte für Java,
was für ein Dichtedefizit in der Kruste spricht. Die beiden
Vulkane Merapi und Lawu liegen offensichtlich direkt
über dem vorderen Randbereich der tomographischen
Anomalie und nicht über dem Zentralbereich. Dies
ließe sich erklären durch einen massiven Aufstieg von
Fluiden entlang der Grenze zwischen dem rigiden Forearc-Bereich,
der sich durch hohe seismische Geschwindigkeiten
auszeichnet und dem Backarc-Bereich mit
niedrigen Geschwindigkeiten (Abb. 2.19). Mehr Klarheit
wird in Zukunft die Nutzung des umfangreicheren Bebenkataloges
und insbesondere die Anwendung der Methode
der Dämpfungstomographie (Qp), sowie eine gemeinsame
Interpretation aller Teilergebnisse des Projektes ergeben.
Katastrophenvorbeugung in Afghanistan
Naturkatastrophen stellen eine besondere
Bedrohung für Menschen in ärmeren
Regionen der Welt dar und verhindern
oftmals eine gesicherte Entwicklung
in den betroffenen Ländern. Afghanistan,
schon mehrfach durch seine
exponierte geopolitische Lage in der
Vergangenheit von Konflikten betroffen,
ist besonders anfällig für Naturkatastrophen
wie Dürren, Überflutungen,
Hangrutschungen, Sandstürme und insbesondere
Erdbeben, die allein in den
vergangenen 15 Jahren mehr als 9.000
Menschenleben kosteten. Die meisten
Erdbeben finden im Hindukush-Gebirge
im Nord Osten des Landes statt. Erdbeben
der Stärke M = 4 treten fast
wöchentlich auf, Beben der Stärke M = 8 sind historisch
belegt.
Kabul gehört momentan zu den am schnellsten, leider
aber unkontrolliert, wachsenden Großstädten mit einer
geschätzten Bevölkerung von mehr als drei Millionen
Menschen. Gleichzeitig besteht eine hohe seismische
Gefährdung, die aus historischen Erdbeben abgeleitet
werden kann. Neben einer als unsicher einzuschätzenden
traditionellen Bauweise entstehen in der jüngsten Zeit
Hochhäuser, die keiner internationalen Baunorm entsprechen
und deren Standort nicht die lokalen Untergrundbedingungen
berücksichtigt. Ein großer Teil der
Gebäude von Kabul werden in ein Sedimentbecken
gebaut (Abb. 2.20), d. h. bei Starkbeben muss mit erheblichen
Standorteffekten gerechnet werden, wie auch Erdbeben
im Jahr 2002 gezeigt haben. Obwohl das M = 7,4
Nahrin-Erdbeben vom 03.03.2002 ca. 250 km von Kabul
entfernt war und in einer Tiefe von mehr als 200 km stattfand,
starben mindestens 13 Personen in Kabul, was aufgrund
der Entfernung und der Tiefe des Erdbebens nicht
hätte passieren dürfen.
Nach einer Evaluierungs-Mission in 2003 und einer
umfangreichen Bedarfserhebung in enger Absprache mit
afghanischen Instituten wurde von mehreren Einrichtungen
aus Deutschland das Projekt „Disaster Prevention and
Preparedness in Afghanistan“ beim Auswärtigen Amt
beantragt und nach Bewilligung durchgeführt. Projektpartner
waren:
• GeoForschungsZentrum Potsdam: Einschätzung der
Erdbebengefährdung
• Universität Bonn: Geographische Methoden in der
Katastrophenvorbeugung
• Universität Braunschweig: Hydrologie und Klimatologie
• Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Hannover: Hydrogeologie
• InWEnt Berlin (Internationale Weiterbildung und Entwicklung):
Projektleitung
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 2.20: Kabul ist in einem Sedimentbecken gewachsen,
an dem an machen Orten festes Gestein ansteht. Die Mächtigkeit
der Sedimente kann räumlich stark variieren und
mit lokalen Standorteffekten und Verstärkungen der Bodenbewegung
im Erdbebenfall muss gerechnet werden
(Foto: GFZ Milkereit).
Kabul is located inside a sedimentary basin surrounded
by mountains composed by pre-tertiary metamorphic and
sedimentary rocks. The thickness of the sedimentary cover
was estimated to reach hundred of meters but is generally
unknown. Outcroping hard rock indicates the variability
of the sedimentary cover and the morphology of the bedrock
which may cause site effects during an earthquake.
Projektpartner aus Afghanistan waren die Universität
Kabul und das Polytechnische Institut Kabul. Im Rahmen
des Projektes wurde vom GFZ und dem CEDIM Institut
der Universität Karlsruhe ein Lehrmodul mit umfangreichen
gedruckten und elektronischen Unterlagen entwickelt,
Vorlesungen und Übungen in Kabul durchgeführt
und Projekte in Kabul zur Mikrozonierung des Kabulbeckens
und zur Seismologie initiiert. Zusätzlich wurden
vier Wissenschaftler aus Kabul zu dem internationalen
Trainingskurs „Seismologie und seismische Gefährdungseinschätzung,
2004“ nach Potsdam eingeladen.
Zur Einschätzung der Erdbebengefährdung wurden vier
Kurse entwickelt:
1. Erdbebeninformation aus dem Internet
Im Fall eines Starkbebens in Afghanistan könnte von
afghanischer Seite keine schnelle Aussage über Ort und
Stärke des Erdbebens getroffen werden, da Afghanistan
zurzeit über kein eigenes seismologisches Netz verfügt.
Entsprechende Daten sind aber z. T. im Internet vorhanden
(z. B. GEOFON Webseite des GFZ), wo Informationen
über aktuelle Erdbeben bereitstehen oder aber Informationen
über vergangene Erdbeben oder die seismische
Gefährdung (GSHAP Webseite des GFZ) abgefragt werden
und in Lehrprogramme der Universitäten integriert
werden können. Das Rechenzentrum der Universität
Kabul ist mit finanzieller Hilfe des DAAD, der TU Berlin
und der NATO (Silkroad project) an das Internet angeschlossen,
im Rahmen unseres Projektes wurde der
Anschluss des Instituts für Geowissenschaften an das
Rechenzentrum über WLAN realisiert, so dass aktuelle
Daten und Informationen den Wissenschaftlern zur Verfügung
stehen.
2. Mikrozonierung
Kabul ist in einem Sedimentbecken aus tertiären-quartären
Ablagerungen gewachsen, das von älteren metamorphen
Gebirgen umgeben ist. Die Mächtigkeit der Sedimente
kann auf einige hundert Meter abgeschätzt werden.
Es konnte ein mobiles seismologisches Gerät für die
instrumentelle Mikrozonierung beschafft werden, das den
Universitäten in Kabul für Lehre und Forschung überlassen
wurde. Erste Messungen der natürlichen seismischen
Bodenunruhe wurden auf dem Gelände der Universität
Kabul durchgeführt und ausgewertet (Abb. 2.21). Die nach
der H/V-Methode bestimmte tiefste Resonanzfrequenz der
Sedimente am Messort und die Größe des spektralen Verhältnisses
der horizontalen und vertikalen Amplitude bilden
wichtige Eckparameter für eine detaillierte Mikrozonierung
von Kabul. In den nächsten Jahren sollen entsprechende
Messungen von afghanischen Wissenschaftlern
im Kabulbecken mit einem Raster von ca. 1 km x 1 km
durchgeführt und in Zusammenarbeit mit dem GFZ ausgewertet
werden.
3. Praxis der seismologischen Erdbebenbeobachtung
Die ehemals vorhandene seismologische Station der Universität
Kabul ist in den Kriegswirren vergangener Jahre
zerstört worden. Als Wiederbeginn der Seismologie in
Afghanistan konnte mit Projektgeldern eine seismologische
Breitbandstation beschafft und installiert werden. Die
Station mit der international reservierten Kennung KBU
gehört zum GEOFON Messnetz und ist über die Satellitenverbindung
des Rechenzentrums der Universität Kabul
an das Internet und damit auch an das GFZ angeschlossen.
Das Seismometer vom Typ STS2 wurde entgegen
üblicher Praxis aus Sicherheitsüberlegungen nicht an
Abb. 2.21: Die Bestimmung der Grundresonanzfrequenz
der Sedimente auf dem Gelände der Universität Kabul mit
der H/V-Methode nach Nakamura aus Messungen der
natürlichen Bodenunruhe.
Estimation of the fundamental frequency of the sedimentary
cover with the H/V-method following Nakamura, here
for one measurement point of transient noise on the campus
of the Kabul university.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.22: Das Seismometer der Station KBU ist auf dem
Gelände der Kabul Universität installiert. Es befindet sich
in vier Meter Tiefe in einer speziellen Kammer außerhalb
des Instituts für Geowissenschaften. Die Versorgungs- und
Computerleitungen verlaufen unterirdisch zum Datenerfassungsrechner
im Institut. Die Verbindung zum Rechenzentrum
der Universität Kabul wird über eine WLAN
Funkstrecke realisiert, von dort aus erfolgt die Anbindung
an das Internet (Foto: GFZ Milkereit).
The seismometer of the station KBU is installed on the
campus area of the Kabul University. In a vault the seismometer
is installed in 4 meter depth in order to protect
it from environmental influence, power supply and computer
lines are beneath the ground. For the connection
with the computing center of the Kabul University a WLAN
connection has been set up.
einem Ort geringer Bodenunruhe außerhalb
der Stadt, sondern auf dem Gelände
der Universität Kabul in der Nähe des
Instituts für Geowissenschaften installiert
(Abb. 2.22). Es befindet sich in vier
Meter Tiefe und ist somit gegen direkte
Noise-Quellen und Umwelteinflüsse
geschützt.
Die erste Bewährungsprobe der eingesetzten
Technik hat die Station bestanden.
In der Nacht vom 12. auf den 13.12.2005
wurden die Bewohner von Kabul von
einem Erdbeben der Stärke M = 6,4 geweckt
(Abb. 2.23). Die Universität Kabul
konnte aufgrund der eigenen Daten und
zusätzlicher Informationen aus dem
Internet die Medien und das zuständige
Ministerium über den Ort und die Stärke
des Erdbebens informieren. Da die Aussagen
einer seismologischen Auswertung
mit nur einer Station beschränkt sind,
können die Seismologen aus Afghanistan
auf Daten von seismologischen Stationen
in einem weiteren Umkreis zugreifen
(Abb. 2.24). Es wird erwartet, dass mit
diesem virtuellen Messnetz alle Erdbeben
der Stärke M > 4 auf dem Territorium
von Afghanistan erfasst und geortet werden
können. In der Zukunft sollte der Auf-
Abb. 2.23: Seismogramm von der Station Kabul (KBU)
vom 12.12.2005.
Seismogram of the station Kabul from 12.12.2005. A M 6.4
earthquake happened some 250 km north of Kabul estimated
by the time difference between P- and S-waves.
bau eines regionalen Messnetzes in Afghanistan vorangetrieben
werden, bis dahin kann aber die jetzt vorhandene
Infrastruktur für Forschung und Lehre genutzt werden.
4. Einschätzung der Vulnerabilität
Die Einschätzung der Vulnerabilität erfordert zum einen
Kenntnisse über die seismische Gefährdung und zum
anderen die Bewertung der Gebäude gegenüber einer
Belastung im Erdbebenfall. Den Wissenschaftlern aus
Abb. 2.24: Verteilung der Nachbarstationen der Station KBU, auf die Wissenschaftler
der Universität Kabul im Moment routinemäßig zugreifen können.
Distribution of broadband seismological stations near Afghanistan with
online availability of the data. Stations of the GEOFON network are indicated
as red, stations from other organisations are in white.
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Afghanistan wurde die Arbeitsweise zur Erfassung der
Vulnerabilität im Rahmen des Projektes vermittelt. Aufgrund
der Sicherheitslage in Kabul wurde während des
Projektes davon Abstand genommen, extensive Begehungen
des Stadtgebietes durchzuführen.
Trainingskurse „Seismologie und seismische Gefährdungseinschätzung“
2004 und 2005 organisierte das Department 2 wieder
jeweils einen 5-wöchigen Trainingskurs zur Seismologie
und seismischen Gefährdungseinschätzung. Die Kurse
vermitteln sowohl eine theoretische Grundausbildung als
auch praktisches Training, insbesondere für Geowissenschaftler
und Techniker aus Entwicklungsländern. Die
vom GFZ Potsdam organisierten und teilfinanzierten Kurse
wurden durch Zuwendungen des Auswärtigen Amtes, des
Büros der Vereinten Nationen für humanitäre Hilfe (OCHA)
in Genf, der UNESCO in Paris, InWEnt Berlin und des
DPPI (Disaster Preparedness and Prevention Initiative) in
Brüssel unterstützt. Weitere Zuwendungen erfolgten für
den Kurs 2005 durch das deutsche Tsunami-Frühwarnsystem,
damit kurzfristig sechs Wissenschaftler aus Indonesien
an dem Kurs teilnehmen konnten.
Normalerweise finden die Kurse abwechselnd in Potsdam,
im darauf folgenden Jahr in einem anderen Land statt. Vor-
gesehen war, den Kurs 2005 in Kirgisien am ZAIAG (Zentralasiatisches
Institut für Angewandte Geowissenschaften)
in Bishkek durchzuführen. Aufgrund der politischen
Veränderungen zu Beginn des Jahres 2005 in Kirgisien
wurde kurzfristig beschlossen, einen zweiten Kurs in Potsdam
folgen zu lassen. Der Kurs in Kirgisien wird jetzt für
2006 geplant.
Beide Trainingskurse in Potsdam umfassten sowohl Einführungsvorlesungen
in die Ursachen und Auswirkungen
von Erdbeben sowie deren systematische Überwachung
und Analyse, als auch umfangreiche praktische Übungen.
Ziel ist die Vermittlung der Arbeitsmethoden für eine verbesserte
Gefährdungseinschätzung in den Ländern der
Teilnehmer. Zum Ende beider Kurse wurde den Teilnehmern
die Möglichkeit zu einem Spezialisierungstraining
eröffnet. Jeweils die Hälfte der Teilnehmer nahm in Potsdam
am Kurs zur Einschätzung der lokalen Erdbebengefährdung
(Mikrozonierung), bzw. in Erlangen am Kurs
zum Betrieb seismischer Stationsnetze und deren routinemäßige
Auswertung teil.
Der Kurs 2004 (Abb. 2.25) fand in der Zeit vom 19. September
bis zum 24. Oktober in Potsdam/Michendorf statt.
Die 30 Teilnehmer kamen aus 25 Ländern (Afghanistan (4),
Algerien, Aserbeidschan, Bosnien (2), Kolumbien, Kuba,
Ägypten, Fiji Inseln, Georgien, Guatemala, Ungarn, Indo-
Abb. 2.25: Szenen aus dem Potsdamer Internationalen Trainingskurs, 2004 zum Thema „Seismologie und seismische
Gefährdungseinschätzung“ (Fotos: GFZ).
Scenes from the Potsdam International Training Course of the year 2004 on the topic „Seismology, Seismic Data Analysis,
Hazard Assessment and Risk Mitigation“.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.26: Im Berichtszeitraum fand auch der Internationale Trainingskurs 2005 in Potsdam statt, zum ersten Mal aber
fast ausschließlich in Räumlichkeiten auf dem Telegrafenberg (Fotos: GFZ).
Scenes from the Potsdam International Training Course of the year 2005 on the topic „Seismology, Seismic Data Analysis,
Hazard Assessment and Risk Mitigation“.
nesien, Iran, Mazedonien, Madagaskar, Moldawien, Montenegro,
Marokko, Nepal, Philippinen, Serbien, Syrien,
Türkei (2), Usbekistan und Sambia). Die Teilnehmer waren
unter 96 Bewerbern aus 56 Ländern ausgewählt worden.
Insgesamt gab es 20 Lektoren (davon neun vom GFZ) aus
fünf Ländern.
Der Kurs 2005 (Abb. 2.26) in Deutschland wurde in der
Zeit vom 28. August bis zum 1. Oktober in Potsdam
durchgeführt. Im Gegensatz zu den vorherigen Kursen
fanden die Vorlesungen und Übungen zum überwiegenden
Teil direkt in Räumlichkeiten des GFZ auf dem Telegrafenberg
statt. Es waren 25 Teilnehmer aus 16 Ländern
(Albanien, Bangladesch, Bulgarien, Kuba, Ghana, Indien,
Indonesien (6), Iran (2), Kenia, Mazedonien, Rumänien,
Sri Lanka, Syrien, Thailand, Trinidad, Türkei (3)
und Venezuela). Unter 61 Bewerbungen aus 36 Ländern
wurden die Teilnehmer ausgewählt. In diesem Jahr wurde
wegen der Aktualität ein Schwerpunkt auf die Anrainerstaaten
des Indischen Ozeans gelegt. Insgesamt haben
28 Lektoren aus fünf Ländern, davon 16 vom GFZ, die
Vorlesungen und Übungen durchgeführt. An den beiden
letzten Tagen des Kurses gab es für die Teilnehmer die
Möglichkeit im Rahmen eines speziellen Workshops das
deutsche Tsunami-Frühwarnsystem für den Indischen
Ozean kennen zu lernen und mit den Experten direkt zu
diskutieren.
Die Teilnehmer beider Trainingskurse erhielten neben kostenloser
Software für die Auswertung digitaler Erdbebenaufzeichnungen,
die Kalibrierung von Seismographen, die
Quantifizierung lokaler Standorteffekte und die Abschätzung
der Erdbebengefährdung auch die derzeit modernsten
Lehrbücher und Praxisanleitungen zu den Themenkreisen
des Kurses. Dazu gehört auch das vom GFZ herausgegebene
zweibändige IASPEI „New Manual of Seismological
Observatory Practice“.
DEPAS – Deutscher Pool für amphibische Seismologie
Im Rahmen der Evaluierung des Forschungsbereiches
„Erde und Umwelt“ der Helmholtz-Gemeinschaft wurde
angeregt, dass das AWI Bremerhaven und das GFZ Potsdam
enger auf dem Gebiet der onshore-offshore Forschung
kooperieren sollten. Hier liegt in der Zukunft ein
immenses Forschungspotenzial. Beide Einrichtungen stellten
Mitte 2004 an das GEOTECHNOLOGIE-Programm
(Kontinentränder) einen gemeinsamen Antrag auf Förderung
eines kombinierten seismologischen Instrumentenpools,
der künftig von beiden Institutionen als ein Werkzeug
für die gesamte deutsche „Geo-community“ vorgehalten
werden sollte. Nach positiver Begutachtung des
Antrages wurden für die Antragsteller Mittel bereitgestellt,
die die Beschaffung von 35 Ozeanbodenseismome-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
231

232
Abb. 2.27: DEPAS Landstation. Links: Datenlogger
(Earthdata), rechts: Seismometer (GURALP 60s).
DEPAS land-station. Left:Data-logger (Earthdata), right:
Seismometer (GURALP 60s).
tern (OBS) am AWI und 65 Landstationen
am GFZ ermöglichten – die Landkomponente
von DEPAS soll im Endausbau
100 Stationen umfassen. Am GFZ ist
die Landkomponente von DEPAS technisch
und logistisch in den geophysikalischen
Gerätepool (GIPP) integriert. Im
September 2005 erfolgte bereits der erste
Einsatz von 45 Einheiten für ein amphibisches
Projekt in der Ägäis. Für das Jahr
2006 liegen bereits mehrere Anträge vor,
so dass DEPAS bereits unmittelbar nach
seiner Verfügbarkeit auf große Resonanz
stößt.
INKABA ye AFRICA
Im Rahmen des INKABA ye AFRICA Programms
wurden 2004/2005 umfangreiche
geophysikalische Untersuchungen im Gebiet
des Agulhas-Karoo Plateaus durchgeführt.
Mit aktiven seismischen und magnetotellurischen
Messungen werden detaillierte
Informationen über die tektonischen
Prozesse der letzten 3,5 Milliarden Jahre,
insbesondere bezüglich des Akkretionsprozesses
sowie des Aufbrechens des
Superkontinents Gondwana gesammelt.
So sind in mehreren Phasen im Laufe der
Erdgeschichte Kontinentalmassen mit dem
alten Kontinentalkern des Kaapvaal Kraton
kollidiert und heute als Faltengürtel
(Namaqua-Natal Mobile Belt und Cape
Fold Belt) fest mit dem afrikanischen Kontinent
verschweißt. Entlang einer solchen
Kollisionszone befinden sich zwei geophysikalische
Anomalien, die Beattie Magnetikanomalie
(BMA) und der Southern
Cape Conductive Belt (SCCB). Sie zählen
mit über 1.000 km zu den längsten der Erde
und setzen sich vermutlich sogar in Südamerika
und in der Antarktis fort.
Magnetotellurische Messungen
Die BMA wurde schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts
von Beattie (1909) entdeckt. Mehr als ein halbes
Jahrhundert später schlossen van Zijl, de Beer und Gough
(1982) aus Magnetometer-Arraymessungen auf die Existenz
eines ca. 100 km breiten Leitfähigkeitsgürtels, der
SCCB. Als Ursache für beide Anomalien wurde aufgrund
der räumlichen Korrelation ein 30 km breiter und bis in
den Erdmantel reichender Block serpentinisierter ozeanischer
Kruste postuliert. Diese Interpretation findet sich in
verschiedenen geologischen Querschnitten und in tektonischen
Rekonstruktionen Gondwanas. Aus heutiger Sicht
scheint diese Auslegung der Daten aber wenig gesichert,
da die geringe Stationsdichte keine detaillierten strukturellen
Aussagen zulässt und das Karoo-Becken mit seiner
dicken Sedimentüberdeckung keine direkten geologischen
Beobachtungen ermöglicht.
Abb. 2.28: Lagekarte der 82 magnetotellurischen Messstationen (weiße
Kreuze). Das 150 km lange Profil reicht von Prince Albert bis nach Fraserburg.
Map of 82 magnetotelluric sites (white crosses) along a 150 km long profile
from Prince Albert in the South to Fraserburg in the North. BMA: Beattie
Magnetic Anomaly, SCCB: Southern Cape Conductive Belt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.29: Verteilung des elektrischen Widerstandes in der Erdkruste im
Bereich der BMA und des SCCB. Rot/gelb: Zonen erhöhter Leitfähigkeit (niedrige
Widerstände). Ein oberflächennahes hoch leitfähiges Band lässt sich
in den ersten 2 bis 5 km entlang des gesamten Profils erkennen. Aufgrund
von nahe gelegenen Bohrungen, die auf das Profil projiziert wurden (graue
Dreiecke), können diese Anomalien der Whitehill-Formation mit ihren kohlenstoffreichen
Schwarzschiefern (schwarze Sterne) zugeordnet werden. Die
BMA scheint mit einer Zone erhöhter Leitfähigkeit in 5 bis 12 km Tiefe zu
korrelieren (B). Weiter im Norden befinden sich unter dem Great Escarpment
zwei weitere tiefe (8 bis 20 km) Leitfähigkeitsanomalien.
An image of the electrical resistivity distribution of the Earth's crust across
the BMA and SCCB. Red/ yellow: Zones of high conductivity. A shallow subhorizontal
conductivity band is shown in the upper 5 km across the entire
profile. Stratigraphic information from boreholes which were projected onto
the profile (grey triangles) reveals black carbonaceous shales of the Whitehill
Formation in 2-5 km depth. This layer correlates with the sub-horizontal
conductivity band (black asterisks). The BMA seems to be associated with
a zone of high conductivity in 5-12 km depth (B). Further to the North we
observe two deep conductivity anomalies (8-20 km) beneath the onset of the
Great Escarpment (C).
Im Frühjahr 2004 wurden entlang eines 150 km langen
Profils von Prince Albert bis Fraserburg neue magnetotellurische
Messungen vom GFZ an 82 Stationen durchgeführt
(Abb. 2.28). Das Profil, das in etwa senkrecht zu
den beiden geophysikalischen Anomalien verläuft, wurde
mit einem Stationsabstand von ~ 2 km vermessen. Reflexions-
und refraktionsseismische sowie steilwinkelseismische
Messungen fanden ebenfalls entlang dieses Profils
im Frühjahr und Herbst 2005 statt (Abb. 2.30). Das
Leitfähigkeitsmodell, das aus einer zweidimensionalen
Inversionsrechnung der Messdaten entlang des Profils
bestimmt wurde, ist in Abb. 2.29 dargestellt (Weckmann
et al, 2006). Rote und gelbe Farben entsprechen geringen
elektrischen Widerständen (hohe Leitfähigkeiten), während
blaue Farben Regionen mit hohen elektrischen Widerständen
(geringe Leitfähigkeiten) kennzeichnen. Markiert
sind außerdem die Lage des Maximums der BMA
und des SCCB sowie die Projektionen von nahe gelegenen
Tiefbohrungen auf das Profil (graue Dreiecke).
Auffallend ist zunächst, dass das Leitfähigkeitsmodell
wesentlich mehr Strukturen aufweist, als dies aufgrund
der alten Daten und darauf basierender geologischer Querschnitte
anzunehmen war. Oberflächennah ist eine hoch
leitfähige sub-horizontale Schicht in 2 bis 5 km Tiefe
(Abb. 2.29 A) erkennbar. Mit der Lage der BMA scheint
eine weitere sub-vertikale Zone hoher Leitfähigkeiten zu
korrelieren, die von 5 bis 12 km Tiefe reicht und nach
Süden einfällt (B). Zusätzlich sind weiter im Norden zwei
tief reichende (8 bis 20 km) leitfähige Strukturen zu erken-
nen, die sich unterhalb des Great Escarpments
befinden (C). Zur Interpretation
der oberflächennahen Anomalie (A) können
Informationen aus tiefen Bohrungen
hinzugezogen werden. In vier nahe gelegenen
Bohrungen wurden in verschiedenen
Tiefen (2 bis 5 km) die sog. Whitehill
Formation angetroffen, die aus kohlenstoffreichen
Schwarzschiefern besteht.
Eine Projektion dieser Bohrungen (graue
Dreiecke in Abb. 2.29) und die Lage der
Schwarzschieferfunde (schwarze Sterne)
auf das Profil zeigt, dass diese Schicht gut
mit dem geringmächtigen, oberflächennahen
leitfähigen Band des Modells in Abb.
2.29 korreliert. Die Deutung der tiefer
gelegenen Anomalien gestaltet sich
schwieriger, da hier keine direkten Beobachtungen
möglich sind. Vermutlich handelt
es sich um große Scherzonen in der
Kruste. Diese Interpretation wird gestützt
von weiter im Osten (Natal-Sektor) kartierten
großen Scherzonen, die vier tektonische
Einheiten voneinander trennen
und vermutlich großen Einfluss auf die
Akkretionsprozesse des Superkontinents
Gondwana hatten. Weiter westlich, im
Bereich unseres Untersuchungsgebiets,
sind diese Scherzonen von den dicken
Karoo-Sedimenten überdeckt. Für die
Leitfähigkeitsanomalien im nördlichen
Abschnitt unsers Modells ist es ebenfalls denkbar, dass sie
große mineralisierte Synformen abbilden, wie sie weiter
nordwestlich im Namaqualand angetroffen werden.
Seismische Messungen
Ziel der seismischen Messungen war es, ein Modell der
tieferen krustalen Strukturen abzuleiten. So wurde der
Ozean-Kontinentübergang im Bereich des Cape Fold
Belts-Agulhas Plateaus untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt
der landseitigen seismischen Messungen war die
Untersuchung der BMA und des SCCB. Im April 2005
wurden auf zwei, diese Anomalien überquerenden Profilen
(deckungsgleich mit denen der magnetotellurischen
Messungen, siehe Abb. 2.28) seismische Messungen
durchgeführt (Abb. 2.30). Auf jedem Profil wurden 50 seismische
Landstationen und 25 seismische Ozeanbodenstationen
in Kooperation mit dem AWI aufgestellt. Auf
den ca. 200 bis 250 km langen Abschnitten an Land wurden
an 13 Schusspunkten seismische Wellen angeregt, die
land- und seeseitig an allen Stationen registriert wurden.
Seeseitig wurden Airguns als seismische Quellen verwendet,
die wiederum von allen Stationen (land- und seeseitig)
aufgezeichnet wurden. Somit entstand ein Datensatz,
dessen Auswertung die Erstellung eines großräumigen
Strukturmodells der Erdkruste und des obersten Erdmantels
entlang beider Profile erlaubt.
Für die Auswertung der Landschüsse, registriert mit den
Landstationen wurden die Wellenlaufzeiten von der seis-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
233

234
Abb. 2.30: Lagekarte mit den Profilen Frazerburg (links) und Graaf-Reinet (rechts, onshore Teil). Schwarze Symbole:
seismische Stationen; rote Symbole: Schusspunkte.
Map of the location of the two seismic profiles Frazerburg (left) and Graaf-Reinet (right, onshore part) in the Agulhas-
Karoo region. Black stars: seismic stations; red stars: shot points.
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Abb. 2.31: Beispiel eines tomographischen P-Wellengeschwindigkeitsmodells (links Süden, rechts Norden), abgeleitet
aus den Laufzeiten der direkten P-Wellen entlang des Frazerburg Profils. Der obere Bereich (einige km) zeigt geringe
Geschwindigkeiten, die durch Sedimente erklärt werden können. Der mittlere Krustenbereich ist komplex aufgebaut,
die Moho wurde bei ca. 40 km Tiefe gefunden. Die BMA (bei ca. 100 km) konnte nicht klar abgebildet werden. Hellere
Bereiche stellen Regionen dar, die nicht aufgelöst werden konnten.
Example of the tomographic P-wave velocity model (left South, right North), derived from travel times of refracted
waves of the Frazerburg line. The uppermost few kilometres have low velocities and represent sediments. The middle
crust is characterized by complex velocity structures. The Moho is at around 40 km depth. The Beattie anomaly
(~ 100 km model) is not clearly imaged. Pale colours indicate regions with poor or no ray coverage.
mischen Quelle zu der jeweiligen seismischen Station
bestimmt. Mit Hilfe dieser Daten konnte unter Verwendung
von tomographischen Verfahren ein P-Wellen Geschwindigkeitsmodell
der Erdkruste abgeleitet werden
(Abb. 2.31). Dieses vorläufige Modell ist durch ausgeprägte,
oberflächennahe Schichten mit geringeren Geschwindigkeiten
(Sedimente) und komplexeren Strukturen
im Mittel- und Unterkrustenbereich gekennzeichnet.
Durch die geplante gemeinsame Auswertung mit den
seeseitigen Daten wird die Abbildung der Strukturen
im Übergangsbereich zum Ozean und des oberen Mantels
möglich sein. Die Feldexperimente wurden vom
GFZ finanziert; die Messgeräte wurden vom Geophysikalischen
Instrumentenpool des GFZ Potsdam bereitgestellt.
Erweiterte thermomechanische Modellierung
Die Deformation und der Fluss von Gasen und Flüssigkeiten
in der Lithosphäre werden durch mechanische Prozesse
bestimmt. Zentrale mechanische Eigenschaften hängen
wiederum stark u. a. von Temperatur und chemischer
Zusammensetzung ab. Das resultierende komplizierte System
stark gekoppelter nichtlinearer thermischer, mechanischer,
chemischer und physikalischer Prozesse formt die
Struktur der Lithosphäre und bestimmt deren geologische
Entwicklung. Aufgrund jüngerer Fortschritte in der Physik
und der Chemie und mit der Hilfe moderner Hochleistungsrechner
ist die Modellierung dieses Systems heutzutage
möglich geworden. Diese so genannte „erweiterte
thermomechanische Modellierung“ war in den letzten
Jahren verstärkt Forschungsgegenstand am GFZ.
Sedimentation und Deformation der Lithosphäre an Pullappart
Becken
Eine Transform-Störung ist eine Plattengrenze, an der
zwei Lithosphärenplatten horizontal aneinander vorbei-
gleiten. Die dabei auftretende dreidimensionale Verformung
macht eine numerische Modellierung sehr aufwändig.
Bisherige Simulationen waren daher auf unrealistische
Modelle mit vereinfachter Rheologie beschränkt. Die
erste thermomechanische Studie einer kontinentalen
Transform-Störung mit Berücksichtigung einer realistischen
Rheologie (Sobolev et al., 2005a) konzentrierte sich
auf die Modellierung des Dead Sea Transform (DST) im
mittleren Osten. Wir stellen einige Resultate der Arbeit
vor, welche diese Studie erweitert und sich mit fundamentalen
Fragen nach dem Ursprung von tiefen Sedimentbecken
im Zusammenhang mit kontinentalen Transform-Störungen,
sogenannte Pull-appart Becken, beschäftigt.
Diese Pull-appart Becken sind Senken, die als Ergebnis
einer Extension der Kruste entstehen, und zwar in solchen
Gebieten, in denen die Richtung des Fault overstepping
mit der Bewegungsrichtung an der Scherzone übereinstimmt
(Abb. 2.32a). Das herausragende klassische
Beispiel für ein Pull-appart Becken ist das 150 km lange
Dead Sea Becken an der DST. Hier hat sich in den letzten
15 bis 17 Millionen Jahren mehr als acht Kilometer Sedimentbedeckung
angesammelt. Es war bisher unklar,
wodurch die Länge eines Pull-appart Beckens sowie die
Dicke seiner Sedimente bestimmt werden und wie sich die
dazugehörende Verformung unterhalb des Beckens verteilt.
Mittels eines 3-D- (plus Zeit) thermomechanischen Modells
(Abb. 2.32b, 2.33) eines Pull-appart Beckens, welches
an einem Overstepping einer aktiven Transformstörung
gebildet wurde, wurden diese Fragen angegangen
(Petrunin and Sobolev, 2006). Die Modellierung zeigte,
dass für eine gegebene Verschiebung und Reibung in den
Verwerfungen die Dicke der spröden Schicht der bedeutendste
Parameter für die Beckenlänge, Dicke der Sedimente
und das Deformationsmuster unter dem Becken
darstellt, und diese wiederum durch die Temperatur und
Zusammensetzung der Lithosphäre bestimmt wird. Die
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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236
ungewöhnlich große Länge und Sedimentdicke des Dead
Sea Beckens kann mit 100 km Strike-slip Bewegung und
einem dicken (20 bis 22 km, lokal bis 27 km) spröden Teil
der kalten Lithosphäre unter dem Becken erklärt werden.
Die Modellierung zeigt weiterhin eine Hebung der Moho
von nicht mehr als 3 km unter schmalen (10 bis 15 km)
Pull-appart Becken, wie dem Dead Sea Becken, welche
in kalter Lithosphäre gebildet wurden. Es wurde ebenfalls
gefolgert, dass sich ein Pull-appart Becken nur bilden
kann, wenn eine mehrere Kilometer dicke Entkopplungszone
zwischen der spröden Kruste und dem oberen Mantel
existiert (siehe Abb. 2.33). Die Modellierung zeigt, dass
dies für das Dead Sea Becken nicht der Fall sein würde,
falls der Wärmefluss an der Oberfläche tatsächlich nur
40 mW/m 2 beträgt. Dies könnte ein Hinweis darauf sein,
dass der Oberflächenwärmefluss signifikant unterschätzt
wurde (um 10 bis 20 mW/m 2 ), in Übereinstimmung mit
kürzlich überarbeiteten Messungen in Jordanien (Förster
et al, 2004).
Abb. 2.32: (a) Konzeptionelles Modell
eines Pull-appart Beckens, das an einem
Overstepping einer Transformstörung
entsteht. (b) Modell Setup.
(a) Conceptual model of a pull-apart
basin formed at an overstepping of a
transform fault. (b) Model setup.
Das allgemeine Modell für ein Pullappart
Becken (Abb. 2.32a, 2.33) wurde
kürzlich für die DST angepasst (Petrunin
und Sobolev, in Vorbereitung). In diesem
vereinfachten 3-D Modell (Abb. 2.34)
haben wir eine 2-D Struktur der Kruste
und Temperatur in Konsistenz mit Resultaten
aus dem DESERT Projekt (siehe
Bericht 2002/2004) und ähnlich derjenigen
in der Modellierungsstudie zum DST
(Sobolev et al., 2005a) angenommen. Zusätzlich
nahmen wir an, dass sich an der
nördlichen Modellgrenze eine Schwächezone
befindet, deren Lage nicht mit
der Spur jener Transformstörung übereinstimmt,
welche im Modell ohne diese
Zone erzeugt wird. Das Vorhandensein
dieser schwachen Grenzzone zwingt die
Verwerfung, nach links zu springen, mit
der Konsequenz einer Strike-slip Verschiebung
von 105 km, wie in Abb. 2.34
dargestellt. Außer dieser implementierten
Heterogenität am Rand der Modellbox
wurden keine weiteren lokalisierten Heterogenitäten
oder Verwerfungen vorgegeben.
Abb. 2.34 zeigt, dass zwei Systeme von
sich überlappenden Verwerfungen subparallel
zur Strike-slip Richtung in der
Modell-Lithosphäre entstehen. Eine Verwerfung
zeichnet die Region mit minimaler
Stärke der Lithosphäre nach (ohne
vorgegebene schwache Grenzzone), und
die andere führt die schwache Grenzzone innerhalb der
Modellbox fort. Wo sich diese beiden größeren Verwerfungen
überlappen, findet eine starke verwerfungs-parallele
Extension statt, was zu einem Absenken der Kruste
führt. Diese modellierte Struktur ist ähnlich derjenigen
des Dead Sea Beckens, es ist jedoch klar, dass eine sehr
viel höhere Auflösung im 3-D Modell erforderlich ist, um
so wichtige Eigenschaften der Dead Sea Tektonik, wie beispielsweise
transversale Verwerfungen innerhalb des Pullappart
Beckens zu reproduzieren.
Eine neue Sicht auf einen Hawaii Plume
Die hawaiianischen Inseln sind das Ergebnis des produktivsten
aktiven Mantel-Plumes – d. h. eines Aufstrombereichs
heißen Magmas aus dem Tiefen Erdmantel – der
bekannt ist. Sein Magmafluss wurde kürzlich auf etwa
0,3 Kubikkilometer pro Jahr geschätzt. Eine so enorme
Produktivität kann nicht ausschließlich durch erhöhte
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.33: (a) bis (c) Wachsendes Pull-apart Sedimentbecken (braun) mit der Verteilung der transform-parallelen Extension
an verschiedenen Querschnitten. (d) Maximale Dicke der Sedimentfüllung nach 100 km Strike-slip Verschiebung
gegenüber der Dicke der spröden Kruste. Jeder Punkt stellt ein bestimmtes Modell dar (Petrunin and Sobolev, 2006).
Die Kästchen zeigen die plausibelsten Bedingungen für das Dead Sea Becken und das Golf von Aqaba Becken, basierend
auf beobachteten Tiefen der maximalen Seismizität. Die durchgezogenen Linien entsprechen dem vereinfachten
analytischen Modell, schattierte Gebiete zeigen die charakteristische Abweichung der numerischen Lösung vom analytischen
Modell.
(a)-(c) Growing pull-apart sedimentary basin (brown) together with distribution of transform parallel extensional strain
shown at a number of cross-sections. (d) Maximum thickness of sediment fill after 100 km of strike-slip displacement
versus thickness of the brittle layer. Each point indicates a particular model (Petrunin and Sobolev, 2006). Boxes show
the most plausible conditions for the Dead Sea basin and Gulf of Aqaba basin based on observed depths of the maximum
seismicity. Solid line corresponds to the simplified analytical model and the shaded domain indicates characteristic
deviation of numerical solutions from the analytical model.
Plume-Temperatur (ungefähr 300 °C höher als gewöhnliche
Manteltemperatur) erklärt werden, wie in früheren
Studien behauptet wurde. Eine neue Erklärung wird durch
eine kombinierte geochemisch-geophysikalische Studie
geliefert, welche kürzlich in Nature publiziert wurde (Sobolev
et al., 2005b). Geochemiker vom Max-Planck-Institut
in Mainz haben gezeigt, dass die ungewöhnlich hohen
Nickel- und Silikatanteile in den meisten hawaiianischen
Magmen darauf hindeuten, dass mehr als die Hälfte der
Schmelzen aus einer Quelle stammen, die von sogenannter
„reziklierter“ ozeanischer Kruste dominiert wird. Dies
ist ozeanische Kruste, welche in den Mantel subduziert,
vor langer Zeit in Eklogit umgewandelt und dann von dem
aufsteigenden Mantel-Plume mitgerissen und wieder aufgeschmolzen
wurde.
Die physikalischen Folgen dieses Modells wurden am
GFZ analysiert. Es wurde gezeigt, dass ein Plume mit die-
ser ozeanischen Kruste einen um den Faktor 2,5 höheren
Magmafluss hervorbringt, als ein Hochtemperatur-
Plume, der keine ozeanische Kruste enthält. Das neue
Modell (Abb. 2.35) erklärt die aktuelle hohe magmatische
Produktivität des hawaiianischen Plume bestens und
ist auch konsistent mit der anomalen Topographie des
Meeresbodens, dem Hawaiian Swell. Darüber hinaus
erklärt der vorausgesagte hohe Anteil an partieller
Schmelze in der ozeanischen Kruste in 130 bis 170 km
Tiefe innerhalb des hawaiianischen Plume bemerkenswert
gut die seismische Niedergeschwindigkeitszone, die
in diesen Tiefen unterhalb des südlichen Teils der hawaiianischen
Inseln vom GFZ Forschungsteam beobachtet
wurde (Li et al., 2000). Die Modellierung zeigt auch, dass
bei Abwesenheit von ozeanischer Kruste in dem hawaiianischen
Plume nur ein geringer Teil (falls überhaupt) der
hawaiianischen Inseln oberhalb des Meeresspiegels verbleiben
würde.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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238
Abb. 2.34: (a) Setup des 3-D Dead Sea Modells (niedrige Auflösung) gemäß Petrunin und Sobolev (in Vorbereitung).
(b) Berechnete Verteilung der Shear strain rate (logarithmische Skala) nach 105 km linksseitiger Strike-slip Bewegung
während 17 Millionen Jahren. (c) Berechnete Topographie des Grundes. Sowohl die berechnete Verteilung der Gräben
als auch die Sedimentfüllung stimmen gut mit den Beobachtungen überein, (d) trotz grober Auflösung entlang des Versatzes
für dieses Modell.
(a) Setup of the 3-D Dead Sea (low-resolution) model after Petrunin and Sobolev (in preparation). (b) Calculated distribution
of the shear strain rate (in logarithmic scale) after 105 km of left-lateral strike-slip motion during 17 Myr. (c)
Calculated topography of the basement. The load of sediments was considered in the calculation. Both calculated distribution
of faults and sediment fill matches well the observations (d), despite of rather poor along-strike resolution of
this model.
Magnetotellurische Messungen an der San Andreas
Verwerfung
Zum Verständnis geodynamischer Prozesse an großen
Scherzonen wie der San Andreas Verwerfung in Kalifornien
kann die Magnetotellurik (MT) als eine Methode der
geophysikalischen Tiefensondierung einen wichtigen Beitrag
leisten. Denn nur mit Hilfe der MT lassen sich Abbil-
der von der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung auf einem
Tiefenmaßstab, der die gesamten Erdkruste und den oberen
Mantel einschließt, gewinnen. Aus der Geometrie von
Leitfähigkeitsanomalien lassen sich anschließend strukturelle
Aussagen ableiten. Anomal hohe Leitfähigkeiten
können z. B. von salinaren Fluiden im Porenraum der
Gesteine, Graphitisierungen entlang von Scherbahnen oder
auch von partiellen Schmelzen herrühren.
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Abb. 2.35: Illustration des neuen Modells für den Hawaii
Plume.
Cartoon illustrating new model of the Hawaii plume by
Sobolev et al., 2005b.
Im Frühjahr 2005 wurden an der San Andreas Verwerfung
neue magnetotellurische Messungen vom GFZ und der
University of California, Riverside, an 86 Punkten durchgeführt
(blaue Sterne und rote Kreise in Abb. 2.36). Der
Großteil der Stationen wurde entlang eines 50 km langen
Profils senkrecht zum Verlauf der durch aktive Seismizität
gekennzeichneten Störungslinie (rote Punkte in Abb. 2.36)
errichtet. Auf diesem Profil wurden auch reflexions- und
refraktionsseismische Messungen durchgeführt. Im Zentrum
des Messgebietes befindet sich außerdem das San
Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD, gelber
Stern in Abb. 2.36), wo eine abgelenkte Kernbohrung
abgeteuft wird, die im August 2005 die San Andreas Verwerfung
in einer Tiefe von etwa 3 km durchschnitt. Von
den Ergebnissen der Bohrung und begleitenden Bohrlochmessungen
sowie Bohrkernen erwartet man Erkenntnisse
über die In-Situ-Bedingungen an einer interkontinentalen
Plattengrenze.
Erkenntnisse über größere Tiefen erlangt man durch indirekte
Methoden, wie die Magnetotellurik. Ein vorläufiges
Leitfähigkeitsmodell, das aus einer zweidimensionalen
Inversionsrechnung der Messdaten entlang des Profils
bestimmt wurde, ist in Abb. 2.37 dargestellt. Rote Farben
entsprechen hohen elektrischen Leitfähigkeiten, blaue Farben
kennzeichnen Regionen mit hohen elektrischen Widerständen.
Markiert sind außerdem die Lage der SAFOD
Hauptbohrung, die Lage der San Andreas Verwerfung an
der Erdoberfläche (SAF), sowie die östlich gelegene Coast
Range Fault (CRF), welche den Übergang von der Coast
Range Province in die Sedimente der Great Valley Sequenz
kennzeichnet.
Die schwarzen Punkte unterhalb der SAF (Abb. 2.37)
kennzeichnen die Hypozentren von Mikrobeben, welche
die aktive Verwerfung markieren und offensichtlich in
räumlicher Beziehung zu einem schlecht leitfähigen Körper
westlich der Störung stehen, bei dem es sich vermutlich
um einen Granitkörper (Salinian Granite) handelt. Die
meisten Mikrobeben treten in dem Tiefenbereich von ca.
2 bis 10 km auf. Die schon von früheren magnetotellurischen
Untersuchungen bekannte erhöhte Leitfähigkeit im
Bereich der Störung (Fault Zone Conductor, FZC), die für
die obersten 2 km der Kruste westlich der SAF charakteristisch
ist, scheint dagegen ein Gebiet einzunehmen, in
Abb. 2.36: Lagekarte magnetotellurischer
Messstationen. Das Arbeitsgebiet
befindet sich in der Nähe von Parkfield,
Kalifornien. Blaue Sterne kennzeichnen
langperiodische (LMT) und rote
Kreise Breitband-Registrierungen (BMT).
Grüne Punkte zeigen frühere MT Messungen
von Unsworth et al. Die Seismizität
entlang der San Andreas Verwerfung
ist durch rote Punkte gekennzeichnet.
SAFOD bezeichnet Lage der Forschungsbohrung
des San Andreas Fault Observatory
at Depth.
Map of magnetotelluric sites in the vicinity
of Parkfield, CA. Blue asterisks and red
circles indicate locations of long-period
and broadband magnetotelluric stations.
Green dots indicate MT sites of Unsworth
et al. The Seismicity at the San Andreas Fault zone is indicated by red dots. SAFOD indicates the location of the borehole
of the San Andreas Fault Observatory at Depth.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
239

240
Abb. 2.37: Verteilung des elektrischen
Widerstandes im Bereich der San Andreas
Verwerfung. Zonen erhöhter Leitfähigkeit
(niedrige Widerstände) sind im
Modell mit roten und gelben Farben
gekennzeichnet. Im Bereich der oberen
Kruste an den beiden Modellrändern
werden diese vermutlich durch die sedimentäre
Überdeckung des Grundgebirges
hervorgerufen, während der Scherzonenleiter
(FZC) im Bereich der San
Andreas Störung (SAF) als Anreicherung
von Fluiden im Porenraum zerrütteter
Gesteine interpretiert wird. Schlecht leitfähige
Strukturen (blau) westlich der
SAF dürften auf einen Granitkörper
(Salinian Granite) zurückzuführen sein.
Im Bereich der Mittel- und Unterkruste
findet man eine 20 km breite Zone erhöhter
Leitfähigkeiten, wobei die höchsten Leitfähigkeiten direkt unterhalb der SAF auftreten.
An image of the electrical resistivity distribution beneath the San Andreas Fault zone. Zones of high conductivity are
shown in red and yellow colours. Such regions at both sides of the model in the upper crust probably correspond to
sedimentary sequences. The Fault Zone Conductor (FZC) in the vicinity of the SAF is interpreted in terms of saline fluids
within the increased pore space of fractured rocks. Resistive structures west of the SAF are likely related to a block
of Salinian Granite. A 20 km wide region in the middle and lower crust is imaged as conductive, the highest conductivities
are found directly beneath the surface trace of the SAF. SAF San Andreas Fault; CRF Coast Range Fault; SAFOD
San Andreas Fault Observatory at depth; FZC Fault zone conductor. Red dots indicate seismicity.
dem keine Beben auftreten. Es ist unklar, ob das Fehlen
von Beben mit dem Vorkommen von Fluiden im Porenraum
der zerrütteten Gesteine, welche für die hohen elektrischen
Leitfähigkeiten ursächlich sind, kausal korreliert
oder ob die Beben an einen lithologischen Kontrast gebunden
sind.
In größeren Tiefen unterhalb von 10 km weist die Kruste
eine 20 km breite Zone mit niedrigen elektrischen Widerständen
auf. Außerdem gibt es Anzeichen für die Existenz
eines tieferen (lower) Fault Zone Leiters mit Widerständen
von unter 10 Ωm. Es ist allerdings schwierig, die Geometrie
und den elektrischen Widerstand dieser Anomalie
eindeutig zu fassen, da der Effekt des darin induzierten
Stromsystems an der Erdoberfläche im Bereich der Messgenauigkeit
und damit an der Grenze der Auflösbarkeit
liegt.
Das hier gezeigte Modell ist Ausgangspunkt weitergehender
Modellierungs- und Inversionsrechnungen, wobei
wir uns insbesondere auf das Auflösen von Strukturen in
der Unterkruste konzentrieren wollen. Weiterhin ist die
Ableitung eines 3D-Leitfähigkeitsmodells aus dem flächenhaft
gemessenen Datensatz geplant sowie die Integration
des Leitfähigkeitsmodells mit anderen physikalischen
Parametern wie dem seismischen Geschwindigkeitsmodell
entlang der gemeinsamen Profillinie. Mit
Hilfe eines neuen, viel versprechenden Ansatzes soll versucht
werden, durch eine gemeinsame Interpretation der
komplementären Parameter, elektrische Leitfähigkeit und
seismische Geschwindigkeit, eine eindeutigere lithologische
Klassifizierung der abgebildeten Strukturen zu
erreichen.
Die neuen magnetotellurischen Experimente wurden von
der deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des
Schwerpunktprogramms „International Continental Drilling
Programme“ (ICDP) gefördert. Die Messgeräte wurden
vom Geophysikalischen Instrumentenpool des GFZ
bereitgestellt.
Die Kollision der afrikanischen und der eurasischen
Lithosphärenplatten im Gebiet der Ägäis
Das Ägäische Meer ist eines der tektonisch kompliziertesten
Gebiete der Erde. Es ist deshalb auch das Gebiet in
Europa mit der größten Erdbebebhäufigkeit. Neben verheerenden
Erdbeben fanden dort über die Jahrtausende
immer wieder Vulkanausbrüche und Tsunamis statt. Wegen
seiner Lage im Backarc-Bereich der aktiven Subduktion
der afrikanischen Platte unter die eurasische Platte
(Abb. 2.38) und wegen des Auftretens zweier aufeinander
folgender Extensionsstadien im Ägäischen Meer seit dem
Oligozän, gehört es zu einem der interessantesten Gebiete
für die Erforschung der Plattentektonik. Wir haben eine
gemeinsame seismische P und S Receiver Funktion Analyse
durchgeführt, um die Struktur der Kruste und des oberen
Mantels unterhalb des gesamten Ägäischen Meeres,
des griechischen Festlandes und von Kreta abzubilden.
Daraus kann abgelesen werden, wie sich die beiden Platten
bei der Kollision deformieren. Zu diesem Zweck wurden
P und S Receiver Funktionen von teleseismischen
Ereignissen berechnet, die an 65 temporären bzw. permanenten
seismischen Stationen unterschiedlicher Netzwerke
(GEOFON, Nationalobservatorium Athen, Cyclades
network, Mediterranean network und Seisfaultgreece Experiment)
aufgezeichnet worden sind (Abb. 2.38). Mit der
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Methode der Receiver Funktionen ist es möglich, seismische
Diskontinuitäten bis in mehrere hundert Kilometer
Tiefe zu kartieren.
Die gemeinsamen Daten von P und S Receiver
Funktionen weisen eine dichte
Überdeckung im südlichen und zentralen
Ägäischen Meer auf, während von den
P Receiver Funktionen allein hier keine
flächendeckende Informationen ohne
Meeresboden-Stationen (OBS) gewonnen
werden können. Die gemeinsame
Betrachtung von P und S Receiver Funk-
Abb. 2.39: Tiefenkarte der eurasischen
Moho ermittelt aus P und S Receiver
Funktionen. Die Moho-Tiefen in der Türkei
sind von Saundres et al. (1998) übernommen.
Unter dem griechischen Festland
und der Nordägäis ist die Moho
mächtiger als unter der Südägäis, wo die
Krustenmächtigkeit durch Dehnungsvorgänge
reduziert ist.
Depth map of the Eurasian Moho obtained
from P and S receiver functions. The
Moho depths in Turkey are from Saundres
et al. (1998). The crust is thicker beneath
mainland Greece and the northern Aegean
than beneath the southern Aegean
because of stretching there.
Abb. 2.38: Die wichtigsten tektonischen
Elemente der Ägäis. Die Pfeile zeigen die
Richtung der Plattenbewegung relativ zu
Eurasien an (McClusky et al. 2000). Die
seismischen Stationen, die in dieser Studie
benutzt wurden, sind durch Sterne
dargestellt.
Main tectonic features in the Aegean area.
The arrows indicate the direction of the
motion relative to Eurasia (McClusky et
al. 2000). The seismic stations used in this
study are represented by stars.
tionen führte unter anderem zu detaillierten
Informationen über die starken Variationen
der Krustenmächtigkeit im Untersuchungsgebiet
(Abb. 2.39). Eine normale
Krustenmächtigkeit von ungefähr
28 bis 30 Kilometer wird unter dem östlichen
Teil des griechischen Festlandes
beobachtet, während die Kruste unterhalb
Nord- und Westgriechenlands auf bis zu
40 km zunimmt. Im nördlichen Ägäischen
Meer variiert die Krustenmächtigkeit
zwischen 25 bis 28 km. Diese Krustenverdünnung
entspricht einem Ausdehnungsfaktor
von 20 bis 25 %. Eine sehr
geringe Krustenmächtigkeit von ca. 20 km
bzw. ein Ausdehnungsfaktor von 40 bis
45 % im kretischen Meer zeigt, dass der
südliche Teil der Ägäis offenbar am stärksten
von der Ausdehnungstektonik betroffen ist. Die Tiefenlage
der Ägäischen Moho unterhalb Kretas ändert sich
von 25 km im Osten auf 33 km im Westen und ist ein
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
241

242
Abb. 2.40: Angenäherter Verlauf der eurasischen Moho und der darunter liegenden afrikanischen Moho entlang dreier
Profile A, B und C, beobachtet mit Hilfe von S Receiver Funktionen.
Approximate depth distribution of the Eurasian Moho and underlying African Moho along three profiles derived from
S receiver functions.
Beweis dafür, dass verschiedene Teile Kretas unterschiedlich
auf die Ausdehnung reagiert haben. Anhand
der S Receiver Funktionen kann die subduzierte afrikanische
Lithosphäre bis unter das nördliche Griechenland
verfolgt werden (Abb. 2.40), wo die abtauchende Platte
jedoch nicht mehr durch lokale Seismizität abgebildet
wird. Diese Ergebnisse führen zu einer durchschnitt-
lichen Mohotiefe von 40 km für die subduzierte ozeanische
Platte unterhalb Südkretas, des Westpeloponnes
und des Südostens von Rhodos, die bis auf 160 km unterhalb
des vulkanischen Bogens zunimmt (Abb. 2.41). Die
ozeanische Moho kann bis in eine Tiefe von 220 km unterhalb
des nördlichen Griechenland zuverlässig beobachtet
werden.
Die mittels der S Receiver Funktion
Methode gewonnenen neuen Informationen
über die ozeanische und kontinentale
Lithosphäre zeigen die Lithosphären-
Asthenosphärengrenze (LAB) für das
gesamte Untersuchungsgebiet und erlauben
dabei Beobachtungen mit einer Auflösung,
wie sie bisher nur für die Moho
erreicht wurde (Abb. 2.42). Unterhalb des
Abb. 2.41: Karte der Tiefe der afrikanischen
Moho abgeleitet aus P und S Receiver
Funktionen. Die Mohotiefen direkt an
den Stationen (Dreiecke) wurden aus
P Receiver Funktionen berechnet. Die Mohotiefen
dazwischen wurden aus S Receiver
Funktionen ermittelt. In den weißen
Bereichen waren nicht genügend Daten
vorhanden.
Depth map of the African Moho derived
from P and S receiver functions. Moho
depths directly at the stations (triangles)
have been derived from P receiver functions.
Moho depths in between have been
derived from S receiver functions. White
regions have insufficient data.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.42: Untergrenze der afrikanischen und eurasischen Lithosphärenplatten (LAB) entlang zweier Profile durch die
Ägäis aus summierten S Receiver Funktionen. Negative Amplituden (schwarz) zeigen eine Abnahme der Geschwindigkeit
mit der Tiefe. Unter dem griechischen Festland ist die eurasische LAB flacher als die afrikanische LAB. Die
beobachtete afrikanische Moho ist mit dünn gestrichelter Linie markiert.
Lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) estimated by stacked S receiver functions along two profiles. Negative
amplitudes of S receiver functions (in black) show a velocity decreases with depth. Under continental Greece, this
negative phase is at a shallower depth than the African LAB. The observed African Moho is shown with thin dashed
line.
Abb.2.43:Die LAB-Tiefenkarte der Ägäis
ermittelt aus der S Receiverfunktion Analyse.
Die dicke rote Linie stellt die Grenze
zwischen der beobachteten kontinentalen
eurasischen Lithosphäre und der
ozeanischen afrikanischen Lithosphäre
dar.
The LAB depth map obtained from S
receiver function analysis in the Aegean.
The heavy red line is a boundary separating
the observed continental Eurasian
Lithosphere from the oceanic African
Lithosphere.
griechischen Festlandes beträgt die Tiefe
der eurasischen LAB etwa 150 km
(Abb. 2.43). Unterhalb von Südkreta
beträgt die Mächtigkeit der afrikanischen
Lithosphäre 100 km. Sie nimmt Richtung
Norden bis auf 225 km unterhalb des vulkanischen
Bogens zu. Die starke Dehnung der südlichen
Ägäis, die eine wesentliche Antriebskraft für die Tektonik
in dem gesamten Gebiet ist, kann eventuell auf ein ‚Roll
Back‘ der afrikanischen subduzierten Platte bis ca. 100 km
Tiefe zurückgeführt werden. In größeren Tiefen wird diese
Platte flach und ist bis unter das griechische Festland zu
verfolgen.
Abb. 2.44: Das Amphitheater von Milet. In der Antike lag
es an der Küste; heute ist das Meer dort verschwunden –
ein Beweis für die andauernde Dynamik der Ägäis (Foto:
U. Kind).
The Amphitheater of Milet. It was located at the coast in
the antiquity; today the sea is gone – an indication of the
ongoing dynamics of the Aegean.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
243

244
Seismische Überwachung des massiven Thuringikum-Injektionsexperiments
an der Kontinentalen
Tiefbohrung
Die Kontinentale Tiefbohrung (KTB) bei Windischeschenbach
im Südosten Deutschlands liegt nahe der westlichen
Grenze der Böhmischen Masse an der Kontaktzone zwischen
Saxo-Thuringikum und Moldanubikum. Zwischen
1987 und 1994 wurden hier eine 9,1 km tiefe Haupt- und
eine 4 km tiefe Vorbohrung abgeteuft, die an der Oberfläche
lediglich einen Abstand von 200 m aufweisen. Diese
Konfiguration stellt ein einmaliges Labor zur Untersuchung
physikalischer Gesteinsparameter in situ dar (Emmermann
und Lauterjung 1997). Um Mechanismen des
Fluidtransports zu untersuchen und das Spannungsfeld in
der oberen Kruste zu bestimmen, wurden bereits 1994
(Zoback und Harjes, 1997) und 2000 (Baisch et. al. 2002)
zwei Injektionsversuche über einen Zeitraum von mehreren
Tagen bis Wochen durchgeführt.
Im Anschluss daran wurde 2002 mit einem Langzeit-Pumpversuch
begonnen, der aus zwei Hauptexperimenten bestand.
Im ersten Abschnitt wurden Fluide aus dem prominenten
Reflektor SE2 in einer Tiefe von 4.000 km aus
der Vorbohrung gefördert. Innerhalb eines Jahres produzierte
die Vorbohrung aus diesem Tiefenbereich (120 °C)
22.300 m 3 saline, krustale Wässer mit einer Förderrate von
58 l/min. Nach einer Ruhepause wurde im Juni 2004 das
Experiment umgedreht und über eine Zeitraum von 10 Monaten
84.600 m 3 Wasser im SE2 Reflektor verpresst. Bei
Injektionsraten von 200 l/min wurde ein Kopfdruck um
100 bar aufgebaut.
Im September 2004, als das Injektionsvolumen in etwa der
im ersten Experiment abgepumpten Flüssigkeitsmenge
entsprach, konnten wir eine zunächst schwache aber
zunehmend mikroseismische Aktivität beobachten. Bereits
sehr kleine positive Porendruckänderungen (kleiner 1 bar
an den Lokationen der Erdbeben) lösten dabei eine beträchtliche
Zunahme der Seismizität aus (Shapiro et. al
2006). Diese induzierte Seismizität wurde mit den Stationen
eines hochempfindlichen, seismischen Online-Überwachungssystems
aufgezeichnet. Das seismische Netz
bestand aus einer Bohrlochsonde, die zwischen Tiefen von
2 km bis 3,5 km in der Hauptbohrung betrieben wurde, und
11 oberflächennahe Stationen in der Umgebung der KTB.
Erdbeben online: GEOFON und die Folgen des
Sumatra Bebens
Mit Hilfe des Erdbeben-Informationssystems GEOFON
wird am GFZ die globale Seismizität zeitnah überwacht,
um die entdeckten Ereignisse so genau wie möglich automatisch
zu lokalisieren, zu quantifizieren und über das
Internet zu publizieren. Die seismologischen „Rohdaten“,
kontinuierliche Datenströme von weltweit installierten
Seismometerstationen, werden bisher fast ausschließlich
ebenfalls über das Internet erfasst. Das verwendete seismologische
Netz („GEOFON Extended Virtual Network“
– GEVN) besteht aus fast 50 GEOFON-Stationen des GFZ
und seiner Partner im GEOFON-Projekt sowie einer großen
Anzahl von Stationen aus Partner-Netzen, die mittels
der am GFZ entwickelten SeedLink Software über das
Internet vernetzt sind. In der Nacht vom 25. zum 26.12.2005
bestand das GEVN aus etwa 120 operationalen Stationen,
Abb. 2.45: Seismologisches Netz an der
KTB zur Überwachung der induzierten
Seismizität während des Langzeitpumpexperiments
2002 bis 2005. In der
Hauptbohrung (HBR) wurde ein 3d-Geophon
in Tiefen von 2 km bis 3,5km betrieben.
Die Kommunikation im Online-Netz
basierte auf WLAN-Technik. Die weißen
Linien entsprechen den WLAN-Verbindungen,
mit denen die Außenstationen
online eingebunden waren. Die
5 Außenstationen waren zur Reduzierung
der Bodenunruhe in flachen Bohrungen
zwischen 20 m und 40 m Tiefe installiert.
Seismological on-line network at the KTB
location for monitoring induced seismicity
during the long-term injection experiment
between 2002 and 2005. HBR is the
location of the main hole sonde with a 3dgeophone
operated in depths between
2 km and 3.5 km. The on-line communication
of the net was based on WLAN technique.
White lines indicate WLAN links to
on-line stations operated in shallow bore
holes at depths of 20 m and 40 m.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

überwiegend in Europa und dem Mittelmeerraum. Trotz
dieser global nicht optimalen Stationsverteilung gelang es
dem GEOFON-Erdbeben-Informationssystem bereits nach
12 Minuten eine ziemlich genaue automatische Lösung
ins Internet zu stellen und per Email und SMS-Meldungen
an die zahlreichen Nutzer des Informationsservice zu
verbreiten (Abb. 2.49).
Zu dieser Zeit (26. 12. 2004, 01:11 UTC), als die primären
seismischen Wellen noch gar nicht bis Mitteleuropa
vorgedrungen waren und sich die Tsunami-Welle noch
weit vor der Küste von Sumatra befand, war dies offenbar
die erste öffentlich zugängliche Information über dieses
Beben. Das erste Bulletin des Pacific Tsunami Warning
Center in Honolulu wurde erst drei Minuten später veröffentlicht.
Dennoch war diese erste Information – wegen
dem nur aus den Primärwellen abgeleiteten und damit für
Starkbeben zu niedrigen Magnitudenwert von 6,9 (m b) –
nicht zur Tsunami-Warnung geeignet. Für eine genauere
Bestimmung des Magnitudenwertes und damit auch der
Abschätzung der Tsunami-Gefahr musste man, nach dem
damaligen Wissensstand, die Ankunft der Oberflächenwellen
abwarten, die von Sumatra nach Europa fast eine
Stunde brauchten.
In der Folge der Tsunami-Tragödie wurden die Bemühungen
für eine globale Erdbebenüberwachung verstärkt.
Das GEVN wurde erheblich erweitert (Abb. 2.50a), u. a.
um öffentlich zugängliche Stationen im Raum des Indi-
Abb. 2.46: Entwicklung der induzierten
Seismizität im Verlauf des Pumpexperiments
2004/2005. Anzahl der Ereignisse
pro Tag und kumulative Entwicklung der
Seismizität beobachtet an den Oberflächenstationen
(a) und in der Bohrlochsonde
(b). S-P Laufzeitdifferenzen der
beobachteten Ereignisse mit der Bohrlochsonde
(c). Gleiche Laufzeitdifferenzen
bedeuten gleiche Entfernung der
Ereignisse zum Sensor. Zwischen dem 78.
und 187. Tag war die Bohrlochsonde nur
auf 1.950 m Tiefe installiert. Verpresstes
Volumen und Entwicklung des Kopfdrucks
über den Verlauf des gesamten
Injektionsexperiments (d).
Rate of induced events observed at the
surface stations (a) and the sensor in the
KTB main borehole (b) during the longterm
injection experiment in 2004/2005.
Traveltime difference between S and P
onsets at the main hole sonde (c). Rate of
well-head pressure and injection volume
(d). Between days 78 and 187, the main
hole sensor was installed in only 1950 m
depth.
schen Ozeans (IRIS-Netz USA, nationale
Netze von Malaysia und Australien).
Zudem wurde neue Software für die Datenverarbeitung
in Nahe-Echtzeit implementiert.
Im Rahmen des German-Indian
Ocean Tsunami Early Warning System – GITEWS – wurden
bereits in 2005 vier neue GEOFON-Stationen mit
Satellitenkommunikation in Indonesien installiert und der
Zugriff auf ca. 20 ebenfalls neu installierte japanische und
indonesische Stationen in Indonesien realisiert. Die Vollständigkeit
und Genauigkeit der Überwachung der globalen
Erdbebentätigkeit mit Hilfe des GEOFON-Erdbeben-
Informationssystems ist damit erheblich verbessert worden
und eine zeitnahe Information vor allem auch für
Beben in Südostasien konnte realisiert werden. Abb. 2.50b
zeigt die automatisch bestimmten Lokationen aller Erdbeben
in der zweiten Jahreshälfte 2005 in Abhängigkeit
von Veröffentlichungszeiten und der Magnitude. Wegen
der großen Stationsdichte sind die Bearbeitungszeiten in
Europa und dem Mittelmeerraum naturgemäß am kleinsten,
bestimmte Gegenden in Indonesien kommen aber
auch schon in den Bereich von weniger als 10 Minuten.
Ein Ableger des GEOFON-Erdbeben-Informationssystems
wurde im Rahmen von GITEWS am Indonesischen
Meteorologischen Dienst in Jakarta installiert und versorgt
Indonesien mit schnellen (< 10 Minuten) Erdbebenmeldungen
aus der Region.
In Folge des Tsunami sind bereits einige Forschungsprojekte
entstanden. Das dringendste zu lösende Problem ist
eine schnelle verlässliche Magnitudenbestimmung. Dabei
muss beachtet werden, dass die Bruchausbreitung viele
Minuten dauern kann (~ 10 Minuten im Falle des Sumatra
Bebens) und nach bisherigen Methoden keine verläss-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
245

246
liche Magnitude vor Ende der Bruchausbreitung oder
sogar vor der Registrierung teleseismischer Oberflächenwellen
bestimmt werden konnte. Bormann und Wylegalla
(2005) haben aber eine Methode entwickelt, mit der aus
Breitbanddaten eine schnelle (innerhalb weniger Minuten)
näherungsweise Magnitude, auch bei sehr starken
Beben abgeschätzt werden kann. Diese Methode soll
demnächst implementiert und routinemäßig benutzt werden.
Weiter wurde am GFZ von Yuan et al. (2005) eine
neue Methode entwickelt, mit der aus seismischen Breitbandregistrierungen
von Küstenstationen eine Tsunamiwelle
direkt registriert werden kann. Die Wasserwelle
führt zu Neigungsänderungen an der Küste, die von den
Horizontalkomponenten der Breitbandstationen registriert
werden können (Abb. 2.52). Damit können aus den
Küsten- und Inselstationen des gut organisierten globalen
seismischen Netzes Real-Time-Informationen über Tsunamis
gewonnen werden.
Ein anderes Forschungsprojekt ist die Echtzeit-Beobachtung
der Bruchausbreitung von Erdbeben, die von großer
Bedeutung für die Abschätzung des Tsunamipotentials des
Abb. 2.47: Lokalisierte Mikroerdbeben
während des Injektionsexperiments
2004/2005. Epizentraldarstellung von
146 Mikrobeben mit mehr als 10 beobachteten
P und S Phasen. Die weißen
Dreiecke stellen die online Stationen des
Überwachungsnetzes dar. Der schwarze
Stern kennzeichnet die Position der Vorbohrung
an der Erdoberfläche. Der
Radius des inneren roten Kreises beträgt
500 m. Die Anordnung der Epizentren
liegt parallel zum Streichen der Fränkischen
Linie. In den Hypozentraldarstellungen
kennzeichnet die gelbe Linie die
Lage der Hauptbohrung und der grüne
Stern den Injektionspunkt. Die induzierten
Beben liegen im Bereich des markanten
SE2 Reflektors.
Location of 146 induced microevents in
plane view. Only events with more than
10 observed P and S phases are shown.
White trangles indicate on-line stations.
The black star marks the surface position
of the pilot hole. The radius of the inner
red circle is 500 m. The alignment of the
epicentres is nearly parallel to the Franconian
Lineament. The yellow line in the
hypocenter projections marks the position
of the main hole and the green star
the injection point of the fluids. The induced
seismicity is concentrated within the
prominent SE2 reflector.
Bebens ist. Dazu gibt es eine Methode
von Krüger und Ohrnberger (2005), die
teleseismische Stationsarrays nutzt. Wir
bestimmen aus der Polarisation von
lokalen, regionalen und teleseismischen
Stationen die Bruchausbreitung nahezu
in Echtzeit (Abb. 2.53), und beabsichtigen diese Methode
ebenfalls in das Tsunami-Warnsystem zu implementieren.
Eine neue Methode zur Bestimmung der Mächtigkeit
von Lithosphärenplatten
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Definitionen für die
Lithosphäre (Anderson, 1995). Sie war ursprünglich mechanisch
definiert als eine elastische Platte, die sich über
einer viskos-elastischen Asthenosphäre befindet (Barrell,
1914). Die Lithosphären-Asthenosphären-Grenze (LAB)
wird oft als Übergangszone von einer höheren zu einer
niedrigeren seismischen Geschwindigkeit angesehen,
deren Tiefenlage nur grob abgeschätzt werden kann. Die
LAB wird auch als eine thermische Grenzfläche bei einer
Temperatur von ~ 1200 °C oder als eine elektromagnetische
Grenzfläche von niedriger zu hoher Leitfähigkeit
definiert. Eine entscheidende Rolle spielt die Lithosphäre
jedoch in der Plattentektonik. Hier wird angenommen,
dass Lithosphärenplatten sich über tausende von Kilometern
horizontal bewegen können und dadurch letztendlich
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

für alle geologischen Erscheinungsformen der Erdoberfläche
verantwortlich sind. Daher kann der Lithosphäre in
der Plattentektonik eine bedeutend wichtigere Rolle zugesprochen
werden als der Erdkruste.
Abb. 2.49: Links: Ausbreitung der primären seismischen
Wellen beim Sumatra-Beben am 26.12.2004 nach Bruchbeginn
um 00:58:50 UTC und ihre Registrierung an Stationen
des GEVN (GEOFON Extended Virtual Network).
Rechts: Vergleich der Veröffentlichungszeiten von automatischen
und manuellen Erdbebenmeldungen verschiedener
Institutionen im Internet.
Left: Propagation of primary seismic waves of the Sumatra
Earthquake after the rupture start at 26.12.2004,
Abb. 2.48: Foto des KTB Bohrturms (Foto: GFZ
Asch).
Photo of the KTB drilling derrick.
Direkte seismische Beobachtungen der Lithosphäre mit
hoher Auflösung sind allerdings schwierig. Als Oberkante
einer Zone relativ niedriger Geschwindigkeit (Asthenosphäre)
kann die LAB nur schlecht mit der Weitwinkel-
Technik beobachtet werden, eine sehr erfolgreiche Technik
zur Untersuchung der Kruste-Mantel-Grenze. Gutenberg
(1954) schloss aus der Beobachtung von Raumwellen
auf die Existenz einer Zone erniedrigter Geschwindigkeit
im oberen Erdmantel. Die entsprechende seismische
Diskontinuität wurde nach ihm Gutenberg-Diskontinuität
benannt, die oft mit der LAB gleichgesetzt wird.
Die meisten Beobachtungen der Lithosphäre wurden aber
aus der Dispersion von Oberflächenwellen gewonnen. Wegen
der niedrigen Auflösung der Oberflächenwellen lässt
sich die LAB nur als eine breite Übergangszone abbilden,
und ihre genaue Tiefe ist schwierig zu bestimmen. Ein wesentliches
Ergebnis der Oberflächenwellenstudien ist eine
größere Mächtigkeit der Lithosphäre unter Kontinenten
als unter Ozeanen (Gung et al. 2003). Die Mächtigkeit der
Lithosphäre variiert von wenigen Kilometern an den
mittelozeanischen Rücken bis zu 200 km unter alten kontinentalen
Schilden und beträgt im globalen Mittel etwa
80 bis 100 km.
In den letzten Jahren ist die S Receiver Function (SRF)
Technik entwickelt worden (Farra and Vinnik, 2000; Li
et al., 2004; Yuan et al., 2006), die benutzt werden kann,
um die LAB mit hoher Auflösung zu beobachten. Die SRF
Technik analysiert S-zu-P konvertierte Wellen, die an den
seismischen Diskontinuitäten unter einer Station erzeugt
werden. Sie wurde aus der bekannten P Receiver Function
(PRF) Methode entwickelt (Langston, 1977; Vinnik, 1977),
Origin Time: 00:58:50 UTC Mw = 9.0
Germany: GFZ 01:10:57 +12 min mb = 6.9
Italy: INGV +16 min mb = 6.9
Germany: LED +18 min mb = 7.1
Switzerland: SED +19 min mb = 6.1
Norway: NEWS +20 min mb = 5.5
NOR +22 min mb = 6.3
France: RNS +31 min mb = 6.4
Slovakia: BRA +32 min mb = 6.6
Europe/
ORFEUS: ODC +65 min mb = 7.3
France: LDG +731 min mb = 5.9
International Centres
(Manual Analysis)
USA: NEIC +79 min Ms = 8.5
Europe/EMSC: EMSC +97 min Mw = 8.9
Pacific Tsunami Warning Center
USA: PTWC +15 min Mw = 8.0
00:58:50 UTC and their registration at stations of the GEVN (GEOFON Extended Virtual Network). Right: Comparison
of publication times of automatic and manual earthquake alerts issued by different institutions in the Internet.
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248
Abb. 2.50: a) Stationsverteilung des
„GEOFON Extended Virtual Network“
(Stand Ende 2005: ca. 250 Stationen).
Die roten Dreiecke zeigen die über Internet
mit dem Datenzentrum vernetzten
GEOFON-Stationen, die gelben Kreise
die kompatiblen Stationen der GEVN
Partnernetze. b) Globale Verteilung der in
der zweiten Jahreshälfte 2005 vom GEO-
FON-Erdbebeninformationssystem bestimmten
Erdbeben-Epizentren. Die Farbskala
zeigt die Verzögerungszeiten bis zur
ersten Veröffentlichung der automatisch
bestimmten Erdbebenparameter im Internet.
Die Symbolgröße ist ein Maß für die
Magnitudenwerte.
a) Station distribution of the „GEOFON
Extended Virtual Network“ (status end of
2005: almost 250 Stations). The red triangles
show those GEOFON stations,
which are accessible via Internet from the
data center, the yellow circles the compatible
stations of the GEVN partner networks.
b) Global distribution of earthquake
epicenters determined by the
GEOFON earthquake information system
in the second half of 2005. The colour
code shows the delay times until the first appearance of the automatically determined earthquake parameters in the
Internet. The symbol size is related to the magnitude values.
die mit P-zu-S konvertierten Wellen arbeitet. P-zu-S konvertierte
Wellen von der LAB werden häufig durch multiple
Reflexionen in der Kruste überlagert und sind in
vielen Fällen ungeeignet für LAB Beobachtungen. In den
S Receiver Functions sind die multiplen Reflexionen
jedoch von den Primärkonversionen zeitlich getrennt.
Deshalb ist die SRF Technik für die Untersuchung der
LAB sehr viel versprechend. Das Ziel unserer Arbeiten in
diesem Zusammenhang ist es, die Mächtigkeit der Lithosphäre
global zu kartieren. Davon versprechen wir uns
zahlreiche neue Erkenntnisse über die globale Plattentektonik,
da die Struktur der gesamten Lithosphäre, d. h. bis
zu ihrer Unterkante, bisher kaum bekannt ist. Im Folgenden
zeigen wir einige Beispiele einer solchen hoch auflösenden,
bisher unerreichten Abbildung der Lithosphärenunterkante.
Abb. 2.51a: Links: Geophysikalisches Observatorium in Gunungsitoli auf der Insel Nias vor der Küste Nord-Sumatras.
Rechts: Installation einer neuen GEOFON-Station in Gunungsitoli im Rahmen des Tsunami-Frühwarnsystems
(GITEWS). Die Daten werden über die existierende Satellitenverbindung einer meteorologischen Station ins Datenzentrum
nach Jakarta übertragen (Fotos J. Saul GFZ).
Left: Geophysical observatory in Gunungsitoli on Nias island off-shore Northern Sumatra. Right: Installation of a new
GEOFON station in Gunungsitoli in the framework of the German-Indian Ocean Tsunami Early Warning System
(GITEWS). The data are transmitted in real-time to the data center in Jakarta using the existing satellite link of a
co-located meteorological station.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.51b: Sicher ist sicher! Vorsichtige Flussüberquerung
auf der Insel Nias, Indonesien (Foto J. Saul
GFZ).
Saftey first! Careful river crossing on Nias island, Indonesia.
Li et al. (2004) haben mit der SRF Methode die ozeanische
Lithosphäre unter Hawaii abgebildet. Sie fanden eine
graduelle Verdünnung der Lithosphäre entlang der Inselkette
von der Hauptinsel Hawaii (~ 100 km Mächtigkeit)
bis nach Kauai im Nordwesten (~ 60 km Mächtigkeit).
Diese Beobachtung wird als Verjüngung (Rejuvenation)
der Lithosphäre beim Überfahren des Hawaii Hotspots
durch die pazifische Platte gedeutet.
Kumar et al. (2005a) haben die LAB unter Island und
Grönland kartiert (Abb. 2.54). Die Lithosphäre unter dem
größten Teil Islands und großen Teilen Zentralgrönlands
ist ungefähr 80 km mächtig. Diese Beobachtungen in
Island stehen im Widerspruch zur geschätzten Mächtigkeit
der elastischen Lithosphäre aus nacheiszeitlichen
Abb. 2.52: Vergleich eines langperiodisch gefilterten
Beschleunigungsseismogramms mit Wasserpegelmessungen
des Tsunami an einer Messstation auf Diego Garcia
(a) und den Kokos Inseln (b). Die Seismogramme sind in
die Richtung der Maximalamplituden rotiert (N150° O für
DGAR and N60° O für COCO). Die Zeitachse beginnt zur
Herdzeit des Bebens.
Comparison of long-period acceleration seismograms
with tide gauge data at stations on Diego Garcia (a) and
Cocos islands (b), recording the tsunami. The seismograms
are rotated into the direction of the maximum amplitudes
(N150° E for DGAR and N60° E for COCO). The
time axis starts at the origin time of the earthquake.
Abb. 2.53: Konzept für die Bestimmung des Bruchverlaufs des Sumatra Bebens durch Polarisationsanalyse
an Einzelstationen im regionalen Bereich. Die P-Wellen-Seismogramme werden für jede Station (Dreiecke) analysiert,
um die Variation des Backazimuts mit fortschreitender Zeit zu bestimmen (dünner roter Pfeil). Daraus
kann dann die Bruchausbreitung vom Epizentrum aus bestimmt werden (dicker roter Pfeil). Wegen der Kürze der
P-Wellen-Coda (~ 4 min) vor dem Eintreffen der S-Welle konnte nur etwa die Hälfte der Bruchlänge mit regionalen
Daten bestimmt werden. Für eine
Bestimmung der gesamten Länge muss
man weiter entfernte Stationen hinzunehmen.
Concept of determination of rupture propagation
process of the Sumatra earthquake
by polarisation analysis at single
stations at regional distances. P wave
seismograms at each station (triangles)
are analysed to determine the variations
of back-azimuths with increase of time
(indicated by thin red arrows). The rupture
propagation is then determined (red
thick arrow) starting at the epicentre
(star). Only half of the rupture length was
determined because of a short window of
P wave coda (~ 4 min) used prior to the
arrival of S wave. To determine the whole
rupture length we have to use more distant
stations.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
249

250
Abb. 2.54: (a) Karte des NW Atlantik
mit den Regionen, in denen die Tiefe der
Lithosphäre durch S Receiver Functions
ermittelt wurde. Die dünnste Lithosphäre
(40 bis 60 km) wurde bei den Jan Mayen
Inseln gefunden. Entlang der Westküste
Grönlands beträgt die Mächtigkeit der
Lithosphäre 100 bis 120 km in Übereinstimmung
mit früheren Untersuchungen.
In der Region F (Ostgrönland) ist die
Lithosphäre nur 70 km mächtig. Dort wird
die Spur des Island Plumes vermutet (rote
gestrichelte Linie). (b) Ausgewählte S Receiver
Functions entlang der Plume Spur.
Die Buchstaben am oberen Rand korrespondieren
mit den Regionen in (a). Die Verdünnung
der Lithosphäre in Ostgrönland
(Region F) ist sichtbar.
(a) Bathymetric map of the NW Atlantic
with regions marked where the depth of
the lithosphere was obtained by S receiver
functions. The thinnest lithosphere
(40-60 km) is found at Jan Mayen. Most
of Iceland and large parts of Greenland
have an 80 km thick lithosphere. Along the
west coast of Greenland the lithosphere
is 100-120 km thick. The lithosphere is
only 70 km thick in region F in eastern
Greenland, where the track of the Iceland
plume is proposed (red dashed line).
(b) Selected S receiver functions aligned along the plume trace. The characters on the top of the figure mark the regions
described in (a). The thinning of the lithosphere in eastern Greenland (region F) is clearly visible.
Hebungsdaten, die auf 10 bis 20 km Mächtigkeit hindeuten.
Die große Diskrepanz ist zurzeit noch ungeklärt.
Kumar et al. (2005b) haben die LAB im Tien Shan und
Westtibet abgebildet (Abb. 2.55). Die Mächtigkeit der
Lithosphäre schwankt zwischen 90 und 120 km unter dem
Tien Shan und erhöht sich auf einen Wert von 160 km unter
dem Tarim Becken. Südlich des Tarim-Beckens kann die
LAB der asiatischen Lithosphäre bis in eine Tiefe von
270 km unter dem zentralen Pamir und Karakorum verfolgt
werden, während die indische Lithosphäre unter dem Karakoram
von 130 km bis 170 km in Richtung Norden abtaucht.
Die Beobachtungen zeigen ein Szenario der kontinentalen
Kollision und Subduktion in Übereinstimmung mit der
Seismizität und der Oberflächenwellen-Tomographie.
Kumar et al. (2006) beobachteten eine dicke tibetanische
Lithosphäre (> 150 km) in Zentral- und Nordtibet und
einen vertikalen Sprung von ~ 50 km zwischen der indischen
und der asiatischen Lithosphäre (Abb. 2.56). Die
Beobachtung einer gut definierten, mächtigen Lithosphäre
unter dem gesamten Plateau stimmt nicht mit Modellen
der Delamination einer verdickten Mantellithosphäre
in Nordtibet überein (z. B. Houseman et al., 1981), die
eine sehr dünne asiatische Lithosphäre voraussagen würden.
Diese Ergebnisse schlagen eine Subduktion der indischen
Lithosphäre in Südtibet und eine relativ geringe
Zunahme der Mächtigkeit der tibetanischen Lithosphäre
nach Süden in Zentral- und Nordtibet durch Subduktion
der asiatischen Lithosphäre vor.
Vom Kern bis ins Weltall:Beobachtung und Untersuchung
des Erdmagnetfelds
Das Ziel der Arbeiten der Sektion 2.3 ist ein besseres Verständnis
der räumlichen und zeitlichen Variabilität des
Erdmagnetfelds und deren Ursachen. Dabei werden die
Untersuchungen anhand von Magnetfeldbeobachtungen
an der Erdoberfläche (Bodenmessungen) und von Satelliten
aus durchgeführt. Das zentrale Problem besteht darin,
dass alle gemessenen Magnetfelddaten Anteile verschiedener
Quellen enthalten:
• des vom Geodynamo im äußeren Erdkern erzeugten
Haupt- oder Kernfelds,
• des auf der permanenten Magnetisierung von Gesteinen
basierenden Krustenfelds,
• der von verschiedenen Stromsystemen in der Ionosphäre
und Magnetosphäre erzeugten Felder, die aufgrund
ihrer außerhalb der Erde liegenden Quellen zusammenfassend
als externe Felder bezeichnet werden, sowie
• der in Erdkruste, Erdmantel und Ozeanen durch Variation
der primären Felder induzierten sekundären Felder.
Eine detaillierte Zusammenfassung des Standes
der Forschung auf diesem Gebiet wurde von Mandea
und Purucker (2005) veröffentlicht.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Vor der wissenschaftlichen Modellierung und Interpretation
steht zunächst die Gewinnung weltweiter, qualitativ
hochwertiger Beobachtungen des Erdmagnetfelds, an der
das GFZ Potsdam engagiert beteiligt ist.
Beobachtung der Kapriolen des Magnetfelds
Bodenmessungen
Seit der Gründung des GFZ Potsdam gehört das Adolf-
Schmidt-Observatorium für Geomagnetismus in Niemegk
zur Sektion 2.3. Das Observatorium konnte 2005
auf sein 75-jähriges Bestehen am Standort Niemegk
zurückblicken, was am 7. September mit einem Festkolloquium
mit Fachvorträgen und internationaler Beteiligung
gewürdigt wurde (Abb. 2.57). Insgesamt, mit den
Vorgängerstationen in Seddin und Potsdam, reicht die fast
ununterbrochene Datenreihe sogar bis 1890 zurück und
Abb. 2.55: (a) Position der seismischen
Stationen (blaue Dreiecke) in der topographischen
Karte von Karakorum und
Tien Shan. Hauptüberschiebungen und
Blattverschiebungen: MPT – Main Pamir
Thrust, MKT – Main Karakoram Thrust,
MMT – Main Mantle Thrust, MBT – Main
Boundary Thrust, TFF – Talasso-Ferghana
Fault, KF – Karakoram Fault and ATF
– Altyn-Tagh Fault. (b) Seismische Sektion
entlang des N-S Profils AB (rote
gestrichelte Linie in a) geplottet über
einer tomographischen Abbildung der
Region (Friederich, 2003). Punkte zeigen
Erdbebenhypozentren (Engdahl et al.,
1998) entlang einer 100 km breiten Zone
um die Linie AB. Im oberen Teil der Abbildung
ist die Topographie entlang des Profils
dargestellt.
(a) Location of seismic stations (inverted
blue triangles) on the topographic map of
Karakoram and Tien Shan. Major thrust
and strike-slip faults: MPT – Main Pamir
Thrust, MKT – Main Karakoram Thrust,
MMT – Main Mantle Thrust, MBT – Main
Boundary Thrust, TFF – Talasso-Ferghana
Fault, KF – Karakoram Fault and ATF
– Altyn-Tagh Fault. (b) Seismic section
along the profile AB extending south to
north (red dashed line in a) overlaid on
the tomographic image (Friederich, 2003)
of the region. Dots are the earthquake
hypocenters (Engdahl et al., 1998) along
the line in a 100 km wide zone. The top
panel indicates the topography along the
profile.
gehört damit zu den längsten weltweit. Lange, kontinuierliche
Zeitreihen von Magnetfelddaten sind von entscheidender
Bedeutung für das Verständnis der langsamen
Säkularvariation des magnetischen Kernfelds. Neben der
Messung und Aufbereitung der an magnetischen Observatorien
üblichen Datenprodukte obliegt dem Observatorium
Niemegk im Auftrag der International Association
of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) die Berechnung
und Veröffentlichung des kp-Index, einer häufig verwendeten
Maßzahl für die magnetische Aktivität.
In den letzten Jahren wurden die Aktivitäten des Observatoriums
Niemegk international ausgeweitet, um eine
bessere globale Verteilung magnetischer Bodendaten zu
erzielen. Die im Folgenden beschriebenen Projekte sind
in Abb. 2.58 zusammenfassend dargestellt. Schon seit 2000
wird das Erdmagnetische Observatorium Wingst, zwischen
Hamburg und Cuxhaven, in Kooperation des GFZ Pots-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
251

252
Abb. 2.56: (a) Topographische Karte von Tibet mit seismischen Stationen. Die wichtigsten tektonischen Störungszonen
sind markiert: ZS – Yarlung-Zangbo Suture, BNS – Bangong-Nujiang Suture, JRS – Jinsha River Suture und KF – Kunlun
fault. (b) Summierte S-Receiver Functions entlang der Profile AB, CD und EF in (a). Die linke Ordinate kennzeichnet
die Verzögerungszeit der LAB, die rechte Ordinate die approximierte Tiefenskala. Die Tiefe der Moho-Diskontinuität
schwankt zwischen 60 und 80 km unter Tibet. Die LAB variiert zwischen 150 und 210 km, mit einem Sprung
von ca. 50 km südlich der BNS. (c) Skizze der Kollision der Indischen und Asiatischen Lithosphärenplatten, zusammenfassend
nach Ergebnissen von S Receiver Functions (S-rf) und P Receiver Functions (P-rf) Analysen. Die Beobachtungen
weisen auf eine Subduktion der indischen und der asiatischen Lithosphäre hin. Die Indische Platte taucht südlich
der BNS in den Mantel ab. Die asiatische Lithosphäre scheint in einem früheren, flacheren Zustand der Subduktion
zu sein und trägt vermutlich zum Wachstum des tibetanischen Plateaus bei (Tapponnier, 2001). Die oberen Grenzen
der indischen und asiatischen Mantel-Lithosphäre wurde mit P Receiver Functions (Kosarev et al., 1999; Kind et
al., 2002) ermittelt, während die Unterkante aus S Receiver Functions bestimmt wurde. Die Mohotiefe, bestimmt aus
P und S Receiver Functions, verläuft relativ glatt zwischen 80 und 60 km (Yuan et al., 1997, Kind et al., 2002). Gestrichelte
Linien zeigen eine Zone hoher Scherwellengeschwindigkeit aus einer Tomographiestudie von Griot et al. (1998),
nach Tapponnier et al. (2001).
(a) Topographic map of Tibet with locations of seismic stations. The main tectonic boundaries dividing Tibet into different
terranes are marked, ZS – Yarlung-Zangbo Suture, BNS – Bangong-Nujiang Suture, JRS – Jinsha River Suture and
KF – Kunlun fault. (b) Stacked S-receiver functions along profiles AB, CD and EF in (a). The left ordinate marks the
arrival time, the right ordinate is the approximate depth scale. The Moho depth varies between 60 and 80 km across
Tibet. The LAB depth varies between 150 and 210 km, with a step of about 50 km south of the BNS. (c) Sketch illustrating
the collision of the Indian and Asian lithospheric plates summarizing the results of S receiver function (S-rf) analysis
and earlier P receiver function (P-rf) results. The observations suggest subduction of both the Indian and Asian
lithospheres. The Indian plate is penetrating into the mantle south of the BNS. The Asian subduction appears to be at a
lithospheric scale, probably contributing to the growth of the Tibetan plateau (Tapponnier, 2001). The upper boundaries
of the Indian and Asian lithospheres are constrained by the P receiver functions (Kosarev et al., 1999; Kind et al., 2002),
while the lower boundaries are determined by S receiver functions. The Moho depth, constrained by P and S receiver
functions, varies smoothly between 80 and 60 km (Yuan et al., 1997; Kind et al., 2002). Green dashed lines indicate a
zone of high shear wave velocity from the tomography study of Griot et al. (1998), after Tapponnier et al. (2001).
dam mit dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie
betrieben. Mit Ausscheiden des dortigen Observators
in den Ruhestand obliegt die Datengewinnung und
-verarbeitung seit 2004 dem Observatorium Niemegk.
Seit 2002 besteht eine Kooperation mit der Universität
Mayor de San Andres, La Paz (Bolivien) zum Betrieb eines
2003 neu eingerichteten Observatoriums Villa Remedios.
Nach anfänglichen Schwierigkeiten und Problemen mit
den Messgeräten konnte 2005 ein zuverlässiger Betrieb
dieses Observatoriums entsprechend den aktuellen Qualitätsanforderungen
erreicht werden, wozu unter anderem
eine erneute Schulung zweier bolivianischer Kollegen am
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 2.57: Teilnehmer des Festkolloquiums anlässlich
des 75-jährigen Bestehens des Adolf-Schmidt-
Observatoriums für Geomagnetismus des GeoForschungsZentrums
Potsdam am Standort Niemegk (Foto:
H.-D. Scherz).
Participants of the colloquium celebrating the 75 anniversary
of the Geomagnetic Adolf-Schmidt-Observatory
of GFZ Potsdam at the location of Niemegk.
Abb. 2.58: Beiträge des GeoForschungsZentrums Potsdam zu geomagnetischen Bodenmessungen weltweit: Vom Adolf-
Schmidt-Observatorium Niemegk (rot) werden zunehmend weitere Observatorien weltweit in Kooperation mit anderen
Institutionen betrieben (lila). In blau die weiteren am internationalen Datenverbund INTERMAGNET teilnehmenden
Observatorien. Die grauen Linien zeigen die aktuelle Verteilung der magnetischen Deklination in Grad. Zusätzlich führt
das Observatorium Niemegk Säkularpunktmessungen in Deutschland (rot), durch, die seit 2004 in den Rahmen des
europäischen MagNetE-Projekts (grün) fallen, sowie seit 2005 in Kooperation mit dem Hermanus Magnetic Observatory
auch im südlichen Afrika (lila, INKABA ye AFRICA Projekt).
Contributions of GFZ Potsdam to global geomagnetic ground measurements: Geomagnetic Adolf-Schmidt-Observatory
in Niemegk (red) is operating an increasing number of observatories worldwide in cooperation with other institutions
(purple). Blue dots are further geomagnetic observatories contributing to the international INTERMAGNET data
exchange and the grey lines show the current distribution of magnetic declination in degrees. Moreover, the Niemegk
observatory carries out repeat station measurements in Germany (red), since 2004 in the framework of the European
MagNetE project (green), and since 2005 also in southern Africa in cooperation with Hermanus Magnetic Observatory
(purple, INKABA ye AFRICA project).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
253

254
Observatorium Niemegk beitrug. Im Jahr 2005 wurde darüber
hinaus das Observatorium Panagjurishte des Geophysikalischen
Instituts der Bulgarischen Akademie der
Wissenschaften vom GFZ Potsdam mit modernen Geräten
ausgestattet, damit deren Messwerte den heutigen
Standards entsprechen. In Keetmanshoop, Namibia,
wurde Ende des Jahres 2005 in Kooperation mit dem Hermanus
Magnetic Observatory, Südafrika, ein weiteres geomagnetisches
Observatorium neu errichtet (Abb. 2.59).
Neben magnetischen Observatorien, deren Daten kontinuierlich
und aktuell der Wissenschaft zur Verfügung stehen,
werden in einigen Ländern in definierten Zeitabständen
zusätzliche Bodenmessungen, so genannte Säkularpunktmessungen,
durchgeführt. Sie dienen insbesondere der
regionalen Kartierung der Deklination des Magnetfelds für
praktische Zwecke. Andererseits können sie wertvolle
Informationen zur Struktur der Säkularvariation und damit
über den Geodynamo liefern, wenn sie auf die richtige
Weise durchgeführt werden. Unsere Arbeiten haben gezeigt,
dass globale Magnetfeldmodelle die Säkularvariation in
Europa nicht vollständig beschreiben. Es gibt regionale
Abweichungen, die möglicherweise auf Induktionseffekte
des variierenden Hauptfelds in der Lithosphäre zurückzuführen
sein könnten. Ob solche Effekte die beobachtete
Säkularvariation beeinflussen, konnte bisher weder nachgewiesen
noch widerlegt werden. Ein merklicher Einfluss
solcher Effekte müsste bei der Interpretation der Säkularvariation
im Hinblick auf den Geodynamoprozess berücksichtigt
werden. Eine höhere räumliche Datendichte ist
nötig, um diese Abweichungen zu verstehen.
Europa ist der Kontinent mit der höchsten Dichte an geomagnetischen
Bodenmessungen. Da jedoch Säkularpunktvermessungen
früher unabhängig voneinander in den einzelnen
Ländern durchgeführt wurden, sind die älteren
Daten aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen Qualität und
raum-zeitlichen Verteilung kaum zur genaueren Untersuchung
dieser regionalen Strukturen geeignet. Erst 2003
wurden auf einem vom Observatorium Niemegk initiierten
europäischen Workshop Richtlinien zur Vereinheitlichung
dieser Messungen in Europa erarbeitet. 2004 fand
die erste koordinierte Säkularpunkvermessung im Rahmen
dieses MagNetE (Magnetic Network of Europe) Projekts
auf dem neuen europäischen Punktnetz statt, zu dem
das Observatorium Niemegk mit schon früher vermessenen
44 Punkten in Deutschland beiträgt. Folgemessungen
sind in zweijährigem Abstand geplant.
Die stärkste Abnahme des Erdmagnetfelds ist in der
Gegend des südlichen Afrika und Atlantik zu beobachten.
Auch die Richtungsänderung des Magnetfelds unterscheidet
sich dort regional stark. Hier befindet sich ein Gebiet
mit einem dem normalen Dipolfeld gegenläufigen magnetischen
Fluss an der Kern-Mantel-Grenze, eine Beobachtung,
die als mögliches Vorzeichen einer bevorstehenden
Feldumkehr interpretiert wird. Gleichzeitig gibt es in
dieser Region wenig magnetische Observatorien. Die drei
seit längerem bestehenden Observatorien Hermanus,
Hartebeesthook und Tsumeb in Südafrika bzw. Namibia
liegen jeweils mehr als 1.000 km voneinander entfernt. Im
Rahmen des INKABA ye AFRICA-Projekts wurde 2005
in Kooperation mit dem Hermanus Magnetic Observato-
Abb. 2.59: Magnetfeldmessungen im südlichen Afrika. Die oberen Bilder zeigen die Durchführung von Messungen
an Säkularpunkten. Unten ist der Aufbau einer thermisch isolierten Kiste für die kontinuierlich registrierenden
Geräte am neuen Observatorium Keetmanshoop, Namibia, zu sehen (Fotos: M. Mandea, M. Korte und H.-J. Linthe,
GFZ).
Magnetic field measurements in Southern Africa. The upper photos show two of the repeat stations. In the lower picture
a thermally insulated box for the recording instruments of the new observatory Keetmanshoop, Namibia, is constructed.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

y eine Messkampagne an 40 Säkularpunkten – verteilt
über Südafrika, Namibia und Botswana – durchgeführt,
die als Auftakt zur regelmäßigen Beobachtung der Säkularvariation
an diesen Punkten dienen soll (Abb. 2.59). Die
qualitativ hochwertigen Daten und geplanten Folgemessungen
an den Stationen versprechen wertvolle Informationen
über die detaillierte Säkularvariation und der für
sie ursächlichen Vorgänge tief im Innern der Erde.
Der Satellit CHAMP
Seit dem Start des Satelliten CHAMP am 15.07.2000 verfügt
das GFZ über die Möglichkeit, das geomagnetische
Feld auch vom Weltraum aus zu registrieren. Auf seiner
niedrigen, polaren Umlaufbahn ermöglicht der Satellit
Magnetfeldmessungen mit bisher nicht erreichter Auflösung.
Im Juli des letzten Jahres wurde im Rahmen eines
Symposiums am GFZ auf die ersten fünf Jahre der erfolgreichen
Mission zurückgeblickt. Mit Blick auf die Orbitentwicklung
und den guten Zustand der Instrumente kann
mit einer Lebensdauer von drei weiteren Jahren gerechnet
werden.
Der erfolgreiche Betrieb des Satelliten und seiner Datenübertragung
beruht zu einem großen Teil auf der Erfahrung
und dem sorgfältigen Betrieb des Raumfahrzeugs
durch das DLR. Die am GFZ durchgeführte Datenprozessierung
wurde aus Mitteln des GEOTECHNOLO-
GIEN-Programms unterstützt und kann nach einer Verlängerung
der Förderung für weitere drei Jahre fortgesetzt
werden. Unser Ziel ist es, die CHAMP-Mission zeitlich
so nahe wie möglich an die Nachfolge-Mission Swarm
heran betreiben zu können.
Die ESA-Magnetfeldmission Swarm
Die European Space Agency (ESA) hat
im Mai 2004 die Multi-Satellitenmission
Swarm im Rahmen ihres Erdbeobachtungsprogramms
als „Opportunity Mission“
zur hochgenauen Erforschung des
Erdmagnetfelds ausgewählt. Die Konstellation
umfasst drei Raumfahrzeuge, die
in genau vorgegebener Formation fliegen.
Ein Satellitenpaar wird in 450 km Höhe
auf Kreisbahnen nebeneinander fliegen.
Am Äquator sind sie 150 km getrennt,
und an den Polen überkreuzen sie sich.
Ein weiter Satellit wird in 530 km Höhe,
ebenfalls auf einer polaren Kreisbahn
seine Messungen vornehmen.
Im Rahmen von der ESA finanzierten
Machbarkeitsstudien wurden im Vorfeld
Mess-Szenarien der Multi-Satelliten-
Konfiguration simuliert. Als Ergebnis
dieser Studien, die unter Leitung des
Danish Space Research Institute und mit
signifikanter Beteiligung des GFZ durchgeführt
wurden, war die erreichbare Auflösung
der Magnetfeldmessungen bei
Nutzung einer optimalen Satelliten-Konstellation gefragt.
Die äußerst positiven und überzeugenden Ergebnisse der
Studie (Olsen et al., 2004) haben sicher eine wichtige Rolle
bei der Auswahl der Swarm-Mission aus einem Angebot
von sechs Vorschlägen gespielt. Wesentliche Beiträge des
GFZ zu den Vorstudien haben ihren Niederschlag in Veröffentlichungen
gefunden (z. B. Friis-Christensen et al.,
2006; Maus et al., 2006; Olsen et al., 2006).
Abb. 2.60 zeigt schematisch die Verteilung der drei
CHAMP-ähnlichen Satelliten im Orbit. Ende 2005 hat
ESA den Zuschlag für den Bau der Satelliten an ein
Industrieteam unter Leitung von Astrium, Friedrichshafen,
vergeben. Das GFZ ist an dem Konsortium beteiligt
und wird mit seinen CHAMP-Erfahrungen wesentlich
zur Qualität der Satelliten beitragen können. Der Start
der drei Raumfahrzeuge ist für 2010 vorgesehen. Daran
schließt sich eine Messphase von mindestens vier Jahren
an. Die Swarm-Mission im Anschluss an Ørsted und
CHAMP ist als Beitrag der Magnetfeldforschung zu der
IUGG Initiative Decade of Geopotential Studies zu
sehen. Damit werden die empfohlenen Magnetfeldregistrierungen
aus dem All über mehr als einen Solarzyklus
realisiert.
In ESA-finanzierten, vorbereitenden Studien wurde nachgewiesen,
dass die Konstellation von mehreren Satelliten
es erstmalig erlaubt, bestimmte Phänomene an Hand ihrer
magnetischen Signaturen nachzuweisen. In zwei Studien,
die während der Phase A vom GFZ Potsdam durchgeführt
wurden, konnte gezeigt werden, mit welcher Genauigkeit
sich ionosphärische Ströme und Ozeanzirkulationen mit
der Swarm-Mission nachweisen lassen.
Abb. 2.60: Schematische Darstellung der Bahnkonfiguration der drei
Swarm-Satelliten. Mit einer solchen Konstellation lassen sich die Details
des geomagnetischen Felds besonders gut auflösen.
Sketch of the Swarm three-satellite orbit configuration. This formation is
optimal to resolve the details of the geomagnetic field.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
255

256
Abb. 2.61: Vergleich einer vorgegebenen Stromverteilung mit den aus der Swarm-Konstellation berechneten Stromdichten.
Die Karten zeigen die Verteilung der feld-parallelen Ströme (FACs) in der nördlichen Polarregion. Links:
Modell-Ströme für mittlere magnetische Aktivität, Mitte: aus hypothetischen Swarm-Daten berechnete Stromdichten
für ca. 30 Überflüge, rechts: Differenz zwischen berechneten und vorgegebenen Strömen. Der Vergleich zeigt eine gute
Überseinstimmung. Es ergeben sich keine systematischen Abweichungen.
Comparison of input model currents and current densities derived from the Swarm constellation. The maps show the
distribution of field-aligned currents in the northern polar region. Left: Model current distribution for moderate magnetic
activity, middle: current densities computed from hypothetic Swarm data for about 30 orbits, right: differences
between derived and input currents. The small differences confirm the high quality of the determined currents. There
are no systematic deviations.
Elektrische Ströme, die entlang der magnetischen Feldlinien
fließen, spielen eine entscheidende Rolle bei der
Übertragung von Energie aus dem Sonnenwind in die
Hochatmosphäre polarer Breiten. An magnetisch gestörten
Tagen kann dieser Energieeintrag lokal den der Sonnenstrahlung
übersteigen. Diese feldparallelen Ströme,
kurz FACs genannt, können durch die Mehrpunkt-Messungen
in der Ionosphäre eindeutig quantifiziert werden.
Wie in der ESA-geförderten Studie gezeigt werden konnte,
lassen sich Vektoroperationen mit quasi gleichzeitigen
aber räumlich getrennten Magnetfeldmessungen ausfüh-
ren. Wendet man hierauf das ampèresche Gesetz an, bekommt
man eindeutige Werte für den Strom, der die umspannte
Fläche durchfließt. Die im Abstand von etwa
100 km fliegenden Satelliten A und B nehmen zum Zeitpunkt
t1 gleichzeitig Messdaten auf. Ein weiteres Messpaar,
registriert fünf Sekunden später zur Zeit t2, komplettiert
das erforderliche Quartett. Durch geeignete Auswertung
der Daten lassen sich die FACs, die das Quadrat
durchfließen, eindeutig bestimmen. Die Swarm-Mission
bietet damit erstmalig die Möglichkeit, diese für die Dynamik
der Hochatmosphäre wichtigen Ströme zuverlässig
zu ermitteln. Abb. 2.61 zeigt an einem Beispiel, gewon-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

nen aus Modellrechnungen, mit welcher Präzision sich die
feldparallele Stromdichte reproduzieren lässt (Ritter and
Lühr, 2006).
Das Erdmagnetfeld als Summe komplizierter Prozesse
Neuigkeiten vom Geodynamo
Ein wichtiges Ziel der Arbeit der Sektion 2.3., Erdmagnetfeld,
ist ein besseres Verständnis des Geodynamoprozesses.
Die Änderungen des magnetischen Hauptfelds, genannt
Säkularvariation, liefern wichtige Informationen darüber.
Die Variationen des Geodynamos finden auf einem breiten
Spektrum von Zeitskalen statt, von abrupten Variationen –
so genannten geomagnetischen Jerks – bis hin zu Exkursionen
und Umkehrungen des gesamten Magnetfelds.
Anhand von Satelliten- und Observatoriums- sowie Säku-
larpunktdaten lassen sich die kurzperiodischen Variationen
mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung studieren.
Globale, durch Inversionsverfahren auf den Daten basierende
Magnetfeldmodelle werden entwickelt, um die Geodynamoprozesse
zu beschreiben und zu interpretieren.
Mit dem in den Vorjahren entwickelten besseren Verständnis
der externen und im Ozean induzierten Feldanteile
konnte auch die Beschreibung des Kernfelds aus den
Daten des Satelliten CHAMP entscheidend verbessert werden.
Das „POtsdam Magnetic Model of the Earth“,
POMME (Maus et al., 2005a) beschreibt das Kernfeld und
insbesondere dessen momentane Säkularvariation mit nie
zuvor erreichter Genauigkeit.
Zu den Arbeiten der Sektion 2.3. gehörten im Rahmen des
DFG-Schwerpunktprogramms „Erdmagnetische Variationen“
durchgeführte detaillierte Untersuchungen der
Abb. 2.62: Radiale Komponente des Magnetfelds an der Kern-Mantel-Grenze für den Zeitraum um 1990. In den blauen
Bereichen weisen die Magnetfeldlinien in den Kern hinein, während sie in den roten Bereichen heraustreten.
Radial component of the magnet field at the core-mantle boundary for the epoch 1990. The field lines are directed
inward in the blue and outward in the red areas respectively.
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257

