Forschung

Die Komplexität des Aufbaus der Erde mit ihren marinen Becken, Gebirgen und Vulkanen ist nachhaltiger Beweis für die großskaligen, dynamischen Prozesse, die im Erdmantel, der Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Kryosphäre stattfinden. Die Art und die nicht-lineare Wechselwirkung dieser Prozesse werden zunehmend wichtig für die Menschheit, da sie durch die schnell wachsende Bevölkerungsdichte, die Entstehung neuer Megastädte, die globalen und komplexen Transport- und Kommunikationsmöglichkeiten und die Vernetzung der Strukturen zunehmend verletzbar wird. Daher ist es von höchster Wichtigkeit, die dynamischen Prozesse unserer Erde und die damit verbundenen Risiken besser zu verstehen.

Aus diesem Grunde betreibt das Institut für Geophysik an der Universität Hamburg intensive Erdsystemforschung, die sich unter den Oberthemen „Erkundung von Georisiken“ und „Sicherung natürlicher Ressourcen“ zusammenfassen lassen.

Die Erkundung von Georisiken umfasst dabei Prozesse, die mit

Erdbeben (z.B. Quellen seismischer Energie, Bruchprozesse in Störungszonen und der Einfluss von Fluiden auf diese),
Vulkanismus (z.B. Magmaaufstieg, Magmaakkumulation und Eruptionsprozesse innerhalb und außerhalb des Vulkanschlotes, Wechselwirkung mit der Atmosphäre),
Tektonik (Platten- und Salztektonik und ihr Einfluss auf den Erd- und Meeresboden), und
Hangrutschungen (Auslösemechanismen und Konsequenzen)

verknüpft sind. Die zeitlichen Abläufe dieser Prozesse variieren zwischen Bruchteilen von Sekunden (z.B. Erdbeben, Vulkanausbrüche) und Millionen von Jahren (z.B. Beckenentstehung, Schmelzmigration), was ein weites Spektrum an Beobachtungsmethoden und Modellierungstechniken erfordert.

Foto: C. Hadziioannou

Seismologie

Seismometer messen nicht nur Erdbeben, sondern auch kontinuierliche Bodenbewegungen, die vielfältige Ursachen haben können. Durch die Korrelation dieser Hintergrundbewegungen, ist es möglich, Seismologie, also die Untersuchung des Aufbaus der Erde mittels Bodenbewegung, auch ohne große Erdbeben durchzuführen. Die Analyse der kontinuierlichen Bodenbewegung führt dabei zu sehr hochaufgelösten, kleinräumigen Abbildern der Erdkruste. Jedoch hat diese Methode auch Nachteile: zusätzlich zur Information über den Laufweg des Signals, enthält dieses Signal einen signifikanten Anteil an Information über die Quelle der Bodenbewegung. Für Erdbebenseismologie ist das sehr gut, für Erdbebenlose Seismologie müssen diese Quellen erst noch erforscht werden.

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Foto: O. Bölt

Maschinelles Lernen in der Geophysik

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Foto: M. Hort

Physikalische Vulkanologie

Obwohl es in Hamburg keine Vulkane gibt, hat die Sperrung des Luftraums im April 2010 aufgrund der Eruption des Eyjafjallajökull (Island) auch Hamburg getroffen und gezeigt, wie verwundbar unsere moderne Gesellschaft ist. Die

Detektion und Ausbreitung der Vulkanasche in der Atmosphäre,
die chemischen Wechselwirkungen und Reaktionen während des Ausbruchs und
die physikalischen Prozesse eines Vulkanausbruchs

tragen daher einen wichtigen Teil zur Bestimmung von Georisiken bei.

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Foto: C. Hübscher

Marine Geophysik

Die Tatsache, dass etwa 70% der Erdoberfläche von Ozeanen bedeckt ist, und dass ca. die Hälfte der Weltbevölkerung in Küstennähe lebt, zeigt, dass die aufgelisteten Forschungsthemen von hoher sozial-ökonomischer Bedeutung sind und extensive Forschung in marinen Gebieten und zum Teil auch in Landregionen erfordern. Zudem sind auch grundlegende theoretische Untersuchungen sowie analoge und numerische Modellbildung von großer Wichtigkeit.

