focusTerra - D-ERDW - ETH Zürich

ETH Zürich
Departement Erdwissenschaften
Sonneggstrasse 5
8092 Zürich
www.erdw.ethz.ch
D-ERDW
Departement Erdwissenschaften
Erdwissenschaften in Zürich

Inhaltsverzeichnis
Geologisches Institut
Strukturgeologie und Tektonik .................................................................................... 6
Klimageologie .......................................................................................................... 8
Ingenieurgeologie ..................................................................................................... 10
Erdoberflächendynamik ............................................................................................. 12
Paläontologie ........................................................................................................... 14
Biogeowissenschaft .................................................................................................. 16
Institut für Geophysik
Erd- und Planetenmagnetismus ................................................................................... 18
Angewandte und Umweltgeophysik ............................................................................ 20
Geophysikalische Fluiddynamik ................................................................................... 22
Seismologie und Geodynamik ..................................................................................... 24
Schweizerischer Erdbebendienst ................................................................................. 26
Institut für Geochemie und Petrologie
Petrologie ................................................................................................................ 30
Meeresgeologie und Geochemie .................................................................................. 31
Hochdruckgeologie und Vulkanologie ........................................................................... 32
Experimentelle Geochemie ......................................................................................... 34
Fluidprozesse und mineralische Rohstoffe ..................................................................... 36
Isotopengeochemie ................................................................................................... 38
focusTerra ................................................................................................................ 40
Impressum:
Herausgeber: Departement Erdwissenschaften
Konzept/Realisation: Gabrielle Attinger
Gestaltung: Karin Frauenfelder
Druck: Casanova Druck und Verlag AG, Chur
3000 Expl., März 2010
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HERZLICH
WILLKOMMEN
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Erdwissenschaften in Zürich
Herzlich willkommen in unserer Broschüre – sie beschreibt unsere Aktivitäten, denen wir im wunderschön
restaurierten Gebäude an der Sonneggstrasse im Herzen von Zürich nachgehen.
Das Departement Erdwissenschaften D-ERDW an der Eidgenössischen Technischen Hochschule
ETH Zürich strebt nach einem tieferen Verständnis aller Bereiche unseres Heimatplaneten – vom
Inneren der Erde über die Kontinente, Ozeane und Biosphären bis hin zur Atmosphäre. Wir erforschen
Erdmaterialien vom atomaren bis zum planetaren Massstab und versuchen die Evolution des
Planeten in der Vergangenheit ebenso zu verstehen wie die aktuellen und zukünftigen Prozesse.
Dieses Verständnis ist von zunehmender Bedeutung für die Menschheit und hat zunehmenden Einfluss
auf das «System Erde» sowohl auf regionaler als auch auf globaler Ebene. Die künftige Entwicklung
der Erde, was die Verfügbarkeit von geologischen Ressourcen wie Erdöl und frisches Wasser
anbelangt, aber auch die Lagerung von radioaktiven Abfällen oder Kohlendioxid sind Themen, die
nach Lösungen verlangen.
Eine unserer wichtigsten Aufgaben ist es, die nächste Generation von Akteuren und Akteurinnen in
der Wissenschaft, Technik, Politik und Administration auszubilden und auf die Herausforderungen
der Zukunft vorzubereiten. Dies umfasst die natürlichen Ressourcen, den Schutz der Wasserversorgung,
Naturgefahren, Energie-Ressourcen, das Klima ebenso wie ökologische Herausforderungen,
Altlasten und den Hoch- und Tiefbau vom Baugrund zum Tunnelbau.
Unser Departement ist nach aussen gerichtet, Lehre und Forschung sind eng mit den Departementen
Agrar-, Umwelt-, Bauingenieurswissenschaften sowie der Physik, Chemie und auch den Materialwissenschaften
verbunden. Um den vielfältigen Herausforderungen der Zukunft gerecht zu
werden, bietet unserer Studiengang den Studierenden einen praktischen und gleichzeitig grundlegenden
naturwissenschaftlichen Unterricht. Das Studium wird durch den engen Kontakt mit der
Forschung, durch die Kooperation mit der Industrie, sowie dank der Beziehung zu anderen Universitäten
in der ganzen Welt bereichert.
Wir laden Sie ein, blättern Sie in der Broschüre und entdecken Sie mehr über die Arbeit unseres
Departementes.
Bernard Bourdon
(Departementsvorsteher)
Um unsere Ziele zu erreichen, nutzen wir Laborexperimente, umfangreiche Feldkampagnen,
Computersimulationen und Fernerkundungsmethoden, zum Beispiel durch Satelliten. Die Erde
dient als Archiv, wir verwenden es, um globale Prozesse zu verstehen, die oft schwierig zu entziffern
sind. Die Erkundung dieses Archivs, das Felsen, Tiefsee-Sedimente und Eis-Platten umfasst,
ist essentiell, um unsere aktuellen Probleme zu verstehen: «Die Vergangenheit ist der Schlüssel
zur Zukunft».
Einige aktuelle und drängende Fragen, die die Erdwissenschafter und Erdwissenschafterinnen
der ETH Zürich zusammen mit den Forschenden an der Universität Zürich zu beantworten versuchen,
sind:
> Wie können die wesentlichen Bodenschätze tief unter der Erdoberfläche gefunden werden,
und wie lässt sich geothermische Energie in grossen Mengen gewinnen?
> Warum sind Erdbeben in der Schweiz ein Thema, und warum ist es nicht möglich, den nächsten
Steinschlag oder Bergsturz im Alpenraum vorherzusagen?
> Wo können wir unseren Müll ablagern, und wie können wir neue Bauvorhaben und Verkehrswege
realisieren, ohne Risiken für unser Grundwasser und für kommende Generationen zu
schaffen?
> Wie ist die Erde im Sonnensystem entstanden – und wie das Leben auf unserer Erde? Von der
ersten DNA über Mikroben und Dinosaurier bis zu den ersten Menschen?
> Was ist der Ursprung des Magnetfeldes der Erde, und wie können wir die Gefahr von Erdbeben
und Vulkanausbrüchen einschätzen?
> Was erzählen uns Meteoriten über die Entstehung von Planeten, was ist die Geschichte des
Mondes und der Erde?
> Warum und wie entstanden die Alpen und andere Gebirge, und was bestimmt ihre Entwicklung
und Topographie?
> Wird der Golfstrom seine Intensität in tausend Jahren verlieren? Wird dies dazu führen, dass
Europa unter einer Eisdecke verschwindet, oder wird sich die Atmosphäre aufwärmen und
eine weltweite Überflutung verursachen? Was können wir angesichts dieser Situation tun?
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LEHRE
Das Studium der Erdwissenschaften vermittelt ein grundlegendes Verständnis aller Bereiche unseres
Planeten auf akademischem Niveau. Im Zentrum des Studienganges steht das System Erde, welches
sowohl die Entstehung und langfristige Veränderung der Erde als auch die aktuellen Wechselwirkungen
zwischen festen Gesteinen, Ozeanen, Klima und Atmosphäre einschliesst. Das Studium der
Erdwissenschaften soll eine praxisnahe und gleichzeitig für die Schweiz einmalig breit abgestützte
naturwissenschaftliche Grundausbildung vermitteln.
Bachelor in Erdwissenschaften: Die ersten drei Jahre vermitteln etwa hälftig notwendige Grundlagen
in Mathematik, Physik, Chemie und Biologie und hälftig ein abgerundetes erdwissenschaftliches
Wissen, eine gute Naturbeobachtungsgabe sowie das Erlernen der Denkweise und Methodik
der Erdwissenschaften. Exkursionen, Praktika und Geländearbeiten unterstützen von Beginn an die
im Hörsaal vermittelten erdwissenschaftlichen Fächer. Dabei können drei Grundrichtungen gewählt
werden:
- Geologie
- Geophysik
- Klima und Wasser
Master in Erdwissenschaften: Das Ziel des Masterstudiums ist, die Studenten zu selbstständigen
ErdwissenschafterInnen auszubilden, die in der Wissenschaft oder Praxis den vielfältigen Aufgaben
auf höchstem Niveau gerecht werden. Unser Departement Erdwissenschaften an der ETH Zürich ist
eine der weltweit renommiertesten Forschungs- und Lehrinstitutionen in diesem Bereich, welche
durch seine Breite einen sehr vielfältigen Lehrplan anbieten kann. Hierbei werden die Studierenden
an modernste rechnergestützte numerische, analytische und experimentelle Methoden herangeführt
und in ihr erstes Forschungsprojekt eingebunden.
Das Masterstudium selbst besteht etwa zu je einem Drittel aus Wahlpflichtfächern, frei wählbaren
Fächern und der Masterarbeit und ermöglicht die folgenden Spezialisierungen:
- Ingenieurgeologie
- Geologie
- Mineralogie und Geochemie
- allgemeine Geophysik
- angewandte Geophysik (gemeinsam mit den Universitäten Aachen und Delft)
- Atmosphäre und Klima (gemeinsam mit dem Departement Umweltwissenschaften)
Am International-Ocean-Drilling-Programm
IODP zur Erforschung der Erdgeschichte – hier
vor dem Fujijama – ist auch das Departement
Erdwissenschaften der ETH Zürich beteiligt.
Doktoratsprogramm: Das Doktorat erlaubt eine aktive und weitgehend selbstständige Arbeit an
der Forschungsfront globaler erdwissenschaftlicher Erkenntnisse. Sie ist die Vorbedingung einer
akademischen Karriere, doch praktizieren auch zahlreiche AbsolventInnen mit Doktorat anschliessend
in der Industrie oder in öffentlichen Organisationen. In der Regel erhalten Doktorierende für
drei bis vier Jahre eine Assistenzstelle in ihrer Forschungsgruppe auf einer 60-Prozent-Basis.
Die Bachelor- und besonders die Masterstudiengänge und das Doktoratsprogramm lassen sich
kombinieren mit einer wissenschaftlichen Ausbildung an anderen Universitäten wie der Universität
Zürich, oder den Mitgliedern der europäischen IDEA League – RWTH Aachen, TU Delft, Imperial College
London und Technische Universität Paris. Ferner besteht ein intensiver Austausch in Forschung
und Lehre zwischen dem Departement Erdwissenschaften und führenden Forschungsuniversitäten
in Nordamerika wie dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston und anderen Ivy
League Institutionen sowie dem TIT in Tokyo und mit Singapur.
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STRUKTURGEOLOGIE
Strukturgeologie
und Tektonik
Die Strukturgeologie befasst sich mit den Gesteinen und den
geologischen Prozessen, in denen einwirkende Kräfte die Gesteine
verformen. Die Strukturgeologen analysieren die Deformationen,
sie untersuchen Falten, Brüche und das Gefüge von Mineralen
im Gestein. Diese geben Aufschluss über die Entstehung der
Erdkruste und des oberen Erdmantels.
Jean-Pierre Burg arbeitet mit seiner Gruppe oft im Feld, vor allem
in den Alpen und im Himalaja, wo die Bildung der Gebirgsketten
untersucht wird. Aber auch Laborforschung macht einen wichtigen
Teil der Strukturgeologie aus. Im Labor wird das Gesteinsmaterial
untersucht. Mit Grossrechnern werden numerische Modellierungen
und mit Plastilin analoge Modellierungen durchgeführt.
Experte darin ist Neil Mancktelow. In einem Hochleistungsapparat
kann Gestein in seiner Form verändert, also gedehnt
oder zusammengequetscht werden. Die Anlage ist einzigartig,
da sie auch Torsionen, Verdrehungen des Gesteins herbeiführen
kann. Sie wird deshalb auch immer wieder von Forschenden aus
dem Ausland benutzt, die selbst aus Übersee eigens nach Zürich
reisen, um ihre Gesteinsproben verdrehen zu lassen.
Spuren von einem Tsunami in Makran.
Leukogranit im Süden Tibets im Himalaja.
Mit Methoden wie der experimentellen Gesteinsdeformation
untersuchen die Strukturgeologen tektonische Prozesse, z. B. wie
Kräfte in der Erde die Gesteine verformen und in welche Richtung
die deformierten Gesteine bewegt wurden. Dies gibt Aufschluss
über die Abläufe und Bewegungen der Erdkruste und des
obersten Erdmantels und die Plattentektonik.
«Schokoladentafel»-Struktur in Portugal.
Die Plattentektonik führt zu Katastrophen wie Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Erdrutschen, ist aber
auch verantwortlich für natürliche Ressourcen wie Minerallagerstätten, Wasser und Geothermie. Die
Plattentektonik und damit die Strukturgeologie spielt also für jeden Aspekt der Erdwissenschaften eine
Rolle: Die Strukturgeologen erforschen, was man aus geologischen Beobachtungen über das Erdbebenpotential
von Störungszonen lernen kann und suchen nach geologischen Hinweisen, wie sich vergangene
Erdbeben ausgewirkt haben. Sie erkunden Lagerstätten von Rohstoffen wie Wasser und Erdöl in der Erdkruste.
Die Gruppe von Jean-Pierre Burg arbeitet deshalb auch eng zusammen mit den Forschenden der
Petrologie, der Geochemie und des Geophysikalischen Instituts, aber auch mit der Nagra und der NEAT.
Abschiebung im Iran. Überschiebung und Falten in Tunesien.
Ihre Arbeit gliedert die Gruppe entsprechend den verschiedenen Themen in sechs Bereiche: Alpine Geologie,
Analoge Modellierung, Gesteinsdeformation, Himalaja-Geologie, Numerische Modellierung und
das Fission Track oder «Spaltspuren-Datieren», eine radiometrische Methode zur Altersbestimmung
von Mineralen im Gestein.
Im Labor für Gesteinsdeformation. Falten in Makran.
Ein grosses Forschungsprojekt führt Jean-Pierre Burg öfters nach Pakistan, wo er mit seinen Mitarbeitenden
die Gesteine am Sapat in der Nordwest-Provinz Kohistan untersucht. Der Kohistan-Bogen ist ein
ehemaliger vulkanischer Insel-Bogen, der sich vor über 100 Millionen Jahren entwickelt hat. Er bildete
sich auf der ozeanischen Kruste der Thetys, des urzeitlichen Ozeans, der sich von Mitteleuropa bis nach
Neuguinea erstreckte. Heute befindet sich der Bogen zwischen dem eurasischen Kontinent und der
indischen Platte und gehört zum sogenannten Kollisionssystem des Nordwest-Himalajas. Ausserdem
sucht die Gruppe nach den Überresten der Inselkette an der Makranküste im Süden von Iran, wo die
Konvergenz besonders stark ist: Im Meer von Oman ist eine Subduktionszone.
Die Gruppe ist in nationalen und internationalen Forschungsprogrammen in Europa, Australien, im Iran,
in Kanada und Kirgistan aktiv.
6 7
Die Indus-Schlucht in Pakistan. >
Jean-Pierre Burg
Neil Mancktelow