258
Säkularvariation des Erdmagnetfelds im Zeitraum 1980
bis 2000. Die beiden Endpunkte des Zeitintervalls sind so
gewählt, dass sie mit den Satellitenmissionen MAGSAT,
1980, und CHAMP, ØRSTED, seit 2000, zusammenfallen.
Die Methode, die bei diesem Vorhaben im Rahmen
einer Doktorarbeit (Wardinski, 2005) entwickelt wurde,
besteht darin, eine räumlich und zeitlich kontinuierliche
Beschreibung des Erdmagnetfelds aus den Daten von ortsgebundenen
magnetischen Observatorien und Säkularpunkten
abzuleiten. Die Hauptfeldmodelle der Satellitenmissionen
für 1980 und 2000 dienen dabei als Randbedingungen
für das zeitliche Modell des Erdmagnetfelds.
So lassen sich die Informationen aus der hohen räumlichen
Dichte der Satellitendaten und die zeitlich kontinuierlichen,
aber räumlich limitierten Bodendaten zu einer kontinuierlichen
raum-zeitlichen Beschreibung des Hauptfelds
und seiner Säkularvariation der letzten 20 Jahre mit
höchstmöglicher Auflösung vereinen. Abb. 2.62 zeigt die
radiale Komponente des Magnetfelds an der Kern-Mantel-Grenze,
dabei stellt sich das Feld im Wesentlichen als
dipolar dar. Die Kernfragen dieser Untersuchung sind auf
das Verstehen der kurzzeitigen Säkularvariation des Erdmagnetfelds,
insbesondere der Geomagnetischen Jerks,
und der Prozesse, die mit diesen einhergehen, ausgerichtet.
Geomagnetische Jerks sind abrupte Änderungen in der
Säkularvariation, die besonders deutlich in der Ost-Komponente
des Magnetfelds zu beobachten sind. Inwieweit
Jerks ein weltweites Phänomen sind, ist noch nicht geklärt,
da zumindest zeitliche Verschiebungen im Auftreten in
verschiedenen Regionen, insbesondere zwischen der Nordund
Südhalbkugel, beobachtet werden (Chambodut and
Mandea, 2005) und auch die Darstellung von Jerks an der
Kern-Mantel-Grenze starke regionale Unterschiede aufweist
(Dormy and Mandea, 2005).
Die beobachtete Säkularvariation ist im Zeitraum 1980 bis
2000 sehr facettenreich. So wurden drei geomagnetische
Jerks beobachtet; einer auf der Südhalbkugel (1983), die
zwei anderen auf der Nordhalbkugel (1991 und 1999). Die
Ursachen dieses Phänomens sind weitgehend unklar, doch
liegt die Vermutung nahe, dass sie entweder mit Prozessen
an der Kern-Mantel-Grenze oder mit den magnetischen
Filtereigenschaften des Mantels zusammenhängen.
Eine Möglichkeit, Prozesse an der Kern-Mantel-Grenze
genauer zu untersuchen, besteht darin, das zeitliche
Modell des Erdmagnetfelds und der Säkularvariation für
die Fluidbewegung des flüssigen Erdkerns an seiner Grenze
zum Mantel zu invertieren. Dabei verwendet man die
Induktionsgleichung unter Vernachlässigung der magnetischen
Diffusion. Das ist die sogenannte Frozen Flux
Hypothese, die im wesentlichen besagt, dass die beobachtete
zeitliche Änderung des Magnetfelds einzig durch
die Advektion der Magnetfeldlinien bestimmt ist, dass die
Magnetfeldlinien im flüssigen Eisen des äußeren Kerns
eingefroren sind. Diese Annahme ist nur für Zeitskalen
kürzer als 100 Jahre gültig. Weitere Annahmen sind erforderlich,
um zu einer robusten Abschätzung der Fluidbewegung
an der Kern-Mantel-Grenze zu gelangen. Eine der
meistverwendeten Annahmen ist, dass die Fluidbewegung
in einer Fläche tangential zum äußeren Kern geostrophisch
ist, d. h. entscheidend für die Fluidbewegung sind
die Druckgradientkraft und die Corioliskraft. Diese Annahme
findet auch Anwendung in der Meterologie bei der
Berechnung der Trajektorien von Tief- und Hochdruckgebieten.
Die vorläufigen Resultate der Analyse der Fluidbewegung
zeigen, dass die Morphologie der Fluidbewegung
sich im Zeitraum 1980 bis 2000 nur wenig ändert
(Abb. 2.63), aber die Morphologie der Beschleunigung,
Abb. 2.63: Fluidbewegung an der Kern-Mantel-Grenze für den Zeitraum um 1990. Die Vektorpfeile stellen Geschwindigkeit
und Richtung der Bewegung dar. Die roten Bereiche markieren Zonen mit abtauchender Bewegung, wohingegen
die blauen Bereiche Zonen mit emporstrebender Bewegung kennzeichnen. Die Struktur des Geschwindigkeitsfelds
ändert sich während des Zeitraums 1980 bis 2000 kaum.
Tangential geostrophic fluid flow for 1990. The vectors describe the velocity and direction of the fluid motion at the
core-mantle boundary. The colour scale shows the intensity of the horizontal divergence, upwelling (blue) and downwelling
(red) of the fluid flow. The pattern of the fluid flow changes only marginally during the period 1980 to 2000.
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kurz bevor geomagnetische Jerks beobachtet werden,
große Änderungen zeigt. Dieses Ergebnis bedarf weiterer
Untersuchung. Aber auch Untersuchungen der Variation
der Tageslänge von Holme und DeViron (2005) weisen
darauf hin, das geomagnetische Jerks mit Beschleunigungen
der Bewegung des Erdkerns einhergehen.
Da das gesamte Spektrum der Hauptfeldvariationen Teil
des Geodynamoprozesses ist, ist auch die Untersuchung
der länger periodischen Eigenschaften der Säkularvariation
für ein besseres Verständnis wichtig. Direkte Beobachtungen
des Erdmagnetfelds reichen bis ins 16. Jahrhundert
zurück. Die Magnetfeldstärke konnte allerdings
erst seit 1840 bestimmt werden, als Carl Friedrich Gauß
ein entsprechendes Messverfahren entwickelte. Diese
Beobachtungen decken also nur einen kleinen Teil des
Spektrums der Magnetfeldvariationen ab. Informationen
über länger periodische Variationen können aus archäound
paläomagnetischen Daten gewonnen werden. Gebranntes
archäologisches Material, vulkanisches Gestein und
Sedimente können Magnetfeldrichtung und -stärke zur
Zeit ihrer Entstehung gewissermaßen einfrieren. Die Anzahl
solcher verfügbaren Datensätze von verschiedenen
Orten weltweit steigt ständig. Einzelne, regionale Datensätze
lassen nur begrenzt Rückschlüsse auf die globalen
Prozesse zu. Wir haben die aktuellen Modellierungsmethoden,
wie sie für Observatoriums- und Satellitendaten
verwendet werden, auf global verteilte archäo- und paläomagnetische
Daten der letzten 7.000 Jahre angewandt
(Korte et al., 2005; Korte and Constable, 2005a), um
gegenwärtige kontinuierliche Magnetfeldbeschreibungen
zu verlängern und so das Spektrum der global untersuchbaren
Charakteristika der Säkularvariation zu erweitern.
Das Modell CALS7K (model from Continuous Archäoand
Lake Sediment data of the past 7k years) hat aufgrund
der schlechteren globalen Verteilung und größeren Unsicherheiten
der Daten zwangsläufig eine schlechtere Auflösung
als aktuelle Modelle, beschreibt aber zuverlässig
die großräumige Säkularvariation im Periodenbereich von
Jahrhunderten bis Jahrtausenden. Das Modell wird gegenwärtig
verwendet, um die globale Verteilung und eventuell
vorhandene Periodizitäten zu studieren und um Rückschlüsse
über die Flüssigkeitsbewegungen im äußeren
Erdkern zu ziehen. Die äquivalente Modellierungsmethode
ermöglicht den direkten Vergleich mit Resultaten aus
Studien des aktuellen Magnetfelds und der kurzperiodischen
Säkularvariation.
Eines der wichtigsten Ergebnisse, die bisher aus CALS7K
gewonnen wurden, ist die Beschreibung der Entwicklung
des Dipolmoments seit 5.000 v. Chr. mit guter zeitlicher
Auflösung (Abb. 2.64). Da ein einfaches, gegenüber der
Drehachse der Erde leicht geneigtes Dipolfeld über 90 %
des an der Erdoberfläche beobachteten Magnetfelds beschreibt,
ist das Dipolmoment ein Maß für die globale
Stärke des Erdmagnetfelds. Seit dem Beginn der Intensitätsmessungen
1840 hat das Dipolmoment um 10 % abgenommen.
Diese starke Abnahme des Magnetfelds ist beun-
Abb. 2.64: Das geomagnetische Dipolmoment der letzten 7.000 Jahre und seine zeitliche Änderung. Erst die neue
globale Modellierung CALS7K (rote Kurve) hat gezeigt, dass frühere Abschätzungen des Dipolmoments nur aus
Archäo-Intensitätsdaten (VADMs) zu hoch liegen (Symbole). Im vergrößert dargestellten rechten Teil der Abbildung
ist die gute Übereinstimmung mit dem auf historischen und aktuellen Daten basierenden Dipolmoment des GUFM-
Modells (blau, Jackson et al., 2000) zu sehen. Die Abweichung (innerhalb der Fehlergrenzen) zwischen CALS7K und
GUFM ist auf die beschränkte zeitliche Auflösung des CALS7K Modells zurückzuführen. Das Ergebnis der globalen
Modellierung liefert jedoch eine wesentlich bessere zeitliche Auflösung als die früheren, über 500 bis 1.000 Jahre
gemittelten VADM-Abschätzungen. Die
hohe Variabilität des Dipolmoments wird
besonders in den Ab- und Zunahmeraten
(unten) deutlich.
The geomagnetic dipole moment of the
past 7000 years and its temporal change.
The new global model CALS7K (red)
shows that previous VADM results purely
from archaeointensity data (symbols) are
systematically biased high. The expanded
right part of the figure confirms the good
agreement between CALS7K and GUFM,
a model based on historical data (blue,
Jackson et al., 2000). The deviation of the
two models (within the error estimates) is
due to the limited temporal resolution of
CALS7K. However, the temporal resolution
in the global modelling approach is
highly improved compared to VADM estimates,
which are averaged over 500 to
1000 years. The high variability of the
dipole moment becomes most obvious
when looking at rates of change (lower
panel).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
259

260
ruhigend, da das Feld unseren Lebensraum vor dem Einfluss
des Sonnenwinds schützt. Bei starken magnetischen
Stürmen und einer Verstärkung des Sonnenwinds nach
Sonneneruptionen sind schon heute in hohen Breiten Ausfälle
von Satelliten, Stromausfälle und Beeinträchtigungen
des Flugverkehrs durch Probleme im Funkverkehr und
erhöhte Strahlungsdosen zu beobachten. Eine weitere
deutliche Abnahme des Magnetfelds würde in Zukunft
zu einer globalen Zunahme solcher Probleme führen.
Auch gibt es Spekulationen, dass die starke Abnahme der
Beginn einer Feldumkehr sein könnte, wie sie zuletzt vor
780.000 Jahren stattgefunden hat. Die Variationen des
Dipolmoments in der Vergangenheit können Hinweise auf
zu erwartende Änderungen geben. Bisher waren die Änderungen
des Dipolmoments der letzten Jahrtausende nur
aus der Beschreibung durch virtuelle axiale Dipolmomente,
VADMs, bekannt. VADMs werden aus einzelnen
Paläointensitätsmessungen gewonnen, sind gegenüber
dem echten Dipolmoment jedoch als Einzelergebnisse
stark durch Nicht-Dipolanteile des Felds verfälscht. Es
wurde angenommen, dass durch Mittelung über global
verteilte Ergebnisse und einige hundert bis tausend Jahre
diese Einflüsse vernachlässigbar werden und solch ein
gemitteltes VADM die Stärke des Dipolmoments repräsentiert.
Das globale Modell CALS7K hat gezeigt, dass
VADMs das Dipolmoment der letzten Jahrtausende systematisch
überschätzt haben (Korte and Constable, 2005b).
Damit liegt der derzeitige Wert des Dipolmoments in der
gleichen Größenordnung wie der Mittelwert der letzten
7.000 Jahre. Es hat eine lange Zeit gegeben, in der das
Dipolmoment deutlich schwächer war, und es variiert auch
deutlich stärker als die VADMs erkennen lassen. Die generelle
Abnahme hält seit ca. 2.000 Jahren an. Die mittlere
Abnahmerate über diesen Zeitraum ist mit 1,5 % pro Jahrhundert
jedoch deutlich niedriger als die derzeitige Rate,
die im Vergleich der letzten Jahrtausende ebenfalls nicht
außergewöhnlich stark ist. Eine Feldumkehr schon in
weniger als 2.000 Jahren, wie sie sich durch lineare Extrapolation
der derzeitigen Abnahmerate ergäbe, erscheint
damit unwahrscheinlich.
Das CALS7K Modell und insbesondere die verbesserte
Beschreibung des Dipolmoments sind nicht nur für das
Verständnis des Geodynamoprozesses von Bedeutung.
Abb. 2.65: Verteilung des elektrischen Widerstands im Erdmantel. Das Modell beruht auf einer 1D Inversion von scheinbaren
Widerständen und Phasen, die aus elektromagnetischen Transferfunktionen basierend auf CHAMP-Daten über
4 Jahre gewonnen wurden. Die Anpassung des Modells an die Widerstände und Phasen ist links dargestellt. Das Modell
zeigt, dass der Widerstand in der Tiefe von 410 km auf etwa 20 bis 30 Ωm abfällt. Die zweite Übergangszone liegt in
einer Tiefe von 750 km, wo sich der Widerstand sogar bis auf 1 bis 2 Ωm reduziert.
1D inversion resistivity model for apparent resistivities and phases inferred from CHAMP estimates of induction transfer
functions, based on 4 years of measurements. The fit of the model to resistivities and phases is given by the solid
lines (left). The model shows that at the 410 km boundary the resistivity drops to around 20-30 Ωm. The second transition
zone is at around 750 km where the resistivity is reduced further to about 1-2 Ωm.
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Anhand von Archiven kosmogener Nuklide, z. B. 10 Be in
Eisbohrkernen oder 14 C, werden Variabilität der Sonneneinstrahlung
und des Klimas der Vergangenheit untersucht.
Die Produktionsraten solcher Nuklide hängen aber
daneben auch von der Stärke des Erdmagnetfelds ab. Das
Modell wird inzwischen an verschiedenen Instituten verwendet,
um Stärke und Variabilität des Magnetfelds in solchen
Studien zu berücksichtigen.
Die Leitfähigkeit des Erdmantels
Wie einleitend erwähnt, tragen auch in der Erdkruste und
im Mantel induzierte Felder zu dem beobachteten Magnetfeldsignal
bei. Studien der elektromagnetischen Induktion
aus Satelliten- und Bodendaten können Erkenntnisse
über Verteilung und Änderung der elektrischen Leitfähigkeit
des Erdmantels liefern, welche zur Untersuchung von
geodynamischen Prozessen wie dem Abtauchen tektonischer
Platten, dem Aufsteigen von Mantel-Plumes und der
Konvektion anomal heißen Mantelmaterials dienen kann.
Dazu ist die Analyse der schnellen zeitlichen Magnetfeldvariationen
nötig, wobei das Verständnis der Geometrie
der Quellenfelder in der Magnetosphäre von entscheidender
Bedeutung ist. Im Gegensatz zu Observatorien,
die große Teile der Erdoberfläche und insbesondere
die Ozeane nicht abdecken können, liefern Satelliten praktisch
über den ganzen Globus verteilte Daten. Da jedoch
die Anzahl der Magnetfeldsatelliten gering ist, werden
räumlich komplexe externe Stromquellen zu jeder einzelnen
Zeit nur relativ schlecht durch die Satelliten erfasst.
Arbeiten, die im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms
„Erdmagnetische Variationen“ in Sektion 2.3
durchgeführt wurden, zeigten, dass frühere Ergebnisse von
elektromagnetischen Transferfunktionen nur aus CHAMP-
Abb. 2.66: Vorläufige digitale magnetische Anomaliekarte der Erde.
Preliminary digital magnetic anomaly map of the Earth.
Satellitendaten systematische Lokalzeitabhängigkeiten aufweisen,
die auf eine unvollständige Beschreibung der
Quellfeldgeometrie hinweisen (Balasis et al., 2004). Wiederum
ergänzen sich die reinen und langen Zeitreihen
magnetischer Observatoriendaten und die raum-zeitlich
verteilten Satellitendaten hervorragend, doch stellt auch
hier die gleichzeitige Analyse ein nicht unerhebliches Problem
dar. Die derzeitigen Arbeiten lieferten bereits eine
bessere Beschreibung der magnetosphärischen Quellen
sowie ein erstes, vorläufiges 1D-Modell der Leitfähigkeit
des Erdmantels (Abb. 2.65, Balasis et al., 2004).
Auf dem Weg zu einer globalen magnetischen Anomaliekarte
Seit eine ausreichende Anzahl an magnetischen Satellitendaten
zur Verfügung steht, wurde in der Sektion 2.3
eine sich stetig verbessernde Reihe von Modellen der
Magnetisierung der Erdkruste entwickelt, die ausschließlich
auf Satellitendaten beruht. Gesucht sind hier die statischen
Feldanteile nach geeigneter Datenauswahl und
weitgehender Elimination der Einflüsse externer Felder in
den Daten. Das neueste dieser Modelle ist MF4 (Maus et
al., 2005b). Da die Daten vom Satelliten etwa 400 km oberhalb
der Erdoberfläche gewonnen werden, enthalten sie
keine Information über die detaillierte Struktur des Krustenfelds,
d. h. lokale Anomalien mit Ausdehnung von
weniger als etwa 400 km. Diese werden nur durch aeromagnetische
Kartierungen erfasst, die jedoch lediglich für
bestimmte Regionen durchgeführt werden und nur die
Intensität des Erdmagnetfelds beschreiben, nicht aber die
Richtungen. Eine Kombination von Satelliten-, Bodenund
aeromagnetischen Daten ist notwendig, um Informationen
über das kleinräumige Vektorfeld der Krustenmagnetisierung
zu erhalten.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Das internationale WDMAM-Projekt (World Digital Magnetic
Anomaly Map) hat die Erstellung einer weltweiten
digitalen Karte der detaillierten Krustenmagnetisierung
zum Ziel. Solch eine Karte wird für die Untersuchung
großräumiger geologischer Strukturen und Prozesse sowie
der tektonischen Entwicklung von Kontinenten und ozeanischen
Gebieten nützlich sein und kann helfen, nationale
Grenzen überschreitende geowissenschaftliche und
politische Aspekte zu klären. Dieses Projekt besteht aus
zwei Hauptaufgaben: Erstens müssen alle aeromagnetischen
Kartierungen zusammengetragen werden, die zum
Teil sehr kleinräumig, oft nicht frei verfügbar und unterschiedlich
in Format und Informationsgehalt sind. Zweitens
müssen geeignete Methoden entwickelt werden, die
verschiedenen Daten vom Erdboden bis zur Satellitenhöhe
mit ihrem unterschiedlichen Informationsgehalt gemeinsam
zu einem Modell zu invertieren. An beiden Aufgaben
war und ist das GFZ Potsdam maßgeblich beteiligt.
Seit 2005 werden die Arbeiten auf diesem Gebiet aus dem
GEOTECHNOLOGIEN-Programm unterstützt. Eine
erste, vorläufige digitale Karte, welche die derzeit verfügbaren
aeromagnetischen Datensätze kombiniert, konnte
2005 vorgestellt werden (Abb. 2.66). Zur gemeinsamen
Invertierung aller Daten wurde eine verbesserte Methode
der regionalen Variante der Kugelfunktionsanalyse, genannt
R-SCHA (Revised Spherical Cap Harmonic Ananlysis),
entwickelt (Thébault et al., 2004). Mit dieser
Methode lässt sich das detaillierte Krustenfeld für den gesamten
Bereich zwischen Erdoberfläche und Satellitenhöhe
mit einer bodennahen Auflösung von bis zu 30 km
regional beschreiben, wie in Abb. 2.67 für Europa exem-
plarisch dargestellt. Solche einzelnen Karten, mit denen
auch Unterschiede in der räumlichen Auflösung unterschiedlicher
aeromagnetischer Kartierungen optimal berücksichtigt
werden können, sollen später zu einer weltweiten
Karte kombiniert werden.
Magnetische Signaturen ionosphärischer Instabilitäten –
Störzonen für GPS-Navigation
In der Ionosphäre niedriger Breiten kommt es einige Stunden
nach Sonnenuntergang zur Ausbildung von Plasmainstabilitäten.
Durchqueren GPS-Signale diese Gebiete,
kommt es zur starken Degradation oder gar zum Verlust
des Navigationssignals (Basu et al., 2002). Wegen der
zunehmenden Bedeutung der satellitengestützten Navigation
und speziell im Hinblick auf das europäische Galileo-System,
findet das Studium der ionosphärischen Störungen
zunehmendes Interesse.
Mit Hilfe der hochauflösenden CHAMP-Messungen konnte
erstmalig experimentell nachgewiesen werden, dass die
Plasmainstabilitäten, auch Spread-F genannt, magnetische
Signaturen aufweisen (Lühr et al., 2002). In einer
anschließenden, DFG-geförderten statistischen Studie wurden
die hochaufgelösten CHAMP-Magnetfelddaten von
vier Jahren (2001 bis 2004) nach den Signaturen der Instabilität
systematisch durchforstet. Der daraus hervorgegangene
Ereignis-Datensatz bietet eine exzellente Grundlage
für statistische Analysen des Spread-F-Phänomens (Stolle
et al., 2006). Eine Frage, die sich aufdrängt, ist die Verteilung
von Gebieten, in denen Störungen des GPS-Sig-
Abb.2.67:Vertikalkomponente des magnetischen Krustenfelds in Europa, beschrieben durch ein hochauflösendes regionales
Modell aus der Kombination von aeromagnetischen Daten mit Ergebnissen von Boden- und Satellitenmessungen.
Vertical component of the magnetic crustal field in Europe, described by a high-resolution regional model combining
aeromagnetic, ground and satellite data.
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Abb. 2.68: Globale Verteilung der in CHAMP-Daten beobachteten magnetischen
Signaturen von Spread-F-Ereignissen zwischen 2001 und 2004.
Diese ionosphärischen Instabilitäten sind verantwortlich für starke Störungen
des GPS-Signals. Die Instabilitäten treten bevorzugt nördlich und
südlich des geomagnetischen Äquators auf. Eine spezielle Häufung ihres
Vorkommens ist über dem südamerikanischen/atlantischen Gebiet zu erkennen.
Global distribution of all Spread-F related magnetic signatures detected in
CHAMP data between 2001 and 2004 and for geomagnetic quiet periods
with Kp < 3. These ionospheric instabilities are responsible for strong interferences
in the GPS signal. The signatures are detected north and south
along the geomagnetic equator with a high occurrence rate over the South
American/Atlantic sector.
nals häufig zu erwarten sind. Abb. 2.68 zeigt die globale
Verteilung aller von CHAMP registrierten Signaturen der
Instabilität während des oben erwähnten Zeitintervalls.
Darauf ist zu erkennen, dass sich die Störzonen nördlich
und südlich entlang des geomagnetischen Äquators ausbilden.
Eine besondere Häufung findet
man über dem südamerikanischen/atlantischen
Sektor. Weit weniger Ereignisse
wurden über dem indischen Subkontinent
detektiert.
Der umfangreiche Datensatz von etwa
10.000 positiven Detektionen erlaubt es
nach Bedingungen zu suchen, die die Entstehung
der Instabilität begünstigen oder
behindern. Die statistische Analyse hat
eine bisher nicht bekannte starke saisonale
und längenabhängige Variation der
Auftretenswahrscheinlichkeit ergeben.
Abb. 2.69 zeigt, wie sich die Häufigkeitsrate
der Signaturen während eines
Jahres über die geographischen Längen
verteilt. Besonders auffällig sind hierbei
hohe Raten von bis zu 80 % in den Monaten
Dezember und Januar im südamerikanisch/atlantischen
Bereich. Im Gegensatz
dazu wurden in dieser Region in den
Monaten Mai bis August kaum Instabilitäten
beobachtet. Weiterhin hohe Häufigkeitsraten
treten in den Monaten um
die Tag- und Nachtgleichen im afrikanischen
Sektor auf, der wiederum um den
Jahreswechsel nur sehr gering von Spread-
F betroffen ist. Bemerkenswert ist auch
die recht gleichmäßige Verteilung im
September/Oktober über alle Längenbereiche.
Aus all diesen Ergebnissen lassen
sich wichtige Rückschlüsse auf die Empfangsqualitäten
von GPS-Signalen an
bestimmten Orten und zu gewissen Zeiten
ziehen.
Als nächstes ist vorgesehen, die relevanten
elektromagnetischen Prozesse zu
erforschen, um das Vorkommen und die
Entwicklung von störenden ionosphärischen
Instabilitäten besser zu verstehen
und vorhersagen zu können.
Studium der Hochatmosphäre mit dem
Satelliten CHAMP
Mit zunehmender Auflösung der Magnetfeldmessungen
erkennt man, dass das
geomagnetische Feld bisher nicht
bekannte Einflüsse auf eine Reihe von
Prozessen in der Umgebung unseres Planeten
hat. Für ein verbessertes Verständnis
dieser Vorgänge sind daher gleichzeitige
Messungen mehrerer Größen von
entscheidender Bedeutung. Der Satellit
CHAMP bietet derartige Beobachtungssätze. Besonders
großen Einfluss hat das irdische Magnetfeld auf die Bewegung
der geladenen Teilchen in der uns umgebenden Ionosphäre
und der Magnetosphäre und damit auf die Ströme,
die in diesen Gebieten fließen. Für geladene Teilchen, die
Abb.2.69: Längenabhängige Variation der ionosphärischen Instabilitäten
im Verlauf eines Jahres. Besonders hohe Häufigkeitsraten treten um den Jahreswechsel
über dem südamerikanisch/atlantischen Gebiet mit bis zu 80 %
auf. Im Sommer ist dieses Gebiet frei von Störungen. Die Umrisse der Kontinente
sind am oberen Rand zur besseren Orientierung angebracht.
Longitudinal variation of the ionospheric instabilities over the course of a
year. Very high occurrence rates of up to 80 % are observed in the South
American/Atlantic sector around the December solstice. During summer
this region is free of disturbances. The map of continents above the diagram
may help to localise the affected regions.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
263

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Abb. 2.70: Links: Verteilung der feinskaligen, feld-parallelen Ströme (FACs) in den polaren Gebieten beider Hemisphären.
Die überwiegende Zahl derartiger Ströme wurde von CHAMP auf der Tagseite zu Lokalzeiten zwischen 5 und
18 Uhr beobachtet. Rechts: Differenz der Luftdichte zwischen den Messungen von CHAMP und dem Atmosphärenmodell
MSIS in Prozent. Auffallend sind die beobachteten Dichtemaxima auf der Tagseite an den Orten wo sich auch
die feinskaligen FACs konzentrieren. Diese Art von Strömen bewirkt offensichtlich eine Aufheizung der Hochatmosphäre.
Left: Distribution of small-scale field-aligned currents (FACs) in the polar regions of both hemispheres. The majority
of these FACs are detected by CHAMP on the dayside within the 5 to 18 local time sector. Right: Relative difference
in percent between CHAMP air density measurements and atmospheric model (MSIS) values. Outstanding are the
observed maxima on the dayside at locations that coincide with the concentration of small-scale FACs. These currents
obviously make important contributions in heating the upper atmosphere.
von außen kommen, wie zum Beispiel der Sonnenwind,
wirkt das Magnetfeld wie ein Schutzschild. Trotz dieser
Eigenschaft vermag der Sonnenwind an aktiven Tagen
eine große Menge Energie auf das System Erde zu übertragen.
Diese Energie verteilt sich nicht gleichmäßig über
die Erdoberfläche, sondern wird in Form von Strömen entlang
der Magnetfeldlinien in die Hochatmosphäre hoher
Breiten geleitet und dort in Wärme umgewandelt. Diese
feldparallelen Ströme, kurz FACs genannt, sind auch die
Ursache der herrlichen Polarlichter, die man häufig in
polaren Gebieten antrifft.
Neuere Beobachtungen von CHAMP belegen, dass die
FACs nicht immer als großräumiges, kontinuierliches
Stromband auftreten, sondern sich häufig in viele Stromfilamente
mit typischen Durchmessern von einem Kilometer
aufspalten. Dank der guten zeitlichen Auflösung
von 50 Messungen pro Sekunde kann CHAMP bei seiner
Umlaufgeschwindigkeit von 7,6 km/s derartige Strukturen
noch sicher auflösen. Für die Jahre 2002 und 2003
wurden die CHAMP-Daten systematisch nach intensiven
feinskaligen FACs durchforstet. In etwa 10 % der Umläufe
waren derartige Stromstrukturen zu finden. Wie man
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

der linken Seite der Abb. 2.70 entnehmen
kann, konzentrieren sich diese Ströme in
hohen magnetischen Breiten oberhalb
von 60° ringförmig um die Magnetpole
in beiden Hemisphären. Eine besonders
große Häufigkeit ist auf der Tagseite zwischen
6 und 18 Uhr Lokalzeit zu beobachten.
Auf der Nachtseite findet man
gelegentlich auch derartige Ereignisse,
aber sehr viel seltener.
Bisher konnte nicht zweifelsfrei geklärt
werden, welcher physikalische Prozess
für die Filamentierung der feld-parallelen
Ströme verantwortlich ist. Dennoch sind
die Ströme von erheblicher Bedeutung,
da sie wegen ihrer kurzen Skalenlängen
besonders effektiv ihre elektrische Energie
in Wärme umwandeln und damit die
Hochatmosphäre lokal aufheizen. Wie
von Lühr et al. (2004) gezeigt wurde,
geschieht dies bevorzugt im Mittagssektor
in etwa 75° Breite. Eine mögliche
Indikation für die ionosphärische Heizung
ist die Elektronentemperatur. Die
beobachtete, sehr enge Korrelation zwischen
dem Antreffen von feinskaligen
FACs und einer deutlich erhöhten Elektronentemperatur
ist ein Hinweis auf die
Bedeutung der Stromfilamente für den
Energieeintrag.
Mit seinem Akzelerometer hat CHAMP
ein Instrument an Bord, mit dem sich die
Abbremsung des Satelliten und damit die
Dichte der Restatmosphäre bestimmen
lässt. Dieses neuartige Messverfahren
wurde in den zurückliegenden zwei Jahren intensiv genutzt,
um die Eigenschaften der Thermosphäre (100 bis
1.000 km Höhe) genauer zu studieren. Ein Ziel des von
der Humboldt Stiftung geförderten Projekts war die Überprüfung,
inwieweit die gängigen Atmosphärenmodelle,
z. B. MSIS (Mass Spectrometer and Incoherent Scatter)
die realen Gegebenheiten widerspiegeln. Diese Modelle
finden breite Anwendung, unter anderem bei der Vorausberechnung
von Satellitenbahnen. Ihre Zuverlässigkeit ist
daher von erheblicher praktischer Bedeutung.
In einer statistischen Studie haben Liu et al. (2005) CHAMP-
Luftdichtemessungen des gesamten Jahres 2002 mit den
Vorhersagen des MSIS-Modells verglichen. Für magnetisch
ruhige Tage und in mittleren Breiten ergab sich eine
befriedigende Übereinstimmung. Dennoch findet man in
gewissen Gebieten auch hier signifikante Unterschiede.
Dies ist ganz anders in hohen Breiten. Die Unterschiede
zwischen Beobachtung und Modell betragen bis zu 30 %
in nord- und südpolaren Bereichen, wie man den Diagrammen
auf der rechten Seite der Abb. 2.70 entnehmen
kann. Besonders auffällig sind starke Dichteerhöhungen
in der Umgebung des Mittagssektors in Breiten zwischen
70° und 80°. Diese Anomalien sind offensichtlich nicht
Abb. 2.71: Schematische Darstellung zur Fokussierung der feld-parallelen
Ströme in der Cusp. Der Scheitelpunkt der geomagnetischen Feldlinien, auch
Cusp-Region genannt, befindet sich in etwa 75° magnetischer Breite im
Mittagssektor. Die einfließenden Ströme bewirken eine Heizung der Hochatmosphäre.
The focussing of the field-aligned currents in the cusp is schematically
shown. The funnel-shaped concentration of geomagnetic field lines, also called
cusp, has its footprint in the ionosphere at about 75° magnetic latitude
in the noon sector. The energy coming in through the FACs is heating the
upper atmosphere.
im Modell enthalten. Eine weitere, aber nicht so ausgeprägte
Unterschätzung der Luftdichte finden wir auf der
Nachtseite der Polarlichtzone. Interessanterweise decken
sich die Gebiete erhöhter Luftdichte recht gut mit der Verteilung
der feinskaligen FACs (linke Seite der Abb.). Auch
die Luftdichtemessungen legen den Schluss nahe, dass die
filamentartigen Ströme die Atmosphäre in ca. 100 km
Höhe aufheizen. Durch die Temperaturerhöhung expandiert
die Atmosphäre, und CHAMP durchquert daher in
diesem Gebieten Luftschichten erhöhter Dichte, die man
sonst nur in geringeren Höhen antrifft. In der so genannten
Cusp-Region laufen die geomagnetischen Feldlinien
trichterförmig zusammen. Wie man der Prinzipskizze in
Abb. 2.71 entnehmen kann, werden hier offensichtlich
Ströme aus weiten Bereichen der Magnetosphäre trichterförmig
auf engem Raum in der Hochatmosphäre konzentriert,
was ein Grund für die lokale Aufheizung sein
könnte.
In niedrigen Breiten finden wir auch eine unerwartete Verteilung
der Luftdichte. Die höchste Dichte trifft man nicht
am subsolaren Punkt an, wie von den Modellen suggeriert,
sondern in Bändern nördlich und südlich des geomagnetischen
Äquators (Liu et al., 2005). Es gibt offen-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
265

266
sichtlich neben der Sonne noch einen weiteren Mechanismus,
der wesentlich zur Heizung der Atmosphäre beiträgt
und der über das geomagnetische Feld gesteuert wird.
Die Dichtemaxima folgen dem Verlauf des magnetischen
Äquators auf beiden Seiten in einem Abstand von etwa
25° Breite. Bis heute ist nicht zweifelsfrei geklärt, welcher
Prozess für diese zusätzliche Heizung verantwortlich
ist. Es besteht aber Einvernehmen darüber, dass es sich
hier um eine Wechselwirkung zwischen den geladenen
und neutralen Gasteilchen der Hochatmosphäre handeln
muss.
Die Messungen des Satelliten CHAMP haben erstmalig
die Rolle des Magnetfelds für die Dynamik der Hochatmosphäre
deutlich gezeigt. Diese Art von Effekten ist bisher
in keinem der gängigen Atmosphärenmodelle berücksichtigt.
Die Mehrpunktmessungen der Mission Swarm
werden sicherlich weitere Erkenntnisse liefern.
Literatur:
Anderson, D. L. (1995): Lithosphere, asthenosphere, and perisphere, Rev. Geophys.,
33, 125-149.
Baisch, S., M. Bohnhoff, L. Ceranna, Y. Tu, and H.P. Harjes (2002): Probing
the crust to 9 km depth: Fluid injection experiments and induced seismicity at
the KTB superdeep drilling hole, Germany, Bull. Seismol. Soc. Am., 92,
2369-2380.
Balasis, G., G.D. Egbert, and S. Maus (2004): Local time effects in satellite estimates
of electromagnetic induction transfer functions, Geophys. Res. Lett., 31
(L16610, doi: 10.1029/2004GL020147).
Baris, S., A. Ito, S. B. Ucer, Y. Honkura, N. Kafadar, R. Pektas, T. Komut, and M.
Misikara (2002): Microearthquake activity before the Izmit earthquake in the eastern
Marmara region, Turkey (1 January 1993-17 August 1999), Bulletin of the
Seismological Society of America, 92, 394-405.
Barrell, J. (1914): The strength of the Earth’s crust, J. Geol., 22, 680ff.
Basu, S., K.M. Groves, S. Basu, and P.J. Sultan (2002): Specification and forecasting
of scintillations in communication/navigation links: current status and future
plans, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 64, 1745-1754.
Beattie, J.C. (1909): Report of the magnetic survey of South Africa, Cambridge
University Press.
Bindi, D., Parolai, S., Grosser, H., Milkereit, C., und Karakisa, S. (2006): Crustal
attenuation characteristics in northwestern Turkey. II Qp(f) and Qs(f) in the range
1 to 10 Hz., Bull. Seism. Soc. Am., in press.
Bindi, D., Parolai, S., Grosser, H., Milkereit, C., und Zünbül, S. (2006): Crustal
attenuation characteristics in northwestern Turkey. I Cumulative attenuation along
single paths. Bull. Seism. Soc. Am., in press.
Bohnhof, M., Grosser, H., Dresen, G. (2006): Strain partitioning and stress rotation
at the North Anatolian fault zone from aftershock focal mechanisms of the 1999
Izmit Mw = 7.4 earthquake. Geophys. J. Int., in revision.
Bormann, P. and K. Wylegalla (2005): Quick Estimator of the Size of Great Earthquakes.
EOS Vol. 86, No. 46.
Budny, M. (1984): Seismische Bestimmung der bodendynamischen Kennwerte von
oberflächennahen Schichten in Erdbebengebieten der Niederrheinischen Bucht
und ihre ingenieursseismologische Anwendung. Dissertation, Universität Köln.
Bürgmann, R., S. Ergintav, P. Segall, E. H. Hearn, S. C. McClusky, R. E. Reilinger,
H. Woith, and J. Zschau (2002): Time-dependent distributed afterslip on and
deep below the Izmit earthquake rupture, Bulletin of the Seismological Society of
America, 92, 126-137.
Cakir, Z., C. J. B. de, R. Armijo, B. Meyer, A. Barka, and G. Peltzer (2003): Coseismic
and early post-seismic slip associated with the 1999 Izmit earthquake (Turkey),
from SAR interferometry and tectonic field observations, Geophysical Journal
International, 155, 93-110.
Chambodut, A. and M. Mandea (2005): Evidence for geomagnetic jerks in comprehensive
models, Earths Planets Space, 57, 139-149.
de Beer, J.H., van Zijl, J.S.V. and Gough, D.I. (1982): The Southern Cape Conductive
Belt (South Africa): Its composition, origin and tectonic significance, Tectonophysics,
83: 205-225.
Delouis, B., D. Giardini, P. Lundgren, and J. Salichon (2002): Joint inversion of
InSAR, GPS, teleseismic, and strong-motion data for the spatial and temporal distribution
of earthquake slip; application to the 1999 Izmit mainshock, Bulletin of
the Seismological Society of America, 92, 278-299.
Dormy, E. and M. Mandea (2005): Tracking geomagnetic impulses down to the
core-mantle boundary, Earth Planet. Sci. Let., 237, 300-309.
Eisenlohr, Th. (1995): Die Termalwässer der Armutlu-Halbinsel (NW-Türkei) und
deren Beziehung zu Geologie und aktiver Tektonik. Diss. ETH Nr. 11340.
Emmermann, R. and Lauterjung, J. (1997): The German Continental Deep Drilling
Program KTB: Overview and major results. J. Geophys. Res., 102:18179-
18201.
Engdahl, E. R., R. D. van der Hilst and R. Buland (1998): Global teleseismic earthquake
relocation with improved travel times and procedures for depth determination,
Bull. Seism. Soc. Am., 88, 722-743.
Fäcke, A., Parolai, S., Richwalski, S.M., und Stempniewski, L. (2006): Assessing
the vibrational frequencies of the Cathedral of Cologne (Germany) by means of
ambient seismic noise analysis. Natural Hazards, special issue on German Research
Network Natural Disasters, guest editors Disse, Friedrich, Goldammer, Merz,
Schwarz, und Smolka, 38 (1-2), 231-238.
Fialko, Y., Sandwell, D., Simons, M., Rosen, P. (2005): Three-dimensional deformation
caused by the Bam, Iran, earthquake and the origin of shallow slip deficit.
Nature, 435 (7040): 295-299.
Franzke, H.J., Werner, W., Wetzel, H.-U. (2003): Die Anwendung von Satellitenbilddaten
zur tektonischen Analyse des Schwarzwalds und des angrenzenden Oberrheingrabens.
– Geol.L.-Amt Baden-Wyrtt., Jh. 39: 25-54; Freiberg i.Br.
Friederich, W. (2003): The S-velocity structure of the East Asian mantle from inversion
of shear and surface waveforms, Geophys. J. Int., 153, 88-102.
Friis-Christensen, E., H. Lühr, and G. Hulot, Swarm (2006): A constellation to
study the Earth’s magnetic field, Earth Planets Space, in press.
Griot, D-A., J-P. Montagner and P. Tapponnier (1998): Phase velocity structure
from Rayleigh and Love waves in Tibet and its neighboring region, J. Geophys.
Res., 103, 21215-21232.
Gung, Y., M. Panning and B. Romanowicz (2003): Global anisotropy and the thickness
of continents, Nature, 422, 707-711.
Gutenberg, B. (1954): Low-velocity layers in the earth’s mantle. Bulletin of the
Geological Society of America 65, 337-348.
Hearn, E.H., Bürgmann, R. (2005): The effect of elastic layering on inversions of
GPS data for coseismic slip and resulting stress changes: Strike-slip earthquakes.
Bulletin of the Seismological Society of America, 95 (5): 1637-1653.
Holme, R. and O. de Viron (2005): Geomagnetic jerks and a high-resolution lengthof-day
profile for core studies, Geophys. J. Int., 160, 435-440.
Houseman, G. A., D. P. McKenzie and P. Molnar (1981): Convective instability of
a thickened boundary layer and its relevance for thermal evolution of continental
convergent belts, J. Geophys. Res., 86, 6115-6132, 1981.
Hu, Y., Wang, K., He, J., Klotz, J., Khazaradze, G. (2004): Three-dimensional
viscoelastic finite element model for postseismic deformation of the great 1960
Chile earthquake. J. Geophys. Res., 109, (Citation number B12403, doi:10.1029/
2004JB003163).
Jackson, A., A.R.T. Jonkers, and M.R. Walker (2000): Four centuries of geomagnetic
secular variation from historical records, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 358,
957-990.
Karabulut, H., M. P. Bouin, M. Bouchon, M. Dietrich, C. Cornou, and M. Aktar
(2002): The seismicity in the eastern Marmara Sea after the 17 August 1999
Izmit earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America, 92,
387-393.
Khazaradze, G., Klotz, J. (2003): Short- and long-term effects of GPS measured
crustal deformation rates along the south central Andes. J. Geophys. Res.,
108 (B6): ETG 5-1 to ETG 5-15, (Citation number 2289, DOI: 10.1029/
2002JB001879).
Khazaradze, G., Wang, K., Klotz, J., Hu, Y., He, J. (2002): Prolonged post-seismic
deformation of the 1960 great Chile earthquake and implications for mantle rheology.
Geophys. Res. Lett., 29 (22): 7-1 to 7-4, (Citation number 2050, DOI:
10.1029/2002GL015986).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Kind, R., X. Yuan, J. Saul, D. Nelson, S. V. Sobolev, J. Mechie, W. Zhao, G. Kosarev,
J. Ni, U. Achauer, and M. Jiang (2002): Seismic images of crust and upper
mantle beneath Tibet: Evidence for Eurasian plate subduction, Science, 298, 1219-
1221.
Klotz, J., Khazaradze, G., Angermann, D., Reigber, C., Perdomo, R., Cifuentes, O.
(2001): Earthquake cycle dominates contemporary crustal deformation in Central
and Southern Andes. Earth and Planetary Science Letters, 193 (3-4): 437-446.
KOERI (2005): Recent earthquakes in Turkey. Bogazici University, Kandilli Observatory
and Earthquake Research Institute. http://www.koeri.boun.edu.tr/sismo/
defaulteng.htm
Korte, M. and C.G. Constable (2005a): Continuous geomagnetic field models for
the past 7 millennia: 2. CALS7K, Geochem., Geophys., Geosys., 6, Q02H16,
doi:10.1029/2004GC000801.
Korte, M. and C.G. Constable (2005b): The geomagnetic dipole moment over the
last 7000 years – new results from a global model, Earth Planet. Sci. Let., 236,
348-358.
Korte, M., A. Genevey, C.G. Constable, U. Frank, and E. Schnepp (2005): Continuous
geomagnetic field models for the past 7 millennia: 1. A new global data compilation,
Geochem., Geophys., Geosys., 6, Q02H15, doi:10.1029/2004GC000800.
Kosarev, G., R. Kind, S. V. Sobolev, X. Yuan, W. Hanka and S. Oreshin (1999): Seismic
evidence for a detached Indian lithospheric mantle beneath Tibet, Science,
283, 1306-1309.
Krüger, F. and M. Ohrnberger (2005): Tracking the rupture of the Mw=9.3 Sumatra
earthquake over 1,150 km at teleseismic distance. Nature 435, 937-939.
Kumar, P., X. Yuan, R. Kind and G. Kosarev (2005a): The lithosphere-asthenosphere
boundary in the Tien Shan-Karakoram region from S receiver functions –
evidence of continental subduction, Geophys. Res. Lett., 32, L07305, doi:
10.1029/2004GL022291.
Kumar, P., R. Kind, W. Hanka, K. Wylegalla, Ch. Reigber, X. Yuan, I. Wölbern, P.
Schwintzer, K. Fleming, T. Dahl-Jensen, T. B. Larsen, J. Schweitzer, K. Priestley,
O. Gudmundsson, D. Wolf (2005b): The Lithosphere-Asthenosphere Boundary in
the North West Atlantic Region, Earth Planet. Sci. Lett., 236, 249-257.
Kumar, P., X. Yuan, R. Kind and J. Ni (2006): Imaging the Collision of the Indian
and Asian Continental Lithospheres Beneath Tibet, J. Geophys. Res., (in revision).
Langston, C. A. (1979): Structure under Mount Rainier, Washington, inferred from
teleseismic body waves, J. Geophys. Res., 84, 4749-4762.
Li, X., R. Kind, X. Yuan, I. Wölbern and W. Hanka (2004): Rejuvenation of the
Lithosphere by the Hawaiian plume, Nature 427, 827-829.
Liu, H., H. Lühr, V. Henize, and W. Köhler (2005): Global distribution of the thermospheric
total mass density derived from CHAMP, J. Geophys. Res., 110, A04301,
doi: 10.1029/2004JA010741.
Lorenzo-Martín, F., Roth, F., Wang, R. (2006a): Inversion for rheological parameters
from postseismic surface deformation associated to the 1960 Valdivia earthquake,
Chile. Geophys. J. Int., 164: 75-87, (doi: 10.1111/j.1365-246X.2005.02803.x).
Lorenzo-Martín, F., Roth, F., Wang, R. (2006b): Elastic and inelastic triggering
of earthquakes in the North Anatolian Fault zone. Tectonophys., (Reviewed, recomended
for publication).
Lorenzo-Martín, F., Wang, R., Roth, F. (2002): The effect of input parameters on
visco-elastic models of crustal deformation. Física de la Tierra, 14: 33-54.
Lühr, H., M. Rother, W. Köhler, P. Ritter, and L. Grunwaldt (2004): Thermospheric
up-welling in the cusp region, evidence from CHAMP observations, Geophys.
Res. Lett., 31, L06805, doi: 10.1029/2003GL019314.
Lühr, H., S. Maus and M. Rother (2002): First in-situ observation of night-time F
region currents with the CHAMP satellite, Geophys. Res Lett., 29, doi:
10.1029/2001GL013845.
Lühr, H., S. Maus, M. Rother, and D. Cooke (2006): First in-situ observation of
night-time F region currents with the CHAMP satellite, Geophys. Res. Lett., 29,
(10) 10.1029/2001GL013845.
Mandea, M. and M. Purucker (2005): Measurements of the Earth's magnetic field
from space, Surveys in Geophysics, 26(4), 415-459.
Maus, S., H. Lühr, and M. Purucker (2006): Simulation of the high-degree lithospheric
field recovery for the Swarm constellation of satellites, Earth Planets Space,
in press.
Maus, S., H. Lühr, G. Balasis, M. Rother, and M. Mandea (2005a): Introducing
POMME, the POtsdam Magnetic Model of the Earth, in: Earth Observation with
CHAMP – Results from Three Years in Orbit, eds. C. Reigber, H. Lühr, P. Schwintzer,
and J. Wickert, Springer Verlag, Berlin, 293-298.
Maus, S., M. Rother, K. Hemant , C. Stolle, H. Lühr, A. Kuvshinov, and N. Olsen
(2005b): Earth’s crustal magnetic field determined to spherical harmonic degree
90 from CHAMP satellite measurements, Geophys. J. Int., in press.
McClusky, S., et al., (2000): GPS constraints on plate motions and deformations
in the Eastern Mediterranean: Implications for plate dynamics, J. Geophys. Res.
105, 5695-5719.
Olsen, N., E. Friis-Christensen, G. Hulot, M. Korte, A. Kuvshinov, V. Lesur, H.
Lühr, S. Macmillan, M. Mandea, S. Maus, M. Purucker, C. Reigber, P. Ritter, M.
Rother, T.J. Sabaka, P. Tarits, and A. Thomson (February 2004): Swarm End-to-
End Mission Performance Simulator Study.
Olsen, N., R. Haagmans, T.J. Sabaka, A. Kuvshinov, S. Maus, M.E. Purucker, M.
Rother, V. Lesur, and M. Mandea (2006): The Swarm end-to-end mission simulator
study: Separation of the Various contributions to Earth's magnetic field using
synthetic data, Earth Planets Space, in press.
Pacor, F., Bindi, D., Luzi, L., Parolai, S., Marzorati, S., und Monachesi, G. (2006):
Alluvial basin effects inferred from strong motion data recorded at Gubbio (Central
Italy). Bull. Earthquake Engineering, submitted.
Parolai, S. und Bindi, D. (2004): Influence of soil layer properties on k evaluation.
Bull. Seism. Soc. Am. 1, 349-356.
Parolai, S. und Richwalski, S.M. (2004): The importance of converted waves in
comparing H/V and RSM site responses. Bull. Seism. Soc. Am. 94 (1), 304-313.
Parolai, S., Bindi, D., Baumbach, M., Grosser, H., Milkereit, C., Karakisa, S. und
Zünbül, S. (2004a): Comparison of different site estimation techniques using the
Izmit 1999 earthquake aftershocks. Bull. Seism. Soc. Am. 3, 1096-1108.
Parolai, S., Fäcke, A., Richwalski, S. M., und Stempniewski, L. (2005a): Assessing
the vibrational frequencies of buildings in the city of Cologne (Germany) by means
of ambient seismic noise analysis and FE-modelling, Natural Hazards 34, 217-230.
Parolai, S., Picozzi, M., Richwalski, S. M., und Milkereit, C. (2005b): Joint inversion
of phase velocity dispersion and H/V ratio curves from seismic noise recordings
using a genetic algorithm, considering higher modes. Geoph. Res. Lett. 32,
L01303, doi: 10.1029/2004GL021115.
Parolai, S., Richwalski, S.M., Milkereit, C. und Fäh, D. (2006b): From measurements
of ambient seismic noise to a 2D S-wave velocity model: the example of the
Cologne area (Germany), Bull. Earthq. Engg, accepted.
Parolai, S., Richwalski, S.M., Milkereit, C., und Bormann, P. (2004b): Assessment
of the stability of H/V spectral ratios and comparison with earthquake data in the
Cologne area (Germany). Tectonophysics 390, 57-73 (special issue on Strong
ground motion, earthquake hazard and risk in Alpine-Himalayan and Pacific
regions).
Picozzi, M., Parolai, S., und Richwalski, S.M. (2005): Joint inversion of H/V ratios
and dispersion curves from seismic noise; Estimating the S-wave velocity of
bedrock. Geoph. Res. Lett. 32, L11308, doi: 10.1029/8005GL022878.
Richwalski, S.M., Fäcke, A., Parolai, S., und Stempniewski, L. (2006): Influence
of site and source dependent ground motion scenarios on the seismic safety of longspan
bridges in Cologne, Germany. Natural Hazards, special issue on German
Research Network Natural Disasters, guest editors Disse, Friedrich, Goldammer,
Merz, Schwarz, und Smolka, 38 (1-2), 239-248.
Ritter, P. and H. Lühr (2006): Curl-B technique applied to Swarm constellation for
determining field-aligned currents, Earth Planets Space, in press.
S. Parolai, Grünthal, G., und Wahlström R. (2006a): Site-specific response spectra
from the combination of microzonation with probabilistic seismic hazard assessment
– an example for the Cologne (Germany) area. Soil Dynamics and Earthquake
Engineering, submitted.
Sato, T., J. Kasahara, T. Taymaz, M. Ito, A. Kamimura, T. Hayakawa, and O. Tan
(2004): A study of microearthquake seismicity and focal mechanisms within the
Sea of Marmara (NW Turkey) using ocean bottom seismometers (OBSs), Tectonophysics,
391, 303-314.
Saunders, P., Priestley, K. & Taymaz, T. (1998): Variations in the crustal structure
beneath western Turkey, Geophys. J. Int. 134, 373-389.
Scherbaum, F., Stoll, D. (1983): Source parameters and scaling laws of the 1978 Swabian
Jura (Southwest Germany) aftershocks. Bull. Seismol. Soc. Am. 73, 1321-1343.
Shapiro, S., Kummerow, J., Dienske, C., Asch, G., Rothert, E., Erzinger, J., Kümpel,
H., and Kind, R. (2006): Fluid induced seismicity guided by a continental fault:
Injection experiment of 2004/2005 at the German Continental Deep Drilling Site
(KTB). Geophys. Res. Lett., Vol 33, L01309.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
267

268
Stammler, K., Klinge, K. (2006): http://www.szgrf.bgr.de
Stolle, C., H. Lühr, M. Rother, and G. Balasis (2006): Magnetic signatures of equatorial
spread-F, as observed by the CHAMP satellite, J. Geophys. Res., in press.
Tapponnier, P., X. Zhiqin, F. Roger, B. Meyer, N. Arnau, G. Wittlinger and Y. Jingsui
(2001): Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau, Science, 294,
1671-1677.
Thébault, E., J. J. Schott, M. Mandea, and J. P. Hoffbeck (2004): A new proposal
for spherical cap harmonic modelling, Geophys. J. Int., 159, 83-103.
Vinnik, L. (19977): Detection of waves converted from P to SV in the mantle, Phys.
Earth Planet. Inter., 15, 39-45.
Wang, R. (1999): A simple orthonormalization method for the stable and efficient
computation of Green’s functions. Bull. Seism. Soc. Am., 89: 733-741.
Wang, R. (2005a): The dislocation theory: a consistent way for including the gravity
effect in (visco)elastic plane-earth models. Geophys. J. Int., 161 (1): 191-196.
Wang, R. (2005b): On the singulatity problem of the elastic-gravitational dislocation
theory applied to plane-Earth models. Geophys. Res. Lett., 32 (L06307): 1-2.
Wang, R., Kümpel, H.-J. (2003): Poroelasticity: Efficient modeling of strongly coupled,
slow deformation processes in a multilayered half-space. Geophysics, 68 (2):
705-717.
Wang, R., Lorenzo-Martín, F., Roth, F. (2003): Computation of deformation induced
by earthquakes in a multi-layered elastic crust – FORTRAN programs EDGRN/
EDCMP. Computers and Geosciences, 29 (2): 195-207.
Wang, R., Lorenzo-Martín, F., Roth, F. (2006): A semi-analytical software
PSGRN/PSCMP for calculating co- and post-seismic deformation on a layered
viscoelastic-gravitational half-space. Computers and Geosciences. Doi: 10.1016/
j.cageo.2005.08.006.
Wardinski, I. (2005): Core Surface Flow Models from Decadal and Subdecadal
Secular Variation of the Main Geomagnetic Field, Dissertation, STR 05/07.
Weckmann, U, Ritter, O., Jung, A., Branch, T. and de Wit, M. (2006): Magnetotelluric
measurements across the Beattie Magnetic Anomaly and the Southern Cape
Conductive Belt, South Africa, J. Geophys. Res. (in revision).
Woith, H., J. Zschau, R. Yilmaz, S. Karakisa, S. Zünbül, M. Baumbach, H. Grosser,
C. Milkereit, D. H. Lang, M. Raschke, J. Schwarz, W. Welle, G. W. Michel,
J. Xia, H. Kaufmann, C. Reigber, F. Ünlü, and A. Pekdeger (2000): Multidisciplinary
investigations of the German Task Force for Earthquakes related to the Izmit
earthquake of August 17, 1999 and the Düzce earthquake of November 12, 1999,
in The 1999 Izmit and Düzce Earthquakes: preliminary results, edited by A. Barka,
et al., pp. 233-245, Istanbul Technical University, Istanbul.
Yuan, X., J. Ni, R. Kind, J. Mechie and E. Sandvol (1997): Lithospheric and upper
mantle structure of southern Tibet from a seismological passive source experiment,
J. Geopys. Res., 102, 27491-27500.
Yuan, X., R. Kind, and H. A. Pedersen (2005): Seismic monitoring of the Indian
Ocean Tsunami. Geophys. Res. Lett., 32, L15308, doi: 10.1029/2005GL023464.
Yuan, X., R. Kind, X. Li and R. Wang (2006): The S receiver functions: synthetics
and data example, Geophys. J. Int., (in press).
Zoback, M., and H.P. Harjes (1997): Injection induced earthquakes and the crustal
stress at 9 km depth at the KTB deep drilling site, J. Geophys. Res., 102, 477-
492.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Küstenhebung durch Erdbeben: Herausgehobene Brandungsplattform der Insel Santa Maria, Süd-Chile, wie sie bereits
von Charles Darwin 1835 beobachtet wurden (Foto: Melnick).
Coastal uplift due to earthquakes: Exposed abrasion platforms of the Santa Maria island, southern Chile, as already
observed by Charles Darwin 1835.
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Department 3
Geodynamik
Tektonische Prozesse und Massenverlagerungen aller Art
in der Erdkruste und dem oberen Erdmantel sind unmittelbarer
Ausdruck der Dynamik der Kontinente und damit
bestimmend für den menschlichen Lebensraum. In ähnlicher
Weise gestalten die Klimaentwicklung und die
Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre
und Lithosphäre die Existenzbedingungen an der Erdoberfläche.
Im Archiv Erdkruste sind die Produkte dieser
geodynamischen und exogenen Prozesse als ähnliche und
wiederkehrende Muster gespeichert. Ziel des Departments
Geodynamik ist ihre Analyse mittels eines breiten
Methodenspektrums. Der Schwerpunkt der Forschung
liegt einerseits auf dem Studium der Entwicklung von
Deformation, Massen- und Stofftransport in und auf der
kontinentalen Kruste. Zum anderen konzentrieren sich die
Arbeiten auf die Auflösung der jüngeren Klimaentwicklung
und ihrer Steuerungsmechanismen.
Seit den 60er-Jahren vollzieht sich in den Geowissenschaften
ein Umbruch von konventionellen, eher beschreibenden
Ansätzen, zu einer quantifizierenden Wissenschaft.
Die wichtigsten Impulse entstammen dabei dem Konzept
der Plattentektonik als vereinheitlichende geowissenschaftliche
Theorie. Begleitet wurde dies durch die Entwicklung
moderner Methoden der hochauflösenden Analytik
auf der atomaren Ebene, Beobachtungen im Feldmaßstab
und mathematische Modelle zur Abbildung und
Simulation der relevanten Prozesse. Die damit quantitativ
stofflich und physikalisch untersuchten Phänomene reichen
von der Lithosphärendeformation, über die Sedimentgeologie
und Klimaforschung, der Entwicklung von
Lagerstätten bis hin zu Fragen der Naturgefahren im
Zusammenhang mit den Bewegungen der Platten.
Konvergente kontinentale Ränder nehmen dabei eine herausragende
Stellung ein: hier konzentriert sich der menschliche
Lebensraum mit der höchsten Bevölkerungsdichte
und den höchsten Wachstumsraten. Zugleich sind sie die
Zonen mit dem höchsten Nutzungs- und Gefährdungspotenzial
für den menschlichen Lebensraum. Geodynamische
Prozesse sind wegen der hohen Raten und Geschwindigkeiten
an konvergenten kontinentalen Rändern wie in
einem natürlichen Labor unmittelbar messbar und der
Analyse zugänglich. Die Kollision ozeanischer Kruste mit
kontinentaler Kruste steuert viele der wichtigsten Prozesse
auf der Erde: die stärkste Erdbebenaktivität, die Entstehung
von Tsunamis, einen vorwiegend explosiven Vulkanismus,
die Bildung bedeutender mineralischer Lagerstätten
sowie die Deformation und Umwandlung kontinentaler
Gesteine. Nahezu alle Teile der kontinentalen
Erdkruste sind hier gebildet oder im Verlauf der Erdgeschichte
umgestaltet worden. Viele der entscheidenden
Prozesse sind jedoch noch nicht ausreichend verstanden.
Gemeinsamer Kernpunkt aller Fragen ist dabei ein voll-
ständiges Verständnis der zugrunde liegenden Massenund
Energietransfers, die offenbar sehr verschiedenen
Mustern unterworfen sein können. Das Erfassen von so
genannten transienten Geoprozessen, die nicht kontinuierlich
ablaufen sondern in diskreten Schritten auf einer
breiten zeitlichen und räumlichen Skala, tritt immer stärker
in den Vordergrund.
Konvergente Plattenränder: Massentransfer und
Deformationsprozesse
Konvergente Plattenränder sind die dynamischsten Regionen
unseres Planeten. An ihnen sind aktive Prozesse der Bildung
von Gebirgen ebenso fokussiert wie über 90 % der
globalen Seismizität. Die Entwicklung von konvergenten
Plattenrändern wird neben magmatischem Materialtransfer
vor allem durch den tektonischen und erosiven Massenfluss
gesteuert. Nach neueren Vermutungen kann dieser Materialfluss
möglicherweise für sehr viele charakteristische
Unterschiede im Verhalten konvergenter Plattenränder bis
hin zu der dort auftretenden Seismizität verantwortlich sein.
Eine Schlüsselrolle kommt dabei den mechanischen Eigenschaften
des Plattenrandes und der Plattengrenzfläche zu,
die die Entwicklung des gesamten Orogens mit beeinflussen.
Daher sind in der Sektion 3.1 alle Elemente von konvergenten
Plattenrändern, von der Deformationsfront am
Tiefseegraben über das Gebirge bis hin zu den Vorlandbecken,
Gegenstand der Forschung. Laufende Studien der
Sektion 3.1 am konvergenten Kontinentrand Südamerikas,
der wegen seiner Variabilität in dieser Hinsicht als herausragendes
natürliches Labor gilt, sollen diese Zusammenhänge
mit einem Spektrum von feldgestützten Vermessungen
sowie analogen und numerischen Experimenten auf
eine quantitative Basis stellen. Ziel ist ein grundsätzliches
Verständnis der Schlüsselprozesse und Steuerfaktoren für
Massentransfer und langfristige Deformation einerseits
sowie für kurzzeitige Prozesse wie Erdbeben und Oberflächendeformation
andererseits.
Aktive Prozesse am Kontinentrand in Chile
In Süd-Chile fand bei 38° 10' S am 22. 05. 1960 das stärkste
historisch aufgezeichnete Erdbeben statt (Mw = 9,5).
Es hatte eine Bruchlänge von ca. 1.000 km und verursachte
einen bis zu 15 m hohen Tsunami, sowie eine koseismische
Verschiebung von 40 m. Mit dem Projekt TIPTEQ
(from The Incoming Plate to mega-Thrust EarthQuake
processes, Abb. 3.1) untersuchen wir die Steuerfaktoren
für Subduktionsbeben und die Prozesse in der seismogenen
Koppelzone konvergenter Plattenränder sowie ihre
Wirkung auf die damit verbundenen Prozesse an der Erdoberfläche
im Bereich dieses Bebens. Dazu verwenden wir
in insgesamt 13 Teilprojekten eine Vielzahl von Methoden,
u. a. Geologie und Neotektonik, Reflexionsseismik,
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271

272
Abb. 3.1: Lokationskarte des Projekts
TIPTEQ in Südchile (TIPTEQ Re-search
Group, in prep.)
Location map of the project TIPTEQ in
southern Chile (TIPTEQ Research
Group, in prep.)
numerische Simulationen von fluidgesteuerten
Prozessen sowie Experimente
mit Analogmaterialien im Labor.
Ein erstes strukturelles Abbild der gesamten
seismogenen Koppelzone im
Untergrund wird die Reflexionsseismik
liefern. Dazu hat 2005 ein großes seismisches
Experiment stattgefunden, das entlang
einer ca. 100 km langen Profillinie
zwischen Küste und Zentraltal künstlich
erzeugte Sprengungen registriert hat.
Erste Auswertungen zeigen sehr deutliche
Strukturen, ähnlich wie im Pilotexperiment
SPOC (Abb. 3.2; Krawczyk &
SPOC Team 2003). Diese Signaturen
werden als aufgestapeltes Material interpretiert,
das von der ozeanischen Platte
unter den Kontinent transportiert und dort
von unten angelagert wurde (Krawczyk et
al., subm.) Die schmale Zone, in welcher
Material zwischen der kontinentalen
Oberplatte und der abtauchenden Unter-
Abb. 3.2: Schematisches Abbild der Subduktionszone in Süd-Chile (oben) und seismischer Profilschnitt (unten) (Krawczyk
et al., subm.)
Schematic image of the subduction zone in southern Chile (above) and seismic profile (Krawczyk et al., subm.)
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Abb. 3.3: Datierung der Spät-Pleistozänen und Holozänen Hebungsprozesse und Landformen der Insel Santa Maria
(Melnick et al., in press; Fotos: D. Melnick, H. Echtler).
Age dating of Late Pleistocene and Holocene uplift processes and morphology of the Santa Maria island, off Chile
(Melnick et al., in press).
platte in große Tiefen transportiert wird, ist der so genannte
Subduktionskanal. Die Existenz eines Subduktionskanals
in Südchile verhindert, dass die Sedimente, die auf
der ozeanischen Platte angeliefert werden, frontal am Kontinent
anlagern, so dass sich kein großer Akkretionskeil
aus Sedimenten am Tiefseegraben bildet.
In Südchile werden die basale Materialanlagerung an die
Oberplatte und die Existenz eines aktiven Subduktionska-
nals außerdem durch die Hebung der Küste angezeigt. Die
Deformation und die Auswirkung des Subduktionsprozesses
in der seismogenen Koppelzone auf die Oberfläche der
Oberplatte wurden auf der Isla Santa Maria exemplarisch
untersucht (Melnick et al., in press). Die Insel zeigt im westlichen
Hauptteil eine nach Osten geneigte und verkippte
Oberfläche, die von Spät-Pleistozänen, ~ 53.000 bis 31.000
Jahre alten küstennahen marinen Sandsteinen sowie verfestigten
Dünensanden unterlagert wird (Abb. 3.3).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
273

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Abb. 3.4: GPS-Messpunkt in Nord-Chile mit GPS-Antenne,
GPS-Empfänger und Solar-Panels (Foto: GFZ).
GPS measuring point in Northern Chile with GPS antenna,
GPS receiver and solar panels.
In den tieferen Lagen zeigen die Strandterrassen eine kontinuierliche
Hebung auch über das gesamte Holozän (~ die
letzten 10.000 Jahre). Die genaue Datierung dieser Sequenzen,
in Korrelation mit den Meeresspiegelschwankungen in
diesen Zeiträumen, ergibt eine relativ stete Verkippung und
eine mittlere Hebungsrate von ~ 2 mm/Jahr über die letzten
50.000 Jahre. Dieser Prozess erfolgte über Hebungen von
jeweils bis zu 3 m während einzelner Starkbeben und wird
zudem durch herausgehobene Brandungsplattformen angezeigt,
wie sie bereits von Charles Darwin 1835 während seiner
Anwesenheit auf der Insel beobachtet wurden (Darwin,
1851). Zusammen mit seismischen Daten zeigen diese
Ergebnisse, dass die Deformation der Oberfläche direkt mit
den Prozessen in der Subduktionszone gekoppelt ist.
Modellierung postseismischer Deformation in Chile
mittels GPS-Daten
Ein wesentlicher Steuerfaktor gebirgsbildender Prozesse
an Subduktionszonen ist die Viskosität des oberen Mantels
und der unteren Kruste. Aussagen über die Viskosität
in diesem Bereich können aus postglazialen isostatischen
Ausgleichsbewegungen und visko-elastischen Relaxationsvorgängen
nach großen Subduktionsbeben abgeleitet
werden. Die Bodenbewegungen können mit Satellitengestützten
Messmethoden, z. B. GPS, hochgenau bestimmt
werden.
Das großräumige GPS-Netz SAGA (South American
Geodynamic Activities), welches die zentralen und südlichen
Anden überdeckt, wurde in wichtigen Regionen
verdichtet, so dass insbesondere die andauernde postseismische
Deformation in dieser Region mit einer höheren
räumlichen Auflösung erfasst werden kann. Die angestrebte
räumliche Auflösung liegt bei 50 km. Im Oktober
und November 2005 wurden etwa 130 Punkte des SAGA-
Netzes in Chile und weitere 24 Punkte in Argentinien
erneut erfolgreich ausgemessen (Abb. 3.4).
Die bereits durch frühere Messungen bestimmten postseismischen
Deformationen im Bereich des großen Chile-
Erdbebens von 1960 wurden genutzt, um visko-elastische
Relaxationsvorgänge zu modellieren und rheologische
Parameter der Unterkruste und des oberen Mantels abzuleiten.
Grundsätzlich können diese Deformationen durch
eine postseismische Verschiebung unterhalb der seismogenen
Zone oder durch visko-elastische Ausgleichsprozesse
erklärt werden. Die visko-elastische Relaxation
bezieht sich auf die untere Kruste und den oberen Mantel.
Aseismische Verschiebungen und visko-elastisches Fließen
sind zwei Mechanismen, die in der Tiefe wirken, so
dass es außerordentlich schwierig ist, mit Hilfe von Beobachtungen
an der Erdoberfläche zwischen diesen Mechanismen
zu unterscheiden. Auf der Grundlage der vorliegenden
Daten ist es erstmalig gelungen, zwischen den oben
genannten Mechanismen zu unterscheiden und die Viskosität
unabhängig von bisherigen Modellen abzuschätzen.
Die Modellierungen wurden mit dem komplexen FEM
(Finite Elemente Methode)-Softwarepaket ANSYS durch-
Abb. 3.5: a) Setup des 3D-FEM-Modells zur Abschätzung der Viskosität des oberen Erdmantels und der Unterkruste aus
den gemessenen postseismischen Deformationen nach dem großen Chile-Erdbeben von 1960. b) Das dreidimensionale
FEM-Modell besteht aus 28.500 Elementen und 125.000 Knoten. c) Die Vektoren zeigen die gemessenen postseismischen
Punktverschiebungen (blaue Vektoren) und die modellierten Oberflächendeformationen (rote Vektoren). Das Model
kann bei Einführung einer Viskosität von 4 x 1019 Pa s am besten an die Beobachtungen angepasst werden.
a) Set-up of the 3D FEM model for the assessment of the viscosity of the upper mantle and lower crust from measured
post-seismic deformation after the big Chile earthquake of 1960. b) The three-dimensional FEM model consists of
28 500 elements and 125 000 knots. c) The vectors show the measured post-seismic point displacements (blue vectors)
and the modelled surface deformation (red vectors). Adopting a viscosity of 4 x 1019 Pa s, the model is best adjusted
to the observations.
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geführt. Ausgehend von ‚state of the art‘ 3D-Strukturmodellen
wurden visko-elastische Bereiche eingeführt, in
denen die Viskosität der zu bestimmende Parameter war.
Das Modell bestand aus einer elastischen Kruste und
einem elastischen Slab, unter denen sich eine oder mehrere
Schichten befanden, deren Ausdehnung und Viskosität
bestimmt wurden (Abb. 3.5a und 3.5b. Bei der Vorwärtsmodellierung
wurde sowohl die Viskosität als auch
die Geometrie, die Dicke der kontinentalen und ozeanischen
Kruste, die Rigidität, die koseismische Slipverteilung
sowie andere Parameter variiert. Dabei haben Änderungen
in der Viskosität besonders sensibel auf die Modellergebnisse
reagiert. Die gemessene Deformation konnte
am besten reproduziert werden, wenn in das Modell eine
Viskosität von 4 x 1019 Pa s eingeführt wurde (Abb. 3.5c).
Darüber hinaus konnte der Einfluss der Viskosität auf die
interseismische Deformation abgeschätzt werden; dieser
erreicht nach 100 Jahren bis zu 7 mm. Die Änderung in
der Deformationsrate nimmt mit dem Abstand vom Trench
zu. Die Schwerpunkte für zukünftige und ergänzende Arbeiten
sind die Ableitung und Modellierung der transienten,
im Zusammenhang mit Erdbeben stehenden Deformationsprozesse.
Physikalische Experimente zur Geodynamik konvergenter
Plattenränder
Mit physikalischen Experimenten, die im Geodynamiklabor
des GFZ mit einem hoch auflösenden Monitoringsystem
aufgezeichnet werden, lassen sich Deformationsvorgänge
an konvergenten Plattenrändern, die sich in der
Natur in geologischen Zeiträumen abspielen, schnell und
effizient simulieren (Abb. 3.6). Gegenwärtig werden im
Geodynamiklabor geophysikalische Methoden mit der
Analogmodellierung vereint, mit dem Ziel, Strukturen in
den Analogmodellen seismisch abzubilden und die Übertragbarkeit
auf natürliche Systeme zu erforschen. Außerdem
soll die Analyse von Oberflächendeformationsmustern
in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Größenordnungen
(Meter bis 100er Kilometer, Jahre bis Jahrmillionen)
dem Verständnis der Skalenabhängigkeit von
Deformationsmechanismen und -prozessen dienen.
Ein Vergleich von Laborergebnissen mit Beobachtungen
in den Zentralanden soll die Übertragbarkeit auf die Natur
überprüfen. Im Zusammenhang mit dem Projekt TIPTEQ
werden dazu die Massentransferprozesse im Subduktionskanal
und die von Subduktionsbeben hervorgerufene
Deformation in der Oberplatte untersucht. Der Materialtransport
in Subduktionskanälen steuert den Wachstumsmodus
der Oberplatte und kann in der Natur nur indirekt
beobachtet werden. Daher wurden Subduktionsszenarien
mit unterschiedlichen Subduktionskanälen im
Labor simuliert. Subduktionskanäle, die zu einem Materialzuwachs
der Oberplatte führen, sind immer unterhalb
der Oberplatte lokalisiert und geben zeitweise Material an
die Oberplatte ab (Abb. 3.7).
Bei der Subduktionserosion erleidet die Oberplatte einen
Materialverlust, weil Material von ihrer Basis in den Subduktionskanal
inkorporiert wird. Obwohl Zyklizitäten in
Abb. 3.6: Durchführung und Monitoring eines physikalischen
Experiments im Geodynamiklabor (Foto: Lohrmann).
Performance and monitoring of a physical experiment in
the geodynamic laboratory.
Deformation und Massenfluss im Subduktionskanal
beobachtet werden, tritt kein wiederholbares Deformationsmuster
innerhalb einzelner Zyklen auf. Daher besitzen
kurzzeitige Beobachtungen keine Aussagekraft für
den geologisch langzeitigen, permanenten Massenfluss.
Die kurzzeitigen Beobachtungen geben allerdings Aufschluss
über die starke Variabilität und Komplexität des
Materialflusses. Nur mit diesem Prozessverständnis ist es
möglich, die geophysikalischen Abbilder von natürlichen
Systemen zu interpretieren, da sie, abhängig von der Beobachtungsmethode,
Strukturen abbilden, welche in unterschiedlichen
Zeiträumen angelegt wurden.
Am chilenischen Kontinentalrand lassen sich so vor allem
mit Hilfe reflexionsseismischer Profile (Abb. 3.2) in Kombination
mit der Erdbebenaktivität Strukturen identifizieren,
die die Existenz von einem rezent aktiven Subduktionskanal
belegen. Die mechanischen Eigenschaften des
Subduktionskanals haben erhebliche Bedeutung für den
tektonischen Massenfluss, das Krustenwachstum, wie
auch für das Muster der Erdbebenaktivität und das Heben
und Senken der Erdoberfläche.
Die mit den Prozessen in der seismogenen Koppelzone
verbundenen Erdbeben treten meist zyklisch auf. Da diese
Zyklen länger als ein menschliches Leben sind, werden
sie im Labor simuliert und im Zeitraffer untersucht. Dieses
Verfahren ermöglicht außerdem, die tiefen Erdbebenprozesse
mit Deformationen der Oberfläche in Beziehung
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275

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Abb. 3.7: Untersuchung von Subduktionskanalprozessen. Oben: Experimentelles Setup für Sedimentakkretion (links) und
Subduktionserosion (rechts). Mitte: Kurzzeitprozesse im Subduktionskanal. Rote und grüne Farben illustrieren die Magnitude
der Störungsaktivität. Unten: Vergleich des akkretiven und erosiven Subduktionskanals (Lohrmann et al., subm.)
Investigation of subduction channel processes. Top: experimental set-up for sediment accretion (left) and subduction
erosion (right). Middle: short-term processes within the subduction channel. Red and green colours illustrate the magnitude
of fault activity. Bottom: Comparison between accretive and erosive subduction channels (Lohrmann et al., subm.)
Abb. 3.8: Simulation von Subduktionsbeben. Oben: Aus Beobachtungen in der Natur abgeleitete Konzepte zur Oberflächendeformation
im seismischen Zyklus. Mitte: Verschiebungspfade während eines simulierten Subduktionsbebens
im Profil. Die Verschiebungspfade auf der Oberfläche werden in Zukunft durch hochauflösende Kameras entlang einer
virtuellen Umlaufbahn beobachtet, um diese direkt mit Fernerkundungsdaten vergleichen zu können. Unten: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen
von Reis, der zur Simulation von Stick-Slip-Verhalten entlang der Koppelzone
benutzt wird.
Simulation of subduction earthquakes. Top: Concepts of surface deformation during the seismic cycle as derived by
high-resolution observations in nature. Centre: Displacement field during a simulated subduction earthquake in cross
section. The surface displacement field in map view will be monitored by high-resolution cameras arranged along a
virtual orbit to directly compare simulated deformation with remote sensing data from nature. Bottom: SEM images
of rice used to simulate stick-slip behaviour along the coupling zone. ➤
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zu setzen und Vorhersagestrategien für die Risikoverteilung
zu entwickeln. Während die koseismische Deformation
überwiegend elastisch ist, also nicht zur Langzeitdeformation
beiträgt, wird interseismisch sowohl elastische
als auch permanente Deformation in der Oberplatte auf-
genommen. Letztere trägt über mehrere Erdbebenzyklen
hinweg dazu bei, den Kontinentalrand zu formen.
Die Simulation von Subduktionsbeben muss sowohl Reibungseigenschaften
als auch elastische und viskose Mate-
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rialparameter einschließen. Die Reibungseigenschaften
spielen insbesondere entlang der Plattengrenzfläche eine
entscheidende Rolle. Die Deformation innerhalb der Koppelzone
zeichnet sich durch Reibungsinstabilitäten (Stick-
Slip) aus, die Ausdruck einer dynamischen Schwächung
sind. In unseren Experimenten wird z. B. Reis für die
Simulation von Reibungsinstabilitäten verwendet. Je nach
regionaler Temperaturverteilung wird die Koppelzone entlang
der Plattengrenzfläche nach unten durch einen
Bereich stabilen Gleitens oder plastischen Kriechens
begrenzt, der durch dynamische Stärkung gekennzeichnet
ist. Dieser Bereich wird in unseren Modellen entweder
durch granulare Materialien (z. B. Zucker) oder viskoelastische
Materialien (z. B. Silikonöle) simuliert. Der Kontinentrand
besteht in der Simulation neben den in der Koppelzone
benutzten Materialien aus Gummigranulat zur
Erhöhung seiner Elastizität und Lokalisierung der Deformation
in der Oberplatte (Abb. 3.8).
Tektonische Zyklen in Vorlandbecken
Vorlandbecken, wie das Nordalpine Molasse- oder das
Südalpine Pobecken, entstehen durch die Kollision zweier
Kontinente. Die veränderte Auflast während der Kollision
führt zu einem Verbiegen der beteiligten Lithosphärenplatten
und somit zur Beckenbildung. Da solche Vorlandbecken
nach passiven Kontinenträndern das größte Kohlenwasserstoffpotenzial
aufweisen, ist ein besseres Ver-
Abb. 3.9: Oben: Schematisches Profil durch einen Falten- und Überschiebungsgürtel
und die assoziierte Vorsenke. Unten: Basierend auf skalierten
Analogexperimenten, welche die Entwicklung von Kollisionsorogenen simulieren,
wurde die zeitliche Entwicklung der Vorsenkengeometrie berechnet.
Deutlich lassen sich die drei Sedimentationsräume Vorsenke (Foredeep),
Forebulge und Backbulge unterscheiden. Die Schwankungen der Isolinien
spiegeln das zyklische Wachstum des Kollisionsorogens wieder und deuten
somit das Auftreten von Trans- und Regressionen an.
Top: Schematic profile through a fold and thrust belt and the adjacent foreland
basin. Bottom: Based on the evolution of scaled sandbox experiments,
which were aimed at simulating the evolution of collisional orogens, the respective
geometry of the foreland basin was calculated. The resulting map
shows clearly the three depozones, i.e. the foredeep, the forebulge and the
backbulge. The cyclic change of the isolines, which indicate trans- and
regressions, correspond to a likewise change in orogenic growth. Thus, while
analysing the stratigraphic record within foreland basins tectonic activity,
i.e. the initiation of major thrusts should be taken into account.
ständnis ihrer räumlich-zeitlichen Entwicklung von großer
Bedeutung. In früheren Studien zur Entwicklung von
Vorlandbecken wurde jeweils ein kontinuierlich wachsendes
Kollisionsorogen angenommen. Ergebnisse unserer
skalierten physikalischen Experimente sowie analytischen
Flexurmodellierungen zeigen jedoch, dass dieses
kontinuierliche Wachstum durch Phasen erhöhter Wachstumsraten
unterbrochen wird. Letztere gehen auf die Initiierung
orogenweiter Überschiebungen zurück (Abb. 3.9).
Die sich daraus ergebende Auflastveränderung bewirkt
eine Änderung der Vorsenkengeometrie, welche zum Voroder
Rückschreiten der marinen Küstenlinie innerhalb der
Vorsenke führen kann. Diese tektonisch induzierten Meeresspiegelschwankungen
lassen sich momentan nur schwer
von solchen unterscheiden, welche durch Klimaveränderungen
entstanden, so dass hier weiterer Forschungsbedarf
besteht. Insgesamt zeigt sich, dass die räumlich-zeitliche
Entwicklung von Vorlandbecken und ihrer Sedimentationsräume
durch das Zusammenwirken, aber auch durch
Rückkopplungen zwischen weiteren Faktoren, wie der Festigkeit
und der Elastizität der beiden Kontinentplatten,
sowie von Erosion und Sedimentation gesteuert wird.
Scherzonen und Erdbeben
Scherzonen sind lateral eng begrenzte Bereiche verschiedener
Länge, die die Erdkruste in Fragmente variabler
Größe zerlegen. Als ausgedehnte Plattengrenzen reichen
sie bis in den Erdmantel hinein und fokussieren
die seismische Aktivität der Erde.
Die während eines Erdbebenzyklus in
wechselnden Regionen einer Scherzone
ablaufenden physikalischen und chemischen
Prozesse sind noch weitgehend
unbekannt. Bisher wurden weder Vorläuferphänomene
beschrieben, die eine
deterministische Vorhersage von Erdbeben
erlauben, noch gibt es befriedigende
Modelle, die zur vollständigen Beschreibung
der transienten postseismischen
und interseismischen Deformation von
Scherzonen und ihrer Umgebung geeignet
erscheinen.
Herdprozesse von Erdbeben lassen sich
durch eine Verbindung von seismologischen
Beobachtungen, Strukturuntersuchungen
und Laborexperimenten entschlüsseln.
Der Herdmechanismus kann
entweder durch Riss- oder Dislokationsmodelle
oder als instabiler Reibungsprozess
beschrieben werden. Diese Modelle
sagen prinzipiell voraus, dass eine dynamische
Bruchausbreitung erst nach einer
Nukleationsphase erfolgen kann, innerhalb
derer sich der Bruch über eine kritische
Distanz ausbreitet, um sich dann mit
ca. 70 bis 80 % (in Einzelfällen möglicherweise
mit mehr als 100 %) der Scherwellengeschwindigkeit
im Gestein fortzusetzen.
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Bruchentstehung und Bruchausbreitung
In Deformationsexperimenten werden unter hohem Druck
Mikrorisse in Gesteinen erzeugt. Akustische Ereignisse
(AE) während der Rissbildung können geortet werden und
erlauben so eine hochgenaue Bestimmung der Nukleationszone
des Bruches. Die Entstehung und Entwicklung
eines Bruches in intaktem Gestein wurde experimentell
unter verschiedenen Belastungsarten untersucht. Hierzu
wurden mechanische Daten aus Deformationsexperimenten
mit mikrostrukturellen Untersuchungen und fortgeschrittenen
Verfahren zur Analyse der beim Bruch abgestrahlten
akustischen Emissionen miteinander kombiniert.
Aus den Experimenten, die an verschiedenen Gesteinen
(Granit, Sandstein Kalkstein, Steinsalz) durchgeführt
wurden, ergibt sich ein konsistentes Bild der Nukleation
und des Wachstums von Zug- und Scherbrüchen.
Dabei lassen sich schematisch drei Stadien der Bruchentwicklung
unterscheiden (Abb. 3.10): 1. Unter Belastung
entstehen im Gestein zahlreiche und relativ homogen verteilte
Mikrorisse. Bereits vorhandene Risse dehnen sich
aus. In der Mikrostruktur sind Scherrisse kaum nachweisbar.
2. In einem räumlich eng begrenzten Riss-Cluster
(Nuklationszone) kommt es zur Wechselwirkung zwischen
Mikrorissen, lokaler Spannungskonzentration und
zum Versagen von Materialbrücken. Der Scherbruch
wächst ins intakte Gestein und wird von einer Auflockerungszone
(Prozesszone) umgeben. 3. Der Bruch tritt
abrupt ein und wird von einem Spannungsabfall bis auf
den Reibungswiderstand der Bruchfläche begleitet. Dabei
werden in der Scherzone Gesteinsfragmente zerbrochen,
rotiert und kompaktiert. Die Verteilung der Mikrorisse und
der Hypozentren der akustischen Emissionen dokumentiert
eine Konzentration der Verformung beim Übergang
vom Bruch zum Reibungsgleiten.
Die Ergebnisse der Experimente erlauben es, die komplexe
Mikromechanik von Nukleationsprozessen bei Erdbeben,
wie z. B. das Abscheren von Materialbrücken oder
Barrieren in einer Scherzone, besser zu verstehen. Der
dynamische Verlauf von Bruchvorgängen weist auf verschiedenen
räumlichen Skalen strukturelle Parallelen auf.
Zum Beispiel sind unabhängig vom Maßstab in der Prozesszone,
d. h. der Auflockerungszone, die einen Scherbruch
im Gestein umgibt, häufig einzelne eng lokalisierte
Scherbänder nachweisbar, auf die sich diskrete Anteile
der Verschiebung verteilen. Ein Vergleich von im Labor
erzeugten Scherzonen mit Scherzonen mittlerer Größe,
wie sie z. B. in Minen auftreten, und mit Feldbeobachtungen
an Plattengrenzen zeigt, dass die Ausdehnung der
Prozesszone, die kritische Verschiebungslänge und die
Energiefreisetzungsrate vielfach mit der Dimension der
Scherzone korrelieren (Abb. 3.11).
Duktile Bruchprozesse
Auch bei hohen Temperaturen und Drücken können Verformungsprozesse
in der Natur weitgehend transient verlaufen.
Insbesondere kann plastische Verformung über
lange Zeiträume bzw. bei hohen Verformungsbeträgen zu
Instabilitäten führen. Diese duktilen Bruchprozesse sind
möglicherweise eine der Ursachen für die Entstehung von
Pseudotachyliten, die Lokalisierung von Scherbändern und
das Vorkommen seismischer Tremore in der Unterkruste
sowie eventuell auch für die Existenz von Tiefbeben.
Zum Verständnis der mikrophysikalischen Prozesse bei
der Entstehung von Hochtemperaturinstabilitäten wurden
Laboruntersuchungen an feinkörnigen, synthetischen
Feldspataggregaten durchgeführt. Die Versuche erfolgten
bei 400 MPa Umgebungsdruck, Temperaturen von 950 °C
bis 1200 °C und drei verschiedenen Scherverformungsraten
in einer Hochdruck-Hochtemperatur-Torsionsapparatur.
In diesen Experimenten konnte in vielen Fällen
spontanes Scherbruchversagen nach Scherverformungen
von 2,7 bis 4,8 beobachtet werden (Abb. 3.12). Die Deformation
der Proben bis zum Bruch zeigte Newton-viskoses
Verhalten, d. h. eine lineare Spannungsabhängigkeit
von der Verformungsrate (n = 1, Abb. 3.13). Bevor es zur
Bruchbildung kommt, weist die Mikrostruktur des deformierten
Materials intergranulare Hohlräume auf, die
durch Korngrenzgleiten entstehen und wachsen. Die
Geschwindigkeit der plastischen Verformungsprozesse
(z. B. Korngrenzdiffusion) reicht nicht aus, um die Porenräume
selbst bei hohem Umgebungsdruck und hoher Temperatur
zu schließen (Abb. 3.14a bis d). Die Wechselwirkung
und Vereinigung der Hohlräume führt zu Rissstrukturen,
die schließlich zum makroskopischen Bruch führen.
Mit diesen Experimenten gelang erstmalig der Nachweis,
dass duktile Rissbildung auch bei hohen Drücken
und Temperaturen zum makroskopischen Bruch führen
kann. Dies kann u. a. als ein möglicher Mechanismus für
die Entstehung von tiefen Erdbeben an Plattengrenzen
betrachtet werden.
Seismotektonik,Spannungsfeld und Deformation
an Plattengrenzen
Nordanatolische Seitenverschiebung (Türkei)
An der stark segmentierten Nordanatolischen Seitenverschiebung
in der West-Türkei wird die Nachbebentätigkeit
als Folge der großen Erdbeben von Izmit und
Düzce untersucht. Die Nordanatolische Seitenverschiebung
(NAFZ) ist mit mehr als 1.000 km Länge eine der großen
intrakontinentalen Plattenrandstörungen auf der Erde.
Aus geologischen und geodätischen Messungen ergeben
sich an dieser Plattengrenze Relativverschiebungen von
20 bis 25 mm pro Jahr. Diese finden entlang einer schmalen
Naht zwischen dem Anatolischen Block im Süden und
Eurasien im Norden statt. Seit 1939 wurde eine westwärts
gerichtete Abfolge von Starkbeben entlang der NAFZ festgestellt,
in deren Verlauf quasi der gesamte Bereich von Ost-
Anatolien bis kurz vor Istanbul gerissen ist. Die Erdbeben
von Izmit und Düzce im August und November 1999 sind
die bisher letzten starken Erdebeben in diesem Zusammenhang.
Beide weisen eine rechtslaterale Seitenverschiebung
auf, die in Einklang mit dem horizontalen Geschwindigkeitsfeld
an der Erdoberfläche steht. Wir haben die Verteilung
der Herdmechanismen von 446 Nachbeben des Izmit-
Erdbebens untersucht, aus der sich eine Gliederung der
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 3.10: Oben Mitte: Ummantelte Gesteinsprobe mit akustischen Aufnehmern. Die Risse sind bei Belastungsbeginn
statistisch in der Probe verteilt (oben links) und erst unmittelbar an der Belastungsgrenze entsteht ein Riss-Cluster,
dass sich schließlich zum Scherbruch entwickelt (oben rechts). Unten: Die Last-Zeit-Kurve des Experiments
(schwarz) ist verschiedenen statistischen Parametern (Korrelationskoeffizient c, räumliche Verteilung d, b-Wert, AE
Aktivität) gegenübergestellt, die alle signifikante Veränderungen vor und während des Nukleationsprozesses durchlaufen.
Die Nukleationsphase wird durch ein Maximum des Korrelationskoeffizienten c angezeigt (grauer Pfeil).
Top: sample inside rubber jacket with AE sensors glued to the rock. Top left: AE hypocenters located during initial loading
indicate distributed cracking. Top right: AE hypocenter locations recorded at peak stress indicating nucleation
of a shear fracture. Bottom left and right: Temporal variation of AE parameters during a fracture experiment on a granite
sample. Loading curve (black), correlation coefficient c, fractal dimension d, slope of frequency-amplitude distribution
b and activity of located AE. Nucleation is indicated by a maximum of the correlation coefficient c (grey arrow).
Izmit-Ruptur in vier Segmente ergibt: Im Epizentralbereich
des Bebens und am östlichen Ende der Ruptur – hier fand
drei Monate später das Düzce-Erdbeben statt – dominierten
Seitenverschiebungen und teilweise auch Abschiebungen.
Der dazwischen liegende Bereich hingegen wies einheitlich
Ost-West-gerichtete Abschiebungen auf und deutet
auf die Existenz eines Pull-apart Beckens hin. In der
Abb. 3.12: Ansicht einer tordierten Feldspatprobe (Schersinn
ist rechts-lateral). Dargestellt sind die Orientierungen
der Scherfoliation, des makroskopischen Scherbruchs
sowie der Hauptspannungsrichtungen.
Samples deformed to high strain suddenly failed at a critical
shear strain of about 3 to 5. Final failure occurs by
coalescence and interaction of cavities and fissures. The
fissures and the helidoical macroscopic fracture are oriented
about 30° to the maximum principal stress δ 1. The corresponding
coefficient of internal friction µ is about 0.6,
indicating a shear-type failure mode.
Abb. 3.11: Übersicht über Herdparameter
seismischer Ereignisse, die im Labor,
bei Bohrloch-Injektionen, in Minen und
an großen Plattenrandstörungen (1999
Izmit Erdbeben) bestimmt wurden. Die
Magnitude (M w), das seismische Moment
(M 0), die Energiefreisetzungsrate (G c)
und die kritische Verschiebungsweite (D c)
korrelieren mit der Dimension der Prozesszone
(r c) und der Bruchlänge.
Scale-dependent source parameters of
seismic events from lab experiments,
well-injection tests, deep mines and the
1999 Izmit earthquake. Magnitude (M w),
seismic moment (M 0), energy release rate
and critical slip distance (D c) correlate
with process zone size (r c) and rupture
length.
Bucht von Izmit (Marmara-Meer), dem westlichsten Teil
der Ruptur, ist eine räumliche Aufzweigung der Nachbebenaktivität
zu erkennen, wobei einzelne aktive Segmente
ein hohes Maß an ähnlichen Herdmechanismen aufweisen.
Die aus der Verteilung von Herdmechanismen abgeleitete
Segmentierung entlang der Izmit-Ruptur korreliert mit der
aus koseismischem Versatz bestimmten Unterteilung ent-
Abb. 3.13: Spannungs-Verformungsdaten bei einer Scherverformung
von 3 und bei verschiedenen Temperaturen in
doppelt-logarithmischer Darstellung. Der mittlere Spannungsexponent
ist etwa n = 1, was auf (makroskopisch)
linear viskoses Fließen hindeutet.
Calculation of the macroscopic stress sensitivity yields a
stress exponent of n ~ 1, indicating linear viscous diffusioncontrolled
creep as dominant deformation mechanism.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
281

282
Abb. 3.14: Entwicklung von Hohlräumen durch Korngrenzgleiten bei hoher plastischer Verformung von γ≈4 (T = 1150
°C, P = 400 MPa). Die Verbindung von Porenräumen führt zu konjugierten Rissstrukturen in regelmäßigen Abständen
und schließlich zum Scherbruch. Die eingezeichneten Rechtecke geben die Position der jeweils nächst höheren Vergrößerung
an.
High-temperature fractures growing by coalescence of intergranular cavities. Cavities nucleate preferentially at grain
triple junctions. Shear sense is right lateral.
lang der NAFZ in diesem Bereich (Abb. 3.15, rote Linien):
Gebiete mit hohem Versatz weisen hauptsächlich Seitenverschiebungscharakter
auf, wohingegen Barrieren mit
geringem Versatz zum großen Teil EW-gerichtete Abschiebungen
zeigen.
Aus der Untersuchung des lokalen Spannungsfeldes und
seiner raum-zeitlichen Entwicklung vor und nach dem
Erdbeben von Izmit ergibt sich eine deutliche Rotation der
Hauptspannungsrichtungen im Zusammenhang mit diesem
Ereignis. So ist z. B. im Bereich Izmit-Sapanca die
maximale horizontale Hauptspannungsrichtung nach dem
Erdbeben um 8° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Am
östlichen Ende der Ruptur hingegen (Karadere-Düzce
Gebiet) sind die Hauptspannungen um mehr als 20° im
Uhrzeigersinn rotiert.
Dead Sea Transform
Die Dead Sea Transform trennt die Arabische Platte von
der Sinai-Mikroplatte und erstreckt sich über 1.000 km
vom Extensionsgebiet im Roten Meer im Süden bis zur
Taurus-Zagros Kollisionszone im Norden (Abb. 3.16).
Seit dem Miozän beträgt der sinistrale Versatz an dieser
Plattengrenze mehr als 100 km. Im Rahmen des DESERT
Projektes wurden drei Segmente der Dead Sea Transform
hinsichtlich ihrer Struktur, Kinematik und Fluid-Gestein-
Wechselwirkung untersucht und miteinander verglichen.
Die strukturellen Untersuchungen belegen ein relativ konstantes
Paläospannungsfeld mit einer NW-SE Kompressions-
und einer NE-SW Dehnungsrichtung für alle untersuchten
Segmente. Die verschiedenen Segmente der Dead
Sea Transform sind hinsichtlich ihres Deformationsalters,
Drücken und Temperaturen (< 250 °C) sehr ähnlich, weisen
aber erhebliche Unterschiede in der Fluidzufuhr und
bei der Verheilung und Zementation von Bruchstrukturen
auf.
Die untersuchten Bruchzonen des südlichen Araba-Segments
(Jordanien) sind locker und ohne erkennbare Bindung
gepackt, während die Bruchzonen der nördlichen
Serghaya und Ghab Segmente (Syrien) durch umfassen-
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Abb. 3.15: Oben: Topographische Karte des Izmit-Segmentes der Nordanatolischen Seitenverschiebung (nach Fielding
et al., 1999). Rote gestrichelte Linien indizieren die simplifizierte Oberflächenruptur des Izmit-Bebens (nach Barka et
al., 2002). Unten: Verteilung der 446 hier untersuchten Herdmechanismen von Izmit-Nachbeben. Die nummerierten
Bereiche markieren Segmente einheitlicher Herdmechanismen entlang der Ruptur des Hauptbebens (Bohnhoff et al.,
in press).
Top: Topographic map of the Izmit segment of the North Anatolian Fault Zone (after Fielding et al., 1999). Red dotted
lines indicate the simplified surface rupture of the Izmit event (after Barka et al., 2002). The bold red dot indicates the
epicenter of the Izmit mainshock. Bottom: Distribution of the 446 focal mechanisms analyzed in this study and segmentation
identified based on special clustering of focal mechanisms (Bohnhoff et al., in press).
de vermutlich rezente (< 1200 Jahre) Verheilungsprozesse
(Zementation) gekennzeichnet sind. Mit Hilfe geochemischer
Gesteinsanalysen konnte gezeigt werden, dass
überwiegend meteorische Wässer für die Zementation der
Bruchzonen verantwortlich sind. Der Zufluss meteorischer
Wässer wird vermutlich durch Unterschiede in der
Morphologie und im Klima (arides Klima und Wüste in
Jordanien; Mittelmeerklima und Berge in Syrien) beeinflusst.
Numerische Modellierung der Deformation an einer Plattengrenze
Am Beispiel des chilenischen Kontinentalrandes wurden
numerische Modellstudien zu schiefer Subduktion durchgeführt,
um grundsätzliche Erkenntnisse über die Mechanismen
und Steuerfaktoren der Deformationsmuster an
aktiven Kontinentalrändern zu erlangen. Am chilenischen
Kontinentalrand erzeugt die Partitionierung (Aufteilung)
der Deformation im Fore-Arc der Oberplatte eine Verschiebungskomponente
parallel zum Plattenrand. Damit
verbunden ist die Aktivität großer Seitenverschiebungen,
wie die Atacama- und West-Fissure-Störungszonen im
Norden Chiles (AFZ bzw. PFZ) und die Liquiñe-Ofqui Störungszone
im Süden (LOFZ). Die senkrecht zum Plattenrand
orientierte Bewegungskomponente führt in vielen
Fällen zu Verkürzungs- und Überschiebungsstrukturen.
Die Ergebnisse der numerischen Modellierungen zeigen,
dass die parallel zum Plattenrand wirkende Komponente
der Deformation tatsächlich in einer großen Scherzone
lokalisiert wird. Diese Scherzone entwickelt sich i. d. R.
über der unteren Begrenzung der Koppelzone zwischen
Ober- und Unterplatte (Abb. 3.17b, c). Dies stimmt mit
Feldbeobachtungen überein. Im Modell entwickelt sich
nur dann eine Scherzone parallel zur Plattengrenze, wenn
der Reibungskoeffizient in der Grenzfläche zwischen
Ober- und Unterplatte am unteren Ende der Koppelzone
(Abb. 3.17a) sprunghaft abnimmt.
Verglichen mit GPS-Messungen ist die senkrecht zum
Plattenrand orientierte Komponente der Deformation in
den numerischen Modellen generell zu klein (Abb. 3.17c,
d). Dies weist darauf hin, dass auch die nach Westen gerichtete
Bewegung der südamerikanischen Platte in der Konvergenzrate
berücksichtigt werden muss. Einen großen
Einfluss auf die Deformation des Fore-Arcs haben die Festigkeit
des Materials der Oberplatte und die Reibungseigenschaften
der Grenzfläche im Bereich der seismischen
Koppelzone zwischen den konvergierenden Platten. Weitere
wichtige Parameter, die eine Partitionierung der Verformung
am Plattenrand maßgeblich beeinflussen, sind
die Schiefe der Plattenkonvergenz, die Konvergenzrate
und der Abtauchwinkel der subduzierten Unterplatte.
Postseismische Deformation und die Viskosität der Unterkruste
– Laborexperimente
Die genaue Kenntnis der Spannungsverhältnisse und der
Verformungsprozesse in der unteren Erdkruste und im
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284
Abb. 3.16: (oben links) Ghab Störungssegment in Syrien. Das römische Aquädukt wurde durch Erdbeben linkslateral
um 13,6 m versetzt; (oben rechts) Serghaya Störung in Syrien. Übergangsbereich zwischen Störungskern und störungsbezogener
Deformationszone; (unten links) Serghaya Störung. Mit Kalzit verheilte Bruchflächen im Bereich der
störungsbezogenen Deformation; (unten rechts) Kathodolumineszenzaufnahme von Verheilungsprozessen in einer
Störungsbrekzie. Kontakt zwischen Matrix und zwei Generationen von Kluftkalziten.
(Top left) Ghab fault segment in Syria. Earthquakes caused a 13.6 m total left-lateral displacement of an ancient Roman
aqueduct (Meghraoui at al. 2003); (top right) Serghaya fault segment. Transition between altered fault core and damage
zone; (bottom left) Fault-related damage zone with calcite cemented fractures; (bottom right) Cathodoluminescence
image of healing processes in a fault breccia. Contact area between matrix and two generations of undeformed vein
cement.
oberen Erdmantel ist zum Verständnis tektonischer Prozesse
wichtig. Die post- und interseismische Spannungsumlagerung
und Deformation an Plattengrenzen und großen
Scherzonen wird entscheidend durch die plastische
Verformung tiefer Krustenstockwerke und des oberen
Mantels beeinflusst. Zur Abschätzung der Viskosität von
Unterkruste und oberem Mantel werden derzeit hauptsächlich
zwei Verfahren benutzt. Zum einen wird die
Deformation in großer Tiefe auf der Grundlage postseismischer
Oberflächenbewegungen modelliert, die mittels
Satelliten-gestützter Messungen (GPS, InSAR) in den
letzten Jahren hochgenau bestimmt werden konnte. Andererseits
können präzise Hochtemperatur-Deformationsmessungen
aus Laborexperimenten genutzt werden, um
Stoffgesetze zu formulieren, die Viskosität und Materialverhalten
der Gesteine beschreiben. Eine Extrapolation
der Labordaten zu natürlichen Bedingungen erlaubt dann
die Berechnung der In-Situ-Viskosität für bestimmte
Krustenzusammensetzungen und thermodynamische
Randbedingungen.
Allgemein hängt das Deformationsverhalten von Gesteinen
neben Chemismus und Gefüge entscheidend von der
Temperatur und dem Wassergehalt sowie in der Erdkruste
untergeordnet auch vom Druck ab. Neuere
Erkenntnisse zeigen, dass schon Spurenanteile von Wasser
die Gesteinsfestigkeit sehr stark vermindern. Diese
Spurenanteile von Wasser sind auch in den nominell wasserfreien
typischen Mineralen der Unterkruste, wie z. B.
Feldspat, vorhanden. Die Viskosität eines Gesteins hängt
dabei in Form eines Potenzgesetzes vom Wasserpartialdruck
bzw. der Wasserfugazität ab. Laborversuche an
synthetischen, feinkörnigen und wassergesättigten Feldspataggregaten
ergaben einen Fugazitätsexponenten von
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Abb. 3.17: (a) Modellaufbau des numerischen 3D-Experimentes zur Untersuchung der Deformationsmuster bei schiefer
Subduktion. Das Modell hat eine NS Ausdehnung von ca. 850 km und eine EW Ausdehnung von ca. 600 km. Für
die Veranschaulichung der Ergebnisse wird nur der mittlere Teil des Modells mit einer Länge von 450 km Länge verwendet.
(b) Horizontale plastische Deformation des Fore-Arc Keils im Norden Chiles, Deformation in NS Richtung zur
Verdeutlichung des Deformationsmusters 25-fach überhöht dargestellt. (c) siehe b, Modell für den südlichen Teil Chiles.
(d, e) Verschiebungsraten parallel und senkrecht zum Plattenrand, Vergleich von numerischem Modell (rote Linie)
mit GPS Daten für (d) Nord-Chile und (e) Süd-Chile.
(a) Model set up of the 3D numerical experiments investigating styles of deformation for oblique subduction. NS extension
of the model is about 850 km and 600 km in EW direction. (b) Horizontal plastic strain of the forearc wedge of
the model for northern Chile, NS shortening 25 times exaggerated. (c) see b, southern model. Displacement rates
parallel and normal to plate-boundary. Model prediction is compared to GPS data for (d) northern Chile (e) southern
Chile.
ca. 1, d. h. die Verformungsrate ist linear mit der Wasserfugazität
korreliert. Thermodynamische Überlegungen
zeigen, dass in Feldspäten die Hydrolyse von Sauerstoffbindungen
als wesentliche Ursache für die Viskositätsreduzierung
in der Anwesenheit von Wasser angesehen
werden kann.
Die Druckabhängigkeit der Gesteinsviskosität wird maßgeblich
durch das Aktivierungsvolumen des vorherr-
schenden Deformationsprozesses bestimmt. Versuche an
trockenen und wasserhaltigen Anorthit-Aggregaten ergaben
Werte von 24 cm 3 mol –1 bzw. 38 cm 3 mol –1 . Die Extrapolation
der Labordaten für Diffusionskriechen zu natürlichen
Bedingungen ist in Abb. 3.18 im Vergleich zu
Ergebnissen an Olivin und Klinopyroxen in Form von
Spannungs-Tiefenprofilen dargestellt. Für wassergesättigte
Bedingungen ist Feldspat deutlich weicher als Pyroxen
und Olivin.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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286
Abb. 3.18: Spannungs-Tiefenprofile für die kontinentale Kruste, extrapoliert
aus Fließgesetzen für synthetischen Feldspat (An), Pyroxen (CPx) und Olivin
(Ol). Die Daten sind für Korngrenz-Diffusionskriechen bei einer Verformungsrate
von 10 –12 s –1 und20 µm Korngröße berechnet. Trockene Gesteine
sind wesentlich härter als wassergesättigte Aggregate. Spannungsberechnungen
für Anorthit unter Berücksichtigung der Aktivierungsenergie
und der Wasserfugazitätsabhängikeit (dicke durchgezogene Linien) ergeben
ca. 3-fach größere Werte als ohne (dünne Linien).
Stress-depth profiles for the continental crust from extrapolated flow laws of
synthetic feldspar (An), pyroxene (CPx), and olivine (Ol) rocks. Grain boundary
diffusion creep data are plotted for 20 µm grain size and 10 –12 s –1 strain
rate. The extrapolation indicates the effect of activation volume and water
fugacity on strength. Thick solid lines are based on flow laws for anorthite
aggregates from this study. Thin solid lines represent flow laws for anorthite
from a previous study (Rybacki and Dresen, 2000) that do not include V and
r estimates. Short broken lines represent (Sleaford Bay) clinopyroxenite (Hier-
Majumder et al., 2005). Data for olivine are taken from Mei and Kohlstedt
(2000a, 2000b) (dash-dot lines) and Karato and Jung (2003) (dash-dot-dot
lines). Temperature calculation corresponds to surface heat flow of 80 mWm –2
(Chapman and Furlong, 1992). Fugacities were determined assuming quartzfayalite-magnetite
(QFM)-buffered conditions in the continental crust. NF, SS,
and TF denote frictional strength of normal faults, strike slip faults, and thrust
faults, respectively, using Byerlee’s law (Byerlee, 1978) for a mean crustal
density of 2.7 gcm –3 and assuming hydrostatic pore pressure.
Gesteinsphysik und Geomechanik
Mechanisches Verhalten Stützmittel führender
und selbstgestützter Risse unter
In-Situ-Bedingungen
Zur Verbesserung der Produktivität von
Fluidlagerstätten werden hydraulische
Stimulationsmaßnahmen durchgeführt,
mit dem Ziel, die Permeabilität der Speichergesteine
zu erhöhen. Hierzu wird ein
hochpermeabler Riss im Reservoir erzeugt,
in den Stützmittel (Proppants)
verpresst werden, die ihn offen halten
(Abb. 3.19). Bei vielen dieser Maßnahmen
bleibt die Verbesserung der Produktivität
hinter den Erwartungen bzw.
Berechnungen zurück. Einen wesentlichen
Einfluss auf die Produktivität hat
der so genannte Fracture Face Skin
(FFS). Der FFS beschreibt die reduzierte
Gesteinspermeabilität in der direkten
Umgebung des Risses senkrecht zur
Rissfläche, die den hydraulischen Widerstand
für das einströmende Fluid erhöht.
Neben anderen Effekten kann die Interaktion
zwischen Proppant und Gesteinsmatrix
zu einem mechanischen FFS führen.
Hierbei verursachen das Verpressen
von Stützmitteln sowie die Zerstörung
von Proppants und Gesteinsmatrix eine
Kompaktion und Produktion von
Feinstmaterial. Durch diese mechanischen
Effekte wird die Permeabilität in
der direkten Umgebung des Risses vermindert.
In einem am GFZ entwickelten experimentellen
Aufbau wurde der FFS-Effekt
an Rissen in einer Probe von Bentheimer
Sandstein gemessen. Ein Versuch setzt
sich dabei aus drei Einzeltests zusammen.
Zuerst wird die initiale Permeabilität der
Probe bei ansteigender Differenzspannung
(P Diff) bis 50 MPa bestimmt
(Ummantelungsdruck (P c) = 10 MPa). Im
zweiten Schritt wird ein Zugriss durch
einen 3-Punkt-Biege-Versuch in der Probe
erzeugt. Schließlich wird dieser Riss mit
2 lbs/ft 2 Low Strength Proppants gefüllt.
Die Probe wird erneut bis 50 MPa P Diff
triaxial belastet und die Permeabilität
ermittelt. Die akustischen Emissionen
(AE) werden dabei kontinuierlich registriert
und lokalisiert.
Abb. 3.19: Schnitt durch einen mit Stützmittel
(Proppant) gefüllten Riss in einem
Bohrloch.
View into a proppant filled vertical fracture
in a borehole.
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Abb. 3.20 zeigt die Permeabilität und
die AE-Events bzw. die AE-Dichte
(jeweils als Projektion in die ZY-Ebene)
für vier Belastungsstufen. Die Permeabilitätswerte
(k 1) des Gesteins ohne Riss liegen
im Druckintervall 5 bis 50 MPa um
1250 mD und zeigen im Rahmen des Fehlers
keine Veränderung. Im Gegensatz
dazu liegt die Permeabilität (k 2) von Proben,
die einen mit Proppants gefüllten
Riss enthalten, bei 125 mD bis 105 mD.
Die AE-Aktivität zeigt, dass die Zerstörung
von Gesteinsmatrix und Proppants
bereits bei geringer Belastung P Diff (~ 5
MPa) an den Rissflächen einsetzt. Die
AE-Events konzentrieren sich zuerst auf
den Kontakt der Gesteinsmatrix mit der
Proppant-Füllung, mit steigender Belastung
wandert die Aktivität in die Proppant
Packung. Durch mikroskopische Untersuchungen
nach Testende wurden sowohl
zerstörtes Matrixmaterial als auch zerstörte
Proppants identifiziert.
Bei diesem Bespiel handelt es sich um
einen ersten Test. Für allgemeine Aussagen
müssen weitere modifizierte Versuche
durchgeführt werden. Als wesentliches Zwischenergebnis
zeigt sich, dass es an der Rissfläche bereits bei geringen
Differenzialspannungen zu Zerstörungen kommt und
hierbei Feinstmaterial produziert wird, das die Permeabilität
des Gesteinsmatrix-Proppant-Systems reduziert.
Elastische Wellengeschwindigkeiten und Rissdichte von
Gesteinen
Die elastischen Eigenschaften von Gesteinen, insbesondere
die Ausbreitung elastischer Wellen im Gestein werden
durch die druck- und belastungsabhängige Präsenz
von Brüchen und Mikrorissen entscheidend beeinflusst.
Der Einfluss der Rissporosität auf die elastischen Wellengeschwindigkeiten
wird am Beispiel von Basalt- und Granitproben
untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit
ansteigendem isostatischem Druck bis 120 MPa vorhandene
Mikrorisse zunehmend geschlossen werden und die
P-Wellengeschwindigkeiten um mehr als 50 % in den
Basaltproben und um weniger als 20 % in den Granitproben
steigen. Die Analyse der Herdmechanismen von akustischen
Emissionen weist darauf hin, dass die Risse und
Abb. 3.21: Rissdichte in (a) Basalt und (b) Granit invertiert
aus der belastungsabhängigen elastischen P-Wellengeschwindigkeit
mit Hilfe des Models von Soga et al.
(1978). Γ H ist die Rissdichte parallel zur Belastungsrichtung
und zur vertikalen Probenachse, Γ V ist die Rissdichte
senkrecht zur Probenachse.
Crack density inverted from P-wave velocity data using
the model of Soga et al., (1978) for Basalt (a) and Granite
(b). Γ H is the density of cracks oriented parallel to the
vertical sample axis compression direction, Γ V is the density
of cracks oriented normal to the sample axis.
Abb. 3.20: a) Vergleich der initialen Permeabilität (k 1) einer Bentheimer
Sandstein Probe mit der Permeabilität derselben Probe mit einem durch
Proppants verfüllten Riss (k 2) bei 10 MPa Ummantelungsdruck. b) Darstellung
der AE-Events bzw. die AE-Dichte als Projektion in die ZY-Ebene bei
Belastung der Probe mit Proppant gefülltem Riss.
Comparison of initial permeability (k 1) of a) Bentheim sandstone sample
with permeability of the same sample with a propped fracture (k 2) at 10 MPa
confinement b) Plot of AE-Locations and AE-Density projected in the
ZY-plane during loading of the sample with a propped fracture.
andere Poren mit steigendem Druck zunehmend kollabieren.
Die druckabhängigen Rissdichten wurden mit verschiedenen
Modellansätzen aus den veränderlichen Ge-
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287

