Teildisziplinen der Geophysik

Um in der Geophysik Informationen über das Forschungobjekt Erde zu bekommen ist man darauf angewiesen, die Auswirkungen der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Gesteine und Materialien (wie Dichte, Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, etc.) an der Erdoberfläche zu messen um daraus wiederum Rückschlüsse auf den Aufbau des Untergrundes zu ziehen.

Dabei wird die Geophysik in verschiedene Teildisziplinen eingeteilt:

 

 

Sie beschäftigen sich mit den unterschiedlichen Verfahren der Messungen bzw. hauptsächlich mit den Methoden die Daten auszuwerten, zu interpretieren und darzustellen. Dabei bietet zwar jeder Teilbereich die Möglichkeit einer kompletten, eigenständigen Auswertung, doch um Mehrdeutigkeiten und Interpretationsfreiheiten einzuschränken, werden zum Vergleich fast immer auch andere Nachbardisziplinen herangezogen. Somit bietet die Geophysik ein breitgefächertes Betätigungsfeld, erfordert aber gleichfalls ein hohes Maß an interdisziplinärer Zusammenarbeit.

Das Hauptanwendungsgebiet der Geophysik ist die Rohstoffexploration, allen voran die Kohlenwasserstoffexploration. Hierbei liefert die Seismik den größten Beitrag, da sie den Aufbau des Untergrundes am eindeutigsten und exaktesten wiedergeben kann. Allerdings ist die Seismik auch mit Abstand die teuerste und datenumfangreichste Methode.

 

In der Seismik werden die Laufzeiten von Schallwellen (elastischen Wellen, seismischen Wellen) ausgewertet, die künstlich an der Erdoberfläche oder in Bohrungen erzeugt werden, im Untergrund Brechung und Reflexion an Diskontinuitäten erfahren und mit Seismographen (Seismometern, Geophonen) registriert werden. Die Untergebiete der Refraktionsseismik und der Reflexionsseismik ergeben sich durch die unterschiedlichen Wellenwege, die eine seismische Welle im Untergrund laufen kann. Die Seismik basiert auf den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen in verschiedenen Medien und auf dem Reflexionsvermögen der Schichten.

 

Die Seismologie analysiert anhand der Registrierungen von Erdbeben den Aufbau und die Eigenschaften der Erde und versucht Prognosen für das Auftreten und die Auswirkungen von Erdbeben zu erstellen. Dabei sind nicht nur Ort, Tiefe und Zeit der Beben wichtig, sondern auch die Stärke, Richtungen der Energieabstrahlungen, Häufigkeiten, Lage und Orientierung der Bruchflächen etc.

 

Georadar basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Reflexionsseismik. Beim Bodenradar werden allerdings elektromagnetische Wellen über Antennen in den Untergrund geschickt, die an entfernteren Stellen mit Empfänger-Antennen registriert werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die in der Luft nahezu Vakuum-Lichtgeschwindigkeit beträgt, variiert in Gesteinen. Wasser und Hohlräume weisen durch ihre hohen Dielektrizitätszahlen besonders hohe und markante Geschwindigkeiten gegenüber dem Gestein auf. Das Georadar untersucht wegen der geringen Eindringtiefe der Wellen den Boden nur im Meterbereich, dort aber sehr detailliert.

 

Eine weitere elektromagnetische Methode ist die Magnetotellurik. Durch zeitlich variierende Magnetfelder werden elektrische [ tellurische; tellus: die Erde betreffend ] Wirbelströme in leitfähigen Strukturen des Erdinneren induziert. Das durch die Ströme erzeugte elektrische Feld hat wiederum ein sekundäres Magnetfeld zur Folge. Die anregenden primären Magnetfelder können dabei sowohl natürlichen Ursprungs (Stromsysteme in der Ionosphäre und Magnetosphäre , Abstrahlung von Gewitterblitzen ) als auch künstlich erzeugt (Längstwellen-Sender) sein. Durch ein sehr breites Periodenspektrum der Wechselfelder (von 10 - 8 s bis 10 6 s) können über die frequenzabhängige Eindringtiefe mit dieser Methode Aussagen über die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb der verschiedenen Erdkrustenanteile bis in den oberen Erdmantelbereich gemacht werden.

 

In der Gravimetrie untersucht man das Schwerefeld der Erde und misst mit hochempfindlichen Messgeräten die geringfügigen Schwerkraft-Änderungen, die von Dichteunterschieden im Untergrund hervorgerufen werden. Damit lassen sich nicht nur lokale Störungen durch Störkörper wie beispielsweise Salzstöcken aufspüren, sondern auch die Form der Erde oder deren schalenartiger Aufbau ermitteln.

 

Grundlage für die Geomagnetik ist die Existenz eines irdischen Magnetfeldes. In ihm bekommen alle Stoffe durch einen Induktionsprozess magnetische Eigenschaften oder - mit anderen Worten - eine induzierte Magnetisierung. Charakterisierend ist dabei die magnetische Suszeptibilität, eine materialspezifische Eigenschaft. Das induzierte Magnetfeld überlagert sich dem normalen Erdfeld, es erzeugt Anomalien im Normalfeld. Die Vermessung solcher Anomalien erlaubt die Lokalisierung magnetisierter Körper und Objekte.

 

Die Gesteinsmagnetik studiert die Magnetisierungsarten und -vorgänge, die Paläomagnetik (die sich als einziges Teilgebiet mit der Vergangenheit beschäftigt) schließt auf die Art und Richtung des früheren Erdmagnetfeldes mit Hilfe von Bohrkernen. Hieraus lassen sich wiederum Aussagen über die Kontinentdriften machen.

 

Die Geoelektrik beschäftigt sich mit der Ermittlung des spezifischen Widerstands von Gesteinen und anderen Materialien. Dabei werden mit Elektroden Gleichströme oder niederfrequente Wechselströme in den Boden eingebracht und über Spannungen oder induzierte Magnetfelder die gesuchten Größen berechnet. Da elektrische und magnetische Felder einander beeinflussen bzw. voneinander abhängig sind, lohnt es sich, die Disziplinen der Geoelektrik und Magnetik zu kombinieren. So bedient sich die Magnetotellurik beispielsweise der Ströme, die durch das im Sonnenwind mitgetragene Magnetfeld in der Erde induziert werden, um auf die elektrische Leitfähigkeit der Gesteine zu schließen.

 

Die Geothermik oder Geothermie betrachtet das Temperaturfeld und thermische Prozesse im Untergrund. Dabei sind zeitlich konstante (stationäre) und zeitlich veränderliche Vorgänge von Interesse. Zu den stationären Vorgängen ist der Wärmefluss aus dem Erdinnern gegen die Erdoberfläche zu zählen, instationäre Vorgänge sind z.B. die periodischen Aufheizungen der Erdoberfläche im Tages- und Jahresrhythmus mit dem Eindringen sogenannter Temperaturwellen in den Untergrund. Je nach Vorgang spielen die gesteinsphysikalischen Parameter Wärme- und. Temperaturleitfähigkeit eine Rolle.

 

Die Geodynamik befasst sich mit den natürlichen Bewegungsvorgängen im Erdinnern bzw. auf der Erdoberfläche. Zugleich erforscht sie die Antriebsmechanismen und Kräfte , mit denen die Verschiebungen in Zusammenhang stehen.

 

Die Physik der hohen Atmosphäre erforscht die Zusammensetzung höherer Luftschichten und befasst sich mit der Wechselwirkung von Teilchen in entfernteren Bereichen von der Erde (z.B. kosmische Strahlung, Sonnenwind).

 

Das kleine Gebiet der extraterrestrischen Geophysik versucht die Erkenntnisse über den Aufbau der Erde auf andere Planeten des Sonnensystems zu übertragen.