Erdoberfläche und Erdinneres

Die Dynamik unseres Planeten entschlüsseln

Unsere Forschung untersucht die dynamischen und komplexen Systeme, die unseren Planeten vom tiefen Inneren bis zur Oberfläche bestimmen. Unsere Arbeit kombiniert fortschrittliche Computermodelle, hochentwickelte seismische Beobachtungen, detaillierte Gesteins- und Mineralanalysen sowie umfangreiche Feldkampagnen, um die Prozesse aufzudecken, die die Erde im Laufe der geologischen Zeit geformt haben.

Vergrößern

Ein Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis des Erdinneren und der Mechanismen, die seine Entwicklung vorantreiben. Wissenschaftler entwickeln und wenden komplexe numerische Methoden an, die Hochleistungsrechner erfordern, um zeitabhängige Mantelströmungsmodelle zu erstellen. Diese Modelle simulieren die Mantelkonvektion, die langsame, viskose Bewegung von Gestein, die die Dynamik der Plattentektonik bestimmt, die globale Verteilung der lithosphärischen Spannung steuert und langfristige Veränderungen wie Schwankungen des Meeresspiegels beeinflusst. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, diese geodynamischen Modelle mit Beobachtungen aus der realen Welt zu verknüpfen. Dies wird durch virtuelle Seismologie erreicht, bei der die Modellergebnisse mithilfe mineralphysikalischer Beziehungen in theoretische seismische Signale umgewandelt werden, sodass Forscher beurteilen können, ob ein bestimmtes Modell der Mantelstruktur mit den tatsächlichen seismischen Daten vereinbar ist. Weitere Arbeiten befassen sich mit den inhärenten Unsicherheiten der seismischen Bildgebung und untersuchen, wie sich die begrenzte Auflösung tomographischer Modelle auf die Rekonstruktion vergangener Mantelströmungen und die Vorhersage der dynamischen Oberflächentopographie auswirkt.

Vergrößern

Unser Department befasst sich auch mit den Geheimnissen des Erdmagnetfelds, das durch die thermochemische Konvektion von geschmolzenem Eisen-Nickel im flüssigen äußeren Kern entsteht – ein Prozess, der als Geodynamo bekannt ist. Forscher verwenden Magnetohydrodynamik, um diesen Prozess über Millionen von Jahren zu simulieren, und erstellen so Vorhersagen über die Häufigkeit und Dauer von Umkehrungen der geomagnetischen Polarität und das Verhalten des Feldes während dieser Ereignisse. Durch die Analyse der paläomagnetischen Aufzeichnungen, die in Vulkangesteinen aus verschiedenen Regionen erhalten geblieben sind, suchen Wissenschaftler nach Zusammenhängen zwischen der Stärke des Feldes, Richtungsfluktuationen und Umkehrhäufigkeit, um festzustellen, ob der Dynamo der Erde im Laufe der geologischen Zeit seine Funktionsweise verändert hat. Diese Analyse liefert auch wichtige zeitliche Einschränkungen für die Eruptionsgeschichte großer magmatischer Provinzen, bei denen es sich um massive vulkanische Ereignisse mit erheblichen Folgen für die globale Biosphäre handelt.

Vergrößern

Andere Forschungsarbeiten verbinden das Innere mit der Erdkruste und untersuchen das Verhalten von Gesteinen unter Belastung. Die Rheologie von Gesteinen ist ein wichtiger Forschungsbereich, da die Art und Weise, wie sich Materialien verformen, die Plattentektonik, den Vulkanismus und das Auftreten von Erdbeben bestimmt. Dazu werden experimentell verformte Gesteine mit den natürlichen Verformungsspuren in Verwerfungsgesteinen verglichen, die Informationen über tiefliegende Verformungsprozesse in der Erdkruste enthalten. In Subduktionszonen untersuchen Forscher die Umwandlung und den Fluss von Materialien unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen und gehen dabei Fragen nach, wie Subduktionserdbeben entstehen und wie Gesteine aus Tiefen von mehr als 100 Kilometern in sehr kurzen geologischen Zeiträumen an die Oberfläche gelangen. Weitere Forschungen zur Gesteins- und Mineralanalyse konzentrieren sich auf ophiolithische Komplexe und untersuchen die Entstehung und Entwicklung des Erdmantels sowie die Mobilität kritischer Metalle in verschiedenen tektonischen Umgebungen.