288
schwindigkeiten und elastischen Parametern ermittelt. Bei
Atmosphärendruck stimmen sie mit Abschätzungen der
Rissdichte aus der Mikrostruktur überein.
Bei triaxialer Belastung der Proben entwickelt sich eine
starke Anisotropie der elastischen Wellenausbreitung, die
mit einer bevorzugten Orientierung der induzierten
Mikrorisse korrespondiert (Abb. 3.21). Mit zunehmender
Rissdichte nehmen die P- und S- Wellengeschwindigkeiten
stark ab. Die Quellmechanismen der bei der Rissbildung
bzw. bei Rissöffnung erzeugten akustischen Emissionen
weisen auf eine komplexe mixed-mode Bruchausbreitung
hin.
Numerische Modellierung des Risswachstums
Die Bruchbildung in Gesteinen ist ein komplexer Prozess,
der von der Nukleation über das Risswachstum bis zum
makroskopischen Bruch führt. Zur vollständigen
Beschreibung dieses Prozesses muss der Wachstumspfad
von Rissen bekannt sein. Um diesen Vorgang besser zu
verstehen, wurden die Ergebnisse von Laborexperimenten
mit numerischen Simulationen verglichen. In triaxialen
Experimenten wurden zunächst Einzelscherrisse in
Granitzylindern erzeugt. Der makroskopische Rissverlauf
Abb. 3.22: Numerische Analyse von Mischrisswachstum in einer Scheibe mit
einem geneigten Einzelriss unter einaxialem Druck: a) Finite Elemente Diskretisierung;
b) Initialer Scherrissverlauf und neue Zugrissfortschrittsrichtung
θ; c) Konturplot der vertikalen Druckspannung σ yy; d) gewichtete
Energiefreisetzungsrate gegen den Ausbreitungswinkel des zukünftigen
Zugrisses.
Numerical analysis of mixed-mode cracking in a plate with a tilted single
crack under uniaxial compressive stress (a) Finite Element mesh (b) initial
shear crack and new potential tensile crack propagation path (angle theta)
(c) contour plot of stress component and (d) weighted energy release rate
versus angle of propagation of the future tensile crack.
in diesen Proben war vom Umgebungsdruck abhängig.
Mit einem neu entwickelten numerischen Simulations-
Tool wurde das beobachtete Risswachstum im Modell
reproduziert. Hierzu wurde zunächst die komplexe Ausbreitung
eines gemischten Zug- und Scherrisses (mixedmode)
mit der Extended Finite Elemente (X-FEM) Methode
untersucht. Bei der Entwicklung des Modells wurde
die in Abb. 3.22a dargestellte Scheibe mit einem schrägen
Einzelriss unter einaxialem Druck betrachtet. Zur
Bestimmung der Rissfortschrittsrichtung wurde das modifizierte
Kriterium der maximalen Energiefreisetzungsrate
(Shen und Stephansson, 1994) in das bestehende 2D-
X-FEM Modell implementiert. Dieses Kriterium berücksichtigt,
dass der kritische Spannungsintensitätsfaktor
für den Scherbruch K IIc normalerweise wesentlich größer
ist als der kritische Spannungsintensitätsfaktor für den
Zugbruch K Ic. In Abb. 3.22b ist der initiale Riss und mögliche
Rissfortschrittsrichtungen schematisch dargestellt.
Abb. 3.22c zeigt den Spannungsverlauf der vertikalen
Druckspannung σ yy am initialen Scherriss. In Abb. 3.22d
ist der Verlauf der gewichteten Energiefreisetzungsrate für
ein Verhältnis K IIc/K Ic = 10 in Abhängigkeit des Rissfortschrittswinkels
θ dargestellt. Der Rissfortschritt erfolgt in
Richtung der maximalen, gewichteten Energiefreisetzungsrate.
Bei dem hier gewählten Beispiel wächst der
neu gebildete Zugriss an den Spitzen des
initialen Scherrisses unter 90°.
Klimadynamik und Sedimente
Am GFZ Potsdam werden mit modernen
geowissenschaftlichen Analysemethoden
in der Sektion 3.3 Klimarekonstruktionen
an Sedimenten durchgeführt. Diese ermöglichen
in Kombination mit archäologischen
und historischen Quellen, die
Reaktionen antiker Gesellschaften auf
Veränderungen des Klimas nachzuvollziehen.
Dies ist ein relativ neuer Forschungsansatz,
doch aktuelle, jährlich bis
dekadisch aufgelöste Klimazeitreihen erbrachten
in den letzten Jahren verblüffende
Erkenntnisse. So verraten geochemische
Analysen von Seesedimenten auf
der mexikanischen Yucatan-Halbinsel in
Kombination mit laminierten marinen
Sedimenten vor der Küste Venezuelas,
dass der Untergang der klassischen Maya
Kultur mit einer allgemeinen Trockenheit
in der Region und punktierten, wenige
Jahre andauernden Dürrephasen einherging.
Der Zusammenbruch des Akkadischen
Reiches in Mesopotamien vor
4.200 Jahren, der Niedergang der Mochica-Kultur
an den Küsten Perus vor 1.500
Jahren, das Ende der Tiwanaku-Zivilisation
im Hochland Boliviens und Perus vor
einem Jahrtausend und das Ende chinesischer
Dynastien – all diese Entwicklungen
lassen sich mit lang anhaltenden
Dürren in Verbindung bringen. Mögen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

auch in allen diesen Fällen noch andere Faktoren eine
große Rolle gespielt haben – Kriege, Überbevölkerung,
Umweltzerstörung – so hatte doch stets eine drastische
Klimaänderung entscheidenden Anteil am Untergang früher
Hochkulturen. Im Folgenden wird anhand von Sedimenten
des Roten Meers die Klimaentwicklung der
Region Naher Osten auch im Hinblick auf die kulturelle
Entwicklung diskutiert. Ferner wird das Klimaarchiv des
Sees El'gygytgyn in Nordsibirien vorgestellt, welches im
kommenden Jahr im Rahmen des Schwerpunktprogramms
ICDP erbohrt werden soll, um die Klimageschichte
der sibirischen Arktis während der letzten 3,6
Millionen Jahre zu rekonstruieren.
Sedimente des Roten und Schwarzen Meeres als
Klimaarchive
Multidekadische bis säkulare Klimavariabilität und die
Nordatlantische/Arktische Oszillation
Die Nordatlantische/Arktische Oszillation (NAO/AO)
beschreibt ein überregionales vor allem winterwirksames
Klimaphänomen, das einen signifikanten Anteil an der
interannuellen und dekadischen Klimavariabilität der
mittleren und hohen Breiten der Nordhemisphäre ausmacht.
Auf längeren Zeitskalen ist die Bedeutung dieses
Klimaphänomens jedoch nicht ausreichend untersucht.
Durch instrumentelle Klimadaten ist belegt, dass das Klimageschehen
sowohl in der Region des nördlichen Roten
Meeres als auch im Nordosten Anatoliens durch die
NAO/AO mitbestimmt wird. Während Phasen höherer
Luftdruckunterschiede zwischen dem Islandhoch und
dem Azorentief (positiver NAO) erhält Nordostanatolien
relativ weniger Niederschlag (Turqes und Erlat, 2003),
wohingegen im Bereich des nordöstlichen Roten Meeres
vor allem die Staubsturmaktivität im Winter merklich
nachlässt. Gleichzeitig kommt es im Bereich östliches
Mittelmeer und nördliches Rotes Meer zu verstärkter Luftmassen-Subsidenz
und damit zu erhöhter Verdunstung, die
zu einer Destabilisierung der Wasserschichtung führt
Abb. 3.23: Schematische Darstellung der Meeresoberflächen- und Niederschlagsanomalien
während einer positiven NAO/AO Phase. Arbeitsgebiete
im (1) südwestlichen Schwarzen Meer und (2) dem nördlichen Golf von
Aqaba, Rotes Meer.
Modern sea surface temperature and precipitation anomalies associated with
positive NAO/AO. Area of investigation in (1) the southwestern Black Sea
and (2) the northern Gulf of Aqaba, Red Sea.
(Eshel und Farrell 2000; Zangvil et al. 2003, Abb. 3.23).
Über die Bestimmung geeigneter Umweltkenngrößen an
Sedimentabfolgen aus diesen Bereichen können langfristige
Änderungen dieser Anomalien identifiziert werden.
Das Rote Meer ist ein von Wüste umgebenes Randmeer,
das durch die Straße von Bab el Mandeb (Tiefe 137 m)
vom Indischen Ozean abgetrennt wird. Der Golf von
Aqaba wiederum schließt im Nordosten über eine weitere
Schwelle, der Straße von Tiran, an das nördliche Rote
Meer an. Das im Süden oberflächennah einströmende
Wasser sinkt im Norden durch sehr hohe Verdunstungsraten
und Abkühlung in tiefere Wasserstockwerke ab, fließt
dort zurück und verlässt das Rote Meer als extrem salzhaltiges
Tiefenwasser. Aufgrund der weitgehend isolierten
Lage des Roten Meeres führen Schwankungen des
globalen Meeresspiegels sowie regionale und überregionale
Änderungen der atmosphärischen Zirkulation zu
besonders starken Veränderungen der lokalen Umweltbedingungen.
Dieses und die besondere Qualität der vorhandenen
Sedimentabfolgen machen das nördliche Rote
Meer und im Speziellen den Golf von Aqaba zu einem hervorragenden
Paläoumweltarchiv. Das letzte glaziale Maximum,
vor etwa 19 bis 23.000 Jahren, dokumentiert sich
in den marinen Sedimenten des nördlichen Roten Meeres
in einer so genannten aplanktischen Zone. Durch die
extrem hohen Salzgehalte (> 50 ‰) wurden die Toleranzgrenzen
der meisten marinen Organismengruppen
überschritten (z. B. Arz et al. 2003a). Erst mit dem stufenweisen
Abschmelzen der Eiskappen und dem damit
ansteigenden Meeresspiegel normalisierte sich das Ökosystem
des nördlichen Roten Meeres. Der Beginn unserer
Warmzeit ist im Nahen Osten als länger anhaltende
Feuchtphase dokumentiert (Arz et al. 2003b). Diesem
Langzeittrend sind eine Vielzahl von kürzeren hydroklimatischen
Schwankungen aufgesetzt, die als quasiperiodische
Änderungen (~ 800, ~ 500 und ~ 350 Jahre) z. B.
im äolischen Eintrag und dem Grad der vertikalen Durchmischung
der Wassersäule im nördlichen Golf von Aqaba
zu erkennen sind (Abb. 3.24).
Im Schwarzen Meer äußern sich längerfristige
Verschiebungen im Niederschlagsmuster
in einer deutlichen Änderung
des Sedimenteintrags über die größeren
Flusssysteme wie z. B. dem Sakarya,
der die nordostanatolische Region
zum Schwarze Meer hin entwässert
(Abb. 3.25). Durch besonders starke
Schichtungsverhältnisse im Schwarzen
Meer – oberflächennah ist der Salzgehalt
und damit die Dichte des Wassers
durch den starken Süßwasserzustrom
deutlich geringer als in den durch
Zustrom salzreicheren Wassers aus dem
Mittelmeer gekennzeichneten tieferen
Stockwerken – herrschen hier seit annähernd
8.000 Jahren am Meeresboden
sauerstofffreie, lebensfeindliche Bedingungen,
die eine besonders gute Erhaltung
der Ablagerungen ermöglichen.
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Abb. 3.24: Kurzfristige holozäne Klimaschwankungen während der letzten 7.500 Jahre dokumentiert in Sedimenten
des nördlichen Golfes von Aqaba (Lamy et al. in press). Links: Schwankungen im Eintrag äolischen Materials (gelb)
und Änderungen der Stratifizierung der Wassersäule (rot). Rechts: Kernlokation, Bathymetrie (nach Ehrhardt et al.
2004) und schematische Darstellung der Zirkulation des Golfes von Aqaba.
Multicentennial Holocene climate variability for the last 7.500 years reconstructed from the northern Gulf of Aqaba
sediments (Lamy et al. in press). Left panel: Changes in the eolian input (yellow) and water column stratification (red).
Right panel: Core location, bathymetry (after Ehrhardt et al. 2004), and schematic representation of the Gulf of Aqaba
circulation.
Die analysierten Sedimentkerne zeigen eine deutliche
Feinschichtung, die regelmäßig durch homogene, tonreiche
Lagen unterbrochen werden (Abb. 3.25), welche
während erhöhter Niederschläge im Einzugsgebiet des
Sakaryas eingetragen werden. Änderungen in der Häufigkeit
dieser Tonlagen können als Änderungen im
Niederschlagsregime des Hinterlandes interpretiert werden.
Auch in diesen Klimaarchiven sind, ähnlich wie
Abb. 3.25: Kurzfristige holozäne Klimaschwankungen während der letzten 8.000 Jahre, dokumentiert in Sedimenten des
südwestlichen Schwarzen Meeres (Lamy et al. in press). Rechts: Lage der bearbeiteten Sedimentkerne im südwestlichen
Schwarzen Meer mit Satellitenaufnahmen des Arbeitsgebiets, in dem der Sedimenteintrag des Sakarya als helle Fahne zu
erkennen ist. Links: Helligkeit des laminierten Sediments als Graustufenkurve und Röntgenaufnahme eines Kernausschnitts.
In Blau ist die Variabilität der Tonlagenhäufigkeit während der letzten 8.000 Jahre dargestellt.
Short-term Holocene climate fluctuation during the past 8.000 years reconstructed from sediment cores of the southwestern
Black Sea (Lamy et al. in press). Right panel: Area of investigation with core locations and satellite image showing
the sediment veil of the Sakarya River. Left panel: Sediment lightness as grayscale record and radiograph of a
core section. In blue colors the clay layer frequency for the last 8.000 years is shown.
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Abb. 3.26: Dokumentation eines Dürreereignisses im Shaban Tief, nördliches Rotes Meer. Links oben: Lokation
des untersuchten Sedimentkerns und die Bathymetrie des Shaban Tiefs mit heutiger Lage der Grenzfläche zwischen
Meerwasser und Sole (rote Linie). Links unten: Radiographie der teils laminierten Sedimente des Shaban Tiefs
mit Alterskontrollpunkten. Rechts: Paläoumweltdaten, die die kurzzeitige Anomalie um 4.200 Jahren v. H. dokumentieren.
Evidence for a drought event from the Shaban Deep, northern Red Sea. Left, upper panel: Sediment core location and
the bathymetry of the Shaban Deep with the present sea-water/brine interface (red line). Left, lower panel: Radiograph
of the partly laminated sediments of the Shaban Deep with age control points. Right: Environmental proxy data indicating
the short-term climate anomaly at around 4.200 years B. P.
in den Daten aus dem nördlichen Roten Meer, eine Vielzahl
von säkularen hydroklimatischen Schwankungen
zu erkennen (Abb. 3.25).
Durch den Vergleich mit anderen Paläoklimadaten aus der
zirkumatlantischen Region werden geographische Muster
erkennbar, die auf eine großskalige Verschiebung der
atmosphärischen Zirkulation und eine Wirksamkeit des
interannuellen Klimaphänomens der Nordatlantischen
Oszillation (NAO) auch auf längeren Zeitskalen hinweisen
(Lamy et al., in press).
Klimaänderungen im nördlichen Roten Meer und der Einbruch
der Hochkulturen im Nahen Osten
Eine Besonderheit stellen die Paläoklimaaufzeichnungen
aus dem nördlichen Roten Meer um 4.200 Jahre v. H. dar.
Archäologische Funde aus dem Zweistromland und dem
alten Ägypten deuten auf ein abruptes Ende der damaligen
Hochkulturen etwa zu diesem Zeitpunkt hin (Weiss et
al. 1993). Untersuchungen an marinen Sedimenten aus
dem Golf von Oman zeigen, dass einer der plausibelsten
Gründe für den Untergang des Akkadischen Imperiums
eine lang anhaltende Dürre gewesen sein könnte (Cullen
et al. 2000).
Sedimente aus dem Shaban Tief, einem jungen, tektonisch
entstandenen Solebecken im zentralen nördlichen
Roten Meer, dokumentieren, dass zu dieser Zeit eine deutliche
Änderung der Umweltbedingungen und Ablagerungsverhältnisse
im Roten Meer stattgefunden hat. Als
relativ kleines untermeerisches Becken von wenigen
Kilometern Durchmesser, ist das Shaban Tief heutzutage
mit einer extrem salzreichen Sole (siebenmal salziger als
das normale Meerwasser) gefüllt. Weitgehend sauerstofffreie
Verhältnisse führen auch hier durch die Abwesenheit
jeglicher Meeresbodenbewohner zu einer
Abb. 3.27: Schematische Darstellung der Zirkulation im
Roten Meer und des Zustandes des Shaban Tiefs (A) vor
dem Dürre-Ereignis um ca. 4.200 Jahren v. H. und (B)
während des Dürre-Ereignisses.
Sketch showing the circulation of the Red Sea and conditions
in the Shaban Deep (A) before the drought event at
about 4200 years B. P. and (B) during the drought event.
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besonders guten Erhaltung der Ablagerungen. Unter diesen
so genannten anoxischen Bedingungen entstanden bis
vor etwa 4.200 Jahren laminierte Sedimente. Vor 4.200
Jahren treten jedoch nicht laminierte suboxische Sedimente
auf (Abb. 3.26).
Dieser Wechsel geht mit dem kurzzeitigen Einwandern
benthischer Foraminiferen einher. Auffällig ist aber vor
allem, dass in diesem Zeitintervall die Salinität des Oberflächenwassers
deutlich ansteigt, was auf außergewöhnlich
hohe Verdunstungsraten über dem nördlichen Roten
Meer hinweist. Mit der erhöhten Salinität und damit auch
höheren Dichte des Oberflächenwassers ist wahrscheinlich
eine verstärkte Tiefenwasserbildung einhergegangen.
Reger zirkulierendes Tiefenwasser wiederum führte wahrscheinlich
zu einer Erosion des Solekörpers und zu der
vorübergehenden Aufhebung der anoxischen Verhältnisse
im Shaban Tief (Abb. 3.27). Die Paläoklimadaten aus dem
Shaban Tief belegen somit, dass klimatisch anomale Verhältnisse
in der Region höchstwahrscheinlich zum Kollabieren
einiger Hochkulturen mit beigetragen haben (Arz
et al., in press).
Das paläoklimatische Potenzial der Sedimente
des El’gygytgyn Sees, Nordostsibirien
Der See El’gygytgyn (Tschuktschensprache für: weißer
See, Abb. 3.28), mit einem Durchmesser von etwa 12 km
und einer Wassertiefe von 175 m, liegt auf 67° 30' N, 172°
05' E und 492 m ü. NN, im Inneren eines Impaktkraters
von etwa 18 km Durchmesser (Abb. 3.29). Dieser entstand
vor 3,6 Mio. Jahren durch den Einschlag eines Asteroiden
in ausgedehnte kretazische Vulkanite, vorwiegend Ignimbrite
und Rhyolite. Aufgrund der Lage am nördlichen
Polarkreis liegen die rezenten mittleren Julitemperaturen
bei +4 bis +8 °C, die mittleren Januartemperaturen bei
–32 bis –36 °C. Dies hat zur Folge, dass der See lediglich
in den Sommermonaten von Anfang Juli bis Mitte September
eisfrei ist (Abb. 3.29b), was ihm seinen Namen
gab. Seismische Untersuchungen des Alfred-Wegener-
Instituts im Jahre 2000 haben gezeigt, dass der See eine
Sedimentabfolge von etwa 300 m beinhaltet (Niessen et
al. 2006). 2007 oder 2008 sollen im Rahmen des ICDP
mehrere Kernbohrungen erfolgen, die diese Sedimente bis
in die Impaktbrekzie durchteufen sollen (http://elgygytgyn.icdp-online.org).
1998 und 2003 wurden im Rahmen von Voruntersuchungen
dieses ICDP-Projekts vom Alfred-Wegener-Institut,
der Universität Leipzig, der Universität Amherst, Massa-
chusetts, U.S.A. und dem NEISRI Magadan, Russland,
zwei 13 und 16 m lange Kernprofile (PG1351 und Lz1024)
gewonnen. Des Weiteren wurden auch die im Kraterrand
anstehenden Vulkanite und die Sedimente von Bächen, die
während des Sommers in den See fließen, beprobt. Die
paläo- und gesteinsmagnetischen Untersuchungen dieses
Materials finden vorwiegend am GFZ, Sektion 3.3 statt
(Nowaczyk et al. 2002, Nowaczyk et al. 2006). Zur Interpretation
dieser Daten wurden noch Ergebnisse geochemischer
Untersuchungen herangezogen (Melles et al.
2006, Minyuk et al. 2006).
Als wichtigster Parameter wurde bisher an allen Proben
die magnetische Suszeptibilität gemessen. Sie ist ein Maß
für den Gehalt an magnetischen Mineralen. Für die
El’gygytgyn Sedimente konnte gezeigt werden, dass dies
vorwiegend Magnetit (Fe 3O 4) und zu einem geringen Prozentsatz
Hämatit (Fe 2O 3) ist (Nowaczyk et al. 2002). Mit
Hilfe von zwei Messungen der Sättigungsmagnetisierung
bei verschiedenen Feldstärken und Richtungen (S-ratio)
lässt sich das Verhältnis von Magnetit zu Hämatit semiquantitativ
bestimmen. Ein S-ratio von 1 entspricht vereinfacht
100 % Magnetit und 0 % Hämatit, ein S-ratio von
0 entspricht 0 % Magnetit und 100 % Hämatit, wobei die
Umrechnung nicht linear ist. Da Magnetit unter anoxischen
Bedingungen wesentlich leichter löslich ist als
Hämatit, kann das S-ratio im Falle vom El’gygytgyn
auch als redox-sensitiver Parameter interpretiert werden
(Nowaczyk et al. 2006), wobei S-ratios nahe 1 oxische Verhältnisse
repräsentieren und deutlich niedrigere Werte (0,8
bis 0,7) anoxische Verhältnisse.
Die anstehenden Vulkanite sind durch sehr hohe Suszeptibilitäten
von meist 1.000 bis 100.000 x 10 –6 gekennzeichnet
(Abb. 3.30, oben). Niedrigere Werte ergaben sich
vorwiegend für stark verwitterte Handstücke. Auch die
Bachsedimente haben noch relativ hohe Werte von 1.000
bis 10.000 x 10 –6 (Abb. 3.30, Mitte). Man hätte daher auch
für die Seesedimente entsprechend hohe Werte erwarten
müssen. Die gemessenen Suszeptibilitäten, einmal hochauflösend
in 1 mm Schritten direkt an den Kernhälften
bestimmt und zum zweiten anhand der 2 x 2 x 1,5 cm großer
Paläomagnetikproben, liegen jedoch nur zwischen
60 und 4.000 x 10 –6 , wobei ca. 60 % der Sedimente unterhalb
von 800 x 10 –6 liegen (Abb. 3.30, unten). Mit Verdünnung
aufgrund im See gebildeter, biogener Sedimentkomponenten
– im Falle vom El’gygytgyn vorwiegend den
kieselige Überreste von Algen – sowie Sortierungsprozessen,
lassen sich die gemessenen niedrigen Suszeptibilitäten
der Sedimente vom Seeboden allein nicht erklären.
Abb. 3.28: Panorama des El’gygytgyn Sees in Nordostsibirien (Foto S. Quart, Uni Leipzig).
Panorama of the Lake El’gygytgyn in NE Siberia.
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Abb. 3.29: Lage des El’gygytgyn Impaktkraters und ein Satellitenphoto von Nordostsibirien mit dem noch zugefrorenen
See inmitten der bereits schneefreien arktischen Tundra Ende Juni 2002.
Location map of the El’gygytgyn impact crater and a Satellite image of NE Siberia in late June 2002 showing the icecovered
lake within the Arctic tundra, already free from snow.
Nimmt man alle verfügbaren Daten zusammen, lassen sich
zwei Extremsituationen skizzieren (Abb. 3.31), zwischen
denen sich das limnologische System des El’gygytgyn hin
und her bewegt. Das eine Szenario (Abb. 3.31, links) entspricht
in etwa der gegenwärtigen Situation, dem Holozän,
einem Interglazial. Im Winter, mit völliger Dunkelheit
im Dezember, ist der See komplett zugefroren. Im
Sommer, mit bis zu 24 Stunden Sonnenscheindauer, ist
der See für mehrere Monate völlig eisfrei. Der Wasserkörper
wird durchmischt und es liegen damit oxische Verhältnisse
am Seeboden vor. Dies hat zur Folge, dass organisches
Material, wie das von abgestorbenen Algen, weitgehend
zersetzt wird, was sich in einem relativ geringen
Gehalt an TOC (total organic Carbon) von 0,4 % äußert.
Das silikatische Gerüst von Diatomeen, das aus Opal
(amorphes SiO 2) besteht, bleibt aber erhalten. Der Gehalt
an Opal warmzeitlicher (interglazialer) Sedimente beträgt
Abb. 3.30: Häufigkeitsverteilungen der magnetischen
Suszeptibilität von im El'gygytgyn Kraterbereich anstehenden
Gesteinen (oben), Sedimenten aus Bächen, die in
den See fließen (Mitte) und Seesedimenten der letzten ca.
320.000 Jahre (unten). Seesedimente mit Suszeptibilitäten
von weniger (mehr) als etwa 800 x 10 –6 stammen in der
Regel aus anoxischen (oxischen) Phasen des Sees.
Relative frequencies of magnetic susceptibility values
obtained from hard rocks outcropping within the El'gygytgyn
crater (top), from sediments sampled from creeks
draining into the lake (middle), and from sediments
recovered from the lake floor, covering the last about
320 000 years (bottom). Lake sediments with values less
(more) than about 800 x 10 –6 represent anoxic (oxic) phases
of the lake.
über 20 %. Außerdem begünstigt das sauerstoffreiche
Wasser die Erhaltung von Eisenoxiden wie Magnetit, der
bei hinreichender Konzentration die magnetische Suszeptibilität
von Sedimenten allein bestimmt. Die magnetische
Suszeptibilität der Seesedimente, die unter diesen
(oxischen) Bedingungen abgelagert wurden, ist dem entsprechend
hoch und liegt mit 1.000 bis 3.000 x 10 –6 etwa
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 3.31: Die zwei Extremsituationen des El’gygytgyn Sees in Form von Jahresabläufen (J: Januar bis D: Dezember)
für Interglaziale (links) und Glaziale (rechts). Extremwerte der Juni-Insolation und Alter nach Berger & Loutre (1991):
Holozän = 11.000 Jahre, LGM: letztes glaziales Maximum = 24.000 Jahre; Sauerstoffisotopenstadium 5d = 115.000
Jahre, Eem = 128.000 Jahre.
The two extreme Situations as derived for Lake El’gygytgyn, displayed as annual sequences (J: January to D: December)
for interglacials (left) and galcials (right). Extreme amplitudes and ages of June insolation after Berger &
Loutre (1991): Holocene = 11 000 years, LGM: Last Glacial Maximum = 24 000 years; Oxygen isotope stage 5d =
115 000 years, Eemian = 128 000 years.
in der Schwankungsbreite der Bachsedimente (Abb. 3.30).
Das S-ratio liegt bei 1.
Dem gegenüber muss während der Glaziale mit etwa 15 %
geringerer Sommerinsolation (Abb. 3.31, oben) davon
ausgegangen werden, dass der See im Sommer nicht mehr
vollständig eisfrei war oder nur sehr kurzfristig auftaute
(Abb. 3.31, rechts). Möglicherweise war die Eisdecke
sogar für mehrere Jahre komplett geschlossen. Dies verhindert
jedoch nicht das Wachstum vom Algen, da Eis
lichtdurchlässig ist, insbesondere wenn kein Schnee auf
dem Eis liegt, weil es entweder nur geringen Winterniederschlag
(Schnee) gibt, oder dieser durch starke Winde
fortgeweht wird. Hinzu kommt, dass die Wassertemperatur
unterhalb des Eises unabhängig von der Außentemperatur
immer mindestens 0 °C (oder mehr) beträgt und auch
die Sonnenscheindauer im Sommer nach wie vor bis zu
24 Stunden betrug. So kommt es, dass selbst während der
Hochglaziale relativ viel Algenwachstum möglich war,
was an einem Opalgehalt von immer noch 6 bis 8 % abzulesen
ist. Dies ist noch ein Drittel dessen, was in den
Warmzeiten sedimentiert wurde.
Im Unterschied zum Opalgehalt ist der Gehalt der Seesedimente
an organischem Kohlenstoff wesentlich höher,
nämlich bis zu 2,5 %, also etwa sechsmal soviel wie während
der Warmzeiten. Dieser scheinbare Widerspruch lässt
sich dadurch erklären, dass der Wasserkörper des Sees
durchgehend geschichtet war und sich dadurch anoxische
Verhältnisse am Seeboden ausbilden konnten. Das heißt,
dass die organischen Anteile abgestorbener Algen, die in
den obersten oxischen Schichten des Sees lebten, nach
dem Absinken auf den Seeboden dort nicht zersetzt wurden.
Andererseits werden unter anoxischen Bedingungen
aber Eisenoxide, bevorzugt Magnetit sehr leicht aufgelöst.
Dies wird bestätigt durch die extrem geringen Werte der
magnetischen Suszeptibilität (50 bis 500 x 10 –6 ) von Schichten,
die anoxische Phasen des Sees und damit kalte Klimaphasen
repräsentieren. Das nicht-lineare, redox-sensitive
S-ratio weist ebenfalls auf Magnetitlösung hin, da es
in den anoxischen Schichten auf 0,8 bis 0,7 absinkt. Insgesamt
lässt sich daraus abschätzen, dass während der
anoxischen Phasen kalter Klimate 90 bis 99 % der Magnetitpartikel
gelöst wurden.
Über den Titangehalt (TiO 2), als Indikator lithogenen Eintrags,
kann dies bestätigt werden. Der Titangehalt ist allgemein
mit der Bioproduktivität (Opalgehalt) antikorreliert
(Abb. 3.32), das heißt, der lithogene Eintrag wird
durch biogene Sedimentanteile mehr (Warmzeiten) oder
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weniger (Kaltzeiten) verdünnt. Da die magnetische Suszeptibilität
an die lithogene Phase gekoppelt ist, sollte sie
also mit der TiO 2-Kurve parallel laufen. Statt dessen ist
sie aber zu dieser antikorreliert, da eben in Kaltphasen des
Klimas der See durchgehend geschichtet und an seinem
Grund anoxisch war, was zu den beschriebenen massiven
Verlusten an Magnetit führte. Letzteres hat vor allem zur
Folge, dass eine paläomagnetische Datierung über Intensitätsvariationen
nicht möglich ist.
Auffallend ist jedoch die Tatsache, dass die magnetische
Suszeptibilität und auch andere Parameter eine deutliche,
langperiodische Periodizität aufweisen. Aus Datierungen
über Infrarot stimulierte Lumineszenz (IRSL)
ergab sich eine klare Korrelation zu Orbitalparametern
der Erde, die die Insolation und damit zumindest die
langfristigen Klimazyklen in der Größenordnung von
20.000 bis 400.000 Jahre steuern. In Abb. 3.32, unten,
ist daher auch die Sommerinsolation (Juni) der Nordhemisphäre
nach Berger & Loutre (1991) dargestellt, mit
der die stratigraphischen Daten der El’gygytgyn Sedi-
mente in Beziehung gesetzt wurden. Dabei wurden, wie
es sich bei diesem Verfahren als realistisch erwiesen hat,
Insolationsmaxima mit dem Beginn der Warmphasen,
gleich der Basis von oxischen Schichtpaketen mit hoher
Suszeptibilität und niedrigem TOC-Gehalt, sowie Insolationsminima
mit dem Beginn der Kaltphasen, gleich
der Basis anoxischer, TOC-reicher Lagen mit niedriger
Suszeptibilität, gleichgesetzt. Das so erhaltene Altersmodell
deckt sich sehr gut mit den IRSL-Datierungen
(Nowaczyk et al. 2006) und ergibt ein Alter von ca.
250.000 Jahren für die Basis des Kernprofils PG1351
(Abb. 3.32). Die aus dem Altersmodell abgeleitete Sedimentationsrate
liegt bei 20 bis 40 mm pro tausend Jahre.
Die langperiodischen Amplitudenvariationen der magnetischen
Suszeptibilität folgen nun in nahezu idealer
Weise der Nordhemisphäreninsolation. Damit ist klar,
dass sich die großen Klimazyklen der Erde in den magnetischen
Eigenschaften der El’gygytgyn Sedimente
mehr oder weniger direkt, als Folge des klimatisch
bedingten Wechsels von oxischen und anoxischen Phasen
des unteren Wasserkörpers abbilden.
Abb. 3.32: Klimatisch-sedimentologische Schlüsselparameter des Kerns PG1351 aus dem El’gygytgyn See sowie die
Nordhemisphären Juni-Insolation als Funktion der Zeit (nach Nowaczyk et al. 2006). Maxima im TOC-Gehalt (total
organic Carbon) parallel zu Minima in der magnetischen Suszeptibilität markieren ausgeprägte anoxische Phasen des
Sees aufgrund eines geschichteten Wasserkörpers während der Glaziale.
Sedimentological parameters from Lake El’gygytgyn core PG1351 that represent climatic key paramters, together with
the northern hemisphere June insolation versus time (after Nowaczyk et al. 2006). Maxima in TOC content (total organic
Carbon) parallel to minima in magnetic susceptibility mark pronounced anoxic phases of the lake during glacials
due to a layered water body.
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Neben den langperiodischen Klimaphasen sind aber auch
kurzfristige Klimaänderungen wie zum Beispiel die Jüngere
Dryas, eine Wiederabkühlung des Klimas am Ende
der letzten Eiszeit bei etwa 11.000 Jahre vor heute, in der
Variation der Suszeptibilität dokumentiert. Auch lassen
sich bei älteren Wechseln von Glazialen zu Interglazialen
stufenartige Erwärmungen mit sporadischen Rückschlägen
zu kälteren Phasen ableiten. Dies sind interessante
paläoklimatische Aspekte, die noch weiter im Detail zu
untersuchen sind. Die bislang untersuchten Kerne,
PG1351 mit 250.000 Jahre Basisalter (Abb. 3.32) und
Lz1024 (in Arbeit) mit ca. 320.000 Jahre Basisalter, repräsentieren
bereits die längsten Paläoklimaarchive der kontinentalen
Nordhalbkugel. Die im Rahmen der zukünftigen
ICDP-Bohrungen zu erwartenden 3,6 Mio. Jahre langen
Sedimentsequenzen werden daher ein einzigartiges
Klimaarchiv darstellen. Dies ist von besonderer Bedeutung,
da sonst Klimastudien nur basierend auf marinen
ODP-Bohrungen oder den Eiskernen von Grönland und
der Antarktis erarbeitet wurden. Eisschilde als Klimaarchiv
sind zudem dadurch beeinträchtigt, dass aufgrund der
vorhandenen Fließtektonik ältere Zeitabschnitte mit
abnehmender Zeitauflösung dokumentiert sind und auch
ein Maximalalter nicht überschritten werden kann.
Literatur:
Bohm, M., Lüth, S., Echtler, H., Asch, G., Bataille, K., Bruhn, C., Rietbrock, A.,
& Wigger, P. (2002): The Southern Andes between 36° S and 40° S latitude: seismicity
and average velocities. Tectonophysics, 356, 275-289.
Bookhagen, B., Melnick, D., Strecker, M. & Echtler, H., subm.: Uplift patterns
deduced from late Holocene emerged strandlines at Isla Santa Maria, Chile.
Darwin, C. (1851): Geological Observations on Coral Reefs, Volcanic Islands and
on South America – Being the Voyage of the Beagle, Under the Command of Captain
Fitzroy, R.N., during the years 1832 to 1836. Smith & Elder, London, 279 pp.
Krawczyk, C.M., Mechie, J., Tasarova, Z., Lueth, S., Stiller, M., Brasse, H., Echtler,
H.P., Bataille, K., Wigger, P. & Araneda, M., subm. Geophysical Signatures
and active tectonics at the southern Central Chilean margin. In O. Oncken, M.R.
Strecker, G. Franz & E. Ramos (eds.), Andean Geodynamics. Frontiers in Earth
Sciences, 1, Springer Verlag.
Krawczyk, C.M & The SPOC Team (2003): Amphibious seismic survey images
plate interface at 1960 Chile earthquake. EOS, Transactions, American Geophysical
Union, 84 (32), 301, 304-305.
Lohrmann, J., Kukowski, N., Krawczyk, C.M., Oncken, O., Sick, C., Sobiesiak,
M. & Rietbrock, A., subm.: Subduction channel evolution in brittle forearc wedges
- A combined study with scaled sandbox experiments, seismological and reflection
seismic data and geological field evidences. In O. Oncken, M.R. Strecker, G.
Franz & E. Ramos (eds.), Andean Geodynamics. Frontiers in Earth Sciences, 1,
Springer Verlag.
Melnick, D., Bookhagen, B., Echtler H., Strecker, M.: Coastal Deformation and
great subduction earthquakes: Isla Santa Maria, Chile (37°S). GSA Bulletin, in
press.
Oncken, O., Hindle, D., Kley, J., Elger, K., Victor, P., Schemmann, K., subm: Deformation
of the Central Andean upper plate system – facts, fiction, and constraints
for plateau models. In: O. Oncken O, Strecker M, Franz G, Ramos E (eds.), Andean
Geodynamics, Frontiers in Earth Sciences, 1, Springer Verlag.
Arz, H. W., Lamy, F., Pätzold, J., Müller, P. J., und Prins, M. (2003b): Mediterranean
moisture source for an early-Holocene humid period in the northern Red Sea.
Science 300, 118-122.
Arz, H. W., Lamy, F., und Pätzold, J. (in press): A pronounced dry event recorded
around 4.2 kyr in brine sediments from the Northern Red Sea. Quaternary Research.
Arz, H. W., Pätzold, J., Müller, P. J., und Moammar, M. O. (2003a): Influence of
Northern Hemisphere climate and global sea level rise on the restricted Red Sea
marine environment during termination I. Paleoceanography 18, 31-1 - 31-13.
Berger, A. & Loutre, M.F. (1991): Insolation values for the climate of the last
10 million of years. Quat. Sci. Rev., 10: 297-317.
Cullen, H. M., DeMenocal, P. B., Hemming, S., Brown, F. H., Guilderson, T., and
Sirocko, F. (2000): Climate change and the collapse of the Akkadian empire: Evidence
from the deep sea. Geology 28, 379-382.
Ehrhardt, A., Hübscher, C., Ben-Avraham, Z., and Gajewski, D. (2005): Seismic
study of pull-apart-induced sedimentation and deformation in the Northern Gulf
of Aqaba (Elat). Tectonophysics 396, 59-79.
Eshel, G., and Farrell, B. F. (2000): Mechanisms of eastern Mediterranean rainfall
variability. Journal of the Atmospheric Sciences 57, 3219-3232.
Lamy, F., Arz, H. W., Bond, G., Pätzold, J., and Bahr, A. (in press): Multicentennial-scale
hydrological changes in the Black Sea and northern Red Sea during the
Holocene and the Arctic/North Atlantic Oscillation. Paleoceanography.
Melles, M., Brigham-Grette, J., Glushkova, O.Y., Minyuk, P.S., Nowaczyk, N. R.
& Hubberten, H.-W. (2006): Sedimentary geochemistry of core PG1351 from El'gygytgyn
– a sensitive record of climate variability in the East Siberian Arctic
during the past three glacial-interglacial cycles. J. Paleolim., in press.
Minyuk P., Brigham-Grette J., Melles, M., Borkhodoev V.Ya. & Glushkova, O.Yu.
(2006): Inorganic geochemistry of El’gygytgyn Lake sediments (northeastern Russia)
as an indicator of paleoclimatic change for the last 250 kyr. J. Paleolim., in press.
Niessen, F., Gebhardt, A.C., Kopsch, C. & Wagner, B. (2006): Seismic investigations
of the El’gygytgyn crater lake (Central Chukotka, NE Siberia): preliminary
results. J. Paleolim., in press.
Nowaczyk, N.R., Melles, M. & Minyuk, P.S. (2006): A revised age model for core
PG1351 from Lake El’gygytgyn, Chukotka, based on magnetic susceptibility variations
tuned to northern hemisphere insolation variations. J. Paleolimn., in press.
Nowaczyk, N.R., Minyuk, P.S., Melles, M., Brigham-Grette, J., Glushkova, O.,
Nolan, M., Lozhkin, A.V., Stetsenko, T.V., Andersen, P.M., Forman, S.L. (2002):
Magnetostratigraphic results from impact crater Lake El’gygytgyn, northeastern
Siberia: a 300 kyr long high-resolution terrestrial palaeoclimatic record from the
Arctic. Geophys. J. Int., 150: 109-126.
Turkes, M., and Erlat, E. (2003): Precipitation changes and variability in Turkey
linked to the North Atlantic Oscillation during the period 1930-2000. International
Journal of Climatology 23, 1771-1796.
Weiss, H., Courty, M. A., Wetterstrom, W., Guichard, F., Senior, L., Meadow, R.,
and Curnow, A. (1993): The genesis and collapse of third millennium North Mesopotamian
civilization. Science 261, 995-1004.
Zangvil, A., Karas, S., and Sasson, A. (2003): Connection between Eastern Mediterranean
seasonal mean 500 HPA height and sea-level pressure patterns and the
spatial rainfall distribution over Israel. International Journal of Climatology 23,
1567-1576.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
297

298
Das Oberkarbon an der Westküste Irlands bei den „Cliffs of Mohar“. Die Untersuchung von Ammoniumgehalten und
Stickstoffisotopen in diesen Sedimentgesteinen sind Bestandteil eines Forschungsvorhabens im DFG-Schwerpunktprojekt
„Dynamik sedimentärer Beckensysteme unter wechselnden Spannungsregimen am Beispiel des zentraleuropäischen
Beckensystems“ (Foto: V. Lüders, GFZ).
The upper Carboniferous strata at the „Cliffs of Mohar“, westcoast of Ireland. Studies of ammonia content and nitrogen
isotopic composition in these sedimentary rocks are part of a scinetific project funded by the DFG in the priority program
„Dynamics of sedimentary systems under varying stress conditions by example of the Central European Basin-System“.
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Department 4
Chemie der Erde
Geodynamische Prozesse sind als räumlich begrenzte
Abläufe Antrieb für Deformationsprozesse, Erdbeben und
für alle geogenen Stoffkreisläufe, die den Lebensraum
Erde aufrechterhalten. Stoffkreisläufe sind der Motor für
die Entstehung von Ressourcen, wie mineralische Lagerstätten,
Kohlenwasserstoffvorkommen und Grundwasser.
Um Antrieb und Steuerungsmechanismen von geodynamischen
Prozessen und Stoffkreisläufen zu identifizieren
und deren Risiko- und Ressourcenpotentiale abschätzen
zu können, werden neben geophysikalisch-geodätischen
Messkampagnen in geodynamischen Schlüsselregionen
der Erde – vor allem an aktiven und passiven Kontinenträndern
(„Labor Erde“) – Laborexperimente entwickelt
(„Erde im Labor“). Diese simulieren Prozesse unter Normalbedingungen
bis zu hohen Drücken und Temperaturen
und entschlüsseln Materialeigenschaften, Reaktionen zwischen
Mineralen, Schmelzen und Fluiden, sowie die damit
verbundenen Transportprozesse in allen Skalenbereichen
bis hinunter in den atomaren Maßstab. Der Einsatz mikround
isotopenanalytischer Methoden erlaubt dabei die
Quantifizierung von Stoffumsätzen und die Bestimmung
der Chronologie geodynamischer Prozesse. Numerische
Modellierungen verknüpfen diese Daten ganz unterschiedlicher
Art und Dimension über verschiedene Skalenlängen.
In diesem Kontext ist auch die Neu- und Weiterentwicklung
innovativer Mess- und Auswertetechnologien
von essentieller Bedeutung.
Ein Schlüssel zum Verständnis des Systems Erde ist die
Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Geomaterialien
bei hohen Drücken und Temperaturen. Unter dem
Stichwort „Erde im Labor“ werden am GFZ Materialeigenschaften
von Gesteinen und Mineralen bei simulierten
Bedingungen des Erdinneren untersucht. Dabei stehen die
für das Prozessverständnis wichtigen Größen, wie die
Wärmetransporteigenschaften, und die für die Interpretation
der indirekten geophysikalischen Tiefensondierungen
benötigten Größen, wie elastische Eigenschaften, Dichte
und elektrischer Widerstand, im Mittelpunkt. Die am GFZ
verfügbaren und z. T. selbst entwickelten Apparaturen und
experimentellen Einrichtungen stehen auch externen
Arbeitsgruppen für materialwissenschaftliche Fragestellungen
in Physik, Chemie und bei der Entwicklung von
neuen Materialien zur Verfügung.
Gase und Fluide können eine Schlüsselrolle für das Verständnis
derjenigen Prozesse spielen, die in Verwerfungsund
Störungszonen auftreten. Ungewöhnliche Zusammensetzungen
oberflächennaher Gase und Fluide entlang aktiver
Störungen sind weltweit belegt, doch sind ihr Ursprung,
die Verteilung in der Tiefe und ein möglicher Zusammenhang
z. B. mit seismischer Aktivität bisher wenig verstanden.
Angesichts der Bedeutung, die das Vorhandensein
von Fluiden in Störzonen auf das rheologische Ver-
halten der oberen Kruste, das Erdwärmepotential, die
Natur geophysikalischer Signale und die Grundwasservorräte
hat, sind die Kenntnisse zu thermo-hydro-mechanischen
Kopplungen und nichtlinearen Prozessen im kristallinen
Untergrund auch heute noch sehr dürftig. Um solche
Untersuchungen erfolgreich durchzuführen, beteiligen
wir uns intensiv an wissenschaftlichen Tiefbohrungen
im Rahmen des internationalen kontinentalen Bohrprogramms
(ICDP) und des Integrated Ocean Drilling Program
(IODP).
In den letzen beiden Jahren wurden im Department 4
Aspekte und Phänomene des Kohlenstoffkreislaufs in der
festen Erde intensiv untersucht. Die Menge an Kohlenstoff
in diesem Kreislauf ist zehntausendmal größer als
die aller lebenden Biomasse und Ressourcen an fossilen
Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas, Gashydrate) zusammen.
Obwohl äußerst dynamisch, laufen die Prozesse mit
unvorstellbar geringen Geschwindigkeiten ab, wenn man
die menschliche Zeitskala als Vergleich heranzieht. Dieser
globale Kohlenstoffkreislauf umfasst den Kreislauf
des Lebens in Vergangenheit und Gegenwart. Er ist im
Wesentlichen für die Entstehung fossiler Brennstoffe verantwortlich,
die den industriellen Energiebedarf abdecken.
Der Kohlenstoffkreislauf ist sowohl eine Senke für
Kohlendioxid als auch eine Quelle von Treibhausgasen.
Im Rahmen unseres Forschungsprogramms wurden hochmoderne
organisch-geochemische Laboratorien aufgebaut.
Integrierte Lehr- und Forschungsprogramme in Zusammenarbeit
mit der Industrie, der Technischen Universität
Berlin und Institutionen der Forschungsförderung (z. B.
DFG) wurden initiiert.
Bor und Lithium als Monitore von Massentransfer
in Subduktionszonen
Bor und Lithium besitzen jeweils zwei Isotope, 11 B, 10 B
und 7 Li, 6 Li, die in der Natur in einem Verhältnis von etwa
4:1 bzw. 12:1 auftreten. Auf Grund der sehr großen Massenunterschiede
von 10 bzw. 17 % zwischen den beiden
Isotopen gibt es eine große Isotopen-Variation in Gesteinen
und natürlichen Fluiden mit einer Bandbreite von
jeweils über 50 ‰. Die B- und Li-isotopische Zusammensetzung
in Fluiden, Schmelzen und Gesteinen im Bereich
von Subduktionszonen haben somit ein großes Potential
als geochemische Tracer zur Quantifizierung von Massentransferprozessen
im Bereich konvergenter Plattengrenzen.
Die Anreicherung von Bor in Magmen von Inselbögen
(IAB) bis zu 60 ppm im Vergleich zu MORB mit weniger
als 1,5 ppm und auch Mantel mit weniger als 0,1 ppm deutet
darauf hin, dass Bor über die Subduktion von alterierter
ozeanischer Kruste und von Sedimenten, die beide
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
299

300
Abb. 4.1: Schematischer Querschnitt durch eine Subduktionszone mit B- und
Li-Gehalten und δ 11 B- und δ 7 Li-Werten verschiedener Reservoirs (Mantel,
mittelozeanische Rückenbasalte (MORB), Sedimente, Inselbogenbasalte
(IAB), etc.) im Bereich von Subduktionszonen (Zusammenfassung der
Literaturdaten in Wunder et al., 2005; 2006).
Schematic cross section through a subduction zone with values of B- and Liconcentrations
and δ 11 B- und δ 7 Li-values of various natural reservoirs
(mantle, mid ocean ridge basalts (MORB), sediments, island arc basalts
(IAB), etc.) in the range of subduction zones (summary of literature data in
Wunder et al., 2005; 2006).
angereichert sind an Bor, in den Mantelkeil transportiert
wird. Dort werden die IAB produziert und Bor somit letztendlich
über diese Schmelzen oder Fluide zurück an die
Erdoberfläche transportiert.
Abb.4.2:Veränderung der Bor-Isotopie für Inselbogenmagmen von vier verschiedenen
Subduktionszonen aufgetragen jeweils mit zunehmender Tiefe
zur Wadadati-Benioffzone oder anders ausgedrückt, mit zunehmender Entfernung
zum Trench. Izu-Bonin: Ishikawa and Nakamura (1994); Kurilen:
Ishikawa and Tera (1997); Ost-Kamchatka: Ishikawa et al. (2001); Zentralanden:
Rosner et al. (2003).
Variation of δ 11 B-values of volcanic arc magmas of four different subduction
zones versus depth of the Wadati-Benioffzone, or differently expressed, with
distance to the trench. Izu-Bonin: Ishikawa and Nakamura (1994); Kuriles:
Ishikawa and Tera (1997); Eastern Kamchatka: Ishikawa et al. (2001); Central
Andes: Rosner et al. (2003).
In IAB wird beobachtet, dass sowohl
Bor-Gehalte als auch δ 11 B-Werte mit
zunehmender Entfernung vom Trench
abnehmen. Diese Änderung spiegelt möglicherweise
Rayleigh-Fraktionierungs-
Prozesse, wie sie zwischen OH-haltigen
Mineralen und Fluid in der abtauchenden
Platte stattfinden, wider. Demnach würden
die verschiedenen δ 11 B-„Cross-arc“-
Trends der einzelnen Subduktionszonen
aus deren unterschiedlichen thermischen
Strukturen resultieren, die wiederum Zeit
und Ort der Entwässerungs- und damit
auch der Fraktionierungsprozesse in einer
Subduktionzone kontrollieren. Die
Veränderung der B-Isotopen-Verhältnisse
über einen Inselbogen zeigen somit
möglicherweise, wie sich die Temperaturen
in einer Subduktionszone mit
der Tiefe verändern. Auch Li zeigt
eine Anreicherung der Gehalte in IAB
im Vergleich zu MORB. Die Li-Isotopen-Werte
unterscheiden sich jedoch
kaum von denen der MORB-Werte und
man findet in der Regel auch keine Variation
der δ 7 Li-Werte über den Inselbogen:
Es fehlt also die typische Slabsignatur,
wie sie für Bor und seine Isotope
sichtbar ist.
Ein quantitatives Verständnis des geochemischen Verhaltens
in Prozessen unter Beteiligung von Fluiden ist notwendig,
um Bor, Lithium und ihre Isotope als geochemische
Tracer benutzen zu können und somit Unterschiede
zu erklären. Es wurden deshalb experimentell
bestimmt (a) die B-isotopische
Fraktionierung zwischen Glimmer, einem
typischen OH-haltigen Slabmineral, und
Fluid bei neutralen und basischen Bedingungen
bei 0,4 und 3,0 GPa und 400 bis
700 °C und (b) die Li-isotopische Fraktionierung
zwischen Klinopyroxen, einem
typischen Mantelmineral, und Fluid bei
3,0 GPa und 500 bis 900 °C.
(a) Zeitabhängige Experimente zur B-
Isotopen Fraktionierung zwischen Glimmer
und Fluid bei nahe neutralen Bedingungen
liefern eine Fraktionierung
∆ 11 B Glimmer-Fluid von –11 ‰ bei 500 °C und
-6,5 ‰ bei 700 °C. Diese Daten korrelieren
sehr gut mit B-Isotopen-Fraktionierungen
zwischen Phasen unterschiedlicher
B-Koordination und sind konsistent
mit dem B-Koordinationswechsel
von [4]-fach in Glimmern nach [3]-fach
in Fluiden. Für Experimente mit basischen
Lösungen sind die Fraktionierungen
signifikant kleiner, nämlich –4,8 ‰
bei 500 und –7,4 ‰ bei 400 °C und korrelieren
mit Tourmalin(B [3] )-Fluid(B [3] )-
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Abb.4.3:Experimentell bestimmte B-Isotopen Fraktionierung zwischen B-Glimmer und Fluiden (bei 3,0 GPa) als Funktion
der Zeit bei 500 °C (a) und 700 °C (b) für etwa neutrale Fluide. Die schwarzen Kreise symbolisieren die isotopischen
Ausgangszusammensetzungen; offene Kreise entsprechen ∆ 11 B (Glimmer-Fluid)-Werte der zeitabhängigen Experimente;
offene Quadrate sind Syntheseexperimente. Die Linien verdeutlichen die zeitabhängige Einstellung von Gleichgewichtswerten
(Wunder et al., 2005).
Experimentally determined B-isotopic fractionation between B-mica and fluid (at 3,0 GPa )as a function of run duration
at 500 °C (a) and at 700 °C (b) for near neutral fluids. Black circles show the isotopic composition at starting conditions;
open circles denote ∆ 11 B (mica-fluid)-values of time-dependent experiments; open squares are synthesis experiments:
Solid lines approximate time-dependent equilibrium curves (Wunder et al., 2005).
Daten. Das spricht für identische B-Koordination in Glimmer
und Fluiden in diesen Experimenten und damit, in
Übereinstimmung mit früheren In-Situ-Raman-Untersuchungen
in Diamantzellen an B-haltigen Fluiden, für eine
überwiegend vorherrschende [4]-fache B-Koordination in
den stark basischen Fluiden.
Die Experimente zwischen Klinopyroxen und Fluid zeigen,
dass in Analogie zu Bor, das schwere Li-Isotop 7 Li
bevorzugt ins Fluid fraktioniert und die Fraktionierung Tabhängig
ist, mit Werten zwischen ca. 1 ‰ bei 900 °C und
ca. 4 ‰ bei 500 °C. Die T-Abhängigkeit der Li-Isotopen
Fraktionierung ist allerdings deutlich weniger ausgeprägt
als für Bor.
Unsere Experimente zeigen, das bei allen P-T-Bedingungen
und für unterschiedliche Fluide die schweren Isotope
Abb. 4.4: Experimentell bestimmte B-Isotopen Fraktionierung
zwischen Mineralen, Schmelzen und Fluiden aufgetragen
gegen die inverse Temperatur. Lineare Regression
der Ergebnisse von Experimenten unter Beteiligung
von Phasen unterschiedlicher B-Koordination ergibt die
Gleichung ∆ 11 B = –10,69 * (1000/T[K])+3,88, R 2 = 0,992
(durchgezogene Linie); die gestrichelte Linie stellt die T-
Abhängigkeit der B-Isotopen Fraktionierung zwischen
Phasen gleicher B-Koordination dar (Wunder et al.,
2005).
Experimentally determined B-isotopic fractionation between
mineral, melts and fluids versus reciprocal temperature.
Linear regression of experimental results for phases
of different B-coordination results in ∆ 11 B = –10.69 *
(1000/T[K])+3.88, R 2 = 0.992 (solid line): the dashed line
is the T-dependence of B-isotopic fractionation between
phases of identical B-coordination (Wunder et al., 2005).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
301

302
Abb. 4.5: Experimentell bestimmte Li-Isotopen Fraktionierung
zwischen Klinopyroxen und Fluiden (LiCl-, und
LiOH-Fluiden) aufgetragen gegen die inverse Temperatur.
Die Größe der Fraktionierung ist gleich bei Verwendung
von schwach basischen und chloridischen Fluiden, was
dafür spricht, dass energetisch ähnliche Li-Wasser-Cluster
in diesen Fluiden bei den experimentellen Bedingungen
vorliegen (Wunder et al., 2006).
Experimentally determined Li-isotopic fractionation between
clinopyroxene and fluid (LiCl-, and LiOH-fluid) versus
the inverse temperature. The value of fractionation is
identical for using the weakly basic and chloridic fluid,
which indicates that energetically not different Li-water
cluster exist in these fluid at the conditions of the experiments
(Wunder et al., 2006).
von Bor und Lithium ins Fluid, die leichten Isotope in die
Festkörper fraktionieren. Zudem nimmt die Stärke der
Fraktionierung mit zunehmender Temperatur ab. Das
bedeutet für die Natur, dass das aus einer subduzierten
Platte freiwerdende Fluid, z. B. durch den kontinuierlichen
Zerfall von Li, B-haltigen Glimmer, an 11 B und 7 Li angereichert
ist. Mit zunehmender Tiefe wird auf Grund von
Rayleigh-Fraktionierung das Fluid, das dem Slab entweicht,
kontinuierlich leichter. Wenn solche Fluide dann
unverändert durch den Mantelkeil bis in Bereiche der
Magmenbildung aufsteigen, erkennt man diese Slab-Signatur
in den Inselbogenmagmen wieder. Da Mantelminerale
das im Fluid gelöste Bor nur in sub-ppm-Mengen aufnehmen,
bleibt die isotopische Slabsignatur (Abnahme der
11 B/ 10 B-Verhältnisse und der absoluten B-Gehalte mit der
Tiefe) beim Aufstieg durch den Mantelkeil erhalten. Im
Gegensatz zu Bor besitzt Lithium auf Grund der nahezu
identischen Ionenradien von Mg und Li eine deutlich
höhere chemische Affinität sich in Mantelminerale wie
Olivin oder Pyroxenen einzubauen. Li-haltiges Fluid, das
aus einem Slab entweicht, wird demnach mit dem Mantelgestein
reagieren und das Fluid wird sich bezüglich der
Li-Isotopie, wie experimentell festgestellt, verändern. Das
führt dazu, dass die typische Slab-Signatur für Li-Isotope
verloren geht. Dieses unterschiedliche Verhalten von Bor
und Lithium führt somit zu einer Entkopplung ihrer chemischen
Kreisläufe.
Die Fraktionierung von Brom, Bor sowie der Borund
Chlor-Isotope zwischen koexistierenden fluiden
Phasen in Hydrothermalsystemen
Geologische Fluide bestehen typischerweise nicht aus reinem
H 2O sondern enthalten signifikante Mengen an gelösten
Stoffen. Neben CO 2, CH 4 und verschiedenen Stickstoff-
und Schwefelspezies bestimmen insbesondere
gelöste Salze wie NaCl oder KCl die physikochemischen
Eigenschaften dieser Fluide. Im reinen H 2O-System ist die
Koexistenz zweier fluider Phasen (Dampf und Flüssigkeit)
und damit eine Fluidentmischung auf Druck- und Temperaturbedingungen
unterhalb des kritischen Punktes von
reinem H 2O beschränkt (22,1 MPa/374 °C). In H 2O-Salz-
Systemen dehnt sich jedoch das 2-Phasenfeld, in dem zwei
fluide Phasen mit unterschiedlichen physikochemischen
Eigenschaften koexistieren, zu deutlich höheren Druckund
Temperaturbedingungen aus. Hohe Temperaturen bei
niedrigen Drücken begünstigen dabei in diesen Systemen
eine Fluidentmischung. Solche Druck-Temperaturbedingungen
sind ganz typisch für Hydrothermalsysteme, wie
sie sich an Mittelozeanischen Rücken, in vulkanischen
Systemen und um flach intrudierte Plutone entwickeln.
Die Hydrothermalsysteme an den Mittelozeanischen
Rücken verzahnen dabei die Chemie der Ozeane mit der
des Mantels und der ozeanischen Kruste während solche
in vulkanischen Systemen, die von meteorischen oder ozeanischen
Fluiden gespeist werden, eine effiziente Kühlung
der vulkanischen Systeme darstellen und ökonomisch
wichtige Geothermalsysteme bilden können. Hydrothermalsysteme
um flach intrudierte Plutone sind maßgeblich
an der Entstehung von Erzlagerstätten wie des Porphyry
Copper oder epithermalen Typs beteiligt. Die Bestimmung
der Herkunft und Zusammensetzung der fluiden Phasen
in geologischen Systemen ist demnach nicht nur von geochemischem
sondern auch ökonomischem Interesse. Da
in diesen Hydrothermalsystemen Fluide ihre physikochemischen
Eigenschaften nicht nur durch Mischung mit
anderen Fluiden oder durch Wechselwirkungen mit den
sie umgebenden Gesteinen verändern können, sondern
auch durch Fluidentmischung, ist es wichtig, das geochemische
Verhalten potentieller geochemischer Fluidtracer
während einer Fluidentmischung zu kennen.
Potentielle Tracer in fluidgesteuerten bzw. fluiddominerten
Prozessen sind Bor mit seinen beiden Isotopen 11 B und
10 B und die Halogene Chlor mit seinen Isotopen 37 Cl und
35 Cl und Brom. Allerdings ist ihr Verhalten in fluidentmischenden
Hydrothermalsystemen nur unzureichend bekannt.
Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurde ihre
Fraktionierung zwischen koexistierenden fluiden Phasen
experimentell bestimmt. Die Experimente wurden in einem
großvolumigen Hydrothermalautoklaven entlang von Isothermen
durchgeführt. Dieser Autoklav ermöglicht eine
quasi-isobare Beprobung der koexistierenden fluiden Phasen.
Die Fraktionierung von Bor und seiner Isotope 10 B
und 11 B sowie der Chlor-Isotope 35 Cl und 37 Cl wurde im
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

System H2O-NaCl-B 2O 3 bei 400 °C/23 bis 28 MPa und
450 °C/38 bis 42 MPa untersucht. Die Fraktionierung
von Brom wurde bei 380, 400, 430 und 450 °C und 23 bis
42 MPa im System H 2O-NaCl-NaBr untersucht.
Die Bor Konzentrationen sind in der Flüssigkeit generell
höher als im koexistierenden Dampf und zeigen, dass Bor
bevorzugt in die Flüssigkeit fraktioniert (Abb. 4.6a). Verglichen
mit den extremen Unterschieden in den NaCl-
Gehalten ist die Fraktionierung von Bor zwischen Flüssigkeit
und Dampf jedoch nur sehr klein (Abb. 4.6b).
Berechnete Verteilungskoeffizienten D B Flüssigkeit-Dampf (=
c B Flüssigkeit /cB Dampf ) sind kleiner als 2,5 unter allen experimentellen
Bedingungen. Die Daten zeigen, dass die Bor-Fraktionierung
mit sich öffnendem Solvus, d. h. mit abnehmendem
Druck und zunehmendem Dichtekontrast zwischen
Flüssigkeit und Dampf, zunimmt. Maximale Bor-Fraktionierung
zwischen Flüssigkeit und Dampf erfolgt daher bei
Salzsättigung, also bei Bedingungen mit den größten
physikochemischen Unterschieden zwischen Flüssigkeit
und Dampf. Die Extrapolation der experimentellen
Daten bis zur Salzsättigung
ergibt eine maximale Bor Fraktionierung
von D B Flüssigkeit-Dampf = 1,8 bei 450 °C und
D B Flüssigkeit-Dampf = 2,7 bei 400 °C (Abb. 4.6b).
Wie Bor selbst zeigen auch die Bor-Isotope
eine einheitliche, wenn auch schwache
Fraktionierung zwischen Flüssigkeit
und Dampf, wobei das schwerere Isotop
11 B bevorzugt in den Dampf fraktioniert
(Abb. 4.6c). Die berechnete Bor-
Isotopenfraktionierung ∆ 11 B Dampf-Flüssigkeit
= [( 11 B/ 10 B) Dampf – ( 11 B/ 10 B) Flüssigkeit]/( 11 B/
10 B)Standard}*1.000 reicht von 0,2 (± 0,7)
bis 0,9 (± 0,5) ‰ bei 450 °C und von
0,1 (± 0,6) bis 0,7 (± 0,6) ‰ bei 400 °C
(Abb. 4.6d). Wie beim Bor deuten die
Daten auch bei den Bor-Isotopen eine
zunehmende Fraktionierung mit sich öffnendem
Solvus an. Die Extrapolation der
Daten bis zur Salzsättigung ergibt eine
maximale Bor-Isotopenfraktionierung von
∆ 11 B Dampf-Flüssigkeit = 1,5 (± 0,7) ‰ bei 450 °C
und ∆ 11 B Dampf-Flüssigkeit = 1,3 (± 0,6) ‰ bei
400 °C. Die Bor Isotopenfraktionierung
ist eine Funktion der Bor Speziation (trigonal
versus tetragonal) in den koexistierenden
Phasen. Da im Dampf das Bor trigonal
koordiniert ist, deutet die geringe
Bor-Isotopenfraktionierung darauf hin,
dass in der Flüssigkeit ähnliche trigonale
Bor-Spezies vorliegen.
Um zu untersuchen, wie sich die Bor und
Bor-Isotopensignaturen der fluiden Phasen
in einem fluidentmischenden, ozeanischen
Hydrothermalsystem verändern,
wurde die Fluidentmischung von Meerwasser
entlang zweier adiabatischer Aufstiegswege
(Fluid 1 und Fluid 2) modelliert
(Abb. 4.7a). Fluid 1 ist dampfdomi-
niert und entmischt geringe Mengen Flüssigkeit (Kondensation)
während Fluid 2 flüssigkeitdominiert ist und
geringe Mengen an Dampf entmischt (Kochen). Die
Modellierungen im offenen System (Rayleigh Fraktionierung)
zeigen, dass sich trotz der sehr kleinen Fraktionierung
von Bor und seinen Isotopen zwischen Dampf und
Flüssigkeit die Bor- und Bor-Isotopensignatur in Fluid 1
für hohe Fraktionierungsgrade extrem ändert. Die Borund
Bor-Isotopensignatur in Fluid 2 verändert sich nur
unwesentlich während der Fluidentmischung. Ein Vergleich
der Ergebnisse der Modellierung mit natürlichen Fluiden
aus ozeanischen Hydrothermalsystemen zeigt jedoch,
dass die beobachteten Bor- und Bor-Isotopensignaturen
der natürlichen Fluide nicht mit den modellierten Trends
übereinstimmen (Abb. 4.7b). Dies bedeutet, dass in natürlichen
Systemen andere Prozesse die Bor-Geochemie kontrollieren
müssen.
Im Gegensatz zu den Bor Isotopen zeigen die Chlor-Isotope
keinerlei Fraktionierung zwischen Dampf und Flüs-
Abb. 4.6: (a) Bor Konzentrationen in koexistierendem Dampf und Flüssigkeit
bei 450 und 400 °C. Bor fraktioniert in die Flüssigkeit. (b) Verteilungskoeffizienten
D B Flüssigkeit-Dampf als Funktion der Druckdifferenz zum kritischen
Punkt bei 450 und 400 °C sowie Extrapolation der Daten auf Salzsättigung.
(c) 11 B/ 10 B-Verhältnisse in koexistierendem Dampf und Flüssigkeit
bei 450 und 400 °C. Das schwerere 11 B fraktioniert in den Dampf. (d)
Berechnete Isotopenfraktionierung ∆ 11 B Dampf-Flüssigkeit als Funktion der Druckdifferenz
zum kritischen Punkt bei 450 und 400 °C sowie Extrapolation der
Daten auf Salzsättigung.
(a) Boron concentration in coexisting vapour and liquid at 450 and 400 °C.
Bor fractionates into the liquid. (b) Distribution coefficients D B liquid-vapour as
function of the pressure difference to the critical point at 450 and 400 °C
and extrapolation of the data to salt saturation. (c) 11 B/ 10 B ratios in coexisting
vapour and liquid at 450 and 400 °C. The heavier 11 B fractionates into
the vapour. (d) Calculated isotope fractionation ∆ 11 B vapour-liquid as function of
the pressure difference to the critical point at 450 and 400 °C and extrapolation
of the data to salt saturation.
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303

304
Abb. 4.7: (a) Modellierung des Effekts einer Fluidentmischung auf die Borund
Bor- Isotopensignatur von Meerwasser im Dampf dominierten (Fluid
1) bzw. Flüssigkeit dominierten (Fluid 2) System. (b) Vergleich der Modellierung
mit Bor- und Bor-Isotopensignaturen natürlicher Vent Fluide.
(a) Modelling the effect of fluid phase separation on the boron and boron
isotope signature of seawater in vapour dominated (Fluid 1) and liquid dominated
(Fluid 2) systems. (b) Comparison of the model calculations with boron
and boron isotope signatures of natural vent fluids.
sigkeit (Abb. 4.8a). Die berechnete Chlor-Isotopenfraktionierung
∆ 37 Cl Dampf-Flüssigkeit = δ 37 Cl Dampf – δ 37 Cl Flüssigkeit
schwankt zwischen –0,37 (± 0,24) und 0,27 (± 0,24) ‰
bei 450 °C und –0,16 (± 0,24) und 0,32 (± 0,24) ‰ bei
400 °C (Abb. 4.8b). Die Daten deuten darauf hin, dass sich
die Chlor-Isotope zumindest bei den experimentell untersuchten
Druck-Temperaturbedingungen konservativ verhalten
und als geochemische Tracer in fluidentmischenden
Systemen verwendet werden können.
Wie NaCl zeigt auch NaBr eine extreme Fraktionierung
zwischen Dampf und Flüssigkeit (Abb. 4.9a). Berechnete
Verteilungskoeffizienten D Br Flüssigkeit-Dampf (= cBr Flüssigkeit /
c Br Dampf ) sind generell größer als die entsprechenden
D Cl Flüssigkeit-Dampf Werte und zeigen, dass Brom gegenüber
Chlor in der Flüssigkeit angereichert wird. Die Aus-
Abb. 4.8: (a) δ 37 Cl in koexistierendem Dampf und Flüssigkeit bei 450 und
400 °C. Im Rahmen der analytischen Fehler besitzen Dampf und Flüssigkeit
eine identische Chlor Isotopie. (b) Berechnete Chlor Isotopenfraktionierung
δ 37 Cl Dampf-Flüssigkeit als Funktion der Druckdifferenz zum kritischen
Punkt bei 450 und 400 °C.
(a) δ 37 Cl in coexisting vapour and liquid at 450 and 400 °C. Within analytical
error, vapour and liquid have identical chlorine isotopic composition.
(b) Calculated chlorine isotope fractionation δ 37 Cl vapour-liquid as function of
the pressure difference to the critical point at 450 and 400 °C.
tauschkoeffizienten K D(Br-Cl) Flüssigkeit-Dampf für
die Reaktion Br Dampf + Cl Flüssigkeit = Br Flüssigkeit
+ Cl Dampf liegen zwischen 0,94 ± 0,08 und
1,66 ± 0,14 (Abb. 4.9b). Sie korrelieren
positiv mit D Cl Flüssigkeit-Dampf und deuten darauf
hin, dass die Brom-Chlor Fraktionierung
mit sich öffnendem Solvus zunimmt.
Eine empirische Anpassung der
Form K D(Br-Cl) Flüssigkeit-Dampf = a*ln[b*(DCl Flüs-
sigkeit-Dampf –1) + e 1/a ] an die experimentellen
Daten ergibt a = 0,349 und b = 1,697. Mit
Hilfe dieser Gleichung und D Cl Flüssigkeit-Dampf
aus den bekannten Phasenbeziehungen
im H 2O-NaCl System wurde modelliert,
wie sich die Br/Cl-Signatur eines hydrothermalen
Fluids mit initialer Meerwasser-Zusammensetzung
ändert, welches
im geschlossenen bzw. offenen System
adiabatisch aufsteigt und kontinuierlich
geringe Mengen an Flüssigkeit kondensiert
(Abb. 4.10). Die Modellierungen
zeigen, dass eine Fluidentmischung in
solchen Hydrothermalsystemen die Br/Cl-Signatur der
Fluide extrem verändern kann. Die Ergebnisse stimmen
sehr gut mit den Br/Cl-Signaturen niedrig salinarer Vent-
Fluide vom 9 bis 10° N East Pacific Rise überein. Sie zeigen,
dass die Br/Cl-Signatur von Fluiden a priori nicht als
konservativer Tracer genutzt werden kann.
Der Effekt von Metamiktisierung und Rekristallisation
von Zirkon auf die Elementfreisetzung in
wässrige Fluide
Das akzessorische Mineral Zirkon (ZrSiO 4) ist eine der
wichtigsten Quellen geochronologischer und geochemischer
Informationen zur Entschlüsselung von geologischen
Prozessen in der Lithosphäre. Bei der Kristallisation
von Zirkon können U, Th und andere Spurenelemente
im Gitter eingebaut werden. Für die U-
Pb-Altersdatierung an Gesteinen ist dabei
wesentlich, dass seine Struktur für Pb 2+
inkompatibel und damit der Bleigehalt
natürlicher Zirkone normalerweise radiogen
ist. Weiterhin kommt Zirkon in den
meisten magmatischen, sedimentären
und metamorphen Gesteinen vor und ist
das häufigste Zr-Mineral in der Erdkruste.
Zirkon besitzt zudem eine bemerkenswerte
chemische und mechanische Stabilität
unter vielen geologischen Bedingungen,
so dass viele der ältesten bekannten
Gesteine der Erde mittels dieses Minerals
datiert werden konnten.
Trotzdem verhält sich Zirkon nicht völlig
inert, wobei vor allem Metamiktisierung
zu einer Verringerung der chemischen
und mechanischen Stabilität führt. Metamiktisierung
bezeichnet den Übergang
vom kristallinen zum amorphen Zustand
durch die Entstehung von Gitterdefekten
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.9: (a) Brom-Konzentrationen in koexistierendem Dampf und Flüssigkeit
bei 450, 430, 400 und 380 °C. Wie Chlor fraktioniert Brom sehr stark
in die Flüssigkeit. (b) Berechnete Austauschkoeffizienten K D(Br-Cl) Flüssigkeit-Dampf
für die Reaktion Br Dampf + Cl Flüssigkeit = Br Flüssigkeit + Cl Dampf als Funktion von D Cl Flüs-
sigkeit-Dampf . Berechnete KD(Br-Cl) Flüssigkeit-Dampf sind generell > 1 und belegen bevorzugte
Fraktionierung von Brom gegenüber Chlor in die Flüssigkeit.
(a) Bromine concentration in coexisting vapour and liquid at 450, 430, 400
and 380 °C. Like chlorine, bromine strongly fractionates into the liquid. (b)
Calculated exchange coefficients K D(Br-Cl) liquid-vapour for the reaction Br vapour +
Cl liquid = Br liquid + Cl vapour as function of D Cl liquid-vapour . Calculated KD(Br-Cl) liquid-vapour
are general > 1 and prove preferential fractionation of bromine over chlorine
into the liquid.
infolge des Zerfalls eingebauter radioaktiver Elemente (U,
Th) und deren Tochterisotope. Beispielsweise wurden
weltweit in schwach metamorphen archaischen und paläozoischen
Gesteinen detritische Zirkonkörner gefunden,
die angelöst waren oder kleine aufgewachsene Zirkonkri-
Abb. 4.10: Modellierung der Br/Cl Signatur eines hydrothermalen
Fluids mit initialer Meerwasser-Zusammensetzung
während des adiabatischen Aufstieges im geschlossenen
bzw. offenen System. Fluidentmischung kann die
Br/Cl Signatur von Fluiden extrem verändern. Die Ergebnisse
stimmen mit Br/Cl Signaturen niedrig salinarer Vent
Fluide vom 9 bis 10° N East Pacific Rise überein.
Modelling the Br/Cl signature of a hydrothermal fluid with
initial seawater composition during closed and open system
adiabatic ascent. Fluid phase separation can significantly
alter the Br/Cl signature of fluids. The results agree
with Br/Cl signatures of low-salinity vent fluids from 9 to
10° N East Pacific Rise.
stalle besaßen (Dempster et al., 2004;
Rasmussen 2005). Eine mögliche Deutung
dieser auf den ersten Blick überraschenden
erhöhten Zirkonium-Mobilität
bei relativ niedrigen Temperaturen
(< 350 °C) ist die seit langem bekannte
höhere Anfälligkeit metamikter Bereiche
in Zirkonen für die Alteration durch wässrige
Fluide. Die meisten bisherigen experimentellen
Arbeiten zur hydrothermalen
Alteration von Zirkon befassten sich mit
der Charakterisierung der festen Reaktionsprodukte.
Dagegen existieren bisher
nur sehr wenige Daten zu Löslichkeit und
Auflösungskinetik von Zirkon in wässrigen
Fluiden, und die Elementfreisetzung
in Abhängigkeit vom Metamiktisierungsgrad
wurde bisher nicht quantifiziert.
Aus diesem Grund untersuchten wir die
zeitliche Entwicklung der Zr-Konzentration
und, falls messbar, auch der U- und
Pb-Konzentrationen in H 2O-HCl-Fluiden
während der chemischen Wechselwirkung
mit Zirkonen unterschiedlicher
Metamiktisierung. In einigen Experimenten
wurde Quarz zugesetzt, um den Einfluss der SiO 2-
Sättigung des Fluids auf die Elementmobilisierung und
die Kinetik des Rekristallisationsprozesses zu untersuchen.
Für die Versuche wurden von Wissenschaftlern der
Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz und der Memorial
University of Newfoundland, St. John’s, Kanada sehr
gut charakterisierte natürliche und synthetische Zirkone
zur Verfügung gestellt.
Abb. 4.11: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.
Die Bestimmung der Elementgehalte im Fluid
erfolgt in situ mittels modifizierter hydrothermaler Diamantstempelkammer
und Synchrotronstrahlungs-Röntgenfluoreszenz.
Schematic diagram of the experimental configuration. The
element concentrations in the fluid are determined in situ
using a modified hydrothermal diamond-anvil cell and
synchrotron radiation-XRF analyses.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
305

306
Die zeitaufgelösten Messungen der Zr-, U- und Pb-
Konzentrationen im Fluid erfolgten in situ bei Temperaturen
zwischen 200 und 500 °C und Drücken zwischen
2 und 500 MPa mit einer am GFZ Potsdam gebauten
speziellen hydrothermalen Diamantstempelkammer
und Synchrotronstrahlungs-Röntgenfluoreszenzanalysen
(SY-RFA) (Abb. 4.11). Die Messungen wurden an der
SY-RFA-Mikrosonde des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors
(HASYLAB) am Deutschen Elektronensynchrotron
(DESY) durchgeführt. An der Cornell High
Energy Synchrotron Source, (Ithaca, New York, USA)
wurde speziell für In-Situ-Experimente mit hydrothermalen
Diamantstempelkammern eine Kapillare mit langem
Arbeitsabstand zur Verstärkung der Flussdichte und zur
Fokussierung des Synchrotron-Röntgenstrahls auf 11 µm
Abb. 4.12: Rekristallisation von ursprünglich stark metamiktem
Zirkon (Probe N17) in H 2O+HCl. a) bis c) Probenkammer
(Durchmesser ≈ 300 µm) einer hydrothermalen
Diamantstempelzelle während eines Heizversuchs mit
stark metamiktem Zirkon N17 in 3,8 m HCl. Bei 300 °C
ist im mikroskopischen Bild eine rasche Verfärbung der
ursprünglich fast farblosen und isotropen Zirkonprobe
erkennbar, welche deutlich das Einsetzen massiver Rekristallisation
anzeigt. d) Elektronenbeugungsbild des amorphen
Ausgangsmaterials. e) Elektronenbeugungsbild und
f) TEM-Bild derselben Probe nach Rekristallisation in
7,0 m HCl bei 450 °C. g) Raman-Spektren von Zirkon N17
bei 22 °C vor und nach Rekristallisation in H 2O+HCl im
Vergleich mit dem Raman-Spektrum eines synthetischen
Zirkon-Einkristalls. Zuordnung der Ramanbanden:
v 2(SiO 4) – symmetrische SiO 4-Biegeschwingung, v 3(SiO 4)
– antisymmetrische SiO 4-Streckschwingung. Die Halbwertsbreite
(FWHM) insbesondere der v 3(SiO 4)-Ramanbande
hängt von der Nahordnung ab und wird mit zunehmender
Metamiktisierung größer. Die Bande bei ≈ 425 cm –1
(Pfeil) kann weder Zirkon, monoklinem oder tetragonalem
ZrO 2, noch Quarz zugeordnet werden.
Recrystallisation of initially strongly metamict zircon
(sample N17) in H 2O+HCl. a) to c) Plan view of the sample
chamber (diameter ≈ 300 µm) of a hydrothermal diamond-anvil
cell during heating of zircon N17 in 3.8 m HCl.
Optically, the onset of massive recrystallisation is recognizable
by rapid darkening of the previously almost colorless
and isotropic sample at 300 °C. d) Electron diffraction
pattern of the amorphous starting material, e) Electron
diffraction pattern and f) TEM image of zircon N17
after recrystallisation in 7.0 m HCl at 450 °C. g) Raman
spectra of zircon N17 at 22 °C before and after recrystallisation
in H 2O+HCl. A spectrum of fully crystalline synthetic
zircon is given for reference. Assignment of Raman
bands: v 2(SiO 4) – symmetric SiO 4 bending, v 3(SiO 4) – antisymmetric
SiO 4 stretching. The full width at half maximum
(FWHM) particularly of the v 3(SiO 4) Raman band is a
function of short-range order and increases with metamictisation.
The origin of the shoulder at ≈ 425 cm –1 (thick
arrow) is unknown. It cannot be assigned to zircon, quartz,
and monoclinic or tetragonal ZrO 2.
entwickelt und angefertigt. Damit konnten am SY-RFA-
Messplatz des HASYLAB für solche Versuche die unteren
Nachweisgrenzen für Zr, U und Pb um eine Größenordnung
auf 1 bis 5 ppm gesenkt werden.
Nach den Hydrothermalversuchen wurden der verbleibende
amorphe Anteil und die Korngröße der rekristallisierten
Zirkone mittels Raman-Spektroskopie und Transmissions-Elektronenmikroskopie
bestimmt (Abb. 4.12).
Der ursprünglich fast amorphe Zirkon N17 rekristallisierte
in H 2O-HCl-Fluiden bei etwa 280 bis 300 °C
(Abb. 4.12a-c). Die Rekristallisation bewirkte einen starken
Abfall der Zr-Konzentration im Fluid, wohingegen aus
dem metamikten Zirkon gelöstes U und Pb nicht wieder
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Abb. 4.13: Zr-, U- und Pb-Molalitäten im Fluid vor, während
und nach Rekristallisation von ursprünglich fast
amorphem Zirkon N17 als Funktion der vergangenen Zeit
seit t 0 (Erreichen der ersten angegebenen Temperatur).
Rote Symbole – Experiment mit Zusatz von Quarz (SiO 2gesättigtes
Fluid). Blaue Symbole – Experiment ohne
Zusatz von Quarz.
Temporal evolution of the Zr, U, and Pb molalities in the
fluid before, during, and after recrystallisation of initially
nearly amorphous zircon N17. Red symbols – silicasaturated
fluid (quartz present), blue symbols – quartz
absent. t 0 – time at which the first experimental temperature
was attained.
Abb. 4.14: Zr-Molalität in H 2O-HCl-Fluiden als Funktion
der Temperatur bei Hydrothermalexperimenten mit Zirkoneinkristallen
(orangefarbene Symbole), stark metamiktem
Zirkon N17 (grüne Symbole) und rekristallisierendem
oder rekristallisiertem Zirkon N17 (blaue Symbole).
Q – Experimente mit SiO 2-gesättigten Fluiden.
Zr concentration in H 2O+HCl fluids as a function of temperature
during interaction with fully crystalline zircon
(diamonds), slightly metamict zircon (circles), strongly
radiation-damaged zircon N17 (green squares), and
recrystallising or recrystallized zircon N17 (blue squares).
Q – experiments at silica saturation of the fluid.
in den rekristallisierenden Zirkon eingebaut wurde
(Abb. 4.13). In Anwesenheit eines SiO 2-gesättigten H 2O-
HCl-Fluids setzte die Rekristallisation der Probe N17
jedoch erst bei höheren Temperaturen ein und verlief
wesentlich langsamer. Auch nach Erhöhung der Temperatur
auf 450 °C war der Rekristallisationsprozess nach
zusätzlichen 2,5 h weniger weit fortgeschritten als bei
einem Experiment mit vergleichbarer HCl-Konzentration
ohne Zusatz von Quarz (Abb. 4.13, 4.12 g). Außerdem war
die U-Konzentration im SiO 2-gesättigten Fluid wesentlich
niedriger und sank jeweils nach 2 h weiter ab (Abb. 4.13),
wahrscheinlich infolge Ausfällung als separate Phase oder
infolge des Einbaus als USiO 4-Komponente im Zirkon.
Unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Zirkon
N17 war die Zr-Molalität im Fluid etwa zwei Größenordnungen
höher als die aus nicht oder schwach metamikten
Zirkonen freigesetzte Zr-Konzentration bei ähnlicher
HCl-Konzentration (Pfeil in Abb. 4.14). Bei SiO 2-Sättigung
betrug diese Differenz etwa 1,5 Größenordnungen.
Bei höheren Temperaturen, d. h. nach weitgehender
Rekristallisation des amorphen Anteils, war der Unterschied
in der Zr-Konzentration im Fluid wesentlich geringer.
Unsere experimentellen Ergebnisse unterstützen damit
die Hypothese, dass die erhöhte Zr-Mobilität in schwach
metamorphen Gesteinen durch bevorzugte Auflösung
metamikter Partien detritischer Zirkone durch chloridische
Fluide verursacht wird. Die aus metamikten Zirkonen
freigesetzte sehr hohe Zr-Konzentration im Fluid ist
jedoch übersättigt, d. h. nicht im Gleichgewicht mit kristallinem
Zirkon. Damit erscheint ein langer Transportweg
für Zr in diesen Gesteinen unwahrscheinlich.
Spurenelementanalytik von Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen
in Mineralen mittels Synchrotronstrahlungs-induzierterRöntgenfluoreszenzanalytik
Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen werden
während des Mineralwachstums gebildet. Sofern das
Mineral vom Zeitpunkt der Bildung bis zur Heraushebung
an die Erdoberfläche stabil bleibt, können auf diese Art
die Schmelzen und/oder Lösungen (Fluide) der gesteinsbildenden
Prozesse konserviert werden. Solche Einschlüsse
sind die einzigen direkten Informationsquellen
für Schmelzen und Flüssigkeiten in der Erdkruste. Häufig
sind viele Generationen von Schmelzen oder Fluiden
in einem Mineral eingeschlossen. Die Abfolge der eingeschlossenen
Phasen kann anhand von Wachstumszonen in
Mineralen oder mittels der Homogenisierungstemperatur
der Einschlüsse abgeleitet werden. Die chemische Analyse
einer Abfolge gut charakterisierter Einzeleinschlüsse
ermöglicht die Rekonstruktion der Entwicklung von Krustengesteinen
und eröffnet einen Blick auf Elementanreicherungen
und Elementtransport in der oberen Erdkruste.
Zusätzliche Informationen liefern Tochterkristalle, die
häufig in Einschlüssen auftreten, aber mittels konventioneller
Methoden nur selten identifiziert werden können.
Die chemische Analyse der Tochterkristalle ermöglicht
ihre Identifikation und liefert weitere Informationen
bezüglich des Bildungsmilieus der Einschlüsse.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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In Zusammenarbeit mit dem Hamburger Synchrotronstrahlungslabor
am Deutschen Elektronen-Synchrotron
wurde eine Methode entwickelt, mit der die Zusammensetzung
von Einzeleinschlüssen qualitativ und quantitativ
bestimmbar ist. Dazu wird die Probe mit weißer Synchrotronstrahlung
beleuchtet, die charakteristische Fluoreszenz
der Elemente in der Probe bewirkt. Die so entstandene
Röntgenfluoreszenz wird in einem energiedispersiven
Halbleiterdetektor nachgewiesen. Die Positionen
der Röntgenfluoreszenzlinien in dem aufgenommenen
Spektrum geben Hinweise auf die vorhandenen Elemente
und die Intensität der Fluoreszenzlinie auf die Konzentration
des Elementes innerhalb der Probe. Es wurde ein
Verfahren entwickelt, dass die Berechnung der Konzentrationen
in Einschlüssen mit Hilfe von Monte Carlo
Simulationen ohne die Verwendung von Kalibrationsstandards
ermöglicht (Rickers et al., 2004). Mit dem ver-
Abb. 4.15: Mikrofotos von Einschlüssen silikatischer Schmelzen und Flüssigkeiten,
die in verschiedenen Stadien der Entwicklungsgeschichte des
Ehrenfriedersdorf-Komplexes in Quarz eingeschlossen wurden. (a) Typ-A
Schmelzeinschluss, der aus Flüssigkeit, Dampf und einer Vielzahl von Tochterkristallen
besteht. (b) Typ-B Schmelzeinschluss. (c) Dampfreicher Flüssigkeitseinschluss
aus Dampf und Flüssigkeit des pegmatitischen Stadiums.
(d) Flüssigkeitseinschluss des frühen hydrothermalen Stadiums. Die perfekte
Negativkristallform von Quarz ist an der Stelle gestört, an der sich
transparente Tochterkristalle von unregelmäßiger Form befinden, die
höchstwahrscheinlich Mischkristalle des Systems Montebrasit-Amblygonit
sind. (e) Großer Flüssigkeitseinschluss des frühen hydrothermalen Stadiums,
der aus Dampf, Flüssigkeit und einem kleinen opaken Kristall von Kassiterit
(Zinnstein) besteht. (f) Hochsalinarer Einschluss des späten hydrothermalen
Stadiums. Dieser Einschluss beinhaltet unter anderem einen
Tochterkristall von Zinkblende.
Microphotographs of silicate melt and fluid inclusions trapped in quartz at
various stages of the evolution of the Ehrenfriedersdorf Complex. (a) Type-
A melt inclusion containing liquid, vapour, and a large number of daughter
crystals. (b) Type-B melt inclusion. (c) Vapour-rich inclusion of the pegmatite
stage containing vapour and liquid. (d) Fluid inclusion of the early hydrothermal
stage. The ideal negative crystal shape of quartz of the inclusion is
disturbed at that part where it hosts a transparent daughter crystal of irregular
shape, possibly montebrasite-amblygonite solid solutions. (e) Big fluid
inclusion of the early hydrothermal stage consisting of vapour, liquid and a
small opaque crystal of cassiterite. (f) Hypersaline fluid inclusion of the
later hydrothermal stage hosting several daughter crystals including sphalerite.
wendeten Experimentaufbau an Strahl L am HASYLAB
in Hamburg, können Elemente einer Ordnungszahl zwischen
17 und 92 simultan nachgewiesen werden, die untere
Nachweisgrenze liegt bei einer minimalen Ortsauflösung
von 10 µm element- und probenabhängig im ppm bis
sub-ppm Bereich. Synchrotronstrahlungs-induzierte Röntgenfluoreszenzanalytik
(SXRF) hat gegenüber herkömmlichen
Analyseverfahren den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei
ist und dass durch die hohe Intensität der einfallenden
Strahlung eingeschlossene Volumina (entweder
innerhalb von Mineralen oder innerhalb von Versuchsapparaturen)
untersucht werden können. Die Genauigkeit
der quantitativen Analyse von Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen
wurde anhand von synthetisch hergestellten
Flüssigkeitseinschlüssen in Quarz für die Elemente
Sn, Cu, Cs und Rb geprüft und liegt zwischen 10 und
30 %. Hohe Abweichungen von über 20 % wurden ausschließlich
für Konzentrationsbereiche
nahe der unteren Nachweisgrenze festgestellt.
Erste Anwendung fand die entwickelte
Methode bei der Erforschung des variskischen
Ehrenfriedersdorf-Komplexes,
eine granitische Intrusion in die Oberkruste,
die durch das Vorkommen zahlreicher
Pegmatite und hydrothermaler
Zinn-Wolfram-Lagerstätten charakterisiert
ist. Die Pegmatite zeichnen sich
durch vielfältige Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüsse
vom pegmatitischen
zum hydrothermalen Entwicklungsstadium
aus (Thomas, 1982; Thomas et al.,
2000; 2003). Im pegmatitischen Stadium
koexistieren zwei Typen von wasserreichen,
silikatischen Schmelzen, die durch
Entmischung aus einer Schmelze hervorgegangen
sind, sowie mindestens eine fluide
Phase (Abb. 4.15). Mit abnehmender
Temperatur nimmt die Bedeutung der
Flüssigkeitseinschlüsse zu. Es treten Phasenseparationen
auf, die zu einer gasreichen
und einer flüssigkeitsreichen fluiden
Phase führen (Abb. 4.15). Um den vermuteten
genetischen Zusammenhang
zwischen Sn-reichen Graniten, Pegmatiten
und hydrothermalen Zinn-Wolfram-
Lagerstätten nachzuweisen, wurde die
qualitative und quantitative Analytik von
Einzeleinschlüssen durchgeführt.
Elementverteilungsbilder von einzelnen
Flüssigkeitseinschlüssen dokumentieren
die vorhandenen Elemente innerhalb des
Einschlusses und machen zusätzlich
Mikrokristalle sichtbar, die mittels optischer
Mikroskopie nicht zu erkennen sind
(Abb. 4.16a). Dadurch, dass Elemente in
diesen Mikrokristallen konzentriert sind,
werden sie nachweisbar, sofern das Anregungsvolumen
ausreichend klein ist. In
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Abb. 4.16: Spurenelementverteilungsbilder von Flüssigkeitseinschlüssen: (a) Flüssigkeitseinschluss des frühen hydrothermalen
Stadiums. Der Einschluss ist in einem 100 µm dicken Quarz-Träger eingeschlossen. Die Größe der Pixel
beträgt 10 x 10 µm 2 . (b) Flüssigkeitseinschluss des späten hydrothermalen Stadiums. Der Einschluss ist in einem Quarz-
Träger (300 µm dick). Die Größe der Pixel beträgt 5 x 5 µm 2 . Die relative Intensität ist als Farbskala dargestellt, die
von Schwarz (0) nach Weiß (1) changiert. Die SXRF-Spektren auf der rechten Bildseite entsprechen den Punkten, die
durch die Pfeile markiert sind.
Trace element distribution maps of fluid inclusions. (a) Fluid inclusion from the early hydrothermal stage hosted in a
quartz chip of 100 µm in thickness. Pixel size is 10 x 10 µm 2 . (b) Fluid inclusion from the late hydrothermal stage hosted
in a quartz chip of 300 µm in thickness. Pixel size is 5 x 5 µm 2 . Relative intensity is given from 0 (black) to 1 (white)
and not to scale. SXRF spectra at the right refer to analyses at spots indicated by arrows.
den Flüssigkeitseinschlüssen des frühen hydrothermalen
Stadiums konnten in der Flüssigkeit Rb und Cs nachgewiesen
werden. Die Elementverteilungsbilder zeigen darüber
hinaus zwei Tochterkristalle unterschiedlicher
Zusammensetzung (Cu, Fe, Nb, Sn, Ta und W sowie Fe,
Zn, As, Sn und Sb; 4.16a). In einem Flüssigkeitseinschluss
des späten hydrothermalen Stadiums wurden in der
Lösung Mn, Fe, Zn, Br, Rb, Cd und Cs nachgewiesen (Abb.
4.16b). Es konnten drei Tochterkristalle unterschiedlicher
Spurenelementzusammensetzung identifiziert werden
(Sn und As, Ag sowie Sb). Die Elementverteilungsbilder
verdeutlichen außerdem, dass kein Spurenelement in der
Gasphase der Einschlüsse angereichert ist.
Die quantitative Analyse von Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen
unterschiedlicher Stadien erlaubt eine Interpretation
hinsichtlich der chemischen Entwicklung des
magmatischen Komplexes. Abb. 4.17 zeigt exemplarisch
das Verhalten der Elemente Sn, Cu und Zn in den Schmelzen
und den fluiden Phasen des Ehrenfriedersdorf-Kom-
plexes. In den pegmatitischen Schmelzen gibt es eine deutliche
Anreicherung von Sn, die mit der Temperatur positiv
korreliert ist. Zink und Cu in den pegmatitischen
Schmelzen sind sehr gering konzentriert. In den fluiden
Phasen gibt es für die drei Elemente unterschiedliche Muster
mit der Temperatur. Dies lässt auf eine teilweise Entkopplung
der Elemente in den Lösungen schließen. Zinn
in Fluiden zeigt zwei Maxima, eines bei Temperaturen im
pegmatitischen Bereich und eines im hydrothermalen bei
450 °C. Das Maximum des hydrothermalen Stadiums ist
mit der maximalen Cu-Anreicherung korreliert. In Einschlüssen
dieses Stadiums konnte W in Tochterkristallen
nachgewiesen werden (Abb. 4.16a). Diese Muster stehen
in Einklang mit einer frühen pegmatitischen Sn-Anreicherung
und einer zweiten, hydrothermalen Sn-W-Cu-
Anreicherung. Zink steigt kontinuierlich mit abnehmender
Temperatur und erreicht bei ca. 380 °C Konzentrationen
über 1.000 ppm in den Lösungen. Dies steht in Einklang
mit späthydrothermal gebildeten Zinkblenden in
Ehrenfriedersdorf.
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Abb. 4.17: Temperaturabhängigkeit der Zinn- (a), der Kupfer- (b) und der Zink-Konzentration (c) in Typ-A und Typ-B
Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen. Der Einsatz in (c) ist eine vergrößernde Darstellung der Zn Konzentrationen
in beiden Schmelztypen bei niedrigen Konzentrationen und zeigt die relative Anreicherung von Zn in Typ-B gegenüber
Typ-A Schmelzen. Daten aus Rickers et al. (2006).
(a) Tin concentrations in type-A and type-B melt and fluid inclusions versus temperature. Arrows tentatively trace the
evolution of both melts types, indicating overall enrichment of Sn in type-B melts. (b) Copper concentrations in melt
and fluid inclusions versus temperature. (c) Zinc concentrations in type-A and type-B melt and fluid inclusions versus
temperature. Inset is a blow-up of Zn concentrations for both melts types at low Zn contents and shows the relative
enrichment of Zn in type-B relative to type-A melts. Data from Rickers et al. (2006).
Anhand der Analytik von gut charakterisierten Einzeleinschlüssen
konnten die Phasen, die zu der Bildung der
Lagerstätten geführt haben, identifiziert und die chemische
Entwicklung des magmatischen Komplexes entschlüsselt
werden. Dadurch konnte das Potential der entwickelten
Analysemethode exemplarisch gezeigt und für
diesen Forschungsbereich etabliert werden.
Auflösungs-Ausfällungsprozesse und Mikroporositäten
in Mineralen
Auflösungs-Ausfällungsprozesse spielen eine wichtige
Rolle bei Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen unter hohen
Temperaturen. Dabei wird in Gegenwart von Fluiden als
Transportmittel eine Mineralphase ihre Zusammenset-
zung ändern oder auch gänzlich durch eine neue Phase
ersetzt werden. Als Resultat einer chemischen Reaktion
werden eine oder mehrere energetisch günstigere Phasen
unter den herrschenden P-T-Bedingungen gebildet. Eine
wichtige Eigenschaft dieses Prozesses ist die Ausbildung
einer durchgängigen Mikro- oder Nanoporosität in der
verdrängten Mineralstruktur, die nur mit einem Transmissionselektronenmikroskop
(TEM) identifiziert werden
kann. Dabei werden neue Mikrophasen im veränderten
Wirtsmineral erzeugt, die alle Merkmale der Kristallisation
aus einer fluiden Phase zeigen. Bei diesem Prozess
wird Material sehr schnell innerhalb des Wirtsminerals
transportiert, mit Transportraten, die mindestens zehn
Größenordnungen schneller sind als diejenigen von einfacher
Festkörperdiffusion durch ein Kristallgitter. Solche
Abb. 4.18: Rückstreuelektronen-Aufnahmen von Fluorapatit nach Reaktion mit HCl bei folgenden experimentellen
Bedingungen: (a) AM34 (600 °C, 500 MPa, 3 Wochen, 1 N HCl) und (b) (600 °C, 500 MPa, 9 Wochen, 1 N HCl). Die
dunklen Gebiete reagierten mit der HCl-Lösung und weisen geringere Gehalte an Y, REE, Si, Na, S und Cl auf, d. h.
sie wurden metasomatisiert. Die hellen Körner sind Monazit.
BSE photographs of fluorapatite reacted with HCl including experiments: (a) AM34 (600 °C; 500 MPa; 3 weeks; 1 N
HCl) and (b) AM46 (600 °C; 500 MPa; 9 weeks; 1 N HCl). Dark regions have reacted with the HCl solution and are
depleted in (Y+REE)+Si+Na+S+Cl, i. e. have been metasomatised. Bright grains are monazite.
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durch Fluide produzierten Mikrophasen können durch
Ostwald-Reifung wachsen. Material, das nicht für die Bildung
der Mikrophasen verbraucht wird, wird via Fluid
über die Mikroporosität abgeführt. In gleicher Weise kann
für die Bildung von Mikrophasen Material von außen her
via Fluid herantransportiert werden. Die Ausbildung und
Persistenz solcher Mikroporositäten ist von entscheidender
Bedeutung für den Prozess und für die Interpretation
von Materialtransport in Gesteinen.
Auflösung-Ausfällung über Fluid und die Bildung
von Mikroporosität wird am Beispiel der Bildung von
Monazit [(La,Ce,Nd)PO 4] in einem Apatitwirtskristall
[Ca 10(PO 4) 6(F,Cl)] bei 600 °C und 500 MPa experimentell
gezeigt. 20 mg 20 bis 200 µm große Fluorapatitkristalle
und 5 mg einer 1 normalen HCl-Lösung wurden in Platinkapseln
eingeschweißt und hydrothermal behandelt.
Die Reaktionsprodukte zeigen, dass jedes Apatitkorn mit
dem Fluid partiell reagiert hat (Abb. 4.18a), unter Bildung
eines anders zusammengesetzten Apatitsaums, der relativ
zum unreagierten Apatitkern dunkelgrau erscheint, weil
er die Spurenelemente (Y+REE)+Si+Na+S+Cl während
der Reaktion verloren hat. Der reagierte Teil des Apatits
enthält Mikrokristalle von Monazit (helle Punkte, Größe
~ 1µm), die gehäuft an der Reaktionsfront zwischen neuem
und altem Apatit auftreten. Im Apatitkern erscheinen sie
nicht. Messungen mit der Elektronenstrahlmikrosonde
über die Reaktionsfront zeigen eine sehr scharfe chemische
Grenze zwischen den beiden Apatitgenerationen.
Wenn man die Reaktionszeit von drei auf neun Wochen
verdreifacht, nimmt die Zahl der Monazitkristalle bei
gleichzeitigem Größerwerden ab, wobei das Volumen des
metasomatisch veränderten Apatits annähernd gleich
bleibt.
Mithilfe der Focussed-Ion-Beam Methode wurden 7 x 15
x 0.1 µm große Folien quer zur Reaktionsfront geschnitten
und unter dem TEM untersucht (Abb. 4.19). Diesseits
der Reaktionsfront, im metasomatisch veränderten Apa-
tit, erscheinen charakteristische, parallel orientierte, 5 bis
20 nm breite Nanokanäle (Abb. 4.20a, b) als Spuren der
Transportwege der fluiden Phase. Elektronenbeugungsaufnahmen
über die Reaktionsfront hinweg zeigen identische
Beugungsmuster für den Apatit diesseits und jenseits
der Reaktionsfront. (Abb. 4.20c). Im metasomatisch
veränderten Apatit finden sich Mikrokristalle von Monazit
(Abb. 4.20a) die in Hohlräumen (Mikroporositäten) an
oder direkt hinter der Reaktionsfront kristallisieren. Sie
zeigen keine bevorzugte Orientierung relativ zum Apatitwirt.
Die Mikroporositäten sind zum Teil oder gänzlich
mit amorphem Material gefüllt, das während des Wachstums
der Monazite aus dem Fluid ausgefällt wurde. Die
Zusammensetzung dieses amorphen Materials ist dem des
Apatits sehr ähnlich. Die Monaziteinschlüsse sind immer
von vielen Mikrokanälen umgeben (Abb. 4.20a). Metasomatisierter
Apatit zeigt häufig leicht missorientierte
Gittersegmente (Schnitt Nr. 3 aus Abb. 4.19a; Abb. 4.21a)
die als ausgeheilte Nanokanäle interpretiert werden.
Unreagierter Apatit zeigt dies nicht (Schnitt Nr. 4 aus
Abb. 4.19a; Abb. 4.21b).
Diese Beobachtungen sind wichtig für die Interpretation
von Massentransport in Gesteinen. Es ist allgemein akzeptiert,
dass Fluide entlang von Korngrenzen transportiert
werden. Es wurde hier gezeigt, dass sie Material auf einer
Skala von hunderten von Mikrometern in die Mineralphasen
hinein und aus ihnen heraus transportieren können,
aufgrund der Bildung von Mikroporositäten, die
wiederum aus Auflösungs-Ausfällungsprozessen resultieren.
Die Transportwege für Fluide sind viel größer, als
bisher angenommen, und sehr viel mehr Gesteinsvolumen
wird von Fluid durchströmt, als nur durch Transport entlang
von Korngrenzen. Es ist bisher unklar, wie lange solche
transienten Mikroporositäten in Gesteinen existieren
können. Sie werden jedenfalls solange existieren, wie ein
chemisches Ungleichgewicht zwischen Fluid und Mineral
den Prozess aufrechterhält. Ist das Gleichgewicht
erreicht wird nichts mehr aufgelöst, ausgefällt und trans-
Abb. 4.19: (a) Rückstreuelektronen-Aufnahme eines Fluorapatitkorns von Experiment AM34 mit Kennzeichnung der
Gebiete, aus denen die TEM-Folien 1, 2, 3 und 4 entnommen wurden. (b) Vergrößerter Ausschnitt des Gebiets, aus dem
die TEM-Folie 2 entnommen wurde. Die genaue Position der Folie war zwischen den zwei Kreuzen.
(a) shows a BSE photograph of a fluorapatite grain from experiment AM34 and indicates the exact locations where
TEM foils 1, 2, 3, and 4 were sampled. (b) shows a close-up of the area where TEM foil 2 was cut and later removed.
The exact location of the foil was between the two x marks.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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312
Abb. 4.20: (a) Subparallele Nano-Kanäle und Gruppen von Monazitkörnern in einem Hohlraum, der mit amorpher
Substanz gefüllt ist, die beim Abschrecken entstanden ist. Aufnahme eines Bereichs in TEM-Folie 2 (Experiment AM34)
an der Grenze der Reaktionszone zum nicht reagierten Fluorapatit (gestrichelte Linie und Pfeil). (b) Vergrößerte Aufnahme
der Nano-Kanäle. (c) Netzebenenabbildung der Grenzfläche zwischen reagiertem und nicht reagiertem Fluorapatit,
aufgenommen aus dem Bereich innerhalb des gestrichelten Kreises. (d) Vergrößerte Aufnahme des Hohlraums,
welcher mit einer Gruppe von Monazitkörnern und beim Abschrecken entstandener amorpher Substanz gefüllt ist. Der
Hohlraum ist von Nano-Kanälen umgeben. (e) HRTEM-Aufnahme entlang des Hohlraumrandes mit einer unregelmäßigen
Grenzfläche.
(a) Series of sub-parallel nano-channels and group of monazite grains in a cavity filled with an amorphous quenched
material. The photo is taken from a region of TEM foil 2 (AM34) located at the boundary between the reacted and unreacted
fluorapatite (dotted line and arrow) (cf. Figs. 2a and 2b). A close-up of the nano-channels is shown in (b). (c)
Lattice fringe image of the interface between the reacted and the unreacted fluorapatite taken from the region within
the dashed circle. (d) Close-up of the void, which is filled with a quenched amorphous fluid and a cluster of monazite
grains. The void is surrounded by an array of nano-channels. (e) HRTEM image along the void rim with an irregular
interface.
portiert, und die Mikroporosität kann durch Rekristallisation
verschwinden, bis neues Fluid infiltriert. In trockenen
Gesteinen kann sich ein Gleichgewicht nur durch
Volumendiffusion in Festkörpern einstellen – ein sehr viel
langsamerer Prozess.
Bedeutende Fortschritte bei der Bestimmung von
Wasser in Gläsern und Schmelzeinschlüssen mit
der Raman-Spektroskopie
Die Bestimmung von Wasser (H 2O, D 2O) mittels konfokaler
Mikro-Raman-Spektroskopie in natürlichen Gläsern
hat sich durch die Entwicklungsarbeiten am GFZ (Thomas,
2000) zu einer etablierten Routinemethode entwickelt
(Thomas, 2002; Thomas et al. 2005, 2006; Chabiron
et al. 2004; Zajacz et al. 2005; Di Muro et al. 2006). Diese
Technik kann für die genaue und schnelle Bestimmung
des gebundenen Gesamt-Wassers (H 2O T) in Gläsern in
einem breiten Konzentrationsbereich von etwa 0,1 bis weit
über 35 Gew.% (~ 50 Mol% H 2O) bei hoher Präzision
(< 10 %) eingesetzt werden, wobei die untere Nachweisgrenze
noch nicht ausgelotet ist. Damit sind auch quantitative
Untersuchungen zur Speziation des Wassers
(H 2O m/OH) (Chabiron et al., 2004; Di Muro et al. 2006)
und des schweren Wassers D 2O m/OD (Thomas et al, 2006)
möglich. Die laterale Auflösung von etwa 2 µm, die sich
durch die konfokale Technik ergibt, ermöglicht die Untersuchung
von sehr kleinen Objekten, wie wir sie beispielsweise
in Form von Schmelzeinschlüssen in gesteinsbildenden
Mineralen antreffen. Sie erlaubt dadurch auch
die Aufnahme von Konzentrationsprofilen wie z. B. Diffusionsprofile
in Gläsern, H 2O-Verteilung in Einschlüssen,
Änderung des Wassereinbaues in Nadeln von Tiefseeschwämmen.
Der Vorteil der Raman-Spektroskopie
gegenüber der Infrarot-Spektroskopie liegt in der Einfachheit
der Probenpräparation, dem großen Messbereich
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Abb. 4.21: (a) HRTEM-Aufnahme einer Reaktionszone im Fluorapatit von Experiment AM34. (b) HRTEM-Aufnahme
eines nicht reagierten Bereichs im Fluorapatit von Experiment AM34.
(a) HRTEM image of fluorapatite from a reacted region in experiment AM34 whereas (b) shows an HRTEM image of
non-reacted region, i.e. the original fluorapatite, in experiment AM34.
und in der Unabhängigkeit von der Matrix. Auf Schmelzeinschlüsse
angewandt heißt das, es kann der Wassergehalt
von Gläsern bestimmt werden, deren Zusammensetzung
von granitisch bis basaltisch reicht. Kenntnisse über
die Zusammensetzung und Dichte sind keine Voraussetzung
für diese Bestimmungen mehr. Obwohl es bereits mit
der Einführung der Methode im Jahr 2000 klar war, wurde
jedoch von anderen Bearbeitern immer wieder übersehen,
dass das Raman-Signal im Frequenzbereich von 2.800 bis
3.980 cm –1 direkt proportional zur H 2O T-Konzentration ist.
Da die Integralintensität linear mit der Konzentration
ansteigt, ist eine Quantifizierung mit Hilfe des Intensitätsverhältnisses
Σ(H 2O+OH)/(Si-O) nicht erforderlich.
Auf diesen sehr wichtigen Umstand wurde unlängst noch
einmal ausdrücklich hingewiesen (Thomas et al. 2006),
da sich daraus eine sehr einfache, genaue und Matrixunabhängige
Bestimmungsmethode ergibt: die „Komparator-Methode“
zur Bestimmung des Wassers. Für diese
Methode ist eine Kalibrierung nicht mehr notwendig. Es
werden nur noch einige gut untersuchte Referenzproben
für den gesamten Konzentrationsbereich zum Vergleich
gebraucht. Man kommt gegebenenfalls auch nur mit
einem Bezugsglas aus. Damit vereinfacht sich die analytische
Bestimmung des Wassers mittels Raman-Spektroskopie
nochmals drastisch. Die Raman-Technik zur quantitativen
Wasserbestimmung tritt aus ihrem Schattendasein
heraus und wird zur Methode der Wahl.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der Infrarot-Spektroskopie
ist, dass mit der konfokalen Raman-Technik der Wassergehalt
von Schmelzeinschlüssen bestimmt werden kann,
die sich im Volumen weit von der Oberfläche entfernt in
einer Mineral-Matrix befinden. Erst dadurch wird es möglich
wasserreiche, instabile Gläser/Einschlussgläser zu
untersuchen, die an der Oberfläche durch die Präparation
(Schleifen, Polieren) oder auch spontan und irreversibel
zerstört werden würden (Thomas et al. 2006).
Abb. 4.22: Die Abbildung zeigt einen volatil-reichen
Schmelzeinschluss im Pegmatitquarz von Zwiesel bei
Bodenmais. Nach der Homogenisierung bei 650 °C unter
einem Druck von 3 kbar zerfällt das homogene, jedoch
metastabile Glas während des Abschreckens in vier Phasen.
Bei Raumtemperatur beobachtet man dann ein peralkalines,
wasserreiches Glas, eine wässrige Lösung sowie
flüssiges und gasförmiges CO 2. Die Phasen sind nach
Dichte sortiert im Einschluss angeordnet.
The figure shows a volatile-rich melt inclusion in pegmatite
quartz from Zwiesel near Bodenmais. After homogenization
at 650 °C and a pressure of 3 kbar the
homogenous, however, metastable glass disintegrates
during quenching into four phases. At room-temperature
we observe a peralkaline water-rich glass, an aqueous
solution as well as liquid and gaseous carbon dioxide.
The phases in the inclusion are arranged according
density.
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314
Bei Untersuchungen an extrem wasserreichen Schmelzeinschlüssen
in Pegmatitmineralen (siehe Abb. 4.22), die
erst mit der Entwicklung der Raman-Methode möglich
wurden, fand man Einschlussphasen mit bis zu 70 Gew.%
Wasser. Ihrem physiko-chemischen Verhalten nach können
diese Einschlüsse als Hochtemperatur-Gel-Einschlüsse
interpretiert werden. Die Untersuchung dieser Einschlüsse
öffnet ein neues Fenster in die Kolloid- und
Lagerstättenforschung, da solche Phasen das Potenzial
besitzen, große Mengen an Spurenelementen und lagerstättenrelevanter
Metalle zu extrahieren, zu speichern und
zu transportieren. Außerdem können solche Phasen sehr
effektiv als Ionenaustauschmedien fungieren. Diese neuen
Entwicklungen in der Raman-Spektroskopie zur Bestimmung
des Wassers in Gläsern setzt neue Impulse für die
experimentelle Petrologie: Bisher war der Konzentrationsbereich
bis etwa 10 Gew.% H 2O analytisch beherrschbar
(SIMS, FTIR), nun kann der gesamte Konzentrationsbereich,
der in der Natur von Bedeutung ist, abgedeckt
werden.
Experimentelle Untersuchungen liefern Hinweise
auf mögliche größere Wassergehalte im Erdmantel
Geodynamische Prozesse im konvektiven Erdmantel, wie
beispielsweise das Schmelzverhalten der Mantelgesteine,
die Transporteigenschaften von Materie entlang von Korngrenzen
und die Verformungseigenschaften der Mantelgesteine
können durch Wasser wesentlich beeinflusst werden.
Experimentelle, petrologische und theoretische Studien
zur Speicherfähigkeit von Wasser in Erdmantelmineralen
stehen daher im Brennpunkt aktueller Forschungen.
Petrologisch-geochemische Untersuchungen belegen,
dass Wasser in natürlichen, nominal wasserfreien
Mineralen wie Olivin, Pyroxen und Granat, den hauptsächlichen
Bausteinen des oberen Erdmantels, in Spuren
Abb. 4.23: Polarisierte Infrarot-Spektren von Olivin, aufgenommen parallel
der drei Kristallachsen a, b und c. Die Absorptionsbanden werden
Schwingungen von strukturell eingebauten OH-Gruppen zugeordnet, die im
Zusammenhang mit Kationenleerstellen stehen.
Polarised infrared spectra of olivine, taken parallel to the crystal axes a, b
und c. The bands are assigned to vibrations of structurally bound OH-groups,
which are connected with cation vacancies.
als strukturell gebundenes Hydroxyl eingebaut wird.
Die Gehalte liegen dabei meist im Bereich von 10 bis
3.000 Gew. ppm H 2O. In experimentellen Studien wurde
der in der Natur beobachtete Wassereinbau in Silikate und
Oxide simuliert und bestätigt. Mit steigendem Druck
steigt meist die Löslichkeit von H 2O in den Mineralen.
Experimente, die in Druckbereichen durchgeführt wurden,
die uns „petrologisch“ nicht zugänglich sind, zeigten,
dass im Modelsystem des Erdmantels MgO-SiO 2 bei
Zugabe von H 2O extrem wasserreiche Minerale synthetisiert
werden können und thermodynamisch stabil existieren.
Im Druckbereich von 10 bis 30 GPa (300 bis 900 km
Erdtiefe) und relativ niedrigen Temperaturen können die
Wassergehalte dieser Minerale bis zu 20 Gew.% betragen.
Ob diese Phasen tatsächlich im Erdmantel existieren, ist
bisher nicht bekannt. Wenn ja, könnten sie Wasser entlang
von Subduktionszonen bis in große Tiefen bringen. Der
thermische Abbau dieser Phasen in heißeren Regionen des
Erdmantels könnte sogar die seismologisch beobachteten
Tiefbeben erklären. Für das bessere Verständnis des globalen
Wasserzyklus und seine Auswirkungen auf Erdmantelprozesse
ist es daher erforderlich, sowohl natürlich
vorkommende Minerale als auch synthetische, potentielle
Minerale des Erdmantels zu untersuchen. Die zentralen
Fragen sind dabei: Wieviel Wasser kann in solchen Mineralen
gespeichert werden, wie wird der Wasserstoff in die
Struktur eingebaut und welche Parameter kontrollieren die
H-Konzentrationen.
Nachfolgend werden zwei Studien, die sich mit dieser Problematik
beschäftigen, vorgestellt.
Eine petrologisch-geochemische Untersuchung beschäftigt
sich mit der Quantifizierung und Lokalisierung von
strukturell eingebauten Hydroxylgruppen in natürlichen
Olivinen aus dem an Diamanten reichen Kimberlitschlot
von Udachnaya, Sibierien. Die Olivine
stammen aus 75 bis 150 km Tiefe. Der Einbau
der Hydroxylgruppen wurde mit der
Fourier Transform Infrarot-Spektroskopie
(FTIR) untersucht (Abb. 4.23). In Kombination
mit einem Mikroskop kann man
so bis zu 30 µm kleine Kristalle untersuchen.
Unter Verwendung von Synchrotron-IR-Strahlung
(am Bessy II-Speicherring
in Berlin) konnten wir die lokale Auflösung
sogar auf 8 x 8 µm erhöhen.
Quantifiziert wurde der Wassergehalt mit
der Sekundärionen Massenspektrometrie
(SIMS). Im Vergleich zu Olivinen aus
basaltischen Gesteinen, die nur 1 bis
2 Gew.ppm H 2O eingebaut haben, sind
die Olivine aus dem Kimberlitschlot mit
ca. 400 Gew.ppm H 2O vergleichsweise
wasserreich. Die FTIR-Spektren zeigen,
dass der strukturelle Einbau des Wassers
in das Kristallgitter des Olivins sehr komplex
ist. Typische Infrarot-Spektren dieser
Minerale zeigen an die 20 verschiedene
OH-Banden, deren Intensität zudem
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stark richtungsabhängig ist. Unsere Studien belegen, dass
der Einbau der Wasserstoffatome an Leerstellen auf dem
M1 Oktaederplatz gekoppelt ist (Abb. 4.24). Experimentelle
Studien lassen vermuten, dass Olivin, der in noch größeren
Tiefen gebildet wurde, das 10- bis 20-fache dieser
Wassergehalte aufweist.
Die zweite Studie beschäftigt sich mit der Synthese, Kristallchemie
und Stabilität von Superhydrous Phase B,
Mg 10Si 3O 14(OH) 4, einer potentielle Phase im tiefen Erdmantel
(Koch-Müller et al., 2005). Zusammen mit Kollegen
am Geophysical Laboratory der Carnegie Institution of
Washington, D.C. synthetisierten wir Superhydrous Phase
B (shy B) bei 22 GPa und Temperaturen von 1.200 und
1.400 °C. Wir konnten zeigen, dass shy B in zwei verschiedenen
Modifikationen existiert. Bei hohen Temperaturen
(1.400 °C) bildet sich eine ungeordnete Struktur hinsichtlich
der Verteilung der Kationen und Wasserstoff, die bei niedrigeren
Temperaturen (1.200 °C) in eine stark geordnete
Struktur übergeht. Abb. 4.25 zeigt Infrarot-Spektren der
stark geordneten Struktur. Sie belegen, dass Wasserstoff im
Gegensatz zur ungeordneten Struktur in mehr als einem
Strukturplatz eingebaut wird. An Hand der Richtungsabhängigkeit
der Intensität der Absorptionsbanden entwickelten
wir ein Modell für den Einbau von Wasserstoff in diese
Struktur (Abb. 4.25). Der Wassergehalt dieser möglichen
Phase des tieferen Erdmantels beträgt 5 bis 6 Gew.% H 2O.
Es ist nun die Aufgabe der Geomaterialforschung, diese
sehr wasserreiche Phase als mögliche Einschlüsse in Diamanten
oder auch Zirkon in Kimberliten zu finden. Dies
wäre ein sehr wichtiger Schritt hin zum besseren Verständnis
geodynamischer, vom Wassergehalt beeinflusster
Prozesse im Erdmantel.
Datierung alter Krustenwässer mit Edelgasen
Am GFZ wurde eine on-line Entgasungsanlage für die
quantitative Extraktion von in Wasserproben gelöster
Edelgase weiterentwickelt und neu aufgebaut.
Mit der anschließenden massenspektrometrischen
Bestimmung der im
Wasser gelösten radiogenen, nukleogenen
und fissiogenen Edelgasisotope 4 He,
20, 21, 22 Ne, 36, 38, 40 Ar, 84, 86 Kr und 129, 132, 134, 136 Xe
Abb. 4.25: Polarisierte Einkristall-Spektren
der OH-Banden in shy B (1.200 °C)
(links). Sie zeigen, dass im Gegensatz zur
ungeordneten Phase, in dieser stark
geordneten Phase Wasserstoff in mehr als
einem Strukturplatz eingebaut ist. Projektionen
der Orientierungen der OH-
Gruppen in der geordneten Phase
(rechts).
Polarised single crystal spectra of the
OH-bands of shy B (1200 °C) showing
that hydrogen is incorporated in more
than one site (left). Projections of the proposed
orientations of the OH groups in
the strongly ordered sample (right).
Abb. 4.24: Teil der Olivinstruktur mit den in dieser Studie
lokalisierten Wasserstoffatomen (schwarze Kugeln). Der
Wasserstoffeinbau steht in Verbindung mit Leerstellen auf
M1 und die Atome können sowohl an O(2) als auch an
O(1) Sauerstoffe gebunden sein.
Part of the olivine structure showing the proposed hydrogen
atoms (black balls) associated with vacant M1 sites
and bonded to O(2) and to O(1) oxygens.
kann z. B. die Verweilzeit der Wässer im Untergrund
bestimmt werden. Der Zeitrahmen dieser Datierungsmethode
erstreckt sich hierbei von ca. tausend bis zu mehreren
Milliarden Jahren. In der Praxis wurden Wässer von
bis zu einigen zehner Millionen Jahren untersucht. Die
zusätzliche Edelgasgehaltsbestimmung in Porenfluiden
frisch erbohrter Gesteine ermöglicht auch den Zugang zu
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Abb. 4.26: Beprobung von Fluiden zur Edelgasanalytik in
einer 3,6 km tiefen Goldmine in Südafrika (Foto: J. Lippmann-Pipke).
Noble gas sampling at 3,6 km depth in a South African
gold mine.
immobilen Porenlösungen in nicht wasserleitenden
Gesteinsformationen. Damit können der Wasser- und
Stofftransport bilanziert, Neubildungsraten sowie laterale
Wasserflüsse quantifiziert und die Intensität von Kluftwasserzirkulationen
abgeschätzt werden.
Erste Anwendungen am GFZ umfassten die Untersuchung
ultratiefer Kluftwasserzutritte in südafrikanischen Goldminen
(Abb. 4.26), der Wässer aus dem einjährigen Pumptest
an der KTB-Vorbohrung sowie von Mineral- und Geothermalwässern
aus Bursa (Türkei), nahe der nordanatolischen
Störungszone.
Ein übergeordnetes Ziel dieses Forschungsfeldes ist es,
mit Hilfe von Laborexperimenten, Nahfelduntersuchungen
sowie regionalen Informationen die Prozesse der Entgasung
von Gesteinen auf unterschiedlichen zeitlichen
und räumlichen Skalen zu studieren. In Laborexperimenten
werden Gesteinsproben im Grammbereich im Vakuum
zermahlen bzw. bei Temperaturen bis zu 1.750 °C aufgeschmolzen
und die freigesetzten Edelgase massenspektrometrisch
bestimmt. Die regionalen Informationen
stammen aus der Analyse von Kluftwasserzutritten bzw.
krustalen Wässern, die im Verlauf von Tausenden bzw.
Millionen von Jahren die aus Gesteinen freigesetzten
Edelgase akkumuliert haben. Nahfelduntersuchungen zur
Freisetzung von Gasen aufgrund seismischer Ereignisse
sollen im Rahmen des ICDP-DAFSAM-Projektes (Drilling
Active Faults in South African Mines) durchgeführt
werden (Abb. 4.27).
In 3,6 km Tiefe wird zurzeit in einem südafrikanischen
Goldbergwerk eigens ein ca. 40 m langes, quasi horizontales
Bohrloch quer durch eine tektonische Störungszone
gebohrt. An deren Verlauf werden in den nächsten ein bis
drei Jahren durch Bergbautätigkeiten ausgelöste seismische
Ereignisse bis zu einer Stärke von Magnitude 3 erwartet.
Das Bohrloch wird mit einem System von Kapillaren
ausgestattet, durch die kontinuierlich Bohrlochgas abgesaugt
und in Echtzeit mit einem Quadrupol-Massenspektrometer
analysiert wird. Während eines seismischen
Ereignisses erwarten wir Konzentrationsänderungen aufgrund
spontaner Freisetzung von Gasen u. a. aus Flüssigkeitseinschlüssen
oder Gesteinsklüften, die sonst nur während
sehr langer Zeiträume durch Alteration oder Diffusion
entweichen würden. Von Gaskonzentrationsänderungen
gesteuert, sollen zudem automatisch Glasampullen
mit Bohrlochgas für spätere Laboruntersuchungen befüllt
werden.
Die Verknüpfung von Gasanalyse- und Datierungsergebnissen
ultratiefer südafrikanischer Minenwässer mit der
tiefen kontinentalen Biosphäre ist ein wissenschaftlich
sehr spannendes Thema, ähneln die dortigen Umweltbedingungen
vermutlich doch denen der ersten belebten Biosphäre
unseres Planeten.
Abb. 4.27: Untertage in der Tau Tona Goldmine bei Johannesburg
zur Vorbereitung des ICDP-DAFSAM-Bohrprojekts
(Foto: J. Lippmann-Pipke).
Underground in the Tau Tona gold mine near Johannesburg
to prepare the ICDP-DAFSAM drilling project.
Das KTB-Tiefenlabor in Windischeschenbach –
neue geohydraulische Experimente erfolgreich
abgeschlossen
Eine Serie neuartiger hydraulischer Langzeittests in
Deutschlands übertiefen Forschungsbohrungen (KTB) in
Windischeschenbach (Oberpfalz) hatten das Ziel, Energie-
und Fluidtransportprozesse in der oberen kristallinen
Kruste zu untersuchen. Die zwei benachbarten KTB-Tiefbohrungen
(Vorbohrung KTB-VB, 4.000,1 m und Hauptbohrung
KTB-HB, 9.101 m) erlaubten die In-Situ-
Bestimmung hydraulischer Parameter eines ausgedehnten
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Abb. 4.28: KTB-Lokation von einem Leichtflugzeug aus fotografiert. Links
oben ist der noch vorhandene und als Touristenattraktion genutzte Bohrturm
der Hauptbohrung. Rechts oben im Bild befindet sich in 200 m Entfernung
die Vorbohrung (Foto: Emile Kühr, 2003).
Arial view of the KTB-Location. On the left is the drill site of the main hole
with the big drill rig still in place and nowadays used as tourists attraction.
On the right is the drill site of the pilot hole at 200 m distance.
tektonischen Störungssystems (SE2) und erstmalig die
Gewinnung unkontaminierter krustaler Tiefenwässer in
4.000 m Tiefe (Abb. 4.28).
Ein 12-monatiger Produktions/Pumptest brachte in 2002/03
weltweit einmalig viele Millionen Jahre alte Tiefenwässer
(22.300 m 3 ) zutage. Diese Wässer wurden von zahlreichen
Arbeitsgruppen des KTB-VB Science Teams intensiv
untersucht. Die Ergebnisse sind kürzlich in einem Sonderband
von GEOFLUIDS veröffentlicht worden (Erzinger
und Stober, 2005, siehe auch: GFZ-Zweijahresbericht
2002/03, 319 ff).
In 2004/05 folgte dann während einer zweiten Versuchsphase
ein massiver Injektionstest, bei dem über 11 Monate
lang 84.600 m 3 Oberflächenwasser mit einer durchschnittlichen
Rate von 200 l/min in die SE2-Störungszone
in ca. 4.000 m Tiefe eingepumpt wurde. Der Druckaufbau
war mit 95 bis 120 bar überraschend gering. Aus
den Injektionsparametern konnte errechnet werden, dass
die Störungszone eine Gesamtpermeabilität von 2 x 10 –15 m 2
aufweist.
Induzierte seismische Erdbebensignale traten nach drei
Monaten Pumpzeit im September 2004 erstmalig auf. Bis
zum Versuchsende wurden über 3.000 seismische Ereignisse
mit einem Bohrlochseismometer in der KTB-HB
registriert. Ein Seismometernetz an der Oberfläche registrierte
etwa 150 eindeutige Ereignisse (Abb. 4.29).
Die seismischen Hypozentren, die durch das Injektionsexperiment
induziert wurden, traten in etwa 1 km Entfernung
um den Injektionsort auf. (Abb. 4.30). Der zeitliche
Versatz mit der die seismischen Ereignisse auftraten, lässt
sich mit dem Einfluss des vorangegangenen
Pumptests erklären. Man könnte
sagen, dass das Störungssystem zunächst
wieder mit Wasser aufgefüllt werden
musste bevor die Porendruckänderungen
ausreichend waren, um Seismizität zu
induzieren. Und tatsächlich entspricht die
eingepresste Wassermenge nach drei Monaten
ziemlich genau derjenigen, die ein
Jahr zuvor entnommen wurde (Abb. 4.29).
Diese Interpretation lässt sich auch mit
der Beobachtung eines Wasserspiegelanstiegs
in der KTB-HB untermauern. Die
beiden Bohrungen sind eindeutig hydraulisch
miteinander verbunden und die
KTB-HB wurde im Oktober 2004 sogar
artesisch, ein Zustand der bis heute (Januar
2006) anhält.
Weitere geophysikalische Untersuchungen
umfassten großräumige Gleichstrommessungen,
oberflächennahe Neigungsmessungen
und aktive seismische Reflexionsmessungen,
um festzustellen, ob die
erzwungenen hydraulischen Druckveränderungen
in 4.000 m Tiefe auch von der
Oberfläche aus abgebildet werden können.
Nach ersten Auswertungen der Daten der zweiten Versuchsphase
durch das Science Team lässt sich vorläufig
festhalten:
• Die aufgetretene Seismizität konnte durch unerwartete
geringe Porendruckänderungen induziert werden.
• Die geringe Reflektivität der Kruste ist positiv mit ihrer
hydraulischen Permeabilität korreliert.
• Die Gesamtpermeabilität des SE2-Reflektors ist unerwartet
und mindestens doppelt so groß wie die seiner
Umgebung.
• Zumindest bis zu Drücken unter 100 bar weist die Störungszone
nichtlineare hydraulische Eigenschaften
auf. Ein Resultat, welches möglicherweise für kontinentale
Störungssysteme allgemein gültig ist.
• Das 4 km tiefe SE2-Störungssystem ist hydraulisch
offen und es scheint mechanisch stabiler zu sein als
die sie umgebenden Gesteinsformationen.
Diese Ergebnisse ermuntern das Science Team in naher
Zukunft auch die noch viel stärker ausgeprägte SE1-Störungszone
in mehr als 7.000 m Tiefe zu studieren. Ein Vorhaben,
welches zurzeit weltweit nur an der KTB-Lokation
möglich ist.
Ein Fenster zur beginnenden kontinentalen Krustengenese:
Zoisitführende Hochdruckpegmatite
trondhjemitischer Zusammensetzung
Die Anatexis von Hochdruckmetabasiten ist der zentrale
Prozess bei der Entstehung der Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit-Serien
(TTG), die große Bereiche der kontinentalen
archaischen Kruste einnehmen, und stellt den ersten
Schritt in der Fraktionierung der kontinentalen von der
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 4.29: Mikroseismizität während des KTB 2004/2005 Injektionsexperiments (a) aufgenommen mit seismischen
Oberflächenstationen und (b) durch ein Geophon in der KTB-Hauptbohrung (die Angaben in dieser Teilabbildung zeigen
die Tiefe, in welcher das Geophon montiert war). Die wechselnde Einbautiefe des Bohrlochgeophons lässt sich eindeutig
an den unterschiedlichen Ankunftszeiten der S- und P-Wellen erkennen (c). Teilabbildung (d) zeigt den Injektionsdruck
und die kumulative eingepresste Wassermenge.
Microseismicity during the KTB 2004/2005 injection experiment (a) as recorded by the surface stations and (b) by the
geophone in the main borehole (the numbers on the plot show depth locations of the geophone). Changes in the locations
of the borehole geophone are clearly seen from the plot of differences of the S and P wave arrival times (c). Plot
(d) gives the injection pressure along with the cumulative volume of the injected water (from Shapiro et al, 2005).
ozeanischen Kruste dar. Sie ist zudem verantwortlich für
die Bildung adakitischer Schmelzen in der subduzierten
ozeanischen Kruste. Diese adakitischen Schmelzen können
den oberhalb der subduzierten Platte liegenden Mantelkeil
metasomatisch überprägen und so eine wichtige
Rolle bei der Entstehung der typischen subduktionsbezogenen,
kalk-alkalinen Magmen spielen. Die Kenntnis der
geochemischen und petrologischen Charakteristika der
Anatexis von Hochdruckmetabasiten ist somit nicht nur
essentiell für das Verständnis der archaischen kontinentalen
Krustenbildung sondern auch für die Interpretation
rezenter magmenbildender Prozesse in Subduktionszonen.
Hochdruckpegmatite mit tonalitischer bis trondhjemitischer
Zusammensetzung in Eklogiten bieten die einzigartige
Gelegenheit, die Anatexis von Hochdruckmetabasiten
in situ zu studieren und stellen ein natürliches Fenster
zur beginnenden kontinentalen Krustengenese dar. Solche
Hochdruckpegmatite sind von zahlreichen Lokalitäten
bekannt, u. a. Saualpe (Kärnten, Österreich), Zentralmassiv
(Frankreich), Eklogitprovinz (Norwegen), Catalina
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Abb. 4.30: Horizontaler Schnitt einer Tiefenmigration (ISO89-3D) in vier km
Tiefe zusammen mit Projektionen der seismischen Hypozentren, die während
des Injektionsexperiments 2004/2005 induziert wurden. Die Intensitäten der
seismischen Reflektion sind in blau-weißen Farben dargestellt. Helle Farben
entsprechen hohen Reflexionsintensitäten. Das weiße und das graue Quadrat
stellt die jeweilige Lokation der Vor- und Hauptbohrung dar.
A 4 km depth horizontal slice of the depth migrated ISO89-3D image plotted
along with the projections of the seismic hypocentres induced by the
injection experiment of 2004/2005. The white and gray squares are the locations
of the main and pilot boreholes, respectively (from Shapiro et al, 2006).
Schist (Kalifornien, USA), Cabo Ortegal (Spanien) und
Münchberger Gneismasse (Bayern, Deutschland). Exemplarisch
wurden die Hochdruckpegmatite der Münchber-
ger Gneismasse geochemisch und petrologisch
untersucht. Die Münchberger
Gneismasse ist Teil der zentralen europäischen
Varisziden und stellt einen invertierten
Deckenstapel dar. Sie wird von
vier großen lithologischen Einheiten aufgebaut
(Abb. 4.31a). Die tektonisch höchste
Einheit, die Hangendserie, besteht aus
Amphiboliten, phengitführenden Gneisen
sowie reliktischen Eklogitkörpern.
Die untersuchten Hochdruckpegmatite
stammen von dem größten dieser Eklogitkörper,
dem Weissenstein-Eklogit
(Abb. 4.31a).
Die Eklogite des Weissenstein besitzen
generell ozeanische Spurenelementsignaturen,
die in der Regel Mittelozeanischen
Rückenbasalten (MORB) entsprechen,
vereinzelt aber auch eine Ähnlichkeit
mit Back-Arc Tholeiiten aufweisen.
Anatexis und Pegmatitbildung in den
Weissenstein-Eklogiten sind somit ein
perfektes Analogon zu Schmelzprozessen
in der subduzierten ozeanischen
Kruste. Die Weissenstein-Eklogite sind
ganz überwiegend „trockene“ Quarz-
Eklogite mit Klinopyroxen, Granat,
Quarz und Rutil, nur vereinzelt kommen
die OH-haltigen Phasen Zoisit und Phengit
vor. Die Hochdruckpegmatite in den
Weissenstein-Eklogiten bilden mehrere
dm- bis m-große, isolierte Körper und
machen modal etwa 1 Vol.% des gesamten
Weissenstein-Eklogitkörpers aus. Ihr
charakteristisches Merkmal sind cm- bis
dm-große, euhedrale prismatische Zoisitkristalle, die
modal etwa 5 bis 20 Vol.% der einzelnen Pegmatitkörper
ausmachen. Sie sind in einer Matrix aus graphischen Pla-
Abb. 4.31: (a) Vereinfachte geologische Karte der Münchberger Gneismasse. Die Proben der Zoisitpegmatite
stammen vom Weissenstein-Eklogitkörper (weißer Kreis). (b) Foto eines Zoisitpegmatit Handstückes. Zoisitkristalle
(Zo) sind in einer Plagioklas-Quarz (Plag-Qz) Matrix eingebettet (Am: Amphibol).
(a) Simplified geological map of the Münchberg Massif, central Germany. The zoisite-pegmatite samples come from
the Weissenstein eclogite body (white circle). (b) Photograph of a zoisite-pegmatite hand specimen. Zoisite crystals (Zo)
are embedded in a plagioclase-quartz (Plag-Qz) matrix (Am: amphibole).
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319