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KLIMAGEOLOGIE
Klimageologie
Die Klimageologie befasst sich mit kurz- und langfristigen Klimaschwankungen in der erdgeschichtlichen
Vergangenheit und sie untersucht Zusammenhänge zwischen Klima und Evolution
von Leben auf unterschiedlichsten geologischen Zeitskalen. Dank der Klimageologie wissen
wir, dass es in der 4,6 Milliarden alten Geschichte unseres Planeten schon immer natürliche Klimavariationen
gegeben hat. Durch die Beschreibung und Quantifizierung der dafür zugrunde
liegenden Prozesse wissen wir, dass die heutigen Klimaveränderungen wesentlich auf menschliches
Einwirken zurückzuführen sind. Der Mensch ist zu einem global wirksamen Faktor im
System Erde geworden, und die Erde wird sich wegen der schnell ansteigenden Konzentration
der Treibhausgase in der Atmosphäre weiter erwärmen. Dies lässt sich mit den heutigen Forschungsmethoden
nachweisen.
Ozeanische Wasseroberflächentemperatur in einem El-Nino-Jahr (März 1983) – erforscht werden Jahrtausende bis Jahrmillionen.
Die Ergebnisse der Paläoklimaforschung haben das Verständnis des Klimasystems in den letzten
drei Jahrzehnten revolutioniert. So wiesen etwa die Klimarekonstruktionen aus geologischen
Archiven darauf hin, dass in den Polarregionen während der letzten Jahrtausende Temperaturschwankungen
von bis zu zehn Grad innerhalb von zehn Jahren möglich waren, angetrieben von
Veränderungen in der Ozeanzirkulation und der Windsysteme mit Schwellenwertcharakter – ein
Phänomen mit Auswirkungen auf den hydrologischen Kreislauf der Tropen.
Gerald Haug erforscht mit seiner Arbeitsgruppe die Entwicklung des Klimas während der letzten
Jahrtausende bis Jahrmillionen. Anhand von Meeres- und Seesedimenten ist es ihnen gelungen,
die klimatischen Veränderungen in zahlreichen Schlüsselregionen der Erde bis auf Jahre genau
zu rekonstruieren. Dabei schlug Haug unter anderem eine Erklärung für eines der ältesten Rätsel
der Paläoklimatologie vor, nämlich die Entstehung der grossen Eiszeiten auf der Nordhemisphäre
vor 2,7 Millionen Jahren: Die Meereszirkulation hat sich damals dramatisch verändert.
Bohrschiff auf dem See. Geklärt: Die Entstehung der Eiszeiten.
Alpine Gesteinsabfolgen archivieren Klima- und Erdgeschichte.
Chichén Itzá, Zentrum der Maya-Kultur. Phasen des Zerfalls.
Es bildeten sich im subarktischen Nordpazifik
und im Südozean um die Antarktis
eine salzgesteuerte Sprungschicht,
die man sich wie einen «Süsswasserdeckel»
vorstellen kann, welche das Ausgasen
des Treibhausgases CO2 vom Ozean
in die Atmosphäre reduzierte. Dies führte
zu einer permanenten Abkühlung des
Planeten Erde und zog die Bildung einer
permanenten Eiskappe in den Nordpolarregionen,
in Grönland, Skandinavien,
Nordasien und Nordamerika nach sich.
Eine weitere Entdeckung machte Haug mit KollegInnen bei der Rekonstruktion der grossen Temperatur-Oszillationen
zwischen Ozean und Atmosphäre in den letzten Jahrtausenden. Mit hochaufgelösten
Zeitreihen konnten sie nachweisen, dass diese Schwingungen im Klimasystem direkten Einfluss auf den
Lebensraum der Menschen haben – und damit erklären, wie Veränderungen im hydrologischen Kreislauf
der Tropen zum Untergang des Maya-Reichs auf Yucatan beitrugen. Die Klimadaten zeigen, dass
der gut dokumentierte Kollaps der Hochkultur zeitlich mit Trockenperioden von drei bis neun Jahren
zusammenfällt.
Helmut Weissert und seine Gruppe
nutzen alpine Gesteinsarchive für
ihre Rekonstruktionen des Klimas und
der Ozeanographie der letzten 250
Millionen Jahre. Sie studieren Wechselwirkungen
zwischen globalem
Kohlenstoff-Kreislauf, Leben und Klima.
Stefano Bernasconi befasst sich
mit der Biogeochemie terrestrischen
und aquatischen Systemen und ihrer
Erdgeschichte. Er leitet das Labor für
leichte stabile Isotope und für organische
Geochemie der Gruppe.
Messungen der Titan-Konzentration spiegeln klimatische Schwankungen.
Gerald Haug
Helmut Weissert
Stefano Bernasconi
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INGENIEURGEOLOGIE
Ingenieurgeologie
Die Ingenieurgeologie ist ein Zweig der Angewandten Geologie und der Geotechnik, also Bindeglied
zwischen den klassischen Geowissenschaften und dem Ingenieurwesen. Sie befasst sich
mit dem oberflächennahen Verhalten von Gesteinen und Formationen, ihrem geologischen Aufbau
und ihren mechanischen und hydraulischen Eigenschaften. Die Ingenieurgeologie dient der
Nutzung und auch dem Schutz der oberen Bereiche der Erdkruste. Sie befasst sich mit der Erstellung
von Bauwerken – Tunnels, Brücken, Gebäude, Talsperren, Deponien –, mit der Erschliessung
von oberflächennahen Rohstoffen – Grundwasser, Geothermie und mineralische Rohstoffe –
sowie mit dem Schutz vor Naturgefahren wie Felsstürzen, Rutschungen und Murgängen. Die
Ingenieurgeologie trägt dazu bei, dass Bauwerke aller Art sicher, zweckmässig und auch wirtschaftlich
gebaut werden können.
Durch Rutschung zerstörte Strasse in Edmonton.
Dazu braucht es nicht nur fachübergreifendes Wissen im erdwissenschaftlichen Bereich, sondern
auch Kenntnisse aus verschiedenen Ingenieurdisziplinen: Die Fels- und Bodenmechanik gehören
ebenso zu den Grundlagen der Ingenieurgeologen wie die Grundwasserhydraulik, Fernerkundung
und Geodäsie. Geologische Feldarbeit und spezialisierte in-situ-Messungen stellen bei den
meisten Projekten die ersten wichtigen Schritte der Datenerfassung dar, welche anschliessend
durch Laborversuche ergänzt und durch prozess- und problemgerechte Modellrechnungen interpretiert
werden.
Bohrloch-Logging in Aquifer in Mallorca.
Plattendruckversuch im Felslabor Mont Terri.
Bohrloch-Logging in Felsrutschung in Norwegen.
Im Zentrum der Forschungsarbeiten von Simon Löw stehen geomechanische und geohydraulische Prozesse
in geklüfteten Festgesteinen. Löw untersucht mit seiner Gruppe das Verhalten solcher Gesteinsmassen
in tiefen Untertagebauwerken wie Tunnels und geologischen Tiefenlagern und instabilen Talflanken.
Seine Gruppe widmet sich auch der Bildung und dem Transport von Grundwasservorkommen
in Gebirgen und der Nutzung von tiefer geothermischer Energie, die beide durch das Fliessverhalten und
die Struktur von geklüfteten Gesteinen kontrolliert werden.
Aktuelle Beispiele von Forschungsprojekten der Gruppe umfassen Setzungen über den tiefliegenden
Basistunnels am Gotthard und Lötschberg, die Untersuchungen von Prozessen, welche zur Auslösung
von Bergstürzen und Steinschlag führen, die Deformationen im Nahbereich geologischer Tiefenlager
radioaktiver Abfälle, Prozesse und Methoden zur Nutzung tiefliegender geothermischer Energie und
die Grundwasserneubildung und -Nutzung in Gebirgen aus ariden und gemässigten Klimaregionen.
Obwohl diese Themen ein weites Feld praxisrelevanter Fragen abdecken, lassen sie sich mit einem
methodisch klar fokussierten Katalog von Grundlagen untersuchen. Dieser Katalog umfasst wiederum
die geomechanischen und geohydraulischen Prozesse geklüfteter Festgesteine und die entsprechenden
Untersuchungsmethoden im Feld, Labor und Modell. Die Projekte haben einen klaren Schwerpunkt
in der Schweiz (Alpen). Es werden aber auch Projekte im gebirgigen Ausland durchgeführt – im Jabal-
Akhdar-Gebirge in Oman, im Troodos-Gebirge in Zypern, in Iran, Türkei, Griechenland, Mallorca, Norwegen,
Kanada und Chile.
Exkursion auf einer Baustelle des Gotthard-Basistunnels. Der Baustellengeologe von Sedrun in Diskussion
mit den Ingenieuren.
Die Gruppe von Simon Löw verfügt über ein umfassendes Instrumentarium von entsprechenden Feldgeräten
und entwickelt zusammen mit Spezialisten eigene höchstpräzise Monitoringsysteme. Die Gruppe
hat eigene Teststandorte (Randa, Mels, Furka) und nutzt zusammen mit Partnern das Felslabor Mont
Terri in St. Ursanne für grosse Forschungsvorhaben.
Simon Löw ist in den oben beschriebenen Bereichen zudem als wissenschaftlicher Berater tätig. Er wirkt
seit bald 20 Jahren als Experte für die Basistunnels am Gotthard und Lötschberg. Seit 2008 präsidiert
er die ausserparlamentarische Kommission Nukleare Endlagerung KNE, die als unabhängiges Expertengremium
die Aufgabe hat, die Bundesbehörden in geologischen und sicherheitstechnischen Fragen der
nuklearen Entsorgung zu beraten.
< Installation von Steinschlagnetzen oberhalb der A13. Murgangablagerungen in den Bündner Alpen. >
Simon Löw
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Erdoberflächendynamik
Sean Willett und die Gruppe Erdoberflächendynamik (Earth
Surface Dynamics, ESD) erforschen die verschiedenen Prozesse,
die gemeinsam für die Form, Landschaftsentwicklung und Geologie
der Erdoberfläche verantwortlich sind. Der Schwerpunkt
der Gruppe liegt dabei auf dem Studium oberflächennaher Prozesse
sowie den Einflüssen von Tektonik und Klima, welche z. B.
die Schichten der Erde deformieren oder Erosionsprozesse, durch
die die Landschaft geformt werden. Gebirge sind das beste Beispiel
für dieses System: Sie entstehen, wo Kontinente kollidieren.
Hohe Gebirge sind durch die raue Witterung starker Erosion und
Abtragung ausgesetzt. Der Abtragungsschutt wird in den sie
umrandenden Becken abgelagert. So entsteht ein Geschichtsarchiv
des Gebirges. Die ESD-Gruppe beschäftigt sich mit all diesen
Numerisches Modell eines Sedimentbeckens.
Ä
Marmorschlucht in Taiwan.
Prozessen, der kontinentalen Kollision, der tektonischen Gebirgsbildung,
der Erosion, der Sedimentproduktion ebenso wie mit
dem Transport dieser Sedimente.
Die Wissenschafter wenden eine Vielzahl von Techniken an,
um diese Systeme zu studieren. Dazu gehören u. a. die numerische
Modellierung, Feldarbeit und geochemische Analysen. Die
Computer-Modellierung von tektonischen und geomorphologischen
Prozessen spielt eine besonders wichtige Rolle. Durch die
Darstellung der tektonischen Prozesse, welche die Topographie
schaffen und der Erosionsprozesse, die sie zerstören, können die
Forschenden analysieren, wie die Landschaft entstanden ist.
Komplexe Computer-Codes ermöglichen es, den Einfluss von der
Verformung der Lithosphäre, von Erosionsprozessen oder von verschiedenen klimatischen und tektonischen
Steuerfaktoren auf die Landschaft im Detail nachzubilden und zu testen. Feldarbeit ist ebenfalls
ein wichtiger Bestandteil der ESD-Forschung. Durch das Studium von Geomorphologie und Landschaft
werden Fluss-, Wind- und Gletscherprozesse betrachtet und quantifiziert, die die Landschaft formen.
Die abgelagerten Sedimente rund um die Berge sagen viel darüber aus, wie sich ein Relief durch Erosion
gebildet hat und auch einiges darüber, wie die Becken entstanden sind, in denen die Sedimente liegen.
Die Sedimentanalyse verlangt nach einer Reihe von analytischen Verfahren. Vor allem die Altersdatierung
von Phasen, in denen sich die Erde abgekühlt hat, ist wichtig, um zu bestimmen, wann und wo die
Sedimente während der Erosion entstanden sind. Diese Messungen werden mit verschiedenen geochemischen
Methoden vorgenommen. Auf die Sedimentforschung hat sich Wilfried Winkler spezialisiert.
Junge Ablagerungen im Gebirge Taiwans. Studenten bei der Feldarbeit in Italien.
Mit der geochemischen Analyse der Minerale in Sedimenten lässt sich die Herkunft der Sedimente bestimmen.
Mit Tieftemperaturmethoden wie der Spaltspurendatierung wird das Alter der Sedimente
eruiert. Neue Methoden der Oberflächendatierung mit Isotopen, welche sich durch kosmische Strahlung
gebildet haben, sind ebenfalls nützlich für die Untersuchung von geomorphologischen Oberflächen.
Die Gruppe arbeitet auf diesem Gebiet mit den Physikern der ETH Zürich zusammen, um diese
Methoden in ihrer Forschung anzuwenden.
Die jüngsten Feldprojekte haben sich auf junge Gebirgsgürtel konzentriert. Sean Willett und seine Kollegen
haben viel auf der Insel Taiwan gearbeitet, wo eine der schnellsten Gebirgsbildungen der Erde
zu beobachten ist. Dieser Ort ist auch deshalb interessant, weil die Prozesse der Erosion und des Sedimenttransports
durch die häufigen Taifune, die die Region treffen, besonders aktiv sind. Zudem ist die
Gegend seismisch sehr aktiv, was an der hohen Rate starker Erdbeben ersichtlich ist. Andere aktive oder
in jüngerer Zeit aktive Gebirge, die die Gruppe erforscht hat, sind diejenigen in Neuseeland, im Himalaja,
in Alaska, im Iran, die Pyrenäen, der Apennin und natürlich die Alpen.
Zu den spezifischen
Problemen der Forschung,
in denen
die ESD-Gruppe beteiligt
ist, gehören
seit kurzem auch die
Modellierung von
Eiskappen und der
Gletschererosion im
alpinen Massstab
sowie die Rekonstruktion
der Topographie
der Alpen
über die letzten 10
Millionen Jahre.
Eiskappenmodellierung der Alpen.
12 13
Sean Willet
Wilfried Winkler