Die Beobachtung von Erdsystemprozessen führen wir in verschiedenen Regionen der Erde durch, wie zum Beispiel

an Kontinentalrändern (z.B. Israel, Zypern),
an Karbonat Plattformen (z.B. Malediven, Golf von Mexiko),
in jungen und aktiven marinen Umgebungen (z.B. Golf von Aqaba, Rotes Meer, Azoren),
in Beckenstrukturen (Ostsee, östliches Mittelmeer, Ost-Ukraine),
an Vulkanbögen (z.B. Ägäis) und
an mittelozeanischen Rücken (z.B. Azoren).

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Foto: E. Tessmer

Angewandte Seismik

Um natürliche Ressourcen auch in der Zukunft sichern zu können, erforschen wir

die Ausbreitung von elastischen Wellen in der Erde,
die Verbesserung von Abbildungsverfahren,
die dynamische Entwicklung von Sedimentbecken und die Entwicklung von Lagerstätten,
die Prospektion von Kohlenwasserstofflagerstätten,
die Wechselwirkungen zwischen Sedimentation und Fluid- und Gasmigration.

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Neben der Erfahrung, diese spezifischen Forschungsprojekte auf dem Land oder in marinen Bereichen durchzuführen, verfügt das Institut für Geophysik einen gut ausgestatteten Instrumentenpark. Mit Hilfe dieser Instrumente sind wir in der Lage, den Untergrund unter Anwendung seismischer Techniken detailliert darzustellen, das Magnet- und Schwerefeld zu messen, Erdbeben zu analysieren und Deformationsprozesse am Meeresboden zu erfassen. Desweiteren können wir simultan eine Vielfalt physikalischer Parameter während Vulkaneruptionen messen. Einige der von uns eingesetzten Instrumente sind Prototypen bzw. Eigenentwicklungen des Instituts. Zudem verfügt das Institut über ein Labor, in dem Modellversuche zur Magma-Ausbreitung, zur Dynamik an Subduktionszonen und zu vulkanischen Prozessen durchgeführt werden können.

Mit Hilfe numerischer Modelle sollen unsere Hypothesen der Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Vorgängen im Erdsystem überprüft werden.

WIT - Wave Inversion Technology

Das Wave Inversion Technology (WIT) Konsortium ist ein internationaler Verbund von Forschungsgruppen, das im Jahr 1996 an der Universität Karlsruhe gegründet wurde. Das Konsortium wird von verschiedenen Unternehmen der Kohlenwasserstoffindustrie unterstützt. Das Ziel der Forschung ist die Entwicklung innovativer Konzepte für die seismische Exploration. Seit 2007 ist die wissenschaftliche und administrative Leitung des WIT Konsortiums an der Universität Hamburg.

Mehr Informationen sind auf der WIT-Homepag e erhältlich.

CEN - Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit

Mit der Expertise hinsichtlich des Themenkomplexes „Abbildung und Modellierung von Stoffflüssen aus der Erde in die Wassersäule und die Atmosphäre“ trägt das Institut für Geophysik zu verschiedenen Forschungsaktivitäten des Forschungszentrums für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) bei. Das CEN hat verschiedene Kernthemen als Forschungsprogramm bis 2020 formuliert. In Bezug zum Kernthema „Ozeanzirkulation und Änderungen des Meeresspiegels“ hat das Institut gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Geologie marin-seismische Messungen im Malediven-Archipel und östlichen Mittelmeer durchgeführt. Wir bearbeiten auch das Thema „Klimawandel und Variabilität“ durch die Abbildung von Ablagerungen am Meeresboden, die ein Archiv des Klimawandels repräsentieren. Ferner ist das Thema „Urbane Regionen im globalen Wandel“ ein sich schnell entwickelndes Forschungsfeld auch für die Geophysik, da beispielsweise die Absenkung des Grundwasserspiegels und andere Kräfte unterhalb der Städte zu Beschädigungen an Gebäuden und Infrastruktur führen können. Diese Prozesse können geophysikalisch überwacht und vermessen werden.