320
gioklas-Quarz-Verwachsungen eingebettet. Diese Matrix
bildet modal den Hauptbestandteil (bis > 90 Vol.%) der
Pegmatite und besitzt ein Plagioklas zu Quarz Verhältnis
von etwa 3 zu 1 (Abb. 4.31b). Nebenbestandteile (< 1
Vol.%) sind Amphibol und Klinozoisit.
Die Zoisitkristalle besitzen einen einheitlichen Wachstumszonarbau,
der drei Stadien der Zoisitkristallisation
sowie der Pegmatitentwicklung widerspiegelt (Abb. 4.32):
In Stadium 1 kristallisiert eisenreicher Zoisit 1 [X Fe Zoisit 1 =
0,17; X Fe = Fe/(Fe+Al-2)], der jedoch nur noch in reliktischen
Kernen zu beobachten ist. In Stadium 2 reagiert Zoisit
1 mit der Schmelze, wird partiell von dieser resorbiert
und ein eisenärmerer Zoisit 2 [X Fe Zoisit 2 = 0,12] kristallisiert.
In Stadium 3 werden sowohl Zoisit 1 als auch Zoisit
2 von der Schmelze partiell resorbiert und eisenarmer
Zoisit 3 [X Fe Zoisit 3 = 0,10] kristallisiert. Während der Stadien
2 und 3 kristallisieren zudem Klinozoisit, albitreicher
Plagioklas und Amphibol. Die Plagioklas-Quarz-Matrix
kristallisiert im Anschluss an Zoisit 3 und stellt den
Schlusspunkt der magmatischen Entwicklung der Pegmatite
dar. Gefüge, Mineralchemie, Phasenbeziehungen
der Pegmatite in Verbindung mit Schmelzbeziehungen im
MORB und Trondhjemit-System sowie den bekannten
metamorphen Druck- und Temperaturbedingungen der
Münchberger Gneismasse erlauben es, die Druck-Temperatur-Entwicklung
der Pegmatite zu rekonstruieren
(Abb. 4.32b): Zoisitabbau im Eklogit bei etwa 2,8 GPa/
750 °C führt zur Bildung geringer Mengen trondhjemitischer
Entwässerungsschmelzen, die sowohl an H 2O als
auch an Zoisit gesättigt sind. Diese Schmelzen sammeln
sich lokal in Schmelztaschen und kristallisieren bei etwa
2,5 GPa/730 °C zu Zoisit 1 als Liquidusphase (Stadium 1).
Bei etwa 1,4 GPa/650 bis 700 °C wird das gesamte System
thermisch gestört, Zoisit 1 resorbiert und Zoisit 2 kristallisiert
(Stadium 2). Kristallisation von Zoisit 3 und der
Plagioklas-Quarz-Matrix erfolgte bei etwa 1,0 GPa/620
bis 650 °C (Stadium 3). Die Daten zeigen, dass die trondhjemitischen
Schmelztaschen während der gesamten Heraushebung
von ~ 2,8 bis 1,0 GPa, also über rund 60 km,
einen stabilen, integralen Bestandteil des Eklogitkörpers
bildeten.
Um die Gesamtchemie der Pegmatite und damit der
ursprünglichen trondhjemitischen Schmelze zu bestimmen,
wurde die Hauptelementchemie der Pegmatitminerale
mit der Mikrosonde gemessen. Die Spurenelementgehalte
der Pegmatitminerale i) Zoisit, ii) Plagioklas und
iii) Amphibol wurden mittels ICP-MS (Inductively Coupled
Plasma Mass Spectrometry) an Mineralseparaten
Abb. 4.32: (a) Schemazeichnung der magmatischen Entwicklung der Zoisite (gezeichnet parallel [010]). Der Eisengehalt
in Zoisit [X Fe = Fe/(Fe+Al- 2)] spiegelt drei Wachstumsstadien wider. Während der Stadien 2 und 3 kristallisiert
zusätzlich Klinozoisit und albitreicher Plagioklas. (b) P-T Entwicklung der Zoisitpegmatite abgeleitet aus den Eisengehalten
der unterschiedlichen Zoisitwachstumsstadien, koexistierenden albitreichem Plagioklas und Klinozoisit während
der Stadien 2 und 3 sowie den Phasenbeziehungen im MORB und Trondhjemit System. Isoplethen (dünne gepunktete
Linien) sind für Eisengehalte in Zoisit von X Fe Zoisit = 0,17, 0,12 und 0,10 entsprechend den Eisengehalten der Zoisitwachstumszone
1 bis 3. Die Linie A-B repräsentiert das Entwässerungsschmelzen von Zoisit. Das Fragezeichen stellt
die Störung des Systems während Stadium 2 dar. Die schwache Aufheizung während Stadium 2, die durch den S-förmigen
P-T Pfad angedeutet wird, ist jedoch spekulativ.
(a) Schematic drawing of the magmatic evolution of zoisite (viewed parallel [010]). Iron content [X Fe = Fe/(Fe+Al- 2)]
in zoisite displays three growth stages. During stages 2 and 3 clinozoisite and albite-rich plagioclase crystallized also.
(b) P-T evolution of the zoisite-pegmatites as derived from the iron content of the different growth stages of zoisite, coprecipitated
albite-rich plagioclase and clinozoisite during stages 2 and 3, and phase relations in MORB and trondhjemite
system. Isopleths (thin stippled lines) are for X Fe zoisite = 0.17, 0.12, and 0.10 as observed in zoisite growth stages
1 to 3. Line A-B is the dehydration melting of zoisite. The question mark indicates the perturbation of the system during
pegmatite stage 2. The slight re-heating during pegmatite stage 2 as suggested by the s-shaped P-T path is, however,
speculative.
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analysiert. Um das Verhalten der Spurenelemente während
der Pegmatitkristallisation zu untersuchen, wurden
zusätzlich die Spurenelementgehalte der Zoisitwachstumszonen
1 bis 3 in situ mittels LA-ICP-MS (Laser Ablation-ICP-MS)
bestimmt.
i) Alle Zoisitseparate zeigen einheitliche Spurenelementmuster,
abgesehen von leicht streuenden Cs, Rb und Ba
Gehalten (Abb. 4.33a). Die Muster sind an den inkompatiblen
Elementen angereichert und besitzen ausgeprägte
negative Nb-Ta- und Zr-Hf-Anomalien sowie schwach
negative bzw. positive Strontium- und Blei-Anomalien.
Die Nb/Ta-Verhältnisse in den Zoisiten sind etwa 1,1 während
die Zr/Hf-Verhältnisse zwischen 18,8 und 22,4 schwanken.
Die Elemente der Seltenen Erden (SEE) in den Zoisiten
zeigen gerade, an den leichten SEE angereicherte
Muster mit Chondrit normierten La/Lu = 24 bis 44, La/Gd
= 1,3 bis 1,8 und Gd/Lu = 19 bis 24. Die in situ bestimmten
Spurenelementgehalte in den Zoisitwachstumsstadien
1 bis 3 zeigen nahezu identische Muster in allen drei
Stadien (Abb. 4.33b), die mit denen der Zoisitseparate
übereinstimmen. Sie sind an den inkompatiblen Elementen
angereichert und zeigen positive Blei- und negative
Strontium- und Hafnium-Anomalien. Die SEE in Zoisit 1
bis 3 zeigen gerade, an den leichten SEE angereicherte
Muster mit Chondrit normierten La/Lu = 43 bis 59, La/Gd
= 1,9 bis 2,0 und Gd/Lu = 22 bis 30. Die nahezu identischen
Spurenelementmuster der Zoisitwachstumsstadien
1 bis 3 zeigen, dass der Spurenelementhaushalt der Pegmatite
während der gesamten Kristallisation unverändert
geblieben sein muss. Sie geben keinen Hinweis auf eine
Infiltration externer Fluide oder Schmelzen in die
Schmelztaschen. Dies belegt, dass die beobachtete Störung
während Stadium 2 nicht chemischer sondern thermischer
Ursache gewesen sein muss.
ii) Die Spurenelementgehalte der Plagioklase zeigen
eine starke Streuung zwischen den einzelnen Proben
(Abb. 4.33c). Abgesehen von dieser Streuung, die am deutlichsten
in den SEE zu sehen ist, charakterisieren generell
positive Barium-, Blei- und Strontium-Anomalien die Plagioklas-Spurenelementmuster.
Die Nb/Ta-Verhältnisse in
Plagioklas sind mit 0,75 bis 0,99 vergleichbar mit denen
in Zoisit. Ihre Zr/Hf-Verhältnisse reichen von 15,4 bis 42,3.
iii) Die Amphibolseparate besitzen nahezu identische,
generell niedrige Spurenelementgehalte (Abb. 4.33d).
Verglichen mit den Zoisitseparaten besitzen die Amphi-
Abb. 4.33: N-MORB normalisiertes Spurenelement- und SEE-Muster der Zoisitseparate (a), Zoisitwachstumsstadien
1 bis 3 (b), Plagioklasseparate (c) und Amphibolseparate (d), bestimmt mit der ICP-MS (a, c, d) und LA-ICP-MS (b).
Unterschiedliche Symbole und Farben in a, c und d beziehen sich auf unterschiedliche Pegmatitproben.
N-MORB normalized trace and rare earth element patterns of zoisite separates (a), zoisite growth stages 1 to 3 (b),
plagioclase separates (c) and amphibole separates (d) as determined by ICP-MS (a, c, d) and LA-ICP-MS (b). Different
symbols and colours in a, c and d refer to different pegmatite samples.
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322
bole höhere Cs-, Rb-, Ba-, Nb-, Ta-, Zr- und Hf-Gehalte
und deutlich niedrigere Th- und U-Gehalte. Die Nb/Ta-
Verhältnisse der Amphibole sind mit 17,3 und 21,5 signifikant
höher als in Zoisit und Plagioklas, wohingegen ihre
Zr/Hf-Verhältnisse mit 21,2 und 27,4 vergleichbar mit
denen in Zoisit und Plagioklas sind. Die SEE in den
Amphibolen zeigen gerade, an den schweren SEE angereicherte
Muster mit Chondrit normierten La/Lu = 0,27
und 0,089, La/Gd = 0,49 und 0,13 und Gd/Lu = 0,55 und
0,69.
Ausgehend von den durchschnittlichen Haupt- und Spurenelementgehalten
der Pegmatitminerale sowie ihrer
Modalgehalte wurde die Gesamtzusammensetzung der
Zoisitpegmatite berechnet. Ihre Hauptelementchemie ist
69,3 Gew.% SiO 2, 18,51 Gew.% Al 2O 3, 5,09 Gew.% CaO,
5,95 Gew.% Na 2O und 0,51 Gew.% Fe 2O 3. TiO 2, MgO und
K 2O sind jeweils < 0,15 Gew.%. Die Zoisitpegmatite
unterscheiden sich damit von typischen TTGs und Adakiten
durch deutlich niedrigere TiO 2, Fe 2O 3, MgO and K 2O
Gehalte. Mit mehr als 15 Gew.% Al 2O 3 bei etwa 70 Gew.%
SiO 2 erfüllen sie jedoch das Hauptelementkriterium für
Trondhjemite.
Aufgrund seines hohen Modalgehalts und seiner hohen
Spurenelementgehalte kontrolliert Zoisit die Spurenelementchemie
der Pegmatite und das berechnete Spurenelementmuster
ähnelt dem von Zoisit (Abb. 4.34). Es ist
an den inkompatiblen Elementen angereichert mit positiven
Barium- und Blei-Anomalien und ausgeprägt negativen
Nb-Ta- und Zr-Hf-Anomalien. Die Anreicherung der
inkompatiblen Elemente ist in Übereinstimmung mit typischen
TTGs, allerdings zeigen die Zoisitpegmatite eine
stärkere Anreicherung der mittleren SEE sowie eine stärkere
Verarmung der schweren SEE und eine deutlich ausgeprägtere
negative Nb-Ta Anomalie. In guter Übereinstimmung
mit typischen TTGs besitzen die Zoisitpegmatite
niedrige Nb/Ta-Verhältnisse. Das berechnete Nb/Ta-
Abb. 4.34: Berechnetes N-MORB normalisiertes Spurenelementmuster
für den Gesamtzoisitpegmatit verglichen
mit der Zusammensetzungsspanne typischer TTGs (grauer
Bereich).
Calculated N-MORB normalized trace element pattern of
bulk zoisite-pegmatite compared to compositional range
of typical TTGs (grey area).
Verhältnis ist mit ~ 1,6 allerdings extrem klein. Die berechnete
Spurenelementchemie der Zoisitpegmatite ist generell
konsistent mit den Spurenelementkriterien für Trondhjemite:
Sr > 300 ppm, Y < 20 ppm, Yb < 1,8 ppm und Nb
≤ 10 ppm.
Die geochemischen und petrologischen Untersuchungen
der zoisitführenden Hochdruckpegmatite der Münchberger
Gneismasse erlauben einige wichtige Aussagen zur
Anatexis von Hochdruckmetabasiten und zur Genese von
TTGs und Adakiten: i) Die Bildung der Hochdruckpegmatite
in den Eklogiten der Hangendserie der Münchberger
Gneismasse war ein Fluid konservierender Prozess.
Fluide, die bei dem Abbau von Zoisit freigesetzt wurden,
führten unmittelbar zur Bildung trondhjemitischer Schmelzen
und wurden in diesen Schmelzen gebunden. Die Kristallisation
der Schmelzen setzte diese Fluide wieder frei,
die dann zu einer Amphibolitisierung der Eklogite führten.
Obwohl es klare Anzeichen für eine weitverbreitete
Schmelzbildung in den Eklogiten gibt, gibt es keinerlei
Hinweise auf eine großräumige Migration wässriger Fluide
oder Schmelzen. ii) Der Abbau von Zoisit in Eklogiten
führt zu Entwässerungsschmelzen, die den Haupt- und
Spurenelementkriterien für Trondhjemite entsprechen,
allerdings deutlich geringere Magnesium- und Eisengehalte
aufweisen. Obwohl die zoisitführenden Hochdruckpegmatite
ein exzellentes Model für die Entstehung von
TTGs und Adakiten sind, simulieren sie nur den Beginn
des Schmelzprozesses. Höhere Schmelzgrade würden
mehr Klinopyroxen involvieren und die Magnesium- und
Eisengehalte der Schmelze erhöhen. iii) Die niedrigen
Nb/Ta-Verhältnisse der TTGs werden normalerweise auf
die Anatexis von Amphiboliten zurückgeführt. Die Eklogite
des Weissenstein sind amphibolfrei, dennoch ist
das berechnete Nb/Ta-Verhältnis der trondhjemitischen
Schmelzen sehr klein. Dies bedeutet, dass auch Zoisitabbau
in amphibolfreien, rutilführenden Eklogiten zu
trondhjemitischen Schmelzen mit niedrigen Nb/Ta-Verhältnissen
führen kann.
Mikro- und Nanoeinschlüsse in Diamanten: kleine
Fenster ermöglichen tiefe Einblicke in den Aufbau
des Erdmantels
Diamanten sind nicht nur „a girl’s best friend“, wie es
Marilyn Monroe einmal zum Ausdruck brachte. Bei Geowissenschaftlern
sind Diamanten mindestens ebenso
beliebt. Der Grund hierfür liegt aber nicht in der Reinheit
und der Brillanz der Diamanten, im Gegenteil, es sind die
Einschlüsse, die den Geowissenschaftler begeistern. Einschlüsse
in Diamanten, seien es mineralische Einschlüsse
oder Gas-Flüssigkeitseinschlüsse, erlauben Rückschlüsse
auf die Zusammensetzung des Mantelgesteins, in dem sich
der Diamant gebildet hat und auf die Fluide, aus denen der
Diamant auskristallisiert ist. Die extreme Festigkeit von
Diamant in Verbindung mit seiner geringen Reaktivität in
einer silikatischen Umgebung ermöglichen es den Einschlüssen,
ihre ursprüngliche Zusammensetzung zu behalten,
auch wenn sich die Druck- und Temperaturbedingungen
während des Transports zur Erdoberfläche geändert
haben. Diamanten können mit ihren Einschlüssen einen
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sehr weiten Bereich des Erdmantels beproben. Er reicht
nach bisherigem Stand des Wissens von 150 km bis in
1.700 km Tiefe (Hayman et al.2005).
Bislang war man bei der Untersuchung von mineralischen
Einschlüssen in Diamanten auf solche im Mikrometerbereich
angewiesen. Häufig wurden die Diamanten verbrannt
und die Einschlüsse blieben in der Asche zurück.
Diese Einschlüsse konnte man mit der Elektronenstrahlmikrosonde
chemisch untersuchen. Große Einschlüsse
sind aber relativ selten im Gegensatz zu Nanoeinschlüssen.
Für kleinere Einschlüsse liefern IR- und Raman-
Spektroskopie Hinweise auf ihre Zusammensetzung und
Mineralparagenesen. Solche Daten sind häufig aber nicht
eindeutig, da es zu Überlappungen der Signale kommen
kann. Es fehlt die Information über die Mikrostruktur
eines solchen Einschlusses.
Mit Hilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM)
ist man heute jedoch in der Lage, die chemischen, kristallographischen
und mikrostrukturellen Informationen,
die ein Mikro- oder Nanoeinschluss enthält, zu entschlüsseln.
Leider war es in der Vergangenheit nahezu
unmöglich, geeignete Diamantproben für TEM-Untersuchungen
zu präparieren. Der extreme Festigkeitskontrast
zwischen Diamant und seinen Einschlüssen führte dazu,
dass die in jedem Fall weicheren Einschlüsse beim Dünnen
der Probe weitgehend zerstört wurden. Diese Schwierigkeit
konnte jedoch mit der Focused Ion Beam FIB Probenpräparation
überwunden werden. Ein solches Gerät
wird seit ca. 3 1/2 Jahren am GFZ mit großem Erfolg
betrieben. Mit Hilfe dieser in den Geowissenschaften bislang
einzigen Anlage weltweit, wurden zahlreiche Diamantproben
aus Kasachstan, Sibirien, der Ukraine, Süd-
afrika, Kanada und Brasilien präpariert und am GFZ
gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Russland, der Ukraine,
Israel, USA und Brasilien mit dem TEM untersucht.
Die Untersuchungen lassen sich in drei Gruppen gliedern:
• Einschlüsse in Mikrodiamanten (Kasachstan, Ukraine),
• Einschlüsse in Diamanten aus Sibirien, Südafrika,
Kanada und Brasilien,
• Carbonados – schwarze Diamanten aus Brasilien.
Fluid-Einschlüsse in Mikrodiamanten aus Kasachstan
Der Mechanismus der Entstehung von Diamanten im Erdmantel
ist noch immer umstritten. Es gibt Argumente, die
für ein Wachstum aus der Schmelze oder ein Wachstum
aus einem Fluid sprechen. Die Entdeckung von Mikrodiamanten
in Ultra-Hochdruckgesteinen der kontinentalen
Erdkruste hat diese Debatte erneut angeheizt. In einer
TEM-Probe eines Mikrodiamanten aus dem Kokchetav
Massiv in Kasachstan beobachteten wir ca. 50 bis 100 nm
große Fluid-Einschlüsse, die noch geschlossen waren.
Solche Einschlüsse kann man dann erhalten, wenn die Diamantproben
für die TEM-Untersuchungen relativ dick
(200 bis 300 nm) präpariert werden. Üblich sind Probendicken
von 100 nm und weniger. Diamanten sind aber
wegen ihrer ausgezeichneten Elektronentransparenz auch
in dicken Schichten noch gut durchstrahlbar. Einen noch
gefüllten Einschluss erkennt man im Elektronenmikroskop
daran, dass es bei fokussiertem Strahl zu Dichtefluktuationen,
verbunden mit Änderungen im Helligkeitskontrast,
kommt. Diese Dichtefluktuationen erzeugen unterschiedlichen
Massenabsorptionskontrast. Der Einschluss
gleicht dann einer lebenden, sich bewegenden Zelle
(Abb. 4.35).
Abb. 4.35: TEM Hellfeld-Aufnahme eines Fluid-Einschlusses in einem Mikrodiamanten aus Kasachstan. a) Noch
geschlossener Fluid-Einschluss erkennbar an Kontrastvariationen, die durch Dichtefluktuationen erzeugt werden. b)
Der gleiche Einschluss nach der Öffnung mit Hilfe des Elektronenstrahls zeigt keine Kontrastvariationen mehr, da das
Fluid in das Vakuum des Systems entwichen ist. Zurück bleibt ein amorpher Rest.
TEM bright field image of a fluid inclusion bubble in a microdiamond from Kasachstan. a) Closed fluid inclusion bubble
with contrast variations due to density fluctuations. b) Same fluid inclusion bubble after perforation of the diamond
container by electron sputtering. The fluid has escaped into the vacuum leaving a quench product in the cavity.
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323

324
Ein Röntgenspektrum der durch den Elektronenstrahl
erzeugten Röntgenfluoreszenzstrahlung aus dem Einschluss
ergibt qualitativ eine Zusammensetzung des Fluids
aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel, Chlor, Kalium,
Calcium und Eisen. Durch Fokussierung des Elektronenstrahls
auf den Einschluss kann dieser geöffnet werden
und die gasförmigen und flüssigen Komponenten können
in das Vakuum des TEM entweichen. Eine zweite Analyse
unter identischen Bedingungen ergibt dann, dass Sauerstoff,
Schwefel und das Chlor nahezu verschwunden
sind. Aus dem Verlust des Chlor-Anteils wird geschlossen,
dassdas Fluid eine wässrige Komponente gehabt haben
muss, Chlor hat in der Verbindung HCl vorgelegen. Ebenso
kann aus dem Verlust des Schwefels und des Sauerstoffs
nach dem Öffnen des Einschlusses auf die Anwesenheit von
H 2SO 4 im Fluid geschlossen werden. Der Verlust des Sauerstoffs
deutet aber auch auf die Anwesenheit von CO 2 im
Fluid hin. Die Untersuchung zeigt, dass das Fluid, aus dem
der Mikrodiamant gewachsen ist, folgende Zusammensetzung
hatte: C, H, O, Cl, S, Ca, Fe, und K. Damit konnte
nachgewiesen werden, dass diese Mikrodiamanten aus
einem Fluid und nicht aus einer Schmelze entstanden sind.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurde in Terra Nova
publiziert (Dobrzhinetskaya et al., 2005).
Nanoeinschlüsse in Diamanten aus Sibirien und Kanada
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit israelischen
Wissenschaftlern wurden Diamanten aus Kanada
und Sibirien untersucht. Diese Diamanten zeichnen sich
dadurch aus, dass sie einen sehr hohen Anteil an Gas-Flüssigkeitseinschlüssen
aufweisen, die zu einer ausgeprägten
Trübung der Diamanten führen. Die Einschlüsse wurden
Abb. 4.36: TEM Hellfeld Aufnahme eines Phlogopit-Einschlusses
in einem Diamanten. Der Phlogopit ist gekennzeichnet
durch dunkle Beugungskontraste. Die hellen Stellen
sind dünnere Bereiche, die mit einem Fluid gefüllt
waren.
TEM bright field image of a phlogopite inclusion in diamond.
Phlogopite is characterized by diffraction contrast.
The bright areas are due to reduced foil thickness, filled
with a fluid prior to the perforation of the inclusion during
specimen preparation.
mit der Mikrosonde, IR-Spektroskopie und TEM untersucht.
Die meisten Mikro- und Nanoeinschlüsse enthalten
danach mehrere feste Phasen wie beispielsweise Karbonate,
Halide, Apatit, Pyroxen und einen Si-reichen
Glimmer (6,8 bis 7,7 Atome pro Formeleinheit) mit einer
Zusammensetzung zwischen Phlogopit und Seladonit
(Abb. 436).
Die TEM Untersuchungen ergeben, zusammen mit den
Mikrosondenmessungen und den IR-spektroskopisch
gemessenen Volatilen, folgendes Resultat: Der Diamant
hat während seines Wachstums in den Mikroeinschlüssen
ein dichtes, superkritisches Fluid einheitlicher Zusammensetzung
eingeschlossen. Aus dem superkritischen Fluid
sind feste Phasen bei der Abkühlung in einem sekundären
Prozess auskristallisiert. Diese sekundären Mineraleinschlüsse
unterscheiden sich wesentlich von den primären,
peridotitischen oder eklogitischen Mineraleinschlüssen
wie zum Beispiel Pyrop, Olivin und Pyroxene. Es sind dies
Karbonate, Phosphate, Halide, Sulfide und Schichtsilikate,
die aus einem primären „high density fluid“ HDF, welches
beim Wachstum der Diamanten unter hohem Druck
eingeschlossen worden ist, mit Wasser und CO 2 auskristallisiert
sind. Es ist angereichert an inkompatiblen Elementen
wie Chlor, Kalium, Phosphor, Barium und Strontium.
Der hohe interne Druck (1,5 bis 2 GPa) bleibt auch
nach dem Aufstieg der Diamanten an die Erdoberfläche
erhalten (Navon, 1999). Es ist dies die erste Beobachtung,
dass Karbonate zusammen mit Haliden in den Mikroeinschlüssen
vorkommen. Diese Beobachtung stützt die
Annahme, dass der Diamant aus einem Fluid, welches
Chlor und Karbonat enthält, entstanden sein muss (Klein-
BenDavid et al. 2006).
Carbonados, schwarze Diamanten
Schwarze Diamanten sind trotz ihrer zum Teil beachtlichen
Größe als Schmucksteine völlig uninteressant. Sie
sind jedoch die besten Schleifmittel, die es gibt. Carbonados
sind polykristalline Diamanten mit hoher Porosität,
die bisher nie in direkter Verbindung mit Kimberliten
gefunden wurden. Sie sind weiterhin gekennzeichnet
durch eine ungewöhnliche Vielfalt an Einschlüssen, wie
zum Beispiel Florenzit (SEE-Phosphat), Orthoklas, Quarz,
Kaolinit und Metalle (Fe, Fe-Ni, Sn, Ag, Cu). Die für kimberlitische
Diamanten charakteristischen Einschlüsse, wie
pyropreicher Granat, Olivin und chromreicher Pyroxen,
wurden bisher jedoch nie in Carbonados gefunden. Die
Entstehung der Carbonados wird noch immer kontrovers
diskutiert. Es wird angenommen, dass wegen der Anreicherung
leichter Kohlenstoff-Isotope (δ 13 C liegt im
Bereich von –23 ‰ bis –30 ‰) organisches Material durch
eine kalte Subduktion in den Mantel verfrachtet wurde.
Aus diesem organischen Material soll dann im Stabilitätsbereich
des Diamants polykristalliner Diamant kristallisiert
sein. Eine andere Hypothese geht davon aus, dass
eine kohlenstoffhaltige Matrix durch radioaktive Bestrahlung
zu Diamant umgewandelt worden ist. Eine Umwandlung
von organischer Materie in Diamant durch Stoßwellenmetamorphose,
wie sie beim Einschlag eines Meteoriten
zu erwarten wäre, wird ebenfalls als Ursache für die
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Abb. 4.37: Das lichtoptische Bild zeigt einen typischen
Carbonado Polykristall, aufgeklebt auf einen Aluminiumträger.
Optical micrograph of a typical carbonado polycrystal
mounted onto a sample holder.
Entstehung von Carbonados diskutiert. Für keine dieser
Hypothesen wurden bisher schlüssige Beweise erbracht.
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Universidade
Federal de Minas Gerais in Belo Horizonte, Brasilien
wurden alluviale Diamanten (Carbonados) aus Brasilien
am GFZ mit dem TEM untersucht. Die Carbonados
stammen aus dem Sao Francisco Kraton (Macaubas River)
in Minas Gerais, Brasilien. Der Kraton enthält die ältesten
Gesteine Südamerikas mit einem Alter von ca. 3,2 Milliarden
Jahren. Ein typischer Carbonado ist in Abb. 4.37 zu
sehen.
Der größte am GFZ untersuchte Carbonado wiegt 0,7
Gramm und wurde mit Hilfe eines Lasers von einem Diamantschleifer
in Jerusalem in zwei Teile
geschnitten. Ihm sei an dieser Stelle für
seine kostenlose Unterstützung gedankt.
Eine Schnittfläche wurde dann am GFZ
mit einer Diamantschleifmaschine anpoliert.
Die optische Untersuchung der
polierten Fläche zeigt, dass der Stein aus
polykristallinen Domänen mit unterschiedlicher
Korngröße aufgebaut ist.
Mittels fokussierender Ionenstrahltechnik
wurden aus dem Zentrum und mehreren
Randbereichen Folien zur Untersuchung
mit dem TEM präpariert. Insgesamt
wurden fünf Steine unterschiedlicher
Größe untersucht, wobei die Proben
entweder aus dem Inneren der Probe
stammen oder von der Oberfläche aus
präpariert wurden. Die TEM-Untersuchungen
lieferten folgende Ergebnisse:
Carbonados sind immer polykristallin mit
Korngrößen in der Regel < 10 Mikrometer.
Sie weisen alle eine hohe Porosität
auf. Die Korngrenzen zeigen einen unge-
wöhnlichen, auffällig gezackten Verlauf (Abb. 4.38). Das
Korngefüge gleicht einem Puzzle. Die Versetzungsdichte
ist uneinheitlich und häufig sind die Versetzungen in
Kleinwinkelkorngrenzen angeordnet, was auf eine Temperung
der Probe bei hohen Temperaturen hindeutet.
In manchen Körnern beobachtet man kleine, plättchenförmige
Strukturen, die meist kleiner sind als 50 nm
(Abb. 3.39). Diese Plättchen sind Anreicherungen von
Stickstoff im Diamant. Sie sind ein Hinweis darauf, dass
der Diamant für lange Zeit bei hohen Temperaturen im
Mantel verweilt haben muss, denn nur dann kommt es zu
einer Aggregation von Stickstoff zu paarweise angeordnetem
Stickstoff über Stickstoff in Tetraeder-Anordnung
zu den Plättchen. Dieser Vorgang verlangt eine zunehmende
Verweildauer des Diamanten bei hohen Temperaturen
im Mantel. Darauf deutet auch die Anwesenheit von
Kleinwinkelkorngrenzen hin.
Generell sind Einschlüsse in Carbonados sehr zahlreich.
Es gibt sehr viele sekundäre Einschlüsse, die keine Mantelbedingungen
repräsentieren, wie zum Beispiel Sulfate
(Ba-Sulfat, Ca-Sulfat), Sulfide (PbS), Quarz, Kaolinit,
Florenzit, Glimmer, Apatit und Fe-Oxide. Diese Einschlüsse
treten ausschließlich in Hohlräumen und Poren,
meist entlang von Korngrenzen auf. Die Poren sind oft
miteinander verbunden. Diese Einschlüsse liefern jedoch
keine Hinweise auf die Genese der Carbonados. Sie haben
sich zusammen mit Fluiden gebildet, die den Stein durchdrungen
haben. Es gibt aber eine zweite Gruppe von viel
kleineren Einschlüssen innerhalb der Körner, die deutliche
Hinweise auf die Bildung der Carbonados liefern.
Diese Einschlüsse kommen isoliert im Kristall vor. Solche
Einschlüsse bestehen jeweils aus festen Phasen und
einer flüssigen oder gasförmigen Phase. Als feste Phasen
wurden beobachtet: Karbonate (Ba-Karbonat, Ca-Karbonat),
Chloride (KCl), Silikate (Ca, Al, K, Fe, Ti) und Sulfide.
Diese Einschlüsse sind in der Regel deutlich kleiner
Abb. 4.38: TEM-Hellfeld-Abbildung eines typischen Korngefüges in Carbonados.
Man beachte die ungewöhnlich gezackten und winkeligen Korngrenzen.
TEM bright field image of characteristic grain texture in Carbonado. Note
the unusual zig-zag arrangement of the grain boundaries.
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Abb. 4.39: TEM-Hellfeld-Abbildung von plattenförmigen Einschlüssen,
gefüllt mit Stickstoff in Körnern eines Carbonado.
TEM bright field image of N-rich platelets in grains of a Carbonado polycrystal.
als 500 nm und entsprechen in ihrer Paragenese genau
denen aus kimberlitischen Diamanten. Dort beobachtet
man ebenfalls Silikate, Chloride und Karbonate oftmals
zusammen im gleichen Einschluss. Aus dieser Beobachtung
und dem Auftreten von Stickstoff-Plättchen muss
gefolgert werden, dass Carbonados im Erdmantel unter
ähnlichen Bedingungen wie „normale“ Diamanten gebildet
worden sind. Eine Entstehung durch radioaktive
Bestrahlung oder durch einen Impakt kann daher für diese
Carbonados ausgeschlossen werden. Unsere Beobachtung
stützt hingegen die Bildung aus subduziertem, organischen
Material. Die ungewöhnliche Morphologie ihrer
Korngrenzen und die große Porosität sind die wesentlichen
Unterschiede zu kimberlitischen Diamanten. Die
Gründe hierfür sind noch nicht verstanden und sind
Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Aus den bisherigen Untersuchungen an Diamanten unterschiedlichster
Herkunft (Sibirien, Südafrika, Kanada,
Brasilien, Ukraine, Kasachstan) und verschiedenster Morphologie
und Größe können einige grundsätzliche Schlussfolgerungen
gezogen werden. Die Mikroeinschlüsse sind
in der Regel die Einschlüsse, die den jeweiligen Ort der
Entstehung des Diamanten im Erdmantel repräsentieren
und charakterisieren (peridotitische Einschlüsse oder
eklogitische Einschlüsse). Die peridotitischen oder eklogitischen
Einschlüsse liefern uns Hinweise auf die Druckund
Temperaturbedingungen, unter denen sich Diamant
gebildet hat. Die Nanoeinschlüsse hingegen, mit ihrem
ausgeprägten silikatischen, sulfidischen, karbonatischen
Charakter, sind aus einem Fluid bei Änderung von Druck
und Temperatur während des Aufstiegs
des Diamanten zur Erdoberfläche auskristallisiert.
Dabei hat der Diamant das
Fluid während seines Wachstums eingeschlossen.
Dieses Fluid stellt somit das
Medium dar, aus dem der Diamant auskristallisierte.
Interessanterweise ist die
Zusammensetzung dieses Mediums für
alle Lokalitäten nahezu identisch. Diese
Erkenntnis soll durch weitere Untersuchungen
in der Zukunft untermauert werden.
In diesem Zusammenhang sind die
Diamanten aus Juina (Mato Grosso, Brasilien),
die uns von Dr. Kaminsky (Kanada)
zur Verfügung gestellt wurden, von
ganz besonderem Interesse.
Akustisches Monitoring von metamorphen
Dehydrationsreaktionen:
Experimente im Modellsystem Diasporit
Wasserreiche Fluide sind wesentlich für
Transport und Umverteilung von Material
in der Erdkruste und spielen eine entscheidende
Rolle bei Reaktions- und
Deformationsprozessen. Die physikalischen
Eigenschaften eines Gesteins werden
durch die Menge und Verteilung von
fluiden Phasen stark beeinflusst. In-Situ-
Messungen zur Änderung petrophysikalischer Eigenschaften
unter transienten P-T-Bedingungen der mittleren
und unteren Kruste sind notwendig, um die Beziehungen
zwischen Fluiddruck, Fluidvernetzung und den Materialparametern
des Gesteins zu untersuchen. Diese Daten werden
für numerische Modellierungen von z. B. Subduktionsprozessen
benötigt und führen zu einer quantitativen
Interpretation geophysikalischer Felddaten.
Während der prograden Gesteinsmetamorphose werden
mit zunehmender Temperatur und Tiefe wasserreiche Fluide
durch den Abbau OH-haltiger Minerale generiert.
Umgekehrt wird bei Abkühlung und Dekompression eines
Gesteines Wasser, sofern verfügbar, wieder von Mineralen
gebunden (retrograde Gesteinsmetamorphose). Reaktionen
dieser Art sind immer gekoppelt mit Porositäts- und
Permeabilitätsänderungen und zeigen eine komplexe
Wechselwirkung mit der Deformation. Das Schließen von
Porenraum kann zu hohen Poren- und lokalen Überdrücken
führen, die beim spontanen Abbau Seismizität induzieren
können. In Scherzonen spielt deswegen das Wechselspiel
zwischen porositätschaffenden, fluidfreisetzenden
Reaktionen und porositätreduzierender Deformation
eine entscheidende Rolle für den seismischen Zyklus.
Die Auswirkungen von fluidfreisetzenden Reaktionen auf
die physikalischen und rheologischen Eigenschaften von
Gesteinen bei P-T-Bedingungen der mittleren und unteren
Kruste werden experimentell untersucht. Hierzu wurde
zunächst ein einfaches Modellsystem, ein Metabauxit
gewählt.
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Abb. 4.40: (a) Zylindrische Probe eines Metabauxits aus SW-Anatolien, vorwiegend bestehend aus feinkörnigem Diaspor
und Ti-haltigem Hämatit. (b) Gemessene seismische Anisotropie (V P, V S) in Diasporit bei Raumbedingungen.
(a) Cylinder of metabauxite sample from SW-Anatolia (Turkey) mainly consisting of fine-grained diaspore and Ti-hematite.
(b) Seismic anisotropy (V P, V S) measured in diasporite at ambient conditions.
Der verwendete Metabauxit ist ein feinkörniges, dichtes
und rissfreies Gestein und besteht zu ≈ 70 vol.% aus Diaspor
und ≈ 25 vol.% aus Ti-Hämatit (Abb. 4.40a). Es zeigt
während prograder Metamorphose eine diskontinuierliche
Dehydratation bei relativ niedrigen P-
T-Bedingungen (Abb. 4.41), welche für
Subduktionsprozesse in der Kopplungszone
typisch sind. Während der Umwandlung
von Diaspor (α-AlOOH) nach
Korund (α-Al 2O 3) wird im Metabauxit 7
bis 9 Gew.% Wasser freigesetzt. Ein Vorteil
des Diaspor-Korund-Modellsystems
ist seine schnelle Reaktionskinetik im
Vergleich mit der Dehydratisierung von
OH-führenden Fe-Mg-Al-Silikaten wie
Glimmer, Chlorit und Amphibol in weiter
verbreiteten komplexeren metamorphen
Gesteinen.
Mittels mikroanalytischer Methoden
wurde zunächst die Mineralchemie und
Textur des Ausgangsdiasporits charakterisiert.
Messungen der seismischen Geschwindigkeiten
bei Raumbedingungen
Abb. 4.41: Position des Diaspor-Korund-
Gleichgewichtes im P-T-Diagramm berechnet
für eine Wasseraktivität von 1,0
(rote Kurve) und 0,5 (blaue Kurve).
Pressure-temperature diagram showing
the position of the diaspore-corundum
equilibrium for a water activity of 1.0 (red
curve) and 0.5 (blue curve).
im Ultraschallbereich ergaben eine deutliche seismische
Anisotropie, welche für die P-Wellen 7,8 % und die S-
Wellen 8,8 % beträgt (Abb. 4.40b). Dies ist ein unerwartetes
Ergebnis, da die Probe optisch keine deutliche Foli-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
327

328
ation oder Lineation zeigt. Theoretische Arbeiten sagen
jedoch vorher, dass für Diaspor auf Grund seiner orthorhombischen
Kristallstruktur eine starke seismische Anisotropie
zu erwarten wäre. Die gemessene Anisotropie wird
wahrscheinlich durch eine kristallographische Einregelung
der Diaspor-Kristalle verursacht. Dies soll weiter mit
EBSD-Analysen (Electron Backscatter Diffraction) untersucht
werden. Die für die Experimente benutzten zylindrischen
Diasporitproben wurden so angefertigt, dass die
Isotropie-Ebene (Vp = ≈ 8.200 m/s) parallel zur Längsachse
der Zylinder lag (Abb. 4.40).
Die Diasporit-Dehydratisierungs-Experimente wurden in
Zusammenarbeit mit der Gesteinsdeformations-Gruppe
an der ETH Zürich in einer Paterson-Gas-Apparatur bei
hydrostatischem Druck von 200 MPa durchgeführt. Die
Heizrate betrug 1 °C/min bei undrainierten als auch bei
drainierten Experimenten. Beide Serien von Experimenten
ergaben einsetzende akustische Emissionen (AE) bei
Abb. 4.42: Zwei unterschiedliche Typen von „ultrasonic waveforms“,
registriert während der Dehydratisierung von Diasporit bei 470 °C und
200 MPa.
Two different types of waveforms captured during dehydration of diasporite
at ca. 470 °C and 200 MPa.
ca. 400 °C und weitere, mehr ausgeprägte AE bei ca.
470 °C. Da das Diaspor-Korund-Gleichgewicht bei
200 MPa und 400 °C nur sehr gering überschritten wird
(Abb. 4.41), ist unklar, ob die ersten AE bei 400 °C auf
der Dehydratation von Diaspor beruhen. Die charakteristischen
AE bei 470 °C sind sicher auf entwässernden Diaspor
zurückzuführen. Die benötigte thermische Überschreitung
für das Einsetzen der Reaktion ist in guter Übereinstimmung
mit Gleichgewichtsdaten, die wir in Hydrothermal-
und Piston-Zylinder-Apparaturen durchgeführt
haben. Die Diasporit-Entwässerung ist auch am Temperatur-Verlauf
in der Probe erkennbar: bei ca. 430 °C nimmt
die Temperatur kurzfristig ab; eine Folge der endothermen
Gleichgewichtsreaktion.
Es ist nicht eindeutig, welcher Prozess die AEs bei ca.
400 °C induziert. Es kann nicht ausgeschlossen werden,
dass die Entwässerung kleiner Mengen von Diaspor schon
bei 400 °C beginnt, da bei reduzierten H 2O-Aktivitäten
das Stabilitäts-Feld von Diaspor sich
zu niedrigeren Temperaturen verschiebt
(Abb. 4.41). In diesem Fall wäre unterschiedliches
Dehydratisierungsverhalten
bei undrainierten und drainierten Experimenten
zu erwarten, was experimentell
aber nicht festgestellt wurde. Eine weitere
Möglichkeit wäre, dass diese AE mit
Fluid-Freisetzungen durch Phasen gekoppelt
sind, die in sehr untergeordneten
Mengen vorkommen. Kleinste Mengen
von Hellglimmer und Chloritoid sind mit
der Mikrosonde im der Ausgangsdiasporit
detektiert worden. Dass Abbau submikroskopischer
Phasen die AE bei 400 °C
erzeugt, ist wenig wahrscheinlich, da
elektronenmikroskopische Untersuchungen
„saubere“ Korngrenzen zeigen und
Flüssigkeitseinschlüsse nicht vorkommen.
Es wurden zwei unterschiedliche „waveforms“
bei den AE registriert. Der vorherrschende
Typ besteht aus einem kurzen
Ereignis (Abb. 4.42a), das wahrscheinlich
durch die Bildung von kleineren
Rissen verursacht wird. Weniger häufig
wurden viel länger andauernde AE
mit deutlich höherer Energie registriert
(Abb. 4.42b). Diese zeigen stärkere Entwässerungsereignisse
an, wobei signifikante
Mengen von Fluid schlagartig aus
der Probe entweichen konnten.
Mikrososondenuntersuchungen und Aufnahmen
mit rückgestreuten Elektronen
lassen erkennen, dass sich im Anfangsstadium
der Diasporitentwässerung Risse
bilden, erkennbar an einer erhöhten Porosität.
(Abb. 4.43a). Korund wird bevorzugt
in unmittelbarer Nähe dieser Risse
gebildet. Die Korund-Bildung wird hier
begünstigt, weil das freigesetzte Wasser
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Abb. 4.43: Rückgestreute Elektronen
(RSE) Bilder. Die Produkte bestehen
überwiegend aus Korund und Diaspor
(beide grau) und Ti-Hämatit (weiß). Porosität
ist schwarz. (a) Teilweise dehydratisierter
Diasporit mit Bildung von 20 bis
30 µm breiten Rissen, gekennzeichnet
durch erhöhte Porosität und feinkörnige
Korund-Bildung (nicht sichtbar). Drainiertes
Experiment mit einer Heizrate von
1 °C/ min, P = 200 MPa, abgeschlossen
bei T = 540 °C. (b) Größtenteils in Korund
umgewandelter Diasporit mit Bildung einer
durchgehenden Porosität im nichtdrainierten
Experiment. Heizrate = 1 °C/min,
P = 200 MPa, Experiment abgeschlossen
bei T = 590 °C.
BSE pictures of run products of diasporite
dehydration experiments. Products are
composed mainly of corundum and diaspore
(both grey) and Ti-hematite (white).
Porosity is black. (a) Partly dehydrated
diasporite with formation of 20 – 30 µm
wide cracks marked by enhanced porosity
and growth of corundum (not visible).
Drained experiment, heating rate =
1 °C/min, P = 200 MPa, final T = 540 °C.
(b) Diasporite largely tranformed into a
corundum rock with development of pervasive
porisity in undrained experiment.
Heating rate = 1 °C/min; P = 200 MPa;
final T = 590 °C.
besser entweichen kann und die Wasseraktivität
reduziert wird. In drainierten
Experimenten findet bevorzugt Rissbildung
statt. In undrainierten Experimenten
bildet sich typischerweise durchdringende
Porosität (Abb. 4.43b). Dies ist eine
Folge der hohen Fluiddrücke, welche
bewirken, dass bei der Reduzierung des
festen Gesteinsvolumens als Folge der Reaktion (–20 vol.%)
die Porosität erhalten bleibt. Eine ähnliche durchdringende
Porosität wurde auch in Experimenten in der Piston-
Zylinderapparatur beobachtet, wo natürliche Diasporit-
Proben, eingeschlossen in Goldkapseln, P-T-Bedingungen
innerhalb des Korund-Stabilitätsfeldes ausgesetzt
wurden. Eine erhöhte Porosität mit hydraulischer Rissbil-
Abb. 4.44: Metabauxit von der Diaspor-Korund-Übergangszone
von Naxos (Griechenland) mit mehreren Generationen
„Hydrofractures“, die mit Korund gefüllt sind.
Älteste Risse bestehen aus Chloritoid (schwarz). Die
Matrix besteht aus feinkörnigem Diaspor (gelb), Chloritoid
(grün) und Korund (blau).
Metabauxite sample from the diaspore-corundum transition
zone of Naxos (Greece) displaying several generations
of corundum-filled (blue) hydrofractures. Oldest
fractures are filled with chloritoid (black). Matrix is composed
of fine-grained diaspore (yellowish), chloritoid
(green) and corundum (blue).
dung wurde in natürlichen Metabauxiten (Naxos, Griechenland)
während der Diasporit-Korundit-Transformation
beobachtet. In diesen regionalmetamorphen Bauxiten
deuten verschiedene Generationen hydraulischer
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329

330
Risse auf ein zyklisches Entweichen des gebundenen Wassers
hin, ganz ähnlich wie in den Experimenten reproduziert.
(Abb. 4.44). Die Rissbildung in den natürlichen
Gesteinen wurde höchstwahrscheinlich ebenfalls von
Mikroseismizität begleitet.
Die Experimente zeigen eindeutig, dass Dehydratisierungsreaktionen
Mikrorisse generieren und Mikroseismizität
induzieren können. Bislang wurde nur unter isotroper
Belastung experimentiert; weitere Experimente unter
deviatorischer Belastung sind geplant, um den Einfluss
von Deformation auf die Freisetzung und das Entweichen
von Fluiden zu untersuchen. Bei den akustischen Experimenten
wurde eine Abnahme der seismischen Geschwindigkeit
während des Maximums der Fluidfreisetzung
registriert. Diese Änderung sowie die der elektrischen
Leitfähigkeit während der Fluidfreisetzung durch metamorphe
Reaktionen sollen durch weitere Experimente
quantifiziert werden.
Wärmetransporteigenschaften
Wenn wir die dynamischen Prozesse auf Planeten unseres
Sonnensystems oder in entfernten Galaxien verstehen
wollen, müssen wir die zugrunde liegenden Prozesse identifizieren
und die für die Beschreibung notwendigen Materialeigenschaften
als Funktion der Zusammensetzung,
Temperatur und Druck quantitativ verstehen. Die meisten
plattentektonischen Prozesse werden nach unserem heutigen
Verständnis von Temperaturausgleichsprozessen
im Erdinneren angetrieben.
Trotz des Alters von mehreren
Milliarden Jahren besitzt unser Planet im
Inneren noch eine gewaltige Wärmemenge
aus seiner Entstehungszeit. Durch die
gravitative Trennung des schweren Erdkerns
vom leichteren Material des Erdmantels
wurden große Wärmemengen
freigesetzt. Die wesentlich höhere Radioaktivität
in der Anfangszeit unseres Planeten
hat zu einer großen Wärmefreisetzung
geführt, die z. T. noch in der Erde
gespeichert ist. Reaktionswärme an der
Kern-Mantel-Grenze und Kristallisationsenthalpie
des wachsenden festen
Erdkerns auf Kosten des flüssigen äußeren
Kerns führen zu einer weiteren Temperaturerhöhung
in der sich langsam
abkühlenden Erde. Der resultierende
große Temperaturgradient wird durch
Wärmetransport ausgeglichen. Der über
tausend Kilometer mächtige „isolierende
Mantel“ führt zu einem Hitzestau an der
Kern-Mantelgrenze.
Es ist heute weitgehend unbestritten, dass
Temperaturausgleichsprozesse für den
Antrieb der Plattentektonik verantwortlich
sind, obwohl die näheren Zusammenhänge
noch nicht vollständig verstanden
sind. Deshalb ist die quantitative
Kenntnis der den Wärmetransporteigenschaften zugrunde
liegenden Prozesse und Mechanismen eine wichtige
Voraussetzung, um die dynamischen Vorgänge unseres
Planeten zu verstehen. Gute und verlässliche Daten als
Funktion der Temperatur und des Druckes sind dabei von
fundamentaler Bedeutung – aber kaum bekannt. In den
gesteinsbildenden Mineralen dominieren Phononen (Gitterschwingungen)
und Photonen (Lichtquanten) den Wärmetransport.
Im Wesentlichen sind die mineralphysikalischen
und theoretischen Untersuchungen bisher auf hochreine
Einkristalle – vor allem Elemente – bei tiefen Temperaturen
beschränkt.
Wärmetransport im Erdmantel
In Zusammenarbeit mit der Universität Montpellier und
dem Humboldt-Preisträger Prof. Tom Shankland (Los Alamos
Ntl. Laboratories, USA) wurden Untersuchungen
zum Wärmetransport des Erdmantels durchgeführt. Ein
besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Wärmetransport
über Strahlung gelegt. Dazu wurden an Olivinen und
Olivin-dominierten Gesteinen – Duniten – Messungen
zum Wärmetransport als Funktion der Temperatur und
numerische Berechnungen durchgeführt.
In Abb. 4.45 ist die Änderung der Temperaturleitfähigkeit
zweier Dunite mit der Temperatur dargestellt. Dunite sind
Gesteine des Erdmantels und bestehen im Wesentlichen
aus Olivin. Aus den anisotropen (richtungsabhängigen)
Abb.4.45:Wärmetransport in Duniten (Olivingestein) als Funktion der Temperatur
T. Bei niederen Temperaturen wird das Wärmetransportverhalten
durch Gitterschwingungen (Phononen) dominiert und zeigt sich in einer
Abnahme der Temperaturleitfähigkeit (∝ 1/T). Bei höheren Temperaturen
wird zusätzlich ein radiativer Wärmetransport beobachtet, der zu einer
Zunahme der Temperaturleitfähigkeit mit der Temperatur führt (∝ T 3 ).
Heat transfer in dunites (olivine bearing rocks) as a function of temperature
T. At low temperature heat transfer is dominated by a phonon process,
which results in a decrease of thermal diffusivity with increasing temperature
(∝ 1/T). At higher temperature an additional radiative contribution
increases thermal diffusivity (∝ T 3 ). (Gibert et al., 2005)
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Abb.4.46:Mit zunehmender Probenlänge nimmt bei semitransparenten
Proben wie Olivin der radiative Anteil der
Temperaturleitfähigkeit D zu und nähert sich für große
Probenlängen der Temperaturleitfähigkeit D∞. Bezogen
ist die Probenlänge in dieser Abbildung auf die mittlere
freie Weglänge der Photonen, dem reziproken Wert der
mittleren optischen Absorption. (Gibert et al., 2005)
With increasing sample length the radiative contribution
of thermal diffusivity D increases. For infinite sample
dimensions the value for radiative thermal diffusivity merges
to D∞. In this diagram the sample length is related to
the mean free path length of photons, the reciprocal of
mean optical absorption. (Gibert et al., 2005)
Wärmetransporteigenschaften von Olivineinkristallen
wurde der Wärmetransport der Dunite berechnet. Bei
Temperaturen unterhalb ca. 700 K (ca. 427 °C) wird das
Wärmetransportverhalten von Phononen – Gitterschwin-
gungen – dominiert, dies wird in der Abnahme der Temperaturleitfähigkeit
sichtbar. Bei höheren Temperaturen
wird eine Zunahme der Temperaturleitfähigkeit beobachtet
die auf einen Wärmetransport über Strahlung hinweist.
Bei Temperaturen oberhalb 1.000 °C (ca. 1.273 K) findet
20 % des Wärmetransports über Strahlung statt. Die
Ergebnisse zeigen, dass bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen
im Erdmantel der Strahlungswärmetransport
berücksichtigt werden muss, da im Erdmantel
Temperaturen oberhalb 1.000 °C erwartet werden.
Angaben über die Werte für den Wärmetransport über
Strahlung unter anderem bei Olivin variieren in der Literatur
gewaltig. Mit unserer Arbeit (Gibert et al., 2005)
haben wir für Olivin gezeigt, wie der Wärmetransport über
Strahlung von der Probengeometrie abhängt. In Abb. 4.46
ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt. Die unterschiedlichen
Literaturangaben lassen sich im Wesentlichen
auf unterschiedliche Probengeometrien zurückführen.
Mit unserem Datensatz können jetzt, für unterschiedliche
Probegrößen, richtungsabhängig und als Funktion
der Temperatur, die Wärmetransporteigenschaften für Olivin
angegeben werden.
Wärmetransport in Karbonaten
Karbonate gehören zu den häufigsten Mineralen der Erdkruste.
Ihre Wärmetransporteigenschaften sind deshalb
Basisdaten unter anderem für die Modellierung von Reservoiren,
die Geothermie oder die Abkühlgeschichte magmatischer
Intrusionen in Raum und Zeit.
Die Wärmetransporteigenschaften verschiedener Karbonate
wurden als Funktion der Temperatur in verschiede-
Abb. 4.47: Wärmetransporteigenschaften von Karbonaten als Funktion der Temperatur. In dieser Abbildung sind
die aus den richtungsabhängig bestimmten und nach Voigt-Reuss-Hill gemittelten Temperaturleitfähigkeiten dargestellt.
Die Abnahme der Temperaturleitfähigkeit kann auf eine Zunahme von Phononen-Phononen-Wechselwirkungen
zurückgeführt werden. Mit zunehmender Masse des Kations nimmt dabei die Temperaturleitfähigkeit ab
(m Mg < m Ca < m Zn).
Thermal transport properties of carbonates as a function of temperature. From the anisotropic determined thermal diffusivities,
the average diffusivity is calculated according to Voigt-Reuss-Hill averaging scheme. The decrease in thermal
diffusivity with increasing temperature is related to the increase of phonon-phonon-interactions. With increasing
mass of the cation the thermal diffusivity decreases (m Mg < m Ca < m Zn).
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331

332
Abb. 4.48: Temperaturleitfähigkeit im System Kalzit Ca[CO 3]-Magnesit Mg[CO 3]. Die Struktur des Dolomits kann als
eine Wechsellagerung von Kalzit- und Magnesitlagen aufgefasst werden. Ähnlich wie bei der elektrischen Leitfähigkeit
kann senkrecht zur Stapelfolge die Temperaturleitfähigkeit als Serienschaltung (arithmetisches Mittel) und in Richtung
der Stapel als Parallelschaltung (geometrisches Mittel) aufgefasst werden. Darüber hinaus wird beobachtet, dass bereits
geringe Mengen Eisen zu einer deutlichen Verringerung des Wärmetransportvermögens führen.
Thermal diffusivity in the pseudobinary system calcite Ca[CO 3]-magnesite Mg[CO 3]. The structure of dolomite can be
treated as a sequence of sheets of calcite and magnesite. Similar to electrical conductivity, the thermal diffusivity can
be treated as a resistors in parallel (arithmetic mean) or in series (geometric mean), if the sheets are oriented parallel
or perpendicular, respectively. Already a small amount of iron leads to a significant reduction in thermal diffusivity.
Abb. 4.49: Die für die geowissenschaftliche Grundlagenforschung entwickelten Apparaturen werden auch für materialwissenschaftliche
Fragestellungen eingesetzt. Ein Ergebnis aus der Kooperation zwischen der TU Clausthal und dem
GFZ Potsdam – „Particle Filled Polymers“, B. Weidenfeller, F. R. Schilling, Institute of Polymer Sciences and Plastic
Processes, Univ. of Clausthal Zellerfeld, GFZ Potsdam. Links: Faserverstärkter Kunststoff. Rechts: Talk in Kunststoffmatrix.
Experiments designed for basic reasearch are more and more used for applied sciences. Here is one example from the
collaboration on „Particle Filled Polymers“, B. Weidenfeller, Institute of Polymer Sciences and Plastic Processes, Univ.
of Clausthal Zellerfeld, and F. R. Schilling, GFZ Potsdam. Left: fibre reinforced plastic, right: talc in a plastic matrix
to systematically vary the physical properties of the composite. (Knowledge based multifunctional material).
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nen Richtungen bestimmt. In Abb. 4.47 sind die Temperaturleitfähigkeiten
für vier verschiedene Karbonate dargestellt.
Es dominiert ein Phononenmechanismus das
Wärmetransportverhalten im angegeben Temperaturbereich.
Durch die Zunahme der Phononen-Phononen-
Wechselwirkungen mit zunehmender Temperatur nimmt
die Temperaturleitfähigkeit ab. Mit zunehmender Masse
des Kations nimmt die Temperaturleitfähigkeit ab, da bei
Mineralen mit größerer Masse die Phononen stärker
gestreut werden.
Die Temperaturleitfähigkeit im pseudobinären System
Kalzit Ca[CO 3]-Magnesit Mg[CO 3] ist in Abb. 4.48 dargestellt.
Die Eigenschaften des Dolomits lassen sich aus
den Eigenschaften der Endglieder Kalzit und Magnesit
ableiten. Dabei können – ähnlich wie bei elektrischen
Widerständen – die Wärmewiderstände in Serie oder Parallel
geschaltet werden. Durch den größeren Streuquerschnitt
für Phononen von Eisen gegenüber Kalzium und
Magnesium, wird durch geringe Eisenverunreinigungen
(ca. 1 %) die Temperaturleitfähigkeit von Dolomit deutlich
reduziert (Abb. 4.48).
Physikalische Eigenschaften von Mineral/Glas-Kunststoff-Werkstoffen
Am GFZ Potsdam wurde in den letzten Jahren eine einzigartige
Kombination geomaterialwissenschaftlicher
Experimente entwickelt und aufgebaut. Dadurch ergeben
sich faszinierende Einblicke in die dynamischen Vorgänge
im Inneren unseres erstaunlich aktiven Planeten. Die
bei diesen Untersuchungen gewonnene Expertise wird in
zunehmendem Maße von der Industrie und im Bereich der
angewandten Forschung arbeitenden Einrichtungen national
und international wahrgenommen und für die gezielte
Entwicklung moderner Werkstoffe eingesetzt.
Die physikalischen Eigenschaften von Mineral/Glas-Kunststoff-Werkstoffen
wurde mit den für die Grundlagenforschung
entwickelten Apparaturen bestimmt und mit
Methoden bearbeitet und interpretiert, die für die
Gesteinsphysik entwickelt wurden. Dadurch
können die physikalischen Eigenschaften
dieser „knowledge based multifunctional
materials“ systematisch variiert
werden und das Verhalten der Composites
vorhergesagt werden.
Messungen von Schallgeschwindigkeiten
im Labor mittels Gigahertz-
Ultraschallinterferometrie
Messungen und Interpretationen der
Laufzeiten seismischer Schallwellen sind
die wichtigsten Methoden zur Entschlüsselung
des Aufbaus des Erdinneren. So
deuten z. B. Geschwindigkeitssprünge
der seismischen Wellen von einigen Prozent
auf abrupte Änderungen der Phasen
und/oder des Chemismus in 410 bzw. 660
km Tiefe hin. Es ist jedoch nicht möglich,
allein aus den seismischen Geschwindigkeitsänderungen
auf die chemische Zusammensetzung und die Phasen der
Minerale im Erdmantel zu schließen. Hierfür müssen
zusätzlich Geschwindigkeitsmessungen an Mantel-relevanten
Mineralen im Labor durchgeführt werden. Das Ziel
ist es, einen genügend großen und verlässlichen Datensatz
von longitudinalen und transversalen Schallwellengeschwindigkeiten
V P und V S, elastischen Konstanten C ij
sowie Kompressions- und Schermoduli K s und G bei
erhöhten Druck- und/oder Temperaturbedingungen zu
erhalten. Diese Ergebnisse können dann benutzt werden,
um Geschwindigkeitsprofile von Mineralgemengen wie
sie etwa im oberen Erdmantel (Olivin und Pyroxen), in der
Übergangszone (Spinelle und Granate) und im unteren
Erdmantel (Perovskit und Magnesiumwüstit) vorkommen,
zu modellieren und mit seismischen Daten zu vergleichen.
Eine Methode, Schallwellengeschwindigkeiten zu messen,
ist die Ultraschall-Interferometrie. Hierbei wird die
Laufzeit eines Schallpulses durch eine Probe gemessen
und daraus die Geschwindigkeit der Schallwellen bestimmt.
Diese Methode bietet folgende Vorteile: 1. Es können dunkle
oder opake Proben, die optischen Methoden wie Brillouin-Streuung
nicht zugänglich sind, untersucht werden.
Dies ist ein besonders wichtiger Punkt, da viele Mantelrelevante
Minerale, wie Magnesiumwüstit (Mg,Fe)O oder
Ringwoodit γ(Mg,Fe) 2SiO 4, Eisen in verschiedenen Wertigkeitsstufen
enthalten und deshalb lichtabsorbierend
sind. 2. Wegen der sehr hohen Frequenzen im GHz-
Bereich ist es möglich, kleinste Proben mit einer Dicke
von ca. 40 µm zu untersuchen. 3. Die GHz-Interferometrie
kann in Diamanthochdruckzellen angewendet werden.
Dies bietet uns die Möglichkeit, die elastischen Eigenschaften
von Mineralen als Funktion des Druckes und der
Temperatur zu bestimmen. In Abb. 4.50 ist das Prinzip dieser
Methode schematisch dargestellt.
Ein ca. 1,5 µm dünner Piezo aus ZnO liefert Ultraschallwellen
im GHz-Bereich. Diese Schallwellen durchlaufen
den Übertragungsstab, den Diamanten und treffen dann
Abb. 4.50: Prinzip der Schallgeschwindigkeitsbestimmung in einer Diamantzelle.
Die Überlagerung der an der Vorder- und Rückseite der Probe
reflektierten Schallwellen (mit 1 und 2 gekennzeichnet) ergibt ein Interferenzmuster
aus der die Laufzeit der Schallwellen durch die Probe berechnet
werden kann.
Principle of GHz-interferometry: Superposition of sound waves reflected at
the front and back end of the sample results in an interference pattern from
which the round trip travel-time can be calculated.
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333

334
Abb. 4.51: (a) Interferenzspektrum von Transversalwellen für Gahnit bei 8 GPa. (b) Bestimmung der Laufzeit.
(a) Interference pattern of transversal sound waves for gahnite at 8 GPa. (b) Determination of round trip travel time
for gahnite at 8 GPa.
auf die Probe. Aus der Überlagerung der an der Vorderund
Rückseite der Probe reflektierten Schallwellen ergibt
sich in Interferenzspektrum, aus dem die Laufzeit der
hochfrequenten Wellen in der Probe berechnet werden
kann. In Abb. 4.51a und b sind eine Interferenzkurve und
die daraus berechnete Laufzeit der Schallwellen für Gahnit
bei 8 GPa dargestellt.
Spinelle
Oxide mit Spinellstruktur bilden einen wichtigen Bestandteil
im oberen Erdmantel sowie im unteren Bereich der
Übergangszone (‚γ-Spinell’). Die Kenntnis der Abhängigkeit
der Schallwellengeschwindigkeit von der chemischen
Zusammensetzung bei Spinellen ist somit entscheidend
für das Verständnis des elastischen Verhaltens
des oberen Erdmantels. Messungen an Granaten und Olivinen
(Chen et al., 1996) oder an Magnesiowüstit (Jacobsen
et al., 2002; Reichmann et al., 2000) zeigten eine deut-
liche Abnahme der Geschwindigkeiten mit zunehmendem
Eisenanteil. Es ist nun von besonderem Interesse, wie sich
das Vorhandensein der Übergangselemente wie Eisen und
Zink auf die elastischen Eigenschaften von Mineralen mit
Spinellstruktur auswirkt. Wir haben deshalb die Schallgeschwindigkeiten
der Spinelle Gahnit (ZnAl 2O 4) (Reichmann
and Jacobsen, 2005) sowie Franklinit (ZnFe 2O 4)
mittels Gigahertz (GHz)-Ultraschallinterferometrie untersucht.
Im Fall von Gahnit sitzt Zink auf der tetraedrischen
Position während Franklinit Zink und Eisen auf dem
tetraedrischen bzw. oktaedrischen Gitterplatz aufweist.
In Abb. 4.52a und b sind die elastischen Einkristallkonstanten
C 11 = ρ (V P [100] ) 2 , C44 = ρ (V S [100] ) 2 und 1/3(C11 + 4C 44
+ 2C 12) = ρ (V P [111] ) 2 von Gahnit und Franklinit erstmalig
als Funktion des Druckes dargestellt. Es sind ρ Dichte und
V P [100] , VP [111] und VS [100] longitudinale Schallwellengeschwindigkeiten
in [100] und [111] sowie die transversale
Geschwindigkeit in [100] Richtung.
Abb. 4.52: Die elastischen Einkristallkonstanten C ij von Gahnit und Franklinit als Funktion des Druckes.
The elastic single crystal constants C ij of gahnite and franklinite as function of pressure.
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Abb.4.53:Scher- und adiabatisches Kompressionsmodul G und K S von Gahnit,
Franklinit und Magnetit als Funktion des Druckes.
Shear and adiabatic bulk modulus G und K S as a function of pressure of gahnite,
franklinte and magnetite.
In den Abbildungen wird deutlich, dass C 44 von Gahnit
eine (geringe) positive Druckabhängigkeit besitzt, während
dC 44/dP von Franklinit negativ ist. Eine ähnlich negative
Steigung von C 44 wurde bei Magnetit festgestellt.
Diese Befunde deuten darauf hin, dass Gahnit bis zu sehr
hohen Drücken keinen Phasenübergang durchläuft, was
experimentell (Levy et al., 2001) bestätigt wurde. Demgegenüber
lässt die negative C 44-Druckabhängigkeit von
Franklinit eine Phasentransformation bei höheren Drücken
vermuten, ähnlich wie bei Magnetit. Auch dies ist
experimentell nachgewiesen worden (Levy et al., 2000).
Die Auswirkungen von Zink bzw. Eisen auf die Druckabhängigkeit
der Scher- und adiabatischen Kompressionsmoduli
(G bzw. K S) sind in Abb. 4.53 dargestellt
(Scher- und Kompressionsmoduli
sind Volumeneigenschaften, hängen
Abb. 4.54: Die seismische Geschwindigkeit
V Φ = (K S/ρ) 1/2 als Funktion der Dichte
für Minerale mit Spinellstruktur. Minerale
mit zwei Übergangselementen auf
den Kationenplätzen zeigen eine deutliche
stärkere Dichteabhängigkeit als solche
mit nur einem oder keinem Übergangselement.
Die gestrichelte Linie ist
ein linearer Fit an die Datenpunkte von
FeCrO 2, Fe 3O 4, ZnCr 2O 4 und ZnFe 2O 4.
Die durchgezogen Linie ist ein linearer
Fit an die übrigen Datenpunkte.
The seismic velocity as a function of density
for spinel structures. Minerals with
two transition elements on the cation sites
exhibit a significant higher density
dependence than those wit only one or no
transition elements. The dashed line is a
linear fit to the data of FeCrO 2, Fe 3O 4,
ZnCr 2O 4 and ZnFe 2O 4. The solid line is a
linear fit to the remaining data.
Birchs Regel
also nicht von der Orientierung der
Kristalle ab).
Das Mineral Gahnit besitzt ein etwa 22 %
größeres Kompressionsmodul K S und ein
ca. 40 % größeres Schermodul G als Franklinit
und Magnetit. Wie in Abb. 4.53
ersichtlich, sind die Steigungen des Kompressionsmoduls
dK S/dP von Gahnit,
Franklinit und Magnetit etwa gleich groß,
während dG/dP von Magnetit und Franklinit
kleiner ist als das von Gahnit. Das
Vorhandensein von 3-d Elementen auf beiden
Kationenplätzen hat einen ungleich
größeren Einfluss auf das Schermodul als
auf das Kompressionsmodul, was Auswirkungen
auf die seismischen Profile des
Erdmantels haben kann. Dies macht
wiederum deutlich, wie wichtig es ist, die
elastischen Eigenschaften von Mineralen,
die Übergangselemente enthalten, als
Funktion des Druckes zu untersuchen.
Birch (1961a, b) schlug vor, dass die seismische
Geschwindigkeit V Φ = (K S/ρ)1/2 (ρ = Dichte) von Mineralen
mit gleicher Struktur eine negative Dichteabhängigkeit
zeigt. In Abb. 4.54 ist für eine Reihe von Mineralen
mit Spinellstruktur V Φ als Funktion der Dichte aufgetragen.
Die Daten zeigen deutlich, dass Spinelle mit keinem
oder nur einem Übergangselement auf dem Kationenplatz
eine negative lineare Dichteabhängigkeit besitzen. Minerale
mit zwei 3-d Elementen jedoch folgen nicht diesem
Trend, sondern zeigen eine deutlich höhere Dichteabhängigkeit.
Dies liegt zum Teil daran, dass die Coulomb-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
335

336
Wechselwirkung bei den Übergangsmetallen eine geringere
Rolle spielt und stattdessen die kovalente Bindung
mehr zum Tragen kommt.
Die Birch-Systematik zeigt, dass die seismische Geschwindigkeit
von Spinellen mit zwei Übergangselementen
auf den Kationenplätzen im Vergleich zu Spinellen mit
keinem oder nur einem Übergangsmetall erheblich überschätzt
wird. Dies unterstreicht wiederum den starken
Effekt, den Übergangselemente auf das elastische Verhalten
von Mineralen haben können.
ICDP-Bohrung SAFOD (San Andreas Fault
Observatory at Depth) – zur Geochemie von
Gasen in seismisch aktiven Störungszonen
Das grundlegende Verständnis der physikalischen und
chemischen Prozesse, welche entlang von Störungszonen
an aktiven Plattengrenzen auftreten und sich z. B. in Erdbeben
äußern, ist immer noch überraschend gering. Für
Untersuchungen dieser Prozesse am Ort ihres Ursprungs
sind Tiefbohrungen unerlässlich. Daher wurden 2002 und
2004/2005 an dem wohl weltweit bekanntesten aktiven
Verwerfungssystem, der San Andreas Störung (SAF) in
Kalifornien, im Rahmen von ICDP (International Continental
Drilling Program) zwei Bohrungen niedergebracht.
Die 2,2 km tiefe senkrechte Vorbohrung (SAFOD-PH)
sowie die 4,0 km tiefe abgelenkte Hauptbohrung (SAFOD-
MH), welche die Hauptstörung in 2005 durchstieß
(Abb. 4.55).
Während die Vorbohrung unterhalb von 770 m quartärer
und tertiärer Sedimentgesteine bis zur Bohrlochendteufe
von 2.170 m ausschließlich kretazische Granite durchteufte,
traf die Hauptbohrung unterhalb von ca. 1.880 m
Abb. 4.55: Schema der beiden SAFOD Bohrungen (Vorbohrung = PH,
Hauptbohrung = MH), die im Rahmen von ICDP 2002 sowie 2004/2005
nahe der Stadt Parkfield, Kalifornien, abgeteuft wurden.
Sketch of both SAFOD wells (Pilot Hole, Main Hole), drilled in 2002 and
2004/2005 near the town Parkfield California within the frame of ICDP.
erneut auf Sedimente und verblieb in diesen bis zur Endteufe
von 3.990 m. Nach Beendigung der Bohrmaßnahmen
durchgeführte geophysikalische Untersuchungen in
der Hauptbohrung zeigen Deformationen der Bohrlochverrohrung
bei 3.310 m, dem wahrscheinlichen momentan
aktiven Teil der Hauptstörung. Untersuchungen an den
erbohrten Gesteinen lokalisieren den Übergang von der
Pazifischen Platte (SW der SAF) in die Nordamerikanische
Platte (NÖ der SAF) in einem Bereich zwischen ca.
3.100 m und 3.400 m.
Während der Bohrkampagne erfolgte vor Ort ein ausgedehntes
Bohrlochmessprogramm, die Gewinnung von
Bohrkernen, die Probenahme sowie Dokumentation und
Erstuntersuchung von Bohrklein sowie die Echtzeitanalyse
der Spülungsgase mit anschließenden Isotopenuntersuchungen
an Gasproben im GFZ Potsdam. Gase und Fluide
könnten eine Schlüsselrolle für das Verständnis der
Prozesse spielen, die an Verwerfungszonen auftreten. Eine
oftmals ungewöhnliche Zusammensetzung von Gasen
und Fluiden entlang aktiver Störungen sind durch Oberflächenuntersuchungen
weltweit belegt, doch ist deren
Ursprung, ihre Verteilung in der Tiefe und ein möglicher
Zusammenhang mit seismischen Aktivitäten kaum verstanden.
Informationen über die Verteilung der Gase in der Tiefe
sowie deren Herkunft bietet die Analyse der in der Bohrspülung
gelösten Gase. Diese werden aus der zirkulierenden
Spülung extrahiert, in einen Messcontainer gepumpt
und kontinuierlich in Echtzeit analysiert (Abb. 4.56).
Die Echtzeitanalyse der Spülungsgase beim Abteufen der
SAFOD-Bohrungen identifizierte im unteren sedimentären
Bohrlochabschnitt der Hauptbohrung zwei Zonen mit
erhöhten Gasgehalten, in 2.700 bis 2.900
m und unterhalb von 3.550 m Tiefe. Als
gasförmige Hauptbestandteile finden sich
in diesen Abschnitten Kohlenwasserstoffe,
H 2 und CO 2, gleichzeitig tritt dort
erhöhte 222 Rn-Aktivität auf. Die Heliumgehalte
sind dagegen vergleichsweise
niedrig. Eine solche Gaszusammensetzung
ist in Sedimenten generell nicht
ungewöhnlich. Die Gase treten als zirkulierende
Tiefenfluide durch permeables
Gestein in das Bohrloch ein, wie es die
erhöhte Radonaktivität in diesen Abschnitten
belegt (Abb. 4.57).
Beide Zonen weisen jedoch eine unterschiedliche
Zusammensetzung der Gase
auf. Die obere Zone hat relativ höhere
Gehalte an H 2, während der untere
Abschnitt an CO 2 und Kohlenwasserstoffen
angereichert ist. Untersuchungen zur
Isotopenzusammensetzung des Heliums
zeigen weiterhin für beide Zonen nur
einen geringen Anteil von Helium mit
„Mantelursprung“. Bis zu einer Tiefe von
~ 3.200 m beträgt der Anteil von Mantel-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.56: Aufbau des Experiments zur Untersuchung der Spülungsgase in Echtzeit.
Setup of the real-time mud gas monitoring experiment.
helium weniger als 5 %, während er unterhalb von ~ 3.420
m auf ~ 10 % anwächst. Der unterschiedliche Anteil an
Helium mit Mantelursprung demonstriert, dass die verschiedene
Gaszusammensetzung in beiden Hauptzutrittszonen
nicht nur auf lithologische Bedingungen zurückzuführen
ist. Die San Andreas Störung fungiert daher zumindest
partiell als Barriere für horizontale Fluidmigration.
Der allgemein geringe Anteil an Mantelhelium zeigt an,
dass der vertikale Aufstieg von Fluiden und Gasen aus großer
Tiefe innerhalb der aktiven Störungszone eher untergeordnet
ist. Im Gegensatz dazu weisen zwei nahegelegene
Öl- bzw. Wasser-Bohrungen deutlich höhere Anteile an
Mantelhelium von bis zu 25 % auf.
Die Radonaktivität in Bereich von ca. 3.100 m bis ca.
3.550 m Tiefe ist gering und liefert somit ebenfalls keinen
deutlichen Hinweis auf eine aktive Fluidzirkulation. Auch
die übrigen Gase treten nur in kleinen Konzentrationen
auf, so dass allgemein die Durchlässigkeit der Gesteine
für Gase und Fluide in diesem Abschnitt als gering angesehen
wird. Erhöhte Gaskonzentrationen finden sich lediglich
zwischen 3.150 m bis 3.200 m sowie in unmittelbarer
Nähe der SAF in 3.340 m Tiefe. Diese Gasansammlungen
bestehen fast ausschließlich aus Kohlenwasserstoffen,
im oberen Abschnitt enthält das Gas zusätzlich
auch CO 2. In diesen Bohrlochabschnitt wurden karbonathaltige
Gesteine durchteuft, so dass CO 2 möglicherweise
durch den Bohrprozess freigesetzt wurde. Die in
unmittelbarer Nachbarschaft der SAF gefundenen Gas-
ansammlungen, befindet sich in einer relativ porösen
Sandsteinlage, umgeben von gering durchlässigen, tonigen
Lagen. Diese sind zum Teil reich an organischem
Material, welches generell als Quelle der Kohlenwasserstoffe
anzusehen ist. Es handelt sich also vermutlich eher
um eine lithologisch bedingte Gasakkumulation, welche
in keinem direkten Zusammenhang zur SAF steht.
In der überwiegend sedimentären Zone der Hauptbohrung
(von 1.900 m bis 3.995 m) überraschten die ungewöhnlich
hohen Wasserstoffgehalte von bis zu 6 vol.%, die zum
allergrößten Teil natürlichen Ursprungs sein müssen. Es
gibt ältere Beobachtungen, dass in der Bodenluft oberhalb
von aktiven Störungszonen erhöhte Wasserstoffgehalte
auftreten können. Es scheint möglich, dass der Wasserstoff
durch thermisch-chemische Zersetzung von Wasser
an bei Scherprozessen neu gebildeten Mineraloberflächen
(insbesondere Quarz) produziert werden kann. Entsprechende
Laborversuche um diesen Prozess zu überprüfen
sind geplant.
Recycling versus Neubildung von Kruste am aktiven
Kontinentalrand der Zentralen Anden (18 bis
40° S) – isotopengeochemische Indikatoren
Entstehung, Wachstum und stoffliche Differenzierung der
Kontinente aus dem vorgegebenen Stoffbestand des oberen
Erdmantels ist ein zentrales Thema geologischer und
geochemischer Forschung. Speziell die unterschiedlichen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
337

338
Abb. 4.57: Tiefenverteilung der am häufigsten auftretenden nichtatmosphärischen Gase (CO 2, H 2, CH 4) sowie die 222 Rn-
Aktivität an der SAFOD-Hauptbohrung.
Gas distribution vs. depth of the most abundant non-atmospheric gases (CO 2, H 2, CH 4) and 222 Rn activity at the SAFOD-
Main Hole.
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Signaturen radiogener Isotope, v. a. von Nd, Sr und Pb, in
Mantel und kontinentaler Kruste, ermöglichen eine Unterscheidung
zwischen „juvenilem“ Krustenmaterial, das aus
Mantelschmelzen neu gebildet wird und Krustenmaterial,
welches aus der Aufarbeitung älterer Kruste entsteht.
Subduktion und Magmenbildung an aktiven Kontinentalrändern
werden als wichtige geodynamische Prozesse
angesehen, bei denen juvenile kontinentale Kruste gebildet
wird. Die zentralen Anden gelten als Paradebeispiel
eines aktiven Kontinentalrands und dort entstand das
zweitgrößte kontinentale Plateau nach Tibet. Jedoch zeigen
unsere umfangreichen Studien zum Krustenaufbau in
den zentralen Anden, dass Neubildung kontinentaler
Kruste seit über einer Milliarde Jahre eine sehr untergeordnete
Rolle gespielt hat (Lucassen et al, 2004; 2005).
Die zentralen Anden erlebten seit dem späten Proterozoikum
sehr lange Phasen von subduktionsinduziertem
Magmatismus (Abb. 4.58). Während des Altpaläozoikums
(~ 560 bis 440 Ma) bildete sich dort ein Orogen vom Kordillerentyp
– dem heutigen Andenorogen ähnlich – mit
bedeutender Verdickung der kontinentalen Kruste und
großräumiger Aufschmelzung mittlerer Krustenbereiche.
Letztere wird durch die weite Verbreitung von felsischen
Migmatiten in tiefen Krustenanschnitten (~ 15 bis 20 km)
und Granitintrusionen in den flacheren Anschnitten
des exhumierten Orogens dokumentiert (Lucassen und
Franz, 2005). Das gegenwärtige, im wesentlichem miozäne
(~ 20 Ma) bis rezente Andenorogen, mit der Ausbildung
des Hochplateaus im Bereich der noch aktiven Vulkanzone
(CVZ, Abb. 4.58), zeigt eine ähnliche thermische
Struktur der Kruste. Aus geophysikalischen Daten und der
chemischen und isotopischen Zusammensetzung felsischer
Ignimbrite (Lindsay et al, 2001; Babeyko et al,
2002), lässt sich eine weiträumige Aufschmelzung mittlerer
Krustenbereiche ableiten. Der Magmatismus in
beiden Orogenen ist in seiner Zusammensetzung
gemischt, mit wenig juvenilem Material und hohen Anteilen
von ~ 2 Milliarden Jahre alter proterozoischer Kruste
(Abb. 4.59), welche zum Teil schon im Altpaläozoikum
aufgearbeitet wurde (Abb. Anden 4.59 und Abb. 4.60).
Bedeutende Volumen juveniler magmatischer Gesteine
sind nur aus dem jurassisch bis kretazischen Magmenbogen
und der känozoischen südlichen Vulkanzone (SVZ;
Abb. 4.58) bekannt. Den Rahmen der mesozoischen bis
rezenten Magmenbögen bildet früh- bis spätpaläozoisches
Basement (Abb. 4.58), welches aber keinen oder nur geringen
Einfluss auf die Zusammensetzung der magmatischen
Gesteine hat (Abb. 4.60). Die juvenilen mesozoischen bis
rezenten Gesteine repräsentieren die Zusammensetzung
eines verarmten „sub-arc“ Mantels (Lucassen et al, 2002),
die über eine große Nord-Süd-Erstreckung und über einen
beachtlichen Zeitraum (~ 200 Ma) einheitlich erscheint
(Abb. 4.60).
Die Dominanz von Recycling, Aufarbeitung vorhandener
Kruste oder stabiler Neubildung von juveniler Kruste
hängt von den jeweiligen tektonischen Rahmenbedingungen
ab. Kompression und Krustenverdickung im magmatischen
Bogen, wie im Altpaläozoikum und Känozoikum
Abb. 4.58: Karte des westlichen Südamerika zwischen
~ 16 bis 40° S mit der Position der Magmenbögen in Jura
und Kreide (grüne Signatur) sowie rezent (gelbe Signatur).
Gegenwärtig aktiv ist die Central Volcanic Zone (CVZ) und
die Southern Volcanic Zone (SVZ). Zwischen der CVZ und
SVZ gibt es zurzeit keine magmatische Aktivität. Die Südgrenze
der CVZ entspricht der südlichen Ausdehnung des
känozoischen Hochplateaus. Die Schraffur zeigt die ungefähre
Verbreitung von paläozoischem Basement an, dass
durch die (Alt)Paläozoische Orogenese geprägt wurde; der
Übergang zum Brasilianischen Schild im Osten (gestrichelte
Linie) ist nicht genau bekannt.
Map of western South America (~ 16° bis 40° S) showing
the locations of the Jurassic and Cretaceous magmatic arc
(green) and the presently active magmatic arc (yellow; CVZ
= Central Volcanic Zone; SVZ = Southern Volcanic Zone).
There is presently no magmatic activity between CVZ and
SVZ. The southern end of the CVZ coincides with the southern
extension of the Cenozoic high plateau. The hatched
area indicates the approximate distribution of Palaeozoic
basement and remnants of the Palaeozoic orogeny. The
transition between the Palaeozoic basement and the Brazilian
Shield (bold, stippled line) is tentatively drawn.
der zentralen Anden, fördern die Hybridisierung von
Schmelzen aus dem Mantel innerhalb der Kruste bzw. die
Entstehung von Krustenschmelzen. Basaltisches Material
aus dem Mantel wird an der Basis der verdickten Kruste
angelagert, als dichter mafischer Eklogit delaminiert
und in den Mantel zurückgeführt. Vulkanische Gesteine
an der Oberfläche sind starker Abtragung ausgesetzt, verursacht
durch den großen topographischen Gradienten in
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
339