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PALÄONTOLOGIE
ÄÄ
Paläontologie
Paläontologie befasst sich mit der Evolution des Lebens auf unserem Planeten und bildet die
Schnittstelle zwischen Erd- und Biowissenschaften. Diesem Gebiet widmen sich Hugo Bucher
und Marcelo Sánchez.
Nachbildung der Fauna vom Nordwesten Venezuelas im späten Miozän.
Die Auswirkungen der globalen Umweltveränderungen auf die Biosphäre während der erdgeschichtlichen
Phasen von Massenaussterben bilden den Kern der Forschung von Hugo Bucher.
Mit dem Wissen über den Verlauf solcher Ereignisse und den jeweils nachfolgenden Erholungsphasen
lassen sich die Mechanismen der aktuellen, von Menschen verursachten Biodiversitätskrise
besser verstehen. Klimatische und chemische Veränderungen von Meer und Atmosphäre,
verbunden mit dem Ansteigen des Meeresspiegels, waren wichtige Faktoren in den vergangenen
Biodiversitätskrisen. Vor allem über die grösste biotische Katastrophe der Erdgeschichte, das
Massenaussterben am Ende des Perm vor ca. 250 Millionen Jahren, werden sowohl im Feld wie
im Labor neue, hoch aufgelöste und zuverlässige Daten aus den Bereichen Paläontologie und
Paläoumwelt gesammelt. Damals verschwanden mindestens 90 Prozent aller Organismen von
der Erdoberfläche.
Entnahme von grossen Sedimentstücken mit Fossilien aus
Gestein aus dem Pliozän in Venezuela.
Ammonoideen aus dem frühen Trias in Südchina.
Die Feldforschung wird in verschiedenen Teilen der Welt durchgeführt. Dabei arbeiten Bucher
und sein Team mit Expertinnen und Experten der Geochronologie und der Geochemie zusammen.
Weiter setzen sie numerische Simulationen ein, um die Auswirkungen der abiotischen Faktoren
auf die Biodiversität der Tiere und Pflanzen in Raum und Zeit zu testen.
Die Reaktionen von marinen Organismen auf abiotischen Druck wie Klimaveränderungen lassen
sich besonders gut an den zu den Weichtieren gehörenden Muscheln und Ammoniten studieren.
Experimente mit lebenden Muscheln und numerischer Modellierung geben Aufschluss über die
Morphogenese, die Entstehung der Gestalt von Organismen. Nach stammesgeschichtlichen Informationen
sucht Bucher an lebenden Formen und setzt dabei die Computertomographie ein.
Die evolutionäre Veränderung von Organismen basiert im Wesentlichen auf Änderungen der Entwicklungsmechanismen.
Das Team von Marcelo Sánchez beschäftigt sich mit den sogenannten morphologischen
Entwicklungen, also Struktur- und Formveränderungen bei Wirbeltieren, vor allem bei Säugetieren,
Reptilien und Amphibien. Die Forschenden konzentrieren sich dabei auf das Skelett, weil es
für die Anatomie der Landtiere von grundlegender Bedeutung ist – und es ist der Teil, der in Fossilien
am häufigsten erhalten ist. Der Knochen ist ein dynamisches und lebendes Gewebe. Es unterstützt
und schützt die Weichteile und es speichert wichtige Mineralien. Die Struktur des Knochens hängt von
der Physiologie ab und verrät viel über die Evolutionsgeschichte. In Sánchez’ Labor wird zum Beispiel
die Entwicklung der Mikrostruktur des Knochens sowie die Zeitspanne der Knochenentwicklung bei
verschiedenen ausgestorbenen Gruppen untersucht und mit lebenden Gruppen verglichen. Ziel ist es,
paläontologische und embryologische Kenntnisse zu integrieren.
In den Studien werden alle Techniken genutzt, die dazu beitragen, die anatomischen Eigenschaften zu
dokumentieren und zu vergleichen. Die Forschenden sezieren, sie machen Computertomographien, sie
wenden Techniken der Immunchemie und der Molekularbiologie an. Das Labor ist ausserdem bestens
ausgerüstet für morphometrische Studien von kleinen Objekten wie fossile Zähne und Embryos.
Katastrophenformen: Basaler mikrobischer Kalkstein
aus dem frühen Trias in Südchina.
Basislager im Nordosten Grönlands.
Basale Ophiceratid aus dem frühen Trias im Nordosten Grönlands.
Probentransport im Nordosten Grönlands.
Feldforschung ist auch ein wesentlicher Teil der Studien. Nur so können ausgestorbene Exemplare aus
vergangener biologischer Vielfalt entdeckt und beschrieben werden. Dies führt zu wichtigen evolutionsbiologischen
Erkenntnissen.
Hugo Bucher
Marcelo Sánchez
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Biogeowissenschaft
Timothy Eglinton leitet die neu gebildete Gruppe Biogeowissenschaft. Im Zentrum ihrer Forschung
steht der globale organische Kohlenstoffkreislauf. Die Gruppe untersucht, wie er funktioniert
und wie Klima und anthropogene Aktivitäten ihn beeinflussen – und von ihm beeinflusst
werden. Ein Schwerpunkt liegt auf den Prozessen, die zur Akkumulation von organischer Substanz
in den marinen Sedimenten führen. Und man versucht, die Aufzeichnungen über die vergangenen
Veränderungen von Erde und Ökosystem zu entschlüsseln, die in diesen Sedimenten
archiviert sind.
In den Lebewesen der Erde kommen verschiedene Biomoleküle vor, von denen viele komplexe
und sehr kunstvolle chemische Strukturen haben. Diese Strukturen haben diverse Funktionen
– sie codieren und verbreiten genetische Informationen, sie regeln zelluläre Prozesse und
sie erhalten die Struktur des Organismus. Die meisten Biomoleküle zerfallen nach dem Tod des
Organismus, in dem sie stecken, schnell zu Kohlendioxid. Einige bleiben jedoch in der Umwelt
bestehen. Eglinton und seine Kollegen nutzen diese «Erb-Moleküle», um den Weg der organischen
Substanzen, welche durch terrestrische und aquatische Organismen entstehen, von ihrem
Ursprung bis ins Sediment zu verfolgen. Dank der letzten Fortschritte in den Techniken, die
zur Charakterisierung von molekularen Strukturen und der Zusammensetzung dieser Erbverbindungen
verwendet werden, lassen sich nicht nur die biologischen Quellen bestimmen. Auch die
Umweltbedingungen, unter denen die Vorläuferorganismen gelebt haben, können rekonstruiert
werden.
Obwohl man schon viele Informationen aus diesen molekularen Signaturen gewonnen hat, ist
dieses reichhaltige Archiv erst teilweise entschlüsselt. Zudem weiss man nur wenig über die
Mechanismen und Zeitskalen, die beim Kreislauf organischer Materie in der Umwelt eine Rolle
spielen. Darüber mehr zu erfahren, ist das Hauptziel der Forschenden der Gruppe Biogeowissenschaft.
Bei ihren Untersuchungen stützen sie sich auf eine Schlüsseleigenschaft der organischen
Materie: das Radiokohlenstoffalter. Eglinton hat als Erster Wissenschafter Methoden für die Al-
Infrarot-Sattelitenaufnahme vom Mackenzie-Delta
tersbestimmung von Radiokohlenstoff auf molekularer Ebene entwickelt. Er nutzt diese Informationen
als «Uhr», um den Zeitraum zu erforschen, in dem sich bestimmte Anteile von Kohlenstoff innerhalb und
zwischen verschiedenen Reservoirs auf der Erdoberfläche hin- und herbewegen. Diese Informationen
werden verwendet, um den Kohlenstoffkreislauf von heute und vom späten Quartär zu erforschen.
Planktonblüte vor der Küste Neufundlands.
Schwankungen des Chlorophylls, der Oberflächentemperatur und der Tiefenströmungen
im Nordwestatlantik.
Die Gruppe untersucht die Prozesse, die zur Mobilisierung, zum Transport und zur Ablagerung von organischer
Substanz über verschiedene räumliche und zeitliche Skalen führen. Aktuelle Schwerpunkte sind
der Kohlenstoffkreislauf in grossen Flusssystemen, an der Schnittstelle zwischen Land und Meer sowie
der Transport und die Ablagerung von organischen Substanzen an Kontinentalrändern. Ein besonderer
Fokus wird auf den Kohlenstoffkreislauf in der Arktis gelegt, wo es durch den Klimawandel bereits zu
dramatischen Veränderungen gekommen ist. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprogramms
mehrerer Institute untersucht die Gruppe beispielsweise den Transport und die Ablagerung von Kohlenstoff
im Flusssystem des Mackenzie in den Northwest Territories von Kanada. Ebenfalls erforscht wird,
wie sich Veränderungen im Arktischen Ozean auf die sogenannte biologische Pumpe auswirken, dem
Prozess, mit dem Kohlenstoff von der Oberfläche in die Tiefsee transportiert wird: Durch Strömungen
kommt organisch reiches Material aus der Tiefe des Ozeans an die Oberfläche, bindet dort Kohlenstoff
und sinkt mit ihm wieder ab.
Probenentnahme vom See im Mackenzie-Delta. Der oberste Teil eines Sedimentkerns vom Schwarzen Meer.
Die Gruppe Biogeowissenschaft widmet sich zudem Untersuchungen spezifischer Umweltsysteme
und macht Erhebungen zu Umweltveränderungen verschiedenster Auswirkung, Stärke oder Intensität
sowie Langzeitbeobachtungen wichtiger Prozesse. In diesen Bereichen arbeitet man eng mit anderen
Gruppen des Departements und mit anderen Departementen innerhalb der ETH zusammen sowie mit
Institutionen, die ergänzendes Fachwissen und zusätzliche Perspektiven einbringen.
Eglinton und seine Kollegen arbeiten auf ein vermehrt quantitatives und mechanistisches Verständnis
des Kohlenstoffkreislaufs hin. Ziel ist es, sein Verhältnis zu physikalischen, biologischen und umweltbedingten
Veränderungen zu definieren und herauszufinden, wie der Kreislauf in der geologischen Vergangenheit
funktioniert hat.
Der Sedimentfänger wird eingeholt. >
Timothy Eglinton
17