Vergrößern

Die Erforschung des Untergrunds wird durch fortschrittliche Beobachtungstechniken erheblich verbessert. Die Seismologie ist ein zentrales Thema, das den Betrieb und die Analyse globaler seismischer Netzwerke und Arrays umfasst. Dazu gehören Spezialgebiete wie die Vulkanseismologie und die Kryoseismologie sowie die seismische Überwachung geothermischer Systeme. Forscher erweitern auch die Grenzen der seismischen Beobachtung durch Rotationsseismologie, indem sie alle Aspekte der Rotationsbodenbewegung in die Erdbeobachtung integrieren. Dies umfasst den Einsatz und die Entwicklung hochpräziser Rotationssensoren, wie z. B. Ringlaser, mit Anwendungen in der Seismologie, Vulkanologie und sogar der strukturellen Zustandsüberwachung. Darüber hinaus zielt die computergestützte Seismologie darauf ab, Simulationen der Ausbreitung seismischer Wellen durch die Einbeziehung komplexer, nichtlinearer Gesteinsrheologien immer realistischer zu gestalten. Diese Arbeit geht über die Erde hinaus und erstreckt sich auf die planetare Seismologie, wobei der Schwerpunkt auf Instrumentierung und experimentellen Strategien zur Charakterisierung von Bodenbewegungen auf Planetenkörpern wie dem Mond und dem Mars liegt.

Vergrößern

Wir untersuchen magmatische Prozesse und erforschen die Entstehung, Entwicklung und Ablagerung von Magma in der Erdkruste. Petrologische Reaktionen in Silikat- und Karbonatgesteinen sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis, wie Mineralien unter unterschiedlichen Drücken und Temperaturen kristallisieren, schmelzen und/oder sich neu ausgleichen. Diese Reaktionen steuern die Zusammensetzung und Textur des Magmas, die Bildung von magmatischen und metamorphen Gesteinen sowie die Entwicklung flüchtiger und seltener Erdelemente. Wir untersuchen Differenzierungsprozesse wie fraktionierte Kristallisation, Magmamischung, Assimilation, partielle Schmelzung und den Transfer flüchtiger Stoffe zwischen Magma und hydrothermalen Flüssigkeiten mithilfe einer Kombination aus Feldforschung, experimentellen Untersuchungen und analytischer Arbeit. Diese interdisziplinären Bemühungen werden sowohl auf die Erde als auch auf Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus angewendet.

Vergrößern

Geothermische Energie gewinnt als notwendige Lösung zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und zur Bewältigung der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Wir untersuchen die Eigenschaften von Flüssigkeiten, wie hydrothermale Flüssigkeiten mit Gesteinen reagieren und mineralische Reaktionen auslösen und wie die Abkühlung (sowohl natürlich als auch durch Flüssigkeitseinspritzung während des geothermischen Betriebs) zu Kontraktion und Brüchen (z. B. säulenförmigen Klüften) von Magma und heißen Gesteinen führt, wodurch die durchlässigen Wege für den Flüssigkeitsfluss und die lokalen Spannungen verändert werden, die Seismizität und Erdbeben auslösen können.

Vergrößern

Schließlich erstreckt sich die Arbeit der Abteilung auch auf die Erdoberfläche, wobei der Schwerpunkt auf den physikalischen und chemischen Prozessen liegt, die Landschaften formen. Die Forschung kombiniert Feldbeobachtungen, analoge Experimente und hochentwickelte geochemische Analysen, um die Erosion, den Transport und die Ablagerung von Sedimenten zu quantifizieren. Durch die Messung und Modellierung der Entstehung von Flusstälern und des Sedimenttransports durch Flusskorridore versuchen Wissenschaftler, die zeitlichen und räumlichen Ausmaße des Sedimentflusses zu verstehen. Diese Studien sind unerlässlich, um zu verstehen, wie globale Sediment-, Nährstoff- und Kohlenstoffflüsse das Klima der Erde beeinflussen und wie Flusssysteme auf Veränderungen des Klimas und der Erosionsraten reagieren.