340
Abb. 4.59: Nd-Isotopen-Modellalter (TDM in Ga) von Gesteinen der kontinentalen Kruste zeigen das Alter der Extraktion
der krustenbildenden Mantelschmelzen an, bezogen auf die zeitliche Entwicklung der Nd-Isotopie in der Mantelquelle.
Die paläozoischen metamorphen, magmatischen und sedimentären Gesteine (18 bis 40° S) und känozoische
Ignimbrite aus der CVZ zeigen Nd-Modellalter mit einem Maximum zwischen 1,7 und 2 Ga, einer Periode bedeutenden
Wachstums kontinentaler Kruste. Die U-Pb-Alter von Zirkonen aus einen spätkänozoischem Ignimbrit der CVZ
sind ein Beispiel für ererbte, in diesem Fall neoproterozoische Alter. Offensichtlich ist die proterozoische Kruste bedeutender
Materiallieferant für nachfolgende magmatische und sedimentäre Prozesse im altpaläozoischen sowie im känozoischen
Orogen.
Nd model ages (TDM in Ga) indicate the separation of continental crust-forming melts from their mantle source, referring
to the Nd isotopic evolution of the mantle. Many Palaeozoic metamorphic, magmatic, and sedimentary rocks (18°
bis 40° S) and Cenozoic ignimbrite from the CVZ show Nd model ages between 1.7 to 2 Ga, which coincides with the
ages of important growth of the continents. The U-Pb ages on zircon are an example for inherited ages, in this case a
Neoproterozoic age, in late Cenozoic ignimbrite of the CVZ. Proterozoic crust is recycled in magmatic and sedimentary
processes in the early Palaeozoic as well as the Cenozoic orogens.)
einem Gebirge, das heißt, ein großer Teil der im sub-arc
Mantel produzierten Schmelzen trägt nicht zur Krustenbildung
bei. Im Gegensatz dazu fördert Extension und
Transpression im magmatischen Bogen, wie in Jura und
Unterkreide in den zentralen und südlichen Anden vorherrschend,
das Eindringen mantel-derivater Schmelzen
in die Kruste. Hier differenzieren sie als Batholite oder
werden als Vulkanite in extensionalen Becken abgelagert,
das heißt, die Schmelzen tragen zur Krustenneubildung
bei.
Die Wechselbeziehung magmatischer Prozesse
und Riftentwicklung an passiven Kontinenträndern:
Das Fallbeispiel Namibia (Südatlantik)
Die Öffnung des Südatlantiks steht im Zusammenhang mit
dem Aufbrechen des Superkontinents Gondwana und wird
begleitet von sehr intensivem, syntektonischem Magmatismus,
was zur Hypothese des „aktiven Rifting“ geführt
hat. Diese Hypothese sieht die Krustendehnung und den
Aufbruch als dynamische Folge aufsteigender Magmen
aus dem tiefen Erdmantel an. Alternativ erklärt das Modell
des „passiven Riftings“ die Ursache des Aufbrechens von
Kontinenten genau gegensätzlich: Dehnung und Extension
der Kruste führen zur Schmelzbildung im oberen
Mantel durch Druckentlastung. Die Wechselbeziehung
zwischen Magmatismus und Tektonik ist für das Verständnis
der Plattentektonik und des Stoffaustauschs zwi-
schen Erdmantel und Kruste von großer Bedeutung. Sie
hat aber auch ganz entscheidende Konsequenzen für die
thermische Entwicklung neuer Kontinentränder und damit
auch für deren Kohlenwasserstoffpotential. Magmatische
Gangschwärme können Schlüsselinformationen geben
über die Dehnungsrichtung und das Alter krustaler Bruchstrukturen
sowie über den Stoffbestand, die Herkunft und
Bildungsbedingungen der intrudierten Magmen.
In einem gemeinsamen Projekt untersucht das GFZ (Sektionen
4.2 und 1.4) zusammen mit dem Geological Survey
von Namibia den „Henties Bay-Outjo Gangschwarm“
(HOD) in Namibia, einen der größten Gangschwärme an
den Kontinenträndern des Südatlantiks (Abb. 4.61). Erst
durch den Einsatz von hochauflösenden Aeromagnetikund
Satellitendaten war es möglich, den HOD-Gangschwarm
im Detail zu kartieren, auch unter einer Abdeckung
von Wüstensand und Vegetation (Abb. 4.62). Für
die fernerkundlichen Arbeiten wurden Daten von Landsat
TM 7 (ETM+) verwendet, die eine räumliche Auflösung
im panchromatischen Kanal von 15 m x 15 m liefern.
Die Bodenauflösung der Aeromagnetikdaten beträgt
ca. 50 m x 50 m. In einem Gebiet von über 100.000 km 2
wurden Richtung, Dichte (Anzahl pro Flächeneinheit)
sowie Länge der magmatischen Gänge erfasst und einer
statistischen Analyse unterworfen (Hahne, 2004). Die
Auswertung dieser Daten deutet darauf hin, dass im gesamten
Gebiet des HOD ein Spannungszustand der Krus-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.60: Nd (epsilon Nd)- und Sr-Isotopenzusammensetzung
von Gesteinen des
verarmten Mantels (rotes Feld) und typischer
Gesteine der kontinentalen Kruste
(blaues Feld). Das paläozoische Basement
repräsentiert die regionale Krustenzusammensetzung
in den Anden. Die
känozoischen CVZ Andesite sind hybride
Gesteine (Mischungen von verarmtem
Mantel und kontinentaler Kruste. Die
Zusammensetzung der CVZ Ignimbrite
zeigt einen hohen Anteil an proterozoischer
überprägter kontinentalen Kruste.
Dagegen sind die Gesteine des jurassischunterkretazischen
Magmenbogens und
die der känozoische SVZ (rotes Feld) nicht
oder nur schwach durch die kontinentale
Kruste beeinflusst. Sie stellen juvenile
Hinzufügungen zur lokalen Kruste dar.
Nd (in epsilon notation) and Sr isotopic composition of rocks from a depleted mantle (red field) and typical rocks from
the continental crust (blue field). The composition of the Andean crust is represented by the Palaeozoic basement. The
Cenozoic CVZ and sites show a hybrid composition of mixtures between melts from the depleted mantle and the regional
continental crust. The compositions of the CVZ ignimbrite indicate a high proportion of Proterozoic continental
crust in these rocks. The Jurassic to lower Cretaceous magmatic rocks and the Cenozoic SVZ igneous rocks (red field)
are from a depleted sub-arc mantle source. They represent juvenile additions to the local crust.)
te mit Dehnungskomponenten sowohl in SW-NO- als auch
NW-SO-Richtung geherrscht hat. Allerdings änderte sich
das Spannungsfeld vom küstennahen zum küstenfernen
Bereich des Gebietes. Küstennah dominierte dank der Vorzeichnung
des neoproterozoischen Damara-Faltengürtels
die Nordwest-Südost-Richtung (Abb. 4.63). Die Anzahl
und Mächtigkeit der Gänge in diesem Bereich deuten auf
einen Spreizungsbetrag von bis zu drei Prozent hin. Im
Bereich fern der Küste hemmte der Angola Kraton das
weitere Fortschreiten des Riftings, die Anzahl der Gänge
nimmt ab und die Richtungsverteilung wird diffus.
Geochemische Untersuchungen weisen die Gänge des
HOD als überwiegend tholeiitische Basalte aus. Es wurden
übereinstimmende Charakteristika in der Spurenelementverteilung
der HOD-Gänge und der low-Ti Serie der
Etendenka-Paraná-Flutbasalte nachgewiesen. Dadurch
und durch radiometrische Altersbestimmung wird die
Hypothese bestätigt, dass der HOD-Gangschwarm die
Förderkanäle für ein inzwischen erodiertes Flutbasaltplateau
darstellt (Trumbull et al, 2004). Aus Apatit-Spaltspurdaten
wird eine ehemalige Mächtigkeit dieses Basaltplateaus
von bis zu 4.000 m im Küstenbereich modelliert,
die nach Osten ins Landesinnere abnimmt.
Die Ergebnisse dieser Studien sprechen
für die Magmenbildung und Krustenextension
in NW-Namibia und gegen das
Abb. 4.61: Die regionale Karte zeigt Afrika
und Südamerika vor der Öffnung des
Südatlantiks mit der Lage der Kratone
(rot) und Faltengürtel (grau) auf den Kontinenten
sowie der heutigen Verbreitung
der Paraná- und Etendeka-Flutbasalte
(lila). Der HOD Gangschwarm ist einer
der größten Gangschwärme an den Kontinenträndern
des Südatlantik.
A map of Africa and South America before
opening of the South Atlantic about 130
My ago, showing the division of the continents
into cratons (red) and fold belts
(grey) and the present extent of Paraná-
Etendeka flood basalts (purple). The
HOD swarm is one of the largest along
the margins of the South Atlantic.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
341

342
Abb. 4.62: Ein Teil der Basaltgänge des HOD in vergleichenden Abbildungen der Aeromagnetik- (links) und Satellitendaten
(rechts). Gänge sind wegen Sandbedeckung auf dem Satellitenbild (ETM+, Kanäle 7, 4 & 1 (RGB)) nur teilweise
sichtbar. Auf dem Aeromagnetikbild treten auch die nicht an der Oberfläche exponierten Bereiche der Gänge
deutlich hervor. Damit wird auch das jüngere Relativalter der NO-streichenden gegenüber den NW-streichenden Gängen
sichtbar.
Comparison of aeromagnetic (left) and satellite images (right) of basaltic dikes in a part of the HOD. The dikes are
only partly visible in the satellite image whereas the aeromagnetic map reveals many more.
Abb. 4.63: Beispiel eines Basaltganges der HOD im Gelände. Aus der Richtung
des Ganges können größte (σ1) und kleinste (σ3) Hauptnormalenspannung
abgeleitet werden. Die Spreizung eines Ganges erfolgt parallel zu
σ3, die horizontale Ausbreitung (Längsachse) parallel zu σ1, hier NO-SW
(Foto: GFZ Hahne).
Example of a basaltic dike in the field. The orientation of dikes permits identification
of the maximum (σ1) and minimum (σ3) normal stress components.
Dilation of a dike is parallel to (σ3) and the propagation direction
(long axis) is parallel to (σ), in this case NE-SW.
Modell „passives Rifting“. Der aus der Gangdichte abgeleitete
Spreizungsbetrag von < 5 % ist zu gering um einen
Schmelzprozess im oberen Mantel durch Druckentlastung
auszulösen, und die unterschiedliche Verteilung der Gangrichtungen
spricht gegen eine Steuerung durch vorge-
zeichnete Bruchstrukturen in der Kruste.
Argumente für das Modell „aktives Rifting“
sind die sehr großen Mengen geförderter
Magmen sowie geochemische Hinweise
auf eine tiefe Mantelquelle für die
Ringkomplexe im Bereich des HOD
(Trumbull et al, 2003).
Der Glückstadtgraben – ein wichtiges
Strukturelement im Zentraleuropäischen
Becken
Das Zentraleuropäische Beckensystem
wurde in den letzten 100 Jahren insbesondere
durch die Erdöl- und Erdgasindustrie
intensiv erkundet. Es umfasst
neben Norddeutschland Teile der Niederlande,
die Nordsee, das Dänische und Polnische
Becken (Abb. 4.64).
Seit nahezu vier Jahren wird die wissenschaftliche
Untersuchung dieses Raums
durch die DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms
1135 „Sedimentbeckendynamik“
gefördert, das gleichzeitig in
das Förderprogramm „GEOTECHNO-
LOGIEN“ eingebunden ist. Eine ganz
wesentliche Grundlage dafür war die
Bereitschaft der Erdöl- und Erdgasindustrie, über ihre
wissenschaftliche Koordinationsstelle, die DGMK, geologische
und geophysikalische Daten zur wissenschaftlichen
Bearbeitung freizugeben, z. B. Bohrdaten und
seismische Linien.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Das Zentraleuropäische Beckensystem entstand an der
Wende Karbon/Perm vor ca. 280 Mio. Jahren. Seit dieser
Zeit hat sich der Raum immer wieder abgesenkt, so dass
sich bis heute z. T. mehr als 10 km Sedimentfüllung angesammelt
hat, die die gesamte geologische Geschichte in
vielen Details widerspiegelt. Dabei haben in der langen
Geschichte ganz unterschiedliche Prozesse auf den Raum
eingewirkt. So kam es in Teilräumen wiederholt zur erneuten
Dehnung, während andere Teilräume oder Zeiten
durch Einengung, d. h. Inversion, gekennzeichnet waren.
Insofern stellt das Zentraleuropäische Beckensystem eine
der komplexesten Beckenstrukturen dar, die wir kennen.
Insbesondere während der späten Trias, vor etwas mehr
als 200 Mio. Jahren, erfuhr das Gebiet eine erneute Dehnung,
wobei eine Reihe von lokalisierten Dehnungsstrukturen,
Gräben, zwischen Nordsee und Ostdeutschland entstanden.
Abb. 4.64 zeigt die Sedimentmächtigkeiten der
Trias, die weitgehend der ursprünglichen Ausbreitung des
Beckensystems entspricht, zusammen mit den lokal neu
entstandenen, relativ kleinen Grabenstrukturen sowie
Strukturen, die durch Mobilisation permischen Salzes entstanden.
Die Mobilisierung dieses z. T. mehrere tausend
Meter mächtigen permischen Salzes erfolgte zu unterschiedlichen
Zeiten, wobei die mehr oder weniger N-S
ausgerichteten Strukturen parallel der Gräben der Trias
zuzuordnen sind, während die am Südrand mehr O-W ausgerichteten
Strukturen zu einer wesentlich späteren Inversionsphase
des Beckens gehören.
Von den verschiedenen triassischen Grabenstrukturen
wurde insbesondere der Glückstadtgraben in Schleswig-
Holstein untersucht. Hier treten die größten Absenkungsbeträge
und damit Sedimentmächtigkeiten auf und außerdem
lagen hier die besten von der Industrie und der BGR
zur Verfügung gestellten Daten vor. Auf der Grundlage
dieser Daten wurde ein dreidimensionales Modell zur
Geschichte dieses Raums entwickelt, das von der Trias bis
in die jüngste Zeit reicht. Abb. 4.65 zeigt einige Zeitschnitte
aus dieser Entwicklungsgeschichte. In der obersten
Trias (Keuper) kommt es zu einer sehr schnellen
Absenkung des zentralen Glückstadtgrabens, wobei die
Mobilisierung des Salzes eine zentrale Rolle spielt. Es
spricht sehr viel dafür, dass die aufsteigenden Salzstöcke
sogar die Oberfläche durchbrachen und dass das austretende
Salz in den Keupersedimenten neu abgelagert
wurde. Dies zeigt sich in Abb. 4.65 daran, dass das
ursprünglich gleichmäßig verteilte Salz sich in Salzwällen
anreichert, während es aus den dazwischen liegenden
Bereichen praktisch vollständig verschwindet.
Interessanter als diese durchaus spektakuläre initiale
Phase ist jedoch die weitere Entwicklung, nachdem die
Anfangsdehnung abgeklungen ist. Die Salzbewegungen
breiten sich nach Osten und Westen im Lauf der Zeit immer
weiter aus und werden dabei wiederholt durch tektonische
Ereignisse, die im Gesamtrahmen des Beckens ablaufen,
beschleunigt. Insgesamt zeichnet sich jedoch ab, dass die
vor mehr als 200 Mio. Jahren entstandene initiale Störung
Abb. 4.64: Der triassische Subsidenzraum des Zentraleuropäischen Beckens mit zugehörigen kleineren Grabenstrukturen
und den heute vorhandenen Salzstrukturen.
The Triassic subsidence centre of the Central European Basin System including local Graben structures and present
day salt structures. After Van Horn, 1987; Ziegler, 1990; Britze and Japsen, 1991; Vejbaek and Britze, 1994; Lockhorst
et al., 1998; Pharaoh, 1999; Baldschuhn et al., 2001; Bayer et al., 1999, 2002; Evans et al., 2003; Scheck et al., 2003;
Dadlez, 2003; Sliaupa, 2004; Lamarche and Scheck-Wenderoth, 2005.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
343

344
sich noch heute auswirkt und sich die Salzbewegung vom
initialen Subsidenzraum in die Nachbarräume ausbreitet.
Tatsächlich ist bekannt, dass z. B. ein Salzstock bei Bad
Segeberg aktuell mit ca. 2 mm pro Jahr aufsteigt.
Der Glückstadtgraben erweist sich als ein Musterbeispiel
oder „natürliches Labor“, an dem der Einfluss einer ererbten
alten Struktur die weitere Entwicklung über lange Zeit
beeinflusst oder sogar maßgeblich bestimmt. Dies betrifft
in erster Linie die Initialisierung und wiederholte Reaktivierung
von Salzbewegungen und damit zusammenhängende
Prozesse wie Änderungen des Reliefs und Grundwasserversalzung,
die noch heute wirksam sind. Hier bie-
tet sich auch für weitere Untersuchungen ein spannender
Bezug zwischen klassischer Geologie und aktuogeologischen
Prozessen.
Die Diagenese triassischer Speichergesteine im
Zentralgraben Nordsee
Im Rahmen des SPP-Projekts „Organische und anorganische
Prozesse und Wechselwirkungen in den Überdruckbereichen
sedimentärer Becken am Beispiel des Zentralgrabens
der Nordsee“ wurden in fünf Bohrungen Reservoirgesteine
untersucht, die bis etwa 4.800 m Tiefe versenkt
wurden. Dabei handelt es sich um triassische Spei-
Abb. 4.65: Zeitliche Entwicklung der Salzmächtigkeit im Glückstadt Graben von der Trias (a) bis heute (b). In den weiß
dargestellten Bereichen ist das Salz vollständig abgewandert. Ausgehend vom ursprünglichen Graben breitete sich dieser
Bereich zunehmend lateral aus, ein Prozess der auch heute noch anhält (Maystrenko, 2005, Maystrenko et al. 2005,
in press).
Temporal evolution of salt structures in the Glückstadt area from the Triassic (a) to present (b). In the white areas salt
is almost totally depleted. Starting from the central Graben area, salt movements proceed laterally, a process which
still continues (Maystrenko, 2005, Maystrenko et al. 2005, in press).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

chergesteine der Skagerrak-Formation aus dem Zentralgraben
der Nordsee, die aus einer Wechsellagerung von
fluvialen Rinnensanden mit tonigen Schwemmebenensedimenten
im Meterbereich aufgebaut sind. Die Untersuchung
der Sandsteinproben erfolgte mit petrographischen
Methoden, die durch geochemische Untersuchungen
ergänzt wurden. Neben optischer Mikroskopie kamen
Rasterelektronen-Mikroskopie, Elektronenstrahl-Mikrosondenanalytik,
Kathodolumineszenz-Mikroskopie und
Röntgendiffraktometrie zum Einsatz. Die Sandsteine bestehen
überwiegend aus Quarzkomponenten mit wechselnden
Anteilen an Feldspäten und Lithoklasten (Abb. 4.67).
Die untersuchten Explorationsbohrungen wurden in der
Regel auf strukturellen Hochlagen abgeteuft, die erwarten
lassen, dass während der Versenkung der Sedimente
Kohlenwasserstoffe aus den Muttergesteinen in die Speicher
migriert sind.
Wichtige frühdiagenetische Prozesse in den terrestrischen
Ablagerungen der Trias sind die Bildung dünner Tonmineralüberzüge
auf den Oberflächen der Körner und die
Ausfällung von Eisenhydroxiden/Eisenoxiden, ebenfalls
vorwiegend an Kornoberflächen. Im Porenraum der Sandsteine
wurden teilweise eodiagenetische Karbonate und/
oder Sulfate, untergeordnet auch Quarz- und Feldspatzemente
ausgefällt. Mit Abschluss der Gesteine von Einflüssen
durch Oberflächenwässer beginnt die mesodiagenetische
Entwicklung. In den Sandsteinen ist die Mesodiagenese
durch die Lösung von K-Feldspat und/oder frühdiagenetischem
Karbonatzement sowie die Zementation
durch Quarz bestimmt. Untergeordnet wird Albit neu
gebildet. Die Lösung von Feldspat (Abb. 4.68) ist offensichtlich.
Auch wenn texturelle Kriterien zur Bewertung
von Lösungsprozessen nicht immer eindeutig sind, gibt es
doch Hinweise darauf, dass Minerallösung durch aggressive
Fluide eine wichtige Rolle spielen. Die Bildung von
Kohlendioxid und organischer Säuren in Verbindung mit
der Kohlenwasserstoffgenese kann das Lösungspotential
des Porenfluids in Bezug auf Feldspat- und Karbonatlöslichkeit
erhöhen und zu den beobachteten Lösungsprozessen
beigetragen haben. Übergroße Poren, in denen
mesodiagenetische Zemente gewachsen sind, belegen die
Lösung von detritischen Komponenten.
Abb. 4.66: Angelöstes Feldspatkorn.
Partially dissolved feldspar.
Abb. 4.67: Unter Karbonatzement erhaltener Hämatit.
Hematite preserved by carbonate cement.
Abb. 4.68: Chloritisierte Tonmineralüberzüge.
Grain-coating clay minerals transformed to chlorite.
Weiterhin kommt es zur Reduktion von Hämatit (Abb. 4.67)
und wahrscheinlich werden durch die Umverteilung des
Eisens aus dem Hämatit Fe-Karbonate ausgefällt und/oder
eisenreiche Chlorite gebildet (Abb. 4.68). Die Reduktion
von Hämatit steht im Zusammenhang mit der Migration
von Kohlenwasserstoffen oder deren Vorläufer, die wahrscheinlich
über Störungen in die Sandsteine gelangt sind.
In den zwischengelagerten Tonsteinen kommt es während
der Mesodiagenese vor allem zur Illitisierung und untergeordnet
zur Chloritisierung der Tonminerale.
In einem weiteren Schritt wurde mit der Modellierung der
Wechselwirkung zwischen Porenfluid und Mineralen
begonnen, mit dem Ziel, die Prozesse zu quantifizieren
und Zusammenhänge zwischen Mineraldiagenese und
Reifung organischen Materials aufzuzeigen. Aufgrund der
nur eingeschränkt zur Verfügung stehenden thermodynamischen
Daten ist die Modellierung insbesondere der Tonmineralreaktionen
nur stark vereinfacht möglich. Trotzdem
zeigen die Modellierungen der Umwandlung von
Smektit in Chlorit, dass die Reaktion nur dann ablaufen
kann, wenn reduziertes Eisen als Reaktionspartner zur
Verfügung steht, und dabei ist die Reduktion von Eisen
durch Methan einer der plausibelsten Mechanismen. So
konnte die Umwandlung von Beidelit und Saponit in Ripidolit
modelliert werden (Abb. 4.69).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
345

346
Abb. 4.69: Veränderung der Mineralzusammensetzung infolge von Eisenreduktion
durch in das Gestein hinein migrierendes Methan bei gleichzeitiger
Erwärmung infolge zunehmender Versenkung.
Change in mineral composition resulting from iron reduction caused by
methane migrating into the reservoir rock in combination with heating due
to burial.
Weiterhin zeigen die Modellierungen, dass die in den Proben
beobachtete Lösung von Feldspäten und frühdiagenetischen
Karbonatzementen durch in das Reservoirge-
Abb. 4.70: Lage salinarer Oberflächenaustritte im NE-deutschen Becken
(Schirrmeister, 1996) sowie flacher Salzwasservorkommen (0 bis 300 m)
nach Grube et al. (2000). Die gestrichelte rote Linie kennzeichnet die Lage
des Profils in Abb. 4.71.
Map of saline waters occuring at the surface (Schirmeister, 1996) and near
surface occurence of salt water (0 – 300 m) below surface (Grube et al., 2000).
The dashed red line indicates the position of the cross section in Fig. 4.71.
stein hinein migrierendes Kohlendioxid
stark begünstigt wird. Wird dieser Prozess
nicht bei der Modellierung berücksichtigt,
sind unwahrscheinlich hohe
Porenflussraten notwendig, um die beobachteten
Lösungsprozesse zu erklären.
Die Komplexität der Mineralparagenese
in den triassischen Speichergesteinen
erschwert die Modellierung der Gesteins-
Fluid-Interaktion. Trotzdem zeigen die
Modellierungen, dass organische Reaktionsprodukte
einen wesentlichen Beitrag
zur diagenetischen Veränderung der
Gesteine leisten.
Tiefreichende Grundwasserströmungen
im NE-deutschen Becken
Im Norddeutschen Becken haben Botaniker
schon seit dem 18. Jahrhundert das
Auftreten salzliebender Pflanzen im
Binnenland beobachtet. Die Standorte
dieser Pflanzengemeinschaften erwiesen
sich dabei nicht immer als persistent, sondern
verlagerten sich z. T. über längere
Zeiträume. In Abb. 4.70 sind bekannte
Oberflächenaustritte salinarer Wässer zusammen mit der
Verbreitung flach liegender (0 bis 300 m Tiefe) salinarer
Grundwässer im Ostteil des Norddeutschen Beckens dargestellt.
Das oberflächennahe Auftreten
stark salzhaltiger Wässer hat einerseits
eine ökonomische Bedeutung bezüglich
der Grundwassernutzung, andererseits
stellen sich grundlegende Fragen hinsichtlich
der physikalischen Mechanismen,
Aspekte, die in einem Verbundprojekt
des DFG-SPP 1135 „Becken-Dynamik“
untersucht werden. Beteiligt sind
einerseits die FU-Berlin, die BTU-Cottbus
und das GFZ mit Untersuchungen zur
Wasserchemie, andererseits das GFZ, das
WIAS und die WASY GmbH (Berlin) mit
der Modellierung der Prozesse.
Chemische und Isotopendaten weisen auf
eine Vermischung von Tiefen- und Oberflächenwässern
hin und unterstützen
damit die hier dargestellten Modellierungsergebnisse.
Die entlang der Elbe und
der Havel großflächig auftretende oberflächennahe
Versalzung des Grundwassers
kann zu einem großen Teil auf den
hydrostatisch, d. h. durch die Geländetopografie,
getriebenen Grundwasserfluss
zurückgeführt werden. Allerdings reicht
diese Erklärung nicht aus, um Details der
Verbreitung salinarer Wässer und insbesondere
die Oberflächenaustritte zu erklären.
Diese werden erst im Rahmen eines
voll gekoppelten Grundwassermodells
verständlich, bei dem neben dem hydro-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.71: Verteilung des Salzgehaltes (g/l) und der Temperatur (°C) entlang einer Profillinie bei vollständig nichtlinear
gekoppeltem Transport. Die Pfeile kennzeichnen das Zirkulationssystem. Überhöhung 10:1.
Distribution of salt content (mg/l) and temperature (°C) in a cross section modelled with a fully coupled non-linear
system. Arrows indicate the circulation system.
statisch getriebenen Fluss auch Dichteänderungen durch
die Temperatur und den Salzgehalt berücksichtigt werden.
Dabei spielen insbesondere auch die im Untergrund vorhandenen
Salzstrukturen eine Rolle, die einerseits das Temperaturfeld
verändern, andererseits durch Salzlösung ebenfalls
die Dichte des Grundwassers beeinflussen. Abb. 4.71
zeigt eine Modellierung entlang eines W-E verlaufenden
Profils (vgl. Abb. 4.70), bei dem infolge der nichtlinearen
Koppelung zwischen den Prozessen eine freie Konvektion
entsteht, die lokal Salzwasser in den Bereich der Oberfläche
transportiert. Analog treten Veränderungen im Temperaturfeld
auf, wobei die Konvektionszellen in diesem
Modell räumlich stabil sind, d. h. sich nicht verlagern.
An diesem Punkt stößt man auf Probleme, die im Rahmen
der nichtlinearen Modellierung immer wieder diskutiert
werden. Die Lösung hängt in starkem Maß von der Wahl
des diskreten Netzes ab. Abb. 4.72 zeigt für einen
beschränkten Ausschnitt der Profillinie ein Momentanbild,
das auf der Basis eines am WIAS erarbeiteten Netzes
für ein FV-Verfahren erarbeitet wurde. In diesem Fall
bewegen sich die Konvektionszellen periodisch unter dem
Einfluss eines E-W gerichteten hydrostatischen Flusses in
der Zeit, was sich in der Abbildung an Hand ihre Asymmetrie
zeigt. Allerdings wurde hier die nichtlineare Koppelung
nicht vollständig in allen Teilen erfüllt, es fehlen
die Temperatur- und Dichteabhängigkeit der Viskosität
des Wassers, die als wichtige Größen in die Permeabilität
der Gesteine eingehen. Fügt man diese Größen in die
Modellierung ein, so wird diese instabil. Erst ein Netz, das
wesentlich strengere Regularitätsanforderungen erfüllt,
führt im Rahmen der FE-Modellierung wieder zu stabi-
Abb. 4.72: Konvektionsregime in einem Teilausschnitt der Abb. 4.70 mit einem modifizierten Netz (s. Text).
Details of convection within part of Fig. 4.70 by use of a modified grid (s. text for discussion).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
347

348
len, qualitativ vergleichbaren Ergebnissen. Dies lässt sich
so erklären, dass die zeitliche Veränderung quasi eine zeitlich
veränderliche Anisotropie in das System einführt und
damit indirekt die Geometrie des Netzes verändert. Es fehlen
aber robuste Regeln, wie eine ganze Reihe von Parametern
aufeinander abzustimmen sind, um wenigstens
eine physikalisch sinnvolle Lösung zu erzielen, von einer
realitätsnahen völlig abgesehen. Für letztere wäre es darüber
hinaus unerlässlich, eine dreidimensionale Modellierung
durchzuführen, die aber unrealistisch ist, solange
die Vernetzungsprobleme in 2-D nicht hinreichend verstanden
sind.
Geochemische Indikatoren für hydrothermale
Alteration in Sedimenten der ICDP-Bohrung
YAX-1 in der Chicxulub Impakt Struktur
Die Einschläge von Großmeteoriten auf der Erde und die
damit verbundene Freisetzung großer Mengen thermischer
Energie können die Ursache für hydrothermale Fluidzirkulation
innerhalb der Kraterstruktur und der sie
umgebenden Gesteine sein. Im Zuge der hydrothermalen
Alteration kommt es lokal zur Bildung wirtschaftlich
bedeutender Lagerstätten. Neben dem Absatz von Alterationsmineralen
können die Einschläge von Großmeteoriten
in Sedimente auch zur Generierung großer Mengen
von Gasen (CO 2, SO 2) führen, die klimatische Veränderungen
hervorgerufen haben können.
Eine der größten Kraterstrukturen ist der Chicxulub Krater
auf der Yucatán-Halbinsel in Mexico mit einem Durchmesser
von ca. 180 km. Der Meteoriteneinschlag erfolgte
vor 65 Millionen Jahren und führte zur Umwandlung
von mehr als 10 5 km 3 kontinentaler Krustengesteine. Darüber
hinaus wird vermutet, dass der Meteoriteneinschlag
auch für das Aussterben von 75 Prozent der damals auf
der Erde lebenden Spezies zu Lande und im Meer verantwortlich
ist. Im Rahmen des ICDP-Tiefbohrprogramms
wurde eine 1.511 m tiefe Bohrung (Yaxcopoil-1) im Rand
der Kraterstruktur abgeteuft. Die abgekernten Gesteine
umfassen überlagernde tertiäre Karbonate sowie tektonisch
beanspruchte kretazische Karbonate und Evaporite
unter einer ca. 100 m mächtigen Bedeckung schmelzeführender
Impaktite. Innerhalb der Plattformkarbonate
und Evaporite treten zahlreiche Klüfte auf, die neben überwiegender
Calcitführung (Abb. 4.73a) lokal auch quarzführend
sind (Abb. 4.73b). Auffällig ist auch das mit
zunehmender Teufe häufige Auftreten organischer Substanz,
die sowohl innerhalb der Sedimente in Zwischenlagen
als auch auf Klüften auftritt (Abb. 4.73c).
Die Gehalte an organischem Kohlenstoff in der organischen
Substanz (TOC) schwanken zwischen 0,16 und
6,8 %. Die organische Petrologie zeigt eine klare Vorherrschaft
aquatischer Mazerale wie Alginit und Lamalginit
an. Wasserstoffindexwerte variieren stark von 14 bis
797 mg HC/g TOC, weisen aber insgesamt auf eine gute
Erhaltung des organischen Materials hin (Abb. 4.74).
Molekulare Parameter (Pristan/Phytan < 1; Dibenzothiophen/Phenanthren
> 1) stehen mit einer Ablagerung unter
reduzierenden Bedingungen in einem Karbonat-System
im Einklang (Abb. 4.74). Die nahezu völlige Abwesenheit
von Diasteranen zeigt tonfreie Sedimente an. Diese Merkmale
unterscheiden sich von denen bekannter Erdölmuttergesteine
in Mexiko. Wie bei Karbonaten häufig beob-
Abb. 4.73: A: Calcitkluft im Plattformkarbonat, YAX-1,
1.0005,27 m. B: Quarzkluft im Plattformkarbonat, YAX-1,
998,27 m. C: Lagen organischer Substanz in Karbonat,
die durch Impakt induzierte Scherzonen versetzt
sind.
A: Fissure in marine carbonate filled with calcite, YAX-1,
10005.27 m. B: A: Fissure in marine carbonate filled with
quartz, YAX-1, 998.27 m. C: Layers rich in organic matter
displaced by impact-related shear zones, YAX-1,
1418.23 m.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.74: Teufenplots ausgewählter organisch-geochemischer Parameter für die ICDP-Bohrung YAX-1. TOC, Gehalt an
organischem Kohlenstoff; HI, Wasserstoffindex aus der Rock-Eval-Pyrolyse; T max, Temperatur der maximalen Pyrolyseausbeute
aus der Rock-Eval-Pyrolyse; Pr/Ph, Pristan/Phytan-Verhältnis; DBT/Phen, Dibenzothiophen/Phenanthren-Verhältnis;
20S/(20S+20R), Hopan-Isomerisierung an C-22; % Rc [MPI], aus dem Methylphenanthrenindex berechnete Vitrinitreflektion.
Depth plots of selected organic geochemical parameters for the ICDP drill hole YAX-1. TOC, total organic carbon; HI,
hydrogen index from Rock-Eval pyrolysis; T max, temperature of maximum pyrolysis yield from Rock-Eval pyrolysis;
Pr/Ph, pristane/phytane ratio; DBT/Phen, dibenzothiophene/phenanthrene ratio; 20S/(20S+20R), hopane isomerisation
at C-20; %Rc [MPI], vitrinite reflectance calculated from the methlyphenanthrene index.
achtet, sind die Mengen an Bitumen relativ hoch und liegen
in der gleichen Größenordnung wie die des Kerogens.
Pyrolyse-Gaschromatographie des Kerogens führte zu
aliphatischen, aromatischen und thiophenischen Strukturelementen.
Hohe Anteile an 1,2,3,4-Tetramethylbenzol
verweisen dabei auf anoxische Bedingungen im lichtführenden
Teil der Wassersäule.
Flüssigkeitseinschlüsse in Kluftcalciten sind entweder
einphasig, d. h. sie beinhalten lediglich eine wässrige Einschlussfüllung
oder zweiphasig, wobei neben einer wässrigen
Phase eine kleine Wasserdampfblase in den Einschlüssen
auftritt. Mikrothermometrische Untersuchungen
ergaben Salinitäten der Einschlussfüllungen zwischen
7,5 und 7,9 Gew.% NaCl Äquivalent. Die mikrothermometrisch
bestimmten Salinitäten liegen deutlich über der
von Meerwasser (ca. 3,2 Gew.% NaCl Äquivalent) und
belegen, dass zirkulierendes Meerwasser, das durch den
Impakt erhitzt wurde, nicht die primäre Quelle der mineralbildenden
Lösungen war. Die Homogenisierungstemperaturen
von Zweiphaseneinschlüssen in Kluftcalciten
und Anhydriten deuten auf Bildungstemperaturen zwischen
75 °C und 110 °C hin, wobei kein teufenabhängiger
Temperaturgradient erkennbar ist. Quarzmineralisa-
tionen im Teufenbereich 990 bis 1.000,53 m beinhalten
Flüssigkeitseinschlüsse, die sich von denen in Calciten
deutlich unterscheiden. Neben 2-phasigen wässrigen Einschlüssen
mit großen Wasserdampfblasen, die zusätzlich
ein Halit-Tochterkristall beinhalten können, treten polyphase
Flüssigkeitseinschlüsse mit einem geringen Anteil
wässriger Phase, einer dunklen Gasphase sowie zumindest
einer festen Phase auf (Abb. 4.75).
Die Salinität wässriger Zweiphaseneinschlüsse beträgt 14
bis 35 Gew.% NaCl Äquivalent. Die Homogenisierungstemperaturen
liegen zwischen 220 °C und 285 °C. Synchrotron-Röntgen-Fluoreszenz-Analysen
der wässrigen
Einschlussfüllungen ergaben ungewöhnlich hohe Konzentrationen
an Metallen wie V, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb und
Pb, deren Herkunft nicht geklärt ist. Polyphase Flüssigkeitseinschlüsse
in Kluftquarzen beinhalten Kohlenwasserstoffe
(Ethane und Propan), die mit Raman-Spektroskopie
nachgewiesen werden konnten.
Die Ergebnisse der mikrothermometrischen Untersuchungen
belegen, dass keine zeitlich einheitliche Fluidmigration
in den kretazischen Sedimenten der Bohrung
YAX-1 erfolgt ist. Die Bildung von Quarzkluftfüllungen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 4.75: A: Primärer Flüssigkeitseinschluss mit einem Halit-Tochterkristall in Quarz, YAX-1, 1.000,53 m. B: Polyphaser,
Kohlenwasserstoff-haltiger Flüssigkeitseinschluss in Quarz, YAX-1, 1.000,53 m.
A: Primary fluid inclusion with a halite daughter crystal in quartz. YAX-1, 1000.53 m. B: Polyphase hydrocarbonsbearing
inclusion in quartz, YAX-1, 1000.53 m.
im Teufenbereich 990 bis 1.000,53 m ist möglicherweise
auf eine frühe, impaktinduzierte Fluidmigration zurückzuführen,
wobei auch eine Freisetzung von Kohlenwasserstoffen
erfolgte, die vermutlich bei der thermischen
Überprägung von organischer Substanz in kretazischen
Sedimenten im inneren der Kraterstruktur freigesetzt worden
sind. Inwieweit eine Freisetzung von Kohlenwasserstoffen
in die Atmosphäre erfolgte und somit möglicherweise
mit zu klimatischen Veränderungen beigetragen hat,
kann zurzeit nicht abgeschätzt werden.
Im Gegensatz dazu steht die Bildung von Kluftcalciten
nicht im Zusammenhang mit einer direkt durch den Impakt
induzierten großräumigen Fluidmigration. Der Absatz
dieser Minerale erfolgte bei deutlich niedrigeren Temperaturen
aus Lösungen mit geringerer Salinität. Die Sauerstoff-
und Kohlenstoffisotopenverhältnisse von Plattformkarbonaten
der Bohrung YAX-1 sind typisch für diagenetische
Karbonate. Die δ 18 O und δ 13 C Werte der Kluftcalcite
sind denen der Plattformkarbonate sehr ähnlich.
Dies lässt darauf schließen, dass sich die Calcit-bildenden
Lösungen mit dem Nebengesteinskarbonaten nahezu
equilibriert haben. Die mikrothermometrisch ermittelten
Bildungstemperaturen der Kluftcalcite belegen, dass der
Mineralabsatz aus Lösungen erfolgte, die auf über 100 °C
erwärmt worden sind. Solch hohe Temperaturen wurden
unter Annahme eines normalen geothermischen Gradienten
von 30 °C/km durch diagenetische Prozesse nicht
erreicht. Es ist daher eher wahrscheinlich, dass der Absatz
der Kluftcalcite aus salinaren Formationswässern erfolgte,
die infolge einer lang anhaltenden konduktiven Wärmeaktivität
nach dem Impakt auf Temperaturen oberhalb
100 °C erwärmt worden sind. Als Folge einer kontinuierlichen
Erwärmung der Plattformkarbonate und Evaporite
kann auch die Migration von Bitumen stattgefunden
haben. Niedrige T max-Werte (Mittelwert 424 °C; n = 25)
scheinen eine relativ geringe thermische Reife des organischen
Materials anzuzeigen (Abb. 4.74). Molekulare
Reifeparameter ergeben kein einheitliches Bild, verweisen
aber insgesamt auf eine höhere Reife. Im Teufenin-
tervall zwischen 1.300 und 1.500 m hat die Hopanisomerisierung
an C-22 den Gleichgewichtswert von 0,6 erreicht
(Abb. 4.74). Die aus dem Methylphenanthrenindex
berechneten Vitrinitreflektionswerte (Abb. 4.74) liegen in
einem ähnlichen Bereich wie die für drei Proben aus 1.085,
1.346 und 1.508 m Teufe direkt gemessen Werte (0,9 und
1 % R o). Insgesamt zeigen die verfügbaren organischen
Reifeparameter eine Vitrinitreflektionsäquivalent von
etwa 0,8 % R an. Bei normaler Absenkung eines Sedimentbeckens
entspricht dies einer Temperatur von 110 bis
120 °C. Das Bitumen ist ungewöhnlich reich an polaren
Verbindungen und Asphaltenen und ähnelt damit eher
hydrothermalen Erdölen als Bitumina und Erdölen, die
durch konventionelle katagetische Prozesse aus Muttergesteinen
gebildet werden. Zusammenfassend lässt sich
feststellen, dass die thermische Reife des organischen
Materials höher ist, als dies im Hinblick auf die Teufe zu
erwarten wäre. Daher ist von einer nennenswerten Impaktbedingten
thermischen Überprägung des organischen
Materials auf Grund konduktiven Wärmeflusses und/oder
hydrothermaler Aktivität auszugehen.
Vorhersage von Erdölphase und Zusammensetzung
Das Phasenverhalten von Erdöl ist abhängig von der
Zusammensetzung sowie den sich während der Migration
vom Entstehungsort zum Reservoir verändernden Druckund
Temperaturbedingungen. Die genaue Vorhersage von
diesen drei Parametern ist von ausschlaggebender Bedeutung
für die Evaluierung der Qualität, des Typs und Volumen
des Fluids in der Lagerstätte mittels der numerischen
Simulation der Entwicklung eines sedimentären Beckens.
In den meisten Explorationsgebieten beruhen solche Voraussagen
der Fluideigenschaften auf konzeptionellen
Modellen und Datenextrapolationen. Um das Risiko eines
Misserfolgs zu minimieren, ist die Richtigkeit dieser Vorhersagen
gerade im Vorfeld größerer Bohrkampagnen,
von enorm hoher Bedeutung. Eine wichtige Möglichkeit,
um das Phasenverhalten zu bestimmen, ist die Anwendung
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

neuester Beckenmodellierungssoftware, in die PVT-
Simulatoren und kompositionelle kinetische Modelle
integriert werden können.
Im Rahmen des Industrie Partnerschaft Programms IPP
wurde innerhalb des Projekts „Vorhersage von Erdölphase
und Zusammensetzung“ die Rolle des Muttergesteins
auf die Kohlenwasserstoffzusammensetzung und das Phasenverhalten
der generierten Fluide untersucht. Von den
beteiligten Industriepartnern ConocoPhillips, ENI, Hydro,
Petrobras, Shell und Statoil wurden zu diesem Zweck
umfangreiche regionale Datensätze zur Verfügung gestellt.
Diese umfassten zum einen unreife Muttergesteine verschiedener
Kerogentypen, die für künstliche Reifeexperimente
gebraucht wurden, zum anderen Fluide einer Reifesequenz,
umfangreiche kompositionelle Datensätze der
Reservoirfluide (sogenannte PVT-Datensätze) sowie regionale
Datensätze für die Beckenmodellierung. Die PVT-
Daten wurden zunächst im regionalen und geologischen
Kontext interpretiert. Bisherige regionale Studien haben
bereits gezeigt, dass solche Daten entscheidende Hinweise
für das Aufsuchen von Erdöl und Erdgas liefern können
(di Primio, 2002).
Die im Rahmen dieser Studie durchgeführten Erdölgeneseexperimente
haben gezeigt, dass nur mittels geschlossener
Pyrolyse, und insbesondere der MSSV-Pyrolysetechnik
(Horsfield et al., 1989), die in der Natur ablau-
fenden Prozesse wirklich sinnvoll rekonstruiert werden
können. Die kompositionelle Information aus diesen Experimenten
musste in von Reservoiringenieuren genutzte
PVT-Datenformate übersetzt und auf die dazugehörigen
natürlichen Erdölfunde geeicht werden. Dabei zeigte sich,
dass für alle untersuchten Studiengebiete eine genaue Vorhersage
des Gas-zu-Öl-Verhältnisses (GOR, Gas to Oil
Ratio) der generierten Fluide direkt aus den experimentellen
Ergebnissen möglich war. Für eine Vorhersage des
Phasenverhaltens dieser Fluide reicht aber diese grobe
Information nicht aus. Die detaillierte Zusammensetzung
der Gasphase sowie eine allgemeine Beschreibung der
Ölphase sind hier, ähnlich wie bei den einfachsten PVT-
Datensätzen, wichtig. Während die Ölzusammensetzung
jeweils direkt aus den Experimenten bestimmt werden
konnte, zeigte sich die Vorhersage der Gaszusammensetzung,
wie erwartet, als problematisch.
Die grundsätzlichen Probleme in der Reproduktion natürlicher
Gaszusammensetzungen mittels Laborexperimenten
an Erdölmuttergesteinen sind mehrfach in der Literatur
berichtet worden (Mango, 1992; Mango, 1996; Mango,
2001). Verschiedene Theorien zur Erklärung dieses Phänomens
sind auch publiziert worden (Michels et al., 2002;
Price & Schoell, 1995; Snowdon, 2001), wobei trotzdem
keine definitive Klärung erzielt worden ist. Die Datensätze,
die dem Projekt zur Verfügung standen, erlaubten einen
direkten Vergleich von im Labor generierten Gaszusam-
Abb. 4.76: Korrelation zwischen Gaszusammensetzung und Gas to Oil Ratio für die verschiedenen natürlichen Probenserien.
Correlation between gas composition and Gas to Oil Ratio of the individual sample series.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
351

352
mensetzungen mit korrespondierenden natürlichen Fluiden
(korreliert anhand des GORs). Dabei zeigte sich, dass
die experimentell generierten Gase im Vergleich zu den
natürlichen Fluiden immer durch erhöhte Anteile an Ethan
und Propan auffielen. Ein solch „nasses“ Gas verändert
das Phasenverhalten von Erdöl in entscheidender Art und
Weise: nasses Gas löst sich sehr gut in Öl, was zu einer
Verringerung des Sättigungsdrucks der fludien Phase
führt. Somit ändert sich auch die Volumetrie der entstehenden
Phasen bei einsetzender Phasentrennung im Zug
der Migration von Bereichen hohen Druckes und Temperatur
(Muttergesteine) zu Zonen niedrigeren Druckes und
Temperatur (Reservoire). Bei gleichen Proportionen von
Gas und Öl in einem gegebenen Erdöl kann die unterschiedliche
Zusammensetzung der Gasphase (trocken,
sprich methanreich oder nass) zu Unterschieden im Sättigungsdruck
von bis zu 200 bar führen.
Aus den experimentellen Ergebnissen konnten wir feststellen,
dass die Gaszusammensetzung der generierten Fluide
sich systematisch mit den experimentellen Aufheizbedingungen
veränderte. Es zeigte sich, dass mit abnehmender
Heizrate das generierte Gas methanreicher („trockener“)
wurde. Demnach ist die generell beobachtete nasse Gaszusammensetzung
von Pyrolyseexperimenten nur ein Artefakt
der Laborbedingungen. Da aber natürliche Heizraten im
Labor nicht reproduziert werden können, bleibt die korrekte
Vorhersage der Gaszusammensetzung ein Problem.
Lösungsansätze erzielten wir unter Verwendung der natürlichen
Probenserien und Daten des Projektes (Abb. 4.76).
Die Gaszusammensetzung der einzelnen Probenserien
zeigte eine exzellente Korrelation zum GOR der Proben
wie in Abb. 4.76 dargestellt. Das Verhältnis von Methan
zur Summe der nassen Gase Ethan bis Pentan zeigte als
Funktion des GORs der Proben Korrelationskoeffizienten,
die in der Regel über 0,98 lagen. Besonders interessant
war die Beobachtung, dass diese Korrelationen für
jedes Explorationsgebiet unterschiedlich waren, wobei
ähnliche Trends für Produkte von Muttergesteinen von
ähnlicher organischer Fazies sichtbar wurden. Da, wie
oben erwähnt, eine Vorhersage des GOR direkt aus den
experimentellen Ergebnissen möglich ist, eröffneten diese
Korrelationen eine Möglichkeit, die fehlerhaften Gaszusammensetzungen
aus dem Labor zu korrigieren. Ein neuronales
Netzwerk wurde trainiert, anhand der verfügbaren
natürlichen und laborgenerierten Datensätze die experimentellen
Gaszusammensetzungen zu korrigieren. Die
so korrigierten Zusammensetzungen wurden verwendet,
um kompositionelle kinetische Modelle, die in 2Dund
3D-Beckenstudien getestet wurden, zu erstellen.
Abb. 4.77 zeigt ein Beispiel einer gelungenen Vorhersage
der Rohöleigenschaften in einem 3D-Model.
Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse erlauben nun
erstmalig die Verwendung experimenteller Ergebnisse für
die kompositionelle Vorhersage von natürlichen Erdölen,
Abb. 4.77: Vergleich von vorhergesagten und beobachteten Rohöleigenschaften in einem der 6 untersuchten Studiengebiete.
In grün werden Akkumulationen gezeigt, rote und grüne Linien zeigen die Migrationsbahnen von jeweils Gas
und Öl.
Comparison between predicted and observed petroleum properties in one of 6 study areas. Predicted accumulations
in green. Red and green lines indicate gas and oil migration pathways respectively.
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sowie die Modellierung des davon abhängigen Phasenverhaltens
(Abb. 4.77). Die Simulationsergebnisse zeigten,
dass eine genaue Vorhersage der zu erwartenden
Erdölzusammensetzung und Qualität vor der Bohrung
möglich ist.
Frühe Gasbildung
Die Suche und Auffindung sauberer Energieträger zur
langfristigen und umweltschonenden Sicherung der weltweiten
Energieversorgung ist eine der vordringlichsten
Aufgaben für zukünftige Forschungs- und Explorationsprojekte.
Die Suche und Förderung von
Gas steht dabei im Vordergrund, da natürliches
Gas von allen fossilen Brennstoffen
am umweltschohnendsten und effizientesten
in Energie umgewandelt werden
kann. Gas kann in der Natur durch die
thermische Umwandlung in relativ großen
Teufen oder durch mikrobielle Aktivitäten
in flachen Sedimenten aus sedimentärem
organischem Material gebildet
werden. Aufgrund der großen Mengen
organischen Materials können die Gasmengen
so groß sein, dass sie Lagerstätten
bilden, die teilweise Jahrzehnte lang
ganze Städte und Länder mit Energie versorgen
können.
Um die Auffindung dieses interessanten
Energieträgers zu verbessern, wird versucht,
die Bildung von Gas in der Natur
mittels numerischer Modelle und ihre
Integration in computergesteuerte Beckenmodelle
für geologische Zeiträume
zu simulieren. Hierfür stehen zum einen
konventionelle reaktionskinetische Modelle
zur Verfügung, von denen man
annimmt, dass sie die Bildung von Gas
aus thermischen Prozessen ausreichend
gut beschreiben. Zum anderen werden
empirische Modelle und Beobachtungen
genutzt, um die Bildung und das Vorkommen
mikrobiellen Gases in einem
Sedimentbecken zu rekonstruieren.
Berücksichtigt man die Modelle zur Bildung
der verschiedenen Gastypen in
Sedimentbecken, wird aber schnell deutlich,
dass es eine Zone gibt, in der die konventionellen
Modelle weder die Bildung
von thermischem Gas noch die Bildung
von mikrobiellem Gas vorhersagen.
Gleicht man diese Vorhersagen mit natürlichen
Gasvorkommen ab, so wird deutlich,
dass in der Natur die Bildung mikrobiellen
Gases in größeren Teufen und die
Bildung thermischen Gases bei niedrigen
Temperaturen dramatisch unterschätzt
werden. So zeigt zum Beispiel der Vergleich
thermischer Gasvorkommen in Se-
dimenten niedriger Reife und die Vorhersage der Gasgenese
unter Anwendung konventioneller reaktionskinetischer
Modelle, dass die Diskrepanz zwischen Natur und
Simulation bei mehr als 1.000 m liegen kann (Abb. 4.78a).
Ähnliches gilt für mikrobielle Gasvorkommen, die in einigen
Gebieten deutlich tiefer liegen, als durch traditionelle
Modelle vorgegeben (Abb. 4.78b).
Die Konsequenz dieser Beobachtungen ist, dass die weltweite
Gasprospektivität in unerforschten oder marginal
erforschten Gebieten, in denen volumetrische Vorhersagen
nur unter Anwendung numerischer Modelle möglich
Abb. 4.78: Vergleich von natürlichen Gasvorkommen und Vorhersagen der
Gasbildung auf der Basis reaktionskinetischer Modelle (a) und die Teufenverteilung
verschiedener Gastypen (thermisch-mikrobiell) (b). Es fällt auf,
dass die Modelle zur Vorhersage der thermischen Gasbildung das thermische
Gas, welches in Sedimenten niedriger Reife gefunden wird, nicht vorhersagen
können (a) und dass mikrobielles Gas sogar in Teufen über 4.000 m
aufgespürt werden kann.
Comparison between natural gas occurrence and predictions based on kinetic
models (a) and the distribution of different gas types with depth (thermal-microbial)
(b). It is obvious that the predictions of thermal gas formation
do not fit to natural gas in low mature sediments (a) and that microbial
gas occurs even at depths greater than 4000 m.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
353

354
sind, dramatisch unterschätzt wird. Aus diesem Grund hat
sich auf Initiative der Sektion 4.3 des GFZ Potsdam ein
Konsortium aus acht verschiedenen weltweit führenden
Explorationsunternehmen zusammengeschlossen. Es wurden
zwei Arbeitsgebiete ausgewählt, die als natürliche
Laboratorien der thermischen und mikrobiellen Gasbildung
angesehen werden können. Die Auswahl richtete
sich im Wesentlichen nach der Verfügbarkeit von Probenmaterial
und geologischen Informationen, aber auch
nach der Reife der Gebiete bezüglich der Explorationsaktivitäten.
Insbesondere für die Erforschung mikrobieller
Gasbildungsprozesse musste sichergestellt werden,
dass die Probennahme bestimmten mikrobiologischen
Anforderungen gerecht wurde. Daraus ergab sich, dass
das Mackenzie Delta im Norden Kanadas für die Erforschung
der frühen thermischen Gasbildung und das
Arbeitsgebiet des Projektes DEBITS in Neuseeland für
die Erforschung der tiefen mikrobiellen Gasbildung ausgewählt
wurde.
Es hat sich durch jahrelange Forschung etabliert, dass die
Bildung von Kohlenwasserstoffen durch die Gesetze der
Reaktionskinetik beschrieben werden können. Es wird
davon ausgegangen, dass die Bildung von Kohlenwasserstoffen
im Zuge der Absenkung sedimentären organischen
Materials durch das Aufbrechen chemischer Bindungen
im Kerogen abläuft. Da sedimentäres organisches Material
sehr heterogen ist, kommt es zu Reaktionen an ver-
schiedenartigsten Bindungen, die deutliche Stabilitätsunterschiede
aufweisen. Die Stabilität dieser Bindungen
kann durch zwei wichtige Parameter, die Aktivierungsenergie
und den Frequenzfaktor beschrieben werden.
Diese Parameter beschreiben mathematisch, unter welchen
Zeit- und Temperaturbedingungen die Reaktionen
ablaufen. Die kinetischen Parameter können durch Simulationsexperimente,
bei denen unreife Muttergesteine
unter definierten Zeit-Temperaturbedingungen aufgeheizt
werden, berechnet werden.
Da die Bildung von Kohlenwasserstoffen nicht schlagartig
abläuft, sondern ein mehr oder weniger breites Temperaturintervall
einnimmt, kann davon ausgegangen werden,
dass eine Vielzahl der verschiedenen Bindungen während
der Umwandlungsprozesse aufbricht. Die Stabilität
jeder chemischen Bindung, die in diese Umwandlungsprozesse
eingebunden ist, sollte theoretisch durch ein individuelles
Aktivierungsenergie-Frequenzfaktorpaar beschrieben
werden. Da die Anzahl der verschieden Bindungen
aber unwahrscheinlich groß ist und die einzelnen
Bindungen auch noch gar nicht bekannt sind, stellen die
etablierten kinetischen Modelle eine deutliche Vereinfachung
der tatsächlichen Prozesse dar. So werden die verschiedenen
Reaktionen in eine überschaubare Gruppe von
Pseudoreaktionen unterteilt und aus dem breiten Spektrum
der verschiedenen Frequenzfaktoren ein einzelner durchschnittlicher
Frequenzfaktor bestimmt (Abb. 4.79). Die-
Abb. 4.79: Integration verschiedener kinetischer Modelle in ein computergestütztes Modell zur Beckensimulation. Auf der
Basis konventioneller Modelle setzt die Umwandlung des organischen Materials (blau – orange – rot) erst bei Teufen über
5.000 m ein. Die Anwendung des erweiterten Modells in der unteren Simulation zeigt eine deutliche Verschiebung des
Gasgenesbeginns und stimmt mit den Beobachtungen in der Natur überein (rechte Bildhälfte).
Integration of different kinetic models in numerical basin simulations. Based on conventional models the transformation
of organic matter starts at depths greater than 5000 m. The application of enhanced kinetic models results in an
obvious shift of the gas generation onset and fits to the observations in nature (right hand side).
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ses Modell hat jahrzehntelang Anwendung in der Industrie
gefunden und wurde nach der Beschreibung der
Gesamtkohlenwasserstoffbildung auch auf komplexere
Modelle übertragen. Letztere sollen die kompositionellen
Eigenschaften, wie Öl- und Gas-Bildung rekonstruieren.
Während für Muttergesteine mariner oder lakustriner Herkunft,
also relativ homogenem sedimentärem organischen
Material, die Zuverlässigkeit der Modelle bestätigt werden
konnte, zeigen die schlechten Vorhersagen der Gasbildung
aus Sedimenten terrestrischen Ursprungs, dass sie
nicht ausreichen. Diese Einschränkung, die dramatische
Folgen für die Exploration z. B. in Deltagebieten hat,
kommt insbesondere durch die unzureichenden Vorhersagen
der Gasbildung in der frühen Umwandlungsphase zum
Ausdruck. Weder die Frage ob ein gashöffiges Muttergestein
tief genug abgesenkt worden ist, um Gas zu bilden,
noch die Menge gebildeten Gases kann befriedigend
geklärt werden. Die Vereinfachung des kinetischen Models,
insbesondere die Auswahl nur eines Frequenzfaktors für
alle Reaktionen, impliziert, dass dieser Frequenzfaktor für
einige Bindungen gültig, für andere Bindungen aber völlig
falsch ist. Die Wahl eines durchschnittlichen Frequenzfaktors
resultiert dabei in einer sehr guten Beschreibung
der maximalen Genesephase, führt aber bei der
Bewertung der initialen Phase zu völlig falschen kinetischen
Beschreibungen.
Aus diesem Grund wurde ein neues kinetisches Model für
die Vorhersage der Gasbildung aus heterogenen, terrestrischen
Muttergesteinen entwickelt. Diese Model basiert
auf der individuellen kinetischen Berechnung verschiedener
Umwandlungsstufen und Genesestufen bei der Bildung
gasförmiger Kohlenwasserstoffe. Das Resultat sind
individuelle Paare aus Aktivierungsenergien und Frequenzfaktoren,
welche eine realistische Bewertung der
gesamten Gasbildungsprozesse zulassen (Abb. 4.79b).
Ganz entscheidenden Einfluss hat dieses neue Model auf
die initiale Phase der Gasbildung. Bei der Extrapolation
geologischer Temperaturbedingungen wird deutlich, dass
der Beginn der Gasbildung für wesentlich niedrigere Reifen
und Temperaturen vorhergesagt wird, als durch konventionelle
Modelle. Im Mackenzie Delta bedeutet diese
verbesserte Vorhersage eine Verschiebung des Gas-Fensters
um 2.000 m von 5.000 m auf 3.000 m Teufe. Zum
ersten Mal gelingt es, die natürlichen Gasvorkommen mit
den Vorhersagen aus numerischen Modellen in Einklang
zu bringen (Abb. 4.79).
Die Ergebnisse bezüglich der thermischen Prozesse bringt
diese Form der Gasbildung wesentlich näher an die Zone
der mikrobiellen Prozesse, insbesondere der Zone der
mikrobiellen Gasbildung. Dieses Zusammenrücken der
thermischen und mikrobiellen Umwandlungsprozesse
wird zusätzlich durch neue Konzepte der mikrobiellen
Gasbildung aus anaeroben Prozessen im tiefen Untergrund
unterstützt.
Damit mikrobielle anaerobe Gasbildung im Untergrund
ablaufen kann, müssen Substrate zur Verfügung stehen,
welche von bestimmten Bakterien zu Gas, insbesondere
Methan, umgewandelt werden können. Hierbei unterscheidet
man die Azetat-Fermentation und die CO 2-
Reduktion, Prozesse, bei denen im wesentlichen Azetat
und CO 2 zusammen mit Wasserstoff durch mikrobielle
Aktivitäten umgewandelt werden können. Die konventionellen
Konzepte der mikrobiellen Gasbildung gehen
davon aus, dass die Substrate im Wesentlichen in gelöster
Form im Porenwasser der Sedimente bereitgestellt werden.
Ab einer bestimmten Teufe kann deshalb davon ausgegangen
werden, das diese Substrate, aufgrund der intensiven
Aktivitäten aufgebraucht sind und somit den Bakterien
und der mikrobiellen Gasbildung jegliche Lebensgrundlage
entzogen wird. Zusätzlich sollen die steigenden
Temperaturen im Untergrund den Bakterien so zusetzen,
dass unterhalb einer Teufe von wenigen 100 Metern
davon ausgegangen wird, dass keinerlei mikrobielle Gasbildung
mehr möglich ist.
Relativ neue mikrobiologische Untersuchungen haben
allerdings gezeigt, dass hohe Temperaturen für anaerobe
mikrobielle Aktivitäten kein großes Problem darstellen.
Selbst bei Temperaturen über 110 °C können wärmeliebende
Bakterien organische Moleküle zu Methan umwandeln.
Komplexer ist hingegen die Verfügbarkeit von Substraten.
CO 2 oder Wasserstoff aus biochemischen Prozessen
in flachen Sedimenten können in der Tat nicht mehr
geliefert werden. Es ist aber bekannt, das beide Komponenten,
neben Kohlenwasserstoffen, Abbauprodukte thermischer
Prozesse sind. Während thermisch gebildetes CO 2
in der Natur auch in großen Mengen nachgewiesen werden
kann, sind die Mengen an Wasserstoff aus diesen
Umwandlungsprozessen vergleichbar klein, bzw. sind
nicht in großen Mengen auffindbar.
Auch die Prozesse, die zur Bildung von Wasserstoff aus
der thermischen Umwandlung organischen Materials führen,
sind weitgehend unerforscht. Es wird allerdings davon
ausgegangen, dass Aromatisierungs- und Kondensationsprozesse
eine wichtige Quelle von Wasserstoff sein könnten.
Diese Prozesse sind auch während der Inkohlung
organischen Materials zu beobachten und bilden den
Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten zur tiefen mikrobiellen
Gasbildung in diesem Projekt. Erste Ergebnisse
zeigen in der Tat, dass insbesondere in der frühen
Umwandlungsphase organischen Materials Aromatisierungs-/Kondensationsprozesse
eine Rolle spielen und vor
allem in organischem Material terrestrischer Herkunft
offensichtlich sind.
Ein Beispiel für den starken Einfluss von Aromatisierungprozessen
auf die strukturellen Veränderungen in
organischem Material während der Inkohlung können in
dem Neuseeländischen Kohleband beobachtet werden,
welches in Abb. 4.80 dargestellt ist. Der Anstieg des HI
als Gradmesser für das Kohlenwasserstoffgenesepotential
mit der Inkohlung im Bereich niedriger Reifen, lässt auf
intensive Aromatisierungs-/Kondensationsprozesse zwischen
Kerogen und Bitumen in den Sedimenten schließen.
Als Ergebnis dieser Prozesse kann davon ausgegangen
werden, dass den Bakterien selbst in großen Teufen genug
Substrat und Wasserstoff zur Verfügung steht, um Methan
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
355

356
Abb. 4.80: Neuseeländisches Kohleband. Der HI (mgHC/ gTOC) als Gradmesser des Kohlenwasserstoffgenesepotentials
steigt in Zonen niedriger Reife an und fällt erst bei höherer Inkohlung aufgrund der fortschreitenden Kohlenwasserstoffbildung
ab.
The NewZealand Coalband. The HI (mgHC/gTOC) as an indicator of the hydrocarbon generation potential increases
in zones of low maturity and decreases at higher levels of maturity.
zu generieren. Da diese Prozesse selbst bei Temperaturen
über 80 °C ablaufen können, bedeutet dieses Konzept, dass
es sogar zu einer Überlappung zwischen flachen thermischen
und tiefen mikrobiellen Gasgeneseprozessen kommen
kann.
Südafrikanische Gassysteme
Grosse Mengen organischen Materials sind im Zuge der Erdgeschichte
in sedimentären Becken erhalten geblieben.
Während der Versenkung solcher organisch-reicher Schichten
führt die thermische Belastung zur Entstehung von Kohlenwasserstoffen,
die aus dem Gestein getrieben werden und
zu flacheren Schichten oder sogar bis zur Oberfläche migrieren
können. Somit sind sedimentäre Becken eine wichtige
Quelle von Treibhausgasen, die sowohl in thermischen als
auch biogenen Prozessen entstehen können. Am Meeresboden
sind Indikationen für Gasleckage häufig. Schlammvulkane,
Karbonathügel und sogenannte „pock marks“ (flache,
5 bis 50 m große schalenförmige Krater) sind weltweit beobachtet
worden (Dimitrov, 2002; Kelley et al., 1994; Limonov
et al., 1997). In vielen Fällen sind diese Oberflächenerscheinungen
mit dem Vorkommen von Gashydraten in
Zusammenhang gebracht worden (Kvenvolden, 1993; Milkov,
2000), obwohl noch Unklarheit darüber besteht, ob die
ursprünglichen Quellen des Gases thermogener oder biogener
Natur sind. Auch in seismischen Datensätzen sind oft
typische Anzeichen für Gasleckage zu finden. Obwohl
detaillierte Beobachtungen über das Vorkommen solcher
Indikatoren vielfach publiziert worden sind, fehlt noch eine
genaue Untersuchung ihres Vorkommens im Laufe der Sedi-
mentbeckenentwicklung, ihrer Relation zu Wärmeflussanomalien
oder strukturellen Elementen, sowie zum Zusammenhang
mit den aktiven Erdölsystemen.
Das Orange River Becken wurde als Teil des INKABA ye
AFRICA-Projekts für eine detaillierte Untersuchung der
Dynamik von Gasgenese, -migration und -leckage auf der
Skala eines gesamten sedimentären Beckens ausgesucht
(Abb. 4.81). Das Orange Becken ist durch das Vorkommen
der gesamten Palette von Gasleckageindikatoren
gekennzeichnet. Schlammvulkane und sogar mögliche
Anzeichen des Vorkommens von Gashydraten sind beschrieben
worden (Ben Avraham et al., 2002).
2D-seismische Datensätze und Bohrlochdaten wurden
vom AWI Bremerhaven und der Petroleum Agency South
Africa (PASA) für diese Studie bereitgestellt. An einem
ersten Datensatz aus dem südlichen Teil des Beckens sind
Gasleckageindikatoren detailliert kartiert worden. Dabei
haben wir sowohl Gasschornsteine sowie oberflächennahe
Amplitudeneffekte beobachtet, die auf gasgesättigte
Schichten hindeuten. Zusätzlich ist in einem Fall ein möglicher
fossiler Schlammvulkan identifiziert worden, welcher
eine zeitliche Einordnung aktiver Gasleckage in der
Vergangenheit erlaubt. Basierend auf der Interpretation
der seismischen Daten ist ein Modell der Entwicklung des
Beckens erstellt und die geologische Geschichte numerisch
simuliert worden.
Das Becken entstand als Resultat der Öffnung des Südatlantiks
im Jura. Nach der Riftphase war das Orange
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Abb. 4.81: Lage des Untersuchungsgebietes
und Stratigraphie.
Location and stratigraphy of the study
area.
Becken durch kontinuierliche Subsidenz
gekennzeichnet, die sich durch die
stetige Agradation kretazischer Schichten
bemerkbar macht. An der Wende
Kreide-Tertiär fand landwärts eine
Hebung und damit verbundene Erosion
landnaher Schichten statt, die bis zur
Gegenwart anhält. Diese veränderten
Bedingungen sind als deutliche Progradation
tertiärer Schichten über die kretazische
Schelfkante hinaus sichtbar.
Die Auswirkungen dieser Ablagerungsgeschichte
auf das vorhandene Erdölsystem
wurden durch eine Beckensimulation
untersucht.
Nach Kalibrierung des Modells an vorhandene
Daten (Temperatur und Vitrinitreflexion),
wurden auch die Genese
und Migration von Kohlenwasserstoffen
als Funktion der Wärmeflussgeschichte
simuliert. Hierbei wurden die Eigenschaften
der modellierten Sedimente im
Rahmen der natürlichen Variabilität
variiert, bis eine guten Übereinstimmung
der vorhergesagten Leckage mit
den kartierten Gasleckageindikatoren
erzielt worden war (Abb. 4.82). Die so
modellierten Migrationswege entsprechen
in ihrer räumlichen Verteilung den
beobachteten Gegebenheiten. Der errechnete
gegenwärtige Gasfluss am
Meeresboden des Untersuchungsgebiets
passt sehr gut mit gemessenen Daten aus
beispielsweise dem englischen Schelf
(Judd et al., 1997) zusammen, und deutet
darauf hin, dass eine Bilanzierung der
Gasemissionen aus sedimentären Becken
über geologische Zeiträume möglich
ist.
Modellierung des Norwegischen
Kontinentalrandes und der südwestlichen
Barentssee
Im Rahmen von EUROMARGINS (ein
DFG- und ESF-gefördertes Programm)
untersuchen Wissenschaftler aus mehreren
europäischen Ländern verschiedene
Aspekte der Entwicklung europäischer
Kontinentalränder. Das am GFZ durchgeführte
Teilprojekt hat sich die Rekonstruktion
der tektono-sedimentären Entwicklung
im offshore-Bereich von Norwegen
und der dort vorhandenen Kohlenwasserstoffsysteme
zum Ziel gesetzt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 4.82: a) Gas-Schornstein, pock mark und Amplitudeneffekt am Meeresboden wie aus der Seismik ersichtlich, b)
kartierte Indikatoren für Gasleckage, c) modellierte Migrationswege der gasförmigen Kohlenwasserstoffe in Trägergesteinen,
und d) modellierter Austritt thermogenen Gases am Meeresboden.
a) Gas chimney, pock mark and amplitude effects as visible in the seismic section, b) mapped gas leakage indications,
c) modelled gas migration pathways in the carrier system, and d) modelled gas leakage at the seafloor.
Abb.4.83:Aktivitäten im Rahmen von EM16: SW Barentssee:
thermische Geschichte, Belastung durch Eis und
Beckeninversion mit Hebung; Vøring Margin: Strukturmodell
mit Bilanzierung der Deformation.
Activities in EM16: SW Barents Sea: Thermal History, Ice
Loading and Inversion of an exhumed basin. Vøring Margin:
3D Structural model, 2D structural restoration.
Die Arbeitsgruppe setzt hierzu zwei Schwerpunkte: Einerseits
wird die geodynamische Entwicklung des passiven
Kontinentalrands Norwegens (Abb. 4.83) untersucht und
andererseits die Wirkung tektonischer Bewegungen auf
die Genese, Migration, Leckage und Sequestrierung von
natürlichen Kohlenwasserstoffen sowie die damit verbundenen
Rückkopplungsprozesse zur Klimaentwicklung.
3D-Modell des Vøring-Beckens am atlantischen Kontinentalrand
Norwegens
Der passive Kontinentalrand Norwegens (Abb. 4.84) wurde
von mehreren Dehnungsphasen erfasst, bevor es zum letztendlichen
Aufbrechen der kontinentalen Kruste mit Bildung
ozeanischer Kruste zwischen Grönland und Norwegen
im frühen Eozän kam. Diese vorangehenden Dehnungsprozesse
führten zur Bildung tiefer Sedimentbecken
auf der kontinentalen Kruste vom Perm bis ins Känozoikum.
Ein Verständnis der Entwicklung dieser Sedimentbecken,
der Verlagerung von Depotzentren mit der Zeit
und der anschließenden Überprägung durch jüngere Deformationsphasen
erlaubt übertragbare Schlussfolgerungen
zur Entwicklung von passiven Kontinentalrändern, ist
jedoch auch essentiell, um die Aussagen zur Entwicklung
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Abb. 4.84: a) 3D Modell des Norwegischen Kontinentalrands, Blick auf die Basis Tertiär. b) Profil quer zum Kontinentalrand,
das die komplexe interne Struktur der Kruste vom kontinentalen zum ozeanischen Bereich veranschaulicht.
a) 3D model of the Norwegian continental margin, view on base Tertiary. b) Profile across the margin imaging the
complex internal structure of the crust from the continental to the oceanic domain.
dort vorkommender Kohlenwasserstoffsysteme machen
zu können.
Insbesondere können Änderungen der Temperatur- und
Druckbedingungen dazu führen, dass Erdöl und Ergas
nicht nur generiert, sondern auch umverteilt bzw. sogar
freigesetzt wird, wodurch sich Rückkopplungsprozesse
zur Klimaentwicklung ergeben können. In Zusammenarbeit
mit den Universitäten von Oslo, Bergen und Amsterdam,
sowie des Norwegischen Petroleum-Direktorats
wurde ein dreidimensionales Strukturmodell einer Schlüsselregion
des norwegischen Kontinentalrands, des Vøring-
Beckens konstruiert. Hierzu waren eine Vielzahl geologischer
und geophysikalischer Daten widerspruchsfrei zu
integrieren, um die Strukturen dieses Kontinentalrands zu
visualisieren. Das Modell ist einerseits die Basis für eine
Strukturanalyse und gleichzeitig die Grundlage für verschiedene
Modellierungansätze zur Rekonstruktion der
Beckengeschichte.
Modellierung der Genese, Migration und Freisetzung von
Kohlenwasserstoffen in der Barentssee
Dieser Aspekt des Projekts untersucht die Auswirkungen
von tektonischer Hebung und postglazialen Ausgleichsbewegungen
auf die Genese, Migration, Leckage und
Sequestrierung von Treibhausgasen und den daraus resultierenden
Einfluss auf das Erdklima im Känozoikum. Das
dafür gewählte Untersuchungsgebiet, das Hammerfest-
Becken in der südwestlichen Barentssee, war besonders
stark von känozoischen Hebungen und damit verbundener
Erosion betroffen, was zu einer Destabilisierung und
möglicherweise Freisetzung von Kohlenwasserstoffen
geführt hat. Die Studie wird somit nicht nur neue Erkenntnisse
für die neuerdings wieder aufgenommene Erdölexploration
in diesen arktischen Gebieten bringen, sondern
auch mögliche Rückkopplungsprozesse zwischen Klimaentwicklung
und der Freisetzung von Treibhausgasen
sowie der Bildung und Freisetzung von Gashydraten aus
fossilen Lagerstätten beleuchten. Erste Ergebnisse weisen
darauf hin, dass die Hebung und damit verbundene Exhumierung
des Hammerfest-Beckens in Zusammenhang mit
den pleistozänen Vereisungen stattgefunden hat. Zurzeit
werden verschiedene Eismodelle berücksichtigt, um die
Druck- und Temperaturentwicklung und die daraus folgenden
Phasenänderungen der Kohlenwasserstoffe des
Snøhvit-Gasfelds zu rekonstruieren.
Leben in „extremen“ Ablagerungsräumen
Aufgrund der Bedeutung des Anteils der „Tiefen Biosphäre“
an der Gesamtbiomasse der Erde, sind die rezenten
mikrobiellen Prozesse von grundlegender Bedeutung
für das Ökosystem Erde. Allerdings ist die Detektion und
Charakterisierung von mikrobiellem Leben in marinen
und terrestrischen tiefliegenden Lebensräumen immer
noch eine Herausforderung. Obwohl in zahlreichen Studien
in mehreren hundert bis tausend Metern Teufe Zellzahlen
von 105 bis 106 Zellen/cm 3 nachgewiesen wurden
(D’Hondt et al., 2004; Parkes et al., 2000), ist eine genau-
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Abb. 4.85: Untersuchungsgebiet in der SW-Barentssee mit Lage des modellierten Profils und entsprechendes 2D-
Beckenmodell im Hammerfest-Becken. Die modellierte Temperatur und Reifegeschichte dieses Beckens zeigt ein signifikantes
thermisches Ungleichgewicht das vermutlich auf känozoische Erosion während der Eiszeiten zurückzuführen
ist.
Field area, the SW Barents Sea, location of modelled section and 2D Basin Model. Temperature and maturity calibration
of the Hammerfest Basin reveals a significant thermal disequilibrium. That probably results from Cenozoic Ice Age
erosion.
ere Sicht auf die Zusammensetzung dieser mikrobiellen
Gemeinschaften nach wie vor erforderlich. Vor allem
deren Charakterisierung auf molekularer Basis – mit
Schwerpunkt auf intakten Membranlipiden, wie z. B.
Phospholipiden (PL), die als sogenannte „life marker“
angesehen werden können – in unterschiedlichen Ablagerungsräumen
kann zur Klärung der Verteilung lebender
Organismen und insbesondere deren Anpassung und
quantitativer Ausdehnung beitragen (Zink & Mangelsdorf,
2004).
Um diese Prozesse zu erforschen, wurden und werden tiefliegende
Sedimente (bis zu mehreren hundert Metern)
aus verschiedensten Ablagerungsräumen untersucht: Nankai
Graben (ODP Leg 190, vor der Küste Japans), Upwelling-Zone
vor Chile/Peru (R/V SONNE Expedition;
Leg 201), Hydrate Ridge (Leg 204, vor der Küste Oregons),
Mallik-Forschungsbohrung durch Permafrost- und
Gashydratzonen, Mackenzie River Delta, Nord-Kanada
und als Vergleichsmaterial lakustrine Sedimente aus dem
Baikalsee, dem Aralsee und aus deutschen Seen. Aktuell
wird eine Sedimentserie aus dem Porcupine-Becken vor
Irland (ODP Leg 307) im Hinblick auf Signale von mikrobiellen
Gemeinschaften untersucht. Insbesondere soll
geklärt werden, ob durch abiotische Prozesse, wie die ther-
mische Umwandlung von abgelagertem organischem
Material oder die Leckage von Kohlenwasserstoffen, Verbindungen
freigesetzt werden, die als Nahrung für die tiefe
Biosphäre dienen können. Dazu werden neben den Lipiden
auch die Isotopensignale der Kohlenwasserstoffgase
analysiert, um deren thermische bzw. biologische Herkunft
zu definieren.
Während die lakustrinen Sedimente hohe Konzentrationen
an bakteriellen, leicht abbaubaren, estergebundenen
Phospholipiden enthalten, liegen die Konzentrationen in
den tiefliegenden Sedimenten oft dicht an der Nachweisgrenze
(ODP, Mallik). PL aus ODP Leg 201 Sedimenten
(Site 1226, 1230) erreichen maximale Konzentrationen
von nur 1,2 µg/gSed, deren Verteilungsmuster sind allerdings
oft vergleichbar mit denen aus Oberflächenproben.
Es hat sich aber gezeigt, dass sowohl die Mallik- als auch
die meisten ODP-Sedimentproben von ethergebundenen
Phospholipiden dominiert werden. Im Baikalsee wiederum
(bis 1.630 m Wassertiefe) wurden Konzentrationen
von bis zu 10,6 µg/gSed verschiedener estergebundener
PL-Gruppen im ersten Meter des Sediments nachgewiesen.
Die Zusammensetzung der PL-Gruppen scheint teilweise
eine an die Umwelt angepasste mikrobielle Gemeinschaft
zu reflektieren, insbesondere die hier häufigen
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Abb.4.86:Modellierte Druck- und Temperaturänderungen während der Heraushebung des Hammerfest-Beckens. Inset:
hochaufgelöste 1D-Absenkungsgeschichte für das Snøhvit-Gasfeld mit Eiszyklen. Eine Vorwärtsmodellierung der Eisbedeckung
ergab ungewöhnliche Druckvariationen sowohl im tiefen Erdölsystem als auch in der flachen Gashydratzone.
Modelled pressure and temperature fluctuations during exhumation for the Hammerfest Basin. Inset, high resolution
burial history for the Snøhvit gas field with ice sheets. Forward modelling of ice sheet loading indicates unusual pressure
fluctuations both in the deep petroleum system regime and near-surface gas hydrate environment. We are currently
investigating these outcomes.
Acylphosphatidylglycerole mit drei statt zwei Fettsäuren
sind nur aus einigen wenigen Bakterien bekannt.
Hohe Umsetzungsraten des organischen Materials in der
Wassersäule und im ersten Zentimeter des Sediments lassen
auf intensiven Abbau auch von Phospholipiden schließen,
so dass die identifizierten PL höchstwahrscheinlich
Bestandteile lebender Bakterien darstellen.
Die über den See verteilten Kerne
weisen deutliche Unterschiede in den PL-
Konzentrationen mit der Teufe auf, so dass
sogar z. T. ein Rückgang von ca. 90 %
innerhalb der ersten 60 cm des Sediments
auftritt. Diese Änderungen lassen sich
entweder auf Änderungen in der bakteriellen
Biomasse oder auf Biodegradation
von PL zurückführen. Ein Vergleich von
PL-Mengen und mikrobiellen Lebendzellzahlen
für zwei Kurzkerne ergibt die
gleiche Größenordnung bezüglich der
lebenden Biomasse.
Außerdem wurden zwei Gruppen mikrobieller
Lipide, vermutlich von Archaeen
stammend, sowohl im Baikal-See als auch
in marinen ODP und den terrestrischen
Mallik-Sedimenten nachgewiesen. Beide
Komponentenserien werden als Etherlipide
mit einer großen Bandbreite an Seitenkettenlängen
interpretiert: eine Grup-
pe wurde als Lysophosphatidylglycerol(LPG)ether identifiziert,
die andere vorläufig als Glykophospholipidether.
Im Gegensatz zu estergebundenen Lipiden, scheinen diese
weniger anfällig gegenüber Abbauprozessen zu sein, vor
allem LPGether sind auch in tieferen Sedimentlagen noch
angereichert. Außerdem spricht deren verbreitetes und
teufenunabhängiges Auftreten im marinen tieferen Unter-
Abb. 4.87: Änderung im Membranlipidmuster des hyperthermophilen
Archaeons Pyrococcus glycovorans (Wachstumstemperatur 95 bis 105 °C)
aufgrund von erhöhtem Druck (Kultivierung durch G. Barbier, Universität
Brest).
Change in membrane lipid pattern of the hyperthermophilic archaeon /Pyrococcus
glycovorans (growth temperature 95-105 °C) as response to enhanced
pressure (cultivation by G. Barbier, University Brest).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
361

362
grund – insbesondere in Leg 201 Sedimenten – für eine
erhöhte Abbauresistenz.
Um diese mikrobiellen Lipidmuster in Sedimenten besser
nachvollziehen zu können, wurde die Anpassung an hohe
Drücke, Temperaturen und Substratwechsel, die sich in der
molekularen Zusammensetzung der mikrobiellen chemischen
Zellkomponenten widerspiegelt, an verschiedenen
Kulturen untersucht. Insgesamt bewirkten all diese Änderungen
der Umgebungsbedingungen deutliche Variationen
in den Kopfgruppen der Phospholipide und z. T. auch
in den Fettsäureseitenketten (Mangelsdorf et al., 2005).
Diese neuen Erkenntnisse haben verdeutlicht, wie flexibel
Mikroorganismen auf einen Wechsel in ihrem (extremen)
Lebensraum reagieren können (Abb. 4.87).
Die Nahrungsgrundlagen für mikrobielles Leben
in tiefen terrestrischen Systemen
Die in den letzten Jahren gewachsene Erkenntnis, dass
mikrobielles Leben tief unterhalb der Erdoberfläche existiert
(Parkes et al., 2000; Pedersen, 2000), führte zu einer
völlig neuen Sichtweise darauf, wie tief und unter welchen
Bedingungen Leben auf der Erde möglich ist. Eine der
entscheidenden Fragen in diesem relativ neuen Wissenschaftsfeld
ist, wie mikrobielles Leben in solch tiefen und
alten Formationen überleben kann. Es wird angenommen,
dass eine fermentative Umwandlung des in die Sedimente
eingebetteten organischen Materials durch die Mikroben
selbst zur kontinuierlichen Freisetzung von Nährstoffen
führt. Eine weitere Quelle könnte allerdings auch die
thermische Reifung des organischen Materials sein. Denn
es ist bekannt, dass dabei potentielle Substrate – wie Wasserstoff,
Kohlendioxid, Methanol, und Acetat – freigesetzt
werden, was den Ablauf von autotrophen Reaktionen wie
der Methanogenese und der Acetogenese ermöglicht und
damit eine Kopplung zwischen geologischen und biologischen
Prozessen bedeuten würde.
Die DEBITS (Deep Biosphere in Terrestrial Systems)-
Bohrung auf Neuseeland (Abb. 4.88) bietet die Möglichkeit,
derartige Prozesse zu untersuchen. Der erbohrte Kern
umfasst eine Sedimentabfolge von mehreren Lagen, die
reich an organischem Material unterschiedlicher Reife
sind, eingebettet in Ton-, Silt- und Sandschichten. Die an
organischen Stoffen reichen Lagen dienen dabei vermutlich
als potentielle substratliefernde Schichten, während
die grobkörnigeren Ton-, Silt- und Sandschichten potentielle
Lebensräume für die Mikroben darstellen. Darüber
hinaus werden Proben einer vollständigen Reifesequenz
(Torfe bis reife Braunkohlen) aus verschiedenen neuseeländischen
Becken untersucht, um den Einfluss der Fazies
auf die Reife zu untersuchen und um das Substratpotential
dieser Kohlen mit steigender Reife abzuschätzen.
Ziele der DEBITS-Studie sind zum einen die Charakterisierung
des Lebensraums von tiefen mikrobiellen Populationen
vor dem Hintergrund unterschiedlicher Sedimentlithologien
mit variablen Gehalten an organischem
Kohlenstoff (potentielle Substratfreisetzung) und zum
anderen die Entwicklung eines Bohrverfahrens im terres-
trischen Bereich zur Erbohrung von möglichst kontaminationsfreiem
oder zumindest kontaminationskontrolliertem
Kernmaterial für biogeochemische Untersuchungen.
Eine der Grundvoraussetzung biogeochemischer Untersuchungen
ist, dass das Kernmaterial tiefer gelegener
Sedimentabschnitte frei von mikrobieller Oberflächenkontamination
ist. Die angewandten Bohrverfahren im terrestrischen
Bereich (hier das Rotationsbohrverfahren)
stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. Um die
Eindringtiefe der Bohrflüssigkeit in das Kernmaterial und
damit die potentielle Kontamination mit Mikroorganismen
von der Oberfläche zu dokumentieren, wurden der
Bohrspülung vor Beginn und kontinuierlich während der
Bohrung fluoreszierende Mikropartikel (in der Größe von
Mikroorganismen 0,5µm) beigefügt. Nach Gewinnung
des Kernmaterials wurden Proben von der äußeren und
inneren Kernsektion genommen und unter dem Fluoreszenzmikroskop
hinsichtlich ihrer Mikropartikelkontamination
untersucht. Die mikroskopischen Untersuchungen
ergaben eine variable Abfolge von kontaminierten und
nicht kontaminierten Kernabschnitten, scheinbar unabhängig
von der Sedimentlithologie. Dennoch ermöglichte
das entwickelte Bohrverfahren die Gewinnung vieler
unkontaminierter Kernabschnitte, die dann für die weiteren
mikrobiologischen und biogeochemischen Untersuchungen
herangezogen werden konnten.
Die molekular organisch-geochemische Analyse der Kohlen
aus der Reifesequenz haben anhand der Biomarkerverteilung
bisher ergeben, dass die verschiedenen Beckenfazies
sehr großen Einfluss auf das organische Ausgangsmaterial
haben und somit auch auf das Substrat-Potential
für Mikroorganismen. Insbesondere der in den neuseeländischen
Kohlen z. T. hohe Anteil an aromatischen Biomarkern
und mit zunehmender Reife an generierten Aromaten
wird als potentielle Wasserstoffquelle für bestimmte
Mikroorganismen interpretiert.
Zur Detektierung von lebenden Mikroorganismen in den
tieferen Zonen der DEBITS-Bohrung werden spezifische
Biomarker, die so genannten Phospholipide verwendet, die
nur in lebenden Organismen über längere Zeiträume stabil
sind. Die Lipiduntersuchung ausgewählter Übergänge von
Lagen, reich an organischem Material, zu grobkörnigeren
Ton-, Silt- und Sandschichten lassen vermuten, dass die
Mikroben das klastische Material nahe der Schichten mit
organischem Material (potentielle Substratlieferanten) als
Lebensraum bevorzugen. Eine Erklärung für diese Beobachtung
könnte der größere Porenraum in diesen Lithologien
sein, der metabolische Austauschprozesse der Mikroorganismen
im Porenwasser erlaubt. Die Nähe zu den
Schichten, die reich an organischem Material sind, weist
dabei auf eine Substratfreisetzung aus diesen Schichten in
die angrenzenden Lagen hin (Beispiel siehe Abb. 4.88).
Mechanismen und Effekte des biologischen Erdölabbaus
Biologischer Abbau von Kohlenwasserstoffen in Erdölund
Erdgaslagerstätten ist ein weit verbreitetes Phänomen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.88: Foto der DEBITS Bohrlokation nahe des Ortes Huntly auf der Nordinsel Neuseelands, Foto eines Kernsegmentes
mit Fragmenten organischen Materials eingebettet in tonige Sedimentschichten und Diagramm der Phospholipidverteilung
als Indikator für lebende Mikroorganismen relativ zur Lithologie und zum TOC-Gehalt. Das Verteilungsmuster
scheint einen Ausgleich zwischen der Umgebung der (substratliefernden) Schicht, die reich an organischem
Material ist, und ausreichendem Porenraum anzudeuten.
Photo of the DEBITS drilling location near the village of Huntly on the North Island of New Zealand, Photo of a subcore
with coaly fragments imbedded into a claystone sequence, and distribution diagram of phospholipids indicating
the presence of viable microorganisms, relative to different lithologies and TOC contents. The distribution pattern points
to a compromise between the vicinity to the organic carbon rich „feeder“ lithology and sufficient pore space.
mit negativen technischen, wirtschaftlichen und ökologischen
Folgen. Es ist seit langem bekannt, dass der biologische
Abbau zu einer Erhöhung der Dichte und der Viskosität
ebenso wie zu einer Erhöhung der Gehalte an
Schwefel, Schwermetallen und organischen Säuren in den
betroffenen Erdölen führt. Wegen des Fehlens von Sauerstoff
in den Lagerstätten müssen die Abbauprozesse unter
anaeroben Bedingungen ablaufen. Aus diesem Grund war
die Aufklärung von Mechanismen des anaeroben biologischen
Kohlenwasserstoffabbaus ein wichtiger Beitrag im
Hinblick auf das Verständnis solcher Prozesse in natürlichen
Ökosystemen, zu denen auch die Erdöl- und Erdgaslagerstätten
gehören (z. B. Wilkes et al., 2003). Einen
Überblick über den Prozess des biologischen Erdölabbaus
in Lagerstätten vermittelt Abb. 4.89.
Generell wird davon ausgegangen, dass die Veränderungen
der Erdölzusammensetzung im Wesentlichen durch die
unterschiedliche Abbaubarkeit verschiedener Erdölbestandteile
zu Stande kommen. Auf der Basis empirischer
Daten wurden Klassifizierungsschemata entwickelt, mit
deren Hilfe Erdöle entsprechend dem Ausmaß der Biodegradation
bewertet werden können (Peters und Moldowan,
1993; Wenger et al., 2001). Unsere Untersuchungen zum
Einfluss der biologischen Abbauprozesse auf die Zusammensetzung
und damit auf die Eigenschaften des Erdöls
haben nun gezeigt, dass solche verallgemeinerten Abbauschemata
nur mit großen Einschränkungen anwendbar sind.
Die detaillierte Analyse biodegradierter Erdöle unterschiedlicher
geographischer Herkunft (Nordsee; Kanada;
Ägypten; Westafrika) zeigt, dass jedes Erdölsystem charakteristische
Muster in der Abfolge des Abbaus verschiedener
Erdölbestandteile aufweist. Besonders wichtig
ist die Erkenntnis, dass der Abbau verschiedener Erdölbestandteile
nicht, wie bislang angenommen, stufenweise
verläuft, sondern dass die verschiedenen Erdölbestandteile
gleichzeitig, aber mit sehr unterschiedlichen Raten
abgebaut werden. Hierfür können im Wesentlichen zwei
Gründe verantwortlich gemacht werden. Es ist bekannt,
dass anaerobe kohlenwasserstoffabbauende Mikroorganismen
ausgesprochene Spezialisten sind, die jeweils nur
ein sehr geringes Spektrum der im Erdöl vorhandenen Einzelverbindungen
verwerten können (Widdel und Rabus,
2001). Daher wird der Verlauf der Abbauprozesse in einem
Erdölsystem von der jeweiligen Zusammensetzung der
mikrobiellen Gemeinschaft abhängen. Über die geologischen
Faktoren, die die Lebensbedingungen in einer
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
363

364
Abb.4.89:Überblick über den Prozess des
biologischen Erdölabbaus: Mikrobielles
Leben in Erdöllagerstätten erfordert
zwingend flüssiges Wasser. Daher finden
biologische Abbauvorgänge bevorzugt an
der Grenze von Öl- und Wasserphase statt,
wodurch es zu vertikalen Gradienten in
der Erdölzusammensetzung kommt. Physikalisch-chemische
Faktoren und Prozesse
(diffusiver Transport, Sorptionseigenschaften,
Verteilungsverhalten, Wasserlöslichkeit)
kontrollieren die unterschiedliche
Bioverfügbarkeit einzelner
Erdölbestandteile. Mikroorganismen passen
ihr Verhalten an die Eigenschaften der
jeweils bevorzugten Substrate an. Sind
diese gut wasserlöslich, treiben ihre Abbauer
frei in der Wasserphase („non-attached
bacteria“), sind sie dagegen schlecht
wasserlöslich, halten sich ihre Abbauer
nahe am Öl-Wasser-Kontakt auf („attached
bacteria“). Für den Verlauf der Abbauvorgänge
sind weitere Faktoren wie
z. B. die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren
(Sulfat, CO 2) von Bedeutung. Es
wird auf Grund empirischer Befunde allgemein
angenommen, dass 80 bis 90 °C
die Temperaturobergrenze für biologischen
Abbau von Kohlenwasserstoffen
in Lagerstätten darstellt. Der Grund hierfür
ist allerdings unklar, da mikrobielles
Leben bei weit höheren Temperaturen
(>110 °C) möglich ist.
Conceptional overview of petroleum biodegradation. Microbial life in reservoirs is only possible in the presence of
liquid water. Therefore, biodegradation takes mainly place at the oil-water-contact, resulting in vertical gradients of
oil composition. Physicochemical factors and processes (diffusive transport, sorption behaviour, partition behaviour,
water solubility) control the different bioavailability of individual oil constituents. Microorganisms adapt their behaviour
to the properties of preferred substrates. Degraders of highly water soluble substrates thrive in the water phase
(„non-attached bacteria“) while degraders of substrates of low water solubility stay in close vicinity to the oil-watercontact
(„attached bacteria“). With respect to the overall process other factors such as the availability of electron
acceptors (sulphate, CO 2) are also very important. Based on empirical observations it is generally assumed that 80 –
90 °C represent the upper temperature limit for biodegradation of hydrocarbons in reservoirs. The reason for this, however,
is not clear since microbial life is possible at significantly higher temperatures (> 110 °C).
Lagerstätte und damit die Zusammensetzung der Mikroflora
steuern, ist bislang allerdings nur sehr wenig bekannt.
Hieraus ergibt sich erheblicher Forschungsbedarf für zukünftige
Untersuchungen. Der zweite wichtige Faktor ist
die Bioverfügbarkeit einzelner Erdölbestandteile. Da kohlenwasserstoffabbauende
Mikroorganismen in der Wasserphase
einer Lagerstätte leben, können sie nur solche
Ölbestandteile verwerten, die in gelöster Form im Wasser
vorliegen (Abb. 4.89). Alle physikalisch-chemischen Prozesse,
die den Transport in die Wasserphase und die Konzentration
dort bestimmen, haben daher einen Einfluss auf
die Bioverfügbarkeit und somit auch auf die Abbauraten.
Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen haben wir
eine Methode entwickelt, mit der erstmals die relativen
Abbauraten individueller Erdölbestandteile für einzelne
Lagerstätten ermittelt werden können. Abb. 4.90 erläutert
dies am Beispiel der n-Alkane.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse zur Wirkung biologischer
Abbauprozesse auf die Änderung der Erdölzusammensetzung
können neue konzeptionelle Modelle zur besseren
Vorhersage von Erdöleigenschaften entwickelt werden.
Häufig verwendete molekulare Indikatoren für die
Abbauprozesse und wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung
der Erdölqualität sind oft widersprüchlich. Eine
der wichtigsten Kenngrößen ist die so genannte API-Dichte
(genauere Erläuterungen finden sich in der Legende zu
Abb. 4.91), deren Werte mit fortschreitender Biodegradation
sinken. Als molekulare Indikatoren finden vornehmlich
die Konzentrationsverhältnisse ausgewählter Erdölbestandteile
Verwendung. Unsere Untersuchungen zeigen,
dass widersprüchliche Ergebnisse eine Folge inadäquater
molekularer Parameter sind. Daher haben wir einen
neuen molekularen Parameter entwickelt, der auf der
Quantifizierung von mehr als 50 Erdölbestandteilen
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 4.90: Abhängigkeit der relativen Abbauraten von n-Alkanen von der
Kettenlänge. Der diffusive Transport und die Wasserlöslichkeit von n-Alkanen
nehmen mit zunehmender Kettenlänge ab, so dass die Bioverfügbarkeit
sinkt. Die Abb. vergleicht Ergebnisse für Erdölsysteme im West-Shetland-
Becken und im Mackenzie-Delta. In beiden Fällen nimmt die relative Abbaurate
mit der Kettenlänge ab. Es wird jedoch auch deutlich, dass in den
beiden Erdölsystemen unterschiedliche Kettenlängenbereiche besonders
schnell abgebaut werden.
Dependence of relative degradation rates of n-alkanes on chain length.
Diffusive transport and water solubility of n-alkanes decrease with increasing
chain length resulting in reduced bioavailability. The graph compares
results for petroleum systems in the West Shetland Basin and in
the Mackenzie Delta. In both cases, relative degradation rates decrease
with increasing chain length. It can also be seen, that the chain length
range of most rapidly degraded n-alkanes differs in the two petroleum
systems.
basiert. Abb. 4.91 zeigt, dass mit diesem
Parameter die Erdölqualität (API-Dichte)
auf der Basis chemischer Analysen ausgezeichnet
vorhergesagt werden kann.
Anwendung substanzspezifischer
Isotopenverhältnisse in geochemischen
Fragestellungen
Mit der technischen Entwicklung von
GC-IRMS-Systemen ist es seit einigen
Jahren möglich, die Kohlenstoff- und
Wasserstoffisotopenverhältnisse für einzelne
Verbindungen in komplexen Stoffgemischen
zu bestimmen. Die Bestimmung
der substanzspezifischen Kohlenstoffisotopenverhältnisse
umfasst die
gaschromatographische Trennung der
komplexen Gemische, die anschließende
Oxidation der einzelnen Verbindungen zu
CO 2 und H 2O und die massenspezifische
Detektion des CO 2 sowie Berechnung des
δ 13 C-Wertes im Verhältnis zum international
definierten Standard PeeDee
Belemnit (Abb. 4.92).
Die Isotopenverhältnisse organischer
Substanzen sind abhängig von der Herkunft
des Materials sowie von der Art und
der Intensität biochemischer Prozesse.
An der Lokation eines aktiven Gasaustritts
im Forearc-Becken des Sunda-
Bogens südlich von Java konnten anhand
Abb. 4.91: Vergleich der vorhergesagten und gemessenen API-Dichten für Erdöle unterschiedlicher geographischer
Herkunft. Die API-Dichte berechnet sich aus der gemessenen Dichte gemäß der Formel: API-Dichte = (141,5/spezifische
Dichte) – 131,5. Die untersuchten
Erdöle sind in unterschiedlichem Ausmaß
von biologischen Abbauprozessen beeinflusst.
Das Bestimmtheitsmaß (R 2 = 0,96)
dokumentiert die Qualität der vorhergesagten
Werte. Die mittlere Abweichung
der vorhergesagten von der gemessen
API-Dichte ist 1,2 und damit weit besser
als bei bisherigen Methoden zur Vorhersage
der Ölqualität.
Comparison of predicted and measured
API gravities for crude oils of different
geographical origin. The API gravity is
calculated from the measured gravity
according to the formula: API gravity =
(141.5/specific gravity) – 131.5. The
investigated oils have been degraded to
different extents. The coefficient of correlation
(R 2 = 0.96) documents the high
quality of the predicted values. The
mean deviation of the predicted from the
measured API gravity is 1.2 and hence
much better than for previously reported
methods for the prediction of oil
quality.
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Abb. 4.92: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines GC-IRMS-Systems zur Bestimmung substanzspezifischer
Kohlenstoffisotopenverhältnisse. Die Trennung des komplexen Stoffgemisches erfolgt gaschromatographisch. Bei
einer Temperatur von 940 °C werden die getrennten Substanzen katalytisch zu CO 2 und H 2O oxidiert. Der Reduktionsreaktor
dient der Eliminierung von Stickoxiden, in der Wasserfalle werden Wassermoleküle über eine Nafion ® -
Membran aus dem Trägergas entfernt. Das verbleibende CO 2 wird nach der Ionisierung massenspezifisch detektiert
und aus dem Verhältnis von 44 CO 2 zu 45 CO 2 kann der δ 13 C Wert berechnet werden.
Schematic view of a GC-IRMS-system for compound-specific isotope analysis. The separation of complex mixtures is
done by gas chromatography. At a temperature of 940 °C separated compounds are oxidized to CO 2 and H 2O catalytically.
The reduction interface eliminates nitrogen oxides and the water is separated from the carrier gas by a Nafion ®
membrane in the water removal device. The remaining CO 2 is ionized and detected in the mass spectrometer. From the
ratio of 44 CO 2 to 45 CO 2 the δ 13 C value can be calculated.
geochemischer und isotopenchemischer Untersuchungen
die wesentlichen geobiochemischen Prozesse identifiziert
werden. Die beprobten Sedimente waren stark mit Methan
angereichert, dessen Isotopenverhältnis von –71 ‰ PDB
auf einen bakteriellen Ursprung hinweist (Wiedicke et al.,
2002). Mit der Abnahme der Methankonzentration in der
Wassersäule zeigt sich eine Anreicherung des Methans bis
zu –59 ‰ PDB, was auf anaerobe Oxidation des Methans
schließen lässt. Bestätigt wird die anaerobe Methanoxidation
durch die Anwesenheit und isotopische Zusammen-
Abb. 4.93: Gaschromatogramm der aus den authigenen
Carbonaten vom Sunda-Bogen extrahierten Aliphatenfraktion.
Die Biomarker Crocetan und PMI sind markiert
und die mittels GC-IRMS bestimmten δ 13 C-Werte hinzugefügt.
Gas chromatographic results from the aliphatic fraction
that was extracted from the authigenic carbonates from
the Sunda Arc. The biomarkers crocetane and PMI are
marked in red and the δ 13 C values that were detected by
GC-IRMS, are also given.
setzung der authigenen Carbonate am Standort. In den
Carbonaten konnten wir Crocetan (2,6,11,15-Tetramethylhexadecan)
und PMI (2,6,10,15,19-Pentamethylicosan)
nachweisen und deren isotopische Zusammensetzung
bestimmen (Abb. 4.93). Beide Substanzen sind typische
Biomarker für Archaeen, die Mikroorganismen, die an der
anaeroben Methanoxidation beteiligt sind. Die leichte Isotopensignatur
beider Substanzen zeigt eindeutig die Herkunft
aus dem leichten Methan am Standort.
Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich mit der Quantifizierung
des biologischen Abbaus von Erdölbestandteilen
in verschiedenen Lagerstätten. Durch die Biodegradation
des Erdöls in Lagerstätten ändert sich die Zusammensetzung
des Erdöls und verringert sich der ökonomische
Wert. Der biologische Abbau von Kohlenwasserstoffen
ist mit einer Änderung der Isotopenverhältnisse
(Isotopenfraktionierung) des Substrats verbunden. Die
leichten Isotopomere werden bevorzugt umgesetzt und die
schweren Isotopomere reichern sich im Residuum an (Isotopenfraktionierung).
Aus der Intensität der gemessenen
Fraktionierung kann auf das Ausmaß des biologischen
Abbaus geschlossen werden. Dieses Konzept wurde
erfolgreich angewendet zur Bestimmung der Intensität des
biologischen Abbaus leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe
im Gullfaks-Ölfeld in der norwegischen Nordsee (Vieth
und Wilkes, 2005). Für die n-Alkane von n-C 4 bis n-C 7
zeigt sich ein Rückgang der Isotopenfraktionierung mit
zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül,
was einerseits als Abnahme der Abbauintensität mit
zunehmender Kettenlänge, andererseits aber auch als so
genannter Verdünnungseffekt beurteilt werden kann. Da
die Reaktion, die zur Isotopenfraktionierung führt, nur an
einem Kohlenstoffatom wirksam ist, wird der Isotopeneffekt
für das gesamte Molekül mit zunehmender Anzahl an
Kohlenstoffatomen geringer. Toluol zeigt in den Proben
des Gullfaks-Ölfeldes keine Isotopenfraktionierung, wird
also nicht abgebaut. Dies überrascht insofern, als zahlrei-
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Abb. 4.94: Lage der Bohrungen im Gullfaks-Ölfeld in der norwegischen Nordsee; der biologische Effekt auf die Ölzusammensetzung
nimmt nach Westen zu. Der Rückgang der Konzentration korreliert mit dem Anstieg der δ 13 C-Werte für
n-Hexan. Aus den δ 13 C-Werten und einem Fraktionierungsfaktor, der in einem Laborversuch für n-Hexan bestimmt
wurde, kann der prozentuale biologische Abbau berechnet werden (Rayleigh-Gleichung).
Location of the boreholes within the Gullfaks oil field, offshore Norway; the effect of biodegradation increases to the
west. The decrease in concentration is correlated to an enrichment in 13C of the residual n-hexane. Using the δ 13 C
values and the laboratory-derived isotope fractionation factor, the percentage of biodegradation can be calculated
(Rayleigh equation).
che Studien den sehr guten Abbau von Toluol unter anaeroben
Bedingungen beschreiben, doch scheinen diese
Mikroorganismen in der Biozönose des Gullfaks-Ölfelds
zu fehlen. Eine Quantifizierung des biologischen Abbaus
einzelner Komponenten ist möglich anhand der Änderung
der Isotopenverhältnisse und unter Berücksichtigung
eines im Laborversuch bestimmten Fraktionierungsfaktors
für die Einzelkomponente. Die Ergebnisse der Quantifizierung
des biologischen Abbaus von n-Hexan zeigt
Abb. 4.94.
Seismisch getriggerte mikrobielle Methanbildung
– ein Hinweis auf dynamische Prozesse innerhalb
der Tiefen Biosphäre
Die Untersuchung mikrobieller Lebensgemeinschaften
im Bereich von ozeanischen Hydrothermalsystemen und
sedimentären Beckenbereichen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung
und Dynamik ist ein seit mehreren Jahrzehnten
intensiv beforschter Themenkomplex der Biogeochemie.
Ähnlich ausgerichtete Untersuchungen in kristallinen
Grundgebirgsbereichen von Kontinenten wurden
international erst vor ca. 10 Jahren begonnen.
Der Nachweis seismisch getriggerter mikrobieller Methanbildung
im freien Quellgas der Wettinquelle, Bad
Brambach (Bräuer et al., 2005) ist ein erster Befund dafür,
dass mit dynamischen Prozessen innerhalb der tiefen kontinentalen
Biosphäre zu rechnen ist.
Grundlage dieser Aussage ist eine über mehrere Jahre
angelegte Messreihe. Das Untersuchungsgebiet liegt im
Grenzbereich zwischen der Tschechischen Republik
(NW-Böhmen) und der Bundesrepublik Deutschland
(Vogtland, Fichtelgebirge) und ist sowohl seismisch als
auch hydrothermal aktiv. Die Ortslage Bad Brambach
befindet sich im Bereich des Fichtelgebirge/Smirciny-
Granitmassivs (spätvariszisch). Das Wasser der Wettinquelle
wird für therapeutische Zwecke genutzt. Es handelt
sich um einen Radon-führenden Na-Ca-HCO 3-SO 4 Säuerling.
Das freie Quellgas enthält hauptsächlich Kohlendioxid
(99,7 vol.%). Außerdem sind u. a. Spuren von Stickstoff
(0,3 vol.%), Sauerstoff (≈ 150 ppmv), Argon (≈ 100
ppmv), Helium (≈ 2,5 ppmv), Wasserstoff (≈ 1 ppmv) und
Methan (≈ 35 ppmv) nachweisbar. Die Analyse der Spurenkomponenten
war nur deshalb möglich, weil das CO 2
vor der Messung mit KOH entfernt wurde, was zur Anreichung
der Spurenkomponenten im Restgas führte. Die
Schüttung der Mineralquelle schwankt zwischen 100 und
270 l/h.
Das gas- und isotopengeochemische Monitoring startete
Anfang Mai 2000 und lief bis Oktober 2003. Es wurde
u. a. die Gaszusammensetzung gemessen sowie die δ 13 C-
Werte des Methans analysiert. Am 28. 08. 2000, also knapp
vier Monate nach Beginn, setzte eine über vier Monate
andauernde Schwarmbebenserie im Epizentralgebiet
Novy Kostel ein. Das Zentrum des Bebengebiets liegt ca.
10 km östlich von der Wettinquelle. Es wurden mehr als
10.000 Beben im Magnitudenbereich > 0 (Maximalmagnitude
3,3) registriert. Die seismische Aktivität lief in neun
Perioden ab, wobei die Hypozentren in Tiefen zwischen
7,5 und 10,5 km wanderten. Schwarmbeben unterscheidet
man von tektonischen Beben vor allem dadurch, dass
eine Vielzahl von Beben unterschiedlicher Magnituden
auftreten, ohne dass ein Hauptbeben erkennbar ist. Dieser
Typ von Seismizität ist weltweit vor allem in Vulkan- und
Hydrothermalgebieten verbreitet.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
367

368
Abb. 4.95: Zeitreihe der Methankonzentration und der assoziierten Kohlenstoffisotopenverhältnisse von Methan von
der Wettinquelle, Bad Brambach im Zeitraum Mai 2000 bis Oktober 2003. Der grau gefärbte Bereich kennzeichnet den
Zeitraum der NW-Böhmen Schwarmperiode 2000 (vgl. auch eingefügte Abbildung).
Time series of methane concentrations and the associated methane δ 13 C values of the Wettinquelle, Bad Brambach between
May 2000 and October 2003. The grey-signed range marks the period of seism city of the NW Bohemia swarm
2000 that can be seen in the inlet picture in more detail.
Beginnend ca. 60 Tage nach dem Einsetzen der seismisch
aktiven Periode 2000 wurde an der Wettinquelle ein deutlicher
Anstieg der Methankonzentration (von ≈ 40 auf
≈ 250 ppmv) beobachtet. Gleichzeitig mit dem Anstieg
der Methankonzentration fielen die δ 13 C CH4-Werte von
≈ –50 ‰ auf ≈ –70 ‰ ab (Abb. 4.95). Das ist ein Beleg
dafür, dass mikrobiell gebildetes Methan zugeführt wird.
Zirka zwei Jahre lang wurde wiederholt ein Anstieg der
Methankonzentration bei gleichzeitigem Abfall der
δ 13 C CH4-Werte nachgewiesen.
Pedersen (1997) wies die Existenz von Mikroorganismen
(autotrope Methanogene) in tiefen granitischen Aquiferen
in Südschweden nach. Die Organismen nutzen Wasserstoff
als Elektronenquelle und produzieren Methan aus H 2
und CO 2. Die Schlüsselfrage zum weiteren Verständnis
dieser mikrobiologischen Aktivität ist die Verfügbarkeit
von Wasserstoff im kristallinen Gestein. Granite haben
meist überdurchschnittlich hohe U-, Th- und K-Gehalte,
die zu einer erhöhten natürlichen Radioaktivität führen.
Diese Energiequelle nutzend, kann Wasserstoff durch
Radiolyse von Wasser produziert werden. Die acht
Wochen nach Beginn der Schwarmbeben einsetzende
Zunahme der Methankonzentration ist, wie die gleichzeitig
nachgewiesene Abnahme der δ 13 C CH4-Werte belegt,
durch Zumischung von mikrobiell gebildetem Methan
verursacht. Dabei wird der infolge seismisch bedingter
Änderungen des lokalen Spannungsfeldes aus dem Granit
freigesetzte Wasserstoff zur mikrobiellen Reduktion
von CO 2 verwendet und somit weitgehend verbraucht.
Unklar ist zurzeit u. a. noch in welcher Tiefe die Prozesse
ablaufen und wie das Methan produzierende Ökosystem
von Mikroorganismen zusammengesetzt ist.
Interaktionen zwischen seismischen Prozessen, Fluiden
und mikrobiologischer Aktivität sind ein international
weitgehend neues Gebiet. Unabhängig von ihrem Wert für
die Seismologie dürfte diese Forschungsrichtung zukünftig
eine große Bedeutung für die Erforschung und das Verständnis
dynamischer Prozesse im Bereich der tiefen Biosphäre
in kontinentalen Grundgebirgseinheiten bekommen.
Folgeuntersuchungen, die eine weitere Klärung bringen
sollen, sind angelaufen. Die Arbeiten werden in
Zusammenarbeit von mehreren Einrichtungen durchge-
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führt. Neben dem GFZ Potsdam, Sektion Organische Geochemie,
sind daran das UFZ Leipzig-Halle, Department
Hydrogeologie, die TU Bergakademie Freiberg, Arbeitsgruppe
Mikrobiologie, die BGR Hannover und die Sächsische
Akademie der Wissenschaften beteiligt.
Literatur:
Babeyko, A.Y., Sobolev, S.V., Trumbull, R.B., Oncken, O. und Lavier, L. (2002):
Numerical models of crustal scale convection and partial melting beneath the Altiplano-Puna
plateau. Earth and Planetary Science Letters, 199, 373-388.
Baldschuhn, R., Binot, F., Fleig, S., Kockel, F., (2001): Geotektonischer Atlas von
Nordwest-Deutschland und dem deutschen Nordsee-Sektor. Geologisches Jahrbuch,
A153.
Bayer, U., Grad, M., Pharaoh, T., Thybo, H., Guterch, A., Banka, D., Lamarche, J.,
Lassen, A., Lewerenz, B., Scheck, M., Marotta, A., M., (2002): The southern margin
of the East European Craton: new results from seismic sounding and potential
fields between the North Sea and Poland. Tectonophysics 360, pp. 301-314.
Bayer, U.; Scheck, M. Rabbel, W., Krawczyk, C.M., Götze, H.J., Stiller, M., Beilecke,
Th., Marotta, A.-M., Barrio-Alvers, L. and Kuder, J. (1999): An integrated
study of the NE-German Basin. Tectonophysics 314: 285-307.
Ben Avraham, Z., Smith, G., Reshef, M., Jungslager, E., (2002): Gas hydrate and
mud volcanoes on the Southwest African continental margin off South Africa. Geology
(Boulder), 30, 927-930.
Birch, F. (1961a): Composition of the Earth's mantle. Geophysical Journal, 4, 295-
311. (1961b) The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars. Journal
of Geophysical Research, 66, 2199-2224.
Bräuer, K., Kämpf, H., Faber, E., Koch, U., Nitzsche, H.-M., Strauch, G. (2005):
Seismically triggered microbial methane production relating to the Vogtland – NW
Bohemia earthquake swarm period 2000, Central Europe. Geochemical Journal,
39, 441-450.
Britze, P., Japsen, P., (1991): The Danish Basin.Triassic. Isochore map: Danmarks
Geologiske Undersogelse (DGU) Miloeministeriet, Copenhagen, DGU map series
no. 31, 1 sheet, scale 1:400000.
Chabiron, A., Pironon, J. und Massare, D. (2004): Characterization of water in synthetic
rhyolitic glasses and natural melt inclusions by Raman spectroscopy. Contribution
to Mineralogy and Petrology, 146, 485-492.
Chen, G., Spetzler, H.A., Getting, I.C., and Yoneda, A. (1996): Selected elastic
moduli and thei temperature derivative for olivine and garnet with different
Mg/(Mg+Fe) contents: Results from GHz ultrasonic interferomety. Geophysical
Research Letters, 23(1), 5-8.
Dadlez, R., (2003): Mesozoic thickness pattern in the Mid-Polish Trough. Geological
Quarterly, 47 (3), pp. 223-240.
Dempster, T.J., Hay, D.C., Bluck, B.J. (2004): Zircon growth in slate. Geology, 32,
221-224.
D’Hondt, S., Jørgensen, B.B., Miller, D.J., Batzke, A., Blake, R., Cragg, B.A.,
Cypionka, H., Dickens, G.R., Ferdelman, T., Hinrichs, K.-U., Holm, N.G., Mitterer,
R., Spivack, A., Wang, G., Bekins, B., Engelen, B., Ford, K., Gettemy,
G., Rutherford, S.D., Sass, H., Skilbeck, C.G., Aiello, I.W., Guerin, G., House,
C.H., Inagaki, F., Meister, P., Naehr, T., Niitsuma, S., Parkes, J.R., Schippers,
A., Smith, D.C., Teske, A., Wiegel, A., Padilla, C.N., Acosta, J.L.S., (2004): Distributions
of microbial activities in deep subseafloor sediments. Science, 306,
2216-2221.
Di Muro, A., Villemant, B., Montagnac, G., Scaillet, B. und Reynard, B. (2005):
Quantification of water content and speciation in natural silicic glasses (phonolites,
dacites, rhyolites) by confocal microRaman spectrometry. Geochimica et Cosmochimica
Acta, in press.
di Primio, R., (2002): Unraveling secondary migration effects through the regional
evaluation of PVT data: a case study from Quadrant 25, NOCS. Organic Geochemistry,
33, 643-653.
Dimitrov, L.I., (2002): Mud volcanoes; the most important pathway for degassing
deeply buried sediments. Earth-Science Reviews, 59, 49-76.
Dobrzhinetskaya, L.F., Wirth, R., Green, H.W. (2005): Direct observation and analysis
of a trapped COH fluid growth medium in metamorphic diamond. Terra Nova,
17, 472-477.
Erzinger, J. und Stober, I. (2005): Introduction to Special Issue: long-term fluid
production in the KTB pilot hole, Germany. GEOFLUIDS 5, 1-7.
Evans, D., Graham, C., Armour, A., Bathurst, P., (2003): The Millennium Atlas:
Petroleim geology of the central and northern North Sea. The Geological Society
of London, London, 990 pp.
Gibert B., Schilling F.R., Gratz K., Tommasi A. (2005): Quantifying heat transfer
by radiation in San-Carlos olivine single crystals. Physics of the Earth and Planetary
Interiors, 151, 129-141, doi: 10.1016/j.pepi.2005.
Gibert B., Schilling F.R., Tommasi A., Mainprice D. (2003): Thermal diffusivity
of olivine single-crystals and polycrystalline aggregates at ambient conditions –
a comparison, Geophysical Research Letters, 30, 22,2172, doi:10.1029/
2003GL018459.
Grube, A., Wichman, K., Hahn, J. and Nachtigall, K., (2000): Geogene Grundwasserversalzung
in den Porengrundwasserleitern Norddeutschlands und ihre
Bedeutung für die Wasserwirtschaft, 9. Technologiezentrum Wasser Karlsruhe
(TZW), Karlsruhe, 203 pp.
Hahne, K. (2004): Detektion eines mesozoischen Gangschwarmes in NW Namibia
und Rekonstruktion regionaler Spannungszustände während der Südatlantiköffnung.
Dissertation, Universität Potsdam.
Hayman, P-C., Kopylova, M.G., Kaminsky, F.V. (2005): Lower mantle diamonds
from Rio Soriso (Juina area, Mato Grosso, Brazil). Contrib Mineral Petrol, 149,
430-445.
Horsfield, B., Disko, U., Leistner, F., (1989): The micro-scale simulation of maturation:
outline of a new technique and its potential applications. Geologische Rundschau,
78, 361-374.
Ishikawa, T., Nakamura, E., (1994): Origin of the slab component in arc lavas from
across-arc variation of B and Pb isotopes. Nature 370, 205-208.
Ishikawa, T., Tera, F., (1997): Source, composition and distribution of the fluid in
the Kurile mantle wedge: Constraints from across-arc variations of B/Nb and B
isotopes. Earth and Planetary Science Letters 152, 123-138.
Ishikawa, T., Tera, F., Nakazawa, T., (2001): Boron isotope and trace element systematics
of the three volcanic zones in the Kamchatka arc. Geochimica et Cosmochimica
Acta 65, 4523-4537.
Jacobsen, S.D., Reichmann, H.J., Spetzler, H.A., Mackwell, S.J., Smyth, J.R.,
Angel, R.A., and McCammon, C.A. (2002): Structure and elasticity of singlecrystal
(Mg,Fe)O and a new method of generating shear waves for gigahertz
ultrasonic interferometry. Journal of Geophysical Research, 107(B2), doi:
10.1029/2001JB0000490.
Judd, A., Davies, G., Wilson, J., Holmes, R., Baron, G., Bryden, I., (1997): Constributions
to atmospheric methane by natural seepages on the UK continental
shelf. Marine Geology, 137, 165-189.
Kelley, J.T., Dickson, S.M., Belknap, D.F., Barnhardt, W.A., Henderson, M., (1994):
Giant sea-bed pockmarks; evidence for gas escape from Belfast Bay, Maine. Geology
(Boulder), 22, 59-62.
Klein-BenDavid, O., Wirth, R., Navon, O. (2006): TEM imaging and analysis of
microinclusions in diamonds: A close look at diamond growing fluids. American
Mineralogist, in press.
Koch-Müller M., Dera P., Fei Y., Hellwig H., Liu Z., van Orman J. and Wirth R.
(2005): Polymorphic Phase Transition in Superhydrous Phase B. Physics and Chemistry
of Minerals 32, 349-361.
Kvenvolden, K.A., (1993): Gas hydrates: geological perspectives and global change.
Rev. Geophys., 31, 173-187.
Lamarche, J., Scheck-Wenderoth, M., (2005): 3D structural model of the Polish
Basin. Tectonophysics, Tectonophysics 397, pp. 73-91.
Levy, D., Pavese, A., and Hanfland, M. (2000): Phase transition of synthetic zinc
ferrite spinel (ZnFe2O4) at high pressure, from synchrotron X-ray powder diffraction.
Physics and Chemistry of Minerals, 27, 638-644.
Levy, D., Pavese, A., Sani, A., and Pischedda, V. (2001): Structure and compressibility
of synthetic ZnAl2O4 (gahnite) under high-pressure conditions from synchrotron
X-ray powder diffraction. Physics and Chemistry of Minerals, 28, 612-618.
Limonov, A.F., Weering, T.C.E.v., Kenyon, N.H., Ivanov, M.K., Meisner, L.B.,
(1997): Seabed morphology and gas venting in the Black Sea mudvolcano area:
Observations with the MAK1 deep-two sidescan sonar and bottom profiler. Marine
Geology, 137, 121-136.
Lindsay, J.M., Schmitt, A.K., Trumbull, R.B., de Silva, S.L., Siebel, W. und Emmermann,
R. (2001): Magmatic evolution of the La Pacana Caldera system, central
Andes, Chile: compositional variation of two cogenetic, large-volume felsic ignimbrites
and implications for contrasting eruption mechanisms. Journal of Petrology,
42, 459-486.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
369