ERD UND PLANETEN
Erd- und Planetenmagnetismus
(EPM)
Die Erde ist von einem internen Magnetfeld umgeben, das uns
vor kosmischer Strahlung schützt. Es entsteht im Innern der Erde:
Über dem soliden inneren Kern aus Eisen liegt der äussere Kern
aus geschmolzenem Eisen und leichteren Elementen wie z. B.
Sauerstoff, Silikon und Schwefel. Die Temperaturunterschiede im
äusseren Kern bewirken, dass die Flüssigkeit in steter Bewegung
ist und Konvektionsströme entstehen. Diese sind die Ursache für
elektrische Ströme, welche wiederum die Entstehung von Magnetfeldern
bewirken. Die Entstehung des Magnetfeldes durch
Konvektionsströmungen wird als Dynamoeffekt bezeichnet. Andrew
Jackson arbeitet mit seiner EPM-Gruppe daran, diese unsichtbaren
Vorgänge durch Modelle sichtbar zu machen und so
die Mechanismen zu verstehen, die zu den Konvektionsströmungen
und dem Dynamoeffekt führen.
Anhand von Messungen des Magnetfeldes an der Oberfläche
und im Orbit mit Hilfe von Satelliten lässt sich herleiten, wie das
Magnetfeld an der Oberfläche des flüssigen äusseren Kerns
aussieht. Um die physikalischen Gesetze zu simulieren, welche
den Konvektionsströmen zugrunde liegen, müssen aufwendige
Berechnungen durchgeführt werden. Um diese zu ermöglichen,
nutzt die Forschungsgruppe das Schweizerische Hochleistungsrechenzentrum
(CSCS) in Manno im Tessin. Die Ergebnisse sollen
helfen, dem Ursprung des Erdmagnetfeldes näher zu kommen,
das seit Milliarden von Jahren existiert. Möglicherweise lernt
Der Magnetkompass bestimmt anhand des Erdmagnetfelds die Himmelsrichtungen.
man auch besser zu verstehen, weshalb sich das Magnetfeld
von Zeit zu Zeit umkehrt – das letzte Mal vor 750 000 Jahren. Die
Simulationen könnten auch für die Astronomie nützlich sein und
Erkenntnisse über die magnetische Aktivität der anderen Planeten
in unserem Sonnensystem liefern.
Der geomagnetische Sturm vom 5./6. November 2001, dargestellt mit einem
dreidimensionalen Modell, das auch die Flussdichte im Meer berücksichtigt.
Die Gruppe wird mit von der Partie sein, wenn
2011 die SWARM Mission der europäischen Weltraumorganisation
ESA startet und drei Satelliten
gemeinsam von einer Rakete ins Weltall befördert
werden. Die drei identischen Objekte werden das
Erdmagnetfeld mit einer noch nie dagewesenen
Präzision messen. Sie umkreisen die Erde auf einer
polaren Umlaufbahn, zwei nebeneinander in einer
Höhe von 450 Kilometer und ein weiterer in 530
Kilometer Höhe. Gemeinsam werden sie die Stärke,
Orientierung und die zeitliche Veränderung
des Erdmagnetfeldes aufzeichnen. Die Hochpräzissionsmessungen
sollen auch kleine elektrische
Ströme im Erdmantel, welcher den Kern umgibt,
entdecken, welche Aufschlüsse über die elektrische
Leitfähigkeit des Mantels geben. Diese
elektrischen Ströme werden durch schnelle Änderungen
im äusseren Magnetfeld verursacht, welches
vom Sonnenwind aufgebaut wird. Mögliche
Schwankungen in der Leitfähigkeit, welche man
ebenfalls zu entdecken hofft, könnten Fragen
über die Temperatur sowie Wasservorkommen im
Erdmantel beantworten.
Magnetfeldfreies Labor.
Gesteinsbohrungen im Feld.
Darstellung des Erdmagnetfeld-Flusses an der Oberfläche des Erdkerns im Jahr 1980.
Neben dem Magnetfeld der Erde
und der Planeten erforscht die
EPM-Gruppe auch die magnetischen
Eigenschaften von natürlichen
Materialien. So misst
sie z. B. den Magnetismus von
Mineralien, und aus Bohrkernen
gewonnene Seesedimente dienen
dazu, Erkenntnisse über die
magnetische Beschaffenheit der
Umwelt zu gewinnen. Auch
menschliches Hirngewebe ist
Gegenstand der Magnetismusforschung:
Die magnetische Beschaffenheit
soll Hinweise auf
bestimmte Erkrankungen wie
z. B. Alzheimer geben können.
Ausserdem entwickelt die Gruppe
von Andrew Jackson neue,
auf Magnetismus basierende
Techniken, um die Verformung
von Gestein zu studieren. Die
meisten Experimente werden im
Labor für natürlichen Magnetismus
durchgeführt, einem fast
komplett magnetfeldfrei erbauten
Haus ausserhalb der Stadt.
18 19
Andrew Jackson

A -
G
20
Angewandte und Umweltgeophysik
Die Angewandte und Umweltgeophysik widmet sich der Entwicklung und Anwendung von geophysikalischen
Techniken, um den untiefen Untergrund zu erkunden. Im Mittelpunkt des Interesses
stehen die ersten 100 bis 200 Meter des Erdbodens, diejenige Schicht also, die für die
Menschen am wichtigsten ist.
Die Forschenden der ETH Zürich, die Gruppe von Alan Green und Hansruedi Maurer, nutzen bei
ihrer Arbeit eine Vielzahl von Methoden, um den Untergrund zu durchleuchten: Seismik, Georadar,
elektrische Widerstandsmessungen, magnetische und elektromagnetische Messungen und
nukleare Magnetresonanz (NMR). Diese Methoden werden entweder von der Oberfläche aus
und/oder in Bohrlöchern angewandt.
Georadaruntersuchungen auf dem
Bergsturzgebiet bei Randa.
Bohrungen auf dem Muragl-Blockgletscher, Engadin.
Die Anwendungen der geophysikalischen Messmethoden sind vielfältig. Hier ist eine kleine Auswahl
von Themenkreisen, bei denen die Angewandte und Umweltgeophysik-Gruppe der ETH Zürich in letzter
Zeit wesentliche Beiträge geleistet hat.
Radioaktive Endlager – In Zusammenarbeit mit
der schweizerischen NAGRA und der britischen
NDA werden Möglichkeiten zur Überwachung
von radioaktiven Endlagern untersucht. Es wird
geprüft, ob mit Hilfe von seismischer Wellenform-
Tomographie kleine Änderungen im Endlager detektiert
werden können. Die seismischen Quellen
und Empfänger befinden sich in Bohrlöchern, die
in einer sicheren Distanz vom eigentlichen Endlager
abgeteuft würden. Testmessungen werden
zurzeit in den Felslabors Mont Terri und Grimsel
durchgeführt.
Industrie- und Hausmülldeponien – In der Schweiz
existieren über 50‘000 Industrie- und Hausmülldeponien.
Einige davon stellen eine Bedrohung für
die Umwelt dar, und über viele Deponien existieren
ungenügende Informationen bezüglich ihrer
horizontaler Ausdehnung, Tiefe und ihres Inhalts.
Durch die kombinierte Analyse verschiedener geophysikalischer
Daten können diese Kenndaten bestimmt
werden.
Fluss-Revitalisierung – In Zusammenarbeit mit
dem Wasserforschungsinstitut EAWAG und der
EPFL Lausanne wurde an der Thur in den Kantonen
Thurgau und Zürich ein multidisziplinäres Projekt
lanciert. Ziel des Vorhabens ist es, die Funktionsweise
des Systems Fluss – Flusskorridor – Grundwasserleiter
in hydrologischer und ökologischer
Hinsicht mechanistisch zu verstehen, um die Auswirkungen
von Revitalisierungsmassnahmen vorhersagen
zu können. Die geophysikalischen Messungen
geben unter anderem Aufschluss über die
hydraulischen Leitfähigkeiten.
Bergstürze – Zusammen mit der Gruppe für Ingenieurgeologie
der ETH Zürich wurde in Randa im
Kanton Wallis das Bergsturzgebiet von 1991 eingehend
untersucht. Ziel der Untersuchungen war
ein besseres Verständnis der Prozesse, die zu Bergstürzen
führen können. Mit Hilfe von seismischen
Messungen und Georadar sowie mit Mikroerdbebenuntersuchungen
konnten wertvolle Erkenntnisse
gewonnen werden.
Das Prinzip all dieser geophysikalischen Messmethoden lässt sich sehr gut mit modernen
Permafrost – Bedingt durch die globale Klimaerwärmung
schmilzt der Permafrost in den alpinen
medizinischen Techniken vergleichen – es wird versucht, das Innenleben des Patienten Erde
Regionen. Dies kann fatale Auswirkungen auf die
mit nichtinvasiven Verfahren zu charakterisieren, da ein direkter Zugang zum interessierenden
Hangstabilitäten haben. In Zusammenarbeit mit
Untergrundbereich oftmals nicht möglich, zu teuer oder nicht sinnvoll ist.
den Instituten für Geotechnik und Glaziologie der
ETH Zürich wurde auf zwei Blockgletschern (ty-
Ein wichtiges Merkmal der Angewandten und Umweltgeophysik-Gruppe ist nicht nur die
pische alpine Permafrost-Strukturen) im Engadin
Methoden-Vielfalt, sondern es wird auch ein breites Forschungsspektrum abgedeckt, das von
eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt.
theo-retischen Arbeiten, z. B. Entwicklung von neuen Modellierungs- und Inversions-Algo-
Mit Hilfe von Seismik, Georadar und elektrischen
rithmen, über technische Entwicklungen bis zu Anwendungen in multidisziplinären Projekten
Widerstandsmessungen konnte die Internstruk-
reicht. Die daraus resultierenden Interaktionen zwischen Theoretikern und Praktikern bilden ein
tur der Blockgletscher bestimmt werden. Von be-
gegenseitig stimulierendes Umfeld.
Eine weitere Spezialität der AUG-Gruppe ist die Bestimmung der dreidimensionalen Charaktesonderem
Interesse war der verbliebene Eisgehalt
in den Blockgletschern.
ristik des Untergrunds – in vielen geophysikalische Untersuchungen werden zurzeit lediglich
Änderungen mit der Tiefe oder entlang von zweidimensionalen Schnitten durch den Untergrund
Seismische Untersuchungen im Felslabor Grimsel.
(Bild: Dieter Enz /NAGRA)
Abbildung aktiver Erdbeben-Bruchsysteme – Für
die Abschätzung der seismischen Gefährdung ist
abgebildet. Dies erfordert die Entwicklung neuartiger Messgeräte, innovative Akquisitions-
eine genaue Kenntnis der aktiven Bruchsysteme
Strategien und die Programmierung leistungsfähiger Auswertungsalgorithmen.
nötig. Diese können mit geophysikalischen Methoden
bestimmt werden. Mit Hilfe von Seismik- und
Georadar-Messungen entlang aktiver Bruchsyste-
< Geoelektrische Tomographie über
me in Neuseeland konnten derartige Strukturen
einer Mülldeponie bei Stetten, Kanton
Aargau. Die blauen Punkte bezeichnen
die Messpunkte, der grüne Körper ist
mit hoher Genauigkeit abgebildet werden.
< Seismische Messungen auf einem aktiven
eine Kieslinse und der blaue Körper
Erdbeben-Bruchsystem in Neuseeland. ist die Mülldeponie.
Geophysikalische Untersuchungen an der Thur. >
Alan Green
Hansruedi Maurer
21

