Was ist eigentlich Geophysik?

Geophysik ist die Wissenschaft von der Physik der Erde, die sich sowohl mit der festen Erde als auch mit Gewässern und der Atmosphäre befasst. Mit Hilfe geophysikalischer Messgeräte werden die für menschliche Sinne oft nicht wahrnehmbaren physikalischen Felder registriert. Diese Felder enthalten Informationen über Struktur und physikalische Eigenschaften der Erde, die mit Hilfe mathematisch-physikalischer Modellvorstellungen rekonstruiert werden können. Die Simulation und Inversion der gemessenen Felder liefern Informationen über die räumliche Verteilung von physikalischen Materialgrößen. In Freiberg liegt der Fokus von Forschung und Lehre auf oberflächennahen Untersuchungsmethoden, da diese wirtschaftlich von großem Interesse sind, z.B. für die Rohstofferkundung oder für die Lösung von Umweltproblemen.

 

  • Physikalische Eigenschaften der Erde untersuchen

  • Zerstörungsfreie Erforschung des Erdinneren

  • Erkundung von Rohstoffen

  • Lösung von Umweltproblemen und Nutzung erneuerbarer Energien

  

Geophysikalische Erkundung
Ausbreitung von Erdbebenwellen

Aufgaben der Geophysik

Stell Dir vor, Du wohnst in den Alpen an einer stark befahrenen Passstraße und möchtest zur Abkürzung des Gebirgspasses einen Tunnel bauen. Zuerst musst Du wissen, wie das Gestein, durch welches der Tunnel verläuft, beschaffen ist. Davon hängt viel ab: Welche Baugeräte benötigt werden, wie teuer der Tunnel wird, ob der fertige Tunnel standsicher ist.  Jetzt stehst Du auf einer schönen Almwiese, unter welcher der Tunnel entlang führen soll, und blickst  weit ins Land. Aber wie weit schaust  Du ins Erdinnere? Nicht einen Meter! An der Grasnarbe ist Schluss. Was sollst Du jetzt bloß tun um herauszufinden, durch welche Gesteine der Tunnel verlaufen wird? Richtig! Du beauftragst einen Geophysiker.

Der Geophysiker entscheidet, bevor er mit seinen Erkundungsarbeiten beginnt, welche messbaren physikalischen Eigenschaften der Erde ihm am besten Antwort auf die Fragen des Auftraggebers liefern. Sucht der Geophysiker z.B. Grundwasser, misst er die Leitfähigkeit des Bodens. Eine Eisenerzlagerstätte verrät sich durch ihr Magnetfeld. Möchte der Geophysiker Gesteinsschichten und Störungszonen  „kartieren“, wie bei Deinem Tunnelprojekt, führt er seismische Erkundungen durch. Dazu sendet er, z.B. durch kleine Sprengungen oder durch Vibroseis-Fahrzeuge, künstliche Erschütterungswellen in den Untergrund.

Diese breiten sich kugelförmig aus und verhalten sich dabei so ähnlich wie Licht. Ändert sich im Gestein die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, wird sie gebrochen. Trifft sie auf Grenzflächen, wird sie reflektiert.

Dadurch gelangt das seismische Signal wieder an die Oberfläche und wird in Geophonen registriert. Wichtig ist die Auswahl einer geeigneten Messanordnung, die normalerweise aus mehreren Schusspunkten und Geophonen besteht. Aus den Unterschieden der Wellenlaufzeit zu den verschiedenen Geophonen entwickelt der Seismiker ein Modell, das die Verteilung von Gesteinen mit verschiedenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten zeigt. Es muss so beschaffen sein, dass es alle gemessenen Laufzeiten möglichst gut  erklärt. Da es dafür keine eindeutige Lösung gibt,  verwenden die Seismiker komplizierte mathematische Algorithmen, die auf Lösungen der Wellengleichung beruhen. Um solche Berechnungen am Computer durchführen zu können, müssen die Geophysiker sich gut mit numerischer Mathematik und Informatik auskennen. 

Wurden die geophysikalischen Daten richtig interpretiert, können Gesteine und Störungszonen im Bereich Deines Tunnels dargestellt werden, und die Planung des Tunnelbaus kann beginnen.  Da Geophysik eine zerstörungsarme, schnelle und billige Erkundungsmethode ist, hat sie eine hohe wirtschaftliche Bedeutung.

Vibroseis-Fahrzeuge erzeugen seismische Signale
Messwagen zur Analyse der Ergebnisse

Wo wird Geophysik gebraucht? Ein Beispiel...

  

In den vergangenen Jahren hat eine neue mögliche Methode des Klimaschutzes für heftige öffentliche Diskussion gesorgt: Die Idee CO2 im Untergrund zu verpressen. 

Wozu ist das gut? CO2 gehört zu den Treibhausgasen, welche die globale Erwärmung erheblich vorantreiben. Es entsteht immer bei der Verbrennung von Stoffen und wird im großindustriellen Maßstab in Wärmekraftwerken produziert. Dort kann man das Treibhausgas auffangen und somit von der Atmosphäre fernhalten. Aber wohin damit? Gelänge es, CO2 unterirdisch in Gesteinen zu lagern, so wie Erdgas, könnten wir weiter Wärmekraftwerke betreiben und unsere Umwelt schonen. So die Hoffnung. 

Aber es gibt auch viele Bedenken: Was passiert, wenn das CO2 aus dem Untergrund entweicht? Wie gefährlich ist es für die Menschen und Tiere, die es dann in erhöhter Konzentration einatmen müssen? Was passiert, wenn verpresstes CO2 ins Grundwasser eindringt und dieses in Kohlensäure umwandelt? Die Folgen kann man momentan nicht realistisch einschätzen.

Bei der Bewertung der Frage, ob CO2-Verpressung ein zukunftsfähiges und sicheres Verfahren  des Klimaschutzes ist, spielen Geophysiker eine entscheidende Rolle. Sie müssen Orte finden, die sich zur Verpressung eignen. Das sind poröse Gesteine, die das CO2 in ihren Porenräumen speichern können und die von dichten Gesteinen überlagert werden, so dass das CO2 nicht entweichen kann. Solche Orte können Geophysiker mit seismischen Methoden ausfindig machen.

  

Wurde ein geeigneter Ort zur CO2-Verpressung ausgewählt, müssen die Geophysiker die Bewegung des Gases im Untergrund überwachen. Dazu benutzen sie elektrische Methoden, denn die Leitfähigkeit von CO2 ist niedriger als die des Wassers, das normalerweise Gesteinsporen füllt. Löst sich CO2 in Grundwasser, hat die entstehende Kohlensäure eine höhere Leitfähigkeit als Wasser. 

Beim Test des neuen Verfahrens haben die Geophysiker eine große Verantwortung: Sie müssen Leckstellen unbedingt finden und Bevölkerung und Behörden über Gefahren aufklären.

  

Um klimaschädliche Treibhausgase zu beseitigen, soll Kohlendioxid in den geologischen Untergrund zurückgeführt werden.