370
Lippmann J., Erzinger, J., Zimmer, M., Schloemer, S., Eichinger, J.L. und Faber,
E. (2005): On the geochemistry of gases and noble gas isotopes (including 222 Rn)
in deep crustal fluids: The 4000 m KTB-pilot hole fluid production test 2002-03.
Geofluids 5, 52-66.
Lippmann J., Stute M., Torgersen T., Moser D., Hall J., Lihung L., Borcsik M., Bellamy
R.E.S. und Onstott T.C. (2003): Dating ultra-deep mine waters with noble
gases and 36 Cl, Witwatersrand Basin, South Africa. Geochim.Cosmochim. Acta 67,
4597-4619.
Littke, R., Bayer, U., Gajewski, D. (eds), in press. Dynamics of sedimentary basins:
the example of the Central European Basin system. International Journal of Earth
Sciences.
Lockhorst, A. (ed.) (1998): NW European Gas Atlas-Composition and Isotope
Ratios of natural Gases. GIS application on CD-ROM by the British Geological
Survey, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Danmarks og Gronlands
Geologiske, Undersogelse, Netherlands Instituut voor Toegepaste geowetenschappen,
Panstwowy Instytut Geologiczny, European Union.
Lucassen, F. und Franz, G. (2005): The early Paleozoic Orogen in the Central Andes:
a non-collisional orogen comparable to the Cenozoic high plateau? In: Vaughan,
A.P.M., Leat, P.T. and Pankhurst, R.J. (Eds.) Terrane Processes at the Margins of
Gondwana. Geological Society of London, Special Publications, 246, 257-273.
Lucassen, F., Escayola, M., Franz, G., Romer, R.L. und Koch, K. (2002): Isotopic
composition of Late Mesozoic basic and ultrabasic rocks from the Andes (23 bis
32° S) – implications for the Andean mantle. Contributions to Mineralogy and Petrology,
143, 336-349.
Lucassen, F., Trumbull, R., Franz, G., Creixell, C., Vásques, P., Romer, R.L. und
Figueroa, O. (2004): Distinguishing crustal recycling and juvenile additions at
active continental margins: the Paleozoic to recent compositional evolution of
the Chilean Pacific margin (36 bis 41° S). J. South American Earth Sciences, 17,
103-119.
Magri, F., (2005): Mechanismus und Fluiddynamik der Salzwasserzirkulation im
Norddeutschen Becken: Ergebnisse thermohaliner numerischer Simulationen.
STR05/12. GeoForschungsZentrum Potsdam, 134 pp.
Magri, F., Bayer, U., Clausnitzer, V., Jahnke, C., Fuhramnn, J., Moller, P., Pekdeger,
A., Tesmer, M. and Voigt, H., (2005a): Deep reaching fluid flow close to convective
instability in the NE german basin – results from water chemistry and numerical
modelling. Tectonophysics, 397(1-2): 5-20.
Magri, F., Bayer, U., Jahnke, C., Clausnitzer, V., Diersch, H.J., Fuhrman, J., Möller,
P., Pekdeger, A., Tesmer, M. and Voigt, H.J., (2005b): Fluid-dynamics driving
saline water in the North East German Basin. International Journal of Earth Sciences,
DOI: 10.1007/s00531-005-0479-9.
Mangelsdorf, K., Zink, K.-G., Birrien, J.-L., Toffin, L., (2005): A quantitative
assessment of pressure dependent adaptive changes in the membrane lipids of a
piezosensitive deep sub-seafloor bacterium. Organic Geochemistry, 36, 1459-
1479.
Mango, F.D., (1992): Transition metal catalysis in the generation of petroleum and
natural gas. Geochimica et Cosmochimica Acta, 56, 553-555.
Mango, F.D., (1996): Transition metal catalysis in the generation of natural gas.
Organic Geochemistry, 24, 977-984.
Mango, F.D., (2001): Methane concentrations in natural gas: the genetic implications.
Organic Geochemistry, 32, 1283-1287.
Maystrenko, Yu., (2005): Evolution and structure of the Glueckstadt Graben by use
of borehole data, seismic lines and 3D structural modelling, NW Germany.
STR05/14. GeoForschungsZentrum Potsdam, 144 pp.
Maystrenko, Yu., Bayer, U., Scheck-Wenderoth, M., (2005): The Glueckstadt Graben,
a sedimentary record between the North and Baltic Sea in north Central Europe.
Tectonophysics, V. 397, pp. 113-126.
Maystrenko, Yu., Bayer, U., Scheck-Wenderoth, M., in press.: Structure and evolution
of the Glueckstadt Graben due to salt movements. International Journal of
Earth Sciences.
Michels, R., Enjelvin-Raoult, N., Elie, M., Mansuy, L., Faure, P., Oudin, J.-L.,
(2002): Understanding of reservoir gas compositions in a natural case using
stepwise semi-open artificial maturation. Marine and Petroleum Geology, 19,
589-599.
Milkov, A.V., (2000): Worldwide distribution of submarine mud volcanoes and associated
gas hydrates. Marine Geology, 167, 29-42.
Navon, O. (1999): Formation of diamonds in the Earth’s mantle. In J. Gurney, S.
Richardson, and D. Bell, EDS., Proceedings of the 7th International Kimberlite
Conference, p.584-604. Red Roof Designs, Cape Town.
Osenbrück, K., Lippmann, J. und Sonntag, C. (1998): Dating very old pore water
in impermeable rocks by noble gas isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta, 62, 3041-
30145.
Parkes, R.J., Cragg, B.A., Wellsbury, P., (2000): Recent studies on bacterial populations
and processes in subseafloor sediments: A review. Hydrogeology Journal,
8(1), 11-28.
Pedersen, K. (1997): Microbial life in deep granitic rock. FEMS Microbiol. Rev.
20, 399-414.
Peters, K.E., Moldowan, J.M., (1993): The Biomarker Guide. Prentice Hall, Englewood
Cliffs.
Pharaoh, T., C., (1999): Paleozoic terranes and their lithospheric boundaries
within the Trans-European Suture Zone (TESZ): a review. Tectonophysics 314,
pp. 17-41.
Price, L.C., Schoell, M., (1995): Constraints on the origins of hydrocarbon gas
from compositions of gases at their site of origin. Nature, 378, 368-371.
Rasmussen, B. (2005): Zircon growth in very low grade metasedimentary rocks: evidence
for zirconium mobility at ≈ 250 °C. Contrib. Mineral. Petrol., 150, 146-155.
Reichmann, H.J., and Jacobsen, S.D. (2005): Sounds wave velocities and elastic
constants of ZnAl2O4 spinel and implications for spinel-elasticity systematics.
American Mineralogist, akzeptiert.
Reichmann, H.J., Jacobsen, S.D., Mackwell, S.J., and McCammon, C.A. (2000):
Sound wave velocities and elastic constants for magnesio-wüstite using gigahertz
ultrasonic interferometry. Geophysical Research Letters, 27, 799-802.
Rickers K, Thomas R, and Heinrich W (2004): Trace-element analysis of individual
synthetic and natural fluid inclusions with synchrotron radiation XRF using
Monte Carlo simulations for quantification. Eur J Miner 16: 23-35.
Rickers K, Thomas R, and Heinrich W (2006): The behaviour of trace elements
during the chemical evolution of the H2O, B, and F-rich granite-pegmatite-hydrothermal
system at Ehrenfriedersdorf, Germany: A SXRF study of melt and fluid
inclusions. Mineralium Deposita, submitted.
Rosner, M., Erzinger, J., Franz, G., Trumbull, R.B., (2003): Slab-derived boron isotope
signatures in arc volcanic rocks from the Central Andes and evidence for boron
isotope fractionation during progressive slab dehydration. Geochemistry, Geophysics,
Geosystems 4, 1-25.
Scheck, M., Bayer, U., Lewerenz, B., (2003): Salt redistribution during extension
and inversion inferred from 3D backstripping. Tectonophysics 373, pp. 55-73.
Schirrmeister, W., (1996): Aus der Literatur überlieferte Angaben über natürliche
Salzwasseraustritte an der Grundwasseroberfläche/Geländeoberfläche in Brandenburg.
Brandenburgische Geowissenschaftliche Beiträge, 3: 94-96.
Shapiro, S. A., Kummerow, J., Dinske, C., Asch, G., Rothert, E., Erzinger, J., Kümpel,
H.-J. und Kind, R. (2006): Fluid induced seismicity guided by a continental
fault: Injection experiment of 2004/2005 at the German Deep Drilling Site (KTB),
Geophys. Res. Lett., 33, L01309, doi: 10.1029/2005GL024659.
Sliaupa, S., (2004): RW disposal prospects in Lithuania. http://esd.lbl.gov/IAE-
Anetworktraining/ session_summaries/pdfs/Sess_04_Sliaupa.pdf.
Snowdon, L.R., (2001): Natural gas composition in a geological environment and
the implications for the processes of generation and preservation. Organic Geochemistry,
32, 913-931.
Thomas R (1982): Ergebnisse der thermobarogeochemischen Untersuchungen an
Flüssigkeitseinschlüssen in Mineralen der postmagmatischen Zinn-Wolfram-Mineralisation
des Erzgebirges. Freiberger Forsch-H C 370.
Thomas R, Förster HJ, and Heinrich W (2003): The behaviour of boron in a peraluminous
granite-pegmatite system and associated hydrothermal solutions: a melt
and fluid-inclusion study. Contrib Mineral Petrol 144: 457-472.
Thomas R, Webster JD, and Heinrich W (2000): Melt inclusions in pegmatite
quartz: complete miscibility between silicate melts and hydrous fluids at low pressure.
Contrib Mineral Petrol 139: 394-401.
Thomas, R. (2000): Determination of water contents of granite melt inclusions by
confocal laser Raman microprobe spectroscopy. Am. Mineral. 85, 868-872.
Thomas, R. (2002): Determination of water contents in melt inclusions by laser Raman
spectroscopy. Workshop – Short course on volcanic systems, geochemical and geophysical
monitoring – Melt inclusions: methods, applications and problems. Edts.: B.
De Vivo and R.J. Bodnar, September 26-30th in Napoli, Italy, Proceedings, 211-216.
Thomas, R., Förster, H.-J., Rickers, K. und Webster, J.D. (2005): Formation of extremely
F-rich hydrous melt fractions and hydrothermal fluids during differentiation
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

of highly evolved tin-granite magmas: a melt/fluid-inclusion study. Contrib. Mineral.
Petrol. 148, 582-601.
Thomas, R., Kamenetsky, D. und Davidson, P. (2006): Laser Raman spectroscopic
measurements of water in unexposed glass inclusions. Amer. Mineral. 91 (in
press).
Trumbull, R. B., Bühn, B., Romer, R.L. und Volker, F. (2003): The petrology of
basanite-tephrite intrusions in the Erongo complex and implications for a plume
source of Cretaceous alkaline complexes in Namibia. Journal of Petrology, 44, 93-
112.
Trumbull, R.B., Vietor, T., Hahne, K., Wackerle, R. und Ledru, P. (2004): Aeromagnetic
mapping and reconnaissance geochemistry of the Early Cretaceous Henties
Bay-Outjo mafic dike swarm, Etendeka Igneous Province, Namibia. Journal
of African Earth Sciences, 40, 17-29.
Van Hoorn, B., (1987): Structural evolution, timing and tectonic style of the Sole
Pit inversion. Tectonophysics 137, pp. 239-284.
Vejbaek, O., V., Britze, P., (1994): Top of the pre-Zechstein rocks. Sub- and supercrop
map: Danmarks Geologiske Undersogelse (DGU) Miloeministeriet, Copenhagen,
DGU map series no. 45, 1 sheet, scale 1:750 000.
Vieth, A. and Wilkes, H. (2005): Deciphering biodegradation effects on light hydrocarbons
in crude oils using their stable carbon isotopic composition: a case study
from the Gullfaks oil field, offshore Norway. Geochim Cosmochim Acta in press.
Weidenfeller B., Höfer M., Schilling F.R. (2004): Thermal Conductivity, Thermal
Diffusivity, and Specific Heat Capacity of Particle Filled Polymers, Composites
Part A, Applied Sciences and Manufacturing, 35, 423-430.
Weidenfeller B., Höfer M., Schilling F.R. (2005): Cooling behavior of particle filled
polypropylene during injection molding process, Composites Part A, Applied
Sciences and Manufacturing, 345-351.
Wenger, L.M., Davis, C.L., Isaksen, G.H., (2001): Multiple controls on petroleum
biodegradation and impact on oil quality. SPE Reservoir Evaluation and Engineering
5, 375-383.
Widdel, F., Rabus, R., (2001): Anaerobic biodegradation of saturated and aromatic
hydrocarbons. Current Opinion in Biotechnology 12, 259-276.
Wiedicke M., Sahling H., Delisle G., Faber E., Neben S., Beiersdorf H., Marchig
V., Weiss W., Von Mirbach N. and Afiat A. (2002): Characteristics of an active vent
in the fore-arc basin of the Sunda Arc, Indonesia. Marine Geology 184, 121-141.
Wilkes, H., Kühner, S., Bolm, C., Fischer, T., Classen, A., Widdel, F., Rabus, R.,
(2003): Formation of n-alkane- and cycloalkane-derived organic acids during anaerobic
growth of a denitrifying bacterium with crude oil. Organic Geochemistry
34, 1313-1323.
Wunder, B., Meixner, A., Romer, R.L. & Heinrich, W. (2006): Temperature-dependent
isotopic fractionationof lithium between clinopyroxene and high-pressure fluids.
Contributions to Mineralogy and Petrology 151, 112-120.
Wunder, B., Meixner, A., Romer, R.L., Wirth, R. & Heinrich, W. (2005): The geochemical
cycle of boron: Constraints from boron isotope partitioning experiments
between mica and fluid. Lithos 84, 206-216.
Zajacz, Z., Halter, W., Malfait, W.J., Bachmann, O., Bodnar, R.J., Hirschmann,
M.M., Mandeville, C.W., Morizet, Y., Muntener, O., Ulmer, P. und Webster, J.D.
(2005): A composition-independent quantitative determination of the water content
in silicate glasses and silicate melt inclusions by confocal Raman spectroscopy.
Contrib. Mineral. Petrol. 150, 631-642.
Ziegler, P. (1990): Geological atlas of Western and Central Europe. 2nd ed. Geol.
Soc. Publ. House, Bath, Shell International Petroleum Mij., B.v., 239 pp.
Zink, K.-G., Mangelsdorf, K. (2004): Efficient and rapid method for extraction of
intact phospholipids from sediments combined with molecular structure elucidation
using LC-ESI_MS-MS analysis. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 380,
798-812.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
371

372
Zusammenbau des Bohrlochkopfes für das moderate Injektionsexperiment im Dezember 2004 in der Geothermie-Forschungsbohrung
Groß Schönebeck 3/90 (Foto: M. Poser, GFZ).
Setup of the well head to be used for the injection experiment in the research borehole Groß Schönebeck 3/90.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Department 5
Geoengineering
Die Arbeiten des Departments 5 „Geoengineering“ tragen
zu einem nachhaltigen Umgang mit dem Lebensraum
Erde bei. Dies betrifft besonders die Themenfelder Gestaltung,
Sicherung und Nutzung der Erdoberfläche und
des Untergrundes als Verkehrs- und Wirtschaftsraum (Sektion
5.1 „Umweltgeotechnik“), die Gewinnung erneuerbarer
Energien aus Erdwärme (Sektion 5.2 „Geothermie“)
sowie die Vorsorge vor Georisiken (Sektion 5.3 „Ingenieurseismologie“und
Sektion 5.4 „Ingenieurhydrologie“).
Umweltgeotechnik
In der Sektion „Umweltgeotechnik“ werden Forschungsarbeiten
zu Entwicklung und Einsatz von Monitortechnologien
und Sicherheitsmethoden für das Geo- und Reservoir-Engineering
durchgeführt. Diese konzentrierten sich
in der Berichtsperiode 2004/2005 auf die geologische
Speicherung von Kohlendioxid (CO 2), auf die unterirdische
seismische Vorauserkundung beim Tunnelbau sowie
auf das ingenieur-geophysikalische Monitoring von Deichen
bei Hochwasser.
Geologische Speicherung von CO 2
In Deutschland decken Öl, Gas und Kohle heute fast 85 %
des Energiebedarfs. Hierbei werden jährlich ca. 850 Millionen
Tonnen CO 2 durch die Verbrennung fossiler Energierohstoffe
in die Atmosphäre emittiert. Eine erfolgversprechende
Möglichkeit zur Reduktion dieser Emissionen
ist CCS Carbon Capture and Storage, die Abtrennung des
CO 2 vor oder nach der Verbrennung und seine Einlagerung
in tiefe Grundwasserspeicher (saline Aquifere) oder
ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten (Borm, G. und Förster,
A., 2005).
Mehrere Gemeinschaftsprojekte wurden von der EU europaweit
und in Deutschland sowohl vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie BMWi als auch vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF
gestartet, um die Abtrennung des CO 2 aus Verbrennungsprozessen
und die Möglichkeit seiner Rückführung in den
geologischen Untergrund zu erforschen.
Integriertes EU-Projekt CO 2SINK
In ihrem 6. Forschungsrahmenprogramm fördert die Europäische
Union das integrierte Projekt CO 2SINK (CO 2 Storage
by Injection Into the Natural Reservoir Ketzin,
http://www.co2sink.org), das vom GeoForschungsZentrum
Potsdam koordiniert wird. Europaweit ist es das erste
Projekt auf dem Festland zur umfassenden Erforschung
der geologischen Speicherung von CO 2. Im Zentrum der
wissenschaftlichen Untersuchungen stehen die Erschließung
des Speichers, die Einbringung des CO 2 und die
Beobachtung und Kontrolle der chemischen und physikalischen
Prozesse im unterirdischen Reservoir. Weitere
Ziele sind Erstellung und Test numerischer Modelle, Entwicklung
von Risikobewertungsstrategien und öffentliche
Akzeptanz.
CO 2SINK startete am 01. 04. 2004 und hat eine Laufzeit
von fünf Jahren. Darin wird eine Pilotanlage zur unterirdischen
Speicherung von CO 2 in einem tiefen salinen
Aquifer im brandenburgischen Ketzin (Abb. 5.1) vorbereitet.
Der Speicherhorizont befindet sich in über 700 m
Tiefe und ist nach oben durch undurchlässigen Tonstein
abgedichtet. In Kooperation mit 15 universitären und industriellen
Partnern aus 8 Ländern wurden geologische,
geochemische und geophysikalische Voruntersuchungen
des geplanten Speicherstandortes durchgeführt (CO 2SINK,
2005).
Der geplante Geospeicher liegt nahe der Stadt Ketzin im
Havelland, etwa 30 Kilometer westlich von Berlin. Der
Injektionsort ist die Obertageanlage des ehemaligen Erdgasspeichers
der Verbundnetz Gas AG in Ketzin. Dieser
hat gegenüber anderen Lokationen erhebliche Vorteile:
Die vorhandene Infrastruktur an der Erdoberfläche kann
für das Projekt genutzt werden und reduziert so die Entwicklungskosten
für den Speicherplatz. Die Geologie der
Struktur ist gut bekannt und repräsentativ für weite Teile
Europas, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse wesentlich
erleichtert. Die lokale Politik unterstützt das Projekt,
und die Genehmigungsbehörden sind direkt in die Projektvorbereitung
eingebunden (Abb. 5.2).
Die Speicherung von CO 2 soll auf dem östlichen Strukturteil
der aufgewölbten Doppelstruktur (Doppelantiklinale)
Roskow-Ketzin erfolgen (Abb. 5.3). Darin strömt
das Gas durch Auftrieb in Richtung Kuppe und reichert
sich dort an. Durch die Gasinjektion wird ein Teil des
Porenwassers im Gestein verdrängt. Längerfristig wird
Abb. 5.1: CO 2SINK-Projekt, Speicherstandort Ketzin
(Foto: VNG).
Project CO 2SINK, aerial view of the Ketzin site.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
373

374
Abb. 5.2: Bohrturm an der Lokation Ketzin (Foto: L. Wohlgemuth,
GFZ).
Drill rig at the Ketzin site.
Abb. 5.3: Karte der Roskow-Ketzin-Doppelstruktur mit Detailkarte Topbereich
Ketzin-Antiklinale. Dargestellt sind die Tiefenlage des seismischen
Reflektors K2 (etwa 80 m oberhalb der Stuttgart-Formation) und die Lage
des CO 2SINK-Bohrplatzes (gelber Punkt). Die Detailkarte zeigt die Erstreckung
der 3D-Seismik und die Oberflächenmessstationen zur Erfassung der
natürlichen CO 2-Flusses (grüne Dreiecke).
Map of the Roskow-Ketzin double anticline with detail of the top of the Ketzin
Anticline. The location of the CO 2SINK drill-site (yellow dot) and the
isobaths of the seismic reflector K2 are shown (about 80 m above the Stuttgart
formation). The detail map depicts the area of the 3D-seismic survey
as well as the surface stations to monitor the natural CO 2 flux (green triangles).
sich ein Teil des CO 2 im Wasser lösen. Zur Abschätzung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der räumlichen
Ausdehnung des CO 2 werden auch numerische Modelle
entwickelt, die zur Optimierung des Injektionsprozesses,
des Monitoringkonzeptes und zur Prognose des Langzeitverhaltens
eingesetzt werden. Die Kalibrierung und
Verifizierung der Modelle erfolgt mit Hilfe von Laboruntersuchungen
und In-Situ-Messungen im Untergrund.
Sie bilden die Basis für die Abschätzung des Risikos einer
Leckage.
Um die Ausbreitung des CO 2 im Untergrund zu beobachten,
werden neben einer Injektionsbohrung zwei Beobachtungsbohrungen
niedergebracht, die für geochemische
Untersuchungen, seismische Durchschallungs-Messungen
und zur Durchführung geoelektrischer Tomographie
genutzt werden. Die Messungen werden vor, während und
nach der Injektion in Zeitabständen wiederholt, die methodenabhängig
sind (sogenannte time-lapse-Messungen).
Die Kombination seismischer und elektrischer time-lapse-
Methoden ermöglicht die Erfassung von zeitlichen Entwicklungen
des Reservoirs – z. B. der Verteilung der CO 2-
Sättigung – auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen.
Seit April 2004 werden am Standort kontinuierliche Oberflächenmessungen
zur Erfassung des natürlichen CO 2-
Flusses oberhalb des vorgesehenen Untergrundspeichers
durchgeführt. Um die Ausgangssituation vor Beginn der
CO 2-Injektion zu erfassen und zusätzliche Informationen
über die Struktur des Untergrundes zu
erhalten, wurde im Herbst 2005 eine seismische
3D-Erkundung (Abb. 5.4) durchgeführt
(„baseline“), die derzeit ausgewertet
wird.
Bei der Evaluierung des ersten Projektjahres
am 01. 06. 2005 bestätigten die Gutachter
der EU, dass CO 2SINK seine Ziele
im gesetzten Zeit- und Kostenrahmen
erfüllen kann und ohne Abstriche weiter
gefördert werden soll.
CO 2SINK ist auch ein CSLF-Projekt
(„International Carbon Sequestration
Leadership Forum“, http://www.cslforum.org).
Das Testgelände in der Nähe der
Hauptstadt Berlin bietet die einzigartige
Möglichkeit, ein Pilotprojekt zur Speicherung
von CO 2 mitten in Europa zu entwickeln.
Es soll dazu beitragen, die öffentliche
Akzeptanz für eine geologische
Speicherung von CO 2 als Option für den
Klimaschutz zu gewinnen und zu stärken.
Am 29./30. Sept. 2005 fand am GFZ Potsdam
der „1st International Workshop on
CSLF Pilot Projects“ des Internationalen
„Carbon Sequestration Leadership
Forum CSLF“ statt, an dem 150 Wissenschaftler
aus 20 Nationen teilnahmen
(Abb. 5.5).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.4: Anregung seismischer Impulse durch Fallgewicht
(Foto: S. Lüth, GFZ ).
Excitation of seismic pulses by weight-drop.
Verbundprojekt CO 2SINK-CORTIS im BMWi-Programm
COORETEC
CO 2SINK ist der Kern eines umfassenden Forschungsprogramms
zur Untersuchung der vollständigen Verfahrenskette
von der Quelle bis zur Senke des CO 2. Für eine
realitätsnahe Untersuchung der CO 2-Speicherung werden
ca. 60.000 Tonnen CO 2 für zunächst zwei Jahre benötigt.
Diese soll das vom GFZ Potsdam koordinierte Teilprojekt
CO 2SINK-CORTIS (CO 2 Recovery, Transportation, and
Intermediate Storage) im BMWi-Programm COORETEC
(http://www.cooretec.de) sicherstellen. Es wird vom
BMWi und der Industrie gefördert, startete am 01. 12. 2005
und hat eine Laufzeit von drei Jahren.
CO 2SINK-CORTIS soll sich auf die übertägigen Aspekte
der CO 2-Injektion und auf die Bereitstellung von
60.000 Tonnen CO 2 für 24 Monate ab Ende 2006 konzentrieren.
Hierzu gehören Abtrennung und Transport des
Gases zum Injektionsort, Ermittlung des optimalen Injektionszustands
(Druck, Temperatur, Gasqualität), Auswahl,
Planung und Beschaffung der Anlagenkomponenten sowie
Vorbereitung und Durchführung des Injektionsbetriebs.
Abb. 5.5: Teilnehmer am „1st International Workshop on CSLF Pilot Projects“,
GFZ Potsdam, Sept. 29, 2005 (Foto: E. Gantz, GFZ).
Participants of the „1st International Workshop on CSLF Pilot Projects“,
GFZ Potsdam, Sept. 29, 2005.
Zahlreiche Optionen zur CO 2-Bereitstellung wurden untersucht
und hinsichtlich des technischen und finanziellen
Aufwands sowie einer termingerechten Realisierbarkeit
bewertet. Weitere Vorarbeiten wurden zur Klärung des
Injektionsregimes durchgeführt, speziell zur Frage, mit
welchem Druck und welcher Temperatur das CO 2 in den
Speicher einzubringen ist. Das CO 2 soll in Ketzin gasförmig
mit einem Druck von 66 bis 74 bar und einer Temperatur
von 29 bis 45 °C injiziert werden. Da es als Flüssigkeit
(bei 12 bar, –35 °C) angeliefert wird, müssen Druck
und Temperatur für die Injektion unter technischen und
wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden.
Verbundprojekt COSMOS im BMBF/DFG-Programm
GEOTECHNOLOGIEN
Unter Koordination des GFZ Potsdam wurde ein Antrag
an das BMBF im Sonderprogramm „GEOTECHNOLO-
GIEN“ (http://www.geotechnologien.de/forschung/
untergrund.pdf) entwickelt, mit dem das Projekt „COS-
MOS – CO 2 Speicherung, Monitoring und Sicherheitstechnologie“
eingeworben werden konnte. Hieran sind
neben dem GFZ die Universitäten Karlsruhe und Freiberg
sowie zwei Energiekonzerne beteiligt. Das Projekt startete
am 01. 04. 2005 und hat eine Laufzeit von drei Jahren.
Ein wesentliches Ziel ist die Entwicklung von CO 2 -Injektionsbohrungskomponenten
und CO 2-resistenten Zementen
sowie Untersuchungen zur Integrität der abdichtenden
Schichten bei Einwirkung von CO 2. Außerdem sollen In-
Situ-Bohrlochmessungen durchgeführt werden, um technische
Standards für eine optimale Injektion sowie zur
Diagnose und Lösung der dabei anfallenden Probleme zu
entwickeln, Speicherstrategien zu verbessern und Simulationsmodelle
zu verifizieren. Hierbei wird ein neues
Konzept für eine sogenannte intelligente Bohrung (smart
casing) realisiert, bei dem permanente elektrische Sensoren
– Elektroden und Sonden – hinter der Verrohrung in
die Zementierung der Injektions- und Beobachtungsbohrungen
eingebracht werden (Abb. 5.6).
Diese Sensoren dienen sowohl der Überwachung
der Bohrlochintegrität als auch
dem Monitoring der CO 2-Ausbreitung im
Untergrund. Neben der Bestimmung der
Temperaturänderung sind die Erfassung
mikroseismischer Ereignisse und elektrischer
Reservoireigenschaften geplant.
Außerdem soll während der CO 2-Injektion
eine kontinuierliche Erfassung des
Injektiondrucks in situ erfolgen. Die Auswirkungen
des CO 2 auf die Verrohrung
und Zementierung sind zu untersuchen.
Das Konzept für die Ausführung der Bohrungen
ist mit dem brandenburgischen
Landesamt für Geologie und Bergbau
abgestimmt, das Genehmigungsverfahren
ist eingeleitet. Das Projekt kooperiert
mit CO 2SINK und profitiert von dessen
starker industrieller und wissenschaftlicher
Beteiligung. CO 2SINK bietet für
COSMOS den Zugang zum Testfeld mit
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
375

376
Abb. 5.6: Schematische Darstellung des Smart-Casing-Konzepts mit den Details eines mikroseismischen Moduls (triaxialer
Empfänger).
Schematic of the smart-casing concept with details of a microseismic triple axis sensor.
Infrastruktur, Bohrlöchern usw., und die Forschungs- und
Entwicklungsziele von COSMOS ergänzen die von
CO 2SINK sinnvoll.
CO 2 Capture Programme CCP
Das CO 2 Capture Project CCP (http://www.co2captureproject.org)
wird von der EU, dem US Department of
Energy und dem Norwegian Research Council KLIMA-
TEK-Programm, zusammen mit acht internationalen Ölkonzernen
gefördert. In diesem Programm unternahm das
GFZ Potsdam umfangreiche triaxiale Hochdrucktests mit
Fluiddurchströmung im Labor zur Untersuchung des Einflusses
der Injektion von CO 2 auf die physikalischen
Eigenschaften von Speichergesteinen aus tiefen salinen
Aquiferen. Die Experimente wurden an verschiedenen
Gesteinsproben unter simulierten In-Situ-Druck- und
Temperaturbedingungen durchgeführt. Die Messungen
der physikalischen und chemischen Effekte, die aus der
Wechselwirkung der Gesteine mit Salzlösung und superkritischem
CO 2 resultieren, erfolgten in einer triaxialen
Hochdruckzelle und in Autoklaven. Auch wurden Experimente
zu Fluid/Gesteins-Wechselwirkungen an gemahlenem
Gesteinsmaterial zur Homogenisierung der Proben
und zur Erhöhung der den Fluiden ausgesetzten Proben-
oberflächen und damit der Reaktionsgeschwindigkeiten
durchgeführt (Schütt et al., 2005).
Tunnelseismische Vorauserkundung
Weltweit befindet sich der Untertagebau im Aufwind. In
stark bevölkerten Gebieten bleibt als letzter verfügbarer
Raum für Infrastrukturen vielfach nur noch der Untergrund.
In den Städten erzwingen restriktive Randbedingungen
infolge Flächenknappheit, immer stärkeren Lärmund
Umweltschutzauflagen sowie mangelnder Akzeptanzbereitschaft
der Bevölkerung gegenüber Baubelästigungen
das Ausweichen in die Tiefe durch den Bau von
U-Bahnen, Straßentunneln, Rohrleitungen, Parkkavernen
und sogar ganzen Bahnhöfen.
Auch die Basistunnel der neuen transeuropäischen Eisenbahnhochgeschwindigkeitsstrecken
durch die Alpen sind
technische Herausforderungen ersten Ranges mit ihren
großen Längen, hohen Gebirgsüberlagerungen, den damit
verbundenen hohen Temperaturen und Spannungen, und
besonders komplexen geotechnischen Bauvorgängen.
Anforderungen dieses Umfangs wurden bisher noch nirgendwo
auf der Erde bewältigt und lösen richtungsweisende
Impulse in der Grundlagen- und angewandten For-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

davor liegt die sog. Piora-Mulde, die sich
durch hohen Wassergehalt und geringe
mechanische Stabilität ausprägt. Die
Messungen sollten zeigen, ob sich der
Übergang vom Lukmanier-Gneiss zur
Piora-Mulde seismisch nachweisen lässt.
Zur Anregung wurden für das TSP-System
20 Sprengladungen zu je 100 g in ca.
2 m tiefen Bohrlöchern verwendet. Für
das ISIS-System wurden Anregungen mit
dem am GFZ entwickelten pneumati-
Abb.5.7:Geologisch-geotechnisches Profil am Piora-Sondierstollen des Gottschen Impakthammer erzeugt. Für die
hard-Basistunnels mit Positionierung der seismischen Auslage.
Registrierung kamen jeweils zwei Geo-
Geological-geotechnical profile of the Piora adit of the Gotthard base tunphonanker des GFZ Potsdam und zwei
nel with positioning of the seismic layout.
Piezo-Akzelerometer von AMT zum Einsatz.
Die Abb. 5.9 zeigt ein „receiver gather“
eines der Empfänger nach der Datenbearbeitung mit
dem Software-Modul von ISIS. Die Datenbearbeitung
bestand aus einer Entfernung direkter P-, S- und Rayleigh-
Wellen mittels eines Medianfilters, eines Bandpassfilters
und einer laufzeitabhängigen Amplitudenkorrektur.
Abb. 5.8: Seismische Messungen im Piora-Sondierstollen
(Foto: S. Mielitz, GFZ).
Seismic measurements in the Piora adit.
schung aus wie z. B. die hochauflösende
seismische Vorauserkundung während
eines Tunnelvortriebs.
Integriertes Seismisches Imaging System
ISIS für den Tunnelbau
Für Erkundung und Monitoring untertage
führte das GFZ beim Bau des Gotthard-Basistunnels
in den Schweizer Zentralalpen
hochauflösende seismische
Messungen zur Vorhersage geologischer
Störungszonen durch (Giese et al, 2005).
Damit konnte das vom GFZ entwickelte
Integrierte Seismische Imaging System
ISIS in der Praxis erfolgreich erprobt werden
(Borm, G. und Giese, R., 2004).
Im Piora-Sondierstollen der Baustelle
zum Gotthard-Basistunnel Süd (Abb. 5.7,
5.8) wurden im März 2005 reflexionsseismische
Messungen in Zusammenarbeit
mit der Firma Amberg Messtechnik
AG (AMT) und dem GGA-Institut Hannover
durchgeführt.
Die Messungen erfolgten an der Ortsbrust
des Sondierstollens; 30 bis 40 m
Die bearbeiteten Daten zeigen von der Ortsbrust des
Tunnels reflektierte Tunneloberflächenwellen (Pfeil 1 in
Abb. 5.9) und Rayleigh-Wellen, die an der Ortsbrust zu
Scherungswellen konvertiert sind, weiter in Tunnelvortriebsrichtung
gelaufen sind, reflektiert wurden und
dann als rekonvertierte Oberflächenwellen wieder an
der Tunnelwand zurückkommen. Diese Einsätze haben
eine negative Scheingeschwindigkeit, und ihre Laufzeit
wird mit zunehmendem Abstand von Quelle und Empfänger
kleiner (Pfeil 2 in Abb. 5.9). Die seismische
Abb. 5.9: Seismogramme der Hammerschläge nach der Datenbearbeitung.
Receiver gather von RCV-ISIS, Z-Komponente.
Seismograms of the hammer impacts after processing, receiver gather of
RCV-ISIS, Z (vertical) component.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
377

378
Abb. 5.10: Migration der Seismogramme. a) Kirchhoff SS Migration von Empfänger 2 und Schuss 1 bis 36. Für die
Migration wurde ein homogenes Geschwindigkeitsmodell (V s = 2.900 km/S) verwendet. b) Kirchhoff SS Migration von
Empfänger 1 und Schuss 42 bis 76. Außerdem sind zwei Erkundungsbohrungen eingezeichnet, entlang derer der RQD-
Wert (Rock Quality Designation) codiert ist. Violette Bereiche bedeuten niedrige RQD-Werte (hohe Kernverluste, Bruchzonen),
rote Bereiche hohe RQD-Werte (relativ geringe Kernverluste, kompaktes Gebirge.
Migrated sections of the seismograms. a) Kirchhoff SS migration of receiver 2 and shots 1 through 36. A homogeneous
velocity model (v s = 2900 km/s) was used. b) Kirchhoff SS migration of receiver 1 and shots 42 through 76. Two exploratory
wells are shown along which the RQD value is indicated (RQD: Rock Quality Designation). Magenta indicates
low RQD values (high core losses, fault zones), red indicates high RQD values (relatively low losses of drillcore, stable
rock mass).
Abbildung dieser Reflektionen mit Hilfe einer Kirchhoff
Migration ergibt eine Reflektivitätsverteilung vor
der Ortsbrust, in der markante Diskontinuitäten, wie in
diesem Fall die Piora-Mulde, deutlich erkannt werden
können (Abb. 5.10).
Beim Wissenschaftssommer im September 2004 in Stuttgart
wurde das Seismische Imaging Systems ISIS der
Öffentlichkeit vorgestellt (Abb. 5.11).
Abb. 5.11: Antransport eines Kalksteins am Stuttgarter
Schloss zur Demonstration von ISIS beim Wissenschaftssommer
2004 (mit freundlicher Unterstützung der Ed.
Züblin AG).
Delivery of a limestone at the Stuttgart Castle for the
demonstration of ISIS during the Science Summer 2004
(kindly supported by Ed. Züblin AG).
Das BMBF/DFG-Sonderprogramm GEOTECHNOLO-
GIEN, die GeoUnion und das Konsortium Deutsche Meeresforschung
luden zu einem Parlamentarischen Abend
am 24. 11. 2004 im Haus der Bundespressekonferenz ein.
Auch hier war das GFZ Potsdam mit einem Ausstellungsstand
zu ISIS „Verkehrsplanung mit Weitblick – Tunnelbau
mit modernen Vorauserkundungsmethoden“ vertreten.
Geophysikalisches Monitoring von Deichen bei
Hochwasser
In Kooperation mit der Universität Karlsruhe wurden im
Rahmen des BMBF-Projekts „Versagen von Deichen und
Dämmen auf und mit Lehmzonen bei Hochwasser“ neue
Methoden der hochauflösenden seismischen Messung zur
Abbildung der Durchfeuchtung eines Lehmdeiches bei
Hochwasser entwickelt, um die Versagenswahrscheinlichkeit
des Deiches bei verschiedenen Flutszenarien ermitteln
zu können. Die Durchfeuchtungsprozesse in Deichen
wurden an idealisierten Modelldeichen untersucht. Dazu
sollten die Strukturen im Inneren des Deichkörpers hinsichtlich
ihrer Materialzusammensetzung sowie Wassergehalt
und Lagerungsdichte bestimmt werden. Um eine
möglichst hohe Auflösung zu erhalten, wurde als seismische
Quelle ein magnetostriktiver Minivibrator verwendet,
der Frequenzen bis zu 6 kHz anregen kann.
Zur Vorbereitung wurde am GFZ Potsdam an einem
Versuchsdeich (Abb. 5.12) das seismische System getestet
und hinsichtlich der Versuchsbedingungen optimiert.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.12: Versuchsdeich mit seismischer Quelle und Empfängern
am GeoForschungsZentrum Potsdam (Länge 5 m,
Breite 0,3 m, Höhe 1,2 m; Foto: K. Jaksch, GFZ).
Model dike with the seismic source and receivers at the
GFZ Potsdam (length 0.3 m, width 5 m, height 1.2 m).
Der Versuchsdeich wurde mit einem annähernd homogenen
Lehmmaterial verfüllt und auf einer Seite abgeschlossen,
um das Fluten mit Wasser zu ermöglichen.
Vor den Messungen wurden Tests der seismischen Sweep-
Quelle durchgeführt, um einen möglichst hohen Energieeintrag
in den gewünschten Frequenzbereichen zu erreichen
und Oberflächenwellen zu unterdrücken. Das obere
Diagramm in Abb. 5.13 zeigt ein Sweep-Signal, mit dem
der Vibrator angeregt wird, mit Frequenzen von 100 bis
6.100 Hz und konstanten Amplituden. Im unteren Diagramm
erkennt man aus dem Kopfsignal, das direkt an
der Ankopplungsfläche aufgezeichnet
wurde, wie sich die Amplituden des
Sweeps durch die Materialeigenschaften
des Deiches und die Übertragungseigenschaften
des Vibrators ändern.
Ein langfristiger Durchfeuchtungsversuch
mit einem konstanten Wasserstand
von einem Meter (Abb. 5.12) wurde
begonnen. Anfangs in Stunden- und später
in Tagesabständen wurden seismische
Messungen durchgeführt, um den zeitlichen
Durchfeuchtungsverlauf zu erfassen.
Die Untersuchungen haben gezeigt,
dass die fortschreitende Durchfeuchtung
des Versuchsdeiches sich in deutlichen
Veränderungen der Amplituden des
Sweep-Signals auswirkt. Ein wesentliches
Ziel der Untersuchungen ist die Herleitung
von Beziehungen zwischen den
seismischen Messgrößen (z. B. Geschwindigkeiten
und Dämpfungen) und
den bodenmechanischen Parametern. An
Modelldeichen des Instituts für Wasser
und Gewässerentwicklung (IWG), Bereich
Wasserwirtschaft und Kulturtechnik,
der Universität Karlsruhe mit Wasserstandssteuerung
zur Simulation von
Hochwasserszenarien wurden geotechnische, hydraulische
und seismische Untersuchungen durchgeführt. Dazu
wurden vier Deiche aufgebaut, bei denen das Bodenmaterial,
die Böschungen und die Hochwasserszenarien variiert
wurden. Das Schuss- und Empfänger-Array bestand
aus drei parallelen Messlinien mit 3-Komponenten-Geophonen.
Abb. 5.14 zeigt die Messkonfiguration.
Bis Ende April 2005 wurden die seismischen Messungen
an den großmaßstäblichen Modelldeichen im Theodor-
Rehbock-Laboratorium des IWG der Universität Karlsruhe
durchgeführt. Soweit möglich, wurden die verschiedenen
Hochwasserszenarien begleitend gemessen.
Dazu wurde an zwei Modelldeichen mit unterschiedlicher
Materialzusammensetzung gemessen. Über die gesamte
Messzeit bewährte sich die vom GFZ Potsdam entwickelte
Messtechnik, wie z. B. die speicherprogrammierbare
Steuerung des Positionierungswagens und die
Anpressvorrichtung der Quelle unter Dauerbelastung
(Abb. 5.15).
Für die Signalaufzeichnung wurden vier 24-kanalige und
bis zu 55 zweikanalige Summit Aufzeichnungsgeräte eingesetzt.
In Tests während der Trockenphase des Modelldeiches
vor dem ersten Einstau wurde das für die Messungen
benutzte Sweep-Signal festgelegt: Sweep-Dauer
0,5 s, Frequenzband 300 bis 6.300 Hz. Eine softwaregesteuerte
Regelung des Sweep begrenzt die auftretenden
Beschleunigungswerte und verteilt die eingebrachte Energie
gleichmäßig über das Frequenzband.
Die Dauer eines Messdurchlaufs für 54 Quellpunkte betrug
bis zu drei Stunden. Mit zunehmender Durchfeuchtung des
Abb. 5.13: Anwendung des Echzeit-Regelungssystems auf einen linearen
Sweep (Frequenzband 100 bis 6.100 Hz). Alle Sweepfrequenzen des geregelten
Sweeps (grüner Graph) werden mit ungefähr gleichen Amplituden
angeregt. Beim ungeregelten Sweep (blauer Graph) sind hingegen die Resonanzfrequenzen
deutlich zu erkennen.
Application of the real-time control system at the linear sweep (here 100 to
6100 Hz) leads to the regulated sweep signal (green graph). All frequencies
were stimulated nearly with the same amplitudes, whereas at the unregulated
sweep (blue graph) the resonant frequencies are clearly seen.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
379

380
Deiches und größeren Stauhöhen verringerten sich die
Anzahl der Quellpunkte und die Messdauer. Die Auswertungen
der Messungen zeigten eine gute Qualität der seismischen
Daten. Die Messungen im trockenen Zustand
zeigten ein komplexes Wellenfeld, das von direkten Kompressionswellen,
Oberflächenwellen sowie
reflektierten und refraktierten Wellen
der Deichmodellbegrenzungen dominiert
wird. Im Nahbereich der Quelle wird das
gesamte angeregte Frequenzspektrum in
den Boden eingetragen. Im Verlauf einer
Hochwasserperiode kann man darin eine
Zunahme der Dämpfung und Abnahme
der seismischen Wellengeschwindigkeiten
mit zunehmender Durchfeuchtung des
Deiches erkennen.
Die Förderung dieses Projektes durch das
BMBF lief planmäßig zum 31. 12. 2005
aus. Am GFZ Potsdam wird es im Rahmen
einer Dissertation bearbeitet, die in
den kommenden Monaten fertiggestellt
werden soll.
Geothermie
Explorationsgeologie im Geoengineering
Die Anwendung und Weiterentwicklung
von Methoden zur Auffindung, Charakterisierung
und Nutzbarmachung unterirdischer
Ressourcen ist ein wesentlicher
Schwerpunkt geowissenschaftlicher Forschung
in der Sektion Geothermie. Re-
Abb. 5.14: Messanordnungen der Quell- und 3-Komponenten-Geophonpunkgionalspezifischeexplorationsgeologite für die Modelldeichversuche am IWG der Universität Karlsruhe. sche Arbeiten erfolgen sowohl im For-
Seismic survey consisting of source points and 3-component-geophoschungsthema „Geoengineering“, das
nes for the model dikes at the test facility at the IWG, Universtität Karls- sich u. a. mit der geologischen Speicheruhe.rung
von CO2 befasst, als auch im Forschungsthema
„Geothermische Technologieentwicklung“,
das den Ausbau des In-Situ-Geothermielabors
Groß Schönebeck zu einer geothermischen
Anlage für die Stromgewinnung vorsieht.
Abb.5.15: Der automatische Messwagen mit Sweep-Quelle
im Einsatz auf dem IWG-Deichmodell der Universität
Karlsruhe (Foto: K. Jaksch, GFZ).
The monitoring car with the seismic source in use at the
test facility at the Theodor-Rehbock-Laboratory (IWG,
Universtität Karlsruhe).
In Abb. 5.16 sind explorationsgeologische Themenfelder,
die in der Sektion Geothermie bearbeitet wurden, dargestellt.
Die Erfassung und Interpretation geologischer
Strukturen, die Charakterisierung von Reservoiren und
Caprocks standen neben der Erarbeitung von regionalen
und lokalen thermischen Beckenmodellen sowie von
hydrogeologischen Modellen des flachen Untergrundes
im Zentrum der Forschung. Die wissenschaftliche Bearbeitung
dieser Themen erfordert die Interpretation von
Bohrlochmessungen und den Aufbau und die Nutzung von
Datenbanken und Geoinformationssystemen.
Geographisch war ein Großteil der Arbeiten im Gebiet des
Nordostdeutschen Beckens nördlich von Berlin angesiedelt
und vor allem auf Bohraufschlüsse konzentriert. So
wurde z. B. der terrestrische Wärmestrom, der einen wichtigen
Parameter für die Charakterisierung des geothermischen
Potentials eines Gebietes darstellt und ein wesentlicher
Bestandteil der geothermischen Exploration ist, an
zwölf Bohrlokationen neu bestimmt (Abb. 5.17).
Die Forschung zum Wärmestrom im Norddeutschen Becken
umfasste Labormessungen der Wärmeleitfähigkeit
Abb. 5.16: Schwerpunkte der Explorationsgeologie.
Main issues of exploration geology.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.17: Verteilung von Salzstrukturen im Nordostdeutschen
Becken (nach Lokhorst, 1998) und Bohrungen, von
denen neue Werte des terrestrischen Wärmestrom vorliegen
(aus Lotz, 2004). Die Lokation Ketzin ist der Standort für
die CO 2-Speicherung im CO 2SINK-Projekt. Die Lokation
Groß Schönebeck ist der Standort für die GFZ-Geothermiebohrung
Gt GrSk 4/05, die 2006 zur Entwicklung eines
„Enhanced Geothermal Systems“ abgeteuft wird.
Size and distribution of salt structures in the area of the
Northeast German Basin (after Lokhorst, 1998). Boreholes,
in which heat-flow density was determined (Lotz,
2004) are shown. The Ketzin site (storage site of
CO 2SINK) and the Groß Schönebeck site (site of the geothermal
borehole Gt GrSk 4/05 for developing an Enhanced
Geothermal System) are also shown.
von Gesteinen des Prä-Perm und des Perm (Rotliegend-
Sedimente und Vulkanite), die durch Bohrungen aufgeschlossen
sind, die Bestimmung der Gesteinsporosität
sowie die Bestimmung der Gehalte an U, Th und K im Labor
und durch Bohrlochmessungen der natürlichen Radioaktivität.
Daraus wurde die radiogene Wärmeproduktion von
Gesteinen des Devons bis Quartärs abgeleitet. Da in vielen
Bohrungen die Messungen der natürlichen Radioaktivität
in Gamma-Einheiten vorliegen, war es notwendig, eine
empirische Beziehung zur Umrechnung dieser Einheiten in
moderne API-Einheiten (Abb. 5.18) zu entwickeln.
Mit Hilfe der empirischen Gleichung aus Abb. 5.18 können
ältere, in der Erdöl-Erdgas-Exploration gemessene
Logs in explorative Arbeiten quantitativ einbezogen werden.
Für das Nordostdeutsche Becken wurde basierend auf
Gamma-Logs eine Bilanzierung des Anteils der Wärmestromdichte
in der sedimentären Beckenfüllung vorgenommen.
Diese kann bis zu 7 mW/m 2 betragen.
Werte der Wärmeleitfähigkeit von über 300 Proben liefern
auf der Basis gut dokumentierter Messungen eine
neue Datengrundlage für die Bestimmung der Wärmestromdichte,
für thermische Beckenmodellierungen und
für Modellierungen von regionalen Wärmetransportprozessen.
Dabei zeigt sich vor allem für die intensiv beprobten
Rotliegend-Sedimente ein enger Zusammenhang von
Wärmeleitfähigkeit und Fazies bzw. Diagenese/Zementation
der Gesteine. Die Wärmeleitfähigkeiten derselben
stratigraphischen und lithologischen Einheit können dabei
um mehr als 2 W/m/K variieren.
Im Nordostdeutschen Becken sind die strukturgeologischen
Verhältnisse durch Salzdome und Salzkissen modifiziert.
Auf Grund von großen Kontrasten in der Wärmeleitfähigkeit
zwischen Salz und Umgebungsgestein bilden
diese Strukturen thermische Anomalien, die sich auch in
der Höhe der Wärmestromdichte widerspiegeln. Die Reichweite
dieser Störungen im thermischen Feld wurde erstmalig
durch Modellrechnungen umfassend quantifiziert
(Abb. 5.19). Auf der Basis dieser Modelle war eine Kor-
Abb. 5.18: Beispiel für eine aus der Bohrlochmessung der
natürlichen Radioaktivität (in Gamma-Einheiten, blaue
Kurve) bestimmte Wärmeproduktion (rote Kurve). Die
Berechnung erfolgte nach der empirischen Formel A
[µW/m 3 ] = 0,0783 (GR[GEc]-5,66). Punkte zeigen Wärmeproduktionsraten
aus Labormessungen (aus Norden &
Förster, im Druck).
Borehole example of radiogenic heat production (red
curve) determined from a gamma-ray log (measured in
gamma units, blue curve) using the empirical equation A
[µW/m 3 ] = 0.0783 (GR[GEc]-5.66) (from Norden & Förster,
in press).
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381

382
Abb. 5.19: Beispiel eines lokalen thermischen Modells (Salzstruktur Gransee). A) Darstellung der 60 mW/m 2 -Wärmestromdichte-Isofläche
im Bereich von 1 bis 11 km Tiefe mit dem Gitternetz der Modellierung, B) Profilschnitt parallel
von x durch die Salzstruktur (aus Lotz, 2004).
Example of a local-scale thermal model (salt structure Gransee). A) 3D plot of the 60 mW/m 2 heat flow surface in the
depth range of 1 to 11 km. Grid of the modeling is shown. B) Cross section in x direction showing the heat-flow distribution
in z direction (from Lotz, 2004).
rektur der in der Nähe dieser Strukturen gemessenen Wärmestromdichte
auf „Normal“-Bedingungen möglich.
Um das regionale thermische Tiefenfeld zu quantifizieren
und die Sensitivität des Wärmestroms in Hinsicht auf Parameteränderungen
zu untersuchen, wurden verschiedene
Szenarien des Krustenaufbaus und der Lithosphärenmächtigkeit
entlang eines 2D-Profils (Abb. 5.20) thermisch
berechnet. Es konnte unter anderem gezeigt werden,
dass die bis zu 2.000 m mächtigen Vulkanit-Komplexe
mit ihrer teilweise hohen Wärmeproduktion (3 bis
6 µW/m 3 ) einen signifikanten Einfluss auf die Wärmestromdichte-Verteilung
ausüben.
Das Norddeutsche Becken bietet neben den günstigen
Bedingungen für die Nutzung der Erdwärme auch ein geeignetes
geologisches Umfeld für die Speicherung von CO 2. Im
Frühjahr 2004 starteten die Vorbereitungsarbeiten für eine
in 2006 geplante Injektion von CO 2 in die Struktur Ketzin
(vgl. Abb. 5.17). Diese Arbeiten sind Bestandteil des vom
6. Forschungsrahmenprogramm (FP6) der Europäischen
Union und der Industrie geförderten CO 2SINK-Projekts.
In der Struktur Ketzin wurde früher Erdgas der Verbundnetz
Gas AG Leipzig in einer Sandsteinschicht in einer
Tiefe von 250 bis 400 m gelagert. Die CO 2-Speicherung
im Rahmen des CO 2SINK-Projekts soll jedoch in einer
tieferen Sandsteinschicht, in der Stuttgart-Formation, die
ca. 80 m mächtig ist, erfolgen. Ein dreidimensionales geologisches
Strukturmodell wurde für die Roskow-Ketzin-
Doppelantiklinale erarbeitet, das auf 2D-seismischen Daten
sowie Daten aus zahlreichen Explorationsbohrungen, die
im Rahmen vorangegangener industrieller Erkundungen
abgeteuft wurden, basiert. Als Teil des Modells wurden
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.20: Geologischer Schnitt durch das Nordostdeutsche Becken und angrenzende Gebiete, für den thermische
Modelle berechnet wurden. Gezeigt werden verschiedene Szenarien der Tiefenlage der Lithosphäre/Asthenosphäre-
Grenze (LAB). Nummeriert und farbkodiert sind geologische Einheiten, die sich in Bezug auf Zusammensetzung und
thermische Eigenschaften unterscheiden (aus Lotz, 2004).
Cross section of the Northeast German Basin and adjacent areas used as conceptual model for thermal modelling. Different
scenarios of the lithosphere/asthenosphere boundary depth (LAB) are shown. Numbered circles denote geological
units (colorcoded) of different composition and thermal properties (from Lotz, 2004).
für die geplanten CO 2SINK-Bohrungen (Abb. 5.21) geologische
Vorprofile erstellt.
Der CO 2SINK-Speicher (die Stuttgart-Formation) ist eine
geologische Einheit von ausgeprägter Heterogenität. Klastische
Sedimentgesteine, die in Überflutungsgebieten
(Überflutungsfazies) abgelagert wurden, wechseln mit Ablagerungen,
die in Rinnen sedimentiert sind (sandige Rinnenfazies).
Diese Sandsteine vom Grauwacken-Typ bilden
auf Grund sehr guter hydraulischer Eigenschaften die
eigentlichen Reservoirzonen für die CO 2-Speicherung.
Um die Heterogenität der Stuttgart-Formation quantitativ
zu erfassen, wurde zur Reservoircharakterisierung eine
geostatistische Modellierung der möglichen Rinnensandsteingeometrien
(Abb. 5.22) in Zusammenarbeit mit dem
Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS)
durchgeführt.
Die Charakterisierung von Reservoir- und Caprock-Gesteinen
ist für das Verständnis einer sicheren CO 2-Speicherung
notwendig. Erste mineralogische und geochemische
Analysen der Caprock-Gesteine in Ketzin (Abb. 5.23)
zeigten typische Tonsteingefüge in diesen Gesteinen.
Mehr oder weniger gerundete Quarze sind in eine dichte,
oft blättchenförmige Grundmasse aus Ton- und Glimmermineralen
eingebettet. Große und durchgängige Porenräume
sind nicht zu erkennen. Oft ist eine deutliche
Schichtung von rein sandigen und tonigen Partien zu beobachten.
Durchgängige Porenräume sind in diesen dichten
tonigen Partien nicht zu erwarten, was sie zu idealen Abdecker-Gesteinen
für Reservoire macht.
Gesteinsphysikalische Parameter für das Engineering von
Tiefenreservoiren
Die Injektion von CO 2-haltigen Wässern in tiefe Gesteinsformationen,
das Einbringen von Stützmitteln in hydraulisch
frisch aufgebrochene Reservoire, die Infiltration von
Bohrspülungen in Reservoirgestein und das Langzeitdurchströmen
eines geothermischen Reservoirs mit Tiefenwässern
beeinflussen die physikalischen Gesteinseigenschaften.
Diese Änderungen können auch experimentell
im Labor bestimmt werden.
Mit der triaxialen Hochdruckpresse wurden am GFZ Potsdam
mechanische Parameter des Bentheimer Sandsteins
bestimmt. Ein Schwerpunkt war die Bestimmung des
Skempton-Koeffizienten (Änderung des Porendrucks
dividiert durch die Änderung des äußeren Umschließungsdrucks).
Die Experimente zeigen, dass der Skempton-Koeffizient
einer Probe bei Veränderungen des äußeren
Stressfeldes nicht konstant ist. Bei Erhöhung des
Umschließungsdruckes sinkt der Skempton-Koeffizient.
Durch die Vorbelastung der Probe werden die Einflüsse
von bleibenden Deformationen minimiert. Das Modell
zeigt, dass gerade die Porenraumgeometrie (runde Poren
bis irreguläre Poren) in direktem Zusammenhang mit
deren Deformationsverhalten steht.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
383

384
Abb. 5.21: Karte der Roskow-Ketzin-Doppelstruktur mit der CO 2SINK-Bohrlokation (gefülltes Quadrat) sowie der Lage
von Altbohrungen (Punkte). Tiefenlage des seismischen K2-Reflektors in Metern (verändert nach Förster et al., im
Druck).
Map of the Roskow-Ketzin double structure with the location of the CO 2SINK drill site (filled square) and previous
wells (dots). Depth of the K2 seismic reflector in meters (adapted from Förster et al., in press).
Mit der triaxialen Hochdruckpresse wurden auch geophysikalische
und geochemische Vorgänge in Sandsteinen
untersucht, wenn diese im Kontakt mit Salzlösungen und
mit CO 2 stehen. Es erfolgt eine kontinuierliche geophysikalische
und geomechanische Datenaufnahme in Form
Abb. 5.22: Modell-Geometrie der Stuttgart-Formation am Standort Ketzin
für einen Block von 10 km x 10 km x 80 m Größe. Hochpermeable Sandsteinstränge
wechseln mit gering-permeabler, tonig-siltiger Überflutungsfazies
(blau) (aus Förster et al., im Druck).
Architecture of the Stuttgart Formation at Ketzin, modelled in a 10 km x 10
km x 80 m block. Sandstone channels of high permeability alternate with floodplain
facies mudstones and siltstones (blue) (from Förster et al., in press).
von seismischen Geschwindigkeiten, spezifischem elektrischen
Widerstand und Deformation. Fluidproben, die
mit dem Gestein in Wechselwirkung standen, wurden zur
chemischen Analyse genommen. Signifikante Änderungen
petrophysikalischer Eigenschaften konnten zusammen
mit Patch-Versuchen zur Charakterisierung
der Fluid-Gestein-Wechselwirkung
interpretiert werden (Schütt et a.,
2005).
Solche Untersuchungen finden auch Eingang
in die Entwicklung einer Apparatur
zur Durchführung von Langzeitdurchströmungsversuchen
zur Einschätzung
des Langzeitverhaltens geothermischer
Reservoire. Ziel ist die Ableitung einer
wissenschaftlich begründeten Aussage
über die zeitliche Entwicklung der Produktivität
des betreffenden Reservoirgesteins.
Hierzu wurden zwei identische
Messapparaturen konzipiert, welche die
simultane Messung der physikalischen
Gesteinsparameter Permeabilität, elektrische
Leitfähigkeit, Kompressions- und
Scherwellengeschwindigkeit sowie fluidchemische
Untersuchungen unter relevanten
Druck- und Temperaturbedingungen
ermöglichen.
Zur Errichtung einer geothermischen
Nutzungsanlage hat die Schaffung künst-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.23: Bohrkerne aus der Weser-Formation, dem unmittelbaren Caprock für den CO 2-Speicher in Ketzin. Untere
Reihe: Sekundärelektronenbilder.
Drill core samples from the Weser Formation, which is the immediate cap rock of the CO 2-injection formation at Ketzin.
Lower row: Secondary-electron images.
Abb. 5.24: Skempton-Koeffizient (Änderung des Porendrucks
Pp dividiert durch Änderung des äußeren Umschließungsdrucks
Pc) einer Probe des Bentheimer Sandsteins
(Blöcher et al., pers. Mitt.) Die Druckänderung
beträgt 0,1 MPa/min. Dargestellt sind gleitende Mittel
über 10 Minuten. Messung bei Druckbelastung: up; Druckentlastung:
down)
Skempton-coefficient (change of pore pressure divided by
change of confining pressure) of a Bentheim sandstone
sample (Blöcher et al., pers. comm.) Pressure change is
0.1MPa/min. Shown are 10-minute-running averages.
Measurements during pressure increase are marked with
„up“; measurements during pressure decrease are marked
with „down“.
licher Risse eine besondere Bedeutung. In der Konzeption
ist das Einbringen von Mitteln zur Abstützung der Rissoberfläche
nach Druckentlastung eine wichtige Option.
Daher wurde die Schädigung einer künstlichen Rissoberfläche
einer Rotliegend-Sandsteinprobe durch ungleichmäßige
Stützmittelverteilung untersucht. Im Fokus der
Untersuchungen standen die mechanischen Auswirkungen
einer geringen Konzentration von Stützmitteln im
Riss. Die Simulation der Spannungs-Bedingungen für eine
Tiefe von 4 km an einer Rotliegendprobe aus Flechtingen
ergab, dass deutliche Schädigungen der Rissoberfläche
durch Eindringen der Stützmittel in die Gesteinsmatrix,
Produktion von Feinmaterial am Kontakt und die Zerstörung
des Stützmittels selbst beobachtet wurden. Der Vergleich
mit dem Standard-Test (nach API) für das verwendete
Stützmittel ergab, dass der prozentuale Anteil des
erzeugten Feinmaterials etwa gleich groß, die effektive
Spannung im API-Test aber doppelt so groß ist. Die Zerstörungen
waren umso stärker, je geringer die Stützmittelkonzentration
(kleiner als geschlossen einlagig) war. Die
Mobilisierung und Transport von Feinmaterial beschränkte
sich auf die Stützmittellage, weil aus technischen Gründen
nur der Riss durchströmt werden konnte. Bei einer
Strömung aus der Gesteinsmatrix in den Riss ist eine
Mobilisierung der Gesteinsbruchstücke wahrscheinlich.
In einer separaten Versuchsanlage wurde die einaxiale
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
385

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Abb. 5.25: Dünnschliffe eines Bentheimer Sandsteins 1,25 x 1,25 mm 2 . Links: Korngerüst und Druckverteilung in den
Poren farbig hinterlegt. Rechts: die durch das numerische Modell ermittelten Porendrücke und Stressverteilung im
Korngerüst (Blöcher et al., pers. Mitt.).
Thin section of Bentheim sandstone 1,25 x 1,25 mm 2 . Left: grain structure and pressure distribution in pores. Right:
Responding pore pressure and mean stress in a numerical simulation (Blöcher et al., pers. comm.).
Abb.5.26:K-Feldspat vor Einwirkung (links) bzw. nach Einwirkung (rechts)
CO 2-beladener Wässer.
K-feldspar before treatment (left) and after treatment (right) with CO 2-bearing
water.
Bruchfestigkeit von Stützmittel-Einzelkörnern bestimmt
und damit eine Datenbasis für keramische Stützmittel
geschaffen.
Um die Einsatzfähigkeit von Spülungen für die Geothermie-Bohrung
in Großschönebeck beurteilen zu können,
wurde in Kooperation mit der Bergakademie Freiberg ein
Untersuchungsprogramm gestartet. Als Basisdaten wurden
im GFZ Potsdam an Rotliegend-Bohrkernen die Dichte,
Porosität, Permeabilität und deren Druckabhängigkeit
bestimmt. Die Aufgabe einer speicherschonenden Spülung
ist der Aufbau eines sogenannten Filterkuchens an
der Bohrlochwand, der weitere Infiltrationen während des
Bohrvorgangs verhindern soll. Das Programm wird mit
High-Tech-Spülungssystemen aus der Industrie (Baroid,
MI Swaco) durchgeführt.
Gashydrat-Projekt in Mallik, Kanada
Im Rahmen des Mallik-2002-Forschungsbohrprogramms
wurden drei Bohrungen, die ein kontinentales Gashydratvorkommen
unter Permafrost im Nordwesten Kanadas
durchteufen, vom GFZ Potsdam mit faseroptischen Messkabeln
zur ortsverteilten Temperaturmessung ausgestat-
tet. Hierbei ist es von besonderem Interesse,
die In-Situ-Wärmeleitfähigkeit zu
bestimmen. Da bei der Bildung und der
Zersetzung von Gashydraten latente
Wärme umgesetzt wird, sind diese Prozesse
immer mit dem Transport von
Wärme verbunden. Um solche Bildungsund
Zersetzungsprozesse in der Natur
quantifizieren zu können, ist eine detaillierte
Kenntnis der thermischen Eigenschaften
von gashydratführenden Gesteinen
notwendig. Da der Einfluss von
Hydratvorkommen auf die thermischen
Eigenschaften poröser Gesteine bisher
weitgehend unbekannt ist, wurde der Einfluss
von Methanhydrat auf den Wärmetransport untersucht.
Die In-Situ-Wärmeleitfähigkeit wurde mit zwei unterschiedlichen
Methoden aus den vorliegenden Bohrlochmessdaten
hergeleitet: Einerseits wurden Wärmeleitfähigkeitsprofile
aus den gemessenen geothermischen Gradienten
und der lokalen Wärmeflussdichte auf der Grundlage
der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung berechnet.
Andererseits wurde die Gesteinszusammensetzung
anhand von Bohrlochmessdaten bestimmt und die effektive
Wärmeleitfähigkeit der hydratführenden Sedimente
durch Anwendung von Mischungsgesetzmodellen berechnet.
Die Ergebnisse des geometrischen Modells stimmen am
besten mit den Wärmeleitfähigkeitsprofilen überein, die
aus geothermischen Daten abgeleitet wurden. Daher kann
das geometrische Modell zur Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit
von gashydratführenden Sedimenten des Mallik-Typs
angewendet werden. Die erbohrten Sedimente
zeigen geringe Wärmeleitfähigkeitskontraste zwischen
der Porenfüllung und der Gesteinsmatrix und enthalten
fein verteilt auftretendes Gashydrat mit Sättigungen bis
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Abb. 5.27: Schema einer „Fracture-Face-Zone“ (Rissoberfläche nach Stützmitteleinwirkung, Legarth et al., 2005).
Scheme of a fracture face zone (Legarth et al., 2005).
Abb. 5.29: Bohrturm an der Lokation Mallik, NW-Kanada
(Foto: GFZ Potsdam).
Drill rig at the Mallik site, NW-Canada.
Abb. 5.28: Filterkuchen auf einer Rotliegend-Sandstein-Oberfläche
nach Einwirkung einer High-Tec-Bohrspülung
(Raab et al., pers. Mitt.)
Filtercake on the surface of a Rotliegend sandstone after
infiltration of a high-tec borefluid (Raab et al., pers. comm.)
zu 90 %. Mittlere Werte der Wärmeleitfähigkeit der hydratführenden
Intervalle liegen zwischen 2,35 W/m/K und
2,77 W/m/K. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen
der Wärmeleitfähigkeit wesentlich durch lithologische
Wechsel verursacht werden und der Einfluss der Hydratsättigung
auf die effektive Wärmeleitfähigkeit des
Gesteins nur von untergeordneter Bedeutung ist. Die verbesserte
Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit gashydratführender
Sedimente ermöglicht die Berechnung der dynamischen
Wärmetransportprozesse bei Bildung und Zerfall
von Gashydraten.
Ingenieurseismologie
Die Forschungsarbeiten der Sektion 5.3 „Ingenieurseismologie“
konzentrieren sich auf ingenieurtechnisch umsetzbare,
angewandte seismologische Forschungsthemen
wie z. B. probabilistische Einschätzungen der Erdbebengefährdung,
deren Überführung in Regelwerke zum erdbebengerechten
Konstruktionsentwurf sowie in Erdbebenrisikoaussagen
als Grundlage für ein Risikomanagement.
Hinzu kommen seismologische und ingenieurseismologische
Grundlagenuntersuchungen, wie die Bereitstellung
geeigneter Ausgangsdaten, z. B. von Dämpfungsbeziehungen
von potentiell schadenverursachenden Er-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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388
Abb. 5.30: Vergleich von Wärmeleitfähigkeitsprofilen, die aus Mischungsgesetzmodellen
und geothermischen Daten (Mallik 5L-38-Bohrung, September
2003) berechnet wurden, zusammen mit den 95 % Konfidenzintervallen.
Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Daten als 5-Meter-Mittelwerte
dargestellt. Verändert nach Henninges et al. (2005).
Comparison of thermal-conductivity profiles calculated from mixing-law
models and 5-m average temperature gradients (Mallik 5L-38 well, September
2003), together with 95% confidence interval limits. For better
comparability, the mixing law conductivities are correspondingly displayed
as 5-m arithmetic average values. Modified from Henninges et al.
(2005).
schütterungsparametern, der Vulnerabilitätsanalyse
von Bauten, numerischen
Modellierungen zum Bebengenerierungspotential
von geologischen Bruchstörungen
sowie Analysen zum bebenauslösenden
Spannungsfeld in der Erdkruste.
Seismische Risikokartierung Deutschlands
Im gemeinsam von GFZ Potsdam und der
Universität Karlsruhe betriebenen virtuellen
Institut CEDIM (Centre for Disaster
Management and Risk Reduction
Technology) wurde im Projekt „Risikokartierung
Deutschland“ das Erdbebenrisiko
landesweit berechnet und kartenmäßig
dargestellt (vgl. dazu auch die Arbeit
„Risikokarten für Deutschland“ in diesem
Bericht). Verschiedene der seismisch
aktivsten Zonen in Europa nördlich der
Alpen befinden sich in Deutschland
und im Grenzgebiet zu Deutschland
(Abb. 5.31). Dort traten in historischer
Zeit Momentmagnituden von M W > 6 und
bis M W = 6,9 auf, denen Erschütterungsintensitäten
von VIII-IX und IX entsprechen.
Da verschiedene dieser aktiven
Seismizitätszonen eine hohe Bevölkerungsdichte
und einen hohen Grad der
Industrialisierung aufweisen und damit
die Erdbebengefährdung mit einer hohen
Konzentration von Werten zusammentrifft,
ist die Analyse der Einflüsse von
Erdbeben auf eine derart exponierte
Infrastruktur sehr wichtig.
Eine Methodik zur Berechnung des seismischen
Risikos geht aus von intensitätsbasierten
probabilistischen seismischen
Gefährdungseinschätzungen, Vulnerabilitätsmodellen
auf der Grundlage der
räumlichen Verteilung von Wohngebäuden
unterschiedlichster Bauweisen bzw.
Abb. 5.31: Zeitgenössischer Kupferstich,
der die Wirkungen des Bielefeld-Bebens
von 1612 zeigt: verängstigte Bürger
(Mitte), herunterfallendes Zinngeschirr
(links) und (rechts) beschädigte Bauten,
wie ein Stadttorturm und das Bielefelder
Franziskaner-Kloster, die erhebliche
Mauerrisse aufweisen (vgl. Grünthal,
2004).
Contemporary engraving showing the
effects of the 1612 Bielefeld earthquake:
frightened people (middle), falling pewter
wave (left) and (right) damaged buildings
like a city gate tower and the Bielefeld
Franciscans monastery, both evidencing
considerable fissures in the walls (cf.
Grünthal, 2004).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.32: Epizentren katalogisierter Erdbeben (Grünthal & Wahlström,
2003).
Epicentres of catalogued earthquakes (Grünthal & Wahlström, 2003).
-typen sowie den Wiederherstellungskosten solcher Wohngebäude
spezifiziert für alle kommunalen Strukturen. Die
grenzüberschreitenden Erdbebendaten in Form einer europäischen
Datenbasis (Abb. 5.32) wurden am GFZ Potsdam
von Grünthal und Wahlström (2003) erarbeitet. Ebenso
wurden die Erdbebengefährdungsdaten von früheren Analysen
am GFZ verwendet, die für den Erschütterungsparameter
der makroseismischen Intensität kalibriert und für
eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit von 90 % in
50 Jahren berechnet sind (Abb. 5.33). Die Erdbebengefährdungsdaten,
die primär für einen Gitterpunktabstand
von 0,1° x 0,1° vorliegen, werden anhand von Interpolationen
jeder der 13.490 separaten administrativen Kommunen
in Deutschland zugeordnet.
Für die Abschätzung der Häufigkeitsverteilung von
Gebäuden bestimmter Verletzbarkeitsklassen wurde eine
repräsentative Methodik entwickelt. Verschiedene Prototyp-Kommunen,
die unterschiedlichen Klassen von Kommunen
bezüglich ihrer Einwohnerzahl entsprechen, wurden
anhand von Vor-Ort-Analysen im Hinblick auf ihre
Vulnerabilitätsstruktur untersucht. Fünf Einwohnerklassen
umfassen Orte mit weniger als 300 Einwohnern, 300
bis 3.000, 3.000 bis 30.000, 30.000 bis 300.000 und mehr
als 300.000. Zusatzinformationen konnten aus veröffentlichtem
Material und der nationalen INFAS-Datenbank
entnommen werden.
Zur notwendigen Unterteilung von Verletzbarkeiten wurden
die im Rahmen der Europäischen Makroseismischen
Skala (EMS-98; Grünthal, 1998) erarbeiteten
und international bewährten Vulnerabilitätsklassen
zugrunde gelegt und
deren repräsentative Häufigkeitsverteilungen
in den fünf Kommunenklassen
ermittelt.
Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen
wurden erarbeitet, die den erwarteten
Schaden in Prozent der Zerstörung für
verschiedene Kombinationen von Vulnerabilitätsklassen
und makroseismische
Intensitäten angeben. Diese sind in Abb.
5.34 als Vulnerabilitäts- bzw. Fragilitätskurven
dargestellt. Die Vulnerabilitätsklassenverteilung
in Verbindung mit den
Schadensmatrizen ergibt typische Schadenskurven
für die Kommunengrößenklassen
(Abb. 5.35). In einem nächsten
Arbeitsschritt werden die makroseismischen
Intensitäten für das betrachtete
Gefährdungsniveau (bzw. Eintreffenswahrscheinlichkeit)
mit den zugehörigen
Werten der Fragilitätskurven kombiniert.
Werden diese ortsbezogenen Daten
wiederum mit den Wiederherstellungskosten
verknüpft, folgt als Resultat die
Erdbebenrisikokarte in Form von monetären
Verlustaussagen (Abb. 5.36). Bisher
wurden nur Wohnhäuser in die Analysen
einbezogen. Die Angaben zum Werteinventar
(Asset) in den einzelnen Kommunen sind von der
Asset-Gruppe in CEDIM bereitgestellt worden.
Den relativ geringen Schadenserwartungen für größere
Städte (diese weisen infolge massiver Kriegseinwirkungen
in stärkerem Ausmaß resistentere neuere Bauten auf als die
Mehrzahl kleinerer Städte) stehen i. d. R. dennoch erhöhte
Risikowerte gegenüber, die durch die im Gegensatz zu kleineren
Kommunen erhöhten Wertekonzentrationen bedingt
sind. Für die bevölkerungsreicheren Kommunen ist damit
deren relativ zur Umgebung erniedrigte Vulnerabilität überkompensiert
durch deren höhere totale Wertekonzentration.
Für das gewählte Wahrscheinlichkeitsniveau von 10 %
Überschreitenswahrscheinlichkeit in 50 Jahren ergeben
sich damit erwartete Verlust von mehreren Hundert Millionen
Euro in den am meisten gefährdeten größeren Kommunen.
Die 15 Kommunen mit dem größten erwarteten
Erdbebenrisiko sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Dieses methodische Vorgehen zur Abschätzung des seismischen
Risikos wurde anhand beobachteter Schadenswerte
von Beben der letzten 30 Jahre in Deutschland und
im grenznahen benachbarten Ausland kalibriert. Obwohl
nur Wohnbauten betrachtet wurden und keine sonstigen,
gegenüber Erdbeben verletzbaren Objekte, gibt die vorliegende
Risikokarte bereits einen guten Eindruck vom
insgesamt zu erwartenden Erdbebenrisiko, zumal Wohngebäude,
sowohl seitens ihres Werteinventars als auch vom
sozialen Standpunkt aus betrachtet, in ihrer Summe die
größte gesamtgesellschaftliche Bedeutung besitzen.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
389

390
Abb. 5.33: Erdbebengefährdung in Deutschland in Form berechneter Intensitätswerte für eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit
von 90 % in 50 Jahren; mit Karte der Epizentren tektonischer Erdbeben (Grünthal et al., 1998).
Earthquake hazard in Germany in terms of European Macroseismic Scale intensities for a non-exceedence probability
of 90 % in 50 years; epicentres of tectonic earthquakes (Grünthal et al., 1998).
Vergleichende Bewertung des Naturgefahrenrisikos für
die Stadt Köln – Erdbeben, Hochwasser und Stürme
Die am GFZ vorgenommenen Untersuchungen zur Abschätzung
der Erdbebengefährdung finden ihre Umsetzung
in die Praxis (1) in Form der Bereitstellung von Erdbebenzonierungskarten
und von seismischen Lastannah-
men für erdbebengerechte Baunormen, wie der zum
01. 04. 2005 eingeführten Neufassung der DIN 4149 und
(2) in Form von Überführungen der Erdbebengefährdungsaussagen
in Risikoaussagen, d. h. der Berechnung
zu erwartender monetärer Verluste für verschiedene Eintreffenswahrscheinlichkeiten.
Diese bilden die Grundlage
für ein möglichst realistisches langfristig orientiertes Risi-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.35: Vulnerabilitäts-(Schadens-)kurven für die repräsentativen Kommunengrößenklassen.
Vulnerability (damage) curves for the representative community classes.
Abb. 5.34: Vulnerabilitätskurven für die
Vulnerabilitätsklassen A bis D der EMS-
98 (Grünthal, 1998).
Vulnerability curves for the EMS-98 vulnerability
classes A to D (Grünthal, 1998).
komanagement. Besonders nützlich stellen
sich quantitative Vergleiche des Risikos
durch verschiedene Naturgefahren dar.
Im Rahmen des Deutschen Forschungsnetzes
Naturgefahren (DFNK) wurden
die Risiken durch Erdbeben, Hochwasser
und Stürme für den Raum Köln untersucht.
Nach Vorliegen der DFNK-Resultate
wurde unter Koordinierung der Sektion
5.3 ein quantitativer Vergleich der
Risiken für die Stadt Köln vorgenommen.
Hierbei galt es, die Arbeiten zur Risikoabschätzung
zu Erdbeben, Hochwasser
und Stürmen so zu gestalten, dass die
Ergebnisse einen direkten Vergleich erlauben
und dieser Vergleich für einen
möglichst weiten Bereich betrachteter
Eintreffenswahrscheinlichkeiten möglich
ist, wie diese typischerweise für die Erdbebengefährdung
angegeben werden. Die
hier vorgestellten Ergebnisse sind das
Produkt einer engen Zusammenarbeit des
GFZ Potsdam mit der Bauhaus-Universität
Weimar, wo die wesentlichen Komponenten
der Quantifizierung des Erdbebenrisikos
untersucht wurden, sowie mit
der Universität Leipzig, an der das Sturmrisiko
abgeschätzt wurde. Innerhalb des
GFZ erfolgte eine Zusammenarbeit mit
der Sektion 5.4, wo das Hochwasser-
Tab. 1: Liste von Kommunen mit den höchsten Risikowerten; erwartete Verluste durch mögliche Schäden an Wohnbauten
für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit von 90 % in 50 Jahren.
List of the 15 communities with the highest risk values; estimated losses due to probable damage to the residential
building stock for a 90 % non-exceedance probability in 50 years.
Community Location Federal state Population Seismic risk
(thousand) (million euro)
Köln 50°56'N 6°55'E North Rhine-Westphalia 968 790
Aachen 50°46'N, 6°05'E North Rhine-Westphalia 246 560
Tübingen 48°31'N, 9°03'E Baden-Württemberg 82 470
Mönchengladbach 51°11'N, 6°26'E North Rhine-Westphalia 263 440
Reutlingen 48°29'N, 9°12'E Baden-Württemberg 111 430
Stuttgart 48°47'N, 9°11'E Baden-Württemberg 587 400
Albstadt 48°13'N, 9°00'E Baden-Württemberg 47 375
Düren 50°48'N, 6°28'E North Rhine-Westphalia 92 330
Freiburg im Breisgau 47°59'N, 7°50'E Baden-Württemberg 208 290
Konstanz 47°40'N, 9°10'E Baden-Württemberg 79 280
Karlsruhe 49°00'N, 8°23'E Baden-Württemberg 280 255
Lörrach 47°37'N, 7°39'E Baden-Württemberg 46 220
Balingen 48°16'N, 8°51'E Baden-Württemberg 34 210
Frankfurt am Main 50°08'N, 8°40'E Hessen 641 200
Kerpen 50°52'N, 6°41'E North Rhine-Westphalia 64 195
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391

392
Abb. 5.36: Erwartete Verteilung des seismischen Risikos (Millionen Euro) in deutschen Kommunen für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit
von 90 % in 50 Jahren (Tyagunov et al., 2006, submitted).
Estimated distribution of seismic risk (millions of euro) in communities of Germany for a non-exceedence probability
of 90 % in 50 years (Tyagunov et al., 2006, submitted).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

isiko und wesentliche Teile zum Werteinventar
untersucht wurden.
Als Zielgebiet für diese Multirisiko-Studie
wurde Köln ausgewählt, da hier eine
Millionenstadt mit einer hohen Wertekonzentration
sowie einem bedeutenden
Industrie- und Dienstleistungssektor zusammentreffen
mit den drei behandelten
Naturgefahren: Erdbeben, Sturm und
Hochwasser. Stürme nehmen eine Spitzenposition
in der jährlichen Schadensstatistik
ein; z. B. übersteigen die Sturmschäden
im Jahr 1999 landesweit zehn
Milliarden Euro. Auch Überschwemmungsereignisse
können ein großes Ausmaß
annehmen wie bei der Elbe-Flut
2002 mit mehr als neun Milliarden Euro.
Bei der Rhein-Überschwemmung im
Jahre 1995 erreichten die Schäden in
Köln 33 Millionen Euro.
Während Bedrohungen durch Stürme
und Hochwasser der Bevölkerung sehr
bewusst sind, trifft dies auf die ungleich
selteneren Erdbeben nicht zu. So ist z. B.
das Roermond-Beben von 1992 (M W =
5,3), bei dem 7.200 Gebäude beschädigt
wurden und Schäden von 150 Millionen
Euro auftraten, nur den Betroffenen noch
gegenwärtig. Jedoch kann mit weitaus
stärkeren Beben gerechnet werden. Die
größten historischen Beben im Raum Köln i. w. S. erreichten
M L = 6,1 bzw. M W = 5,8, paläoseismologisch nachgewiesene
Beben in der Region sogar M W von 6,7.
Um die Ergebnisse der drei Naturgefahrenarten vergleichen
zu können, wurde eine unter den einzelnen Bearbeiterteams
abgestimmte Vorgehensweise mit folgenden
Analyseschritten beschritten:
1. Gefährdungseinschätzungen in Form der Wahrscheinlichkeit
des Auftretens potentieller Schadenereignisse,
wobei, entgegen der üblichen Vorgehensweise, auch
für Stürme und Hochwasser ein möglichst breiter
Bereich zu überdeckender Eintreffenswahrscheinlichkeiten
zu fordern ist
2. Abschätzung des Werteninventars
3. Vulnerabilitätsabschätzungen, die sehr unterschiedlich
für die betrachteten Gefahrenarten ausfallen; so
ist z. B. bei Stürmen der Fassaden- und Dachbereich
vulnerabilitätsbestimmend, dagegen bei Hochwasser
die Ausbildung der untersten Teile von Gebäuden
4. Verlustabschätzung durch Überlagerung der Werteverteilung
mit den Vulnerabilitäten sowie den zugehörigen
Szenarien von Ereigniswahrscheinlichkeiten
5. Synthese der Verlustzuweisungen für die drei Gefahrenarten
Die Gefährdungsabschätzungen für die drei betrachteten
Gefahrenarten basieren auf sehr unterschiedlich langen
Abb. 5.37: Gefährdungsabschätzungen für Köln (Grünthal et al., 2004).
Seismic hazard assessment for the area of Cologne (Grünthal et al., 2004).
Beobachtungsreihen. Während für das Sturmrisiko eine
nur 30-jährige Beobachtung der stündlichen Windgeschwindigkeiten
(1971 bis 2000) zur Verfügung stand, sind
es für Hochwasser 120-jährige Abflussmessreihen am Pegel
Köln. Für Erdbeben können die Katalogdaten der letzten
1.000 Jahre für ein zu nutzendes Untersuchungsgebiet von
mehr als 300 km um die Stadt Köln herangezogen werden,
die hinsichtlich der Intensitäten von 8 ab ca. 1.250
hinreichend vollständig sind. Paläoseismologische Daten
überdecken ca. 15.000 Jahre. Grünthal et al. (2004) ermittelten
das Werteinventar für Köln und die Abschätzung
der Vulnerabilitätsverteilungen der Gebäudestruktur für
die Gefahren durch Sturm, Hochwasser und Erdbeben.
Die Abb. 5.37 zeigt die Erdbebengefährdungskurve für
das Zentrum von Köln, kalibriert für den Erschütterungsparameter
„makroseismische Intensität“. Zusätzlich sind
drei Szenarien der räumlichen Intensitätsverteilung für
unterschiedliche Eintreffenswahrscheinlichkeiten dargestellt.
Die Synopsis der monetären Verluste durch Sturm,
Hochwasser und Erdbeben ist in Abb. 5.38 dargestellt. In
der Risikobewertung dominiert für große Eintreffenswahrscheinlichkeiten
von 10 –1 bis etwa 5 . 10 –3 p. a. das Risiko
durch Überschwemmungen und Stürme.
Aufgrund der exponierten Lage Kölns am regelmäßig
Hochwasser führenden Rhein dominiert das Hochwasserrisiko.
Hinsichtlich der Windexposition der Stadt ist diese
eher als geschützt zu bewerten. Schadenbeben spielen für
Köln bis zum Wahrscheinlichkeitsniveau von 5 . 10 –3 p. a.,
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
393

394
Abb.5.38:Risikokurven für Hochwasser, Erdbeben und Sturm für Köln unter
Berücksichtigung der Schäden an Gebäuden und in den Bereichen Privathaushalte,
Handel und Industrie (Grünthal et al., 2004).
Risk curves of the hazards due to windstorms, floods and earthquakes for
the city of Cologne considering losses at buildings and in the sectors private
housing, commerce and industry (Grünthal et al., 2004).
dem eine mittlere Wiederholungsperiode T von 200 Jahren
entspricht, keine Rolle. Für Laien unerwartet, dominieren
für mittlere Wiederholungsperioden T von 200 Jahren
und größer die Erdbeben das Risikopotential durch
Naturgefahren. Zumindest scheint das Erdbebenrisiko für
derartige Werte von T etwa gleich groß ausgebildet zu sein
wie für Hochwasser.
Die Studie zeigte, dass Multirisikoabschätzungen für städtische
Räume, die große Bereiche von Eintreffenswahrscheinlichkeiten
überdecken, möglich sind. Die vorgelegten
Ergebnisse der Eintreffenswahrscheinlichkeiten monetärer
Verluste sind ein wesentlich besserer Indikator für
das Risikomanagement als die bisher üblicherweise angegebenen
mittleren erwarteten jährlichen Schäden, die von
häufigen Ereignissen ohne katastrophale Ausmaße domi-
niert werden, während für das Risikomanagement
quantifizierte vergleichende
Aussagen zu Katastrophenlagen entscheidend
sind.
Konstante Zeitintervalle zwischen Starkbeben?
– Numerische Modellrechnungen
an Transform-Störungen
In der Analyse der seismischen Gefährdung
wird in zunehmendem Maß die Zeitabhängigkeit
des Auftretens von Starkbeben
berücksichtigt. In diesem Zusammenhang
interessiert insbesondere die
Frage, wie die Zeitintervalle zwischen
diesen Starkbeben charakterisiert werden
können.
Basierend auf einem numerischen Modell
einer nicht-planaren Transform-Störung
wurden numerische Simulationen
durchgeführt, die zu wiederholten Bruchprozessen
unterschiedlicher Stärke auf
dieser Störung führen. Die Geometrie
und Belastung der Störung im Modell
wurde so gewählt, dass die verschiedenen Störungssegmente
entweder eine Transpressions- oder ein Transtensionsregime
zeigen. Zur Beschreibung der Festigkeit der
Störung wurde ein Mohr-Coulomb-Kriterium verwendet.
Wesentliche Vorraussetzung für den wiederholten Bruch
ist eine Heilung des Festigkeitsverlustes der Störung nach
einem singulären Bruchprozess, so dass ein erneuter
Bruch mit Festigkeitsverlust möglich ist. Die numerischen
Simulationen wurden mit dem Distinct-Element-Programm
3DEC durchgeführt.
Die Analyse der simulierten Bruchereignisse liefert folgende
Ergebnisse:
• Die Verteilungen der Magnitudenhäufigkeiten zeigt in
einem signifikanten Magnitudenbereich ein log-line-
Abb. 5.39: Magnituden Häufigkeiten für verschiedene Modellparameter in den numerischen Rechnungen (a bis e):
●-Störungssegment mit Transpression, ◆-Segment mit Transtension und ■-Häufigkeit für alle Beben (Schelle et al.,
2006, submitted).
Magnitude-frequency curves for different parameter sets in the numerical simulation (a-e): ●-transpressional segment,
◆-transtensional segment and ■-total number of events (Schelle et al., 2006, submitted).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

ares Verhalten in Übereinstimmung mit dem Gutenberg-Richter-Gesetz
(logN = a – bM).
• Der Abfall der Magnitudenhäufigkeit, der b-Wert,
hängt stark von den verwendeten elastischen Parametern
ab (Abb. 5.39).
• In einem steiferen Modell sind die zugehörigen b-
Werte eher klein (~ 0,5), so dass die Deformationsenergie
bevorzugt durch wenige, aber starke Bruchereignisse
freigesetzt wird.
• Wenn die Elastizitätsparameter reduziert werden, steigt
der b-Wert bis auf ca. 2 an und die Energie wird durch
häufigere, aber weniger starke Ereignisse freigesetzt.
• Der Einfluss des Deformationsregimes – Transpression
oder Transtension – ist auf den b-Wert relativ
gering im Gegensatz zu den Elastizitätsparametern.
• Eine Verifizierung des seismischen Zyklus durch die
Analyse der verschiedenen Zeitintervalle zwischen
Abb. 5.40: Häufigkeit des Auftretens verschiedener
Zeitintervalle zwischen Starkbeben:
(a) extrapolierte Verteilungen für
verschiedene Belastungsraten in den
Modellrechnungen und (b) Vergleich
der gemittelten Modellverteilung mit
einer angepassten Log-Normalverteilung
(Schelle et al., 2006, submitted).
Temporal distributions of inter-event
times for main events only: (a) extrapolated
distributions for different loading
rates applied in the numerical simulations
and (b) comparison between the
averaged inter-event time distribution
with a least squares log-normal approximation
(Schelle et al., 2006, submitted).
starken Bruchereignissen auf einem Störungssegment
zeigt, dass diese nicht konstant sind, sondern eine breite
Verteilung haben (Abb. 5.40a), die mit einer Log-
Normalverteilung sehr gut beschrieben werden kann
(Abb. 5.40b).
• Die Analyse der Korrelation zwischen starken Bruchereignissen
benachbarter Segmente liefert ebenfalls
keine eindeutig definierten Zeitintervalle zwischen
den Beben auf verschiedenen Segmenten.
Untersuchung von Strain-Textur-Wechselwirkungen an
geologischen Proben mittels Neutronen-Flugzeit-Diffraktion
Im Berichtszeitraum wurde die Ausstattung des Diffraktometers
Epsilon-Mds am Flugzeitkanal 7A des IBR-2
(JINR Dubna) mit Detektoren weiter vervollständigt. In
Abb. 5.41: Multidetektordiffraktometer Epsilon-Mds, eingeschlossen
in eine Isolierkammer zur Wärmestabilisierung
während Langzeitexperimenten (Foto: C. Scheffzük,
GFZ).
The multidetector-diffractometer Epsilon-Mds, locked into
a cabin to assure continues temperature conditions, first
of all for long-time experiments.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
395

396
diesem Zusammenhang ist neben der notwendigen Anpassung
der Elektronik zur Datenaufnahme auch ein kompletter
Austausch der Hochspannungsversorgung für die
Detektoren erfolgt. Vorbereitet wurde die weitere Ausgestaltung
der in situ operierenden Zusatzgeräte mit der
Installation eines Systems zur Aufnahme und Ortung
akustischer Emissionen während der Deformationsexperimente
(Ultraschallmessung).
Damit besteht die Experimentumgebung des Multidektorendiffraktometers
Epsilon-Mds aus einer (einaxialen)
Deformationseinrichtung (Exstress), einer berührungsfreien
Makro(Proben)Strain-Messeinrichtung (Laser-Extensometer)
und einem System zur Messung von Schallwellengeschwindigkeiten
mit der Möglichkeit, akustische
Emissionen während der Deformationsprozesse aufzunehmen
und zu lokalisieren.
Die aus Experimenten mit dem Diffraktometer Epsilon-
Mds zu verschiedenen Jahreszeiten gewonnenen Datensätze
waren in der Vergangenheit durch Temperaturschwankungen
in der Versuchshalle untereinander nur
begrenzt vergleichbar und die Ergebnisse von Langzeitexperimenten
waren bisher nur bedingt sinnvoll. Zur Temperaturstabilisierung
wurde das Diffraktometer deshalb
vollständig in eine isolierende Hülle eingeschlossen. Die
Temperatur wird automatisch gemessen und gesteuert.
Die Einrichtung gestattet unter noch nicht voll ausgeschöpften
Möglichkeiten des Betriebs eine Temperaturstabilisierung
im Bereich von +0,2 °C (Abb. 5.41).
Die Haltbarkeit von Natursteinen als Werkstein (z. B. für
Täfelungen an Gebäuden) wird von residuellem Strain und
Textureigenschaften wesentlich mitbestimmt. Die Einstellung
eines residuellen Straingleichgewichts und die
Textureigenschaften sind neben anderen Faktoren wichtige
Einflussgrößen, die zu Deformationen führen und in
der Folge oft das Ab- bzw. Zerfallen von Bauteilen bewirken.
Zum besseren Verständnis der ablaufenden Deformationsvorgänge
wurden Strain- und Texturmessungen an
Proben durchgeführt, die verschiedene Entwicklungsstadien
zwischen undeformierten, texturierten, frisch in
Steinbrüchen entnommenen Proben bis hin zu verschiedenen
Stadien der Nutzungsdauer als Werkstein und experimentell
verformten Natursteinen repräsentieren.
Ausgewertet wurden fünf Kalzit-Bragg-Reflexe (011 _ 2),
(101 _ 4), (0006), (112 _ 0) und (112 _ 3). Für die f-Flächen
(011 _ 2) einer stark deformierten Paneelplatte ergab sich ein
positiver Strain (Dilatation) von = (150 + 90) . 10 –6 , während
sowohl eine frisch gebrochene Probe als auch eine
vergleichsweise noch gut erhaltene Fassadenplatte negativen
Strain (Kompression) von = –(120 + 80) . 10 –6 bzw.
= –(180 + 70) . 10 –6 zeigten. Negativer Reststrain von
= –(397 + 117) . 10 –6 wurde auch für den (101 _ 4)-Bragg-
Reflex einer stark deformierten Fassadenplatte bestimmt,
während sich ein nahezu strainfreier Zustand sowohl für
eine kürzlich gebrochene als auch gut erhaltene Fassadenplatte
ergab. Peakverbreiterungen (FWHM) z. B. für
den [112 _ 0]-Reflex (a-Achse) von 21,8 + 1,0 Zeitkanälen
für eine stark deformierte Probe gegenüber 17,8 + 0,3
Zeitkanälen für eine gebrochene bzw. auch eine gut erhaltene
Fassadenplatte verweisen zusätzlich auf die Existenz
von Mikrospannungen (Spannungen 2. Art). Kristallographische
Vorzugsorientierung und Kornformanisotropie
werden als Ursache für die ermittelten, z. T. beträchtlichen
Unterschiede der richtungsabhängigen Reststrainwerte
gesehen.
Unter der Bezeichnung „Zuckerdolomit“ ist ein aufgrund
seiner speziellen Eigenschaften, vor allem im Zusammenhang
mit bergbaulichen Tätigkeiten, gefürchtetes Gestein
bekannt. Eine solche Dolomit-Anhydrit-Probe aus der
Piora-Mulde, entnommen aus dem Kernmaterial einer der
Erkundungsbohrungen zum Gotthard-Basistunnel, wurde
phasenspezifisch hinsichtlich ihrer Textur- und Reststrain-
Eigenschaften untersucht, um den Einfluss von Textur/
Reststrain-Wechselwirkungen auf das spezifische geomechanische
Verhalten des Gesteins zu prüfen. Solche
Gesteine treten betont in Zonen hoher Deformations- und
Metamorphosegrade auf. Die untersuchte Probe zeigte
mikrostrukturell deutliche Deformationsanzeichen am
Anhydrit und Dolomit, aber auch frischen, nicht vergipsten
Anhydrit.
Die Texturen der Anhydrit- (35 %) und Dolomitkomponente
(55 %) des Gesteins sind hinsichtlich Regelungstyp
und -intensität verschieden (Abb. 5.42). Zweifache Klein-
Abb. 5.42: Polfiguren für Dolomit (3) und Anhydrit (1) mit
den ermittelten Strainwerten für sieben Richtungen (2 bis
8) an sieben Probenpositionen (a bis g).
Pole figures for the components dolomite (3) and anhydrite
(1) in a metamorphic rock, combined with strain
values due to seven sample's directions (2 to 8) at seven
positions on the sample (a to g).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

kreisregelung um Kegelachsen im Winkel von ca. 45° zur
Foliation (s x) charakterisieren die Dolomittextur, eine Gürtelregelung
etwa um die Foliationsfläche (s x) die Anhydrittextur.
Die mit Epsilon-Mds geschaffenen Experimentiermöglichkeiten
gestatten die gleichzeitige Bestimmung von
Reststraindaten für sieben Probenrichtungen (Kollimatorpositionen
2 ... 8). Damit lässt sich durch definierte Probenbewegungen
jeder beliebigen Position einer Texturpolfigur
ein Strainwert zuordnen. Für Darstellungen kristallographischer
Vorzugsorientierungen von Netzebenen
eines Minerals (Polfiguren) in einem mehrphasigen Gestein
lassen sich so für beliebige Orientierungen Strainwerte
bestimmen. Die Abb. 5.43 zeigt ein Beispiel für die
Gesteinstextur des untersuchten Zuckerdolomits. Für drei
Netzebenen des Dolomits und eine Anhydritnetzebene
sind die Strainwerte für sieben Positionen (2 ... 8) der
Gesteinstextur (identisch mit Richtungen bezogen auf das
Probenkoordinatensystem [x,y,z]) gezeigt. Die Bestimmungen
sind an sieben Messpunkten (a bis g) im Abstand
von je 7 mm entlang eines Profils senkrecht zur Foliation
(ss/s x) des Gesteins erfolgt.
Diese Ergebnisse und die beträchtlichen Unterschiede der
mechanischen Eigenschaften beider am Aufbau des Gesteins
beteiligten Minerale, wie sie ihren Ausdruck in verschiedenen
Tensorkomponenten finden (Verhältnis 1:2
und höher), lassen erwarten, dass Reststrain in Verbindung
mit den deutlich unterschiedlichen Textureigenschaften
des Gesteins sein typisches mechanisches Verhalten weitgehend
mitbestimmen. Das würde bedeuten, dass weniger
die stofflichen Besonderheiten mit der Hydratisierung
des Anhydrits als die Richtung der mechanischen Einwirkung
den Festigkeitsverlust des Gesteins mitbestimmt.
Ingenieurhydrologie
Der hydrologische Kreislauf ist durch eine außerordentlich
hohe raum-zeitliche Variabilität gekennzeichnet.
Große Fortschritte bei der Quantifizierung des hydrologischen
Kreislaufs werden durch die Kombination von
Abb. 5.43: Grafische Darstellung der Experimentergebnisse: überwiegend gegenläufige Reststrainbeziehungen für die
untersuchten Anhydrit- und Dolomitnetzebenen.
Graphical presentation of test results: mostly opposite behaviour of residual strain values for the dolomite component
as compared to that of anhydrite.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
397

398
räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Beobachtungen
mit hydrologischen Modellen erwartet.
Globale Hydrologie und Satellitenmission GRACE
Zeitliche Änderungen der Wasserspeicherung auf den Kontinenten
stellen eine wesentliche Komponente im Wasserkreislauf
der Erde dar. Speicheränderungen tragen z. B.
über den Gerinneabfluss in die Ozeane zu Meeresspiegelschwankungen
bei. Basierend auf den zeitvariablen
Schwerefeldern der Satellitenmission GRACE (Gravity
Recovery and Climate Experiment) ist es nun erstmals
möglich, die Variationen der Wasserspeicherung für große
Flusseinzugsgebiete und für Kontinente zu bestimmen.
Die globale Hydrologie ist somit ein wichtiger Anwendungsbereich
der vom GFZ Potsdam geleiteten GRACE-
Mission und ein zentraler Baustein im Helmholtz-Programm
„Geosystem: Erde im Wandel“.
In der Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie wurde das an der
Universität Kassel entwickelte globale hydrologische
Modell WGHM zur Simulation des kontinentalen Wasserkreislaufs
der Erde und aller Speicherkomponenten
(Grundwasser, Bodenwasser, Schnee, Oberflächengewässer)
eingerichtet. Die Modellergebnisse zeigen z. B. starke
saisonale Variationen der Wasserspeicherung in tropischen
Regionen, insbesondere entlang der großen Ströme
und ihrer Überschwemmungsgebiete, sowie in Gebieten
der hohen Breiten mit einer starken Schneeakkumulation
im Winter (Abb. 5.44).
Der Vergleich der Modellergebnisse mit den Wasserspeicheränderungen,
die aus zeitvariablen Schwerefeldern von
GRACE abgeleitet wurden, zeigt eine überwiegend gute
Übereinstimmung der räumlichen und zeitlichen Muster
auf der globalen Skala und für große Einzugsgebiete
(Abb. 5.45). Die GRACE-Daten ermöglichen es aber
auch, Defizite in den hydrologischen Modellen zu identifizieren.
So weist das verfrühte Auftreten des jährlichen
Speichermaximums im Modell (Abb. 5.45) auf eine unzureichend
simulierte Retention des Abflusses in Überschwemmungsgebieten
oder Seen hin. Arbeitsschwerpunkte
in künftigen Projekten im Rahmen des BMBF/
DFG-Sonderprogramms „Geotechnologien: Erfassung
des Systems Erde aus dem Weltraum“ sowie des DFG-
Schwerpunktprogramms „Mass Transport and Mass Distribution
in the Earth System“ sind die verbesserte Separation
hydrologischer Signale aus GRACE-Daten sowie
die Weiterentwicklung der globalen hydrologischen Modellierung
unter Nutzung von GRACE-Daten und anderen
globalen Datensätzen.
Modellierung und Monitoring für kleine Einzugsgebiete
Im DFG-geförderten Antragsbündel „Abflussbildung und
Einzugsgebietsmodellierung“ analysierte die Sektion 5.4
die hydrologischen Prozesse im Löhnersbach in den Salzburger
Alpen (Abb. 5.46). Ziel der Arbeiten war es, die
dominanten Abflussbildungsprozesse im Feld zu identifizieren
und darauf aufbauend ein prozessnahes hydrologisches
Simulationsmodell zu erstellen. Zur Identifizierung
Abb. 5.44: Saisonale Variation der Wasserspeicherung (Differenz zwischen den Monaten mit dem größten und geringsten
Speicherinhalt eines jeden Jahres), berechnet mit dem globalen hydrologischen Modell WGHM für den Zeitraum
1961 bis1995 (in Millimeter Wassersäule).
Seasonal variations of continental water storage (difference between the months with maximum and minimum water
storage in each year), simulated with the global hydrological model WGHM for the period 1961 to1995 (in equivalent
water height [mm]).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.45: Beispiele für die zeitliche Variation der Wasserspeicherung in großen Einzugsgebieten gemäß GRACE und
den globalen hydrologischen Modellen WGHM und LaD (Variationen um den Mittelwert für 18 Monate in 2003 und
2004, in mm Wassersäule).
Examples for temporal variations of water storage in large river basins, derived from GRACE time-variable gravity
fields and from the global hydrological models WGHM and LaD (variations around the mean of 18 months in 2003
and 2004, in equivalent water height [mm]).
Abb. 5.46: Blick auf das hydrologische Versuchseinzugsgebiet Löhnersbach
in den Salzburger Alpen (Foto: Ulli Drabek).
View of the hydrological experimental basin Löhnersbach, Salzburger Alps.
der maßgebenden Prozesse wurden in ausgewählten Testflächen
hydrometrische, tracerhydrologische und hydrochemische
Methoden sowie geophysikalische Verfahren
eingesetzt. Damit konnten die dominanten Prozesse, nämlich
Sättigungsflächenabfluss (Abb. 5.47) und schneller
Zwischenabfluss sowie schneller und langsamer Grund-
Abb. 5.47: Die gesättigten Flächen sind einer der dominanten
Abflussbildungsprozesse im Löhnersbach und
bestimmen zu einem erheblichen Teil die Reaktion des
Einzugsgebiets auf Niederschlag (Foto: Mariella Zapletal).
Saturated overland flow is a dominant runoff generation
process in the Löhnersbach catchment. Saturated areas
largely determine the runoff response of the basin.
wasserabfluss erfasst werden. Darüber
hinaus konnten die jeweiligen Entstehungsräume
sowie die meteorologischen
Bedingungen, unter denen diese Prozesse
auftreten, bestimmt werden.
Ziel der modelltechnischen Arbeiten war
es, basierend auf den identifizierten Prozessen
ein Simulationsmodell zu erstellen,
das die dominanten Abflussbildungsprozesse
abbildet. Dabei sollte die
Komplexität des Modells die im Feld
gewonnene Prozesskenntnis nicht übersteigen. Für die
dominanten Abflussbildungsprozesse mit den entsprechenden
Raumeinheiten wurden Simulationsmodule entwickelt
und anhand der Daten der Testflächen plausibilisiert.
Diese Module sowie die an den Abflussprozessen
orientierte Raumgliederung sind die Grundlage für die
hydrologische Simulation im übergeordneten Einzugsgebiet
Löhnersbach. Dieses mesoskalige Modell wurde mit
Hilfe einer „multi-site“-Validierung, also einem Vergleich
von Abflussmessungen an mehreren Stellen im Einzugsgebiet,
bewertet (Abb. 5.48). Hieraus lässt sich folgern,
dass das Modell nicht nur die Abflüsse am Gebietsauslass,
sondern auch die einzugsgebietsinternen Abflussprozesse
adäquat beschreibt.
Gefährdung und Risiko durch Hochwasser
Neben Erdbeben ist Hochwasser ein Schwerpunkt des
GFZ Potsdam im Programmthema „Naturkatastrophen
und Vorsorgestrategien“. Dieses Thema hat durch die
Hochwasserkatastrophen der letzten Jahre in Mitteleuropa
eine neue Aktualität bekommen. So finanziert das
BMBF seit Januar 2005 das Forschungsprogramm „Risikomanagement
extremer Hochwasserereignisse“, das
35 Verbundprojekte umfasst. Aufgrund der vielfältigen
Akteure und Interessenlagen (Wasserwirtschaft, Umwelt,
Versicherungswirtschaft, Katastrophenschutz etc.) hat das
BMBF neben der Projektträgerschaft eine inhaltliche
Koordinierung des gesamten Förderprogramms als not-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
399