22
GEOPHYSIKALISCHE
Geophysikalische Fluiddynamik
Die Dynamik von langfristigen geologischen und planetaren Prozessen ist in den meisten Fällen
zu langsam und zu tief unter der Oberfläche, um diese direkt beobachten zu können. Deswegen
erforschen die GeophysikerInnen der Fluiddynamik die verschiedenen Arten von Strömungsund
Deformationsprozessen in der Erde und erdähnlichen Planeten mit Hilfe von numerischen
Modellen. Diese Arbeit umfasst die Berechnung von zwei- und dreidimensionalen Simulationen
sowie die Analyse der Resultate mit Hilfe von Messdaten, die bei der Feldarbeit oder im Labor
gewonnen werden. Nicht nur die Deformation der Erde wird untersucht. Auch die geochemische
und mineralogische Entwicklung des Planeten Erde kann über einen Zeitraum von Milliarden
von Jahren modelliert werden.
Die Gruppe von Paul Tackley hat sich auf die Entwicklung von numerischen Modellen spezialisiert.
Zu diesem Zweck ist sie Teilhaber am High Performance Cluster Brutus der ETH, einem
aus Tausenden von Prozessoren bestehenden, leistungsfähigen Rechnernetzwerk. Der Zugang
zu einem solchen Cluster ist Voraussetzung, um hochaufgelöste, dreidimensionale numerische
Simulationen durchführen zu können.
Numerische Simulation von Magmabewegung in partiell geschmolzenem Gestein.
Die Gruppe arbeitet in verschiedenen Teams. Eines widmet sich vor allem der Dynamik der Erdkruste
und des obersten Erdmantels. Diese Forscher untersuchen die Prozesse in dieser auch Lithosphäre
genannten Erdregion. Sie entwickeln realistische zwei- und dreidimensionale Modelle
der Gesteinsdeformation sowie der Temperaturentwicklung. Die Deformation, der Wärmetransport
und die mineralogischen Phasenübergänge geben Auskunft darüber, wie die sogenannte
Subduktion, das Absinken einer tektonischen Platte unter eine andere, die Gebirgsbildung beim
Aufeinanderprallen von Kontinenten sowie die mittelozeanischen Spreizungszonen verlaufen.
Wie sind die Alpen oder der Himalaja entstanden? Wie entwickelt sich ein vulkanischer Inselbogen?
Was geschieht an einem mittelozeanischen Rücken? Solche Fragen beantworten die
numerischen Modellierer mit Hilfe von realistischen Simulationen, die sich mit geologischen,
geochemischen und geophysikalischen Messdaten verifizieren lassen.
Numerische Modellierung der Kollision zweier tektonischer Platten.
< Numerische Simultationen des festen Inneren von Merkur, Venus, Erde und Mars (von oben) über Milliarden von Jahren.
Ein anderes Team widmet sich der Dynamik des Erdmantels. Die Bewegung im Erdmantel wird durch
grosse, Wärme transportierende Strömungen, die sogenannten Konvektionszellen, bestimmt. Die Forschenden
entwickeln numerische Experimente, um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Muster
der Konvektion zu untersuchen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind der Einfluss der Kontinente auf
das Fliessverhalten des Mantels, die Rolle der mineralogischen Phasenübergänge sowie der Einfluss von
Temperatur und chemischer Gesteinszusammensetzung. Dabei werden auch geophysikalische Beobachtungen
wie seismische Daten oder Schweremessungen in die geodynamischen Modelle mit einbezogen.
Computersimulation von verschiedenen geodynamischen
Prozessen. A) Subduktion, B) Gebirgsfaltung, C) Salztektonik,
D) Konvektion
Die Vorgänge, die von einem Nebel kleinster Partikel zu den Planeten in unserem heutigen Sonnensystem
geführt haben, können noch immer nicht gänzlich erklärt werden. Die meisten Spuren der Entstehung
sind heute verwischt, deshalb muss man sich auf numerische Simulationen und Laborexperimente
stützen. Ein weiteres Team widmet sich dieser Arbeit. Sie ist besonders spannend und herausfordernd,
weil sich viele Prozesse bei der Entstehung der Planeten überlappen können. Zum Glück liefern die erdähnlichen
Planeten Merkur, Venus und Mars sowie verschiedene Asteroiden wertvolle Daten, mit denen
sich Rückschlüsse auf diese Prozesse ziehen lassen. Mit Modellen vom Inneren der Planeten lässt sich die
frühe Entwicklung des Sonnensystems nachvollziehen. Simuliert werden vor allem die Entstehung des
eisernen Planetenkerns sowie des Magma-Ozeans, der wahrscheinlich einmal die junge Erde bedeckt
hatte. Für diese Untersuchungen arbeitet man mit Forschenden aus der Astronomie und Geochemie
zusammen, die die Erkenntnisse der Geophysiker mit ihren Messungen wertvoll ergänzen können.
Wie auf der Erde findet oder fand auf den
Planeten Venus und Mars auch eine innere
thermische Umwälzung, eine sogenannte
Mantelkonvektion statt. Diese Vorgänge
in erdähnlichen Planeten werden ebenfalls
modelliert. Dabei wendet man ähnliche
Techniken an wie zur Erforschung
des Erdmantels. Unterschiedliche Konvektionsmuster
erzeugen unterschiedliche
Eigenheiten in der Tektonik, Topographie
und dem Schwerefeld der Himmelskörper.
Die Berechnungen dazu können mit direkten
Messungen vergangener und aktueller
Weltraummissionen verglichen und so
verifiziert werden.
Kalte Gasfahnen – sogenannte Plumes – oberhalb einer subduzierenden
Platte.
Computersimulation der Entstehung des Erdkerns durch
absinkende Eisendiapire.
Paul Tackley
Taras Gerya
23

S K
24
Seismologie und Geodynamik
Die Seismologie befasst sich mit dem Aufbau, der Struktur und dem Zustand des Erdinnern sowie
der Entstehung von Erdbeben und den Prozessen der Wellenausbreitung in der Erde. Die
Lithosphäre, die feste Gesteinshülle, und deren oberste Schicht, die Erdkruste, auf welcher wir leben,
bilden die nur 100 Kilometer dicke Haut unseres Planeten. Darunter besteht er aus zähflüssigem
Material. Die Erde ist also eigentlich ein im Inneren heisser, rotierender Tropfen, der von
seiner eigenen Gravitationskraft zusammengehalten wird und von einer dünnen Gesteinskruste
umgeben ist. Die Strömungen im Erdinnern bewirken eine ständige Umformung und Bewegungen
der in verschiedene Platten zerbrochenen Lithosphäre. Sie sind die Ursache für Erdbeben,
Vulkane und Gebirgsbildung. All diese Prozesse an und in der Lithosphäre und im Erdinnern werden
mit den Begriffen Geodynamik und Plattentektonik umschrieben.
Die Forschungsgruppe Seismologie und Geodynamik SEG von Domenico Giardini und Eduard
Kissling benützt seismische Wellen aller Arten und Wellenlängen, um mit Hilfe der seismischen
Tomographie die dreidimensionale Struktur des Erdinnern abzubilden. Diese noch junge Untersuchungsmethode
ist bereits heute die mit Abstand wichtigste geophysikalische Methode zur
Erfassung und Abbildung von Strukturen im Erdinnern. Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung
der Gruppe bildet die Verbesserung und Erweiterung der Methode. Vor kurzem ist es gelungen,
die Refraktions- und Reflexionsseismik mit der teleseismischen Tomographie zu kombinieren.
Die Auflösungsgenauigkeit der Tomographie konnte dadurch signifikant gesteigert werden. So
gelang es, die Topographie der Grenze zwischen Lithosphäre und der darunter liegenden zähflüssigen
Asthenosphäre unter den Alpen abzubilden.
Die Weiterentwicklung der Oberflächenwellen-Tomographie und deren Verbindung mit der
Raumwellentomographie bilden einen weiteren Schwerpunkt. Damit wird die Geometrie der
sogenannten sekundären oder S-Wellen untersucht, die bei Erdbeben auftreten. Sie sind von
entscheidender Bedeutung für ein besseres Verständnis der Fliesseigenschaften, der sogenannten
Rheologie der Lithosphäre und des Erdmantels.
Die Gruppe SEG verbindet Messungen in Feldexperimenten mit methodisch-theoretischen Arbeiten.
Einer der Schwerpunkte der Forschung stellt die Untersuchung von sogenannten Orogenen, den
Knautschzonen zwischen zwei tektonischen Platten, und Subduktionszonen dar. Die dreidimensionale
Tiefenstruktur des weiteren Alpenraumes ist vor allem dank der jahrzehntelangen Forschung des Instituts
für Geophysik an der ETH Zürich weltweit die mit Abstand am besten bekannte «Wurzelzone»
eines Gebirges. Sie erlaubt neben Einblicken in das unterschiedliche rheologische Verhalten von Oberkruste,
Unterkruste und Mantellithosphäre auch das Studium der treibenden Kräfte bei der noch heute
anhaltenden Hebung der Alpen. Diese Forschung wird in enger Zusammenarbeit mit den Gruppen Geophysikalische
Fluiddynamik sowie Strukturgeologie und Tektonik durchgeführt.
Die Kombination von Primär- und Sekundär-Wellentomographie ist die beste Methode zur Erfassung
und Abbildung der dreidimensionalen Strukturen von Subduktionszonen. Die Gruppe verbindet diese
Methode mit fluiddynamischen und petrophysikalischen Modellierungen. Damit kann man zum Beispiel
die Entstehung und Migration von Magmen und Fluiden studieren, welche für die Evolution der
kontinentalen Kruste von grosser Bedeutung sind.
Profil der Lithosphäre auf der Achse Basel – Chiasso.
Die Geometrie des Lithosphären-Asthenosphären-Systems unter den Alpen.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung und Modellierung der Erdbeben-Herddynamik
und von Wellenformen in komplexen Medien. Mit Hilfe von geodätischen und seismischen
Methoden werden Modellrechnungen mit gemessenen regionalen Krustendeformationen verglichen.
So lassen sich alle Deformationen in der Lithosphäre studieren, welche durch die plattentektonischen
Spannungen ausgelöst werden und diese abbauen.
Simuliertes Erdbeben bei Kreta:
Die Ausbreitung der Erdbebenwellen über den Globus.
Die Entwicklung von besseren und breitbandigen
Seismometern bildet eine wesentliche
Voraussetzung für die Erfolge
der modernen Seismologie. Um den inneren
Aufbau von Planeten und deren Monden
zu erkunden, sind Seismometer unverzichtbare
Instrumente. Allerdings stellt
der Einsatz im Weltall extreme Anforderungen
an die Geräte, sie müssen eine besonders
robuste Mechanik haben und in
grossen Temperaturbereichen einsetzbar
sein. In internationaler Zusammenarbeit
entwickelt ein Team der SEG die Elektronik
solcher leichten und robusten Seismometer
für den Einsatz in planetarischen Missionen
der ESA, der NASA und der Japan
Aerospace Exploration Agency, der JAXA.
Domenico Giardini
Eduard Kissling
Peter Zweifel
25

S
Schweizerischer
Erdbebendienst
Der Schweizerische Erdbebendienst an der ETH Zürich SED ist die
Fachstelle des Bundes für Erdbeben. In dessen Auftrag überwacht
er die seismische Aktivität in der Schweiz und im grenznahen
Ausland und beurteilt die Erdbebengefährdung in der Schweiz.
Schon 1878 wurde in der Schweiz die Erdbebenkommission
gegründet, noch bevor in Ländern wie Japan oder Italien Institutionen
dieser Art eingerichtet wurden. Im Degenried beim Dolder
oberhalb von Zürich wurde 1911 die Erdbebenwarte in Betrieb
genommen. 1957 wurde der Erdbebendienst dem Institut für
Geophysik an der ETH angegliedert, seit Anfang 2009 ist der SED
Erdbeben in der Schweiz 1974 – 2008.
eine eigenständige Einheit, aber weiterhin mit dem Departement
Erdwissenschaften und dem Institut für Geophysik verbunden.
Unter der Leitung von Domenico Giardini, Professor für Seismologie,
arbeiten derzeit ca. 60 Personen auf dem weiten Feld der
Erdbebenüberwachung und -gefährdung.
Der SED gliedert sich in die zwei Bereiche «Erdbebenüberwachung»
und «Hazard Center», in denen die verschiedenen Arbeitsgruppen
zusammengefasst sind. Daneben betreibt der SED
ein aktives Programm zur Medien- und Öffentlichkeitsarbeit. Die
Arbeit wird durch ein Elektroniklabor und eine IT-Support-Gruppe
unterstützt.
Das hochempfindliche seismologische Messnetz in der Schweiz. Bestimmung der Resonanzfrequenz des Rhonetals aus der natürlichen Bodenunruhe.
In der Schweiz werden pro Jahr ca. 500 bis 800 Erdbeben registriert. Davon sind aber nur sehr wenige
stark genug, um von Menschen verspürt zu werden oder gar Schäden anzurichten. Der SED zeichnet
all diese Beben mit einem Netz von hochempfindlichen Messstationen auf, dem Swiss Digital Seismic
Network SDSNet. Es umfasst heute 36 Stationen, sie liefern Daten in Echtzeit an die Computer des SED
in Zürich.
Erdbebengefährdungskarte der Schweiz.
Die Gruppe Nationale Netzwerke und Alarmierung
um John Clinton ist verantwortlich für die
Auswertung der Daten. Das System, das ständig
weiterentwickelt wird, ist mittlerweile in
der Lage, Erdbeben innerhalb 30 Sekunden zu
erkennen und zu lokalisieren. Je nach Stärke des
Bebens werden dann sofort automatisch Alarm-
Meldungen an den 24-Stunden-Pikettdienst des
SED und an die betroffenen Kantonspolizeistellen
geschickt sowie Medienmitteilungen verbreitet.
Der Pikettdienst des SED steht Behörden, Medien,
und der Bevölkerung jederzeit für Informationen
zu den Erdbeben zur Verfügung.
Neben dem SDSNet unterhält der SED auch ein
landesweites Netz von Starkbeben-Messstationen,
das sogenannte Swiss Strong Motion
Network SSMNet. Die Seismometer an den momentan
93 Stationen können auch bei starken
Erdbeben die Signale ohne zu übersteuern aufzeichnen.
Das Netz wird ausgebaut, im Jahr 2016
sollen 100 Stationen Daten in Echtzeit liefern.
< Szenario-Erschütterungskarte für ein Beben in Basel
wie 1356 (M 6.9).
Die gewonnenen Daten dienen hauptsächlich zur Untersuchung des seismischen Verhaltens des Untergrunds
bei Erdbeben. Die Gruppe Ingenieurseismologie von Donat Fäh untersucht, wie die oberflächennahen
Schichten des Erdbodens auf Erschütterung reagieren. Die Erkenntnisse bilden die Grundlage
für sogenannte Mikrozonierungen, die in die Erdbeben-relevanten Baunormen einfliessen. Daneben erforscht
die Gruppe historische Erdbeben in der Schweiz, um daraus das Potential für zukünftige Schadensbeben
abzuleiten und die Erdbebengefährdungskarte der Schweiz zu erstellen. Ausserdem werden
die makroseismischen Daten heutiger Beben, also die Art, wie ein Beben verspürt wurde und welche
Schäden es verursacht hat, von der Gruppe erfasst. Diese Daten dienen der Optimierung von Bodenerschütterungskarten,
den ShakeMaps. ShakeMaps werden sehr schnell nach einem Erdbeben von Georgia
Cua hergestellt. Dazu verwendet sie sowohl die schnelle automatische Lokalisierung des Bebens als
auch die an den Stationen gemessenen maximalen Bodenbewegungen. Ausserdem widmet sie sich
mit ihrer Gruppe Echtzeitseismologie der Erdbebenfrühwarnung. In enger Zusammenarbeit mit Partnern
in den USA entwickelt sie ein Alarmsystem, das eine Vorwarnzeit von zumindest einigen Sekunden
bis einigen dutzend Sekunden vor starken Erschütterungen erlaubt. Damit können zum Beispiel Züge
rechtzeitig angehalten oder Kraftwerke abgeschaltet werden.
Inwieweit sich aus der statistischen Verteilung von Erdbeben in Raum und Zeit Vorhersagen über
zukünftige Ereignisse ableiten lassen, erforscht Stefan Wiemer mit seiner Gruppe Statistische Seismologie.
Er betreibt eines der globalen Testzentren, an denen verschiedene Modelle der Erdbebenvorhersage
unter kontrollierten Bedingungen überprüft werden. Ausserdem ermitteln die Erdbebenstatistiker
mittels Erdbebenkatalogen die Parameter für die verschiedenen Aspekte seismischer Aktivität – Magnituden-Häufigkeit,
Nachbebenraten etc. Damit werden z. B. Erdbeben-Wetter-Karten erstellt, welche
kurzfristige Prognosen über die Wahrscheinlichkeit von Beben liefern.
Domenico Giardini
26 27
Erdbebenwarte Degenried. >
John Clinton
Donat Faeh
Georgia Cua

28
Stefan Wiemer
Nicolas Deichmann
Stephan Husen
Die Bestimmung von Ort, Zeit, Magnitude und Bruchmechanismus der Beben in der Schweiz und der
Zusammenhang der Beben mit dem Spannungsfeld der Erdkruste ist das Forschungsgebiet der Gruppe
Erdbebenherd um Nicolas Deichmann. Die Genauigkeit dieser Parameter ist entscheidend für die statistische
Auswertung der Erdbebenkataloge. Die Mechanismen der Beben und deren räumliche Verteilung
werden benutzt, um die vorherrschenden Spannungsrichtungen im Erdinneren zu bestimmen und
die geologischen Störungen zu identifizieren, auf denen Erdbeben auftreten. Mit denselben Methoden
untersucht man die vom Menschen verursachte Seismizität, wie die Beben, die durch das Geothermie-
Projekt in Basel ausgelöst wurden.
Seismotektonische Karte des Rhonetals.
Nicht nur in Basel, auch an vielen anderen Orten der Schweiz will man die Geothermie zur Energiegewinnung
nutzen, und zwar mit sogenannten passiven Anlagen, wo man heisses Tiefenwasser zur Wärmegewinnung
entnimmt. Zwar ist die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben für solche Anlagen viel kleiner
als im sogenannten Enhanced-Geothermal-System-Projekt von Basel, wo trockenes Gestein in der Tiefe
zuerst durch Einpressen von Wasser zerklüftet wird, um es dann zur Energiegewinnung zu nutzen.
Trotzdem ist die seismische Überwachung aller Anlagen empfehlenswert.
Stephan Husens Gruppe Spezielle Seismische Netzwerke entwickelt und betreibt im Auftrag der Betreiber
von Geothermieanlagen solche Überwachungsnetze. Ausserdem überwacht sie potentielle Endlager
für radioaktive Abfälle und heutige geplante Standorte der Kernkraftwerke sowie die seismische
Aktivität beim Bau des Gotthard-Basistunnels.
Aufbau eines Seismometers im Gotthard-Basistunnel. Auch Staumauern wie Grande Dixence und andere kritische
Infrastrukturen im Energiesektor werden vom SED überwacht.
Wie breitet sich ein Bruch im Erdinneren tatsächlich aus? Und wie verhalten sich die seismischen Wellen
im Nahbereich der Bruchfläche? Zur Untersuchung dieser Fragen erstellen Seismologen hochaufgelöste
dreidimensionale Modelle des Untergrunds und rechnen auf Hochleistungs-Computern die verschiedensten
Szenarien durch. Dies ist die Arbeit von Luis Dalguer und seiner Gruppe Computergestützte
Seismologie. Die Modelle dienen zur Überprüfung verschiedener Theorien über Bruchbildungen.
< Installation Bohrlochseismometer.
Signal des N-Koreanischen Atomtests (ca M 4.5), 2009/05/25, aufgezeichnet an der SED Station DAVOX, Signallänge 60 Sekunden.
Beben bei Vallorcine (Frankreich), M 4.8, aufgezeichnet an der SED Station ZUR, Signallänge 60 Sekunden.
Erschütterungs-Simulation für ein Magnitude-7.8-Erdbeben in
Südkalifornien.
Ein weiterer Auftrag des SED ist die wissenschaftliche
Mitarbeit am Atomteststopp-
Vertrag. 1996 verabschiedete die UN-Vollversammlung
einen Atomteststoppvertrag, der
aber erst in Kraft tritt, wenn alle 44 damaligen
Staaten mit nuklearer Kapazität ihn ratifiziert
haben und das eigens dafür errichtete Internationale
Überwachungssystem in der Lage
ist, die Einhaltung des Verbots zu überprüfen.
Die Gruppe Verifikations-Seismologie von Urs
Kradolfer liefert den Behörden als Nationales
Datenzentrum der Schweiz Analysen und Berichte
vom Internationalen Überwachungssystem.
Zudem vertritt sie die Schweiz in den
wissenschaftlichen Gremien, die sich der Entwicklung
des Überwachungssystems widmen.
Naturgefahren wie Fluten, Stürme und eher selten Erdbeben sind einer der grossen Risikofaktoren für
Menschen und Infrastruktur in der Schweiz. Zur Koordination und Optimierung der Vorsorge arbeiten
die Ämter in der Schweiz in verschiedenen Gremien zusammen. Florian Haslinger vertritt in diesen
Gruppen den Erdbebendienst. Daneben sorgt er mit seinem Team im Bereich Bildung und Öffentlichkeitsarbeit
dafür, dass die Informationen über Erdbeben und den SED in guter Qualität an die Öffentlichkeit
gelangt.
Beben in L’Aquila (Italien), M 6.3, aufgezeichnet an der SED Station ZUR, Signallänge 8 Minuten.
Beben in Sumatra, M 7.9, 2009/09/30, aufgezeichnet an der SED Station ZUR (Zürich), Signallänge 50 Minuten.
Der SED arbeitet also an der Schnittstelle von Forschung und Anwendung und in den meisten Projekten
gruppenübergreifend. Eine enge Verbindung besteht auch zu den Forschern der Gruppe Seismologie
und Geodynamik. Und: Der SED ist international eingebunden. Domenico Giardini und seine KollegInnen
sind in verschiedenen Grossprojekten als Leiter oder in führenden Rollen tätig, so bei der schweizerischen
Beurteilung der seismischen Gefährdung von Kernanlagen (PEGASOS/PEGASOS Refinement),
beim europäischen Network of Research Infrastructures for European Seismology NERIES, im Projekt
GEISER, der Erarbeitung international anwendbarer Richtlinien zur Beurteilung des Erdbebenrisikos bei
der Nutzung von tiefer Geothermie, oder auch im Global Earthquake Model GEM, das von der OECD
finanziert wird.
Materialtransport bei Randa. >
Luis Dalguer
Urs Kradolfer
Florian Haslinger
29

Petrologie
Petrologie, wörtlich die Lehre von den Steinen, widmet sich der
Entstehung, den Eigenschaften und der Nutzung der Gesteine.
Sie gliedert sich in zwei Bereiche: Die Petrographie beschreibt die
Struktur und Textur, d. h. die räumliche Anordnung der Bestandteile
der Steine. Die Petrologie im engeren Sinne rekonstruiert die
Bedingungen, die zur Bildung der Gesteine geführt haben. Die
Forschenden nutzen dafür die Erkenntnisse aus der Petrographie,
Strukturgeologie und Geochemie. Die Petrologie ist also ein interdisziplinäres
Arbeitsfeld. Die Gruppe für Petrologie wird von Alan
Thompson geleitet. Die Untersuchungsmethoden der Petrologen
sind breit gefächert. Mit der Geothermobarometrie werden aus
der Mineralzusammensetzung heraus Bildungsdruck und -temperatur
sowie die Abkühlungsgeschwindigkeit von Gesteinen
berechnet. Zusammen mit der Simulationen geologischer und
mineralogischer Prozesse in Laborexperimenten wird dann die
Temperatur und Tiefe bei der Gesteinsentstehung und die Hebungsgeschichte
einer Gesteinseinheit bestimmt. Ziel ist es, die
Prozesse, welche komplexe Gebirge wie die Alpen und den Himalaja
über viele Millionen Jahre gebildet haben, zu rekonstruieren.
Alan Thompson untersucht auch die Wechselwirkungen zwischen
dem flüssigen und festen Gestein im Erdmantel und wie
die Geochemie durch den Transport der Gesteine verändert wird.
Weitere Forschungsgebiete sind die Evolution und Deformation
der Erdkruste und des Mantels, die Interpretation tektonischer
Prozesse sowie das Zusammenspiel von Gesteinsdeformation
und Mineralwachstum vom Makrobereich bis hin zum mikroskopischen
Massstab. Geodynamische Prozesse erzeugen Hitze.
Festes Erdmaterial wird dadurch geschmolzen und entgast,
es entstehen Porenflüssigkeiten. Der Druck im Erdinnern zerquetscht
das Gestein, die Porenflüssigkeit wird herausgepresst.
Dieser Vorgang, Kompaktion genannt, prägt die gesamte geologische
Umgebung. In Sedimentbecken zum Beispiel ist sie für die
Der Kreislauf von H 2O und CO2 in Gigatonnen pro Jahr (Gt/y).
Akkumulation von Erdöl verantwortlich. In der Erdkruste und im
Erdmantel werden durch Kompaktion Teilschmelzen gesammelt,
die dann als Magmenkörper genügend Auftrieb haben, um aufzusteigen.
Der Erdkern selber wurde durch die Ausscheidung von
dichter metallischer Schmelze aus dem weniger dichten, darüber
liegenden Silikatmantel gebildet.
Durch Schmelzexperiment entstehende Risse im Quarzstein.
Mit mathematischen und Computermodellen erforscht James
Connolly die Mechanik und die Auswirkungen dieser Kompaktionsprozesse.
Dies erlaubt, die Flüssigkeitsströmungen etwa an
mittelozeanischen Rücken zu verstehen, und die Aufstiegspfade
und -geschwindigkeiten der Fluide und Magmen in Subduktionszonen,
wo sich eine tektonische Platte unter die andere schiebt,
zu bestimmen. Ein zweiter Forschungsbereich von James Connolly
ist die Analyse der petrologischen Phasenstabilität: Gestein
enthält eine Menge Informationen über die Geschichte und die
chemische Umgebung, in der es entstanden ist. Mit analytischen
Methoden lässt sich jedoch nur die Mineralchemie bestimmen.
Connolly hat deshalb theoretische und numerische Hilfsmittel
entwickelt, die aus der Zusammensetzung der Mineralien und
Fluids die chemische Umgebung und die physikalischen Bedingungen
quantifizieren. Mit solchen Programmen lassen sich ausserdem
die physikalischen Bedingungen ermitteln, unter denen
Erdmaterialien schmelzen und entgast werden; diese Vorhersagen
können mit den effektiven und mit experimentellen Beobachtungen
verglichen werden.
Direkte Anwendung finden solche Resultate im globalen (tiefen)
Kohlenstoffzyklus, der durch die Wanderung von Fluiden und
Schmelzen in Subduktionszonen dominiert wird, und auch für
das Verständnis von tiefen Erdbeben, welche durch Mineralreaktionen,
welche Fluids bilden, ausgelöst werden.
MEERESGEOLOGIE
Meeresgeologie und Geochemie
Die längste Bergkette der Welt liegt unter Wasser in den Tiefen des Ozeans. Sie beherbergt
Unterwasservulkane, spektakuläre heisse Geysire und ein reiches Ökosystem, das von der chemischen
Energie aus der Tiefe gespeist wird. Die fortlaufende Entdeckung von verschiedenen
hydrothermischen Schloten auf dem Meeresboden und die Bestätigung, dass das ozeanische
Gebirge eine immense mikrobielle Biosphäre birgt, hat die Theorien über die Entwicklung der
Planeten und des Lebens grundsätzlich verändert.
Die Gruppe von Gretchen Bernasconi-Green engagiert sich in der internationalen, interdisziplinären
Erforschung der ozeanischen Lithosphäre am Meeresgrund und an Land. Ziel ist es, die
hydrothermischen Systeme auf dem Meeresboden und die Bedingungen, unter denen sie entstehen
und sie sich entwickeln, besser zu verstehen. Dank internationaler Zusammenarbeit hat
die Gruppe an zahlreichen ozeanographischen Expeditionen teilgenommen. Im Zentrum der
Forschung stehen die Interaktion zwischen Fluiden und der ozeanischen Lithosphäre, die geologischen,
geochemischen und biologischen Folgen der Umwandlung von Mantelgestein im Meer
sowie Massen- und Energieflüsse hydrothermaler Systeme.
Auf den Expeditionen werden hochauflösende bathymetrische Karten des Meeresbodens erstellt
und mit Hilfe von unbemannten oder bemannten Tauchbooten Proben entnommen. Die
Forschung im Labor besteht vor allem aus petrologischen und geochemischen Untersuchungen
und der Analyse von stabilen Isotopen und der organischen Geochemie des Gesteins, der Sedimente
und der Fluide.
Das U-Boot Alwin wird zu Wasser gelassen.
Die weissen «Türme» von Lost City, im Jahr
2000 im Atlantik entdeckt.
30 31
Alan Thompson
James Connolly
Gretchen
Bernasconi-Green