400
Abb. 5.48: Vergleich von simulierten und gemessenen Abflüssen am Pegel Rammern sowie an verschiedenen Zubringern
im Löhnersbachgebiet.
Comparison of simulated and observed runoff at gauge Rammern and at different tributaries of the Löhnersbach catchment.
wendig erachtet. Diese Aufgabe hat das GFZ übernommen.
Im Juni 2005 fand am GFZ das Kick-off Meeting
der Fördermaßnahme mit fast 200 Teilnehmern statt,
woran auch Vertreter der operationellen Katastrophenvorsorge
teilnahmen. Die enge Verknüpfung von Wissenschaft
und Katastrophenvorsorge soll die Implementierung
der wissenschaftlichen Ergebnisse in der Praxis
sichern.
Methoden zur Abschätzung des Hochwasserrisikos
Die Sektion Ingenierhydrologie entwickelt Methoden zur
Analyse des Hochwasserrisikos in Flusseinzugsgebieten.
Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten ist die Ableitung von
Extremszenarien, also Ereignissen, die sehr selten sind
und große gesellschaftliche Auswirkungen haben. Für solche
Ereignisse können die Ansätze, die zur Berechnung
häufigerer Ereignisse entwickelt wurden, nicht angewendet
werden: Die Extrapolation versagt für seltene Ereignisse.
Am GFZ wurde ein Ansatz entwickelt, der es erlaubt, entlang
von Flüssen extreme Hochwasserszenarien einschließlich
einer Angabe der Eintrittswahrscheinlichkeit
abzuleiten. Dabei werden Simulationsmodelle, z. B. zur
Berechnung der hydraulischen Prozesse im Fluss, mit
wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätzen zu einem probabilistischen
Modell gekoppelt. Die Abb. 5.49 und 5.50
zeigen die Anwendung dieses Ansatzes auf den Niederrhein
von Köln bis zur deutsch-niederländischen Grenze.
Mögliche Deichbrüche, die Zuflüsse in das System sowie
die Überlagerung der Hochwasserwellen des Rheins bei
Köln und der beiden Nebenflüsse Lippe und Ruhr werden
mit probabilistischen Ansätzen beschrieben.
Abb. 5.50 vergleicht diesen Ansatz mit der statistischen
Extrapolation auf Basis beobachteter Abflussdaten am
Beispiel des Pegels Rees an der deutsch-niederländischen
Grenze. Für Ereignisse mit Wiederkehrintervallen bis ca.
60 Jahre stimmen die Extremwertstatistik und das probabilistische
Modell mit den Beobachtungsdaten überein.
Ab Jährlichkeiten von ca. 300 Jahren weicht die Kurve des
probabilistischen Modells von den beiden extremwertsta-
tistischen Funktionen ab. Dies ist dadurch zu erklären, dass
bei sehr hohen Abflüssen Deichbrüche eintreten können.
Das Wasser strömt durch die Deichbreschen ins Hinterland,
wodurch die Hochwasserwelle unterhalb des Deichbruchs
reduziert wird. Die Berücksichtigung von Deichbrüchen
resultiert in geringeren Abflüssen am Pegel Rees.
Abb. 5.49: Anwendung des probabilistischen Modells zur
Abschätzung von Hochwasserrisiken am Niederrhein.
Das Modell berücksichtigt den Zufallscharakter (a) der
Zuflusswellen in das System (Hochwasserwellen Rhein bei
Köln, Lippe, Ruhr), (b) der zeitlichen Überlagerung der
Zuflusswellen und (c) des Auftretens von Deichbrüchen.
Application of the probabilistic model for flood risk
assessments. The model takes into account the probabilistic
nature of (a) the type of the flood waves at the boundaries
of the system (flood waves of the Rhine at Cologne,
the tributaries Lippe and Ruhr), (b) the temporal coincidence
of flood peaks at the main river and tributaries
and (c) levee breaches.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb.5.50:Hochwasserwahrscheinlichkeitskurven für den Pegel Rhein/Rees.
Die Extremwertstatistik überschätzt die Abflüsse für Wiederkehrintervalle
größer ca. 300 Jahre. Bei solchen Ereignissen treten oberhalb von Rees
Deichbrüche auf, so dass die Hochwasserwellen deutlich reduziert werden.
Das am GFZ Potsdam entwickelte probabilistische Modell berücksichtigt
diesen Effekt.
Flood frequency curves for the gauge Rees at the river Rhine. The extreme
value distributions overestimate discharges that exceed a return period of
about 300 years. During such events levee breaches will probably occur
upstream of Rees so that the flood wave will be considerably reduced. The
probabilistic model developed at GFZ Potsdam takes this effect into account.
Das Abflussgeschehen im extremen Bereich wird somit
von einem Prozess (Deichbruch und Ausbreitung der Hochwasserwelle
im Hinterland) dominiert, der bei weniger
extremen Ereignissen nicht eintritt. Da keine Beobachtungsdaten
zu Hochwasserereignissen mit Deichbrüchen
vorliegen, basiert die Extremwertstatistik auf falschen
Annahmen. Erst die Integration von Prozesswissen
und wahrscheinlichkeitstheoretischen
Ansätzen macht die Extrapolation
in den extremen Bereich möglich.
Momentan wird diese Konzeption der
Kopplung von Prozesssimulation und probabilistischen
Ansätzen auf zusätzliche
Prozesse erweitert. Dies betrifft insbesondere
die hydrologischen Prozesse der
Hochwasserentstehung in den Flusseinzugsgebieten.
In diesen Zusammenhang
Abb. 5.51: Räumliche Verteilung der
befragten Privathaushalte, die vom
Hochwasser 2002 betroffen waren. Eingefärbt
sind die zugehörigen Postleitzahlenzonen.
Insgesamt wurden 1.697 Haushalte
interviewt, davon befinden sich 449
im Donau-Einzugsgebiet, 1.248 im Elbe-
Einzugsgebiet.
Spatial distribution of interviewed private
households, affected by the 2002 flood.
ZIP-code areas are marked in colour. All
together, 1697 private households were
interviewed of which 449 are located in
the Danube catchment and 1248 in the
Elbe catchment.
ordnet sich auch die Helmholtz-Nachwuchswissenschaftlergruppe
„Integration
von Informations- und Modellierungssystemen
zur Verbesserung des Managements
von großräumigen Hochwassersituationen“
ein – eine gemeinsame Aktivität mit
der Universität Karlsruhe im Rahmen von
CEDIM. Die Gruppe, finanziert durch den
Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft,
entwickelt ein übertragbares
Modellierungssystem, das die
Quantifizierung des Hochwasserrisikos in
großen Flusseinzugsgebieten erlaubt. Darüber
hinaus kann dieses System zur Wirksamkeitsanalyse
von übergeordneten Hochwasserschutzstrategien
eingesetzt werden.
Besonderes Merkmal dieses Systems ist
die Verwendung einer Software-Plattform
zur Modellkopplung, so dass das Modellsystem
schnell auf verschiedene Fragestellungen
und Flusseinzugsgebiete angepasst
werden kann. Dadurch wird es sehr
einfach möglich, unterschiedliche Modellierungsansätze,
Prozessbeschreibungen,
Modelldiskretisierungen etc. vorzunehmen.
Ein weiteres Forschungsfeld ist die Abschätzung von
Hochwasserschäden. Da neuerdings Entscheidung über
Hochwasserschutzmaßnahmen durch Kosten-Nutzen-Analysen
untersetzt werden müssen, besteht ein großer Bedarf
nach fundierten Aussagen über die zu erwartenden Schäden
im Falle von Hochwasserereignissen. Eine Analyse
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
401

402
des GFZ der in Deutschland verwendeten Daten und
Methoden zu Hochwasserschäden zeigte, dass zurzeit nur
sehr unsichere Aussagen über Hochwasserschäden möglich
sind. Aus diesem Grund hat das GFZ zusammen mit
der Deutschen Rückversicherung AG nach dem Hochwasser
2002 an Elbe und Donau eigene Datensätze erhoben.
Insgesamt 1.697 von der Augustflut 2002 betroffene
Privathaushalte in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Bayern
sowie 417 betroffene Unternehmen in Sachsen wurden
durch computergestützte Telefoninterviews befragt.
Abb. 5.51 zeigt das Untersuchungsgebiet der Privathaushaltsbefragung.
Die per Zufallsstichprobe ausgewählten
Haushalte und Unternehmen wurden zu verschiedensten
Aspekten interviewt. Beispiele sind:
• Hydrologische Ereigniskenngrößen (Wasserstand,
Überflutungsdauer etc.)
• Frühwarnung und durchgeführte Notmaßnahmen
• Hochwassererfahrung der Haushalte und Unternehmen
• Langfristige Vorsorgemaßnahmen
• Größe und Qualität von Wohnung, Hausrat und Gebäude
Zu jedem Schadenfall wurde somit eine Vielzahl an
Zusatzinformationen erfasst, die weder aus der Schadenkompensation
durch die Behörden oder die Versicherungswirtschaft
noch aus anderen in Deutschland vorliegenden
Schadendatenbanken hervorgehen. Damit eröffnet
der Datensatz neue Möglichkeiten zur Analyse der Einflüsse
auf Hochwasserschäden. Es lässt sich beispielsweise
prüfen, inwieweit Aspekte wie Hochwassererfahrung
oder Frühwarnung tatsächlich Hochwasserschäden
Abb. 5.52: Schadenserhöhende Wirkung von Kontaminationen
auf Hochwasserschäden am Hausrat von Privathaushalten.
Die Säulen stellen die Mittelwerte der Vergleichsgruppen,
die Punkte die Mediane und die Linien
den Interquartilsbereich dar. Eine Kontamination durch
Abwasser, Chemikalien oder Öl verursacht eine 35 bis
45 %ige Erhöhung des Hausratsschadens.
Damage increasing effect of contamination shown for
flood damage ratios of household contents. The columns
represent the means, the dots the medians and the lines
the 25 to 75 % percentiles of the sub-samples. Contaminations
by sewage, chemicals, or oil cause an increase of
35 to 45 % of the contents damage ratio.
reduzieren. Der Datensatz wurde hinsichtlich einzelner
Einflussfaktoren ausgewertet. Dabei zeigte sich beispielsweise
die schadenserhöhende Wirkung von Kontaminationen,
insbesondere von Verunreinigungen durch Öl
(Abb. 5.52), aber auch der mindernde Effekt von baulichen
Vorsorgemaßnahmen.
Großräumige Hochwasserszenarien
Ein Aspekt der Hochwasserforschung, der in der Sektion
Ingenieurhydrologie verstärkt bearbeitet wird, ist die Analyse
von großräumigen Hochwasserereignissen. Hochwasserstudien
beschränken sich in den meisten Fällen auf
lokale und regionale Analysen. So gibt es bis heute keine
wissenschaftlich abgesicherten Methoden zur Prognose
von großräumigen Hochwassersituationen. Solche Prognosen
werden aber für das Katastrophenmanagement von
großräumigen Hochwassergefahrenlagen benötigt, die
Länder- und/oder Einzugsgebietsgrenzen überschreiten.
Auch die Rückversicherungsindustrie braucht zur Gestaltung
ihrer Versicherungspolicen solche Aussagen. Das
GFZ untersucht gezielt die Frage, wie großräumige Schadenlagen
prognostiziert werden können. Hierbei gibt es
zwei Hauptprobleme zu lösen: (a) die Generierung großräumiger
Überschwemmungsszenarien, und (b) die skalenadäquate
Analyse auf Basis der großräumig verfügbaren
Datensätze.
Großräumige Überschwemmungsszenarien müssen realitätsnah
sein, d. h. sie müssen prinzipiell auch eintreten
können. Die heute vorliegenden großräumigen Szenarien,
wie z. B. der länderübergreifende Rheinatlas, zeigen Überschwemmungsflächen
mit einheitlichen Wiederkehrintervallen
im gesamten Flusseinzugsgebiet. Solche Szenarien
sind für große Flussgebiete unrealistisch und überschätzen
das Hochwasserrisiko. Eine Analyse von Hochwasserereignissen
am Rhein zeigt, wie unterschiedlich die
Wiederkehrintervalle verteilt sind (Abb. 5.53). Während
das Rheinhochwasser im März 1988 vor allem den Mittelrhein
getroffen hat, waren die Ereignisse 1993 und 1995
am Niederrhein am schlimmsten; 1999 war nur der Oberrhein
betroffen. In einem von Aon Rück finanzierten Projekt
erarbeitet das GFZ momentan eine Methode, mit der
realistische räumliche Verteilungen der Hochwasserbetroffenheit
in großen Flussgebieten generiert werden können.
Das zweite Problem betrifft die Ableitung von flächendeckenden
Aussagen auf Basis verfügbarer Datensätze. So
sind beispielsweise für eine Vulnerabilitätsanalyse großer
Gebiete keine detaillierten Landnutzungsdaten verfügbar,
welche die Anordnung einzelner Gebäude zeigen. Daher
muss auf gröbere Datensätze, z. B. auf den europaweit verfügbaren
CORINE-Datensatz, zurückgegriffen werden.
Statistische Daten zu Werten (Gebäude, Infrastruktur,
Kapitalstock etc.) liegen ebenfalls stark aggregiert vor,
z. B. als Summenwerte pro Gemeinde, Kreis oder Bundesland.
Für eine Hochwasserrisikoanalyse sind diese aggregierten
Daten räumlich zu verteilen. Abb. 5.54 zeigt Verteilungen
von Wohngebäudewerten in Baden-Württemberg,
und zwar aggregiert auf Gemeindeebene und räum-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 5.53: Jährlichkeiten der Rheinhochwasser vom März 1988, Dezember 1993, Januar 1995 und Mai 1999 an den
Rheinpegeln Maxau (Oberrhein), Kaub (Mittelrhein) und Köln (Niederrhein). Es zeigt sich die große räumliche Heterogenität
von Hochwasserereignissen im Rheingebiet.
Return periods of flood events that occured along the river Rhine at the gauges Maxau (Upper Rhine), Kaub (Middle
Rhine) and Cologne (Lower Rhine) in March 1988, December 1993, January 1995 and May 1999. The data reveal the
enormous spatial heterogeneity of flood events in the Rhine catchment area.
lich disaggregiert mit Hilfe der CORINE-Landnutzungen
und entsprechenden Bevölkerungsdichten. Der Informationsgewinn
durch die Disaggregierung ist deutlich zu
sehen. Diese Abschätzungen werden gemeinsam mit einer
interdisziplinären Arbeitsgruppe im Rahmen von CEDIM
erarbeitet.
Katastrophenmanagement
Die Sektion Ingenieurhydrologie beteiligt sich an den Arbeiten
zum Thema Katastrophenmanagement des Helmholtz-
Foschungsnetzwerks EOS (Earth Observing System), das
gemeinsam von den Helmholtz-Zentren AWI, DLR, GFZ
und GKSS getragen wird. Im Rahmen von EOS koordiniert
die Sektion Ingenieurhydrologie seit Anfang 2005 zusammen
mit dem DLR das Projekt Vernetzungsplattform Naturkatastrophen
(NaDiNe – Natural Disasters Networking Platform).
Die Aufgabe der Vernetzungsplattform besteht in der
Bündelung von Expertise aus den verschiedenen Helmholtz-
Einrichtungen und der Bereitstellung einer gemeinsamen
Infrastruktur und Datenbasis (Abb. 5.55).
Zunächst fördert die Plattform NaDiNe die Vernetzung
von Wissenschaftlern der vier EOS-Zentren im Hinblick
auf die Naturkatastrophen Hochwasser, Erdbeben, Tsunami,
Stürme und Sturmfluten sowie Ölunfälle. Zu einem
späteren Zeitpunkt ist es geplant, die Plattform für eine
thematische Erweiterung sowie die Mitarbeit von anderen
Helmholtz-Zentren zu öffnen. Mit dem Konzept des Internetportals,
einem Kernstück der Vernetzungsplattform,
wird die Möglichkeit gegeben, wissenschaftliche Informationen
einer breiten Öffentlichkeit und einem interessierten
Fachpublikum zu präsentieren. Zu jedem der
genannten Themen haben sich Expertenteams gebildet,
die zur jeweiligen Naturgefahr allgemeine und im Katastrophenfall
spezielle Informationen zu dem Ereignis einbringen.
In den einzelnen Expertenteams sind jeweils Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler aus verschiedenen
Zentren vertreten, die über die Plattform eine Möglichkeit
der Kommunikation und Kooperation erhalten. Der Austausch
von Daten wird durch eine dienstebasierte Infrastruktur
unterstützt. Im Fall einer eintretenden Naturkatastrophe
wird bei Erfüllung festgelegter Kriterien das
Expertenteam aktiv, d. h. zu dem Ereignis werden spezielle
wissenschaftliche Einschätzungen erarbeitet und bereitgestellt.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Vernetzungsplattform
eine Zusammenarbeit mit den Akteuren des Katastrophenmanagements
angestrebt. Um die Anforderungen öffentlicher
Bedarfsträger zu ermitteln, fand im Juni 2005 der
Workshop „Informationsbedarf in Krisenfällen“ am GFZ
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
403

404
Abb. 5.54: Auf Gemeindeebene aggregiertes (links) und mit CORINE-Landnutzungsdaten disaggregiertes Einheitswohnvermögen
(flächennormiert) [€/m 2 ] (rechts) in Baden-Württemberg. Die Werte des Wohnvermögens wurden auf
Basis von Normalherstellungskosten und von statistischen Daten über Anzahl und Beschaffenheit der Gebäude deutschlandweit
abgeschätzt.
Unit asset values of residential buildings in Baden-Wuerttemberg (standardised by the area; values are given in €/m 2 )
aggregated at the community level (left) and disaggregated by means of CORINE land cover data (right). The asset
values were derived for the whole of Germany on the basis of standardised construction costs and census data about
the number and types of buildings per community.
statt. Der Workshop ermöglichte eine intensive Diskussion
zwischen Vertretern der im Krisenfall agierenden Institutionen
und Wissenschaftlern der Helmholtz-Gemeinschaft
über den Bedarf an Informationen und die vorhandene wissenschaftliche
Expertise. Es zeigte sich, dass ein erheblicher
Bedarf an Beratung und Information durch wissenschaftliche
Experten, sowohl bei den Praktikern des Katastrophenmanagements
als auch bei der Öffentlichkeit besteht.
Der Unterstützung des Katastrophenmanagements durch
moderne Informations- und Kommunikationstechnologie
widmet sich auch das Graduiertenkolleg „Modellbasierte
Entwicklung von Technologien für selbstorganisierende
Informationssysteme – zur Anwendung im Katastrophenmanagement“,
das in Kooperation von Humboldt-Universität
Berlin und GFZ beantragt und im Januar 2006 von
der DFG genehmigt wurde.
Literatur:
Abb. 5.55: Screenshot des Webportals zu
NaDiNe, der Vernetzungsplattform Naturkatastrophen
im Rahmen des Helmholtz-
Forschungsnetzwerks EOS.
Screenshot of the web portal of NaDiNe,
the Natural Disaster Networking Platform
in the framework of the Helmholtz Research
Network Integrated Earth Observing
System.
Förster, A., Norden, B., Zinck-Jørgensen, K., Frykman, P., Kulenkampff, J., Spangenberg,
E., Erzinger, J., Zimmer, M., Kopp, J., Borm, G., Juhlin, C., Cosma, C.,
Hurter, S. 8 (2006): Baseline characterization of the CO 2SINK geological storage
site at Ketzin, Germany, Environmental Geosciences, in press.
Grünthal, G. (ed.) (1998): European Macroseismic Scale 1998 (EMS-98). Cahiers
du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie 15, Centre Européen de
Géodynamique et de Séismologie, Luxembourg, 99 pp.
Grünthal, G. and Wahlström, R. (2003): An M w based earthquake catalogue for
central, northern and northwestern Europe using a hierarchy of magnitude conversions.
Journal of Seismology 7 (4), 507-531.
Grünthal, G., Mayer-Rosa, D. and Lenhardt, W. (1998): Abschätzung der Erdbebengefährdung
für die D-A-CH-Staaten – Deutschland, Österreich, Schweiz. Bautechnik
75 (10), 753-767.
Grünthal, G., Thieken, A. H., Schwarz, J., Radtke, K. S., Smolka, A. and Merz, B.
(2004): Comparative risk assessments for the city of Cologne – storms, floods,
earthquakes. In: Merz, B. and Apel, H. (eds.): Risiken durch Naturgefahren in
Deutschland: Abschlussbericht des BMBF-Verbundprojektes Deutsches For-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

schungsnetz Naturkatastrophen (DFNK), Scientific Technical Report 04/01, Geo-
ForschungsZentrum Potsdam, Potsdam, 286-305.
Henninges, J.; Huenges, E.; Burkhardt, H. (2005): In situ thermal conductivity of
gas-hydrate-bearing sediments of the Mallik 5L-38 well, Journal Geophysical Research,
110, B11206.
Legarth, B. A.; Huenges, E.; Zimmermann, G. (2005): Hydraulic fracturing in a
sedimentary geothermal reservoir: Results and implications, International Journal
of Rock Mechanics and Mining Sciences, 42, 7-8, 1028-1041.
Lokhorst, A., ed. (1998): NW European gas atlas: Haarlem, Nederlands Institute
voor Toegepaste Geowetenschappen TNO, CD-ROM.
Lotz, B. (200):, Neubewertung des rezenten Wärmestroms im Nordostdeutschen
Becken: Scientific Technical Report STR04/04, GeoForschungsZentrum Potsdam,
Potsdam, 225 S.
Norden, B., Förster, A. (2006): Thermal conductivity and radiogenic heat production
of sedimentary and magmatic rocks in the Northeast German Basin, AAPG
Bull., in press.
Schelle, H., Grünthal, G. and Stromeyer, D. 2005): Numerical simulation of repeated
rupture processes at a bended strike-slip fault – magnitude frequencies and
aspects of the spatio-temporal distribution of main events. Geophys. J. Int., subm.
12/2005.
Schütt, H., Wigand, M., Spangenberg, E. (2005): Geophysical and geochemical
effects of supercritical CO 2 on sandstones, in: D. C. Thomas, and S. Benson (eds.),
Carbon Dioxide Capture for Storage in Deep Geologic Formations – Results from
the CO 2 Capture Project, 2, Amsterdam, Elsevier, 767-786.
Tyagunov, S., Grünthal, G., Wahlström, R., Stempniewski, L. and Zschau, J. (2006):
Seismic risk mapping for Germany. NHESS, subm.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
405

406
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Das GFZ Potsdam auf einen Blick
Name: GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)
Stiftung des öffentlichen Rechts
Zugehörigkeit: Das GFZ Potsdam ist Mitglied der Helmholtz-
Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
Träger: • Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) (90 %)
• Ministerium für Wissenschaft, Forschung
und Kultur des Landes Brandenburg
(MWFK) (10 %)
Beschäftigte: 654, davon 314 Wissenschaftler (Oktober 2005),
17 Professoren
Jahresetat: 38 Mio. € Institutionelle Förderung (2005)
24 Mio. € Drittmittel (2005)
Gremien: • Kuratorium
• Wissenschaftlicher Beirat
• Vorstand
• Wissenschaftlicher Rat
Wissenschaftliche Infrastruktur: Geoforschungssatelliten CHAMP und
GRACE, Gerätepool Geodäsie,
Laserteleskop, Gerätepool Geophysik,
Geomagnetische Observatorien Niemegk
und Wingst, Geodynamisches Observarorium
Sutherland/RSA, KTB-Tiefenlaboratorium
Windischeschenbach, Laboratorien für chemische
Analytik, Reinstluftlabors für Isotopen-
Geochemie, Ionensonde, Hochdruck-Hochtemperatur-Experimentieranlagen,Rasterund
Transmissions-Elektronenmikroskopie,
Hochleistungsrechner mit Archivroboter,
Zentralbibliothek, Werkstatt
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Organigramm des GFZ Potsdam, Stand 31.12.2005
Organizational structure of the GFZ Potsdam, 31.12.2005
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Gremien des GeoForschungsZentrums
Potsdam
Das GeoForschungsZentrum Potsdam wurde am 1. Januar
1992 als Stiftung des öffentlichen Rechts des Landes
Brandenburg mit Sitz in Potsdam gegründet.
Den Finanzbedarf des GFZ Potsdam deckt zu 90 % der
Bund, vertreten durch das Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF), und zu 10 % das Land Brandenburg,
vertreten durch das Ministerium für Wissenschaft,
Forschung und Kultur (MWFK).
Kuratorium
Das Kuratorium ist das Aufsichtsgremium des GeoForschungsZentrums
Potsdam. Es entscheidet unter Berücksichtigung
der Stellungnahmen des Wissenschaftlichen
Beirats über die allgemeinen und finanziellen Angelegenheiten
der Stiftung und überwacht die Rechtmäßigkeit,
Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit der Führung der
Stiftungsgeschäfte. Das Kuratorium stellt die jährlichen
Haushalts- und die mehrjährigen Finanzpläne einschließlich
der Ausbau- und Investitionsprogramme fest. Es prüft
den vom Vorstand vorgelegten Jahresabschluss und Geschäftsbericht.
Das Kuratorium beschließt die vom Vorstand
vorzulegenden und mit einer Stellungnahme des
Wissenschaftlichen Beirats versehenen Forschungsprogramme
der Stiftung einschließlich der geplanten Zusammenarbeit
mit nationalen und internationalen Einrichtungen.
Mitglieder (Stand 31. 12. 2005):
Ministerialdirektor Reinhard Junker (Vorsitzender),
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Staatssekretär Prof. Dr. Markus Karp (stellvertretender
Vorsitzender), Ministerium für Wissenschaft, Forschung
und Kultur des Landes Brandenburg
Prof. Dr. Dr. h.c. Egon Althaus, Mineralogisches Institut
der Universität Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. Kurt Häge, Lausitzer Braunkohle Aktiengesellschaft
Prof.Dr.Hans-Gert Kahle, Inst. für Geodäsie und Photogrammetrie,
ETH-Hönggerberg, Zürich
Prof. Dr. Karin Labitzke, Freie Universität Berlin, Institut
für Meteorologie
Prof. Dr. Dominique Lattard, Universität Heidelberg,
Mineralogisches Institut
Prof. Dr. Evelies Mayer, Technische Universität Darmstadt,
Institut für Soziologie
Dr. Karl-Ulrich Müller, Auswärtiges Amt
RegDir Hans-Ulrich Weber, Bundesministerium der
Finanzen
Wissenschaftlicher Beirat
Der Wissenschaftliche Beirat berät das Kuratorium und
den Vorstand auf allen Gebieten von Forschung und Entwicklung.
Die Beratung erstreckt sich insbesondere auf
• das Forschungs- und Entwicklungsprogramm
• die Ergebnisbewertung
• die Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen
Einrichtungen
• Berufungsangelegenheiten
Mitglieder (Stand 31.12.2005):
Prof. Dr. Hans-Gert Kahle (Vorsitzender), Inst. für
Geodäsie und Photogrammetrie, ETH-Hönggerberg,
Zürich
Prof. Dr. Hans-Peter Harjes (stell. Vorsitzender), Inst. f.
Geologie, Mineralogie und Geophysik, Universität Bochum
Prof. Dr. Hans-Peter Bunge, Department für Geo- und
Umweltwissenschaften, Universität München
Prof. Dr. Karl-Heinz Ilk, Institut für Theoretische Geodäsie,
Astron.-Phys. & Math. Geodäsie, Unversität Bonn
Prof. Dr.Angelika Kalt, Institut de Géologie, Université
Neuchatel
Prof. Dr. Judith A. McKenzie, Geologisches Institut,
ETH Zürich
Prof. Dr. Volker Mosbrugger, Inst. für Geologie und
Paläontologie, Universität Tübingen
Prof. Dr. Adrian Pfiffner, Institut für Geologie, Universität
Bern
Prof. Dr. Monika Sester, Institut für Kartographie und
Geoinformatik, Universität Hannover
Dr. Silke Sheppard, Schlumberger Technical Services
Prof. Dr. Peter Ulmer, Institut für Mineralogie u. Petrographie,
ETH-Zentrum, Zürich
Prof. Dr. Friedemann Wenzel, Geophysikalisches Institut
der Universität Karlsruhe
Wissenschaftlicher Rat
Der Wissenschaftliche Rat berät den Vorstand in Angelegenheiten
von grundsätzlicher wissenschaftlicher Bedeutung.
Ihm gehören alle Direktoren der Aufgabenbereiche
sowie drei gewählte Mitglieder (*) an.
Mitglieder (Stand 31.12.2005):
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
409

410
Prof. Dr. Jochen Zschau, Vorsitzender
Prof. Dr. Günter Borm
Prof. Dr. Wilhelm Heinrich
Prof. Dr. Onno Oncken
Prof. Dr. Markus Rothacher
Dr. Charlotte Krawczyk (*)
Dr. Robert Ondrak (*)
Dr. Albrecht Schulze (*)
Vorstand
Der Vorstand führt die Geschäfte der Stiftung.
Mitglieder:
Prof. Dr. Dr. h. c. Rolf Emmermann, Wissenschaftlicher
Vorstand und Sprecher
Dr. Bernhard Raiser, Administrativer Vorstand
Organisation, Administration,
Zentrale Dienste
Personal- und Sozialwesen
Das GFZ Potsdam beschäftigte zum Stichtag 31.12.2005
insgesamt 654 Mitarbeiter, von denen aufgrund der fortgesetzten
erfolgreichen Drittmitteleinwerbung 204 über
eingeworbene Projekte finanziert wurden. Die Entwicklung
01.01.2004 31.12.2005
grundfinanziertes Personal 461 450
– Wissenschaftler 183 179
– sonst. Mitarbeiter (Techniker,
Werkstätten, Verwaltung etc.) 278 271
drittmittelfinanziertes Personal 146 204
– Wissenschaftler 101 125
– sonst. Mitarbeiter (Techniker,
Werkstätten, Verwaltung etc.) 45 79
Gesamtzahl 607 654
Tab. 1: Personalentwicklung und -verteilung 2004/05.
Development and distribution of staff in 2004/05.
Abb. 1: Ausländische Wissenschaftler am GFZ Potsdam.
Scientists from abroad with GFZ Potsdam.
Abb.2:Eröffnung der Kindertagesstätte Geolino, Nov. 2004
(Foto: GFZ)
Inauguration of the Geolino-kindergarten, November 2004
und Verteilung der Personalzahlen ergibt sich aus Tab. 1.
Die Umsetzung der Programmorientierten Förderung ist
weiter vorangeschritten. Die seitens der Zuwendungsgeber
als Nachfolger des alten Stellenplans zur Steuerung
des Personals eingeführten Personalausgaben- und Strukturquoten
werden sämtlich eingehalten. Die Bewirtschaftung
des Personals ist durch dieses Flexibilisierungsinstrument
sehr bedarfsnah möglich.
Auch die Zahl der am GFZ Potsdam beschäftigen ausländischen
Wissenschaftler ist weiter angestiegen (84 Wissenschaftler
≈ 30 %). Dieser internationale Austausch wird
sehr begrüßt. Eine Aufteilung nach Hei-
matländern ergibt sich aus Abb. 1.
Das GeoForschungsZentrum versucht
auf vielfältige Weise, die Karriere von
Frauen in der Wissenschaft zu fördern.
Am 01.11.2004 wurde eine Betriebskindertagesstätte,
die KiTa Geolino, auf dem
Gelände des Wissenschaftsparks Albert
Einstein eröffnet. Sie bietet Platz für zehn
Kinder im Alter von 0 bis 6 Jahren. Dieses
Angebot stößt auf regen Zuspruch, so
dass bereits über eine Erweiterung der
Kapazitäten nachgedacht wird. Auch darüber
hinaus beteiligt sich das GFZ Potsdam
intensiv an dem 5-Punkte-Chancengleichheitsprogramm
der Helmholtz-Gemeinschaft
„Fair ist mehr“. So sind schon
drei so genannte Wiedereinstiegsstellen
von der Helmholtz-Gemeinschaft kofinanziert
worden; auch das auf höchstem
Niveau angesiedelte Mentoring-Programm
wurde gut angenommen. Flexible Arbeitszeiten
gibt es im GFZ Potsdam angepasst
an den individuellen Bedarf schon
seit langer Zeit.
Das GFZ hat insgesamt 17 gemeinsame
Berufungen mit 7 Universitäten (Universität
Potsdam, alle drei Berliner Universitäten,
Universität Giessen, TU Braun-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 3: Entwicklung der Ausbildungsplätze am GFZ Potsdam 1993 bis 2005.
Increase of apprenticeship at GFZ Potsdam from 1993 from 2005.
schweig und Universität Stuttgart), drei weitere gemeinsame
Berufungen sind in Vorbereitung. Ende 2004 wurde
die Stelle des Direktors des Departments 1 mit Herrn Prof.
Rothacher neu besetzt. Darüber hinaus konnten zwei Professorinnen
(Frau Prof. Mandea und Frau Prof. Dransch)
gewonnen werden.
Weiterhin setzt sich das GeoForschungs-
Zentrum ganz besonders für das Thema
Berufsausbildung ein. Am 31.12.2005
waren 35 Auszubildende am GFZ Potsdam
beschäftigt. Damit liegt die Ausbildungsquote
bei 7,05 %. Die Entwicklung
der Ausbildung im GFZ ergibt sich aus
Abb. 3 In den Jahren 2004 und 2005 hat
das GFZ Potsdam insgesamt 77 bzw. 90
Schülerpraktikanten betreut. Dabei liegt
der Anteil der Mädchen bei rund 45 %.
Haushalt und Finanzen
Das GFZ Potsdam wird im Rahmen seiner
institutionellen Förderung durch Zuschüsse
des Bundes (90 %) sowie des Landes
Brandenburg (10 %) finanziert. Die Förderung
erfolgt seit 2003 auf Programmebene
aufgrund strategischer Begutachtung
im Rahmen der Programmorientierten
Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft.
Dabei ist das GeoForschungsZentrum
innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft
im Forschungsbereich „Erde und
Umwelt“ in den Programmen „Geosystem:
Erde im Wandel“ und „Atmosphäre
und Klima“ sowie im Forschungsbereich
„Energie“ mit dem Programm „Erneuerbare
Energien“ beteiligt.
Des Weiteren finanziert sich das GFZ aus
Drittmittelzuschüssen. Diese werden
dem GFZ Potsdam in erster Linie aus
dem Forschungshaushalt des Bundes,
durch Fördermittel der EU, der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG)
sowie durch den Impuls- und Vernetzungsfonds
des Präsidenten der Helmholtz-Gemeinschaft
nach erfolgreicher
Begutachtung der gestellten Drittmittelanträge
bereitgestellt. Darüber hinaus
erzielt das GeoForschungsZentrum ne-
ben eigenen Erträgen auch Erträge aus
der Verwertung wissenschaftlicher Erkenntnisse
im Rahmen der sogenannten
Auftragsforschung.
In Abb. 4 wird die Gesamtfinanzierung
des GFZ Potsdam in den Jahren 2001 bis
2005 gezeigt. In den Jahren 2004 und
2005 hat es bei nahezu allen Finanzierungsarten
einen Zuwachs gegeben. Der
Gesamtanstieg von 2004 nach 2005
macht allein 41 % aus. Die erfolgreiche Begutachtung
im Rahmen der Programmorientierten Förderung spiegelt
sich im Anstieg der Institutionellen Förderung wider.
Verstärkt wird dieser Trend noch durch zusätzliche
Zuschüsse für Neubaumaßnahmen und Großinvestitionen.
Abb. 4: Gesamtfinanzierung des GeoForschungsZentrums Potsdam.
Financing of the GFZ Potsdam.
Abb. 5: Verteilung der Drittmittel.
Distribution of Third Party Funding.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
411

412
Abb. 5 stellt die Verteilung der Drittmittelerlöse auf die
einzelnen Geldgeber dar. Die erfolgreiche Einwerbung
von Drittmitteln des Bundes ist insbesondere in 2005
erkennbar. Daneben zeigt sich ein starkes Wachstum bei
den von der EU finanzierten Projekten. Nach Einführung
des Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft
im Jahr 2003 hat sich diese Finanzierungsquelle
zu einer eigenständigen Säule innerhalb des Drittmittelaufkommens
des GFZ Potsdam entwickelt.
Bibliothek des Wissenschaftsparks Albert Einstein
Die Bibliothek des Wissenschaftsparks Albert Einstein versteht
sich als Serviceeinrichtung für die wissenschaftliche
Arbeit auf dem Telegrafenberg. Sie stellt zu diesem Zweck
gedruckte und elektronische Medien sowie Informationen
bereit, die für die aktuelle Forschung benötigt werden.
Seit 2001 fungiert sie als Zentralbibliothek für den Campus
Telegrafenberg und versorgt über das GeoForschungsZentrum
Potsdam hinaus auch das Potsdam Institut
für Klimafolgenforschung und die Forschungsstelle
Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung.
Die von der Bibliothek bereitgestellte und vermittelte
Information ist nach Möglichkeit direkt am Arbeitsplatz
des Wissenschaftlers abrufbar. Elektronische Zeitschriften,
das breite Angebot an Datenbanken und Alertdiensten
Abb. 6: Blick in die Historische Bibliothek des GFZ Potsdam
(Foto: B. Stöcker, GFZ).
View into the Historical Library of the GFZ Potsdam.
und zahlreiche elektronische Nachschlagewerke stehen
exemplarisch hierfür. Weiterentwickelt wurde in den letzten
zwei Jahren vor allen die Vernetzung der elektronischen
Dienste untereinander. Darüber hinaus betreut die Bibliothek
beispielsweise die elektronischen Publikationen des
GFZ Potsdam und hat die Veröffentlichungsdatenbank als
Plattform für Open Access-Publikationen ausgebaut.
Ergänzt wird die aktuelle Sammlung, die für Mitarbeiter
rund um die Uhr zugänglich ist, durch einen breiten
Bestand aus der Geschichte des Telegrafenberges (u. a. die
Bestände des Königlich Preussischen Geodätischen Instituts,
des Geomagnetischen Instituts und des Meteorologischen
Observatoriums). Insgesamt stehen weit über
100.000 Bände zur Verfügung.
Die Fachkräfte in der Bibliothek engagieren sich in der
Ausbildung von zwei Fachangestellten für Medien- und
Informationsdienste, sowie von Praktikanten aus informationswissenschaftlichen
Studiengängen.
Weitere Aktivitäten:
• Mitarbeit in der Arbeitsgruppe Open Access der
Helmholtz-Gemeinschaft, die ein Konzept zur Umsetzung
des offenen Zugangs zu wissenschaftlicher Information
erarbeitet hat.
• Seit Ende 2005 ist eine Stelle zur Koordination und
Förderung von Open Access in der Helmholtz-Gemeinschaft
bei der Bibliothek angesiedelt. Diese Stelle
wird finanziert aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds
des Präsidenten.
Zusammen mit dem Datenzentrum und in Kooperation mit
externen Partnern war die Bibliothek in zwei Projekte der
Deutschen Forschungsgemeinschaft involviert: „Publikation
und Zitierfähigkeit wissenschaftlicher Primärdaten“
und „GIN-Net, Geoscience Information Network“.
Daten- und Informationsmanagement im
GeoForschungsZentrum Potsdam
Das Ziel der modernen Geowissenschaften ist das ganzheitliche
Verständnis des Systems Erde und seiner Veränderungen.
Im Rahmen der Daseinsvorsorge sollen daraus
Antworten auf globale Herausforderungen, z. B. Klimaveränderung,
Verschmutzung der Umwelt, Reduktion von
Desasterschäden oder Energie- und Rohstoffversorgung
abgeleitet werden. Wegen seiner Komplexität und Vielschichtigkeit
kann dieses Ziel nur im fachübergreifenden
Verbund der geowissenschaftlichen Disziplinen, der Geologie,
Mineralogie, Geochemie, Geophysik und Geodäsie,
mit anderen Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie in
enger Kooperation mit nationalen und internationalen
Partnern realisiert werden.
Geowissenschaften und eScience
Zum Verständnis des Systems Erde werden relevante
Objekte und Prozesse im Untergrund und an der Erd-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

oberfläche, in den Meeren und in der Atmosphäre wissenschaftlich
untersucht. Die Ergebnisse liegen in Form
von Datensätzen vor, die sich durch große Datenvolumina
und eine hohe Komplexität auszeichnen. Große Datenvolumina
werden vor allem durch die satellitengestützte
Erdbeobachtung gewonnen. Komplexe, heterogene Datensätze
entstehen durch Detailuntersuchungen einer fachübergreifenden
Problemstellung. Die Kosten der Datenerfassung
sind hoch. Allein in der außeruniversitären
Forschung werden in Deutschland jährlich mindestens
400 Millionen € in die Erhebung von Geodaten investiert.
In anderen Ländern zeigt der Aufbau von neuen Wissenschafts-Infrastrukturen
bereits klare Strukturen. Im anglosächsischen
Sprachraum wurde dafür der Begriff eScience
für enhanced science geprägt. Ziel von eScience ist die
Lösung komplexer wissenschaftlicher Probleme in internationaler
Zusammenarbeit unter Verwendung einer neuen,
digitalen Informations- und Kommunikationsplattform. Ein
Netzwerk von eScience-Centern ist für den Betrieb dieser
Plattform verantwortlich. In Deutschland hat sich eScience
zu einem strategischen Thema für die Wissenschaft entwickelt.
Der Aufbau von eScience-Infrastrukturen in verschiedenen
Wissenschaftsdisziplinen wird bereits gefördert.
Der Aufbau einer neuen Generation von Infrastrukturen
auf Basis der modernen Informations- und Kommunikationstechnologie
ist ein Schlüsselfaktor, um die herausfordernden
Ziele der modernen Geowissenschaften zu
erreichen. Diese Rahmenbedingungen machen gerade die
Erforschung des Systems Erde zu einem sinnvollen Einsatzbereich
für Aufbau und Einsatz einer eScience-Infrastruktur.
Die Informations- und Kommunikationstechnologie
stellt die Werkzeuge zur Verfügung, deren Einsatz
• das Management, die Nutzung und die langfristige
Sicherung der komplexen, extrem umfangreichen
Daten über das System Erde wesentlich verbessert,
• eine Plattform für die Organisation von Projekten in
der Grundlagenforschung und der Anwendungsentwicklung
bietet und
• einen Zugang zu anderen relevanten Informationsquellen,
z. B. Geodaten der öffentlichen Hand, Wirtschafts-
und Patentinformationen öffnet.
eScience-Plattform im GeoForschungsZentrum Potsdam
Ein spezifisches Dienstleistungsangebot ist erforderlich,
damit Forschungsprojekten die Verfahren der Informatik
und Geoinformatik in geeigneter Weise zur Verfügung
gestellt werden können. Die Qualität und Gewichtung dieser
Dienstleistungen spiegelt sich im Organisationsmodell
für das Daten- und Rechenzentrum wieder. Das Modell
beinhaltet neben den projektspezifischen Dienstleistungen,
z. B. den Entwurf und die Implementierung von Informationssystemen,
den operativen Betrieb von Informationssystemen
und Anwendungsmodulen sowie die Weiterentwicklung
und Pflege der technischen Basisdienste.
Der Aufbau einer eScience-Plattform ist aber auch mit entsprechenden,
abgestimmten Investitionen in Hard- und
Software verbunden. Seit 2004 werden am GFZ Potsdam
Anstrengungen zum Aufbau einer eScience-Plattform
unternommen. In diesem Rahmen werden das Netzwerk
und das Massendatenmanagement grundlegend umstrukturiert
und der Compute-Server erheblich erweitert. Die
Nutzung soll über ein Portal-Framework erfolgen, das
zusätzlich Dienste für die Verwaltung und den Zugriff auf
Daten beinhaltet.
eScience im Daten- und Informationsmanagement
des GFZ Potsdam
Im Rahmen des Programms „Geosystem: Erde im Wandel“
soll die Funktionsweise der Erde als System global
wie regional analysiert werden. Leistungsfähige Instrumente
und hoch auflösende Messtechniken sowie die
Informationstechnologie erlauben es heute, komplexe
Strukturen und Geoprozesse in mehreren zeitlichen und
räumlichen Skalenbereichen zu erfassen und numerisch
zu modellieren. Das eingesetzte Spektrum an Methoden
und Techniken reicht von satelliten- und flugzeuggestützten
Mess-Systemen über die geophysikalische Tiefensondierung
und wissenschaftliche Bohrungen bis hin zu
Laborexperimenten.
Die Datenerfassung wird meist in einer Vielzahl von unabhängigen
Projekten durchgeführt. Die Ergebnisse werden
durch Publikationen und Daten dokumentiert. Die integrierende
Modellierung dieser Daten und Fakten wird oft
Jahre nach ihrer Erfassung durchgeführt. Die Qualität von
Modellen ist davon abhängig, dass eine möglichst breite
Datengrundlage verfügbar ist, welche auch die Daten anderer
Forschungseinrichtungen und die umfangreichen
Datenbestände der öffentlichen Hand beinhalten. Neben
der Verfügbarkeit von hochwertigen Daten spielen leistungsfähige
Werkzeuge für die Erschließung, Prozessierung,
Modellierung und Visualisierung eine wichtige Rolle.
Ziel von eScience in den Geowissenschaften ist der Aufbau
einer leistungsfähigen Infrastruktur, die das Daten-,
Informations- und Wissensmanagement unterstützt und
die Verfügbarkeit relevanter Daten und deren Nutzung
durch interoperable Werkzeuge sicherstellt. Es entsteht
eine lückenlose Wertschöpfungskette von der Datenakquisition
und Prozessierung über die Dissemination von
Ergebnissen bis hin zur Datenintegration, Modellierung
und Simulation. Es werden damit Rahmenbedingungen
geschaffen, welche eine zeitgemäße Bearbeitung und Lösung
der wissenschaftlichen Herausforderungen ermöglichen.
Beim Aufbau der eScience-Infrastruktur für die Geowissenschaften
stehen folgende strategische Ziele im Vordergrund:
• Durch den verbesserten Zugriff auf eine hochwertige
Datenbasis ist eine deutliche Qualitätsverbesserung
von Forschungsergebnissen zu erwarten.
• Die interdisziplinäre Vernetzung und die multiple Nutzung
von Daten über die Fachgrenzen hinaus werden
gestärkt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
413

414
• Die Entwicklung einer neuen Generation von digitalen
Werkzeugen zur Prozessierung, Speicherung, Verbreitung,
Analyse und Visualisierung von Geoinformationen
wird stimuliert.
• Wissenschaftliche Daten können für vielfältige Informations-
und Entscheidungsprozesse in Politik, Wissenschaft,
Wirtschaft und Verwaltung aufbereitet und
genutzt werden.
• Die Entstehung von Innovationsnetzwerken und der
Transfer von Forschungsergebnissen in die Anwendung
werden gefördert.
• Die Zusammenarbeit von Hochschulen und Forschungseinrichtungen
kann wesentlich verbessert werden.
• Die Integration der Infrastruktur in europäische und
globale Netzwerke fördert internationale Kooperationen.
Die unmittelbare Verfügbarkeit und Nachnutzbarkeit
hochwertiger wissenschaftlicher Daten zur Bewältigung
der Fragestellungen ist die Wertschöpfung, die durch den
Aufbau einer leistungsfähigen eScience-Infrastruktur und
ein hochwertiges Daten- und Informationsmanagement
erreicht wird. Wesentlich ist ein übergreifender konzeptioneller
und organisatorischer Ansatz, der eine lückenlose
Wertschöpfungskette von der Datenerfassung bis hin
zur Modellierung ermöglicht. Bereits durch die Art und
Weise der Datenerfassung werden die Möglichkeiten der
Nachnutzung bestimmt.
Die Wertschöpfungskette (Abb. 7) beinhaltet folgende
Elemente:
1. Datenerfassung: Die Erfassung von Daten steht am
Beginn der Wertschöpfungskette. Generell lassen sich
zwei Verfahren der Datenerfassung unterscheiden: die
Messung mit Hilfe von Instrumenten und die Dokumentation
von Beobachtungen. Beispiele für die Dokumentation
von Beobachtungen sind die geologische
Kartierung oder eine Profilbeschreibung. Bei den
Messungen lassen sich kontinuierliche Messreihen,
z. B. in der Fernerkundung oder Seismologie von diskreten
Einzelmessungen z. B. in der Geochemie unterscheiden.
Die Qualität der Datenerfassung und die
Dokumentation der Rahmenbedingungen der Daten-
Abb. 7: Wertschöpfungskette Daten- und Informationsmanagement
Value-added chain of an integrated data and information management
erfassung in den Metadaten bestimmen die spätere
Nachnutzbarkeit.
2. Verarbeitung: Bei diesem Schritt geht es um die Aufbereitung
von Mess- und Beobachtungsdaten zu aussagekräftigen,
interpretierbaren Daten (Informationen),
welche für die Lösung von wissenschaftlichen
Problemen einen Beitrag leisten können. In der Geodäsie
oder Geophysik werden z. T. sehr aufwendige
Berechnungen durchgeführt. Beim Bohrungsdatenmanagement
z. B. steht dagegen die Zusammenführung
von Detailbeobachtungen zu einem schlüssigen
Gesamtprofil im Vordergrund.
3. Archivierung:Datenarchive werden für die mittel- bis
langfristige Datenhaltung eingesetzt. Bei einer systematischen
Archivierung von Datenbeständen spielt die
Datendokumentation durch Metadaten eine zentrale
Rolle. Metadaten liefern Informationen über die Eignung
von Daten für spezifische, neue Anwendungsfelder
(fitness for use) und schaffen so die Voraussetzungen
für die interdisziplinäre Nachnutzung von
Daten. Während für projektbezogene Daten, wie durch
die Regeln der „Guten wissenschaftlichen Praxis“ vorgesehen,
ein Zugriff für einen Zeitraum von 10 Jahren
sichergestellt werden soll, müssen andere Datensätze,
z. B. Monitoringdaten, über längere Zeiträume archiviert
werden. Es laufen derzeit Bestrebungen, das Einpflegen
von Daten in Langzeitarchive vergleichbar mit
einer klassischen wissenschaftlichen Publikation zu
gestalten.
4. Dissemination:Die wirkungsvolle Dissemination von
Daten ist ein wichtiger Schritt zur Förderung einer projektunabhängigen
Nachnutzung von Daten. Vergleichbar
mit Literatur-Katalogen als Zugang zu Bibliotheken
werden Daten über Datenkataloge zugänglich
gemacht, die auf Basis von Metadaten arbeiten (Metainformationssysteme).
Datenkataloge werden in der
Regel zusammen mit anderen Projekt- oder Rahmeninformationen
über Portale erschlossen.
5. Harmonisierung: Die Harmonisierung und Integration
von Daten aus unterschiedlichen Quellen für die
Modellierung von komplexen Systemen ist ein zeitaufwendiger
und kostenintensiver Prozess.
Dabei sind Probleme der semantischen
und skalenbezogenen Abstimmung
von Daten zu bewältigen. Auch die einheitliche
Georeferenzierung unterschiedlicher
Datenquellen kann sich zu einer
komplexen Aufgabe entwickeln. Sowohl
die zugrunde liegenden Konzepte als auch
die notwendigen technologischen Lösungen
sind auch heute noch ein Feld für
Grundlagenforschung. Von besonderer
Bedeutung ist eine systematische Befassung
mit dem Thema Datenqualität. Es
besteht eine direkte Beziehung zwischen
der Qualität der Primärdatenerfassung
und den Kosten der Harmonisierung.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

6. Modellierung: Die Modellierung komplexer, übergreifender
Prozesse steht am Abschluss der Wertschöpfungskette
des Daten- und Informationsmanagements.
Die Verfügbarkeit von hochwertigen Daten für die Validierung
von empirischen Modellen oder Simulationsergebnissen
steht jetzt in direkter Beziehung zur Qualität
und Aussagekraft der wissenschaftlichen Ergebnisse.
Die Schritte 1 und 2 der Wertschöpfungskette – Erfassung
und Verarbeitung von Daten – können unter dem Begriff
Primärdaten-Management zusammengefasst werden. Die
Schritte 3 und 4 Archivierung und Dissemination haben
das Ziel, die Nachnutzung von wissenschaftlichen Daten
in einem interdisziplinären projektübergreifenden Kontext
zu unterstützen. Die Abschnitte 5 und 6 der Wertschöpfungskette
widmen sich der Harmonisierung, Modellierung
und Simulation.
Die Durchgängigkeit und Lückenlosigkeit der Wertschöpfungskette
wird dadurch erreicht, dass bereits bei der
Erfassung von Daten Standards für Daten- und Metadaten
berücksichtigt werden. Durch den Aufbau von projektbezogenen
Informationssystemen und durch die langfristige
Speicherung und Sicherung der Daten in Langzeitarchiven
kann der langfristige Zugang auch nach dem
Ende von Projekten sichergestellt werden. Auf diese Weise
werden die Grundlagen geschaffen, welche die Entwicklung
und Validierung von komplexen Modellen in einem
großen Umfang erst ermöglichen.
eScience-Plattform
Der systematische Aufbau einer eScience-Plattform
schafft die Voraussetzungen, um die oben dargestellten
Wertschöpfungspotenziale zu erschließen. Ein Schwerpunkt
liegt dabei in der Integration und Vernetzung von
Forschungsprojekten durch eine gemeinsame Plattform,
welche neben Möglichkeiten zur schnellen Verarbeitung
von Daten auch ausreichende Kapazitäten zur Speicherung
und langfristigen Sicherung von Rohdaten und ausgewerteten
Daten bereitstellt. Ein weiterer Schwerpunkt
ist die Realisierung eines zentralen Portals, das als
zentraler Einstieg zu allen relevanten Daten und Informationen
dient. Für den Aufbau der
eScience-Plattform ist aber auch die
Unterstützung der integrierten Auswertung,
Modellierung und Simu-lation
von Bedeutung. Die geplante eScience-
Plattform im GFZ Potsdam ist Teil einer
übergeordneten eScience-Infrastruktur
für die Erd- und Umweltwissenschaften.
Diese Anforderungen spiegeln sich in der
übergeordneten Architektur der geplanten
eScience-Plattform wider, die so den
konzeptionellen Rahmen, den Aufbau
der Infrastruktur und die Entwicklung
und Integration von Werkzeugen und
Diensten bildet. In Anlehnung an das
Programm „Geosystem: Erde im Wandel“
wird eine Architektur für die eScien-
ce-Plattform vorgeschlagen (Abb. 8). Das Kernelement
bildet die Modular Earth Science Information Infrastructure
(MESII) Auf MESII aufbauend eröffnet das Portal
Geowissenschaften (GESIS) einen zentralen Zugang
zu relevanten Daten und Informationen der Erd- und
Umweltforschung. Das Geoscientific Modelling Environment
(GeoMODE) unterstützt besonders die Integration
und Harmonisierung von Daten sowie die Berechnung
und Visualisierung von komplexen Modellen:
MESII – Modular Earth Science Information Infrastructure
MESII ist eine eScience-konforme Dienstplattform und
unterstützt das Daten- und Informationsmanagement von
der projektbezogenen Erfassung über die Verarbeitung
und Speicherung bis hin zur interdisziplinären Erschließung.
Durch die Abstimmung und Standardisierung
sowohl von Daten- und Metadaten als auch Datenkatalogen
und Archiven werden die Voraussetzungen für eine
übergreifende Nutzung von Daten geschaffen. Portal-Frameworks
gestatten die Integration von projekt- und nutzerspezifischen
Anwendungen, die einen Zugriff sowohl
auf Katalogdienste als auch Modellierungs- und Visualisierungswerkzeuge
gestattet.
Die Datenerfassung ist in der Regel direkt auf das Projekt
zugeschnitten. Zum Beispiel im Rahmen von Satelliten-
Missionen wie CHAMP oder GRACE werden kontinuierlich
sehr große Datenmengen erzeugt. Der Schwerpunkt
liegt auf einer schnellen Prozessierung und einer hohen
Zuverlässigkeit der Systeme, mit denen Sensormessungen
in relevante Informationsprodukte aufbereitet werden. Für
die Erfassung von Bohrungsdaten, die sich durch ein vergleichbar
geringes Datenvolumen und eine hohe Komplexität
auszeichnen, werden speziell angepasste Bohrungs-
Informationssysteme eingesetzt. Eine besondere Rolle
kommt den Langzeitarchiven zu. Diese haben die Aufgabe
Monitoringdaten oder publizierte Datensätze langfristig zu
sichern und einen effizienten Zugriff zu ermöglichen.
MESII schafft die technologische Basis für die Integration
von Geodateninfrastrukturen, GRIDs und Bibliotheken.
Grundlage ist die Virtualisierung von Komponenten.
Abb. 8: Bausteine der eScience-Plattform im GFZ Potsdam
Components of the GFZ eScience Plattform
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 9: Aufbau des Daten- und Rechenzentrums
Structure of the Data and Computer Centre
MESII erreicht auf diese Weise eine Homogenisierung
heterogener Ressourcen zur Gewährleistung eines transparenten,
skalierbaren und hochverfügbaren Zugriffs.
Dieses vereinfacht die Integration heterogener Komponenten
und ermöglicht flexible Architekturen sowie verteilungstransparente
Kommunikation von Prozessen. Die
Ressourcen, bspw. Datenbanken oder Applikationen, haben
keine feste Bindung untereinander, sondern werden
lose über einheitliche Schnittstellen gekoppelt und sind so
je nach Bedarf effizient einsetzbar.
GESIS – Portal Geowissenschaften
Das Global Earth Science Information System (GESIS)
soll Wissenschaftlern relevante Daten, Informationen und
Ergebnisse aus laufenden oder abgeschlossenen Projekten,
Programmen oder Missionen zugänglich machen. Von
besonderem Interesse sind Daten aus anderen wissenschaftlichen
Datenzentren aber auch Daten der öffentlichen
Hand, z. B. der Kataster-, Vermessungsämter und
der Umweltbehörden. Für GESIS wurde ein übergreifendes
Rahmenkonzept entwickelt, das in enger Zusammenarbeit
mit anderen Datenzentren und den geowissenschaftlichen
Bibliotheken realisiert werden soll. Mehrwertdienste
für die intelligente, themenorientierte Suche
nach Daten und Publikationen sind Teil des Portals. Auch
aktuelle Themen, wie die Publikation und Zertifizierung
von Daten und Open Access werden aufgegriffen. Zusätzlich
sollen Informationen über relevante Forschungsthemen
und laufende Projekte über Forscher und deren Kompetenzprofile
verfügbar gemacht werden.
Geoscientific Modelling Environment – GeoMODE
Die Modellierung von globalen, mehrskaligen Geoprozessen
ist eine wichtige Aufgabe des Programms „Geosystem:
Erde im Wandel“. GeoMODE ist eine Plattform
für die interaktive Modellierung und Kommunikation bei
der Bearbeitung geowissenschaftlicher Fragestellungen.
Die Nutzung von Daten des Untergrundes (z. B. Bohrungsdaten,
Strukturdaten, Parameter eines Epizentrums,
seismische Modelle, Lagerstätten) in
einer kollaborativen Arbeitsumgebung
erfordert die Entwicklung von neuen
Diensten zur Visualisierung von Objekten
des Erduntergrundes und deren Verknüpfung
mit den zugehörigen Datenbeständen
und weiterführenden Informationen
in der Literatur. Diese Dienste sollen
sich an den bereits verfügbaren Komponenten
der 2D-Geodateninfrastruktur
orientieren und sie um die dritte Dimension
erweitern.
Das Daten- und Rechenzentrum
Das Daten- und Rechenzentrum des Geo-
ForschungsZentrums Potsdam ist eine
wissenschaftliche Infrastruktur-Abteilung,
die sowohl für die Betreuung von zentralen
Diensten, wie Netzwerk, Massenspeicher
und Compute-Server, als auch für das Daten-
und Informationsmanagement in wissenschaftlichen Projekten
verantwortlich ist. Dezentrale Teile der IT-Infrastruktur
werden von den Sektionen in eigener Regie verwaltet.
Bedingt durch die Entwicklung der Informationstechnologie
und der Geoinformatik hat die Bedeutung der wissenschaftlichen
Daten kontinuierlich zugenommen. In
Forschungsprojekten wird die Verfügbarkeit einer gemeinsamen
Datenbasis für die Verbesserung eigener
Ergebnisse immer wichtiger. Die Internet-Darstellung von
Projekten entwickelt sich zu einem zentralen Einstiegspunkt
und wird für die externe Kommunikation zu einem
wichtigen Dreh- und Angelpunkt. Das Daten- und Rechenzentrum
hat auf diese Entwicklung mit einem angepassten
Dienstleistungsangebot reagiert. Die Entwicklung
von projektspezifischen Informationssystemen für die
sichere Speicherung und einfache Nutzung von großen
Datenmengen spielt dabei eine wichtige Rolle.
Aufgaben
Das Daten- und Rechenzentrum hat das Ziel, eine zeitgemäße
eScience-Plattform im GFZ Potsdam aufzubauen,
die richtungsweisende Entwicklungen im Bereich eScience
und Geodaten-Infrastrukturen sowie wichtige Trends
in der Hard- und Software aufgreift und einbezieht. Die
Elemente der Wertschöpfungskette und die Gesamtarchitektur
der eScience-Plattform bilden den konzeptionellen
Rahmen für das Leistungsangebot des Daten- und Rechenzentrums.
Daraus lassen sich folgende konkrete, operative
Ziele ableiten:
• Entwicklung eines zeitgemäßen, wertschöpfenden
Dienstleistungsangebots für das wissenschaftliche
Daten- und Informationsmanagement,
• Aufbau und Weiterentwicklung einer leistungsfähigen
Diensteplattform (MESII),
• Weitereinwicklung der technischen Basisdienste, wie
Netzwerk, Massenspeicher und Compute-Server,
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

• Einrichtung eines ICSU-Weltdatenzentrums mit der
Bezeichnung WDC TERRA für Lithosphärendaten als
Beitrag zum Portal Geowissenschaften (GESIS),
• Konzeption, Einführung und Verbreitung von Verfahren
zur Publikation von Daten,
• Sicherung des operativen Betriebs der eScience-Plattform,
• Beteiligung beim Aufbau von Geodaten-Infrastrukturen,
eScience-Initiativen und Standardisierungsgremien,
• Förderung des Transfers von Ergebnissen der Grundlagenforschung
in die Anwendung.
In der Organisation der Abläufe lassen sich bei der Umsetzung
der Aufgaben des Daten- und Rechenzentrums das
IT-Projektmanagement, das System-Operating und die IT-
Basisdienste unterscheiden (Abb. 9), die nachfolgend
erläutert werden. Der Aufwand für das System-Operating,
speziell der Betrieb von Informationssystemen, hat in den
letzten Jahren stark zugenommen.
IT-Projektmanagement
Das DRZ ist in einer Reihe von wissenschaftlichen Projekten
für das IT-Projektmanagement zuständig. Ausgehend
von den projektspezifischen Anforderungen und
Informationsflüssen werden im Rahmen des IT-Projektmanagements
Projekte vorbereitet, Informationssysteme
entworfen, implementiert und weiterentwickelt. Thematisch
umfassen diese Projekte ein breites Spektrum von
Satelliten-Missionen über Bohrungs-Projekte bis hin zum
Desaster-Management. Das Projekt SaDIN (Sahel Doukala
Information Network) stellt in diesem Zusammenhang
eine Besonderheit dar. SaDIN ist ein gemeinsames
EU-Projekt mit der Universität El Jadida, Marokko, in dem
Kapazitäten für ein leistungsfähiges Daten- und Informationsmanagement
aufgebaut werden sollen.
System-Operating
Durch das System-Operating werden technologische und
organisatorische Rahmenbedingungen für eine effiziente
Entwicklung und einen wirtschaftlichen Betrieb von Informationssystemen
geschaffen. Auf Vereinbarung werden
aber auch Dritt-Systeme gepflegt, die nicht im DRZ
entwickelt wurden. Zu den im Rahmen des System-Operating
erbrachten Leistungen gehören der Betrieb einer
Entwicklungsumgebung, der Betrieb einer Produktionsplattform,
die Bereitstellung von Software-Komponenten
und eines Portal-Frameworks/CMS, die Pflege eines
Bibliothekssystems und der Arbeitsplatzrechner in der
Bibliothek sowie Beratungsfunktionen im Bereich Geoinformationssysteme
(GIS).
Basisdienste
Die Basisdienste stellen die essentiellen, technologischen
Grundlagen und Funktionen für die IT-Infrastruktur des
GFZ Potsdam zur Verfügung. Dazu gehören das Massendatenmanagement,
die Bereitstellung von Backup-Kapazitäten,
der Betrieb von Compute-Server-Leistungen und
Datenbankservern sowie das Netzwerk und Netzwerkdienste.
Qualifikationsprofile
Die Unterstützung des gesamten Lebenszyklus von wissenschaftlichen
Daten und der Aufbau und Betrieb einer
eScience-Plattform im GFZ Potsdam als Teil einer Informations-Infrastruktur
für die Erd- und Umweltwissenschaften
setzt ein breites Kompetenzprofil voraus, das nur
von einer gut ausgebildeten, intensiv vernetzten Gruppe
erbracht werden kann. Die Gruppe setzt sich aus Geowissenschaftlern,
Informatikern und Ingenieuren zusammen.
Für diese Aufgaben sind eine hochwertige Ausbildung und
eine langjährige Berufserfahrung notwendig.
Grundlagen für die Arbeit des Daten- und Rechenzentrums
bilden die Methoden der Informatik. Diese liefern
Werkzeuge und Verfahren für den Entwurf, die Darstellung
und die Implementierung von komplexen Informationssystemen.
Diese Verfahren werden im Rahmen von
Vorgehensmodellen aufeinander abgestimmt. Standardisierte
Software-Entwicklungsprozesse, z. B. nach dem V-
Modell oder dem Rational Unified Process, spielen hier
eine besondere Rolle, die in einer, der Projektkomplexität
angemessenen Form eingesetzt werden. Die Informatik
liefert außerdem die Grundlagen zum Betrieb, zur Überwachung
und zur Sicherheit von Netzwerken, Rechnern
und Speichereinheiten. Besonderes durch die Entwicklung
des Internets wurde eine Vielzahl von neuen Konzepten
und Standards entwickelt und eingeführt.
Eine besondere Bedeutung für die Arbeit des Daten- und
Rechenzentrums hat auch die Geoinformatik. Durch die
Aktivität von Initiativen und Standardisierungseinrichtungen,
z. B. des Open Geospatial Consortiums (OGC),
der ISO oder des W3C wurden wichtige Grundlagen für
offene Geodaten-Infrastrukturen geschaffen. Von besonderer
Bedeutung sind Standards und Anwendungsprofile
für geowissenschaftliche Daten und Metadaten. Durch die
Aktivitäten des OGC wurden Spezifikationen für Services
in offenen Geodaten-Infrastrukturen vorangetrieben.
Diese beschreiben die Schnittstellen und die Protokolle,
mit denen sich Informationssysteme in Geodaten-Infrastrukturen
integrieren und die Art und Weise wie Daten/
Informationen von diesen Systemen abgerufen werden
können. Auf Basis dieser Spezifikationen stehen immer
mehr Software-Bausteine für Geoinformationssysteme als
kommerzielle Produkte, als Open Source oder Public
Domain Bausteine zur Verfügung. Die Kosten für die Entwicklung
und den Betrieb von Informationssystemen
sowie die Betriebssicherheit können so ganz wesentlich
verbessert werden.
Aufbau der eScience-Plattform im GFZ Potsdam
Im Rahmen des Aufbaus einer eScience-Plattform im
GeoForschungsZentrum werden seit 2004 alle größeren
Investitionsvorhaben in Basisdienste und System-Operating
gebündelt. Ziel der Maßnahmen ist die Konzeption
und Implementierung einer Netzwerk-, Rechner- und
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 10: Architektur der eScience-Plattform. Eine Service-
Plattform stellt standardisierte Dienste für projekt- und
anwendungsspezifische Portale zur Verfügung.
Architecture of the eScience Platform. A service platform
is offering standardised services for project and application
specific portals.
Speicherarchitektur, die über eine zeitgemäße Dienstplattform
zugänglich sind. Die Maßnahmen werden dazu
beitragen, die Potentiale von eScience für geowissenschaftliche
Anwendungsfelder zu erschließen (Abb. 10).
Die entstehende eScience-Plattform unterstützt:
• die Prozessierung von Messdaten aus den vielfältigen
Forschungsprojekten mit dem Schwerpunkt Satellitenmissionen
und globale Experimente,
• die Modellierung von komplexen geowissenschaftlichen
Prozessen,
• die Ausführung von zeitkritischen Simulationen, z. B.
im Rahmen der Frühwarnung bei unmittelbar drohenden
Naturkatastrophen,
• die Suche von und Zugang zu Messdaten, prozessierten
Daten und hochwertigen Informationsprodukten
und
• die langfristige Sicherung und Verfügbarkeit wichtiger,
hochvolumiger, wissenschaftlicher Daten, z. B.
Monitoring-Daten.
Die Funktionen der Plattform sollen dem
Anwender als Dienste einer Service-
Orientierten Architektur (SOA) über
anwendungsspezifische Portale angeboten
werden. Auf diese Weise können verfügbare
Ressourcen wesentlich flexibler
im Rahmen unterschiedlicher Aufgabenstellungen
und Anwendungen kombiniert
und genutzt werden. Für die Intensivierung
der Vernetzung mit Hochschulen, anderen
Forschungsinstituten und der Wirtschaft
ergeben sich signifikante Impulse.
Der Aufbau der eScience-Plattform beinhaltet
sowohl eine wesentliche Verstär-
kung der Computing-Ressourcen als auch den Ausbau der
Kapazitäten für die Speicherung und Archivierung von
Daten. Durch bereits durchgeführte Umfragen und Studien
liegen konkrete Vorstellungen über die Gestaltung der
Plattform vor. Darüber hinaus soll die Nutzung dieser
Angebote durch leistungsfähige aber kostengünstige Projekt-
und/oder Anwendungsportale gefördert werden. Der
Aufbau der eScience-Plattform im GFZ Potsdam beinhaltet
folgende, konkrete Maßnahmen:
Breitbandausbau Netzwerk: Zum gegenwärtigen Zeitpunkt
sind die Leitungs- und Vermittlungsinfrastrukturen
auf dem Telegraphenberg überwiegend auf einen Durchsatz
von maximal 100 Mbit/s ausgelegt. Die Anbindung
einzelner Gebäude und Einheiten erfolgt allerdings noch
mit Kapazitäten von 10 Mbit/s. Durch den Ausbau des
Netzwerks (Gbit/s) auf dem Telegrafenberg wird es möglich,
nicht nur den Zugriff auf und den Datentransfer zwischen
Diensten zu verbessern, sondern auch die Möglichkeiten
des Massendatenmanagements zu erweitern.
Erweiterung des High Performance Cluster (HPC): Der Aufbau
des Compute-Services mit mindesten 256 Knoten
basiert auf dem Einsatz von Standard-Cluster-Technologien.
Damit steht eine ausreichende Rechnerleistung für die Prozessierung,
Modellrechnungen, Simulationen und verteilte
Applikationen zur Verfügung (Abb. 11). Eine optimale Performance
kann durch High-Speed-Connections (Infini-
Band) erreicht werden, die den Datenfluss zwischen den einzelnen
Knoten optimieren, die Latenzzeiten verringern und
die nutzbare Bandbreite zur Datenübertragung erhöhen. Die
Steuerung des HPC erfolgt über eine Managementsoftware,
mit der das System konfi-guriert, die Lastverteilung überwacht
und die Nutzer-Accounts verwaltet werden. Beim
Transfer existierender Anwendungen auf das HPC ist ein
entsprechender Support für die effiziente Parallelisierung
und die detaillierte Code-Optimierung erforderlich.
Redesign Massendatenmanagement: Im August 2004
wurde im Rahmen einer externen Studie eine Situationsanalyse
zum Massendatenmanagement im GFZ durchgeführt.
Diese zeigte, dass die wachsenden Anforderungen
nicht länger durch einen rein quantitativen Ausbau der
Speichersysteme erreicht werden können. Vielmehr schlägt
Abb. 11: Entwicklung des Rechenzeitbedarfs von 2000 bis 2010
Development of computing demand from 2000 to 2010
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 12: Entwicklung des Massendatenmanagements im GFZ Potsdam
Development of mass data management in the GFZ
die Studie eine Neustrukturierung des Massendatenmanagements
und einen qualitativen Umbau der Speicherarchitekturen
vor, um die steigenden Anforderungen bzgl.
Datensicherheit, Verfügbarkeit und Zugriffsgeschwindigkeit
zu befriedigen.
Die Bedarfsanalyse und Auslastungsplanung entstand durch
die Auswertung von Interviews mit den Projektverantwortlichen
und auf Basis langjähriger Erfahrung in der
Archivierung von wissenschaftlichen Daten. Externe
Anforderung an die Datenhaltung, z. B. die Regeln der
„Guten Wissenschaftlichen Praxis“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft,
wurden ebenfalls berücksichtigt.
Wie in anderen Forschungseinrichtungen ebenfalls beobachtet,
zeigt sich im GFZ Potsdam ein kontinuierlicher,
fast exponentiell verlaufender Aufwärtstrend im Datenumfang
(Abb. 12). Zusätzlich wird es immer wichtiger,
der Wissenschaft eine hohe Qualität der Datenbereitstellung
zu gewährleisten. Diese Anforderungen können nur
durch neue, flexible Speicherarchitekturen umgesetzt werden.
Diese Architekturen erlauben es den Anwendern,
Datensätze transparent zwischen verschiedenen Speichersystemen,
z. B. Band oder Festplatte zu verschieben
oder zu replizieren. Dabei lassen sich sechs Klassen von
Speichersysteme HSM Disk, HSM Tape, Backup Disk,
Backup Tape, SAN und NAS unterscheiden.
Ziel ist der Aufbau einer virtualisierten Speicher-Infrastruktur.
Ein schnelles Festplattenspeicher-Netzwerk auf
Fiber Channel Basis schafft die Grundlage für den parallelen
Zugriff auf Daten und gewährleistet die zeitkritische
Verfügbarkeit von Original-Daten und abgeleiteten Modellen.
Das Festplatten-Netzwerk soll von 30 auf 100 TB Speicherkapazität
erweitert werden. Die Speicher-Infrastruktur
verwendet außerdem ein bandgestütztes Archivsystem, das
dann über eine Kapazität von ca. 400 TB (aktuell ca.
100 TB) verfügt. Die Verwaltung des Gesamtsystems erfolgt
durch eine spezielle Management-Software. Die Inhalte des
Archivs werden über Katalogdienste erschlossen.
Aufbau Diensteplattform
Der Zugang zur Rechen- und Speicherinfrastruktur soll
über die Implementierung einer Diensteplattform reali-
siert werden, deren Architektur in Abb. 10
dargestellt ist. Hier bietet sich eine nutzerfreundliche
Lösung als Portal-Anwendung
an, die, eingebettet in Projekt- oder
anwendungsspezifische Inhalte, den
Zugriff auf Datenkataloge und Computing-Ressourcen
gestattet. Besonders
ergänzende Angebote zum Datenmanagement
und zur Modellierung, aber
auch die verbesserte Nutzungsplanung
sichern eine maximale Auslastung des
Systems.
Die heutige Nutzung von Infrastruktur-
Diensten, z. B. Da-tenarchiven oder Projekt-Portalen
im GFZ Potsdam ist durch
eine Vielzahl von Software-Lösungen
und Gestaltungskonzepten gekennzeichnet, die in der
Regel individuell für Projekte entwickelt wurden. Die
Kosten, die durch diese Heterogenität entstehen, sind hoch
und schlagen sich sowohl bei der Entwicklung von neuen
Systemen als auch bei der Wartung nieder. Abgesehen von
großen Projekten kann das Datenmanagement deswegen
häufig nicht in einer angemessenen Form realisiert werden.
Als Folge sind relevante Daten bereits zur Projektlaufzeit
nur eingeschränkt verfügbar. Nach Projektende ist
ein Zugang zu vielen wertvollen Daten in der Regel nicht
mehr möglich.
Dabei stehen heute ausgereifte Lösungen zur Verfügung,
um durch eine Standardisierung des Dienstleistungsangebots
eine deutliche Qualitätsverbesserung und Kostenreduktion
bei der Verfügbarkeit von Daten und Diensten
zu erreichen. So ist zum Beispiel beim Betrieb von Portalen
und bei der Verwaltung von Inhalten der Konsolidierungsprozess
weit fortgeschritten. Ein Portal ist nicht
länger eine einfache Homepage, sondern gestattet vielmehr
einen Zugang zu allen relevanten Daten, Informationen
und Werkzeugen eines Projekts oder einer Einrichtung.
Die Eingabe, Pflege und Gestaltung der projektspezifischen
Inhalte erfolgt über ein Content-
Management-System (CMS), das mit dem Portal-Framework
verzahnt wird.
Das Portal bildet darüber hinaus einen Rahmen für die Einbindung
verschiedener Anwendungen und Dienste, z. B.
über Portlet-Schnittstellen. Dienste können mit geringem
Aufwand in Projektportale eingebunden werden und stehen
den Anwendern mit ausgereiften Funktionsangeboten
zur Verfügung. Moderne Portal-Frameworks bieten eine
Reihe von vorgefertigten Modulen, wie z. B. Terminplanung
und andere Kommunikationsmöglichkeiten (Email)
oder Diskussionsforen. Auch die Standardisierung von
spezifischen Geodatendiensten ist durch die Entwicklung
und Einführung von Geodaten-Infrastrukturen weit fortgeschritten.
Hier bietet sich eine Einbindung von Katalogdiensten,
Up- und Download-Funktionen oder von
Map-Servern als Portlets an. Wichtige wissenschaftliche
Forschungsergebnisse können so in Datenkataloge eingespeist
und so anderen Projektmitgliedern zugänglich gemacht
werden.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Zur Implementierung und Validierung der Diensteplattform
wurden mehrere existierende Anwendungen mit
definiertem Funktionsumfang ausgewählt, an Hand derer
die Plattform inkrementell entstehen soll. Diese sind:
• Weltdatenzentrum „Terra“. Zu realisierende Funktionen
sind: Pflege von Inhalten z. B. Nutzungsbedingungen,
Langzeitdatenarchiv mit Katalogdienst, Upund
Download von Daten und Verweissicherung.
• Muster-Projekt-Portal. Zu realisierende Funktionen
sind: Pflege von Inhalten des Projekts, Katalogisierung,
Speicherung und Archivierung von Daten, Kollaboration
von Wissenschaftlern.
• Datenmanagement Services. Zu realisierende Funktionen
sind: Portal mit Nutzungsangeboten, Verzeichnissen,
Statistiken.
• Computing Services. Zu realisierende Funktionen
sind: Portal mit Nutzungsangeboten, Software-Modulen,
Nutzungsstatistiken.
Die Realisierung der eScience-Plattform beinhaltet die
Auswahl und Einführung eines Portal-Frameworks, über
das Dienste und Projektportale unter einer einheitlichen
Bedienoberfläche integriert werden. Für den Aufbau und
die Pflege von Inhalten wird ein CMS installiert. Zur Verwaltung
von textuellen Inhalten und strukturierten Daten
dient ein Datenbankmanagementsystem (DBMS), das
über Features zum Umgang mit Geodaten verfügt. Ein
weiterer Schwerpunkt liegt darin, Standardservices z. B.
Map- und Katalogserver als Portlets verfügbar zu machen.
Die Einführung der Software-Pakete Portal Server, CMS,
Datenbankmanagement soll im Rahmen der oben genannten,
konkreten Anwendungen erfolgen. Auf diese Weise
wird ein Pool von Kompetenzen und von Software-Modulen
erschlossen, der die nachhaltige Nutzung der entwickelten
eScience-Plattform für ein zukunftsorientiertes
Daten-, Informations- und Wissensmanagement sicherstellt.
OSG-ICDP
Seit 1998 werden geowissenschaftliche
Forschungsprojekte sowohl finanziell als
auch operativ vom Internationalen Forschungsbohrprogramm
ICDP (International
Continental Scientific Drilling Program)
unterstützt und durchgeführt.
Dabei ist das GFZ Potsdam die zentrale
Schaltstelle dieses Programms, da es
sowohl als Exekutiv-Agentur des ICDP
agiert als auch durch die OSG (Operational
Support Group) am GFZ die Bohrprojekte
maßgeblich mitgestaltet. Die
OSG führt wissenschaftlich-technische
Planungen, Schulungen und Operationen
durch, für die sie auch einen inzwischen
umfangreichen Pool von bohrungsbegleitenden
geophysikalischen Geräten
und technischen Ausrüstungen einsetzt
beziehungsweise zur Verfügung stellt. In
den Jahren 2004 und 2005 wurde die bisher größte Anzahl
von Projekten mit Unterstützung der OSG durchgeführt.
Dazu gehören:
• SAFOD Main Hole Phase 1 und 2, Kalifornien, USA
• Lake Bosumtwi, Ghana
• Chesapeake Bay, Virginia, USA
• Lake Qinghai, China
• Donghai CCSD, China
• Iceland Deep Drilling Project, Island
• Hawaii HSDP-2b, USA
• Lake Malawi, Malawi, Ostafrika
• Chelungpu Fault, Taiwan
• Unzen Volcano, Japan
• Mallik Gas Hydrate Research Well, Kanada
• Lake Peten-Itza, Guatemala
Für jede Bohrung wird die technische Durchführung
zusammen mit begleitenden wissenschaftlichen Arbeiten
im Bohrinformationssystem der OSG dokumentiert und
weltweit per Internet zur Verfügung gestellt. Im Folgenden
werden ausgewählte Projekte kurz vorgestellt.
Ein Observatorium in der San Andreas-Störungszone:
„San Andreas Fault Observatory at
Depth“, SAFOD, USA
Die Beobachtung von natürlichen Erdbebenwellen und
Laborexperimente lassen es nur begrenzt zu, die prinzipiellen
Vorgänge bei Brüchen in der Erdkruste zu verstehen
Das SAFOD-Programm zielt daher darauf ab, physikalische
und chemische Prozesse direkt in der Erdbebenzone
in großen Störungszonen an Plattenrändern zu beobachten.
Dazu wird durch die San Andreas-Störungszone,
ein bekanntes Musterbeispiel einer vertikalen Bruchzone
und Plattengrenze, eine abgelenkte Bohrung abgeteuft
und instrumentiert. Damit sollen Erdbebenentstehung, Rissausbreitung,
Spannungsänderungen, Deformation und die
Rolle von Gasen und Tiefenwässern direkt in der Bruch-
Abb. 13: Die Startseite des neuen ICDP Webauftritts (www.icdp-online.org,
screenshot: ICDP)
The homepage of the new ICDP Web site (www.icdp-online.org)
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

zone untersucht werden. Im Jahr 2002 wurde vorbereitend
eine 2,2 km tiefe Pilotbohrung gebohrt und zur genauen
Lokalisierung von Mikrobeben unterhalb von 3 km Tiefe
mit einer Seismometerkette bestückt. Die an der Oberfläche
und unter Tage gewonnenen seismischen Daten wurden
genutzt, um die 2004 begonnene und 2005 fortgesetzte
Hauptbohrung genau in einen Bereich zu lenken, in dem
ständig kleine, sich wiederholende Erdbeben auftreten.
Die Bohrlokation liegt westlich der vertikal verlaufenden
San Andreas-Störungszone in einem Abschnitt, der sowohl
durch aseismisches Kriechen als auch durch die
wiederkehrenden Kleinbeben deformiert wird. Er grenzt
direkt an einen Bereich weiter südlich, in dem sich etwa
alle 25 Jahre Erdbeben der Magnitude Mw = 6 wiederholen.
Zur Beobachtung dieser Beben wurde das Gebiet mit
einem sehr dichten geophysikalischen Messnetz ausgerüstet,
dessen Daten zur hochgenauen Lokalisierung von
SAFOD dienten und für das SAFOD-Experiment genutzt
werden können. Während der Bohrungsphasen wurden die
erbohrten Gesteine kontinuierlich beprobt, gelegentlich in
wichtigen Bereichen Bohrkerne gezogen, sowie ein sehr
ausführliches geophysikalisches Messprogramm im Bohrloch
durchgeführt. Gesteinsproben und gewonnene Fluide
werden detailliert in den beteiligten Labors untersucht.
Das Durchteufen der San Andreas Verwerfung erfolgte in
zwei Phasen.
2004, Phase 1:
• Vertikales Abteufen der Bohrung im 17 1/2"- Bohrdurchmesser
bis zur Teufe 1.445 m
• Sichern dieses Abschnittes durch einen 13 3/8"-Rohreinbau
und Zementation
• Ablenken der Bohrung im 12 1/4"-Bohrdurchmesser
in Richtung San Andreas Verwerfung mit Neigungsaufbau
bis 55°
• Sichern des gesamten Bohrlochs durch den Einbau und
die Zementation einer 9 5/8"-Verrohrung
• Beendigung der Bohrarbeiten im 8 1/2"-Bohrdurchmesser
in 2004 in Teufe 3.068 m
• Kerne wurden erbohrt in den Teufenbereichen 1.462
bis 1.470 m sowie 3.056 bis 3.068 m.
• Die Bohrung wurde im vertikalen Abschnitt der 9 5/8"-
Verrohrung mit spezieller Sensorik (Glasfasertechnik)
zur Beobachtung und Messung von Verformungen der
Verrohrung ausgestattet. Gleichzeitig wurden nach
Ende der Bohrarbeiten 2004 eine Vielzahl von Messeinsätzen
in Vorbereitung der geplanten Weiterführung
der Arbeiten 2005 durchgeführt.
2005, Phase 2:
Abb.14:Schnitt durch die SAFOD-Hauptund
Pilotbohrung und die San Andreas-
Störungszone. Im Jahr 2004 wurde die im
unteren Bereich abgelenkte Hauptbohrung
3.068 m tief abgeteuft; 2005 wurde
sie auf 3.997 m vertieft. Die Farben im
Hintergrund zeigen die elektrische Leitfähigkeit.
Section across the SAFOD Pilot and Main
well and the San Andreas Fault Zone. The
deviated main well was drilled in the year
2004 down to 3068 m depth and deepend
in 2005 to 3997 m depth. The background
colors depict the electrical conductivity
along the section.
• Herausbohren aus der Verrohrung im 8 1/2"-Bohrdurchmesser
und Fortführung der Bohrarbeiten in
Richtung der San Andreas Verwerfung mittels Richtbohrtechnik
unter Beibehaltung der Bohrlochneigung
von ca. 55°
• Durchbohren der Bereiche der San Andreas-Verwerfung
unter Anwendung spezieller bohrtechnologischer
Abläufe und Techniken zur Beherrschung der gebirgsbedingten
Schwierigkeiten wie Instabilitäten, massive
Bohrlochrandausbrüche, Bohrkleinaustragsprobleme,
Festwerden des Bohrstrangs usw.
• Für das Durchbohren der San Andreas-Verwerfung
war der kontinuierliche Einsatz von LWD (Logging
While Drilling)-Messtechnik im Bohrstrang vorgesehen,
der jedoch aus Sicherheitsgründen und zur Risikominimierung
nur temporär durchgeführt wurde.
• Ende der Bohrarbeiten bei 3.997 m Teufe
• Sichern des gesamten Bohrlochbereiches durch den
Einbau und die Zementation einer 7"-Verrohrung
• Kerne wurden erbohrt im Teufenbereich 3.989 bis
3.997 m.
• Abschlussarbeiten, Sichern der Bohrung (Fußzementation
bis 3.927 m Teufe) und Vorbereitungen für die
geplante Weiterführung der Arbeiten 2007
Die Projektphasen 1 und 2 des SAFOD-Projekts konnten
erfolgreich und mit Erfüllung der wissenschaftlich-technischen
sowie finanziellen Vorgaben abgeschlossen werden.
Die Operational Support Group (OSG) am GFZ Potsdam
hat dabei folgende wichtige Aufgaben ausgeführt und mit
ihrer Tätigkeit wesentlich zum Gelingen des Projekts beigetragen:
• Operative Aufsicht und Controlling der bohrtechnischen
Arbeiten
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
421

422
Abb. 15: SAFOD-Bohranlage (Foto: L. Wohlgemuth,
GFZ)
Drill Rig of the SAFOD-Project
• Installation und Betrieb des Datenmanagementsystems
DIS
• Durchführung von Bohrlochmessungen 2004
• Planung und Koordinierung aller Aktivitäten zur Entwicklung
und zum Einsatz der Ausrüstungen für geophysikalische
und geowissenschaftliche Langzeitmessungen
in der Bohrung
2007 werden bis zu vier einige hundert Meter lange Kernbohrstrecken
in verschiedenen Teufenbereichen aus der
Hauptbohrung heraus durch den Bereich der Bruchzonen
gebohrt, ausführlich vermessen und schließlich mit einem
Dauerbeobachtungsmessstrang ausgerüstet. Dazu ist es
erforderlich, die Verrohrung der Bohrung von innen heraus
aufzufräsen um anschließend durch diese „Fenster“
(Window Cutting) mit spezieller Bohrtechnik Kerne zu
gewinnen.
Für einen Zeitraum von mindestens 15 Jahren sollen dann
erstmals kontinuierliche Messungen in dieser aktiven Bruchzone,
genau am Ort der Erdbeben neue Aufschlüsse über
ihre Entstehung und Wiederholung durchgeführt werden.
Das Lake Bosumtwi Drilling Project
Der Bosumtwi-Krater in Ghana ist eine etwa 11 km großer
kesselförmige Impaktstruktur, die nahezu komplett
vom bis zu 70 m tiefen Bosumtwi-See gefüllt ist. Der Krater
ist durch den Einschlag eines Meteoriten vor 1,07 Mio.
Jahren entstanden und wird seitdem kontinuierlich mit
Sedimenten aufgefüllt. Er ist einer der jüngsten und sehr
Abb.16:Bohrarbeiten: 26"-Meiselwechsel (Foto: L. Wohlgemuth,
GFZ)
Drilling: 26"-Bit change
gut erhaltenen Krater mit zentraler Aufwölbung. Das Ziel
der im Sommer 2004 durchgeführten Forschungsbohrungen
in diesem See war zum einen die Erforschung des
Impaktkraters, seiner Gesteinseinheiten, Strukturen und
Alterationen und zum anderen die durchgängige Beprobung
der Seesedimente, die die tropische Klimavariabilität
der letzten eine Million Jahre enthalten. Der See liegt
innerhalb des jahreszeitlichen Pfades der innertropischen
Konvergenzzone. Während des Sommers wandert diese
Zone nach Norden und bringt starken Monsunregen mit
Südostwinden vom Atlantik. Im Winter wandert diese
Zone nach Süden und bringt trockene, staubreiche Saharaluft.
Der hohe Kraterrand schließt den See vom Umfeld
ab, dadurch enthält das See-Sediment ein sehr sensitives
Archiv der Niederschläge und der Verdunstung.
Von Juli bis Oktober 2004 wurden 16 Bohrlöcher an 6 Lokationen
abgeteuft, die einen Gesamtkerngewinn von
2,2 km Länge erbrachten. Die Impaktstruktur wurde mit
einem 450 m und einem 540 m tiefen Bohrloch beprobt
und sowohl mit seismischen Experimenten als auch mit
geophysikalischen Bohrlochmessungen (siehe unten)
untersucht. Impaktgesteine, überprägte Brekzien und das
präkambrische, stark gestörte Grundgebirge konnten aus
den Bohrlöchern gewonnen werden. Die Daten werden
genutzt, um zum Beispiel die dreidimensionale Struktur,
die Magnetisierung, oder die thermische Überprägung zu
modellieren.
Die 14 Sedimentbohrungen ermöglichten die komplette
Beprobung der bis zu 300 m mächtigen Ablagerungen bis
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

zu Impaktgläsern im Bohrlochtiefsten.
Die untersten Sedimente enthalten bereits
bioturbate, hellgraue Tonschlämme, die
eine frühe Bildung eines Sees implizieren.
Aus dem Bereich darüber wurden
überwiegend stark laminierte graubraune
Tone sowie gelegentlich Sandlagen aus
ehemals ufernahen Bereichen gewonnen,
die eine starke Seespiegelschwankungen
über lange Zeiten dokumentieren.
Die OSG-Aktivitäten umfassten neben der
Unterstützung der operativen Planung und
Durchführung der Bohrungsarbeiten unter
anderem auch geophysikalische Bohrlochmessungen
und die Organisation eines
Trainingsprogramms vor Ort in Ghana und eines praktischen
Trainings anhand des Kernmaterials am GFZ Potsdam.
Unter dem Generalthema „Die Tiefbohrung als geologischer
Aufschluss“ bietet die Operational Support Group
des ICDP ein Trainingsprogramm an, in dem alle Belange
eines wissenschaftlichen Bohrprojekts von der Planung
und Strukturierung, dem Projektmanagement und der
technischen Realisierung bis hin zur Probenbearbeitung
und wissenschaftlichen Auswertung behandelt werden.
Das Training richtet sich an Wissenschaftler und Techniker,
welche an der Planung oder Durchführung von wissenschaftlichen
Bohrungen beteiligt sind.
Das Standard-Trainingsprogramm umfasst zurzeit folgende
10 Kurse:
• Planning and Managing of a Scientific Drilling Project
• Information and Data Management
• Fundamentals of Drilling Technology
• The Principles of Drilling Fluid Technology
• Borehole Stability
• Hydraulic Testing/Fluid Sampling
• Wellsite Geology
• Petrophysical Investigation of Cores and Cuttings
• Basic Borehole Logging and Interpretation
• Log Interpretation in the Non-Hydrocarbon Environment
Durch Hinzuziehung von Fachleuten aus Industrie und
Wissenschaft ist die OSG bemüht, die Trainingsprogramme
den Besonderheiten der jeweiligen aktuellen Bohrprojekte
anzupassen. In den Jahren 2004/2005 war das
Bosumtwi Crater Drilling Project (BCDP) der Themenschwerpunkt
für verschiedene Trainingsveranstaltungen
der OSG. Zunächst fand im September 2004 ein einwöchiger
Trainingskurs in Ghana am Lake Bosumtwi statt.
Hierzu wurde das generelle Programm um zusätzliche
Themenpunkte erweitert:
• Technical Planning and Initiating a Lake Drilling Project
• Handling of Cores in Particular Lake Sediment Cores
• Excursion to the Drilling Barge GLAD 800
Abb. 17: Blick in das Auditorium (Foto: J. Kück, GFZ)
A view in the auditorium
Insgesamt 35 Teilnehmer aus 8 Ländern nahmen an diesem
Kurs teil, darunter 14 Wissenschaftler und Studenten
aus Ghana. Ein besonderes Interesse fanden die Inhalte
dieses Trainings bei den Kollegen aus den Planungsgruppen
des Lake Qinghai-, wie auch des Lake Peten-Itza-
Bohrprojekts. Beide Projekte befanden sich zu der Zeit in
der „heissen“ Planungs- und Vorbereitungsphase. Da bei
beiden Projekten die wissenschaftlichen Fragestellungen
denen des Bosumtwi Projekts ähnelten und somit alle drei
Projekte ein ähnliches technisches Konzept verfolgten,
führte dieses Training zu einem intensiven Informationsaustausch.
Als zweite Trainingsveranstaltung wurde für die exakte
wissenschaftliche Erstbearbeitung ein praktisches Training
als „On-site Core Handling and Analysis; Logging
and Scanning of Drill Cores“ vom 18. 11. bis 19. 12. 2004
im Bosumtwi-Kernlager am GFZ Potsdam durchgeführt.
Sieben Wissenschaftler vom laufenden Bosumtwi-Projekt,
von der Planungsgruppe des Lake Qinghai- und Lake
Peten-Itza-Projekts nahmen daran teil und wurden in die
Erstbearbeitung von Bohrkernen, wie sie üblicherweise an
der Bohrlokation stattfindet, eingewiesen. Geologische
Erstbeschreibung von Bohrkernen, Inventarisierung, Kernfotografie
und Kernscannen, sowie die physikalische Vermessung
der Bohrkerne mit dem Multi-Sensor-Core-Logger
der Firma GEOTEK waren die Themen dieses Kurses.
Abb. 18: Exkursion auf die Bohranlage GLAD800 (Foto:
Th. Wöhrl, GFZ)
Excursion to the drilling rig GLAD800
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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424
Abb. 19: Einführung in die Arbeit mit dem Multi-Sensor
Core Logger (Foto: R. Conze, GFZ)
Introduction in the function of the Multi-Sensor Core
Logger
Abb. 20: Scannen der Bohrkerne (Foto: Ch. Köberl, Uni
Wien)
Scanning of the drill cores
Für die von der OSG zusätzlich organisierte
Probenparty im Januar 2005 wurden
mehr als 500 m Kerne in Proben- und
Archivhälften halbiert und zur Bemusterung
ausgelegt. Mehr als 640 Probenwünsche
wurden registriert, abgeglichen
und alle angeforderten Proben an die
jeweiligen Wissenschaftler unmittelbar
danach verschickt. An-schließend wurden
die Kerne am GFZ Potsdam eingelagert
und stehen nun dem Bosumtwi-Team
zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung.
Die OSG plante und führte im Bosumtwi-See
erstmalig ein umfangreiches
Programm von Bohrlochmessungen in
einem See von einer Barke aus durch. Die
Ergebnisse der Messungen dienten sowohl
der Teufenzuordnung des erbohrten
Kernmaterials als auch insbesondere dem
kontinuierlichen Gewinn einer anderwei-
Abb. 21: Probenparty im Kellerflur des GFZ Potsdam
(Foto: ICDP)
Sampling party in the corridor of the GFZ basement
tig nicht erhältlichen Datenreihe und damit auch der Überbrückung
von Kernverlusten. Für die Messungen wurde
die komplette für kleine Bohrungen geeignete Ausrüstung
der OSG inklusive einer Winde mit Kabel nach Ghana verschifft
und eingesetzt.
Die gewonnenen Loggingdaten wurden im GFZ Potsdam
einem Quality-Check, einer Tiefenkorrektur und einem
Pre-Processing (Sonic Velocity Picking, Image Enhancement
& Structure Picking, DIP-Berechnung) unterzo-
Abb. 22: Bosumtwi-Kernlager im GFZ Potsdam (Foto: Th. Wöhrl)
Bosumtwi core storage at GFZ
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

gen. Die OSG verwendete hierzu sowohl die Software
‚Geobase‘ des Sondenherstellers Antares, Stuhr, als auch
die Software ‚WellCAD‘ (Fa. ALT, Luxemburg), welche
im Flachbohrungsbereich weit verbreitet ist. Anschließend
wurden alle bearbeiteten Daten den beauftragenden
Wissenschaftlern des Projekts im ASCII-Format
übergeben oder, bei multidimensionalen Daten (Sonic
Waveforms, Images) im loggingüblichen LIS-Format. In
letzter Zeit wurden zusätzlich auch die WellCAD Graphik-Files
herausgegeben, da sie sich als Standard für
eine schnelle Durchsicht der Loggingdaten hervorragend
bewährt haben. Neben der direkten Übergabe werden die
Daten auch im jeweiligen Projekt-Drilling Information
System (via ICDP-Web-Page) allen am Projekt beteiligten
Wissenschaftlern passwortgeschützt zur Verfügung
gestellt.
Abb. 23: Resultate der Bohrlochmessungen in der Meteoritenkrater-Bohrung BCDP8, Lake Bosumtwi, Ghana, im
Abschnitt 255 bis 305 m. C1&C2: Bohrlochkaliber, DEVI/AZIM: Bohrlochneigung & -azimut, GRS: total Gammaaktivität,
Vp/Vs: seism. P- & S-Wellengeschwindigkeit, Sus: magnet. Suszeptibilität, Ftot: magnetische. Totalintensität,
Televiewer: akustisches Abbild der Bohrlochwand, Structures: Dip und Dip-Richtung von im Televiewerbild gepickten
Sinusstrukturen, Th, K, U: Gehalt an Thorium, Kalium & Uran.
Composite downhole log from the impact borehole BCDP8, Lake Bosumtwi, Ghana, section 255 to 305 m. C1&C2:
borehole calipers, DEVI/AZIM: borehole deviation & azimuth, GRS: total gamma activity, Vp/Vs: seismic P- & S-wave
velocities, Sus: magnetic susceptibility, Ftot: magnetic field total intensity, Televiewer: acoustic image of the borehole
wall, Structures: dip & dip direction of sinus structures picked from the televiewer image, Th, K, U: content of Thorium,
Kalium & Uran.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Tab. 2: Technische Spezifikation der speziellen Slimhole Logging Ausrüstung der ICDP Operational Support Group
im GFZ Potsdam (Details unter http://www.icdp-online.org).
Technical specifications of the slimhole logging equipment used by the ICDP Operational Support Group at GFZ
Potsdam.
Sondenname Spezifikationen:
Messparameter Tmax/Pmax/Ø/Länge/Gewicht
TS
Telemetrie, total GR, Bewegungssensor 150 °C/80 MPa/43 mm/1,4 m/7 kg
DLL
elektrische Resistivität: deep & shallow 150 °C/80 MPa/43 mm/2,3 m/13 kg
BS
Full Waveforms, Vp, Vs 150 °C/80 MPa/52 mm/4,50 m/32 kg
SGR
GR Spektrum: U, Th, K, total GR 150 °C/80 MPa/52 mm/1,4 m/15 kg
MS
magnetische Suszeptibilität 150 °C/80 MPa/52 mm/1,9 m/8 kg
DIP
Bohrlochgeometrie: Kaliber, Neigung & Azimuth,
Magnetfeld, Strukturlog 150 °C/80 MPa/52 mm/3,0 m/13 kg
FAC40
akustisches Bohrlochwandabbild 70 °C/16 MPa/40 mm/ 2,3 m/12 kg
FS
In-Situ Fluidprobennahme, 600 cm 3 ,
Positive Displacement Typ 180 °C/100MPa/43 mm/3,9 m/30 kg
MW2000 1,2 x 1,3 x 0,8 m, 600 kg, Leistung 1,5 kW, 220 V
Logging Winde: 2.000 m 3/16" Geschwindigkeitsbereich: 0,8 bis 45 m/min
4-Ader Kabel, GO4 Kabelkopf
Das ICDP Datenmanagementsystem DIS in Ozeanbohrungen
Von August bis November 2004 wurde auf der Arctic
Coring Expedition (ACEX) am Lomonosov-Rücken im
Arktischen Ozean das neu entwickelte Offshore Drilling
Information System (OffshoreDIS) erstmals eingesetzt
(Conze et al., 2004). ACEX war die erste Mission Specific
Platform (MSP)-Expedition des Integrated Ocean Dril-
Abb. 24: Die vollständige, transportbereite Slimhole-
Sondenausrüstung: geringes Gewicht und Volumen bei
hoher Leistungsfähigkeit. (Foto: J. Kück)
The complete slimhole equipment ready for shipping: low
weight and volume, high efficiency.
ling Program (IODP), die von dem European Consortium
for Ocean Research Drilling (ECORD) finanziert wurde.
Der British Geological Survey bildet dabei mit der Universität
Bremen und dem European Petrophysics Consortium
den ECORD Science Operator (ESO) – vergleichbar
mit der Operational Support Group ICDP.
Die MSP Expeditionen des IODP haben sehr ähnliche
Anforderungen an das Datenmanagement und bewegen
Abb. 25: Logging Winde MW2000 speziell für Slimhole-
Sondeneinsätze bis in mittlere Tiefen (2000 m 4-adriges
Kabel 3/16") beim Einsatz auf der Drilling Barge
GLAD800 auf dem Lake Bosumtwi, Ghana. (Foto: J.
Kück)
Logging winch MW2000 for slimhole logging operations
to medium depths (2000 m 4-conductor cable 3/16") on
drilling barge GLAD800 on Ghana.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

sich dabei in sehr ähnlichem Umfeld wie die Seebohrungen,
die von dem International Continental Scientific Drilling
Program (ICDP) durchgeführt werden. Beide Organisationen
benötigen ein mobiles und flexibles System zur
Datenerfassung und -verwaltung. Dieses System muss
schnell auf klein- bis mittelgroßen Bohrplattformen für
die Datenerfassung an Bord installiert werden. Anschließend
wird es an Land in Kernlagern und Laboratorien für
die Erfassung der wissenschaftlichen Auswertung und
Beprobung verwendet. Aus diesen Gründen hat sich ESO
entschlossen, das existierende Drilling Information System
(DIS) des ICDP für ihre Belange anpassen bzw. erweitern
zu lassen. Diese Aufgabe wurde federführend von
dem OSG Daten- und Informations-Management über-
Abb.26:Der Flottenverband – das Bohrschiff Vidar Viking,
das Laborschiff Oden und der Eisbrecher Sovetskiy Soyuz
(alle Bilder: IODP)
The fleet convoi – the drill ship Vidar Viking, the lab ship
Oden and the icebreaker Sovetskiy Soyuz
nommen, die Firma smartcube GmbH Berlin hat dabei als
Subcontractor das Software Engineering übernommen.
Die Offshore Phase
Entsprechend der ACEX-Bohrplattform und dem Arbeitsablauf
an Bord wurde das ACEX-OffshoreDIS für den
Einsatz in der Arktik konfiguriert. Mit einem Verband von
drei Eisbrechern (Vidar Viking, Oden und Sovetskiy Soyuz,
Abb. 26) wurden mehrere Lokationen entlang der Lomonosov
Ridge im arktischen Ozean erbohrt. Auf dem Bohrschiff
Vidar Viking wurden die Bohrkerne dokumentiert
(Abb. 27) und mit dem GeoTek MultiSensor CoreLogger
petrophysikalisch vermessen. Einige Proben und die Core
Catcher-Kerne wurden auf das Laborschiff Oden gebracht,
wo diese lithologisch beschrieben und biostratigraphisch
untersucht wurden.
Das OffshoreDIS-Netzwerk verband dabei die beiden
Schiffe. Auf den Schiffen war jeweils ein lokales, teilweise
verkabeltes Netzwerk installiert worden. Zwischen den
Schiffen lief der Datentransfer über Wireless LAN (WLAN).
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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Abb. 27: Der Datenkurator im Kernlabor der Vidar Viking
(Bild: IODP)
The data curator in the core curation laboratory of the
Vidar Viking
Sowohl auf der Vidar Viking als auch auf der Oden waren
jeweils identische DIS-Server installiert, die über die
WLAN-Verbindung ständig synchronisiert und repliziert
wurden.
Die Onshore Phase
Wissenschaftler aus zehn Ländern kamen im November
2004 im Bremer Core Repository (BCR) zusammen. Dort
Abb. 28: Bearbeitung und Beprobung der ACEX-Kerne im
Bremer Core Repository. (Bild: ICDP)
Documentation and sampling of ACEX cores at the Bremen
Core Repository
bearbeiteten sie die 340 Meter Kerne. Die Kerne wurden
längs in zwei Hälften gespalten, daran wurden ausgewählte
Messungen durchgeführt (lithologische Beschreibung,
digitale Scans, Farbreflektion, petrophysikalische
Eigenschaften und Biostratigraphie) und annähernd 8.000
Proben genommen (Abb. 28).
Entsprechend wurde das ACEX OnshoreDIS erweitert:
Erfassung großer Mengen an Proben und Probenserien,
Import von Kernübersichtsaufnahmen und der digitalen
Linescanbilder, die visuellen Kernbeschreibungen, zusätzliche
Datenpumpen und Druckreports.
Tahiti Sea-Level Expedition 2005 (IODP)
Nach Auswertung der gesammelten Erfahrungen wurde
umgehend die zweite MSP-Expedition nach Tahiti vorbereitet.
Von September bis November 2005 wurden mit der
zum Bohrschiff umgebauten Deep Hunter (Abb. 29) rund
um Tahiti an 22 Lokationen 37 Löcher gebohrt und insgesamt
632 m Kerne von Korallenriffen gewonnen und
mit dem OffshoreDIS erfasst.
Abb. 29: Das Bohrschiff Deep Hunter vor der Küste Tahitis.
(Bild: IODP)
The drill ship Deep Hunter off Tahiti's coast (Fig: IODP)
Weitere Entwicklungen
Diese Zusammenarbeit mit IODP hat dazu geführt, dass
zum einen die künftigen MSP-Expeditionen des IODP und
die Probenverwaltung im Bremer Core Repository mit
dem Off/OnshoreDIS dokumentiert werden. Zum anderen
wird das gleiche OffshoreDIS nun auch bei ICDP-
Bohrungen eingesetzt, das heißt, dass IODP und ICDP
Projekte den gleichen Datenstandard verwenden. Dadurch
ist die wichtigste Voraussetzung für die Integration von
ICDP-Daten- und Probenarchiven geschaffen. In naher
Zukunft wird es ein allgemeines Datenportal Scientific
Earth Drilling Services SEDIS (Miville and Soeding,
2006) geben, das einen nutzerfreundlichen Zugang zu
IODP und ICDP Daten bereitstellen wird (Abb. 30). Das
Offshore Datenmanagement wird daher von dauerhaften
Vorteil für IODP und ICDP sein, es wird bei künftigen
gemeinsamen IODP-ICDP Projekten, wie dem New Jersey
Coastal Plain Drilling Project im Sommer 2006 zum
Einsatz kommen.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Abb. 30: Schematische Ansicht des IODP-Daten-Management. Die Daten werden durch die IODP Implementing Organizations
gesammelt und unter einem gemeinsamen Portal vereint. Unter diesem Portal können dann auch ICDP-Daten
aufgefunden werden. (Abb. IODP)
Schematic view of IODP data management. Data are collected by the IODP Implementing Organizations and integrated
into a common portal. Lateron ICDP data can be found beneath the same portal.
Langzeitbeobachtung – neue Verfahren für die Datengewinnung
in wissenschaftlichen Bohrungen
Die Langzeitbeobachtung von aktiven geologischen Prozessen
ist ein Schwerpunkt bei wissenschaftlichen Bohrprojekten.
Der dafür erforderliche Langzeiteinsatz von
Messgeräten unter erschwerten Betriebsbedingungen stellt
eine neue Herausforderung für deren Betrieb und Entwicklung
dar. Geeignete Systeme stehen der Wissenschaft
heute noch nicht am Markt serienreif zur Verfügung. Im
Rahmen des ICDP werden zurzeit mehrere wissenschaftliche
Projekte verfolgt, die das Erbohren und In-Situ-
Beobachtungen von physikalischen und chemischen Prozessen
vor, während und nach dem Eintreten von seismischen
Aktivitäten zum Ziel haben. Am Beispiel des
SAFOD-Projekts (San Andreas Observatory at Depth) in
Parkfield/USA hat die Planungsphase für die Entwicklung
entsprechender Monitoring Arrays begonnen und wird
unter Federführung und Projektleitung seitens der OSG
am GFZ Potsdam bis 2007 mit der Fertigstellung und dem
Einbau eines fünfstufigen permanenten Monitoringstrangs
abgeschlossen sein.
Stand der Technik
Der Betrieb von Langzeit-Tiefenobservatorien über mehrere
Jahre in Bohrlöchern stellt eine Herausforderung an
Entwicklungsingenieure und Herstellerindustrie von elektronischen
Komponenten gleichermaßen dar und ist in keinem
Fall vergleichbar mit der heutigen Technologie aus
der Kabelmesstechnik bei Öl- und Gasbohrungen. In eine
Bohrung am Kabel eingefahrene, klassische Logging-
Messgeräte verbleiben üblicherweise sehr kurz oder nur
für wenige Stunden unter den extremen Bedingungen und
können danach sofort wieder gewartet und kalibriert werden.
Permanente Monitoring Systeme verbleiben im Bohrloch
und müssen daher auf lebenslange Standzeiten konstruiert
und ausgelegt werden. Hauptaugenmerk bei der Entwicklung
von derartigen Messsystemen liegt auf elektrischer
und mechanischer Robustheit (Reliability), Wiederholbarkeit
der Messergebnisse (Repeatability) und System-Doppelgleisigkeit
(Redundancy); Kriterien die man
auch aus der Reaktor-, Luft- und Raumfahrttechnik kennt.
Im Gegensatz zu den bemerkenswerten Technologiesprüngen
der letzten Jahre auf dem Gebiet der Bohr- und
Kabelmesstechnik, wurden vergleichsweise wenige Innovationen
auf dem Gebiet des Langzeit-Monitorings erzielt.
Sogar in der Öl- und Gasindustrie wurden nach erfolgreicher
Einführung von Horizontalbohrtechnik und intelligenten
Förderverfahren wenig auf dem Gebiet der Langzeit-Beobachtungen
geforscht und entwickelt. Erste Konzepte
von instrumentierten Futterrohren und „Smart Wells“
kamen nicht über ihre Experimentalstufe hinaus und wurden
letztlich aus technischen und folglich wirtschaftlichen
Gründen nicht weiter verfolgt. Einzige Ausnahme war die
obertägige 4D-Seismik, auch Time-Lapse-Seismics genannt,
mit dem Ziel der Beobachtung dynamischen Entölungsverhaltens
von Kohlenwasserstoff-Lagerstätten.
Bis heute waren Beobachtungen aus tiefen Bohrlöchern der
Wissenschaft lediglich über einige wenige, einfache Messverfahren
zugänglich, wie Druck und Temperatur, Probenahmen
und Seismometer-Aufzeichnungen über analoge
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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430
Abb. 31: Messung der Temperaturprofil-Verteilung – DTS
über Glasfaserkabel hinter dem Casing an der Mallik-
Gashydrat-Bohrlokation in Kanada (http://mallik.icdponline.org,
Foto Jan Henninges, GFZ)
Measurement of the temperature profile – DTS fiber optic
cable behind casing in the mallik gas hydrate drilling
location
elektrische Kabel. Der begrenzte Messbereich und die
Anfälligkeit derartiger Meßsysteme inspirierten die Ingenieurwissenschaften
zu einem Messverfahren, das in der
Bau- und Luftfahrtindustrie schon seit Jahren mit Erfolg
eingesetzt wird: analoge Sensorik aus Glasfasermaterialien.
Heute können Glasfaserkabel neben Temperatur und
Druck bereits Spannungszustände und Beschleunigungen
unter Bedingungen von T > 200 °C und mehreren Tausend
Bar über einen sehr langen Zeitraum ohne erkennbare
Minderung der Messwertstabilität erfassen.
Einige ICDP-Projekte benutzen schon seit Jahren mit großem
Erfolg die „behind casing“-Messtechnologie, z. B.
das Hawaii-Vulkanbohrprojekt, das Mallik-Gashydratprojekt
und das Störungszonen-Bohrprojekt am Golf von
Korinth. Die Sensorik lieferte auch nach Jahren eine
zuverlässige Datenerfassung aus dem Bohrloch.
Neue Entwicklungen besonders für Störungszonen-Bohrprojekte
Die Entwicklung hochgenauer Monitoring Mess-Sensoren
werden zurzeit verstärkt im Hinblick auf die besonders
unwirtlichen Betriebsbedingungen in CO2-Speicherpro-
Abb. 32: Schematische Darstellung einer Skizze von zementierten
Casing-Rohrtouren (teilweise aus Illustrationsgründen
transparent gezeichnet). Der innere Casing ist außen
mit permanenten Sensoren vom Typ-1 bestückt. Glasfaserkabel
sind rot, elektrische Kabel gelb und Hydraulikleitungen
weiß gehalten. Innerhalb dieses letzten zementierten
und instrumentierten Casing befindet sich das am Kabel
oder Gestänge eingefahrene Monitoring Meßsystem vom
Type-2, bestehend beispielsweise aus Neigungs- und Spannungsmesssensoren,
Druck- und Temperaturgeber, elektrokinetische
Sensoren oder auch Seismometer der klassischen
Bauart. Das Messkabel oder Gestängestrang ist ziehbar aus
Gründen des Ausbaus des Observatoriums um Kalibrierungen,
Reparaturen oder Nachrüsten des Mess-Sensorik durchführen zu können. Perforationen am Aussen-Casing
ermöglichen auch die Beobachtung von Fluidmigrationen und Probenahmen nach Obertage.
Conceptual design of the casing scheme with permanently installed type-1 sensors (casing is partially drawn transparent).
Lines indicate Fiber optic: red, Electrical: yellow, Hydraulic: white. Inside the casing is a retrievable type-2 sensor
package.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

jekten und tiefen Erdbebenbeobachtungsbohrungen
vorangetrieben. Die Langzeit-
Beobachtungen von In-Situ-Gebirgsspannungen,
Plattenbewegungen und Fluidmigrationen
in den Störungszonen ist im
besonderen ein Schwerpunkt des ICDPgeförderten
SAFOD-Projekts und des
Chelungpu-Projekts in Taiwan.
Die typischen Entwicklungswege von
Systemen für derartige Anforderungen
kann man in zwei modularen und sich
ergänzenden Strategien zusammenfassen.
Typ-1 sind permanent hinter dem Casing
installierte und in Zement eingebettete,
passive Messsensoren. Sie sind üblicherweise
von einfachster Bauweise, um ihr
Überleben während des Einbaus der
Rohre zu gewährleisten und bestehen deshalb
vornehmlich aus Materialien wie Glasfaser, oder analogen
elektrischen Kabeln oder ggf. auch aus Hydraulikleitungen
nach Übertage. Ihre hervorragende Langzeitstabilität
erkauft man jedoch in der Regel mit einer limitierten
Messauflösung und manchmal mit einer Einbusse
an Messwertstabilität.
Typ-2 sind halb-permanente, innerhalb des letzten Casings
installierte Beobachtungsgeräte die ggf. auch aus dem
letzten Casing ein kurzes Stück in eine offene Bohrlochsektion
hineinragen können. Diese meist Hochpräzisionssysteme
sind für einige Jahre im Tiefeneinsatz ausgelegt
und werden entweder am Kabel, Coil Tubing oder
am Gestängestrang in das Bohrloch eingefahren und auf
gleichem Weg am Ende des Messeinsatzes wieder ausgebaut.
Derartige Observatorien können von Obertage stets
mit Energie versorgt werden und dadurch digital mit sehr
viel höherer Auflösung Messbeobachtungen durchführen
und in Echtzeit die Daten nach Obertage übermitteln. Die
Nabelschnur nach Obertage erlaubt auch, das Mess-
Observatorium im Bohrloch jederzeit neu zu positionieren,
um so eine räumlich höhere Auflösung der Geosphäre
zu ermöglichen.
Das Permanente Tiefenobservatorium in der SAFOD-
Hauptbohrung
Das San Andreas Fault Zone Obervatory at Depth in Parkfield/USA
besteht aus einer 2002 abgeteuften Pilotbohrung
und einer im Sommer 2005 abgeteuften Hauptbohrung.
Diese durchstieß im Sommer 2005 mit einer Neigung
vom 55° die San Andreas Störung in einer Teufe von
ca. 3.000 m in West-Ost Richtung.
Nach der geplanten dritten Bohrphase im Sommer 2007,
in der eine Reihe von 4 bis 5 aus dem Hauptloch abgelenkte
Kernstrecken den Entstehungsort von Erdbeben
anfahren und einen Kern zutage bringen sollen, wird ein
permanentes fünfstufiges Beobachtungsobservatorium
vom Typ-2 am Gestänge installiert, bestehend aus jeweils
3C-Geophonen und 3C-Accelerometer und einem Tilt-
Abb. 33: Permanentes Monitoring Array für die SAFOD-Hauptbohrung mit
5 Messstationen und mechanisch ausfahrbaren Ankerarmen zur Positionierung
im Bohrloch sowie einem 7" Casing Packer.
Permanent monitoring array of the SAFOD-mainhole including 5 sensor
levels with mechanical anchoring arm and a 7 inch casing packer.
meter pro Etage (Abb. 33). Der unterste Teil dieses Arrays,
ausgestattet mit hochempfindlichen Druck- und Temperatursensoren,
soll über einen Casing-Packer isolierend
zum Hauptloch in eine der offenen Kernbohrstrecken hineinragen.
Die einzelnen Messetagen werden durch 75 m
Gestängerohre mit Kabeldurchführung voneinander entfernt
sein. Ihre Verankerung zur Bohrlochwand soll über
mechanisch ausfahrbare Ankerarme gewährleistet werden.
Die Ankopplung der Messsensoren and das Gebirge
wird vornehmlich durch das Eigengewicht des Arrays bei
bis zu 60° Bohrlochneigung hergestellt. Die Entwicklungsarbeiten
werden unter Federführung der ICDP-OSG
am GFZ Potsdam in Zusammenarbeit mit vornehmlich
US-amerikanischen Spezialfirmen bis zum Sommer 2007
abgeschlossen sein.
Das „Einstein-Jahr“ 2005 in Potsdam
Das GFZ Potsdam hat sich bisher an allen „Jahren der Wissenschaft“
beteiligt, die von Wissenschaft im Dialog (WiD,
dem Zusammenschluss der großen deutschen Forschungsorganisationen
zur Förderung der Wissenchaftskommunikation)
und dem Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF) durchgeführt wurden. Das Jahr 2005
war Albert Einstein gewidmet. Potsdam mit Caputh als
zeitweiligem Lebensort Einsteins und dem Einsteinturm
kam in der Organisation des Einstein-Jahres zentrale
Bedeutung zu, da für die Hauptveranstaltung des Wissenschaftsjahres,
dem Wissenschaftssommer, Potsdam und
Berlin als Haupt-Spielstätten dienten.
Das GFZ Potsdam war daher von Beginn an den Planungen
für das Einsteinjahr und für den Veranstaltungsort
Potsdam beteiligt. In enger Zusammenarbeit mit dem
BMBF, WiD und den beteiligten Wissenschaftseinrichtungen
in der Stadt wurde ein Konzept für den Wissenschaftssommer
Potsdam (11. bis 26. Juni 2005) entwickelt.
An den beiden Standort Lustgarten („Jahrmarkt der
Wissenschaften“, 11. bis 16. Juni) und Telegrafenberg
(„Rund um den Einsteinturm“, 17. bis 26. Juni) wurde
mit einem vielfältigen Programm die Relevanz der Ein-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
431