HOCHDRUCKGEOLOGIE
Hochdruckgeologie und
Vulkanologie
In der Hochdruckgeologie werden physikalische und chemische
Bedingungen im Innern der Erde, des Mondes und der Planeten
simuliert. Ziel ist es, deren Entstehung und Entwicklung zu verstehen.
Mit Experimenten und Felduntersuchungen erforscht
die Gruppe um Max Schmidt und Peter Ulmer alle Tiefenbereiche,
von der Bildung des Erdkerns bis zum Vulkanismus an der
Erdoberfläche. Dem Forschungsteam stehen extrem leistungsfähige
Hochdruckapparaturen zur Verfügung, deren Kapazität bis
1200 Kilometer Tiefe und 2500 °C reichen, und die oft für spezielle
Problemstellungen in den eigenen Werkstätten entwickelt
und gebaut werden.
Mit einer an der ETH entwickelten Spezial-Hochdruckzentrifuge
wird z. B. die Geschwindigkeit der Abtrennung von Metall- und
Silikat-Schmelzen während der Akkretion der Erde bestimmt, die
Verteilung der Elemente zwischen Schmelzen und Kristallen gibt
dabei Aufschluss über die Tiefe und Temperatur und damit über
die Entstehungsbedingungen des Erdkerns und des Erdmantels.
Nur gerade 1,5 Prozent der Erdmasse sind uns direkt zugänglich.
Die restlichen 98,5 Prozent sind ausser Reichweite, jedoch für die
Dynamik und das Aussehen des Planeten verantwortlich: Der Anteil
an Landmasse und Ozean auf der Erde wird durch Prozesse im
Erdmantel bestimmt, die zu sogenannten magmatische Zyklen
führen, die meist in einer Tiefe von 20 bis 200 Kilometer und über
Zeitspannen von Hunderten bis Millionen von Jahren ablaufen.
Durch Gasdruck zerrissene Magmafragmente neben einer Aschenwolke.
Die Bildung der Kontinente auf denen wir leben, erfolgt an denjenigen
Stellen, an denen Erdplatten aufeinanderstossen und
sich untereinanderschieben – sogenannte Subduktionszonen.
Durch das Absinken der Platten werden H2O und CO2 von der
Oberfläche in die Tiefe verfrachtet, wo sie zur Aufschmelzung
des Erdmantels in Tiefen von 40 bis 660 Kilometer führen. Diese
Magmen steigen dann an die Oberfläche auf und schliessen so
den tiefen Erdkreislauf. Mit Hochdruckexperimenten sowie mit
thermodynamischen Modellierungen quantifiziert die Gruppe
Bausteine der H2O- und CO2-Kreisläufe im Erdinneren. Beispielsweise
lässt sich damit die Verteilung von explosiven Vulkanen auf
der Erdkruste erklären: Sie wird durch die thermische Struktur des
Erdmantels unter den Vulkangürteln bestimmt.
Weltweit einmalige
Zentrifuge, die 3000-
fache Erdbeschleunigung
auf geschmolzene Gesteinsproben
bei Drücken
bis zu 100 Kilometer
Tiefe wirken lässt.
Über dem Mantel liegt die untere Erdkruste (15 bis 40 Kilometer Tiefe), in der die chemische Entwicklung
der Magmen und das Wachstum der Kruste selbst, die über Milliarden von Jahren erfolgte, erforscht
werden. In der Oberkruste (3 bis 15 Kilometer Tiefe) wird die Platznahme von Magmen, deren chemische
und thermische Interaktion mit der Umgebung sowie deren Entwicklung mit der Zeit betrachtet. Diese
Forschung wird experimentell und im Feld durchgeführt, letzteres zum Beispiel in der Adamello-Gruppe
in Oberitalien, in Pakistan oder der Mongolei.
Mikroskopieaufnahme einer Lava, die Kristalle, Gasblasen und
Glas (schwarz) enthält.
Neben der Entstehung der Magmen werden auch das Fliessverhalten und die physikalischen Parameter,
die zu Vulkanismus führen, experimentell untersucht. Natürliche Magmen sind komplexe Gemische
von Schmelze, Kristallen und Gas(blas)en, die je nach ihrer Aufstiegs- und Abkühlungsgeschichte langsam
aus dem Vulkan ausfliessen oder ihn explosiv auseinanderreissen. Vulkanische Ablagerungen von
Lavaflüssen bis Aschen werden von Hannes Mattsson auf Island, den Azoren und den Kap Verden untersucht,
um zu verstehen, wann und wie es zu verheerenden Ausbrüchen kommt. Im ostafrikanischen
Grabensystem kommen Karbonatschmelzen an die Oberfläche, deren Entstehung sowohl durch direkte
Beprobung der flüssigen Laven, durch die mineralogische Untersuchung der Aschen, durch experimentelle
Simulation der Magmenkammer, als auch durch das direkte Aufschmelzen Karbonat-haltiger Sedimente
in 100 bis 700 Kilometer Tiefe im Labor erforscht werden.
Kristallisationsmodell des heute flüssigen Kernes des Mars.
Exkursion zum Ätna.
Mischen von drei verschiedenen Magmen in einer Intrusion
aus 25 Kilometer Tiefe.
Um die natürlichen
und experimentell
erzeugten Gesteine
mineralogisch und
chemisch zu charakterisieren,
unterhält
die Gruppe einen
umfangreichen Pool
an analytischen Geräten,
welche auch
häufig für angewandteFragestellungen
aus Industrie
und Praxis eingesetzt
werden. Glas,
Zement und Keramik
sind letztendlich
das synthetische
Äquivalent von
natürlichen Schmelzen
und Hochdruckgesteinen.
32 33
Max Schmidt
Peter Ulmer
Hannes Mattsson

34
Experimentelle Geochemie
Oberflächen-Phänomene wie Erdbeben und Vulkane sind Manifestationen der turbulenten Vorgänge
im Innern des Planeten Erde. Um diese Prozesse und ihre Folgen für die Entwicklung und
Dynamik der Erde zu verstehen, muss man die physikalischen und chemischen Eigenschaften
der Materialien – Flüssigkeiten, Schmelzen und Mineralien – und den Aufbau der Innenräume
kennen. Da diese Prozesse in grosser Tiefe auftreten, können diese Materialien aber nicht direkt
untersucht werden. Tatsächlich stammen nur sehr wenige Gesteine und Flüssigkeiten an der
Oberfläche der Erde aus unterhalb der Kruste von 12 bis 30 Kilometer Tiefe. Die Gruppe von Carmen
Sanchez-Valle simuliert daher im Labor die physikalischen und chemischen Bedingungen
der Prozesse in und unter der Erdkruste.
Das Forschungsinteresse umfasst das Verhalten von Flüssigkeiten in der Erdkruste, in weniger
als 30 Kilometer Tiefe, im oberen Erdmantel, also in bis zu rund 400 Kilometer Tiefe, sowie die
Struktur und die mineralogische Zusammensetzung der tiefsten Stelle des Mantels und ihre
Auswirkungen auf die Entwicklung der Erde.
Querschnitt durch das Erdinnere mit den Druckverhältnissen
in GPa. 1 GPa = 10 000 atm
Die Diamant-Ambos-Zelle – ein Fenster ins Innere der Erde.
Im Labor benutzt die Gruppe ein Gerät namens Diamant-Amboss-Zelle, um die Druck- und Temperaturbedingungen
tief im Innern der Erde nachzuahmen. Die Diamant-Amboss-Zelle besteht
aus zwei Edelsteinen in der Qualität von Diamanten mit 0,25 Karat (~ 50 Milligramm je nach Gewicht).
Ihre Spitzen sind flach poliert, so dass sie die Proben zusammenhalten können. Diese sehr
einfache Vorrichtung, die in der Handfläche Platz hat, kann die Druckbedingungen simulieren,
die in der Nähe des Erdkerns herrschen. Hohe Temperaturen erreicht man mit druckempfindlichen
Heizelementen oder indem man die Probe mit Infrarot-Laser beleuchtet. Da Edelsteine in
Diamantenqualität extrem hart sind und durchlässig auf ein breites Spektrum elektromagnetischer
Strahlung wie etwa Röntgenstrahlen und sichtbares Licht, wirken sie sowohl als Druckerzeuger
wie auch als Fenster: Die Untersuchung der Eigenschaften von Werkstoffen kann direkt
vorgenommen werden, während sie den hohen Drucken und Temperaturen ausgesetzt sind.
Die Proben werden dann charakterisiert. Dabei verwendet man die laserspektroskopischen
Techniken der neusten Generation im Labor des Departements oder die Röntgenstrahlen von
besonders hoher Strahlstärke in nationalen und internationalen Grossanlagen. Diese Einrichtungen
sind als Synchrotron-Quellen bekannt. Die Schweizer Synchrotron-Quelle, die Synchrotron
Lichtquelle Schweiz SLS, befindet sich am Paul Scherrer Institut in Villigen.
Mit den oben beschriebenen Techniken erforscht die Gruppe die magmatischen und hydrothermalen
Vorgänge in bestimmten geologischen Umgebungen wie Subduktionszonen, wo die
Zirkulation von tiefen Flüssigkeiten und Schmelzen in Verbindung steht mit vulkanischer und
< Ansicht einer Probe von Strontiumkarbonat Sr CO2 in der Druckkammer der Diamant-Amboss-Zelle bei 300 °C.
Mit steigendem Druck verflüssigt sich der Kristall, bei nachlassendem Druck verfestigt er sich wieder.
seismischer Aktivität. Mit Experimenten untersucht man die thermodynamischen Eigenschaften von
wässrigen Flüssigkeiten und Silikatschmelzen und die Auflösung sowie Rekristallisation von Mineralien
in wässrigen Flüssigkeiten unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen. Darüber hinaus werden
mit der Diamant-Amboss-Zelle die Druck- und Temperaturbedingungen der Magmakammern reproduziert
und die chemischen Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Silikatschmelzen untersucht,
wie sie am Fuss der Vulkane vor dem Aufstieg des Magmas an die Oberfläche auftreten. Während dieser
Vorgänge werden die chemischen Elemente zwischen den verschiedenen beteiligten Phasen, den Mineralien,
Schmelzen und Flüssigkeiten, und den Vorratskammern der Erde, der Kruste und dem Mantel,
neu verteilt. Dadurch entstehen Fingerabdrücke der Vorgänge in der Tiefe.
Experiment mit grünem
Laserlicht und der Diamant-
Amboss-Zelle zum Messen
der Seismologie im Innern
der Erde.
Experiment mit der
Diamant-Ambos-Zelle an der
Synchrotron-Lichtquelle des
Paul Scherrer Instituts.
Die Experimente werden mit thermodynamischer Modellierung kombiniert. Damit lassen sich die chemische
Zusammensetzung und das Volumen der Flüssigkeiten bestimmen, die in der Erdkruste und
im oberen Erdmantel zirkulieren, und ihre Rolle bei der Magmaproduktion in Subduktionszonen kann
definiert werden.
Tiefer in der Erde untersucht die Gruppe die physikalischen Eigenschaften von Mineralien, einschliesslich
der internen Strukturen, der Phasenstabilität und des Volumens, und wie sie sich mit Druck und Temperatur
verändern. Vor allem wird untersucht, wie sich seismische Wellen unter hohem Druck und bei
hohen Temperaturen durch die Materialien verbreiten. Vergleicht man diese Messungen mit den Beobachtungen,
wie seismische Wellen nach einem Erdbeben durch den ganzen Planeten wandern, so lässt
sich ein Modell entwickeln, das ein kohärentes Bild der inneren Struktur und der Dynamik der Erde zeigt.
Carmen Sanchez-Valle
35

FLUIDPROZESSE
UND MINERALISCHE
R
Fluidprozesse und
mineralische Rohstoffe
Die Arbeitsgruppe von Christoph A. Heinrich studiert die geologischen
Vorgänge, die zur Entstehung von nutzbaren Ressourcen
in der Erdkruste führen. Im Zentrum stehen Erzvorkommen von
Metallen wie Kupfer, Gold und Molybdän, die sich im Untergrund
von Vulkanen, an Land oder auch am Meeresboden anreichern.
Neben der Bildung von technisch wichtigen Rohstoffen sind Fluide
aber auch eng mit gefährlichen Vulkaneruptionen verbunden
und liegen zudem der Nutzung geothermaler Energie zugrunde.
Geologische Kartierung in einem Kupfer-Tagebau in Bulgarien.
Salzreicher Fluid-Einschluss (~ 0.05 mm lang).
Geologische Feldstudien konzentrieren sich derzeit auf magmatische
Gebiete in Südosteuropa und in den Anden von Chile und
Argentinien sowie auf Erzvorkommen im Südwesten der USA
und in Australien. Die Wissenschafter sammeln Gesteine, in denen
verschiedene Stadien des Mineraltransports sichtbar sind,
oft in Zusammenarbeit mit aktiven Minengesellschaften, deren
Explorationsbohrungen und Minen-Abbau ihnen ein dreidimensionales
Archiv der längst erloschenen hydrothermalen Prozesse
erschliesst. Umgekehrt hilft das Verstehen der grundlegenden
Prozesse der Rohstoffbildung dabei, neue Vorkommen zu entdecken
und globale Vorräte an essentiellen Ressourcen abzuschätzen.
Aus diesen geologischen Archiven lässt sich die chemische
und physikalische Geschichte der vormals heissen, erzbildenden
Fluide rekonstruieren. Die Untersuchungen geben Hinweise auf
die Ausdehnung und die mineralogische, chemische und geologische
Struktur des Erzvorkommens und erlauben eine Entschlüsselung
der zeitlichen Abfolge von geologischen Prozessen.
In mikroskopischen Fluid-Einschlüssen lassen sich die Konzentration
der einzelnen Elemente in erzbildenden Fluiden bestimmen.
Die Gruppe hat dazu ein eigenes Analyse-Verfahren entwickelt:
Ein Mineral, in dem ein kleines Tröpfchen eines Fluids vom Durchmesser
eines Haares vor Jahrmillionen eingeschlossen wurde
(Bild oben), wird mit einem Laser abgetragen, bis der Fluid-Inhalt
aufgebohrt ist und in einem Massenspektrometer analysiert
werden kann. So können die chemischen Bildungsbedingungen der Mineralien und die Temperaturund
Druckverhältnisse beim Kristallisieren aus einer hyrdothermalen Lösung rekonstruiert werden, die
schliesslich zur Bildung eines Minerallagers führen.
Die Entstehung grosser Erzvorkommen erfordert neben chemischen Prozessen der Mineralbildung auch
einen physischen Transport der metallreichen Fluide im Untergrund. Ehemalige Fliesswege sind heute
als Adern im Gestein nachgezeichnet, doch der eigentliche Prozess des Fliessens kann nur durch numerische
Computersimulationen sichtbar gemacht werden. Einem Team von Wissenschaftern unter
der Leitung von Thomas Driesner ist es gelungen, die Bewegungen von mehreren, gleichzeitig durch
Gesteine fliessenden Fluiden physikalisch korrekt zu modellieren – zum Beispiel die Abtrennung einer
Dampfphase von einer salzigen Flüssigkeit oder einer Silikatschmelze. Damit können sie die chemische
und physikalische Entwicklung von Minerallagerstätten auf einem geologisch realistischen Niveau
simulieren.
Kilometerhohe Fluid-Aufstiegszonen organisieren sich unter
mittelozeanischen Rücken durch spontane thermische Konvektion.
Das heisse Fluid tritt als «Black Smokers» am Meeresboden
aus (Oberseite des Modells; vgl. S. 31 [Meeresgeologie]),
kann aber auch riesige Erzlagerstätten unter dem Meeresgrund
bilden (Momentaufnahme einer dynamischen Computersimulation
in einem 1 x 3 x 4 Kilometer grossem Gesteinsquader).
Der genaue Zeitraum, in dem die Prozesse im Erdinnern
ablaufen, gibt Hinweise auf die Entstehung
von Erzlagerstätten im Zusammenhang mit Sedimentation,
Magmatismus, Gebirgsbildung und
anschliessender Freilegung nutzbarer Rohstoffvor-kommen
durch Erosion. Um den Zeitpunkt und
die Dauer der Erzbildung zu erkunden, verwenden
Albrecht von Quadt und seine Mitarbeiterinnen
verschiedene Methoden der Geochronologie. Massenspektrometer
liefern präzise Altersdaten, welche
die grossräumige Geodynamik von Erzprovinzen,
aber auch kurzzeitige Fluidprozesse datieren.
36 37
Blei-Zink-Kupfer-Erzader. >
314 Ma
77 Ma
Zirkon-Kristall mit einem inneren Kern, der sich vor 314 Millionen
Jahren bildete, dann zu einem ovalen Korn abgerollt und
in einem Sandstein abgelagert wurde. Dieses Sediment wurde
vor 77 Millionen Jahren in einem Magma aufgelöst, in dem der
Zirkon zu einem neuen Kristall (~ 0.3 mm lang) weiterwuchs,
und welches zur wichtigen Kupferprovinz von Südosteuropa
beitrug.
Fliessmodelle sowie Kenntnisse über den chemischen Transport von Elementen durch heisse Lösungen
bilden die Grundlage für die Nutzung der geothermischen Energie. Die Gruppe von Christoph A.
Heinrich arbeitet deshalb eng mit Geophysikern und Ingenieurgeologen zusammen (S. 10, 11), um tiefe
Erdwärme-Reservoire zu erkunden und besser zu verstehen.
Christoph A. Heinrich hat die Planung und Realisierung von «focusTerra» geleitet, des erdwissenschaftlichen
Forschungs- und Informationszentrums, das im April 2009 eröffnet wurde und mit spektakulären
Exponaten und aktiven Experimenten sowohl Laien wie Fachleute begeistert (S. 40).
Christoph A. Heinrich
Thomas Driesner
Albrecht von Quadt

38
ISOTOPENGEOCHEMIE
Isotopengeochemie
Die Isotopengeochemie erforscht eine Vielzahl von Prozessen auf der Erde und im Planetensystem,
indem sie die Häufigkeit von Isotopen in verschiedenen Proben miteinander vergleicht. Isotope
sind Atome eines bestimmten Elements mit unterschiedlicher Zahl Neutronen im Atomkern,
also unterschiedlicher Masse. Einige Isotope sind radioaktiv und zerfallen mit der Zeit in
Isotope eines anderen Elements. Damit lassen sich zum Beispiel das Alter eines heutigen Gesteins
oder die Geschichte seiner Vorgängergesteine bestimmen. Viele chemische und physikalische
Prozesse führen auch zu leichten Änderungen in der Häufigkeit der stabilen Isotope eines
Elements. Damit lassen sich zum Beispiel die Verwitterung von Gesteinen, Schadstofftransport,
Klimaschwankungen in der Vergangenheit und vieles mehr erforschen.
Die Gruppe von Bernard Bourdon befasst sich sowohl mit Prozessen auf der Erdoberfläche und
im Erdinnern wie auch mit Vorgängen im heutigen und frühen Sonnensystem. Das Labor für
Isotopengeochemie an der ETH Zürich ist eines der am besten ausgerüsteten Labors der Welt
für stabile und radioaktive Isotopen sowie Edelgase. Das Labor besitzt verschiedene Typen von
Massenspektrometern: Multikollektor-Plasma-Massenspektrometer, Thermionen-Massenspektrometer
und Edelgas-Massenspektrometer. Neue Methoden für Isotopenanalysen und neue
Gerätetypen werden hier entwickelt.
Feldarbeit im Süden Chiles
In ihren Untersuchungen an Meteoriten und Proben vom Mond befasst sich die Gruppe von Bernard
Bourdon und Rainer Wieler mit der Entstehung der Planeten aus dem sogenannten solaren Nebel, einer
Scheibe aus Gas und Staub um die junge Sonne. Mit Isotopen des Elements Wolfram konnte die
Gruppe zeigen, dass der Mond nicht früher als etwa 60 Millionen Jahre nach den ersten Meteoriten
gebildet wurde, vermutlich als Resultat einer Kollision eines Planetenbausteins mit der jungen Erde. Mit
ultra-präzisen Messungen von Isotopen des Elements Neodymium, einem Metall der Seltenen Erden,
kann man die Bildung der ersten Kruste der Erde oder des Mondes datieren. Die Bedingungen während
der Entstehung des Erdkerns konnte mit Isotopen des Elements Silizium erhellt werden. Die stabilen
und radioaktiven Isotope können auch das Verständnis des Aufbaus und der Entwicklung von Planeten
verbessern. Vulkanische Gesteine ergeben ein Bild der Konvektionsbewegungen des Mantels und der
Wechselwirkungen zwischen der Kruste und dem Mantel. Die Produktion von Magma aus dem Erdmantel
oder die Geschwindigkeit der Verwitterung kann mit kurzlebigen Isotopen erforscht werden.
Edelgase in Meteoriten erlauben Rückschlüsse über die Bildungsgeschichte der ersten festen Materie
im solaren Nebel und sogar über die Herkunft von Staubkörnern, welche bereits in den Hüllen früherer
sterbender Sterne entstanden. Staub von der Mondoberfläche und Proben der Raumsonde Genesis
erlauben es, die Zusammensetzung der Edelgase in der Sonne zu bestimmen. Dies hilft wiederum, die
Edelgaszusammensetzung in den Meteoriten besser zu verstehen.
An der Arbeit im Edelgaslabor. Wasserproben vom Damma-Gletscher.
Proben von Vulkangestein in Island.
Die Geschwindigkeit, mit der sich Gebirge bilden
oder abgetragen werden, kann mit Helium
gemessen werden, welches aus dem Zerfall von
Uran- und Thoriumisotopen entsteht. Das Alter
von Vergletscherungen während der Eiszeit und
Verwitterungsraten von Landschaften werden
mit Isotopen bestimmt, welche in Gletschermoränen
oder anderen Gesteinen nahe der Erdoberfläche
durch die kosmische Strahlung gebildet
wurden. Edelgase im Grundwasser und anderen
sogenannten Klimaarchiven ermöglichen die Rekonstruktion
der mittleren Temperatur auf der
Erdoberfläche in den letzten Zehntausenden
von Jahren. Isotope aus dem radioaktiven Zerfall
von Uran in Staubteilchen im Eis ermöglichen die
Bestimmung des Alters des Eises und damit ein
besseres Verständnis der im Eis gespeicherten
Klimainformationen.
Wasserprobennehmerin in Grönland. >
Bernard Bourdon
Rainer Wieler
39

40
focusTerra
– das erdwissenschaftliche Forschungs- und Informationszentrum der ETH Zürich
focusTerra, das Informationszentrum des Departements Erdwissenschaften, wurde im Frühjahr 2009
eröffnet. Das Zentrum bietet eine breite Auswahl erdwissenschaftlicher Themen, aber auch vertiefte
Informationen für Studierende, interessierte Laien und Spezialisten und schlägt so eine Brücke zwischen
Forschung und Öffentlichkeit.
Grosse Platten aus den schönsten Alpengesteinen
empfangen den Besucher im Eingangsbereich.
Das Herzstück der Ausstellung steht im Lichthof:
Ein markanter, hoher Turm, der auf drei Ebenen zu
einer Reise vom Erdkern zu den Gipfeln der Alpen
einlädt. Unter dem Thema «Dynamik der Erde»
bietet die unterste Ebene Einblick in die Entstehung
des Planeten, seinen Aufbau, die Prozesse im
Erdinnern und wie diese das Erscheinungsbild der
Erdoberfläche prägen: Magnetismus, Plattentektonik,
Vulkanismus, Erdbeben und Gebirgsbildung.
Erschütterungen des Erdkörpers lassen sich mittels
Direktschaltungen zu seismischen Stationen
verfolgen. Der Bau der Alpen ist an einem langen
Reliefstreifen und Schnitt durch die Erdkruste zu
sehen.
Die grosse Kristallgruppe vom Tiefengletscher im Kanton Uri,
geborgen 1946 von Peter Indergand sen. (Bild: Susanna Bruell).
Auf der mittleren Ebene mit dem Titel «Schätze
der Erde» erfährt man, wie Kristalle entstehen,
wie sich mineralische Rohstoffe bilden und für die
Nutzung erschlossen werden. Ästhetische Highlights
sind die Edelsteine und eine der schönsten
Rauchquarzgruppen aus den Zentralalpen sowie
weitere wunderschöne alpine Kristalle aus der berühmten
ETH-Sammlung.
Die oberste Ebene zum Thema «Archive der Erde»
zeigt die Entwicklung der Pflanzenwelt und informiert
über die Aufzeichnung der Erdgeschichte
in Ablagerungsgesteinen. Hier lässt es sich auch
in die Tiefen der Meere tauchen und die skurrilen
Landschaften um heisse Quellen am Ozeanboden
bewundern. Die Entwicklung der Landschaft um
die Stadt Zürich ist in dreidimensionalen Modellen
dargestellt und die letzten 150 Jahre lokaler Erdgeschichte
lassen sich an den jüngsten Ablagerungen
aus dem Zürichsee ablesen.
Rund um den Turm bieten Medienstationen vertiefte
Informationen zu aktuellen und für die
Gesellschaft relevanten erdwissenschaftlichen
Themen wie die langfristige Klimaentwicklung,
Naturgefahren, die Bewirtschaftung des Untergrunds
und die Nutzung von Energie- und anderen
Rohstoffen. Und ein grosser, rotierender Globus
lässt sich dank modernster Computertechnik
wahlweise als Erde, einen der anderen Planeten
und mit geologischen oder Klimakarten im Zeitraffer
darstellen.
focusTerra soll vor allem Schulklassen ansprechen.
Es bietet daher regelmässig Sonderausstellungen,
und auf Vereinbarung kann man sich in einen Erdbebensimulator
setzen.
Detailinfos: www.focusterra.ethz.ch
Ausstellungsbesucher verfolgen die Öffnung eines Bohrkerns.
Der Ausstellungsturm von focusTerra im Innenhof des naturwissenschaftlichen Gebäudes der ETH Zürich. (Bild: Susana Bruell) >
Ulrike Kastrup
Peter Brack
Milena Pika-Biolzi
TERRA