432
Abb. 34: Uraufführung des Einstein-Puppentheaterstücks
„In ferner Zukunft“, Dr. Pohls Puppenbühne im GFZ Potsdam,
Juni 2005 (Foto: S. Richter, GFZ).
Premiere of the glove puppet theatre play „In a far-away
future“, Dr. Pohl’s Glove Puppet Theatre at the GFZ Potsdam,
June 2005 (photo: S. Richter, GFZ).
steinschen Entdeckungen für die Forschung, aber auch
für das Alltagsleben einem breiten Publikum nahe
gebracht. Höhepunkte waren dabei die Veranstaltungen
auf dem Telegrafenberg: der Wiedereinbau des Großen
Refraktor-Teleskops, das nächtliche Wandelkonzert
„Sternenmusik – Klingender Kosmos“, die „Lange Nacht
der Wissenschaften Berlin-Potsdam“ sowie die beiden
Sonntagsmatinees. Die vom VDI und vom BMBF entwickelte
Wanderausstellung „Faszination Licht“ wurde mit
Unterstützung des GFZ Potsdam für die zweite Woche
des Wissenschaftssommers auf dem Telegrafenberg
gezeigt. Insgesamt besuchten zwischen 130.000 und
150.000 Menschen die verschiedenen Veranstaltungen in
Potsdam.
Die Premiere des Puppentheaterstücks zum Einsteinjahr
„In ferner Zukunft“ fand im GFZ Potsdam am 25. Mai
2005 statt (Abb. 34).
Über seine Aktivitäten zum Einsteinjahr in Potsdam hinaus
stellte das GeoForschungsZentrum ein großes Modell
des Geoids („Potsdamer Schwerekartoffel“) als Exponat
auf dem „Einsteinschiff“ zur Verfügung. Mit einer 500 m 2
großen Ausstellung zu „Albert Einstein – Das Jahrhundertgenie
und sein Erbe“ lief das Motorschiff unter dem
Namen MS Einstein 37 Städte entlang deutscher Flüsse
Abb.35:Exponat des GFZ Potsdam auf der „MS Einstein“:
ein Modell des GFZ-Geoids, die sog. „Potsdamer Schwere-Kartoffel“,
das in enger Zusammenarbeit mit GFZ-
Dept. 1 erstellt wurde (Foto: F. Ossing, GFZ).
GFZ exhibit on the vessel „MS Einstein“: a model of the
GFZ geoid, the so-called „Potsdam gravity potato“ which
was provided by close operation with GFZ-Dept. 1 (photo:
F. Ossing, GFZ).
an. An 106 Ausstellungstagen haben über 100.000 Erwachsene
und Kinder das Schiff besucht (Abb. 35)
Im Rahmen der Aktivitäten der Helmholtz-Gemeinschaft
zum Einsteinjahr („Schülerlabore und Einstein“, Berlin,
Bebelplatz) trat im Auftrag des GFZ Potsdam das Puppentheater
J. Pohl mit dem Geotheaterstück „Zeitreise“
auf. Diese Aktion richtete sich insbesondere an Kinder im
Vor- und Grundschulalter.
Auszeichnungen und Ehrungen
2005
Prof. Dr. Dr.h.c. Rolf Emmermann, Wissenschaftlicher
Vorstand des GFZ Potsdam, wurde im Juni 2005 der Brandenburgische
Verdienstorden verliehen.
Prof. Dr. Dr.h.c. Rolf Emmermann, Wissenschaftlicher
Vorstand des GFZ Potsdam, wurde zum korrespondierenden
Mitglied der Heidelberger Akademie der Wissenschaften
gewählt.
Prof. Dr. Günter Borm, Direktor des Dep. 5, wurde zum
Review Editor, Special Report on Carbon Dioxide Capture
and Storage (SRCCS), Intergovernmental Panel on
Climate Change IPCC, World Meteorological Organisation
(WMO) and United Nations Environmental Protection
(UNEP) ernannt.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Prof. Dr. Günter Borm, Direktor des Dep. 5, wurde zum
Mitglied des Beirats von COORETEC, CO2 Reduktionstechnologien
Programm, Bundesministerium für Wirtschaft
und Arbeit (BMWA) ernannt.
Prof. Dr. Markus Rothacher, Direktor des Dep. 1, wurde
zum Chair des Global Geodetic Observing System
(GGOS) der International Association of Geodesy (IAG)
gewählt.
Prof. Dr. Brian Horsfield, Leiter der Sekt. 4.3, wurde
zum Guest Professor, Curtin University of Technology,
Perth, Australia, ernannt.
Prof. Dr. Brian Horsfield, Leiter der Sekt. 4.3, wurde als
Member of Advisory and Scientific Boards, Eurobasin,
Marie Curie European Doctoral Training Center for Sedimentary
Basin Studies aufgenommen.
Dr.-Ing. Bruno Merz, Leiter der Sekt. 5.4, wurde zum
Obmann des Fachausschusses Hochwasservorsorge der
DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser
und Abfall) ernannt.
Prof. Dr. Doris Dransch, Sekt. 5.4, wurde zur Vizepräsidentin
der Deutschen Gesellschaft für Kartographie
mit der Funktion „Internationale Angelegenheiten“
gewählt.
Dr. Rolando di Primio, Sekt. 4.3, Associate Editor, Organic
Geochemistry, und External project reviewer for the
Norwegian Research Foundation
2004
Prof. Dr. Rainer Kind, Leiter der Sekt. 2.4, erhielt das
Jack E. Oliver Honorary Professorship at Cornell, Ithaca,
New York.
Prof. Dr. Rainer Kind, Leiter der Sekt. 2.4, wurde zum
Member of US Array Advisory Committee
Raik Bachmann, Sekt. 3.1, erhielt den Bernd-Rendel-
Preis der DFG.
Prof. Dr. Hermann Lühr, Sekt. 2.3, wurde auf der
173. Generalversammlung in Budapest zum Ehrenmitglied
der Ungarischen Akademie der Wissenschaften ernannt.
Prof. Dr. Hermann Lühr, Sekt. 2.3, erhielt den NASA
Group Achievement Award as member of the Cluster
Science Team, Washington, D.C.
Dr. Hans-Ulrich Wetzel, Sekt. 1.5, erhielt die Abraham-
Gottlob-Werner-Medaille der Deutschen Gesellswchaft
für Geowissenschaften DGG.
Dr. Ute Weckmann, Sekt. 2.2, erhielt für den Zeitraum
März 2004 bis Februar 2006 ein Emmy Noether Stipendium
(DFG) an der Dublin Institute for Advanced Studies,
Ireland.
Habilitationen
Dr. Bruno Merz, „Abschätzung von Hochwasserrisiken:
Methoden, Grenzen und Möglichkeiten“. Universität Potsdam,
Oktober 2005.
Dr. Norbert R. Nowaczyk, „Magnetostratigraphie als
Werkzeug zur Rekonstruktion geomagnetischer Feldvariationen
und paläoklimatischer Prozesse“. Universität Potsdam,
Juli 2004.
Dr. Oliver Ritter, „Die Abbildung von Bewegungsbahnen
in Deformationszonen der Erde mit elektrischen
Methoden“. Freie Universität Berlin, Mai 2005.
Dr. Christian Schmidt, „Eigenschaften wässriger Stoffsysteme
unter den Druck- und Temperaturbedingungen
der Lithosphäre“. Technische Universität Berlin, Februar
2005.
Dr. Heinz Wilkes, „Geochemische und biologische Kontrollfaktoren
der Erdölbildung“. Technische Universität
Berlin, Juli 2004.
Promotionen
Dipl.-Chem. Antje Armstroff, „Geochemical Significance
of Biomarkers in Paleozoic Coals“. Technische Universität
Berlin, Juli 2004.
Dipl.-Ing.Tobias Backers, „Fracture Toughness Determination
and Micromechanics of Rock under Mode I
and Mode II Loading“. Universität Potsdam, Februar
2005.
Dipl.-Min. Viola Bartsch, „Magmengenese der obertriassischen
bis unterkretazischen Vulkanite der mesozoischen
Vulkanzone in der Küstenkordillere von Nord-Chile
zwischen 24° und 27°S: Petrographie, Mineralchemie,
Geochemie und Isotopie“. Freie Universität Berlin, Juli
2004.
Dipl.-Geophys. Mirjam Bohm, „3-D Lokalbebentomographie
der südlichen Anden zwischen 36° und 40° S“.
Freie Universität Berlin, Februar 2004.
Dipl.-Geophys. François Demory, „Paleomagnetic dating
of climatic events in Late Quaternary sediments of Lake
Baikal (Siberia)“. Universität Potsdam, November 2004.
Dipl.-Chem. Thomas Fischer, „Biomarker Lipid Biomarkers
in Lacustrine Sedimentary Archives – An Inventory
and Evaluation as Proxies for Environmental and Climatic
Change“. Technische Universität Berlin, November
2003.
Dipl.-Min. Benoit Gibert, „Etude expérimentale de la diffusion
thermique dans les monocristaux d'olivine et dans
les roches du manteau supérieur“. Université Mont Pellier
II, Dezember 2003.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
433

434
Dipl.-Geol. Kai Hahne, „Detektion eines mesozoischen
Gangschwarms in NW Namibia und Rekonstruktion
regionaler Spannungszustände während der Südatlantiköffnung“.
Freie Universität Berlin, November 2004.
Dipl.-Geoökol. Uta Heiden, „Ökologische Charakterisierung
von Stadtbiotoptypen mit hyperspektralen Flugzeugdaten“.
Technische Universität Berlin, Dezember 2003.
Dipl.-Geol. Birgit Heim, „Entwicklung und Umsetzung
von Konzepten zur Auswertung von multi- und hyperspektralen
Fernerkundungsdaten für die quantitative
Analyse von Wasserinhaltsstoffen“. Universität Potsdam,
Oktober 2005.
Dipl.-Geol. Jan Henninges, „Thermal Properties of Gas-
Hydrate-Bearing Sediments and Effects of Phase Transitions
on the Transport of Heat Deduced from Temperature
Logging at Mallik, NWT, Canada“. Freie Universität
Berlin, April 2005.
M. Sc. Silvan Hoth, „Erosion, deformation and natural
resources in continental collision zones. Implications from
analogue simulations“. Freie Universität Berlin, Oktober
2005.
Dipl.-Geophys. Dagmar Kesten, „Structural Observations
at the Southern Dead Sea Transform from Seismic
Reflection Data and ASTER Satellite Images“. Universität
Potsdam, November 2004.
Dipl.-Geophys. Volker Klemann, „Ebene kompressible
viskoelastische Erdmodelle: Anwendungen auf glazialisostatische
Deformationen der Lithosphäre“. Westfälische
Wilhelms-Universität Münster, Dezember 2003.
Dipl.-Geoinf.Anja Klisch, „Entwicklungen eines operationellen
Modells zur Bereitstellung von Vegetations- und
Niederschlagsparametern für die Erosionsproblematik“.
Universität Potsdam, Juni 2004.
Dipl.-Geol. Silke Köhler, „Geothermisch angetriebene
Dampfkraftprozesse – Analyse und Prozessvergleich binärer
Kraftwerke“. Technische Universität Berlin, August
2005.
Dipl.-Phys. Fabien Magri, „Feasibility of thermohaline
convection in the North East German Basin (NEGB)“.
Freie Universität Berlin, Juni 2005.
Dipl.-Geophys. Yuriy Maystrenko, „Structure and evolution
of the Glueckstadt Graben (north-western Germany)
based on 3-D structural modelling and interpretation
of the seismic reflection profiles“. Freie Universität Berlin,
Juni 2005.
Dipl.-Geol. Inga Moeck, „Hydrotektonik von Grundwasserleitern:
Rekonstruktion von Spannungsfeldern und
3D-Modellierung einer geologischen Karte der Zentral-
Algarve (Südportugal)“. Technische Universität Berlin,
Juni 2005.
Dipl.-Geol. Ben Lotz, „Neubewertung des rezenten Wärmestroms
im Norddeutschen Becken“. Freie Universität
Berlin, Februar 2004.
Dipl.-Geophys. Nils Maercklin, „Seismic Structure of
the Arava Fault, Dead Sea Transform“. Universität Potsdam,
Juli 2004.
Dipl.-Ing. Alexander Neidhardt, „Verbesserung des
Datenmanagements in inhomogenen Rechnernetzen geodätischer
Messeinrichtungen auf der Basis von Middelware
und Dateisystemen am Beispiel der Fundamentalstation
Wettzell“. Technische Universität Muenchen, Juli
2005.
Dipl.-Chem. Thomas Oldenburg, „Organische Heterokomponenten
als Umwandlungs- und Transportindikatoren
in Nordseesedimentbecken“. Universität Oldenburg,
Februar 2004.
Dipl.-Geol. Matthias Rosenau, „Tectonics of the Southern
Andean intra-arc zone (38°-42° S), Chile“. Freie
Universität Berlin, Juli 2004.
Dipl.-Geol. Martin Schodlok, „Quantifizierung des Modalbestandes
magmatischer Gesteine mittels thermaler
Reflexionsspektroskopie“. Universität Potsdam, Juni 2004.
Dipl.-Meteo. Thomas Schröder, „Fernerkundung von
Wasserinhaltsstoffen in Küstengewässern mit MERIS
unter Anwendung expliziter und impliziter Atmosphärenkorrekturverfahren“.
Freie Universität Berlin, März 2005.
Dipl.-Phys. Judith Schwarte, „Modelling the Earth's
magnetic field of magnetospheric origin from CHAMP
data“. Technische Universität Braunschweig, März 2004.
Dipl.-Geophys. Monika Sobiesiak, „Fault plane structure
of the 1995 Antofagasta- earthquake (Chile)-Derived
from local seismological parameters“. Universität Potsdam,
Januar 2005.
Dipl.-Geophys. Forough Sodoudi, „Lithospheric structure
of the Aegean obtained from P and S receiver functions“.
Freie Universität Berlin, Juni 2005.
Dipl.-Geol.Anke Tetzlaff, „Coal fire quantification using
ASTER, ETM and BIRD satellite instrument data“. LMU
München, Dezember 2004.
Dipl.-Geol. Ute Trautwein, „Poroplastische Verformung
und petrophysikalische Eigenschaften von Rotliegend Sandsteinen“.
Technische Universität Berlin, September 2005.
Dipl.-Phys. Ingo Wardinski, „Core surface flow models
from decadal and subdecadal secular variation of the main
geomagnetic field“. Freie Universität Berlin, Februar 2005.
Dipl.-Geol. Susann Wienecke, „Analytical solution for
computation of flexural rigidity: its significance and application“.
Freie Universität Berlin, Oktober 2005.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Dipl.-Min. Marcus Wigand, „Geochemie und Geochronologie
des Erongo-Komplexes, Namibia“. Universität
Potsdam, April 2004.
Dipl.-Geophys. Ingo Wölbern, „Spuren des Plumes und
Strukturen des oberen Mantels unter Hawaii abgeleitet aus
konvertierten Wellen“. Freie Universität Berlin, Dezember
2003.
Dipl.-Ing. Tinglu Zhang, „Retrieval of Oceanic Constituents
with Artificial Neural Network based on Radiative
Transfer Simulation Techniques“. Freie Universität Berlin,
Oktober 2003.
Ausgewählte Publikationen 2004 – 2005
Abart, R., Milke, R., Heinrich, W. & Sperb, R. (2004): Silicon
and oxygen self-diffusion in enstatite polycrystals:
the Milke et al. (2001) rim growth experiments revisited.
– Contributions to Mineralogy and Petrology, 147,
633-646.
Adam, J., Klaeschen, D., Kukowski, N. & Flueh, E. (2004):
Upward delamination of Cascadia Basin sediment
infill with landward frontal accretion thrusting caused
by rapid glacial age material flux. – Tectonics, 23,
TC3009, 1-21, 10.1029/2002TC001475.
Alinaghi, A., Bock, G., Kind, R., Hanka, W., Wylegalla,
K., TOR & SVEKALAPKO Groups (2003): Receiver
function analysis of the crust and upper mantle from
the North German Basin to the Archean Baltic Shield.
– Geophys. J. Int., 155, 641-652.
Apel, H., Thieken, A., Merz, B. & Blöschl, G. (2004):
Flood risk assessment and associated uncertainty. –
Natural Hazards and Earth System Sciences (NHESS),
4, 295-308.
Armbruster, T. & Feenstra, A. (2004): Lithium in nigerite-group
minerals. – European Journal of Mineralogy,
16, 247-254.
Backers, T., Fardin, N., Dresen, G. & Stephansson,
O. (2003): Effect of Loading Rate on Mode I Fracture
Toughness, Roughness and Micromechanics
of Sandstone. – Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 40,
425-433.
Badanina, E. V., Veksler, I. V., Thomas, R., Syritso, L. F.
& Trumbull, R.. B. (2004): Magmatic evolution of Li-
F, rare-metal granites: a case study of melt inclusions
in the Khangilay complex, Eastern Transbaikalia (Russia).
– Chemical Geology, 210, 113-133. doi: 10.1016/j.
chemgeo.2004.06.006.
Bahr, A., Lamy, F., Arz, H. W., Kuhlmann, H., Wefer, G.
(2005): Late glacial to Holocene climate and sedimentation
history in the NW Black Sea. Marine Geology,
214, 4, 309-322.
Baier, J., Lücke, A., Negendank, J. F. W., Schleser, G. H.
& Zolitschka, B. (2004): Diatom and geochemical evidence
of mid – to late Holocene climatic changes at
Lake Holzmaar, West-Eifel (Germany). – Quaternary
International, 113, 81-96.
Balasis, G., Egbert, G.D. & Maus, S. (2004): Local time
effects in satellite estimates of electromagnetic induction
transfer functions. – Geophys. Res. Lett., 31,
L16610, 1-4, doi: 10.1029/2004GL020147.
Bau, M., Alexander, B., Chesley, J. T., Dulski, P. & Brantley,
S. L. (2004): Mineral dissolution in the Cape Cod
aquifer, Massachusetts, USA: I. Reaction stoichiometry
and impact of accessory feldspar and glauconite on
strontium isotopes, solute concentrations, and REY
distribution. – Geochimica et Cosmochimica Acta, 68,
1199-1216.
Bauer, K., Haberland, Ch., Pratt, R. G., Hou, F., Medioli,
B. E. and Weber, M. (2005): Ray-based cross-well
tomography for P-wave velocity, anisotropy, and attenuation
structure around the JAPEX/JNOC/GSC et al.
Mallik 5L-38 gas hydrate production research well. –
in Scientific Results from Mallik 2002 Gas Hydrate
Production Research Well Program, Mackenzie Delta,
Northwest Territories, Canada, (ed.) S.R. Dallimore,
and T.S. Collett. Geol. Surv. Canada, Bull. 585, 21 p.
Bauer, K., Trumbull, R. B. & Vietor, T. (2003): Geophysical
images and a crustal model of intrusive structures
beneath the Messum ring complex, Namibia. –
Earth and Planetary Science Letters, 216, 65-80,
10.1016/S0012-821X(03)00486-2 2003.
Bauer, K., Trumbull, R. B., Vietor, T. (2004): Geophysical
images and a crustal model of intrusive structures
beneath the Messum ring complex, Namibia.Earth
and Planetary Science letters, 216, 1-2, doi:
10.1016/S0012821X(03)00486-2.
Baumbach, M., Bindi, D., Grosser, H., Milkereit, C., Parolai,
S., Wang, R., Karakisa, S., Zünbül, S. & Zschau,
J. (2003): Calibration of an ML Scale in northwestern
Turkey from 1999 Izmit aftershocks. – Bulletin of the
Seismological Society of America, 93, 2289-2295.
Baumbach, M., Grosser, H., Romero Torres, G., Rojas
Gonzales, J. L., Sobiesiak, M. & Welle, W. (2004):
Aftershock pattern of the July 9, 1997 Mw = 6.9 Cariaco
earthquake in Northeastern Venezuela.- Tectonophysics,
379, 1-23.
Baumbach, M., Grosser, H., Romero Torres, G., Rojas
Gonzales, J. L., Sobiesiak, M., Welle, W. (2004):
Aftershock pattern of the July 9, 1997 Mw = 6.9 Cariaco
earthquake in Northeastern Venezuela. – Tectonophysics,
379, 1-4, 1-23, 10.1016/j.tecto.2003.10.018.
Beyerle, G., Wickert, J., Schmidt, T. & Reigber, Ch.
(2004): Atmospheric sounding by global navigation
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
435

436
satellite system radio occultation. An analysis of
the negative refractivity bias using CHAMP observations.
– J. of Geophys. Res., 109, 1-8, D01106
10.1029/2003JD003922.
Beyth, M., Avigad, D., Wetzel, H., Matthews, A., & Berhe,
S.M. (2003): Crustal exhumation and indications for
snowball Earth in the East African Orogen: north
Ethiopia and east Eritrea. – Journal of Precambrian
Research, 123, 187-201.
Bohnhoff, M. & Makris, J. (2004): Crustal structure
of the southeastern Iceland-Faeroe Ridge (IFR)
from wide aperture seismic data. – J. Geodyn., 37,
233-252.
Bohnhoff, M., Baisch, S. & Harjes, H.-P. (2004): Fault
mechanisms of induced seismicity at the superdeep
German Continental Deep Drilling Program (KTB)
borehole and their relation to fault structure and stress
field. – J. Geophys. Res., 109, 1-13, B02309, doi:
10.1029/2003JB002528.
Bohnhoff, M., J. Makris (2004): Crustal structure of the
southeastern Iceland-Faeroe Ridge (IFR) from wide
aperture seismic data. Journal of Geodynamics, 37,
233-252.
Bohnhoff, M., Rische, M., Meier, T., Endrun, B., Harjes,
H.-P. & Stavrakakis, G. (2004): CYC-NET: A temporary
Seismic Network on the Cyclades (Aegean Sea,
Greece). – Seismol. Res. Lett., 75, 352-357.
Bohnhoff, M., S. Baisch, H.-P. Harjes (2004): Fault
mechanisms of induced seismicity at the superdeep
German Continental Deep Drilling Program
(KTB) borehole and their relation to fault structure
and stress field. J. Geophys. Res., 109, B02309, doi:
10.1029/2003JB002528.
Böning, H.P., Brumsack, H.-J., Böttcher, M.E., Kriete,
C., Borchers, S.L., Schnetger, B. and Kallmeyer,
J. (2004): Geochemistry of Peruvian near-surface
sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta 68(21),
4429-4451.
Böttcher, M. E., Jørgensen, B. B., Kallmeyer, J. & Wehausen,
R. (2004): S and O isotope fractionation in the
western Black Sea. – Geochimica et Cosmochimica
Acta 68, A345.
Bräuer K., Kämpf H., Niedermann S. and Strauch
G. (2005): Evidence for ascending upper mantlederived
melt beneath the Cheb basin, Central Europe.
Geophys. Res. Lett. 32, L08303, doi:
10.1029/2004GL022205.
Bräuer, K. and Hahne K. (2005): Methodical aspects of
the 15N-analysis of Precambrian and Palaeozoic sediments
rich in organic matter. Chemical Geology, 218,
3-4, 361-368.
Bräuer, K., Kämpf, H., Niedermann, S., Strauch, G.
(2005): Evidence for ascending upper mantle-derived
melt beneath the Cheb basin, central Europe.
Geophysical Research Letters, Vol. 32, L08303,
doi:10.1029/2004GL022205.
Bräuer, K., Kämpf, H., Niedermann, S., Strauch, G. and
S.M. Weise (2004): Evidence for a nitrogen flux directly
derived from the European Subcontinental Mantle
in the western Eger rift, Central Europe. Geochim.
Cosmochim. Acta, 68 (23): 4935-4947.
Brüchmann, C. & Negendank, J. F. W. (2004): Indication
of climatically induced natural eutrophication during
the early Holocene period, based on annually laminated
sediment from Lake Holzmaar, Germany. – Quaternary
International, 123-125, 117-134.
Bruneton, M., H. A. Pedersen, P. Vacher, I. T. Kukkonen,
N. T. Arndt, S. Funke, W. Friederich, V. Farra & the
SVEKALAPKO Seismic Tomography Working Group
(2004): Layered lithospheric mantle in the central Baltic
Shield from surface waves and xenoliths analysis.
Earth Planet. Sc. Lett., 226, 41-52.
Büttner, S.H., Glodny, J., Lucassen, F., Wemmer, K., Erdmann,
S., Handler, R., Franz, G. (2005): Ordovician
metamorphism and plutonism in the Sierra de Quilmes
metamorphic array: Implications for the tectonic
setting of the northern Sierras Pampeanas (NW Argentina).
Lithos 83, 143-181.
Chu, G., Liu, J., Schettler, G., Li, J., Sun, Q., Gu, Z., Lu,
H., Liu, Q., Liu, T. (2005): Sediment Fluxes and Varve
Formation in Sihailongwan, a Maar Lake from
Northeastern China. Journal of Paleolimnology, 34, 3,
311-324.
Churakov, S.V. & Wunder, B. (2004): Ab-initio calculations
of the proton location in topaz-OH,
Al2SiO4(OH)2.- Physics and Chemistry of Minerals,
31, 131-141.
Dahl-Jensen, T., Larsen, T. B., Wölbern, I., Bach, T.,
Hanka, W., Kind, R., Gregersen, S., Mosegaard, K.,
Voss, P. & Gudmundsson, O. (2003): Depth to Moho
in Greenland: receiver-function analysis suggests two
Proterozoic blocks in Greenland. – Earth and Planet.
Sci. Let. 205, 379-393.
Darbyshire, F. A., Larsen, T. B., Mosegaard, K., Dahl-Jensen,
T., Gudmundsson, O., Bach, T., Gregersen, S.,
Pedersen, H. A. & Hanka, W. (2004): A first detailed
look at the Greenland lithosphere and upper mantle
using Rayleigh wave tomography. – Geophys. J. Int. 158,
267-286. doi: 10.1111/j.1365-246X.2004.02316.x.
Darbyshire, F. A., T. B. Larsen, K. Mosegaard, T. Dahl-
Jensen, O. Gudmundsson, T. Bach, S. Gregersen, H.
A. Pedersen and W. Hanka (2004): A first detailed look
at the Greenland lithosphere and upper mantle using
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Rayleigh wave tomography. Geophys. J. Int. No. 158,
267-286. doi: 10.1111/j.1365-246X.2004.02316.x.
Demory, F., Nowaczyk, N. R., Witt, A., Oberhänsli, H.
(2005): High-resolution magnetostratigraphy of late
quaternary sediments from Lake Baikal, Siberia:
timing of intracontinental paleoclimatic responses.
Global and Planetary Change, 46, 1-4, 167-186.
Demory, F., Oberhänsli, H., Nowaczyk, N. R., Gottschalk,
M., Wirth, R., Naumann, R. (2005): Detrital input and
early diagenesis in sediments from Lake Baikal revealed
by rock magnetism. Global and Planetary Change,
46, 1-4, 145-166.
Demske, D., Heumann, G., Granoszewski, W., Nita, M.,
Mamakowa, K., Tarasov, P. E., Oberhänsli, H. (2005):
Late glacial and Holocene vegetation and regional climate
variability evidenced in high-resolution pollen
records from Lake Baikal. Global and Planetary Change,
46, 1-4, 255-279.
DESERT Group, Weber, M., Abu-Ayyash, K., Abueladas,
A., Agnon, A., Al-Amoush, H., Babeyko, A., Bartov,
Y., Baumann, M., Ben-Avraham, Z., Bock, G., Bribach,
J., El-Kelani, R., Förster, A., Förster, H.-J., Frieslander,
U., Garfunkel, Z., Grunewald, S., Götze, H. H., Haak,
V., Haberland, Ch., Hassouneh, M., Helwig, S., Hofstetter,
A., Jäckel, K.H., Kesten, D., Kind, R., Maercklin,
N., Mechie, J. Mohsen, A., Neubauer, F. M., Oberhänsli,
R., Qabbani, I., Ritter, O., Rümpker, G., Rybakov,
M., Ryberg, T., Scherbaum, F., Schmidt, J., Schulze,
A., Sobolev, S., Stiller, M., Thoss, H., Weckmann,
U. & Wylegalla, K. (2004): The crustal structure of the
Dead Sea Transform. – Geophys. J. Int., 156, 655-681.
Dieckmann, V. (2005): Modelling petroleum formation
from heterogeneous source rocks: the influence of frequency
factors on activation energy distribution and
geological prediction. Marine and Petroleum Geology,
22, 375-390.
Dieckmann, V., Fowler, M. & Horsfield, B. (2004): Predicting
the composition of natural gas generated by the
Duvernay Formation (Western Canada Sedimentary
Basin) using a compositional kinetic approach. – Organic
Geochemistry, 35, 845-862.
Elger, K.; Oncken, O.; Glodny, J. (2005): Plateau-style
accumulation of deformation: Southern Altiplano In:
Tectonics, 24, TC4020 10.1029/2004TC001675 2005.
1-19 p.
Endrun, B., L. Ceranna, T. Meier, M. Bohnhoff, H.-P. Harjes
(2005): Modeling the influence of Moho topography
on receiver functions: A case study from the central
Hellenic subduction zone. Geophys. Res. Lett., 32,
L12311, doi: 10.1029/2005GL023066.
Erzinger, J., Wiersberg, T. & Dahms, E. (2004): Real-time
mud gas logging during drilling of the SAFOD Pilot
Hole in Parkfield, CA.. – J. Geophysical Research Letters,
31, 1-4, L13S18, doi: 10.1029/2003GL019395.
Erzinger, J.; Wiersberg, T.; Dahms, E. (2004): Real-time
mud gas logging during drilling of the SAFOD Pilot
Hole in Parkfield, CA. J. Geophysical Research Letters,
Vol. 31, L13S18, doi: 10.1029/2003GL019395.
Everett, M. E. & Martinec, Z. (2003): Spatiotemporal response
of a conducting sphere under simulated geomagnetic
storm conditions. – Phys. Earth Planet. Inter.,
138, 163-181.
Fleming, K. & Lambeck, K. (2004): Constraints on the
Greenland ice sheet since the last glacial maximum
from sea-level observations and glacial-rebound
models. – Quat. Sci. Rev., 23, 1053-1077.
Fleming, K., Martinec, Z. & Hagedoorn, J. (2004): Geoid
displacement about Greenland resulting from past
and present-day mass changes in the Greenland
ice sheet. – Geophys. Res. Lett., 31, 1-4, L06617,
doi:10.1029/2004GL019469.
Franz, G. & Liebscher, A. (2004): Physical and chemical
properties of the epidote minerals – An introduction.
– Mineralogical Society of America, Reviews in Mineralogy
and Geochemistry, 56, 1-82.
Frei, D., Liebscher, A., Franz, G. & Dulski, P. (2004): Trace
element geochemistry of epidote minerals. – Mineralogical
Society of America, Reviews in Mineralogy
and Geochemistry , 56, 553-605.
Frei, D., Liebscher, A., Wittenberg, A. & Shaw, C.S.J.
(2003): Crystal chemical controls on rare earth element
partitioning between epidote-group minerals
and melts: An experimental and theoretical study. –
Contributions to Mineralogy and Petrology, 146,
192-204.
Freund, D., Z. Wang, E. Rybacki, G. Dresen (2004): Hightemperature
creep of synthetic calcite aggregates:
Influence of Mn-content. Earth and Planetary Science
Letters, 226, 3-4, 433-448.
Friedel, S., Byrdina, S., Jacobs, F. & Zimmer, M. (2004):
Self-potential and ground temperature at Merapi volcano
prior to its crisis in the rainy season of 2000-2001.
– Journal of Volcanology and Geothermal Research,
134, 149-168, doi: 10.1016/j.jvolgeores.2004.01.006.
Friedrich, J. & Oberhänsli, H. (2004): Hydrochemical properties
of the Aral Sea water in summer 2002. – Journal
of Marine Systems, 47, 77-88.
Frindt, St., Trumbull, R. B. & Romer, R. L. (2004): Petrogenesis
of Gross Spitzkoppe topaz granite, central
western Namibia: a geochemical and Nd-Sr-Pb isotope
study. – Chemical Geology, 206, 43-71, doi:
10.1016/j.chemgeo.2004.01.015.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
437

438
Fuhrmann, A., Horsfield, B., Lòpez, J. F., Hu, L. & Zhang,
Z. (2004): Organic facies, depositional environment
and petroleum generating characteristics of the lacustrine
Shahejie Formation, ES4 member, Western
Depression, Liaohe Basin (NE China). – Journal of
Petroleum Geology, 27, 27-46.
Fuhrmann, A., Mingram, J., Lucke, A., Lu, H., Horsfield,
B., Liu, J., Negendank, J.F.W., Schleser, G.H. & Wilkes,
H. (2003): Variations in organic matter composition
in sediments from Lake Huguang Maar (Huguangyan),
south China during the last 68 ka: implications
for environmental and climatic change. – Organic
Geochemistry, 34, 1497-1515.
Garcia, R., Chevrot, S. & Weber, M. (2004): Non-linear
waveform and delay time analysis of triplicated core
phases. – Journ. Geophys. Res., 109, 1-16, B01306,
doi:10.1029/2003JB002429.
Geisler, T., Seydoux-Guillaume, A.-M., Wiedenbeck, M.,
Wirth, R., Berndt, J., Zhang, M., Mihailova, B., Putnis,
A., Salje, E.K.H. & Schlüter, J. (2004): Periodic
precipitation pattern formation in hydrothermally treated
metamict zircon. – American Mineralogist, 89,
1341-1347.
Geissler, W. H., H. Kämpf, R. Kind, K. Bräuer, K. Klinge,
T. Plenefisch, J. Horalek, J. Zednik and V. Nehybka
(2005): Seismic structure and location of a CO 2
source in the upper mantle of the western EGER (Ohre)
Rift, central Europe. Tectonics, 24, TC5001, doi:
10.1029/2004TC001672.
Geissler, W. H., W. Jokat (2004): A geophysical study
of the northern Svalbard continental margin. Geophys.
J. Int. No. 158, 50 – 66. doi: 10.1111/j.1365-
246X.2004.02315.x
Gibert, B., Schilling, F.R., Tommasi, A. & Mainprice, D.
(2003): Thermal diffusivity of olivine single-crystals
and polycrystalline aggregates at ambient conditions
– a comparison. – Geophysical Research Letters, 30,
SDE 9-1 - 9-5.
Giese, R., Klose, C., and Borm, G. (2005): In situ seismic
investigations of fault zones in the Leventina Gneiss
Complex of the Swiss Central Alps. In: Harvey, P. K.,
Brewer, T. S., Pezard, P. & Petrov, V. A. (eds). Petrophysical
Properties of Crystalline Rocks. Geological
Society, London, Special Publications, 240, 15-24.
Glodny, J., Austrheim, H., Molina, J. F., Rusin, A. &
Seward, D. (2003): Rb/Sr record of fluid-rock interaction
in eclogites: The Marun-Keu complex, Polar
Urals, Russia. – Geochimica et Cosmochimica Acta,
67, 4353-4371, 22 10.1016/S0016-7037(03)00370-3
2003.
Glodny, J.; Ring, U.; Kühn, A.; Gleissner, P.; Franz,
G.(2005): Crystallization and very rapid exhumation
of the youngest Alpine eclogites (Tauern Window, Eastern
Alps) from Rb/Sr mineral assemblage analysis. In:
Contributions to Mineralogy and Petrology, 149, 699-
712, 10.1007/s00410-005-0676-5.
Gobiet, A., Foelsche, U., Steiner, A., Borsche, M., Kirchengast,
G., Wickert, J. (2005): Validation of stratospheric
temperatures in ECMWF operational analyses
with CHAMP radio occultation data, Geophysical Research
Letters, 32 (12), doi:10.1029/2005GL022,617,
2005 (ID: 7205.0).
Greiner-Mai, H., Ballani, L. & Stromeyer, D. (2004): The
poloidal geomagnetic field in a differentially rotating
upper core layer. – Geophys. J. Int., 158, 864-873, DOI:
10.1111/j.1365-246X.2004.02343.x, 3.
Greiner-Mai, H., Ballani, L. and Stromeyer, D. (2004): The
poloidal geomagnetic field in a differentially rotating
upper core layer. Geophysical Journal International
158 (3), 864-873.
Grünthal, G. & Wahlström, R. (2003): An M w based Earthquake
Catalogue for Central, Northern and Northwestern
Europe using a Hierarchy of Magnitude Conversions.
– Journal of Seismology, 7, 507-531.
Güntner, A. & Bronstert, A. (2004): Representation of
Landscape Variability and Lateral Redistribution Processes
for Large-Scale Hydrological Modelling in
Semi-Arid Areas. – Journal of Hydrology, 297, 136-
161.
Guo, J.Y., Greiner-Mai, H., Ballani, L., Jochmann, H.,
Shum, C.K. (2005): On the double-peak spectrum
of the Chandler wobble. J. Geod., Online First,
doi:10.1007/s00190-004-0431-0.
Gussone, N., Eisenhauer, A., Tiedemann, R., Haug, G. H.,
Heuser, A., Bock, B., Nägler, T. F., Müller, A. (2004):
Reconstruction of Caribbean Sea surface temperature
and salinity fluctuations in response to the Pliocene
closure of the Central American Gateway and radiative
forcing, using δ44/40Ca, δ18O and Mg/Ca ratios.
Earth and Planetary Science Letters, 227, 3-4, 201-
214.
Gutzmer, J.,Banks, D. A., Lüders, V., Hoefs, K., Beukes,
N. J. & von Bezing, K. L. (2003): Ancient sub-seafloor
alteration of basaltic andesites of the Ongeluk Formation,
South Africa: implications for the chemistry of
Paleoproterozoic seawater. – Chemical Geology, 201,
37-53.
Haberer, R.M., Mangelsdorf, K., Dieckmann, V., Fuhrmann,
A., Wilkes, H., Horsfield, B. (2005): Characterization
of the organic matter in lignites of the Kugmallit
Formation (Oligocene) at the JAPEX/JNOC/GSC
et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research
well, in: Scientifique Results from Mallik 2002 Gas
Hydrate Production Research Well Program, Macken-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

zie Delta, Northwest Territories, Canada, Dallimore,
S R, Collett, T S (Eds.), Bulletin 585, Geological Survey
of Canada.
Hampel, A., Kukowski, N., Bialas, J., Huebscher, C. &
Heinbockel, R. (2004): Ridge subduction at an erosive
margin: The collision zone of the Nazca Ridge in
southern Peru. – Journal of Geophysical Research,
109, 1-19, B2, B02101 10.1029/2003JB002593.
Harlov, D.E. & Förster, H.-J. (2003): Fluid-induced nucleation
of (Y+REE)-phosphate minerals within apatite:
Nature and experiment. Part II. Fluorapatite. – American
Mineralogist, 88, 1209-1229.
Haug, G. H., Ganopolski, A., Sigman, D. M., Rosell-Mele,
A., Swann, G. E. A., Tiedemann, R., Jaccard, S. L.,
Bollmann, J., Maslin, M. A., Leng, M. J., Eglinton, G.
(2005): North Pacific seasonality and the glaciation of
North America 2.7 million years ago. Nature, 433, 821-
825.
Hazan, N., Stein, M., Agnon, A., Marco, S., Nadel, D.,
Negendank, J. F. W., Schwab, M. J., Neev, D. (2005):
The late Quaternary limnological history of Lake Kinneret
(Sea of Galilee), Israel. Quaternary Research, 63,
1, 60-77.
Heim, B., Oberhänsli, H., Fietz, S., and Kaufmann, H.
(2005): Variation in Lake Baikal’s phytoplankton distribution
and fluvial input assessed by SeaWIFS satellite
data. Global and Planetary Change, ISSN 0921-
8181, 46, 9-27.
Hemant, K. und S. Maus (2005): Why no anomaly is visible
over most of the continent-ocean boundary in the
global crustal magnetic field. Phys. Earth Planet. Int.,
149, 321-333, 2005.
Herzschuh, U., Zhang, C., Mischke, S., Herzschuh, R.,
Mohammadi, F., Mingram, B., Kürschner, H., Riedel,
F. (2005): A late Quaternary lake record from the Qilian
Mountains (NW China): evolution of the primary
production and the water depth reconstructed from
macrofossil, pollen, biomarker, and isotope data. Global
and Planetary Change, 46, 1-4, 361-379.
Hindle, D., Oncken, O., Kley, J., Sobolev, S. V. (2005):
Crustal balance and crustal flux from shortening estimates
in the Central Andes. Earth Planet. Sci. Lett.,
230, (1-2), 113-124.
Hoffmann-Rothe, A., O. Ritter, C. Janssen (2004): Correlation
of Electrical Conductivity and Structural
Damage at a Major Strike-Slip Fault in Northern
Chile, Journal of Geophysical Research, 109,
doi.10.1029/2004JB003030.
Horsfield, B., Sykes, R., Parkes, R. J., Mangelsdorf,
K., Kallmeyer, J., Dieckmann, V., and Edbrooke, S.
W. (2004): Deep biosphere in terrestrial systems
(DEBITS): The New Zealand coal band. Geochimica
et Cosmochimica Acta 68(S1), A407.
Hovis, G.L., Harlov, D.E. & Gottschalk, M. (2004): Solution
calorimetric determination of the enthalpies of
formation of NH4-bearing minerals buddingtonite and
tobelite. – American Mineralogist, 89, 85-93.
Hu, Y., Wang, K., He, J., Klotz, J., Khazaradze, G. (2004):
Three-dimensional viscoelastic finite element model
for post-seismic deformation of the great 1960 Chile
earthquake. Journal of Geophysical Research, 109,
B12403, doi:10.1029/2004JB003163 (ISI journal –
ID: 6305).
Hübscher, C. & Kukowski, N. (2003): Complex BSR pattern
in the Yaquina Basin off Peru. – Geo-Marine Letters,
23, 91-101, 2 10.1007/s00367-003-0128-z 2003.
Hughes, J. M., Dyar, M. D., Grew, E. S., Wiedenbeck, M.,
Brandstätter, F. & Ertl, A. (2004): Structural and chemical
response to varying (4)B content in zoned Febearing
olenite from Koralpe, Austria. – American
Mineralogist, 89, 447-454.
Hurter, S. & Schellschmidt, R. (2003): Atlas of geothermal
resources in Europe. – Geothermics, 32, 779-787.
Jaccard, S. L., Haug, G. H., Sigman, D. M., Pedersen, T.
F., Thierstein, H. R., Röhl, U. (2005): Glacial/Interglacial
Changes in Subarctic North Pacific Stratification.
Science, 308, 5724, 1003-1006.
Janssen, C., A. Hoffmann-Rothe, B. Mingram, P. Möller,
R. L. Romer, H. Al-Zubi, and the DESERT Research
Group (2005): The role of fluids in faulting deformation
– a case study from the Dead Sea Transform (Jordan).
International Journal of Earth Sciences 94, p.
243-255.
Janssen, C., R. L. Romer, A. Hoffmann-Rothe, D. Kesten,
H. Al-Zubi (2004): The Dead Sea Transform: Evidences
for a strong fault? Journal of Geology, 112, 561-
573.
Janssen, C., Romer, R. L., Hoffmann-Rothe, A., Mingram,
B., Dulski, P., Möller, P., Al-Zubi, H., DESERT Research
Group (2005): The role of fluids in faulting deformation:
a case study from the Dead Sea Transform
(Jordan). International Journal of Earth Sciences, 94,
2, 243-255.
Janssen, C., Romer, R.L., Hoffmann-Rothe, A., Kesten,
D., Al-Zubi, H. & DESERT RESEARCH GROUP
(2004): The Dead Sea Transform: Evidences for a
strong fault? – Journal of Geology, 112, 561-575.
Janssen, C., V. Lüders, and A. Hoffmann-Rothe (2004):
Contrasting styles of fluid-rock interaction within the
West Fissure zone in northern Chile. In: Alsop, G. I.
& Holdsworth, R. E. (eds), Flow Processes in Faults
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
439

440
and Shear Zones. Geological Society, London, Special
Publication 224, 141-160.
Jennerjahn, T. C., Ittekkot, V., Arz, H. W., Behling, H., Pätzold,
J., Wefer, G. (2004): Asynchronous terrestrial and
marine signals of climate change during Heinrich
events. Science, 306, 5705, 2236-2239.
Ji, S., E. Rybacki, R. Wirth, Z. Jiang, B. Xia (2005):
Mechanical and microstructural characterization of
calcium aluminosilicate (CAS) and SiO 2 / CAS composites
deformed at high pressure. J. Eur. Ceram. Soc.,
25, 301-311.
Ji, S., Jiang, Z., Rybacki, E., Wirth, R., Prior, D. & Xia,
B. (2004): Strain softening and microstructural evolution
of anorthite aggregates and quartz-anorthite layered
composites deformed in torsion. – Earth and Planetary
Science Letters, 222, 377-390.
Kallmeyer, J., Ferdelman, T. G., Jansen, K.-H. & Jørgensen,
B. B. (2003): A high-pressure thermal gradient
block for investigating microbial activity in multiple
deep-sea samples. Journal of Microbiological Methods
1846, 1-8.
Kienel, U., Schwab, M. J., Schettler, G. (2005): Distinguishing
climatic from direct anthropogenic influences
during the past 400 years in varved sediments from
Lake Holzmaar (Eifel, Germany). Journal of Paleolimnology,
33, 3, 327-347.
Klemann, V., Wu, P. & Wolf, D. (2003): Compressible viscoelasticity:
stability of solutions for homogeneous
plane-Earth models. – Geophys. J. Int., 153, 569-585.
Knappe, A., Möller, P., Dulski, P., Pekdeger, A. (2005):
Positive gadolinium anomaly in surface water and
ground water of the urban area Berlin, Germany. Chemie
der Erde – Geochemistry, 65, 2, 167-189.
Koch-Müller, M., Dera, P., Fei, Y., Reno, B., Sobolev, N.,
Hauri, E. H. & Wysoczanski, R. (2003): OH (super –)
in synthetic and natural coesite. – American Mineralogist,
88, 1436-1445.
Koch-Müller, M., Matsyuk, S. & Wirth, R. (2004): Hydroxyl
in omphacites and omphacitic clinopyroxenes of
upper mantle to lower crustal origin beneath the Siberian
platform. – American Mineralogist, 89, 921-931.
Koepke, J., Falkenberg, G., Rickers, K. & Diedrich,
O. (2003): Trace element diffusion and element
partitioning between garnet and andesite melt
using synchrotron X-ray fluorescence microanalysis
(my-SRXRF). – European Journal of Mineralogy, 15,
883-892.
Kopp, H. & Kukowski, N. (2003): Backstop geometry and
accretionary mechanics of the Sunda margin. – Tectonics,
22, 1-16, 1072 10.1029/2002TC001420 2003.
Korte, M. & Holme, R. (2003): Regularization of spherical
cap harmonics. – Geophys. J. Int., 153, 253-262.
Korte, M. und C. Constable (2005): The geomagnetic
dipole moment over the last 7000 years – new results
from a global model. Earth Planet. Sci. Let., 236, 348-
358.
Krabbenhoeft, A., Bialas, J., Kukowski, N. & Huebscher,
C. (2004): Crustal structure of the Peruvian continental
margin from wide-angle seismic studies. –
Geophysical Journal International, 159, 749-764,
10.1111/j.1365-246X.2004.02425.x.
Kramer, W., Siebel, W., Romer, R. L., Haase, G., Zimmer,
M. and Ehrlichmann, R. (2005): Geochemical
and isotopic characteristics and evolution of the
Jurassic volcanic arc between Arica (18° 30° S) and
Tocopilla (22° S), North Chilean Coastal Cordillera.
Chemie der Erde – Geochemistry, 65, 1, 47-78.
Kreibich, H., Thieken, A.H., Petrow, T., Müller, M., Merz,
B. (2005): Flood loss reduction of private households
due to building precautionary measures – Lessons
Learned from the Elbe flood in August 2002. Natural
Hazards and Earth System Sciences, 5, 117-126.
Kumar, P., Kind, R., Hanka, W., Wylegalla, K., Reigber,
Ch., Yuan, X., Woelbern, I., Schwintzer, P., Fleming,
K., Dahl-Jensen, T., Larsen, T.B., Schweitzer, J.,
Priestley, K., Gudmundsson, O., Wolf, D. (2005): The
lithosphere-asthenosphere boundary in the North-
West Atlantic region. Earth Planet. Sci. Lett., 236,
249-257.
Kummerow, J., Kind, R., Oncken, O., Giese, P., Ryberg,
T., Wylegalla, K., Scherbaum, F., & TRANSALP Working
Group (2004): A natural and controlled source
seismic profile through the Eastern Alps: TRANSALP.
– Earth and Planetary Science Letters, 225, 115-129.
Kummerow, J., R. Kind, O. Oncken, K. Wylegalla, P. Giese,
F. Scherbaum and TRANSALP Working Group (2004):
A natural and controlled source seismic profile
through the Eastern Alps: TRANSALP. EPSL, No 225,
Pages 115 – 129. doi: 10.1016/j.epsl.2004.05.040.
Lamarche, J. and Scheck-Wenderoth, M. (2005): 3D structural
model of the Polish Basin. Tectonophysics 397,
73-91.
Lamarche, J., Lewandowski, M., Mansy, J-L. & Szulczewski,
M. (2003): Partitioning pre-, syn- and post-
Variscan deformation in the Holy Cross Mts., eastern
Variscan foreland. – Geological Society of London,
Special Publications, 208, 159-184.
Lamy, F., Kaiser, J., Ninnemann, U., Hebbeln, D., Arz, H.
W. & Stoner, J. (2004): Antarctic Timing of Surface
Water Changes off Chile and Patagonian Ice Sheet Response.
– Science, 304, 1959-1962.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Larter, S.R., di Primio, R. (2005): Effects of biodegradation
on oil and gas field PVT properties and the origin
of oil rimmed gas accumulations. Organic Geochemistry,
36, 299-310.
Larter, S.R., Head, I.M., Huang, H., Bennett, B., Jones,
M., Aplin, A.C., Murray, A., Erdmann, M., Wilhelms,
A. & di Primio, R. (2005): Biodegradation, gas destruction
and methane generation in deep subsurface
petroleum reservoirs: an overview. In: A.G. Doré &
B.A. Vining (Eds), Petroleum Geology: North-West
Europe and Global Perspectives – Proceedings of the
6th Petroleum Geology Conference, Geol. Soc. Lond.,
1690 p.
Lathe, C., M. Koch-Müller, R. Wirth, W. van Westrenen,
H.-J. Müller, F. R. Schilling, J. Lauterjung (2005): The
influence of OH in coesite on the kinetics of the coesite-quartz
phase transition: American Mineralogist,
90, 1, 36-43.
Legarth, B. (2003): Stimulation experiments in sedimentary,
low-enthalpy reservoirs for geothermal power
generation, Germany. – Geothermics, 32, 487-495.
Li, X. & Yuan, X. (2003): Receiver functions in northeast
China - implications for slab penetration into the lower
mantle in northwest Pacific subduction zone. – Earth
and Planet. Sci. Letters, 216, 679-691.
Li, X., Bock, G., Vafidis, A., Kind, R., Harjes, H.-P.,
Hanka, W., Wylegalla, K., Meijde, M. v. d. & Yuan, X.
(2003): Receiver Function Study of the Hellenic Subduction
Zone: Imaging crustal thickness variations and
the oceanic Moho of the descending African lithosphere.
– Geophys. J. Int., 155, 733-748.
Li, X., Kind, R. & Yuan, X. (2003): Seismic study of upper
mantle and transition zone beneath hotspots. – Phys.
Earth Planet. Inter., 136, 79-92.
Li, X., Kind, R., Yuan, X., Wölbern, I. & Hanka W. (2004):
Rejuvenation of the Lithosphere by the Hawaiian
plume. – Nature, 427, 827-829.
Li, X., R. Kind, X. Yuan, I. Wölbern and W. Hanka, 2004.
Rejuvenation of the Lithosphere by the Hawaiian
plume. Nature, 427, 827-829.
Liebscher, A. & Gottschalk, M. (2004): The T-X dependence
of the isosymmetric displacive phase transition
in synthetic Fe3+-Al zoisite: A temperature-dependent
infrared spectroscopy study. – American Mineralogist,
89, 31-38.
Liebscher, A. (2004): Spectroscopy of epidote minerals,
Epidotes. –Mineralogical Society of America, Reviews
in Mineralogy and Geochemistry , 56, 125-170.
Liu, H., H. Lühr, V. Henize und W. Köhler (2005): Global
distribution of the thermospheric total mass density
derived from CHAMP, J. Geophys. Res., 110, A04301;
doi:10.1029/2004JA010741, 2005.
Lucassen, F. & Becchio, R. (2003): Timing of high-grade
metamorphism; early Palaeozoic U-Pb formation ages
of titanite indicate long-standing high-T conditions at
the western margin of Gondwana (Argentina, 26-29
degrees S). – Journal of Metamorphic Geology, 21,
649-662.
Lucassen, F., Franz, G., Viramonte, J., Romer, R. L., Dulski,
P., Lang, A. (2005): The late Cretaceous lithospheric
mantle beneath the Central Andes: Evidence from
phase equilibria and composition of mantle xenoliths.
Lithos, 82, 3-4, 379-406.
Lüders, V. & Rickes, K (2004): Fluid inclusion evidence
for impact-related hydrothermal fluid and hydrocarbon
migration in Cretaceous sediments of the ICDP-
Chicxulub drill core YAX-1. – Meteorics & Planetary
Science, 39, 1187-1197.
Lühr, H., S. Maus und M. Rother (2004): The noon-time
equatorial electrojet, its spatial features as determined
by the CHAMP satellite. J. Geophys. Res., 109
(A01306, 10.1029/2002JA009656).
Macdonald, D., Gomez-Perez, I., Franzese, J., Spalletti, L.,
Lawver, L., Gahagan, L., Dalziel, I., Thomas, C., Trewin,
N., Hole, M. & Paton, D. (2003): Mesozoic breakup
of SW Gondwana: implications for regional hydrocarbon
potential of the southern South Atlantic. –
Marine and Petroleum Geology, 20, 287-308.
Macmillan, S., Maus, S., Bondar, T., Chambodut, A.,
Golovkov, V., Holme, R., Langlais, B., Lesur, V.,
Lowes, F., Lühr, H., Mai, W., Mandea, M., Olsen, N.,
Rother, M., Sabaka, T., Thomson, A. & Wardinski, I.
(2003): The 9th-generation International Geomagnetic
Reference Field. – Geophys. J. Int., 155, 1051-1056.
Maerchlin, N., C. Haberland, T. Ryberg, M. Weber, Y. Bartov,
DESERT Group (2004): Imaging the Dead Sea
Transform with scattered seismic waves. Geophys.
Joun. Int. 158/1, 179 – 186. doi: 10.1111/j.1365-
246X.2004.02302.x.
Maercklin, N., Bedrosian, P. A., Haberland, C., Ritter, O.,
Ryberg, T., Weber, M. and Weckmann, U. (2005): Characterizing
a large shear-zone with seismic and
magnetotelluric methods: The case of the Dead Sea
Transform. Geophys. Res. Lett., 32, L15303, doi:
10.1029/2005GL022724.
Magri, F., Bayer, U., Clausnitzer, V., Jahnke, H., Diersch,
H.-J., Fuhrmann, J., Möller, P., Pekdeger, A., Tesmer,
M., Voigt, H. (2005): Deep reaching fluid flow close
to convective instability in the NE german basin –
results from water chemistry and numerical modeling.
Tectonophysics, Special Issue, Vol. 397, Issue 1-2,
2005, pp. 5-20.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
441

442
Mangelsdorf, K., Haberer, R.M., Zink, K.-G., Dieckmann,
V., Wilkes, H., Horsfield, B. (2005): Molecular indicators
for the occurrence of deep microbial communities
at the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38
gas hydrate production research well. In: Scientifique
Results from Mallik 2002 Gas Hydrate Production
Research Well Program, Mackenzie Delta, Northwest
Territories, Canada, Dallimore, S R, Collett, T S (Eds.),
Geological Survey of Canada, Bulletin 585, 1-11.
Mangili, C., Brauer, A., Moscariello, A., Naumann, R.
(2005): Microfacies of detrital event layers deposited
in Quaternary varved lake sediments of the Piànico-
Sèllere Basin (northern Italy). Sedimentology, 52, 5,
927-943.
Martinec, Z. & McCreadie, H. (2004): Electromagnetic
induction modelling based on satellite magnetic vector
data. – Geophys. J. Int., 157, 1045-1060.
Martinec, Z., Wolf, D. (2005): Inverting the Fennoscandian
relaxation-time spectrum in terms of an axisymmetric
viscosity distribution with a lithospheric root.
J. Geodyn., 39, 143-163, doi:10.1016/j.jog.2004.08.007.
Maystrenko, Y., Bayer, U. and Scheck-Wenderoth, M.
(2005): The Glueckstadt Graben, a sedimentary record
between the North and Baltic Sea in north Central
Europe. Tectonophysics, 397: 113-126.
Mechie, J., Abu-Ayyash, K., Ben-Avraham, Z., El-Kelani,
R., Mohsen, A., Rümpker, G., Saul, J. and Weber, M.
(2005): Crustal shear velocity structure across the
Dead Sea Transform from two-dimensional modelling
of DESERT project explosion seismic data. Geophys.
Journ. Int., 160, 910-924, doi: 10.1111/j.1365-
246X.2005.02526.x.
Merz, B., Kreibich, H., Thieken, A. & Schmidtke, R.
(2004): Estimation uncertainty of direct monetary
flood damage to buildings. – Natural Hazards and
Earth System Sciences (NHESS), 4, 153-163.
Merz, B., Thieken, A.H. (2005): Separating Aleatory and
Epistemic Uncertainty in Flood Frequency Analysis.
Journal of Hydrology 309, 114-132 (doi:10.1016/j.jhydrol.2004.11.015).
Migowski, C., Agnon, A., Bookman, R., Negendank, J. F.
W. & Stein, M. (2004): Recurrence pattern of Holocene
earthquakes along the Dead Sea transform revealed
by varve-counting and radiocarbon dating of
lacustrine sediments. – Earth and Planetary Science
Letters, 222, 301-314.
Milke, R. (2004): Spiral growth of grossular under hydrothermal
conditions. – American Mineralogist, 89, 211-
218.
Milkereit, C., Grosser, H., Wang, R., Wetzel, H.-U., Woith,
H., Karakisa, S., Zünbül, S., Zschau, J. (2004): Impli-
cations of the 2003 Bingöl earthquake for the interaction
between the North and East Anatolian fault systems.
– Bulletin of the Seismological Society of America,
94, 6, 2400-2606, 10.1785/0120030194.
Milsch, H., Heinrich, W. & Dresen, G. (2003): Reactioninduced
fluid flow in synthetic quartz-bearing marbles.
– Contributions to Mineralogy and Petrology, 146,
286-296.
Mingram, B., Kröner, A., Hegner, E., Krentz, O. (2004):
Zircon ages, geochemistry, and Nd isotopic systematics
of pre-Variscan orthogneisses from the Erzgebirge,
Saxony (Germany), and geodynamic interpretation.
International Journal of Earth Sciences, 93, 5,
706-727.
Mingram, J., Schettler, G., Nowaczyk, N. R., Luo, X., Lu,
H., Liu, J. & Negendank, J. F. W. (2004): The Huguang
maar lake – a high-resolution record of palaeoenvironmental
and palaeoclimatic changes over the last
78,000 years from South China. – Quaternary International,
122, 85-107.
Mohsen, A., Hofstetter, R., Bock, G., Kind, R., Weber, M.,
Wylegalla, K., Rümpker, G. and the DESERT Group
(2005): A receiver function study across the Dead Sea
Transform. Geophys. Journ. Int., 160, 948 – 960, doi:
10.1111/j.1365-246X.2005.02534.x.
Molina, J.F., Poli, S., Austrheim, H., Glodny, J. & Rusin,
A. (2004): Eclogite-facies vein systems in the Marun-
Keu complex (Polar Urals, Russia): textural, chemical
and thermal constraints for patterns of fluid flow in the
lower crust. – Contributions to Mineralogy and Petrology,
147, 484-504, 10.1007/s00410-004-0569-z.
Mollenhauer, G., Kienast, M., Lamy, F., Meggers, H.,
Schneider, R. R., Hayes, J. M., Eglinton, T. I. (2005):
An evaluation of 14C age relationships between cooccurring
foraminifera, alkenones, and total organic
carbon in continental margin sediments. Paleoceanography,
20, 1, 1-12.
Möller, P., Dulski, P., Savascin, Y. & Conrad, M. (2004):
Rare earth elements, yttrium and Pb isotope ratios in
thermal spring and well waters of West Anatolia, Turkey:
a hydrochemical study of their origin. – Chemical
Geology, 206, 97-118.
Möller, P., Woith, H., Dulski, P., Lüders, V., Erzinger, J.,
Kämpf, H., Pekdeger, A., Hansen, B., Lodemann, M.,
Banks, D. (2005): Main and trace elements in KTB-
VB fluid: composition and hints to its origin. – Geofluids,
5,1, 28-41, 10.1111/j.1468-8123.2004.00104.x.
Mueller, M., Segl, K. & Kaufmann, H. (2004): Edge
and region-based segmentation technique for the
extraction of large, man-made objects in high resolution
satellite imagery. – Pattern Recognition, 37, 1619-
1628.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Müller, H.-J., Schilling, F.R., Lauterjung, J. & Lathe, C.
(2003): A standard free pressure calibration using
simultaneous XRD and elastic property measurements
in a multi-anvil device. – European Journal of Mineralogy,
15, 865-874.
Naeth, J., di Primio, R., Horsfield, B., Schaefer, R.G.,
Shannon, P.M., Bailey, W.R., and Henriet, J.P. (2005):
Hydrocarbon seepage and carbonate mound formation:
a basin modelling study from the Porcupine Basin
(offshore Ireland). Journal of Petroleum Geology,
28 (2), p. 43-62.
Nasdala, L., Reiners, P.W., Garver, J.I., Kennedy, A.K.,
Stern, R.A., Balan, E. & Wirth, R. (2004): Incomplete
retention of radiation damage in zircon from Sri
Lanka. – American Mineralogist, 89, 219-231.
Neumeyer, J., Hagedoorn, J., Leitloff, J., Schmidt,
T. (2004): Gravity reduction with three-dimensional
atmospheric pressure data for precise ground
gravity measurements, J. Geodyn., 38, 437-450,
doi:10.1016/j.jog.2004.07.006.
Nowaczyk, N. R., Antonow, M., Knies, J. & Spielhagen,
R. F. (2003): Further rock magnetic and chronostratigraphic
results on reversal excursions during the last
50 ka as derived from northern high latitudes and discrepancies
in precise AMS (super 14) C dating. – Geophysical
Journal International, 155, 1065-1080.
Parkes R. J., Cragg B. A., Weightman A. J., Webster G.,
Newberry C. J., Ferdelman T. G., Kallmeyer J., Jørgensen
B. B., and Fry J. C. (2005): Deep sub-seafloor
bacteria stimulated at interfaces over geologic time.
Nature, 436, 390-394.
Parolai, S. & Bard, P.-Y. (2003): Evaluation of site effects
by means of Joint Analysis of Sonogram and Standard
Spectral Ratio (JASSSR). – Journal of Seismology, 7,
479-492.
Parolai, S. & Bindi, D. (2004): Influence of soil layer properties
on k evaluation. – Bulletin of the Seismological
Society of America, 94, 349-356.
Parolai, S. & Richwalski, S. (2004): The importance of
converted waves in comparing H/V and RSM site response
estimates. – Bulletin of the Seismological Society
of America, 94, 304-313.
Parolai, S., Bindi, D. (2004): Influence of soil layer properties
on k evaluation. – Bulletin of the Seismological
Society of America, 94,1, 349-356.
Parolai, S., Bindi, D., Baumbach, M., Grosser, H., Milkereit,
C., Karakisa, S. & Zünbül, S. (2004): Comparision
of different site response estimation techniques
using aftershocks of 1999 Izmit earthquake. – Bulletin
of the Seismological Society of America, 94, 1096-
1108.
Parolai, S., Bindi, D., Baumbach, M., Grosser, H., Milkereit,
C., Karakisa, S., Zünbül, S. (2004): Comparision
of different site response estimation techniques using
aftershocks of 1999 Izmit earthquake. – Bulletin of the
Seismological Society of America, 94,3, 1096-1108,
10.1785/0120030086.
Parolai, S., Picozzi, M., Richwalski, S. M., Milkereit, C.
(2005): Joint inversion of phase velocity dispersion
and H/V ratio curves from seismic noise recordings
using a genetic algorithm, considering higher modes.
– Geophysical Research Letters, 32,1, L01303,
doi:10.1029/2004GL021115.
Parolai, S., Richwalski, S. (2004): The importance of converted
waves in comparing H/V and RSM site response
estimates. – Bulletin of the Seismological Society of
America, 94,1, 304-313.
Paton, D.A. & Underhill, J.R. (2004): Role of crustal anisotropy
in modifying the structural and sedimentological
evolution of extensional basins. – Basin Research,
16, 339-359.
Pavelyev, A.G., Liou, Y.A., Schmidt, T., Reigber, Ch., Igarashi,
K., Pavelyev, A.A., Matyugov, S. (2004): Amplitude
variations in GPS signals as a possible indicator
of ionospheric structures. Geophysical Research Letters
31, L24801, doi:10.1029/2004GL020607.
Peterson, L. C., Haug, G. H. (2005): Climate and the Collapse
of Maya Civilization. American Scientist, 93, 4,
324-331.
Picozzi, M., Parolai, S., Richwalski, S. (2005): Joint inversion
H/V ratios and dispersion curves from seismic
noise: Estimating the S-wave velocity of bedrock. –
Geophysical Research Letters, 32,L11308, -1-4,
10.1029/2005GL022878.
Pöter, B., Gottschalk, M. & Heinrich, W. (2004): Experimental
determination of the ammonium partitioning
among muscovite, K-feldspar, and aqueous chloride
solutions. – Lithos, 74, 67-90.
Prelevic, D., Foley, S. F., Cvetkovic, R. & Romer, R. L.
(2004): Origin of minette by mixing of lamproite
magma and superheated granitic melt in Veliki Majdan,
Serbia. – Journal of Petrology, 45, 759-792.
Prelevic, D., Foley, S.F., Romer, R.L., Cvetkovic, V., and
Downes, H. (2005): Tertiary ultrapotassic volcanism
in Serbia: Constraints on petrogenesis and mantle source
characteristics. J. Petrol., 46: 1443-1487.
Rabbel, W., Beilecke, T., Bohlen, T., Fischer, D., Frank, A.,
Hasenclever, J., Borm, G. Kück, J., Bram, K., Druivenga,
G., Lüschen, E., Gebrande, H., Pujol, J. &
Smithson, S. (2004): Superdeep vertical seismic profiling
at the KTB deep drill hole (Germany): Seismic
close-up view of a major thrust zone down to 8.5 km
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
443

444
depth. – J. Geophys. Res., 109, B9, B09309,
10.1029/2004JB002975.
Rabbel, W., Beilecke, T., Bohlen, T., Fischer, D., Frank, A.,
Hasenclever, J., Borm, G. Kück, J., Bram, K., Druivenga,
G., Lüschen, E., Gebrande, H., Pujol, J., Smithson,
S. (2004): Superdeep vertical seismic profiling
at the KTB deep drill hole (Germany): Seismic
close-up view of a major thrust zone down to 8.5 km
depth. J. Geophys. Res., Vol. 109, No. B9, B09309,
10.1029/2004JB002975.
Ramesh, D.S., M.R. Kumar, E. Uma Devi, P. Lolomon
Raju and X. Yuan (2005): Moho geometry and
upper mantle images of northeast India. Geophysical
Research Letters Vol. 32, Pages 14301-14304, doi:
10.1029/2005GL022789.
Ramesh, S. S., H. Kawakatsu, S. Watada, X. Yuan (2005):
Receiver function images of the central Chugoku
region in the Japanese islands using Hi-net data. Earth
Planets Space, No. 57, Pages 271-280.
Reichmann, H.J. & Jacobsen, S.D. (2004): High-pressure
elasticity of a natural magnetite crystal. – American
Mineralogist, 89, 1061-1066.
Rein, B. & Kaufmann, H. (2003): Exploration on gold in
NW Hebei/PR China – Panchromatic stereoscopic
intelligence satellite and Landsat TM data. – International
Journal of Remote Sensing, 24, 2427-2438.
Richter, R., Mueller, A., Habermeyer, S., Dech, S., Segl.
K., and Kaufmann, H. (2005): Spectral and radiometric
requirements for the airborne thermal imaging
spectrometer ARES. International Journal of Remote
Sensing, 26/15, 3149-3162.
Rickers, K., Thomas, R. & Heinrich, W. (2004): Trace-element
analysis of individual synthetic and natural fluid
inclusions with synchrotron radiation XRF using fundamental
parameter quantification. – European Journal
of Mineralogy, 16, 23-35.
Ritter, O., Ryberg, T., Weckmann, U., Hoffmann-Rothe,
A., Abueladas, A., Garfunkel, Z. & DESERT-group
(2003): Geophysical images of the Dead Sea Transform
in Jordan reveal an impermeable barrier for fluid
flow. – Geophysical Research Letters, 30, 1741-1744,
14 10.1029/2003GL017541 2003.
Ritter, O., Weckmann, U., Vietor, T. & Haak, V. (2003):
A Magnetotelluric study of the Damara Belt in Namiba
1. Regional scale conductivity anomalies. – Phys.
Earth. Planet. Int., 138, 71-90, doi: 10.1016/S0031-
9201(03)00078-5.
Ritter, P., H. Lühr, A. Viljanen, O. Amm, A. Pulkkinen, I.
Sillanpää (2004): Ionospheric currents estimated
simultaneously from CHAMP satellite and IMAGE
ground-based magnetic field measurements: A statis-
tical study at auroral latitudes. Ann. Geophys., 22,
417-430.
Ritter, P., H. Lühr, S. Maus und A. Viljanen (2004): High
latiutude ionospheric currents during very quiet times:
their characteristics and predictabilities. Ann. Geophys.,
22, 2001-2014.
Ritter, P., Lühr, H., Viljianen, A., Amm, O., Pulkkinen, A.
& Sillanpää, I. (2004): Ionospheric currents estimated
simultaneously from CHAMP satellite and IMAGE
ground-based magnetic field measurements: A statistical
study at auroral latitudes. – Ann. Geophys., 22,
417-430.
Ritter, P., Lühr, H., Villianen, A. & Maus, S. (2004): Highlatitude
ionospheric currents during very quiet times:
Their characteristics and predictability. – Ann. Geophys.,
22, 2001-2014.
Roessner, S., Wetzel, H.-U., Kaufmann, H., and Sarnagoev,
A. (2005): Potential of satellite remote sensing
and GIS for landslide hazard assessment in Southern
Kyrgyzstan (Central Asia). Natural Hazards, 35,
395-416.
Romer, R.L. & Siegesmund (2003): Why allanite may
swindle about its true age. – Contrib. Mineral. Petrol.,
146, 297-307.
Romer, R.L. (2003): Alpha-recoil in U-Pb geochronology:
effective sample size matters. Contrib. Mineral.
Petrol., 145, 481-491.
Romer, R.L. and Yilin Xiao (2005): Initial Pb-Sr(-Nd) isotopic
heterogeneity in a single allanite-epidote crystal:
implications of reaction history for the dating of minerals
with low parent-to-daughter ratios. Contrib. Mineral.
Petrol., 148: 662-674.
Romer, R.L., Heinrich W., Schröder-Smeibidl, B., Meixner,
A., Fischer, C.-O., and Schulz, C. (2005): Elemental
dispersion and stable isotope fractionation
during reactive fluid-flow and fluid immiscibility in
the Bufa del Diente aureole, NE-Mexico: Evidence
from radiographies and Li, B, Sr, Nd, and Pb isotope
systematics. Contrib. Mineral. Petrol., 149, 4, 400-429.
Roth, F. (2004): Stress changes modelled for the sequence
of strong earthquakes in the South Iceland seismic
zone since 1706. – Pure and Applied Geophysics, 161,
7, 1305-1327, doi: 10.1007/s00024-004-2506-5.
Roth, F. (2004): Stress changes modelled for the sequence
of strong earthquakes in the South Iceland seismic
zone since 1706. – Pure and Applied Geophysics, 161,
1305-1327, 10.1007/s00024-004-2506-5.
Rybacki, E. & Dresen, G. (2004): Deformation Mechanism
Maps for Feldspar Rocks. – Tectonophysics, 382,
173-187.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Rybacki, E.; Dresen, G. (2004): Deformation Mechanism
Maps for Feldspar Rocks. Tectonophysics, 382, 3-4,
173-187.
Ryberg, T., Rümpker, G., Haberland, Ch., Stromeyer,
D. and Weber, M. (2005): Simulaneous inversion
of shear-wave splitting observations from seismic
arrays. Journ. of Geophys. Res., 110, B03301,
doi:10.1029/2004JB003303.
Sandoval, S., Kissling, E., Ansorge, J., SVEKALAPKO
Seismic Tomography Working Group (2004): Highresolution
body wave tomography beneath the
SVEKALAPKO array – II. Anomalous upper mantle
structure beneath the central Baltic Shield. –
Geophysical Journal International, 157,1, 200-214,
10.1111/j.1365-246X.2004.02131.x.
Santamaria-Orozco, D. & Horsfield, B. (2004): Gas generation
potential of Upper Jurassic (Tithonian) source
rocks in the Sonda de Campeche, Mexico. In: The Circum-Gulf
of Mexico and the Caribbean: Hydrocarbon
habitats, Basin Formation and Plate Tectonics, AAPG
Memoir 79, edited by Bartolini C., Buffler R.T. and
Blickwede R.F. American Association of Petroleum
Geologists, Tulsa, Chapter 15, 349-363.
Saul, J. & Vinnik,L. (2003): Mantle Deformation or Processing
Artefact? – Nature, 422, 136.
Scheck, M., Bayer, U. & Lewerenz, B. (2003): Salt redistribution
during extension and inversion inferred from
3D backstripping. – Tectonophysics, 373, 55-73.
Scheck-Wenderoth, M. and Lamarche, J. (2005): Crustal
memory and basin evolution in the Central European
Basin System – new insights from a 3D structural
model. Tectonophysics, 397, 143-165.
Scheffzük, C., Siegesmund, S. and Weiss, T. (2004): Strain
investigations on calcite marbles using neutron timeof-flight
diffraction. Economic Geology 46 (3-4), 468-
476.
Scheffzük, C., Walther, K. & Frischbutter, A. (2003): Applied
and residual strain/stress measurements on a
dolomite rock sample using neutron time-of-flight diffraction.
– Journal of Neutron Research, 9, 187-192.
Schenk, H. J. & Dieckmann, V. (2004): Prediction of petroleum
formation: the influence of laboratory heating
rates on kinetic parameters and geological extrapolations.
– Marine and Petroleum Geology, 21, 79-95.
Schilling, F.R. & Wunder, B. (2004): Temperature distribution
in piston-cylinder assemblies: Numerical simulations
and laboratory experiments. – European Journal
of Mineralogy, 16, 7-14.
Schippers A., Neretin L. N., Kallmeyer J., Ferdelman T.
G., Cragg B. A., Parkes R. J., and Jørgensen B. B.
(2005): Procaryotic cells of the deep sub-seafloor
biosphere identified as living bacteria. Nature, 433,
861-864.
Schlegel, K., H. Lühr, J.-P. St.-Maurice, G. Crowley und
C. Hackert (2005): Thermospheric density structures
over the polar regions observed with CHAMP. Ann.
Geophys., 23, 1659-1672.
Schmidt, C., Thomas, R. and Heinrich, W. (2005): Boron
speciation in aqueous fluids at 22 to 600 °C and 0.1
MPa to 2 GPa. Geochemica et Cosmochimica Acta,
69, 2, 275-281.
Schultz, F., Lehmann, B., Tawackoli, S., Rössling, R.,
Belyatsky, B., Dulski, P. (2004): Carbonatite diversity
in the Central Andes: the Ayopaya alkaline province,
Bolivia. Contributions to Mineralogy and Petrology,
148, 4, 391-408.
Schurr B., Asch G., Rietbrock A., Trumbull R. & Haberland,
Chr. (2003): Complex patterns of fluid and melt
transport in the central Andean subduction zone revealed
by attenuation tomography. – Earth and Planet.
Sci. Let., 215, 105-119.
Seeberg-Elverfeldt, I. A., Lange, C. B., Arz, H. W., Pätzold,
J. & Pike, J. (2004): The significance of diatoms in the
formation of laminated sediments of the Shaban Deep,
Northern Red Sea. – Marine Geology, 209, 279-301.
Segl, K., Roessner, S., Heiden, U. & Kaufmann, H. (2003):
Fusion of spectral and shape features for identification
of urban surface cover types using reflective and thermal
hyperspectral data. – Journal of Photogrammetry
and Remote Sensing, 58, 99-112.
Seydoux-Guillaume, A.-M., Wirth, R., Deutsch, A. &
Schärer, U. (2004): Microstructure of 24-1928 Ma concordant
monazites; implications for geochronology
and nuclear waste deposits. – Geochimica et Cosmochimica
Acta, 68, 2517-2527.
Siemes, H., Klingenberg, B., Rybacki, E., Naumann, M.,
W. Schaefer, W., Jansen, E. & Rosiere, C. A. (2003):
Texture, microstructure and strength of hematite ores
experimentally deformed in the temperature rang 600
°C to 1100 °C and strain rates between 10 –4 and 10 –6
s –1 . - Journal of Structural Geology, 25, 1371-1391.
Sigman, D. M., Jaccard, S. L. & Haug, G. H. (2004): Polar
ocean stratification in a cold climate. – Nature, 428,
59-63.
Sillanpää, I., Lühr, H., Viljianen, A. & Ritter, P. (2004):
Quiet-time magnetic variations at high latitude observatories.
– Earth Planets Space, 56, 47-65.
Sobolev, A. V., Hoffmann, A. W., Sobolev, S. V. and Nikogosian,
I. K. (2005): An olivine free mantle source of
Hawaiian shield basalts. Nature, 434, 590-596.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
445

446
Sobolev, S. V., Petrunin, A., Garfunkel, Z., Babeyko, A. Y.
and DESERT Group (2005): Thermo-Mechanical
Model of the Dead Sea Transform. Earth Planet. Sci.
Lett., 238, 78-95.
Spielhagen, R. F., Baumann, K.-H., Erlenkeuser, H.,
Nowaczyk, N. R., Nørgaard-Pedersen, N., Vogt, C. &
Weiel, D. (2004): Arctic Ocean deep-sea record of northern
Eurasian ice sheet history. – Quaternary Science
Reviews, 23, 1455-1483.
Stanchits, S., Lockner, D. & Ponomarev, A. (2003): Anisotropic
Changes in P-Wave Velocity and Attenuation
During Deformation and Fluid Infiltration of Granite.
– Bulletin of the Seismological Society of America,
93, 1803-1822.
Stott, L., Cannariato, K., Thunell, R., Haug, G. H., Koutavas,
A. & Lund, S. (2004): Decline of surface temperature
and salinity in the western tropical Pacific
Ocean in the Holocene epoch. – Nature, 431, 56-59.
Stromeyer, D. Grünthal, G. & Wahlström, R. (2004): Chi-
Square Maximum Likelihood Regressions for Seismic
Strength Parameter Relatins, and their Uncertainties,
with Applications to an Mw based Earthquake Catalogue
for Central, Northern and Northwestern Europe.
– Journal of Seismology, 8, 143-153.
Stromeyer, D., Grünthal, G. and Wahlström, R. (2004):
Chi-square maximum likelihood regression for seismic
strength parameter relations, and their uncertainties,
with applications to an MW based earthquake
catalogue for central, northern and northwestern Europe.
Journal of Seismology 8 (1), 143-153.
Stuut, J.-B. W., Lamy, F. (2004): Climate variability at the
southern boundaries of the Namib (southwestern Africa)
and Atacama (northern Chile) coastal deserts
during the last 120,000 yr. Quaternary Research, 62,
3, 301-309.
SVEKALAPKO Seismic Tomography Working Group,
Jukka Yliniemi, Elena Kozlovskaya, Sven-Erik Hjelt,
Kari Komminaho and Anton Ushakov (2004): Structure
of the crust and uppermost mantle beneath southern
Finland revealed by analysis of local events registered
by the SVEKALAPKO seismic array. Tectonophysics,
Vol. 394, No. 1-2, Pages 41-67.
Szurlies, M. (2004): Magnetostratigraphy: the key to a global
correlation of the classic Germanic Trias-case
study Volpriehausen Formation (Middle Buntsandstein),
Central Germany. Earth and Planetary Science
Letters, 227, 3-4, 395-410.
Tagle, R., Erzinger, J., Hecht, L., Schmitt, R. T., Stöffler,
D. & Claeys, P. (2004): Platinum group elements in
impacts of the ICDP Chicxulub drill core Yaxcopoil-2:
Are there traces of the projectile? – Meteoritics & Planetary
Sciences, 39, 1009-1016.
Tauber, S., Banks, R., Ritter, O. & Weckmann, U. (2003):
A high-resolution magnetotelluric survey of the Iapetus
Suture Zone in south west Scotland. – Geophys. J.
Int., 153, 548-568.
Thébault, E., J.-J. Schott, M. Mandea und J.P. Hoffbeck
(2004): A new proposal for spherical cap harmonic
modelling, J. Geophys. Int., 159, 83-103.
Thomas, R., Förster, H.-J., Rickers, K., and Webster, J.D.
(2005): Formation of extremely F-rich hydrous melt
fractions and hydrothermal fluids during differentiation
of highly evolved tin-granite magmas: a melt/
fluid-inclusion study. Mineralogy and Petrology, 148,
5, 582-601.
Thybo, H., Janik, T., Omelchenko, V.D., Grad, M., Garetsky,
R. G., Belinsky, A. A., Karatayev, G. I., Zlotski, G.,
Knudsen, M. E., Sand, R., Yliniemi, J., Tiira, T., Luosto,
U., Komminaho, K., Giese, R., Guterch, A., Lund,
C.-E., Kharitonov, O. M., Ilchenko. T., Lysynchuk, D.
V., Skobelev, V. M. & Doody, J. J. (2003): Upper lithospheric
seismic velocity structure across the Pripyat
Trough and the Ukrainian Shield along the EURO-
BRIDGE'97 profile. – Tectonophysics, 371, 41-79.
Tosi, N., Sabadini, R., Marotta, A.M. (2005): Simultaneous
inversion for the earth’s mantle viscosity and ice
mass imbalance in Antarctica and Greenland. J. Geophys.
Res., 110, B07402, doi:10.1029/2004JB003236.
Treude, T., Niggemann, J., Kallmeyer, J., Wintersteller, P.,
Schubert, C. J., Boetius, A., and Jørgensen, B. B. (2005):
Anaerobic oxidation of methane in the sulfate-methane
transition along the Chilean continental margin. Geochimica
et Cosmochimica Acta 69(11), 2767-2779.
Trumbull, R. B., Harris, Ch., Frindt, St. & Wigand, M.
(2004): Oxygen and neodymium isotope evidence for
source diversity in Cretaceous anorgenic granites from
Namibia and implications for A-type granite genesis.-
Lithos, 73, 21-40, doi: 10.1016/j.lithos.2003.10.006
Umutlu, N., Koketsu, K., Milkereit, C. (2004): The rupture
process during the 1999 Düzce, Turkey, earthquake
from joint inversion of teleseismic and strongmotion
data. – Tectonophysics, 391,1-4, 315-324,
10.1016/j.tecto.2004.07.019.
Unsworth, M. & Bedrosian, P. A. (2004): Electrical
resistivity at the SAFOD site from magnetotelluric
exploration. – Geophys. Res. Lett., 31, doi:
10.1029/2003GL019405.
V. Engeln, A., Teixeira, J., Wickert, J., Buehler, S. (2005):
Detecting the planetary boundary layer using
CHAMP data, Geophysical Research Letters, 32,
doi:10.1029/2004GL022,168, 2005 (ID: 7202.0).
Vanícek, P., Tenzer, R., Sjöberg, L.E., Martinec, Z., Featherstone,
W.E. (2004): New views of the spherical
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Bouguer gravity anomaly. Geophys. J. Int., 159, 460-
472, doi:10.1111/j.1365-246X2004.02435.x.
Veksler, I. V. (2004): Liquid immiscibility and its role at
the magmatic-hydrothermal transition: a summary of
experimental studies. – Chemical Geology, 210, 7-31.
doi: 10.1015/j.chemgeo.2004.06.002.
Veksler, I. V., Dorfmann, A. M., Kamenetsky, M., Dulski,
P. and Dingwell, D. B. (2005): Partitioning of lanthanides
and Y between immiscible silicate and fluoride
melts, fluorite and cryolite and the origin of the lanthanide
tetradeffect in igneous rocks. Geochemica et
Cosmochimica Acta, 69, 11, 2847-2860.
Veksler, I., Thomas, R. & Wirth, R. (2003): Crystallization
of AlPO4-SiO2 solid solutions from granitic melt
and implications to P-rich melt inclusions in pegmatitic
quartz. - American Mineralogist, 88, 1724-1730.
Velímsk´y, J., Martinec, Z. (2005): Time-domain, spherical
harmonic-finite element approach to transient
three-dimensional geomagnetic induction in a spherical
heterogeneous earth. Geophys. J. Int., 161, 81-101.
Vellante, M., H. Lühr, T. L. Zhang, V. Wesztergom, U. Villante,
M. De Lauretis, A. Piancatelli, M. Rother, K.
Schwingenschuh, W. Koren und W. Magnes (2004):
Ground/Satellite Signatures of Field Line Resonance:
A Test of Theoretical Predictions. J. Geophys. Res.,
109 (A06210, doi:10.1029/2004JA010392).
Victor, P., Oncken, O. & Glodny, J. (2004): Uplift of the
western Altiplano plateau – evidence from the Precordillera
between 20° and 21°S (northern Chile). – Tectonics,
23, 1-24, TC4004 doi:10.1029/2003TC001519.
Vietor, T. Oncken, O. (2005): Controls on the shape and
kinematics of the Central Andean plateau flanks:
Insights from numerical modeling. In: Earth and Planetary
Science Letters, EPSL-07640. Ed.:King, S.
10.1016/j.epsl.2005.06.004.
Vinnik, L. P., Reigber, Ch., Aleshin, I., Kosarev, G. L.,
Kaban, M. K., Oreshin, S. I. & Roecker, S. W. (2004):
Receiver function tomography of the central Tien Shan.
– Earth and Planetary Science Lett., 225, 131-146.
Wang, D. Y.; von Clarmann, T.; Fischer, H.; Funke, B.; Gil-
López, S.; Glatthor, N.; Grabowski, U.; Höpfner, M.;
Kaufmann, M.; Kellmann, S.; Kiefer, M.; Koukouli,
M. E.; Linden, A.; López-Puertas, M.; Mengistu Tsidu,
G.; Milz, M.; Steck, T.; Stiller, G. P.; Simmons, A. J.;
Dethof, A.; Swinbank, R.; Marquardt, C.; Jiang, J. H.;
Romans, L. J.; Wickert, J.; Schmidt, T.; Russell, J., III;
Remsberg, E. (2005): Validation of stratospheric temperatures
measured by Michelson Interferometer for
Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) on Envisat
Journal of Geophysical Research, Volume 110, No.
D8, D08301; http://dx.doi.org/10.1029/2004JD005342
(ID: 7204).
Wang, D.Y., Stiller, G.P., Clarmann, v. T., Fischer, H.,
Lopez-Puertas, M., Funke, B., Gil-Lopez, S., Glatthor,
N., Höpfner, M., Kellmann, S., Tsidu, G.M., Milz, M.,
Steck, T., Jiang, J.H., Ao, C.O., Manney, G., Hocke,
K., Wu, D.L., Romans, L.J., Wickert, J., Schmidt, T.
(2004): Cross-Validation of MIPAS/ENVISAT and
GPS-RO/CHAMP temperature profiles. Journal of
Geophysical Research 109 (D19), D19311, DOI
10.1029/2004JD004963.
Wang, H., H. Lühr und S.-Y. Ma (2005):. Solar zenith
angle and merging electric field control of fieldaligned
currents: A statistical study of the southern
hemisphere. J. Geophys. Res., 110, A03306,
doi:10.1029/2004JA010530.
Wang, R. & Kümpel, H.-J. (2003): Poroelasticity, efficient
modeling of strongly coupled, slow deformation processes
in a multilayered half-space. – Geophysics, 68,
705-717.
Wang, R., Woith, H., Milkereit, C. & Zschau, J. (2004):
Modeling of hydrogeochemical anomalies induced by
distant earthquakes. – Geophysical Journal International,
157, 717-726.
Wang, R., Woith, H., Milkereit, C., Zschau, J.
(2004): Modelling of hydrogeochemical anomalies
induced by distant earthquakes. Geophysical Journal
International, 157,2, 717-726, 10.1111/j.1365-
246X.2004.02240.x.
Wang, R., Xia, Y., Grosser, H., Wetzel, H.-U., Kaufmann,
H. & Zschau, J. (2004): The 2003 Bam (SE Iran) earthquake:
precise source parameters from satellite radar
interferometry. – Geophysical Journal International,
159, 1-6.
Wang, R., Xia, Y., Grosser, H., Wetzel, H.-U., Zschau, J.,
Kaufmann, H. (2004): The 2003 Bam (SE Iran) earthquake:
precise source parameters from satellite radar
Interferometry. – Geophysical Journal International,
159, 3, 917-922, 10.1111/j.1365-246X.2004.02476.x.
Weber, M., F. Zetsche, T. Ryberg, A. Schulze, E. Spangenberg,
and E. Huenges (2005): Detection limits of
small, deep, man-made reflectors – A test at a geothermal
site in northern Germany. Bulletin of the Seismological
Society of America, 95, 3, 1567-1573.
Weckmann, U., Ritter, O. & Haak, V. (2003): A magnetotelluric
study of the Damara Belt in Namibia 2. MT
phases over 90° reveal the internal structure of
the Waterberg Fault/Omaruru Lineament. – Phys.
Earth. Planet. Int., 138, 91-112, doi: 10.1016/S0031-
9201(03)00079-1.
Wickert, J., Galas, R., Beyerle, G., Reigber, Ch., Förste,
Ch. & Ramatschi, M. (2004): Atmospheric sounding
with CHAMP: GPS ground station data
for occultation processing. – Physics and Chemistry
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
447

448
of the Earth (A), 29, 267-275 p. 10.1016/
j.pce2004.01.015, 2-3.
Wickert, J., Schmidt, T., Beyerle, G., König, R., Reigber,
Ch. & Jakowski, N. (2004): The Radio Occultation
Experiment aboard CHAMP: Operational Data Analysis
and Validation of Vertical Atmospheric Profiles.-
J. of the Meteorological Society of Japan, 82,. 381-395.
Wigand, M., Schmitt, A. K., Trumbull, R. B., Villa, I. W.
& Emmermann, R. (2004): Short-lived magmatic activity
in an anorogenic subvolcanic complex: 40 Ar/ 39 Ar
and ion microprobe U-Pb zircon dating of the Erongo,
Damaraland Province, Namibia. – Journal of Volcanology
and Geothermal Research, 130, 285-305, doi:
10.1016/S0377-0273(03)00310X.
Willner, A.P., Glodny, J., Gerya, T.V., Godoy, E. & Massonne,
H.-J. (2004): A counterclockwise PTt path of highpressure/low-temperature
rocks from the Coastal Cordillera
accretionary complex of south-central Chiel:
Constraints for the earliest stage of subduction mass flow.
– Lithos, 75, 283-310, 10.1016/j.lithos.2004.03.002.
Woith, H., Zschau, J., Maiwald, U., Pekdeger, A. & Wang,
R. (2003): Heterogeneous response of hydrogeological
systems to the Izmit and Düzce (Turkey) earthquakes
of 1999. – Hydrogeology Jounal, 11, 113-121.
Wookey, J., Kendall, J.-M. and Rümpker, G. (2005):
Lowermost mantle anisotropy beneath the north
Pacific from differential S-ScS splitting. Geophys.
Journ. Int., 161, 3, 829-838, doi: 10.1111/j.1365-
246X.2005.02623.x.
Wulf, S., Kraml, M., Brauer, A., Keller, J. &Negendank,
J. F. W. (2004): Tephrochronology of the 100 ka lacustrine
sediment record of Lago Grande di Monticchio
(southern Italy). – Quaternary International, 122, 7-30.
Xia, Y., Michel, G.W., Reigber, C., Klotz, J. & Kaufmann,
H. (2003): Seismic unloading and loading in Northern
Central Chile as observed by D-INSAR and GPS.-
International Journal of Remote Sensing, 24, 4375-
4391.
Zhu, S. Y., Massmann, F.-H., Yu, Y. & Reigber, Ch. (2003):
Satellite antenna phase center offsets and scale errors
in GPS solutions. – J. of Geodesy, 76, 668-672, DOI
10.1007/s00190-002-0294-1.
Zhu, S., Reigber, Ch. & König, R. (2004): Integrated adjustment
of CHAMP, GRACE, and GPS data. J. of Geodesy,
78, 103-108, DOI 10.107/s00190-004-0379-0.
Patente 2004 – 2005
Borm, G. & Otto, P. (2004): Vorrichtung zur Erzeugung
mechanischer Schwingungen in einem festen Material.
Europäische Patentanmeldung: 02018934.6; Japanische
Patentanmeldung 2002-243206; Deutsches
Patent erteilt am 15.07.2004: DE 101 41 518.
Borm, G., Giese, R., Schmidt-Hattenberger, C., Selke, Ch.
(2004): Verankerungseinrichtung mit seismischem
Sensor. DE 198 52 455.2; Japanische Patentanmeldung:
HEI 11-322268; Europäisches Patent erteilt am
15.09.2004: 1 001 134.
Borm, G.,Giese, R., Otto, P. & Polom, U. (2004): Seismische
Quelle und Verfahren zur Erzeugung seismischer
Schwingungen. Deutsche Patentanmeldung
vom 25.03.2004: 10 2004 014 722.1.
Borm, G., Giese, R., Jurczyk, A., Otto, P., Polom, U.
(2005): Seismische Quelle und Verfahren zur Erzeugung
seismischer Scherwellen; Deutsche Patentanmeldung
vom 27.05.2005: 10 2005 024 367.3.
Groh, M., Krüger, K., Giese R. (2005): Erkundungsvorrichtung
und Verfahren zur Registrierung seismischer
Schwingungen. Deutsche Patentanmeldung
vom 02.02.2005: 10 2005 004 869.2.
Eine vollständige Liste der Publikationen des GFZ Potsdam
findet sich elektronisch unter:
http://bib.gfz-potsdam.de/edoc/
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Glossar
AAM Atmospheric Angular Momentum
AE Akustische Emissionen
AF Arava Fault
AGMASCO Airborne Geoid Mapping System for Coastal Oceanography
AGU American Geological Union
AMS Acceleration Mass Spectrometry
ALDP Asian Lake Drilling Programme
ALVZ Altiplano Low Velocity Zone
ANCORP Andean Continental Research Project
ANGEL Airborne Navigation and Gravity Ensemble & Laboratory
APVC Altiplano Puna Volcanic Complex
ARES Airborne Reflectice Emisive Spectrometre
ARM Anhysterese Remanente Magnetisierung
ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar
ASG Airborne-Superconducting Gravimetersystem
AWI Alfred Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung
BABEL Baltic And Bothnian Echoes from the Lithosphere
BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
BGS British Geological Survey
BMA Beattie Magnetic Anomaly
BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung
BMZ Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit
und Entwicklung
BNS Banggong-Nujiang-Sutur
BP Before Present
BRGM Bureau de recherches géologiques et minières
BSR Bottom Simulating Reflector
CASI Compact Airborne Spectrographic Imager
CCSDP Chinese Continental Scientific Drilling Program
CDF Kaledonische Deformationsfront
CDG Carl Duisberg-Gesellschaft
CEDIM Centers for Disaster Management and Risk Reduction
Technology
CHAMP Challenging Mini Satellite for Geoscientific Research
and Application
ChRM Chemoremanente Magnetisierung
CIDA Canadian International Development Agency
CINCA95 Crustal Investigations Off- and Onshore Nazca/
Central Andes
CIR Colour Infrared
CMP Common Mid Point
CO2SINK CO 2 Storage by Injection Into the Natural Reservoir
Ketzin
COSMIC Constellation Observing System for Meteorology,
Ionosphere and Climate
COST European Cooperation in the Field of Scientific and
Technical Research
CSB China Seismological Bureau
CSLF International Carbon Sequestration Leadership Forum
CSIC Consejo Superior de Investigationes Cientificas
CVZ Central Volcanic Zone
D-InSAR Differential SAR Interferometry
DAIS Digital Airborne Imaging Spectrometer
DEM Distinkte-Elemente-Methode
DESERT Dead Sea Rift Transect
DESY Deutsches Elektronensynchrotron
DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFNK Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen
DHA Department of Humanitarian Affairs
DIS Online Drilling Information System
DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
DOE US Department of Energy
DRVID Differenced Range versus Integrated Doppler
DST Dead Sea Transform
DTS Distributed Temperature Sensing
DUGW Deutsche Union für geologische Wissenschaften
DWD Deutscher Wetterdienst
EELS Electron Energy-Loss Spectroscopy
ELDP European Lake Drilling Programme
EMS Europäische Makroseismische Skala, Elektronenstrahl-
Mikrosonde
EMSC European Mediterranean Seismological Center
ENGINE Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe
EnMAP Environmental Mapping and Analysis Program
ENSO El Niño/Southern Oscillation
ERS European Remote Sensing Satellite
ESA European Space Agency
ESC Europäische Seismologische Kommission
ESSP Earth System Science Pathfinder
FDR Frequency Domain Reflectometry
FDSN Federation of Digital Seismic Networks
FEM Finite Elemente Methode
FIB Focused Ion Beam
FIM Feldionenmikroskop
FMI Formation-Micro-Imager
FOS faseroptische Sensoren
FZWG Fault zone guided waves
GCM Global Circulation Model
GEDEPTH German Depth Profiling of Tibet and the Himalayas
Geofon Geoforschungsnetz
GEOMAR Forschungszentrum für Marine Geowissenschaften,
Kiel
GIF German-Israeli Foundation
GIN Geomagnetic Information Nodes
GITEWS German Indian Ocean Tsunami Early Warning System
GLONASS GLObales NAvigations-Satelliten-System
GNSS Global Navigation Satellite System
GOCE Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation
Explorer
GPS Global Positioning System
GRACE Gravity Recovery and Climate Experiment
GRIM4 GFZ GRGS Global Gravity Model
GRIP Greenland Icecore Project
GRSN German Regional Seismic Networks
GSD Ground Sampling Distance
GSC Geological Surv of Canada
GSN Global Seismic Network
GSHASP Global Seismic Hazard Assessment Program
GSJ Geological Survey of Japan
GSSP Global Stratotype Section and Point
GTZ Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit
HASYLAB Hamburger Synchroton-Strahlungslabor
HDCA hydrothermale Diamantstempelkammer
HOD Hentiesbaai-Outjo-Gangschwarm (Na-mibia)
HRTEM High Resolution Transmission Electron Microscope
HSDP Hawaii Scientific Drilling Program
IAGA Internationale Assoziation für Geomagnetismus und
Aeronomie
IAGOD International Association on the Genesis of Ore Deposits
IASPEI International Association of Seismology and Physics
of the Earth’s Interior
IAVCEI International Association of Volcanology and Chemistry
of the Earth’s Interior
ICDP International Continental Scientific Drilling Programme
IDNDR International Decade for Natural Disaster Reduction
IERS International Earth Rotation Service
IfM-Geomar Leibniz-Institut für Meereswissenschaften, Kiel
IGBP International Geosphere/Biosphere Programme
IGCP International Geological Correlation Programme
I-GET Integrated Geophysical Exploration Technologies
IGRF Internationales Geomagnetisches Referenzfeld
IIEES International Institute of Earthquake Engineering and
Seismology
IMAGE International Monitor for Aureal and Geomagnetic
Effects
INDEPTH International Deep Profiling of Tibet and the Himalaya
INSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar
INSPIRE Infrastructure for Spatial Information in Europe
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
449

450
IODP Integrated Ocean Drilling Program
IRIS Incorporated Research Institutions for Seismology
IRM Isothermale Remanente Magnetisierung
ISIS Integrated Seismic Imaging System
ISRM International Society for Rock Mechanics
ITCZ Innertropical Convergenze Zone
IUGG International Union of Geodesy und Geophysics
IUGS International Union of Geological Sciences
JEODI Joint European Ocean Drilling Initiative
JMA Japanese Meteorological Agency
JNOC Japanese National Oil Corporation
KDM Konsortium Deutscher Meeresforschung
KIHZ Natürliche Klimavariationen in historischen Zeiten
(KIHZ) bis 10.000 Jahre vor heute
KMG Kern-Mantel-Grenze
KTB Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik
Deutschland
LARSE Los Angeles Basin Refraction Seismic Experiment
LEO Low Earth Orbiter
LGM Last Glacial Maximum
LOD, lod Length of Day
LOS Line of Sight – Sichtachse
LTA Long Term Average
LVZ Low Velocity Zone
MAST-III EU Marine Science and Technology Programme
MEREDIAN Mediterranean-European Rapid Earthquake Data Information
and Archiving Network
MEDNET Mediterranean Network
MNF Minimum Noise Fraction
Moho Mohorovicic-Diskontinuität
MORB Mittelozeanische Rückenbasalte
MPNG Ministry of Petroleum and Natural Gas, India
MPZS Magnetische Polaritäts-Zeitskala
MUF Main Uralian Fault
MUMM Management Unit of the North Sea Mathematical
Models
MWFK Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur
des Landes Brandenburg
MT Magnetotellurik
NCEP U.S. National Center for Environmental Prediction
NDVI Normalized Difference Vegetation Index
NEGB North-East German Basin (= NODB)
NMSOP IASPEI New Manual of Seismological Observatory
Practice
NODB Nordostdeutsches Becken (= NEGB)
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
NRM Natürlich Remanente Magnetisierung
OBH Ocean Bottom Hydrophone
OET Osteuropäische Tafel
ONERA Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales
OSG ICDP Operational Support Group
PACE Palaeozoic Amalgamation of Central Europe
PAGES Past Global Changes
PDAS Portable Data Acquisition System
POCM Parallel Ocean Climate Model
POMME POtsdam Magnetic Model of the Earth
PRARE Precise Rate and Range Rate Equipment
PISCO'94 Proyecto de Investigación Sismológica de la Cordillera
Occidental
PUNA Plateau-Untersuchungen in Nordwest-Argentinien
PSV Paläosäkularvariation
RAE Resistive Anode Encoder
RCMG Renard Centre of Marine Geology, Ghent, Belgien
READINESS RealTime Data Information Network in Earth ScienceS
REM Raster-Elektronenmikroskop
RF Receiver Functions
RFA Röntgenfluoreszenz-Analyse
RTS Relaxationszeitenspektrum
SaDIN Sahel Doukala Information Network
SAFOD San Andreas Fault Observatory at Depth
SAFZ San Andreas Fault Zone
SAG ICDP Science Advisory Group
SAGA South American Geodynamic Activities
SALT South-American Lithospheric Transect
SAPOS Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung
SAR Synthetic Aperture Radar
SCCB Southern Cape Conductive Belt
SE Sekundärelektronen
SHRIMP Sensitive High Resolution Ion Microprobe
SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
SISZ Südisländische Seismizitätszone
SIRMS Saturation Isothermal Remanent Magnetization
SLR Satellite Laser Ranging
SNR Signal/Noise Ratio
SPOC Subduction Processes Off Chile
SQUID Superconducting Quantum Interference Device
STA Short Term Average
STZ Sorgenfrei-Tornquist Zone
SWIR Short-Wave Infrared
TanDEM-X TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement
TEDESE Terremotos y Deformacion Cortical en el Sur de
Espana
TEC Total Electron Content
TEF Transeuropäische Störungszone
TEM Transmissionselektronenmikroskop
TESZ Trans-European Sutur Zone
TIC Total Inorganic Carbon
TIGA GPS Tide Gauge Benchmark Monitoring Project
TICOSECT95 Trans-Isthmus Costa Rica Scientific Exploration of a
Crustal Transect
TOC Total Organic Carbon
TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer
TSP Tunnel Seismic Prediction
TTZ Tornquist-Teisseyre-Zone
UNCCD UN Convention to Combat Desertification
UNU United Nations University
URSEIS95 Urals Reflection Seismic Experiment and Integrated
Studies
USGS United States Geological Survey
USNMC U.S. National Meteorological Center
UTC Universal Time Coordinated
VCL Vegetation Canopy Lidar
VDI Verein Deutscher Ingenieure
VNIR Visible and Near-Infrared
VSI Volcanological Survey of Indonesia
VSP Vertikalseismisches Profil
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam