Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.v.

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1 Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.v. Inhalt Vorwort der Redaktion Sichere Energieversorgung ohne Geowissenschaften nicht denkbar Developments in full seismic waveform tomography on continental scales.. 15 Untersuchung der Lokalisierungsgenauigkeit von Kleinarrays anhand induzierter Seismizität während der Stimulationsphase des Deep-Heat- Mining-Projektes in Basel Geschichte einer Forschungsgemeinschaft Teil 2: Zeitraum Ozeanschwingungen und Gezeitenreibung Zur Bewertung von Resonanzkurven Das hydrogeophysikalische Testfeld Schillerslage Forschungsbohrung 2011 im Rodderberg-Vulkankrater bei Bonn NACHRICHTEN AUS DER GESELLSCHAFT Einladung zur Mitgliederversammlung Wahlen zum Vorstand ( 7 der Satzung) Wahlvorschläge Anpassung/Erhöhung des Mitgliedsbeitrags DGG-Kolloquium 2011: Induzierte Seismizität C.-F.-Gauß-Lecture mit Joachim Saur auf der EGU-Tagung GAP 2011 in Hamburg Nachrichten des Schatzmeisters AUS DEM ARCHIV DGG-Ehrenurkunde von Ludger Mintrop VERSCHIEDENES Rebekka Steffen mit Bernd-Rendel-Preis der DFG ausgezeichnet Rundtischgespräch GEORADAR Bakkalaureats-, Bachelor-, Diplom- und Masterarbeiten, Dissertationen und Habilitationsschriften an deutschsprachigen Hochschulen im Bereich der Geophysik im Jahr Nr. 1/2011 ISSN MITTEILUNGEN Herausgeber: Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.v.

2 IMPRESSUM Herausgeber: Deutsche Geophysikalische Gesellschaft Redaktion: Dipl.-Geophys. Michael Grinat Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Stilleweg Hannover Tel.: (+49) Michael.Grinat@liag-hannover.de Layout: Druck: Dr. Silke Hock Asse GmbH Am Walde Remlingen Tel.: (+49) S.Hock1@gmx.de Katrin Zaton, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover Druckservice Uwe Grube, Hirzenhain-Glashütten, Dr. Diethelm Kaiser Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Stilleweg Hannover Tel.: (+49) Diethelm.Kaiser@bgr.de Beiträge für die DGG-Mitteilungen sind aus allen Bereichen der Geophysik und der angrenzenden Fachgebiete erwünscht. Im Vordergrund stehen aktuelle Berichterstattung über wissenschaftliche Projekte und Tagungen sowie Beiträge mit einem stärkeren Übersichtscharakter. Berichte und Informationen aus den Institutionen und aus der Gesellschaft mit ihren Arbeitskreisen kommen regelmäßig hinzu, ebenso Buchbesprechungen und Diskussionsbeiträge. Wissenschaftliche Beiträge werden einer Begutachtung seitens der Redaktion, der Vorstands- und Beiratsmitglieder oder der Arbeitskreissprecher unterzogen. Die DGG-Mitteilungen sind als Zeitschrift zitierfähig. Bitte senden Sie Ihre Texte möglichst als ASCII-File oder als Word-Datei entweder auf Diskette/CD- Rom oder per an die Redaktion. Verwenden Sie nach Möglichkeit die Dokumentenvorlage, die auf den DGG-Internetseiten unter Rote Blätter oder von der Redaktion erhältlich ist. Zeichnungen und Bilder liefern Sie bitte separat in druckfertigem Format, Vektorgrafiken als PDF-Dateien (mit eingebetteten Schriften), Fotos als Tiff-, JPEG- oder PDF-Dateien. Vorstand der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft e.v.: Präsidium: (Adresse der Geschäftsstelle siehe Geschäftsführer) Prof. Dr. Ugur Yaramanci (Präsident) Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Stilleweg Hannover Ugur.Yaramanci@liag-hannover.de Prof. Dr. Hans-Joachim Kümpel (Vizepräsident) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Stilleweg Hannover Hans-Joachim.Kuempel@bgr.de Prof. Dr. Eiko Räkers (designierter Präsident) DMT GmbH & Co. KG Am Technologiepark Essen eiko.raekers@dmt.de Dr. Alexander Rudloff (Schatzmeister) Deutsches GeoForschungsZentrum Telegrafenberg Potsdam rudloff@gfz-potsdam.de Dipl.-Geophys. Birger Lühr (Geschäftsführer) Deutsches GeoForschungsZentrum Telegrafenberg Potsdam ase@gfz-potsdam.de Beisitzer: Dr. Udo Barckhausen Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Stilleweg Hannover Udo.Barckhausen@bgr.de Prof. Dr. Thomas Bohlen Karlsruher Institut für Technologie Geophysikalisches Institut Hertzstraße Karlsruhe thomas.bohlen@gpi.uni-karlsruhe.de Dr. Christian Bücker RWE Dea AG Überseering Hamburg christian.buecker@rwe.com Prof. Dr. Torsten Dahm Universität Hamburg Institut für Geophysik Bundesstraße Hamburg torsten.dahm@zmaw.de Dipl.-Geophys. Michael Grinat Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Stilleweg Hannover Michael.Grinat@liag-hannover.de Dr. Thomas Günther Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Stilleweg Hannover Thomas.Guenther@liag-hannover.de Prof. Dr. Manfred Joswig Universität Stuttgart Institut für Geophysik Azenbergstraße Stuttgart joswig@geophys.uni-stuttgart.de Prof. Dr. Heidrun Kopp IFM-GEOMAR, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften an der Universität Kiel Wischhofstraße Kiel hkopp@ifm-geomar.de Prof. Dr. Charlotte Krawczyk Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Stilleweg Hannover Charlotte.Krawczyk@liag-hannover.de Dr. Bodo Lehmann DMT GmbH & Co. KG Am Technologiepark Essen bodo.lehmann@dmt.de Theresa Schaller Universität Kiel Institut für Geowissenschaften Schauenburger Str Kiel studentensprecher@geophysikstudenten.de Dr. Ulrike Werban Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ Permoserstraße Leipzig ulrike.werban@ufz.de Alle Mitglieder des Vorstandes stehen Ihnen bei Fragen und Vorschlägen gerne zur Verfügung. DGG-Homepage: DGG-Archiv: Universität Leipzig, Institut für Geophysik und Geologie, Talstr. 35, Leipzig, Dr. M. Boerngen, geoarchiv@uni-leipzig.de. 2 DGG-Mittlg. 1/2011

3 Vorwort der Redaktion Liebe Leserin, lieber Leser, ein frohes Neues Jahr 2011, Gesundheit und Erfolg wünscht Ihnen die Redaktion der Roten Blätter! Das erste Heft in diesem Jahr erreicht Sie früh, da auch die Jahrestagung 2011 in Köln bereits im Februar stattfindet. Wir hoffen, viele von Ihnen dort wiederzusehen. Wie üblich enthält das erste Heft des Jahres Informationen über die kommende Tagung. Neben der Vortragsfolge des DGG-Kolloquiums und einem Kurzbericht über den Rodderberg-Vulkan, einem der Exkursionsziele der Tagung, finden Sie die Einladung zur Mitgliederversammlung. Themen werden u.a. die Wahl des designierten Präsidenten, des Schatzmeisters und von (mindestens) vier Beisitzern sein, sowie die Diskussion über die Erhöhung des Mitgliedsbeitrags. Eine Diskussionsgrundlage zu dem letztgenannten Punkt finden Sie in dem Beitrag unseres Schatzmeisters. Besonders hinweisen möchten wir auf den im Anschluss an die DGG-Tagung stattfindenden DGG-EAGE-Workshop mit dem Thema Geophysics for Deep Geothermal Energy. Weitere Informationen, auch zur Anmeldung, finden Sie unter In diesem Heft können wir Ihnen wieder mehrere wissenschaftliche Beiträge präsentieren: Der Beitrag von HEITHOFF beruht auf dem öffentlichen Abendvortrag der DGG-Tagung 2010 in Bochum, die Arbeit von FICHTNER et al. auf einem Vortrag, der in Bochum ausgezeichnet wurde. DÜRBAUM, GREINWALD & THIERBACH beschreiben in dem zweiten Teil ihres Berichts über die Forschungsgemeinschaft Angewandte Geophysik die Jahre Hinzu kommen die Beiträge von HÄGE & JOSWIG, BRO- SCHE & SÜNDERMANN und HOLLAND et al. Leider konnten wir noch nicht alle eingereichten wissenschaftlichen Beiträge in diesem Heft abdrucken, jedoch haben wir dank Ihrer Arbeit schon jetzt einiges für das nächste Heft. Hinweisen möchten wir abschließend noch auf den Beitrag aus dem Archiv, der auf einem Fund in der Überseekiste mit Nachlassdokumenten von Ludger Mintrop beruht, und auf die recht umfangreiche Liste mit den Abschlussarbeiten des vergangenen Jahres im Bereich der Geophysik. Für das Lesen des vor Ihnen liegenden Heftes wünschen wir Ihnen wieder viel Freude und hoffen, dass für jedes der Mitglieder unserer Gesellschaft etwas dabei ist. Ihr Redaktionsteam Michael Grinat, Silke Hock, Diethelm Kaiser Heft-Nr. DGG- Mitteilungen Erscheinungsmonat Heft-Nr. GMIT Erscheinungsmonat mit DGG-Beteiligung 1 Januar 1-2 Juni / Juli 2 Juni 3 September / Oktober 3-4 Dezember 1/2011 DGG-Mittlg. 3

4 Sichere Energieversorgung ohne Geowissenschaften nicht denkbar Dr. Johannes Heithoff, RWE Power AG, Essen/Köln Einleitung Welche Bedeutung haben die Geowissenschaften für eine sichere Energieversorgung und welche Aufgaben und Rollen fallen den Geowissenschaften bei der Sicherung der Energieversorgung zu? Diese Fragen sind Gegenstand des folgenden Beitrags, der inhaltlich in etwas abgewandelter Form vom Autor auf der Jahrestagung der Deutschen Geo physikalischen Gesell schaft in Bochum im März 2010 als öffentlicher Abendvortrag gehalten wurde. Der Titel des Vortrages gliedert sich in zwei Teile: Sichere Energieversorgung und Geowissenschaften. Unter diesem Titel versucht der Beitrag eine Verbindung herzustellen zwischen der Entwicklung und den Zielen einer nachhaltigen Energieversorgung und dem Beitrag der Geo wissenschaften hierzu, wobei auf den Stand und die Entwicklungsmöglichkeiten der Geowissen schaften selber nicht eingegangen wird. Diese müssen von Geowissenschaftlern selbst definiert werden. Rahmenbedingungen für Energienachfrage und Energieversorgung Angesichts der seit Jahren heftig geführten Debatte in Politik und Öffentlichkeit zu Klimaentwicklung und Energieversorgung insbesondere in Deutschland kann der Inhalt des Beitrages auch so betitelt werden: Welchen Einfluss hat die Klimaentwicklung auf die Energie versorgung? oder In welchem Umfang hat zukünftig die Energiebereitstellung Einfluss auf die Klimaentwicklung? Der Leser möge sich hierauf am Ende die Antwort selber geben. Als ein wenn auch schwacher Beleg für die offene Fragestellung sei hier die kleine Eiszeit erwähnt, die in einer vorindustriellen Zeit nach einer mittelalterlichen Warmzeit die Lebensverhältnisse in Europa maßgeblich beeinflusst hat. Das Beispiel der kleinen Eiszeit zeigt auch, wie sich die Folgen einer Abkühlung des Klimas bis in das damalige Freizeitvergnügen des Schlitt schuhlaufens hin auswirkten. Dies ist Hendrick Avercamp IJsvermaak, Niederlande 1608 Bild 1: Wintervergnügen in Holland DGG-Mittlg. 1/2011

5 Rahmenbedingungen Berücksichtigung finden. Die Rahmensetzungen heute sind: umweltverträglich und im Einklang mit den klimapolitischen Zielen, sicher im jeweiligen Regulierungsrahmen, kostengünstig und wirtschaftlich und nachhaltig. Bild 2: Entwicklung der Weltbevölkerung 1750 bis 2050 (Quelle: United Nations Population Division) auf dem Bild von Hendrick Avercamp aus dem Jahre 1608 dargestellt. Interessant ist zu sehen, dass es sich hier offensichtlich um ein strandähnliches Szenario handelt und es ist ja bekannt, dass Salzwasser einen niedrigeren Gefrierpunkt besitzt als Süßwasser (Bild 1). Grundsätzlich, um jetzt zum Thema zu kommen, hat ja die Energiewirtschaft die Aufgabe, die Nachfrage nach Energie durch ein geeignetes Angebot an diversen Energiearten für den jeweiligen Verwendungszweck sicherzustellen. Dabei sollen alle Begrenzungen und Für die Transportunternehmen in der leitungsge bundenen Energieversorgung ist dies in Deutschland sogar in 1 und 2 des Energiewirtschaftsgesetzes festgeschrieben. Treiber für Energienachfrage Wenden wir uns zunächst der Energienachfrage zu. Was sind eigentlich die Treiber einer Energienachfrage? Bevölkerungswachstum - global wie natürlich auch regional, wirtschaftliches Wachstum und Technologieeinsatz. Gehen wir zunächst auf das Bevölkerungswachstum ein. Bild 3: Verteilung des Energie zugangs (Quelle: GRUEBLER et al., 2009) 1/2011 DGG-Mittlg. 5

6 Erste Feststellung: Die Weltbevölkerung wächst weiter. Heute leben rund 7 Milliarden Menschen auf der Erde. Im Jahr 2025 können die 8 Milliarden überschritten sein, also doppelt soviel an zusätzlichen Erdenbürgern wie heute in den 27 Staaten der Europäischen Union leben könnte die 9-Milliarden-Grenze überschritten werden (Bild 2). Seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts sinken allerdings die Zuwachsraten der Erdbevölkerung, so dass die Fachleute einen Peak mit knapp 10 Milliarden Erdbewohnern in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts erwarten. Jeder Mensch benötigt für die Sicherung seiner Existenz Energie. Der Energiebedarf hängt zusätzlich vom Lebensstandard ab. Der Lebensstandard aber wiederum ist unterschiedlich ausgeprägt in den verschiedenen Weltregionen (Bild 3). Es ist also davon auszugehen, das s hier im Hinblick auf Angleichung der Lebensverhältnisse ein entsprechender Nachholbedarf in den Schwellenund Entwicklungsländern ins Kalkül mit einbezogen werden muss. Zweite Feststellung: Mit der Zunahme der Bevölkerung in den einzelnen Volkswirtschaften ist auch ein entsprechendes wirtschaftliches Wachstum verbunden. Dieses Wachstum ist umso größer, je höher die Bevölkerungszuwachsraten sind. China und Indien sind hier die Beispiele par excellence. weiter zunehmende Transport leistungen und zunehmender Indivi dual verkehr mit entsprechendem Energiebedarf in den Entwicklungs- und Schwellenländern, zunehmender Einsatz veredelter Energie im Verkehr, in der Industrie, im Gewerbe und in den Haushalten vor allem auf Basis elektrischer Energie, Einstieg in die post-industrielle Wirtschaftsstruktur: z. B. ist heute in Deutschland der Telekommunikationsbereich (hier sind eingeschlossen alle Infrastrukturen für Mobilfunknetze, Festnetze, Internet, Fernsehen und der Gebrauch der entsprechenden Geräte bei den Endkunden einschließlich der Unterhaltungselektronik) der größte Stromverbraucher. Schätzungen gehen davon aus, dass heute schon weit über 10 % des verbrauchten Stroms in Deutschland auf diesen Bereich entfallen. Wenn wir also hier an dieser Stelle ein erstes Resümee ziehen, dann bleibt festzuhalten, dass die Energienachfrage weltweit weiter steigt abgesehen von kriegerischen Konflikten und Wirtschafts- und Finanzkrisen, die immer nur eine vorübergehende Erscheinung sind. Für die OECD-Länder zeigt sich allerdings heute schon in einigen Volkswirtschaften eine zunehmende Entkopplung des Wirtschafts wachstums vom Primärenergieverbrauch seit den 1980er Jahren, wie hier im Bild 4 am Beispiel Deutschlands zu sehen ist. Insgesamt können wir also nach diesen ersten beiden Feststellungen davon ausgehen, dass der Energiebedarf auf Basis dieser Grundannahmen global noch weiter ansteigen wird. Primary Energy Consumption in 1000 PJ Germany West Germany GDP in (billion Euro 2000 ) 3000 Target Dritte Feststellung: Ein höherer Lebensstandard war in der Ver gangenheit verbunden mit einem Anstieg der Mechanisierung und der zunehmenden Tech nologisierung der Volkswirtschaften. Wenn wir uns die heutige Entwicklung ansehen, dann erkennen wir hier für die Zukunft einige Grundtendenzen: Target Bild 4: Wirtschaftliche Entwicklung und Energie bedarf (Quelle: BMWi IIIA1) DGG-Mittlg. 1/2011

7 Bild 5: Abnahme der globalen CO 2 -Emissionen (Quelle: OECD/IEA 2009) Energienachfrage und Treibhausgasemissionen Steigt der Energieverbrauch, steigen je nach Anteil der fossilen Energieträger an der Übernahme des Zuwachses zur Nachfrage deckung auch die energie bedingten Treibhausgasemissionen. Viele kennen sicherlich die Ergebnisse der Arbeiten des International Panel of Climate Change (IPCC), die auf der Basis eines ungehemmten Weiter so! vor einer dramatischen Erhöhung der Temperatur der Erdatmosphäre und den damit verbundenen Folgen für unser tägliches Leben warnen. Die Politik, so sie denn diese Warnung aufgreift, wird Maßnahmen ergreifen müssen, um die weltweiten Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Ein Versuch war im Dezember 2009 die Kopenhagener Konferenz. Dass es nicht zu verbindlichen Treibhausgasemissionsminderungs verein barungen in Kopenhagen gekommen ist, zeigt sich sehr schön an Bild 4, wie wir es für Deutschland in der Vergangenheit gesehen haben. China setzt weiterhin auf wirtschaftliches Wachstum und will sich nicht aufgrund klimapolitischer Erfordernisse hiervon abbringen lassen, da in China selbst noch Millionen von Menschen ohne ausreichende Energieversorgung und ausreichenden Lebensstandard leben müssen. Die USA sind noch nicht ganz von der Droge Energie und den damit verbundenen Treibhausgasemissionen abzubringen. Hier sind wohl offensichtlich vielmehr derzeit kurzfristiges Denken in Kategorien des Wirtschaftswachstums und damit der Erholung der US-Volkswirtschaft vorherrschend. Wie schon eingangs mit der kleinen Eiszeit anek dotisch angekündigt, jetzt doch einige An merkungen zur derzeit alles beherrschenden Klimaschutzpolitik als Primat für die Energiepolitik. Kopenhagen hat im Dezember 2009 trotz aller verständlichen Kritik an nicht getroffenen Beschlüssen der Weltgemeinschaft ein positives Ergebnis gebracht. Nämlich das sogenannte 2 C-Ziel, also die Begrenzung der globalen Erwärmung der Temperatur in der Erdatmosphäre auf maximal 2 C gegenüber der vorindustriellen Zeit. Um dieses Ziel zu erreichen, muss der CO 2 - Gehalt der Atmosphäre auf 450 parts per million (ppm) begrenzt werden - so die Klimaforscher. Die International Energy Agency (IEA) hat hier entsprechende Szenarien bis 2030 durchgerechnet, auch im Vergleich zum schon erwähnten Business-as-usual -Szenario, und insgesamt für die Welt eine Zielerreichung mit entsprechenden Finanzierungserfordernissen auf Basis einer sogenannten Blue Map Technology Route aufgezeichnet (Bild 5). 1/2011 DGG-Mittlg. 7

8 Energieverbrauch [EJ] Kohle Kohle mit CCS Öl Gas Kernenergie Biomasse Biomasse mit CCS Erneuerbare Energien Jahr Prof. Dr. Ottmar Edenhofer Bild 6: Globale Energieversorgung bis Die Große Transformation Negative CO 2 Emissionen CO 2 Emissionen Basierend auf IEA-Daten ( ) und REMIND- Ergebnisse für 450ppm-äq (ADAM); Grafik von Jan Steckel (PIK) REMIND-R, ADAM 450ppm-eq, 4/6/2009, Steckel/Knopf Neben der Effizienzsteigerung beim Endenergieverbrauch und in der Umwandlung, die gut und gerne quantitativ rund die Hälfte der erforderlichen Minderungsmaßnahmen erbringen soll, werden neben dem natürlich auch hier propagierten Ausbau erneuerbarer Energien, dem Einsatz von Biokraftstoffen im Verkehrssektor, dem Erhalt und dem Ausbau der Kernenergie auch die Nutzung der sogenannte Carbon Capture and Storage -Technologie (CCS) genannt. Elemente einer klimafreundlichen Energiebereitstellung Zieht man wie das Potsdam-Institut für Klima folgenforschung (PIK) den Zeithorizont bis zum Jahr 2100, spricht man von einer erforderlichen großen Transformation. Hier wird nicht nur CCS für Kohle, sondern auch für die Biomasse als CO 2 -Senke zur Realisierung negativer CO 2 -Emissionen erforderlich (Bild 6). Bricht man entsprechende Ziele auf geographische Regionen herunter, dann hat die EU Ende Januar 2010 konkret ein Ziel von -30 % Treib hausgasemissionsminderung auf Basis des Jahres 2005 für das Jahr 2020 genannt. Dieses Ziel ist allerdings konditioniert in dem Sinne, dass die 30 % nur dann gelten sollen, wenn sich auch andere OECD-Länder und Schwellenländer entsprechende Emissionsminderungs- oder Emissionsziele selber geben. Die deutsche Bundesregierung hat in ihrem Energie konzept vom 28. September % auf Basis des Jahres 1990 als Ziel festgelegt. Dies bedeutet in den nächsten nicht mehr ganz 10 Jahren eine zusätzliche Emissionsminderung von %-Punkten. Langfristiges Ziel bis 2050 soll sein: mindestens -80 % (Bild 7). CO 2 -Emissions in Mt Germany West Germany Target: -30% Target: -40% Target: -80% Bild 7: CO2-Emissionen in Deutschland (Quelle: BMWi IIIA1) 8 DGG-Mittlg. 1/2011

9 Bild 8: Ölexploration weltweit noch nicht am Ende Somit wären wir jetzt bei der Frage angekommen, wie die zukünftige Energie bereitstellung klimapolitisch verträglich aussehen könnte. Zunächst ein wichtiger Hinweis: Man darf nicht unterschlagen, auch wenn die Diagramme dies nicht deutlich ausweisen, dass global gesehen fossile Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle weiterhin eine wesentliche, wenn nicht sogar die wesentliche Rolle spielen werden. Ob es mit dem Erdöl demnächst zu Ende geht, ist diskutabel. Offensichtlich aber sind wir hier noch nicht mit unseren Explorationsaktivitäten flächendeckend unterwegs gewesen. Es scheint noch eine Reihe unentdeckter Ressourcen zu geben. Begründet wird dies nach Maugeri, dass erst ein Drittel der Sedimentbecken auf Erdöl mit modernsten Explorationstechniken hin unter sucht wurden (Bild 8). Mir persönlich ist eine Zahl von derzeit 250 aktuellen Explorationsprojekten nur in den OPEC-Staaten genannt worden. D. h., das Auffinden neuer Vorkommen an Erdöl und Erdgas mit zukünftig weiter entwickelten Explorationstechnologien und Fördertechniken kann die Versorgung längerfristig sicherstellen. Auf diesem Gebiet wird es sicherlich auch weiterhin einen hohen Bedarf an ausgebildeten Fachleuten geben. Explorationsaktivitäten werden allerdings nur dann in entsprechendem Maße durchgeführt werden, wie es die mittelfristigen Preiserwartungen der öl- und gasfördernden Unternehmen zulassen. Es ist davon auszugehen, dass es hier immer zyklische Markt bewegungen geben wird, welche sich auch auf den Arbeitsmarkt für ausgebildete Geowissenschaftler auswirken werden. Betrachten wir also zusammengefasst Aufsuchung und Produktion von Öl und Erdgas als lang fristig gesicherte Grundlast der zukünftigen Energieversorgung. Dann können wir uns als nächstes der Kohle zuwenden. Die heute weltweit bekannten sogenannten Reichweiten von Kohle werden auf Jahre geschätzt. Die Verteilung der Kohlevorkommen ist global gesehen mehr oder weniger gut und ausgewogen. Neue Kohlevorkommen werden sicherlich dort erschlossen, wo heute auch eine anhaltend hohe Nachfrage nach Kohle für die Zukunft erwartet werden kann. Dies sind die Volkswirtschaften Asiens, Südafrikas, Südamerikas, aber auch Russlands. Kohlenutzung wird daher insbesondere zur Stromerzeugung auf lange Sicht ein wesentlicher Versorgungsbestandteil sein. Hier müssen Techniken entwickelt werden, die die Umwandlung von Kohle in Elektrizität oder andere Produkte CO 2 -arm gestalten können, um die erforderlichen CO 2 -Minderungswerte zu errei- 1/2011 DGG-Mittlg. 9

10 Widerstand in Deutschland gegen Exploration Spielende Kinder am CO 2 - getriebenen Crystal Geysier, USA Quelle: Welt-online Source: IEA Bild 9: CCS in Deutschland noch nicht akzeptiert chen, und hier bietet sich heute die sogenannte Carbon Capture and Storage -Technologie an. Daher ist nicht nur das Aufsuchen von Kohle, Erdöl oder Erdgas eine fortdauernde Aufgabe, sondern auch das neue Feld der Aufsuchung von geeigneten CO 2 -Speicherformationen im Erduntergrund ist hier als neues Aufgabenfeld für die Geowissenschaften hinzugekommen. Ohne die Einspeicherung des aus den Verbrennungs prozessen abgetrennten CO 2 in den Erd untergrund sind global die Emissionsmin derungsziele ohne wesentlichen Wohlstands verlust nicht zu erreichen. Neben den technisch-wissenschaftlichen Fragen einer lang fristig sicheren Einspeicherung von CO 2 in geeignete geo logische Formationen ist hier die Er langung der gesellschaftlichen Akzeptanz von großer, wenn nicht sogar in Europa von größter Bedeutung (Bild 9). Hier müssen die Geowissenschaften ihren Beitrag liefern, damit nicht jetzt schon in der öffentlichen Diskussion das Thema verbrannt ist. Welche Bewertung auch am Ende größeres Gewicht erlangen wird, reine Ablehnung oder kindliche Freude sollten es am Ende nicht sein. Nicht nur die CO 2 -arme Nutzung der Kohlenwasserstoffe ist zukünftig die Basis der Energieversorgung, sondern auch aus internationaler Sicht die weitere Nutzung der Kernenergie. Dies zumindest ist allgemeiner Konsens in den internationalen Fachgremien. Häufig wird ja der Versuch unternommen, aufgrund des Anteils von zurzeit 13,6 % an der weltweiten Stromerzeugung, hier bezogen auf das Jahr 2008, den Beitrag der Kernenergie als substituierbar zu deklarieren. Mit der gleichen Messlatte müsste sich aber auch die Wasserkraft messen lassen. Diese betrug im Jahr 2008 rund 15,7 % an der weltweiten Stromerzeugung, also eine vergleichbare Größenordnung. Der Versuch einer einseitigen Marginalisierung zulasten eines Primärenergieträgers ist aus unserer Sicht nicht gerechtfertigt und zielführend. Kernenergie und Wasserkraft als CO 2 -freie Stromerzeugungsquellen haben ihre Rolle auch zukünftig zu spielen. Beide sind natürlich nicht unbegrenzt ausbaubar, aber für die nächsten Jahrzehnte auch nicht zu entbehren. Daher werden auf Basis der Untersuchungen der IEA beide Stromerzeugungsquellen ihren Anteil absolut steigern und eine weiterhin wichtige Rolle bei der Stromerzeugung übernehmen. Was bedeutet das für die Geowissenschaften? Hier sind zu nennen neben den Explorationsaktivitäten nach Uran und Thorium als Kernbrennstoffen und der 10 DGG-Mittlg. 1/2011

11 Σ=100% Die Bundesregierung hat sich mit ihrem Energiekonzept zum Ziel gesetzt, im Jahr % des Stromverbrauchs 35% Erneuerbare 75% in Deutschland auf Basis der regeenergien 50% nerativen Energien sicherzustellen. Das sind also 34 %-Punkte mehr als 65% 59% wir heute erzeugen. Der Rest soll 80% Kohle + Gas durch fossile Energieträger und unter Berücksichtigung einer beschlossenen Laufzeitverlängerung der Kernenergie zunehmender Anteil CCS um 8 bzw. 14 Jahre durch diese abgebei entsprechenden 25% Kernenergie bei Voraussetzungen deckt werden. Aber nach 2035 sollte 20% LZV um 14/8a dann die Kernenergie - obwohl CO frei - keinen weiteren Beitrag zur Bild 10: Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland Emissionsminderung liefern dürfen gemäß Energiekonzept 2010 (hier ist nur die Erzeugung (Bild 10). Im Umkehrschluss bedeutet [TWh] dargestellt, die erforderliche Leistung [MW] ist zudies, dass fossile Primärenergieträger sätzlich zu betrachten) in Deutschland auch nach 2035 dann gegebenenfalls weiter abnehmend einen weaufsuchung sicherer geologischer Formationen sentlichen Beitrag zur Sicherung der Stromfür die langfristige Einlagerung radioaktiver versorgung übernehmen müssen. Bis 2050, so Abfälle vor allem sicherheitstechnische Aspekte ist es heute formuliert, sollen dann die regenefür den Betrieb von Kernkraftwerken und auch von rativen Energieträger 80 % der Stromerzeugung großen Wasserkraftwerken. Was hiermit gemeint sicherstellen, bei allerdings dann 25 % niedriist, ist die Frage nach der Erdbebensicherheit. gerem Stromverbrauch. Diese ist natürlich auch ein wichtiger Aspekt bei allen Energieinfrastruktureinrichtungen, seien Das heißt, in den nächsten Jahrzehnten bis es Öl- oder Erdgaspipelines oder auch Produkt2050 innerhalb von 40 Jahren sollen pipelines. Hier und vor allem hier ist der geomehr als die Hälfte der heutigen thermischen physikalische Sachverstand gefragt. Kraftwerkskapazitäten durch Anlagen auf Basis regenerativer Energien ersetzt und dann Kommen wir nun zum möglichen Beitrag der auch betrieben werden. Nicht eingerechnet regenerativen Energieträger zur Sicherung einer sind hier aber thermische Kraftwerke oder CO2-armen Energieversorgung. Hier möchte ich Energiespeicher, die als Backup für die mich gerne auf eine Betrachtung der Entwicklung Sicherstellung der Stromerzeugung erforderlich in Deutschland beschränken. Auch deshalb, weil sind. Was das für die Zahl der Einzelanlagen beunser Land auf dem Gebiet schon viel geleisdeutet, mag man vielleicht daraus ableiten, dass tet hat, aber auch weil hier nicht immer ratioschon heute (Stichtag ) laut einer nale Vernunft waltet. Analysieren wir daher am Statistik des Bundesverbandes der EnergieBeispiel der Stromwirtschaft die Situation. Hier und Wasserwirtschaft Einzelanlagen nehmen wir als Referenz das Jahr 2009: in Deutschland zur Stromerzeugung beitragen. - 10% 16% Zunächst einmal ist aufgrund der Wirtschaftskrise der Stromverbrauch und damit die Stromerzeugung um 6,5 % im Vergleich zum Jahr 2008 auf rund 600 TWh zurückgegangen. Die Erzeugung ruhte im letzten Jahr zu rund 16 % auf erneuerbaren Energiequellen, für 2010 wird für die Kernenergie 25 % erwartet. Der Rest verteilt sich mit 59 % auf Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und sonstige Energieträger wie Öl oder Müll. - 25% Es gibt viele Studien, die sich mit dem Ausbau der regenerativen Energien in Deutschland befasst haben und befassen. Die Bundesregierung und vor allem das Bundesumweltministerium bemühen hier immer die sogenannte Leitstudie. Auf Basis dieser Studie sind als Prämissen die Zielwerte der regenerativen Stromerzeugung in die Szenarienrechnungen für das Energiekonzept eingegangen. Die Ergebnisse der Szenarien, die mittel- bis langfristig Subventionen zur 1/2011 DGG-Mittlg. 11

12 CO 2 -Vermeidungskosten Stromgestehung (2030+) /t CO CO 2 -Vermeidungskosten < 70 /t -50 Verläng. Kernenergie Kohle-KW (o. CCS 4 ) Gas-KW Neubau Kernenergie Wind (onshore) 3 Kohle- KW mit CCS 4 Wind (offshore) 3 Biomasse Geothermie Photovoltaik Anmerkung: Referenztechnologie ist ein Steinkohle-Kraftwerk (KW) zukünftigen Standards mit einem Wirkungsgrad von 53% 1) Wärmegutschrift von 8-32 /MWh el möglich; (2) Biomasseanlage mit 5-50 MW Leistung; 3) Nicht grundlastfähig. Zusatzkosten für Netzausbau & Speicher nicht berücksichtigt; 4) Carbon Capture and Storage (CO2-Abscheidung und Speicherung) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, RWE Bild 11: CO 2 -Vermeidungskosten der Strom erzeugungstechnologien Markteinführung der regenerativen Energien beinhalten, betrachten aber nicht die volkswirtschaftlichen Aspekte oder aus Investorensicht die betriebswirtschaftlich auch sinnvollen Alternativen zur Erreichung der gleichen Treibhausgasemissionsminderungsziele. Wir haben uns daher bei RWE Gedanken gemacht und neben CCS und Kernenergie auch die regenerativen Energien im Hinblick auf ihre langfristige Zukunftsfähigkeit hin im Rahmen einer Zukunftsstudie für Deutschland untersucht. Messlatte hierbei sind die Potenziale und die CO 2 -Vermeidungskosten im Vergleich zu hocheffizienten Steinkohlen kraftwerken mit Wirkungsgraden > 50 %, wie sie im Jahr 2030 zu erwarten sind. Denn nur der Vergleich der bestmöglichen Technologien zum jeweiligen Zeitpunkt ist hier gerecht fertigt und nicht der häufig auch in den Medien kolportierte Vergleich von Zukunfts technologien mit den Technologien in Bestandsanlagen heute. Das Ergebnis, wie es in Bild 11 zu sehen ist, zeigt auf der Basis der CO 2 -Vermeidungskosten, dass alle regenerativen Energieumwandlungen höhere CO 2 -Vermeidungskosten aufweisen als die jeweiligen anderen konventionellen Strom erzeugungsoptionen. Hierbei sind noch nicht mal alle Kosten eingerechnet, die anfallen, um die regenerativen Energien in das gesamte System zu integrieren. Dazu gehören Netzanschlusskosten von Offshore - Windkraftanlagen, Kosten für den Ausbau der Netze und die Kosten der Reservehaltung für die regenerativen Stromerzeugungsarten Wind und Sonne für Zeitpunkte, zu denen weder der Wind weht, noch die Sonne scheint. Unterstellt man hier als Setzung einen Wert von 70 EUR/t CO 2 als noch gerade grenzwertige CO 2 -Vermeidungskosten, so kommen wir in unserer Zukunftsstudie zu dem Ergebnis, dass sowohl On - als auch Offshore - Windstromerzeugung, die Wasserkraft und auch die Biomasse einen zukünftig weiterhin steigenden Anteil an der Stromerzeugung übernehmen können allerdings mit drastisch unterschiedlichen Ausbaupotenzialen. Die Windenergie wird für Deutschland abgeschätzt mit zusätzlichen 110 TWh jährlich, die Wasserkraft mit noch 4 und die Biomasse mit 3 TWh. Geothermie und Photovoltaik würden bei dieser Messlatte von 70 EUR/t CO 2 und dem begrenzten absoluten Ausbaupotenzial aus volkswirtschaftlicher Sicht keine große Rolle spielen. Bei der Meeresenergie sind Kosten- und Potenzialdaten heute noch nicht bekannt. Diese sind zunächst 12 DGG-Mittlg. 1/2011

13 Technologie Erzeugungskosten CO 2 -Vermeidungskosten Ausbaupotential 1) (in /MWh el ) (in /t) (in TWh) Wind (on- und offshore) ) ~ 110 Wasser Biomasse (inkl. Wärmegutschrift) ס ס 3 Geothermie (inkl. Wärmegutschrift) = Attraktive Kosten oder Potential ס = Abhängig von Systemauslegung = Limitierender Faktor 1) Im Zeitraum von in Deutschland zu vertretbaren CO 2 -Vermeidungskosten (unter 70 /t) 2) Bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 5 m/s Quelle: RWE Bild 12: Kosten und Potenziale regenerativer Stromerzeugung Photovoltaik ? Meeresenergie zu ermitteln zu ermitteln 0? einmal zu ermitteln, um dann am Ende eine belastbare Aussage treffen zu können (Bild 12). Einige Ausführungen zur Geothermie: In den von mir vorgestellten Untersuchungen haben wir uns bei RWE ausschließlich mit der Tiefengeothermie beschäftigt. Dass das Ergebnis bezüglich des Nutzungspotenzials der Geothermie so ernüchternd ausfällt, hängt nicht mit dem Geothermiepotenzial in Deutschland zusammen, sondern mit der auf lange Sicht mangelnden Wirtschaftlichkeit. Es gibt hier auch keine Nutzungskonkurrenz im Erduntergrund zwischen der Nutzung für Erdgasspeicher, Druckluftspeicher, CO 2 -Speicher oder ähnliches. Hier sind die Fachverbände durchaus auf einer Kompromisslinie unterwegs. Einzig die Niedertemperatur-Umwandlungsprozesse der Geothermie in Strom und die Wärmebereitstellung für Brauchwärme verbunden mit der Kapitalintensität von ein oder zwei Bohrungen sind hier die Stellgrößen. Insgesamt sollen bis 2020 in Deutschland 50 Anlagen mit 280 MW el in Betrieb genommen werden. Derzeit laufen nur einige wenige Anlagen. Um das praktisch zu erreichende Ziel von 280 MW el in 50 Anlagen zu erreichen, sind vor allem natürlich auch die Geologen gefragt. Allerdings sei an dieser Stelle ein Hinweis erlaubt. In vielen Studien und auch seitens der Politik wird die Nutzung der Kraft-Wärme- Kopplung (KWK) und hier ist natürlich auch die Geothermie eingeschlossen, als klimapolitisch richtiger Weg gefordert. Erste Analysen zeigen aber im langfristigen Trend, dass die CO 2 - Intensität ab einem bestimmten erreichten niedrigen Niveau einer CO 2 -armen Stromer zeugung in Deutschland nicht weiter durch den Ausbau von KWK reduziert werden kann, sondern dass die KWK im kleinen Leistungsbereich stark steigende CO 2 -Vermeidungskosten aufweist und absolut die CO 2 -Emissionen auf Basis fossiler Energien in KWK nicht weiter zurückgeführt werden können, es sei denn mit Hilfe der CCS-Technologie. Über die Photovoltaik in Deutschland ist schon vieles in den Medien berichtet worden, sei es aus umweltpolitischen oder industriepolitischen hier beschäftigungspolitischen Gesichtspunkten. Eine kleine Anmerkung an dieser Stelle: Die Entwicklung und Nutzung der Photovoltaik ist richtig, aber mit dem gleichen Geld, das wir bisher in Deutschland für die Installation von Photovoltaik einrichtungen aufgebraucht haben und in Zukunft als Stromkunden noch zahlen müssen, kann man in Ländern südlich der Alpen fast doppelt soviel Strom erzeugen als in Deutschland. Die Nutzung der Meeresenergie ist in der Tat eine interessante Option und auch eine technologische Herausforderung. Abgesehen von 1/2011 DGG-Mittlg. 13

14 Bild 13: Weltuntergang am laut Maya-Kalender muss verhindert werden (Quelle: Gezeitenkraftwerken, wie es in Frankreich mit 200 MW an der Rance-Mündung schon praktiziert wird, sind andere Optionen wie Wellenkraftwerke oder Strömungskraftwerke durchaus interessant. Hier müssen die Geo wissenschaften uns aber unterstützen mit der Auffindung geeigneter Lokalitäten an den Küsten oder in den Meeren, möglichst aber immer in Küstennähe und damit auch in der Nähe von Verbrauchern. Zusammenfassung Die klimapolitischen Ziele bestimmen aktuell die Energiepolitik und damit die In vestitions strategie und die Entwicklungs aktivitäten zu innovativeren Techniken der Energiewirtschaft und dies natürlich auch bei RWE. Die aktuelle Debatte über die Klima forschung mit ihren Fragestellungen selber verfolgen wir sehr aufmerksam, weil die daraus gezogenen Schlussfolgerungen für die Wirtschaft mit ihrem nur begrenzt vorhandenen Kapital von langfristig strategischer Bedeutung sind. Wir nehmen für uns nicht in Anspruch, in die Klimaforschungsdebatte im Sinne richtig oder falsch einzugreifen. Wir geben dennoch Hinweise, ob die Wege zur Erreichung der vorgegebenen Ziele die richtigen sind, oder ob es sich hierbei zumindest um kostenintensivere Umwege mit Umleitungen handeln könnte oder sogar um Sackgassen. Letztlich entscheiden auch die Geowissenschaften mit, ob die vorgegebenen Wege und Richtungen machbar sind oder nicht. Am Ende gilt es aber, Katastrophenszenarien mental zu trotzen und einen klaren Kopf zu bewahren. Sonst sind wir auf dem Niveau von Glaubensbekenntnissen. Die Mayas haben ja einen eigenen Kalender entwickelt und Roland Emmerich als bekannter Hollywood-Regisseur, spezialisiert auf Katastrophen-Filme, hat das Schreckenszenario eines Welt unterganges im vorhergesagten Jahr 2012 schon filmisch umgesetzt (Bild 13). Die Geowissenschaftler und die Energiewirtschaftler müssen natürlich alles versuchen, dass es zu derartigen Katastrophen nicht kommen wird, sondern es vielleicht doch bei idyllischen Winter - szenen bleibt. Literaturverzeichnis GRUEBLER et al. (2009): In Nebojša Nakićenović, Transformational Change Toward Decarbonization, IIASA-RITE International Symposium, Keidanren Kaikan, DGG-Mittlg. 1/2011

15 Developments in full seismic waveform tomography on continental scales Andreas Fichtner 1, Paul Käufl 2, Brian L. N. Kennett 3, Jeannot Trampert 1, Heiner Igel 2 & Hans-Peter Bunge 2 1 Department of Earth Sciences, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands 2 Department of Earth and Environmental Sciences, University of Munich, Munich, Germany 3 Research School of Earth Sciences, The Australian National University, Canberra, Australia Introduction Recent progress in computational seismology allows us today to simulate the propagation of seismic waves through 3D heterogeneous Earth models with unprecedented accuracy. These new capabilities can now be used to further our understanding of the Earth s structure and dynamics. Full waveform tomography (FWT) is a tomographic technique that takes advantage of numerical solutions of the elastic wave equation. Numerically computed seismograms automatically contain the complete seismic wavefield, including all body and surface wave phases, as well as scattered waves generated by lateral variations of the model Earth properties. The amount of exploitable information is thus significantly larger than in tomographic methods that are based, for instance, on measurements of surface wave dispersion or the arrival times of specific seismic phases. The accuracy of the numerical solutions and the exploitation of complete waveform information result in tomographic images that are both more realistic and better resolved (TAPE et al. 2009, FICHTNER et al. 2009; 2010a, FICHTNER 2010). Here we present applications of FWT to continental-scale problems. We pay special attention to the following issues: (1) the solution of the forward problem, (2) the quantification of waveform differences, (3) the iterative inversion based on adjoint techniques, and (4) the analysis of resolution with the help of probabilistic and deterministic approaches. The tomographic images provide new insight into the structure and dynamics of the upper mantle beneath Australia and Europe. Solution of the forward problem One of the principal advantages of FWT is the accurate solution of the elastic wave equation in laterally heterogeneous Earth models with the help of numerical methods. High accuracy is particularly important for surface waves that are mostly sensitive to strong material contrasts in the lithosphere. A precise solution ensures that the misfit between data and synthetics is primarily caused by imprecise source parameters and the differences between the mathematical model Earth and the real Earth. Several methods have been developed for the solution of the 3D elastic wave equation, each being well suited for particular problems. These methods include, but are not limited to, finitedifference schemes (e.g. IGEL et al. 2002, BOHLEN 2002), their optimal operator variants (e.g. TAKEUCHI & GELLER 2000) and discontinuous Galerkin methods (e.g. DUMBSER & KÄSER 2006). For seismic wave propagation on continental and global scales, the spectral-element method (SEM) has proven to be a working compromise between accuracy and computational efficiency (e.g. FACCIOLI et al. 1997, KOMATITSCH & TROMP 2002). The SEM requires a comparatively small number of grid points per wavelength, and the free-surface boundary condition is automatically accounted for by solving the weak form of the equations of motion. The correct treatment of the free-surface condition ensures the accurate simulation of surface waves that make up more than 90 per cent of the waveforms in our data set. We have implemented an SEM variant that operates in a spherical section where both viscoelastic dissipation and anisotropy can be modelled (FICHTNER & IGEL 2008). The artificial bounda- 1/2011 DGG-Mittlg. 15

16 ries of the spherical section are treated with the anisotropic perfectly matched layers technique (APML) proposed by TEIXEIRA & CHEW (1997) and ZHENG & HUANG (2002). To reduce the computational costs of the forward problem solution, we implemented a smooth long-wavelength equivalent model of the crust derived from crust 2.0 (BASSIN et al. 2000) that allows us to use a coarser grid spacing (FICHTNER & IGEL 2008). The crustal part of the model is also updated during the inversion, thus reducing the effect of potential inaccuracies in the initial crustal model. Fig. 1: Ray coverage used in the full waveform tomographic study. Misfit quantification and minimisation The resolution of tomographic images depends on the amount of data that enters the inversion process. To extract as much waveform information as possible while conforming to the restrictions imposed by the physics of the problem, we measure time-frequency phase misfits (FICHTNER et al. 2008). They quantify the phase differences between observed and synthetic waveforms at different times and for a continuous range of frequencies. The principal advantages of the timefrequency phase misfits are (1) a quasi-linear relation to 3D Earth structure, (2) applicability to all types of seismic waves, including interfering phases that are commonly observed at regional distances, and (3) independence from absolute amplitudes that are strongly influenced by shallow structures such as sedimentary basins. To minimise the cumulative phase misfit of all stations, we implemented a pre-conditioned conjugate-gradient algorithm that updates the Earth model iteratively starting from a 3D initial model that represents the very long wavelength structure of the study region. The gradient of the misfit functional can be computed most efficiently with the help of adjoint techniques (e.g. TARANTOLA 1988, FICHTNER et al. 2006): Following the simulation and storage of the forward wavefield, u, for the current model, the misfit is evaluated. The misfit functional then determines the adjoint source, which is the righthand side of the adjoint wave equation. Solving the adjoint wave equation with the help of the SEM gives the adjoint wavefield, u t. Finally, u and u t are spatially correlated to yield the gradient of the misfit functional with respect to the Earth model parameters. Fig. 2: Horizontal slices through the upper-mantle model AMSAN.19. Left: Isotropic S wave speed at 100 km depth. Right: Radial anisotropy at 100 km depth, expressed in terms of the relative difference between the SH and SV wave speeds. 16 DGG-Mittlg. 1/2011

17 FWT for upper-mantle structure in the Australasian region We first applied our FWT method to the imaging of radially anisotropic upper-mantle structure in the Australasian region (FICHTNER et al. 2009). Our data set consists of 2137 three-component recordings from permanent stations operated by Geoscience Australia, IRIS and GEOSCOPE and from temporary networks operated by The Australian National University. We manually selected time windows where the observed waveforms show a clear correspondence to the synthetics. The resulting set of waveforms comprises fundamental- and higher-mode surface waves, long-period body waves and unidentified phases. The periods of the waveforms range between 30 s and 200 s, thus ensuring that structure to depths of around 350 km can be resolved. The ray coverage, shown in figure 1, is good throughout the eastern part of the continent and decreases towards the west. After 19 iterations we obtained our preferred model, AMSAN.19, shown in figure 2. The iterative improvement of the tomographic model leads to the recovery of realistic absolute velocities that are necessary for the accurate prediction of seismic waveforms. The resolution of the tomographic images, estimated from a series of synthetic inversions, is around 3 laterally and 40 km vertically (FICHTNER et al. 2010a). AMSAN.19 is able to predict complete threecomponent seismic waveforms in the period range from 30 s to 200 s with unprecedented Fig. 3: Tectonic setting of the Banda Arc region with topographic data from ETOPO1 (AMANTE & EAKINS 2009) and trench locations after BIRD (2003). The double line across Flores marks the east west transition from high 3He/4He ratios ( 8RA) to low 3He/4He ratios ( 1RA), respectively, where RA is the helium isotope ratio of air. The inlay shows the isotropic S wave speed variations from AMSAN.19 in the Banda Arc region at 200 km depth. Superimposed is a selection of He isotope ratios as measured by HILTON & CRAIG (1989) and HILTON et al. (1992). 1/2011 DGG-Mittlg. 17

18 accuracy (FICHTNER et al. 2010a). In a pilot study we found that the 3D tomographic model can be used to improve moment tensor solutions that are commonly inferred with the help of 1D Earth models (HINGEE et al. 2010). This opens the door towards more reliable tsunami warnings for the Australasian region. One of the most remarkable features in the tomographic images can be found along the Banda Arc, near the triple junction of the Eurasian, Australian and Pacific plates (figure 3, FICHTNER et al. 2010b). There we observe a previously unrecognised coincidence of transitions in He, Pb, Sr and Nd isotope ratios (e.g. HILTON et al. 1992, VROON et al. 1993, ELBURG et al. 2005) in eastern Flores with the transition from lower wave speeds beneath the eastern Sunda Arc to higher wave speeds beneath the Banda Arc. This coincidence supports the direct transfer of compositional information from isotope measurements into the tomographic images. Low 3 He/ 4 He isotope ratios ( R A, R A = 3 He/ 4 He ratio of air) combined with He abundances (HILTON et al. 1992) and the isotope signatures of Pb, Sr and Nd (e.g. VROON et al. 1993, ELBURG et al. 2005) are consistent with the presence of continental crust at more than 150 km depth beneath the Banda Arc. This suggests the association of the high-velocity material with continental rather than oceanic lithosphere. The predominance of oceanic lithosphere, and thus of oceanic crust, would result in He isotope ratios around R A, as are typically found along circum- Pacific arcs and the Sunda Arc east of the He transition (POREDA & CRAIG 1989). Probabilistic FWT based on tectonic regionalisation The FWT described in the previous paragraph is deterministic in the sense that it results in one single Earth model that explains most of the observed waveforms. While being useful in the detection of smaller-scale features, the deterministic approach does not appraise the nonuniqueness that is inherent in any tomographic inversion. Chequerboard tests and the correlation of tomographic images with independent data (e.g. isotope signatures or well logs) are indicators of resolution, but a complete uncertainty and trade-off analysis requires a probabilistic approach (e.g. TARANTOLA 2005). Fig. 4: Basis functions for the upper parts of the Archean lithosphere (left) and the Proterozoic lithosphere (right), plotted at 100 km depth. The outline of the basis functions is based on previous tomographic studies where the Precambrian units of the Australian lithosphere have been identified consistently (e.g. DEBAYLE & KENNETT 2000, SIMONS et al. 2002, FISHWICK & READING 2008, FICHTNER et al. 2009). 18 DGG-Mittlg. 1/2011

19 Fig. 5: S velocity distribution of a random Earth model (sample) plotted at 100 km and 200 km depth. The background model is PREM (DZIEWONSKI & ANDERSON 1981) To limit the computational costs of a fully probabilistic inversion to a feasible level, we adopted a regionalised model parameterisation. For this we define the basis functions of the model space such that they coincide with (1) the upper ( km depth) and lower ( km depth) parts of the western Australian lithosphere that is predominantly Archean, and (2) the upper ( km depth) and lower ( km depth) parts of the mostly Proterozoic lithosphere in central Australia. The upper basis functions at 100 km depth are shown in figure 4. The model parameters are density, ρ, the S velocity, v s, and the P velocity, v p. It follows that the parameter space is 12-dimensional (4 basis functions times 3 parameters). The structure defined by the linear combination of the basis functions is embedded within the tomographic model AMSAN.19 (figure 2). Smoothing is applied to prevent the generation of artifacts along the sharp boundaries of the basis functions. This regionalised parameterisation of the model space is intended to answer concrete geologic questions, concerning for instance, the reliability of the very high velocities beneath the Archean cratons in western Australia. It furthermore allows us to generate 3D random Earth models efficiently by simply perturbing the 12 model parameters that define the elastic structure within the basis functions. Two examples of randomly generated Earth models are shown in figure 5. With the help of the Neighbourhood Algorithm (SAMBRIDGE 1999) we sampled the parameter space by computing SEM synthetics for nearly 5000 random models. This led to an estimate of the posterior probability distribution (PPD) that reflects the resolution of and the trade-offs between model parameters. The marginal PPDs in figure 6 confirm that the S velocity in the upper layer ( km depth) is elevated relative to the radially symmetric Earth model PREM (DZIEWONSKI & ANDERSON 1981). The most likely S velocity perturbation within the Archean is around 0.35 km/s ( 8 %). As suggested already by FISHWICK & READING (2008) and FICHTNER et al. (2010a), the upper part of the Proterozoic lithosphere differs substantially from its Archean counterpart in western Australia. The S velocity is still elevated but unlikely to exceed 0.3 km/s. A detailed interpretation of the PPD in terms of the physics of wave propagation and the nature of the Australian lithosphere is work in progress. 1/2011 DGG-Mittlg. 19

20 Fig. 6: Marginal posterior probability densities for the absolute S velocity perturbations relative to PREM (DZIEWONSKI & ANDERSON 1981) within the Archean (left) and the Proterozoic (right) at depths between 40 km and 150 km (top basis functions). FWT for the European upper mantle: Towards the quantitative resolution and trade-off analysis in deterministic waveform tomography Limited computational resources restrict the probabilistic approach to problems where the dimension of the parameter space is small, typically below 100. As part of our effort to develop methods for quantitative resolution analysis in large-scale deterministic FWT, we generalised the time-domain adjoint method such that it allows for the efficient calculation of second derivatives, which are the carriers of covariance information in the vicinity of the optimal model (FICHTNER 2010). Each row of the Hessian can be computed by correlating the forward wavefield with a primary and a secondary adjoint wavefield. Since the propagation of both adjoint fields is governed by the elastic wave equation, pre-existing codes do not need to be modified. Moreover, formulas for the computation of Fréchet kernels can be reused for the computation of Hessian kernels, which are defined as the volumetric densities of the second derivatives. The Hessian kernels can be interpreted as resolution and trade-off (RETRO) kernels that provide information on where a specific 3D heterogeneity trades off with structure in other regions of the Earth model. To illustrate the RETRO kernel concept we consider a long-period full waveform tomography for the European upper mantle that is summarised in figure 7. The data used in the inversion are three-component seismograms with a dominant period of 100 s, that provide a good coverage of central and northern Europe (figure 7, left). The inversion was based on the measurement of time- and frequency-dependent phase differences as described above (FICHTNER et al. 2008). As initial model we used the 3D mantle Fig. 7: Full waveform tomography for the European upper mantle. Left: Ray coverage. Centre: Relative v s perturbations at 100 km depth. Right: Zoom on the Iceland hotspot at various depth levels. The background model is PREM (DZIEWONSKI & ANDERSON 1981). 20 DGG-Mittlg. 1/2011

21 the plume trades off with the v s structure in other parts of the European upper mantle. It follows that the low S velocities seen between 80 km and 130 km depth beneath Iceland can not be constrained independently. Strong contributions to our image of the plume structure come from north-eastern Europe and the upper mantle surrounding Iceland. Conclusions and Outlook Fig. 8: Resolution and trade-off (RETRO) kernel at 100 km depth. The kernel corresponds to an S velocity perturbation that extends from 80 km to 130 km depth directly beneath Iceland. The non-zero contributions to the RETRO kernel outline those regions of the European upper mantle that affect our image of the Iceland plume at km depth. structure from S20RTS (RITSEMA et al. 1999) combined with the crustal model by MEIER et al. (2007a, b). After 3 conjugate-gradient iterations we obtained the tomographic images shown in the centre and left panels of figure 7. One of the most prominent features is the low-velocity region beneath Iceland, that is commonly attributed to the high temperatures of a mantle plume associated with the Mid-Atlantic ridge. To quantify the extent to which the plume structure is independently constrained, we consider an S velocity perturbation within a test volume that extends from 80 km to 130 km depth beneath Iceland. Using the extended adjoint method, we compute the column of the Hessian that corresponds to the test volume, i.e. the RETRO kernel for the plume structure between 80 km and 130 km depth. The result is shown in figure 8. The RETRO kernel is a superposition of mostly positive arms that extend from the test volume towards several source and receiver positions. The non-zero contributions of the RETRO kernel are those regions where the v s structure of In this paper we reported on recent developments in continental-scale FWT based on the combination of spectral-element simulations of seismic wave propagation, the adjoint method and the measurement of time-frequency misfits. The purely numerical solutions of the seismic wave equation are accurate for realistically heterogeneous Earth models, and they allow us to exploit information from all types of seismic waveforms, including body waves, surface waves and oscillations that can not be classified in terms of standard seismological phases. We have shown that 3D FWT for realistic problems is indeed feasible. It yields highly resolved tomographic images and an excellent fit to seismic waveforms including both body and surface waves. The joint interpretation of the tomographic images for the Australasian region and isotope signatures along the Banda Arc provides new insight into the subduction of Precambrian continental lithosphere. Promising approaches towards uncertainty quantification in FWT include the probabilistic inversion based on tectonic regionalisations and the RETRO kernel concept. While FWT is already a powerful tool, further improvements are necessary in order to advance our understanding of 3D Earth structure. Future research will address (1) the simultaneous inversion for crust and mantle structure including crustal discontinuities, (2) multi-parameter inversions with a strong focus on 3D density and attenuation structure, (3) multi-scale FWT that combines local- to global-scale data sets, and (4) the quantitative analysis of resolution that goes beyond synthetic inversions and the subjective visual inspection of the results. 1/2011 DGG-Mittlg. 21

22 References AMANTE, C. & EAKINS, B. W. (2009): ETOPO1 1 arc-minute global relief model: Procedures, data sources and Analysis. NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC- 24. BASSIN, C., LASKE, G. & MASTERS, G. (2000): The current limits of resolution for surface wave tomography in North America. EOS Transactions 81: F897. BIRD, P. (2003): An updated digital model of plate boundaries. Geochemistry Geophysics Geosystems 4, doi: /2001GC BOHLEN, T. (2002): Parallel 3D viscoelastic finite difference modelling. Computers & Geosciences 28: DEBAYLE, E. & KENNETT, B. L. N. (2000): The Australian continental upper mantle: Structure and deformation inferred from surface waves. Journal of Geophysical Research 105: DUMBSER, M. & KÄSER, M. (2006): An arbitrary high-order discontinuous Galerkin method for elastic waves on unstructured meshes - II. The three-dimensional isotropic case. Geophysical Journal International 167: DZIEWONSKI, A. M. & ANDERSON, D. L. (1981): Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors 25: ELBURG, M. A., FODEN, J. D., VAN BERGEN, M. J. & ZULKARNAIN, I. (2005): Australia and Indonesia in collision: geochemical sources of magmatism. Journal of Volcanology and Geothermal Research 140: FACCIOLI, E., MAGGIO, F., PAOLUCCI, R. & QUARTERONI, A. (1997): 2D and 3D elastic wave propagation by a pseudo-spectral domain decomposition method. Journal of Seismology 1: FICHTNER, A., BUNGE, H.-P. & IGEL, H. (2006): The adjoint method in seismology - I. Theory. Physics of the Earth and Planetary Interiors 157: FICHTNER, A. & IGEL, H. (2008): Efficient numerical surface wave propagation through the optimization of discrete crustal models - a technique based on non-linear dispersion curve matching (DCM). Geophysical Journal International 173: FICHTNER, A., KENNETT, B. L. N., IGEL, H. & BUNGE, H.-P. (2008): Theoretical background for continental- and global-scale fullwaveform inversion in the time-frequency domain. Geophysical Journal International 175: FICHTNER, A., KENNETT, B. L. N., IGEL, H. & BUNGE, H.-P. (2009): Full seismic waveform tomography for upper-mantle structure in the Australasian region using adjoint methods. Geophysical Journal International 179: FICHTNER, A. (2010): Full seismic waveform modelling and inversion. Springer Verlag, Heidelberg. FICHTNER, A., KENNETT, B. L. N., IGEL, H. & BUNGE, H.-P. (2010a): Full waveform tomography for radially anisotropic structure: New insights into present and past states of the Australasian upper mantle. Earth and Planetary Science Letters 290: FICHTNER, A., DE WIT, M. & VAN BERGEN, M. (2010b): Subduction of continental lithosphere in the Banda Sea region: Combining evidence from full waveform tomography and isotope ratios. Earth and Planetary Science Letters 297: FISHWICK, S. & READING, A. M. (2008): Anomalous lithosphere beneath the Proterozoic of western and central Australia: A record of continental collision and intraplate deformation? Precambrian Research 166: DGG-Mittlg. 1/2011

23 HILTON, D. R. & CRAIG, H. (1989): A helium isotope transect along the Indonesian archipelago. Nature 342: HILTON, D. R., HOOGEWERFF, J. A., VAN BERGEN, M. J. & HAMMERSCHMIDT, K. (1992): Mapping magma sources in the east Sunda-Banda arc, Indonesia: Constraints from helium isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta 56: HINGEE, M., TKALCIC, H., FICHTNER, A. & SAMBRIDGE, M. (2010): Moment tensor inversion using a 3-D structural model: Applications for the Australian region. Geophysical Journal International, under review. IGEL, H., NISSEN-MEYER, T. & JAHNKE, G. (2002): Wave propagation in 3D spherical sections. Effects of subduction zones. Physics of the Earth and Planetary Interiors 132: KOMATITSCH, D. & TROMP, J. (2002): Spectralelement simulations of global seismic wave propagation - I. Validation. Geophysical Journal International 149: MEIER, U., CURTIS, A. & TRAMPERT, J. (2007a): Global crustal thickness from neural network inversion of surface wave data. Geophysical Journal International 169: MEIER, U., CURTIS, A. & TRAMPERT, J. (2007b): Fully nonlinear inversion of fundamental mode surface waves for a global crustal model. Geophysical Research Letters 34: doi: /2007GL POREDA, R. & CRAIG, H. (1989): Helium isotope ratios in circum-pacific volcanic arcs. Nature 338: RITSEMA, J., VAN HEIJST, H. J. & WOODHOUSE, J. H. (1999): Complex shear velocity structure imaged beneath Africa and Iceland. Science 286: SIMONS, F. J., VAN DER HILST, R. D., MONTAGNER, J.-P. & ZIELHUIS, A. (2002): Multimode Rayleigh wave inversion for heterogeneity and azimuthal anisotropy of the Australian upper mantle. Geophysical Journal International 151: TAKEUCHI, N. & GELLER, R. J. (2000): Optimally accurate second-order time-domain finite difference scheme for computing synthetic seismograms in 2-D and 3-D media. Physics of the Earth and Planetary Interiors 119: TAPE, C., LIU, Q. Y., MAGGI, A. & TROMP, J. (2009): Adjoint tomography of the southern California crust. Science 325: TARANTOLA, A. (1988): Theoretical background for the inversion of seismic waveforms, including elasticity and attenuation. Pure and Applied Geophysics 128: TARANTOLA, A. (2005): Inverse problem theory and methods for model parameter estimation 2nd edition. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadephia. TEIXEIRA, F. L. & CHEW, W. C. (1997): Systematic derivation of anisotropic pml absorbing media in cylindrical and spherical coordinates. IEEE Microwave and Guided Wave Letters 7: VROON, P. Z., VAN BERGEN, M. J., WHITE, W. M. & VAREKAMP, J. C. (1993): Sr-Nd- Pb isotope systematics of the Banda arc, Indonesia: Combined subduction and assimilation of continental material. Journal of Geophysical Research 98: ZHENG, Y. & HUANG, X. (2002): Anisotropic perfectly matched layers for elastic waves in cartesian and curvilinear coordinates. MIT Earth Resources Laboratory, Consortium Report. SAMBRIDGE, M. (1999): Geophysical inversion with a neighbourhood algorithm I. Searching a parameter space. Geophysical Journal International 138: /2011 DGG-Mittlg. 23

24 Untersuchung der Lokalisierungsgenauigkeit von Kleinarrays anhand induzierter Seismizität während der Stimulationsphase des Deep-Heat- Mining-Projektes in Basel Martin Häge & Manfred Joswig, Institut für Geophysik, Universität Stuttgart 1. Einführung Aufgrund der tektonischen Lage von Basel am südöstlichen Ende des Oberrheingrabens wurde dieser Ort für eine Pilotanlage eines geothermischen Kraftwerks ausgewählt. Durch die reduzierte Krustenmächtigkeit von ca. 25 km und den damit verbundenen erhöhten geothermischen Gradienten ist in 5 km Tiefe eine Temperatur von ca. 200 C zu erwarten, was die Nutzung von geothermischer Energie wirtschaftlich rentabel machen könnte. Verwendet werden sollte das Hot-Dry-Rock-Verfahren, bei dem mithilfe eines hydraulischen Bruchs durch eine künstliche Stimulation des festen Gesteins eine erhöhte Klüftigkeit erzwungen wird. Durch eine Injektionspumpe wird dann kaltes Wasser in die Tiefe eingepresst, welches sich durch die erhöhten Wasserwegsamkeiten ausbreitet und erwärmt. Eine Produktionsbohrung fördert das erhitzte Wasser zu Tage, wo ein Wärmeaustauscher dem Wasser die Energie zur Strom- und Wärmeproduktion entzieht. Das Bohrloch der Injektionsbohrung befindet sich in dem Basler Quartier Kleinhüningen. Am 2. Dezember 2006 wurde mit der Stimulation begonnen. Geplant waren eine Stimulationsdauer von 21 Tagen und ein Stimulationsvolumen von m 3. Ein wesentlicher Bestandteil während der Stimulationsphase waren die Registrierung und Lokalisierung der induzierten Seismizität, da diese Auskunft über die Dimension des Wärmereservoirs liefert und somit einerseits ein wichtiger Indikator für die Wirtschaftlichkeit ist und andererseits die Lage der Produktionsbohrung mit beeinflusst. Aufgrund eines Erdbebens der Stärke M L = 2.6 in den frühen Morgenstunden des 8. Dezembers 2006 wurde die Stimulation im Laufe des Tages eingestellt, da die im Vorfeld festgelegte Sicherheitsschwelle übertroffen wurde. Bis dato wurde ein Wasservolumen von ca m 3 verpresst. Am selben Tag um 16:48 UTC ereignete sich das bisher stärkste Erdbeben mit M L = 3.4. Trotz Rückgang der Seismizitätsrate nach dem Stopp der Injektion traten in den darauffolgenden zwei Monaten noch drei weitere Erdbeben mit M L > 3 auf. Insgesamt wurden während des Zeitraumes vom 2. bis 8. Dezember 2006 ca seismische Ereignisse registriert (HÄRING et al. 2008). 2. Beschreibung der Messkampagne Wie eingangs erwähnt, war es unter anderem für die Lage der zukünftigen Produktionsbohrung wichtig, die induzierte Seismizität instrumentell zu erfassen und möglichst genau zu lokalisieren. Für diesen Zweck wurden von den Betreibern sechs Bohrlochseismometer in einer Tiefe zwischen 320 m und 2745 m um das Bohrloch installiert (HÄRING et al. 2008), womit von einer hohen Lokalisierungsgenauigkeit ausgegangen werden kann. Dies ermöglichte die Lokalisierungsergebnisse der vorliegenden Messkampagne zu überprüfen, wobei die von den Bohrlochseismometern lokalisierten Ereignisse als Referenzinformationen dienten. Gemessen wurde mit zwei an der Erdoberfläche installierten Kleinarrays, jeweils bestehend aus einem zentralen 3-Komponenten-Seismometer und drei 1-Komponenten-Seismometern mit einem Abstand von ca. 100 m in einem Winkel von ca Das Ziel dieser Messkampagne war, die Lokalisierungsgenauigkeit der Kleinarrays mit den Referenzinformationen zu vergleichen, sowohl die Ergebnisse der Absolut- als auch die der Relativlokalisierung. Um die Seismizität zu erfassen, wurden die zwei Kleinarrays in der Nähe des Bohrlochs installiert. Der Abstand zum Bohransatzpunkt betrug 2.1 km (SNS1) und 4.8 km (SNS2) (Abb. 1). Registriert wurde vom 6. Dezember mittags (12:45 UTC) bis 8. Dezember 2006 morgens (09:30 UTC) mit einer Abtastrate von 400 Hz. 24 DGG-Mittlg. 1/2011

25 Da diese Messkampagne lediglich für einen Vergleich der Lokalisierungsergebnisse diente, wurden exemplarisch 20 Mikrobeben ausgewertet, für die Referenzinformationen vorlagen. Der Magnitudenbereich der ausgewählten Ereignisse liegt im Bereich 0.7 M L 2.2. Hierbei handelt es sich um Mittelwertmagnituden der Zentralstationen beider Kleinarrays. Bei der Bestimmung der Magnituden traten für dasselbe Ereignis zwischen beiden Kleinarrays Unterschiede bis zu 0.5 auf. Ursache hierfür ist vermutlich die Abstrahlcharakteristik des Herdes bei geringer Epizentraldistanz. Ein Vergleich der Magnitudenwerte mit den Referenzinformationen zeigt eine mittlere Differenz von 0.35, wobei die Referenzereignisse mit einer Magnitudenungenauigkeit von ±0.2 behaftet sind (DEICHMANN & GIARDINI 2009). Um die Lokalisierungsergebnisse direkt zu vergleichen, wurde zuerst das Geschwindigkeitsmodell des Schweizerischen Erdbebendienstes (SED) verwendet, welches auf einer landesweiten 3-D-Tomografie basiert (HUSEN et al. 2003). Die Daten dieser Studie wurden mit der Software HypoLine ausgewertet (JOSWIG 2008). Da in diesem Programm lediglich ein 2-D-Modell für die Lokalisierung verwendet werden kann, wurde dieses aus dem 3-D-Modell extrahiert. Wie in Abb. 1 zu erkennen ist, liegen der Bohransatzpunkt und die beiden Kleinarrays (SNS1 und SNS2) in der Nähe eines Knotenpunktes. Die Geschwindigkeitsvariation von einem Knoten punkt zum anderen ist in diesem Bereich vernachlässigbar gering, so dass das Geschwindigkeits-Tiefenmodell von dem nächstliegenden Knotenpunkt ohne Interpolation verwendet werden konnte. Es stellte sich jedoch heraus, dass dieses Geschwindigkeitsmodell nicht in Einklang mit den Daten zu bringen war, da die Geschwindigkeiten zu hoch waren (v p = 4.47 km/s in 0 km, v p = 5.19 km/s in 2 km, v p = 5.33 km/s in 5 km sowie v p = 6.12 km/s in 8 km Tiefe). Die Auswertung des SED hat ergeben, dass die Lokalisierung unter Einbezug der Daten des nationalen Netzes die Ergebnisse nicht verbessert, weshalb für die Lokalisierung der Referenzereignisse nur die Bohrlochseismometer verwendet wurden (DEICHMANN & GIARDINI 2009). Da die Bohrlochstationen nicht dem Einfluss der langsamen oberflächennahen Sedimentschichten unterworfen sind, ist das auf der landesweiten 3-D-Tomografie basierende Geschwindigkeitsmodell für diese adäquat. Für die Lokalisierung der in dieser Feldstudie registrierten Ereignisse wurde ein homogener Halbraum mit v p = 3.5 km/s und v s = 2 km/s benutzt. Diese Geschwindigkeiten wurden anhand der t s -t p -Laufzeitdifferenzen, dem Schnittpunkt der beiden Richtstrahlen sowie einer Hyperbel aus t P(SNS1) -t P(SNS2) bestimmt. Diese Bestimmung wäre mit nur einem Kleinarray nicht möglich gewesen. Abb. 2 zeigt das Ergebnis der Absolutlokalisierung im Vergleich zu den Ergebnissen des SED. Die mittlere Lokalisierungsdifferenz liegt bei 770 m in horizontaler und 360 m in vertikaler Richtung. Zusätzlich sind in Abb. 2 die jeweils zusammengehörenden Ereignisse markiert. Zu erkennen ist eine eher systematische Verschiebung, wodurch die räumliche Trennung der beiden Cluster auf das unterschiedlich verwendete Geschwindigkeitsmodell zurückzuführen ist. 3. Relativlokalisierung Abb. 1: Lage der Kleinarrays SNS1 und SNS2, des Bohrlochs (Kreuz) und der Knotenpunkte des 3-D-Geschwindigkeitsmodells in einem linkshändigen Koordinatensystem. Der Ursprung x = 0.0 und y = 0.0 befindet sich auf 46.5 N und 9 E. Um aus der recht diffusen Seismizitätsverteilung in Abb. 2 eine dominierende Streichrichtung der Seismizität aufzulösen, wurde eine Relativlokalisierung mit der in HypoLine ver- 1/2011 DGG-Mittlg. 25

26 Abb. 2: Vergleich der Lokalisierungsergebnisse Abb. 3: Absolut- und Relativlokalisierung von 20 Ereignissen mittels HypoLine fügbaren Master event -Methode durchgeführt. Als Master event diente das stärkste der 20 Ereignisse mit M L = 2.6. Abb. 3 zeigt das Ergebnis der 20 relativ-lokalisierten Ereignisse im Vergleich zur Absolutlokalisierung mit einer nordnordwest-südsüdöstlichen Verteilung der Seismizität. Um die Orientierung dieser relokalisierten Ereignisse einzuordnen, sind in Abb. 4 die Ergebnisse zweier Arbeiten gezeigt, die eine Relokalisierung für einen längeren Zeitraum und eine größere Anzahl von Ereignissen durchgeführt haben. Abb. 4a zeigt 190 mit der Master event - Methode relativ-lokalisierte Ereignisse im Zeitraum vom 2. Dezember 2006 bis zum 30. September 2007 unter Benutzung von v p = 5.95 km/s und einem konstanten v p /v s -Verhältnis von 1.72 (DEICHMANN & GIARDINI 2009). Bis auf fünf Ereignisse wurden alle mit den sechs Bohrlochstationen lokalisiert. Abb. 4b stammt aus einer Studie von KAHN (2008) und zeigt das Ergebnis der Relokalisierung von ca Ereignissen, die zwischen dem 2. und 8. Dezember 2006 auftraten. Die Ereignisse wurden mit einem Double difference -Algorithmus unter Benutzung der Abb. 4: Epizentralverteilung relativ-lokalisierter Ereignisse mit der Master event -Methode in a) (nach DEICHMANN & GIARDINI 2009) und einem Double difference -Algorithmus in b) (nach KAHN 2008). 26 DGG-Mittlg. 1/2011

27 sechs Bohrlochstationen relokalisiert, wobei ein vernachlässigbarer Unterschied zwischen den Methoden der Singulärwertzerlegung (SVD) und dem Verfahren der konjugierten Gradienten (LSQR) auftrat. Für die Lokalisierung wurden sowohl Katalog- als auch Kreuzkorrelationsdaten mit folgendem Geschwindigkeitsmodell verwendet: Schicht 1: m, v p = 3.98 km/s, v s = 2.08 km/s; Schicht 2: >2265 m, v p = 5.94 km/s, v s = 3.45 km/s. Beide Ergebnisse zeigen eine nordnordwest-südsüdöstliche Orientierung der Seismizität. Um die Genauigkeit der in HypoLine durchgeführten Relativlokalisierung zu überprüfen, wurden aus Abb. 4a und 4b die entsprechenden 20 Ereignisse extrahiert. Abb. 5 zeigt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse der Master event -Relokalisierung mittels HypoLine, der Master event -Relokalisierung von DEICHMANN & GIARDINI (2009) und der Relokalisierung mittels Double difference -Algorithmus von KAHN (2008) für die gleichen Ereignisse. Bei den mit der Double difference -Methode relokalisierten Ereignissen wurden bei den Kreuzkorrelationsberechnungen vier Ereignisse eliminiert, sodass nur 16 Ereignisse vorhanden sind. Wie zu erkennen liegt bei allen drei Methoden eine nordnordwest-südsüdöstliche Verteilung der Epizentren vor. Die Lage der Cluster hängt von der Genauigkeit der Absolutlokalisierungen Abb. 5: Vergleich verschiedener Relokalisierungsergebnisse ab. Die mittlere Lokalisierungsdifferenz im Vergleich zu den Ergebnissen von DEICHMANN & GIARDINI (2009) beträgt 420 m in x-richtung und 110 m in y-richtung, zu den Ergebnissen von KAHN (2008) 110 m in x-richtung und 110 m in y-richtung. Im Rahmen dieser Studie der Lokalisierungsgenauigkeit von Kleinarrays mit der Auswertesoftware HypoLine wurden auch Inversionsverfahren zur Lokalisierung getestet. Das Problem dabei ist die schlechte azimutale Stationsverteilung und die geringe Stationsanzahl der Kleinarrays, wodurch die Modellmatrix schlecht konditioniert ist. Dies kann zu numerischen Instabilitäten führen. ROSS et al. (2001) zeigten, dass die Anwendung des Double difference -Algorithmus bei einer einseitigen Stationsüberdeckung keine Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit erbringt. Im Folgenden wurde zum einen die Master event -Methode nach CONSOLE & DI GIOVAMBATTISTA (1987) mit dem Programm RELOCLIN (N. Deichmann, SED) und zum anderen ein Double difference -Algorithmus mit dem Programm hypodd (WALDHAUSER 2001) und den beiden Lösungsmethoden SVD und LSQR angewendet. Die Methode der SVD löst das Gleichungssystem ohne Näherung und ist deshalb bei einer schlecht konditionierten Modellmatrix anfällig für numerische Instabilitäten. Die Methode der LSQR hingegen benutzt einen Dämpfungsfaktor, um die Lösung zu stabilisieren, maskiert somit allerdings Missverhältnisse in der Modellmatrix. Für die Relokalisierung wurden die Phaseneinsatzzeiten beider Kleinarrays benutzt, d. h. es standen für jedes Ereignis acht P- sowie zwei S-Einsatzzeiten zur Verfügung, wobei bei der Methode der double differences auch relative Laufzeitunterschiede mit einbezogen sind. Diese wurden mit einer Korrelation im Frequenzbereich unter Benutzung eines Korrelationsfensters der Länge 0.5 s, beginnend 50 ms vor dem manuell bestimmten P- bzw. S-Einsatz, berechnet. Es wurden nur solche Ereignispaare berücksichtigt, bei denen der quadrierte Wert des Kohärenzspektrums im Frequenzbereich 5 bis 15 Hz für die P-Phase und 10 bis 20 Hz für die S-Phase 0.6 ist. Die Laufzeitdifferenzen aus Kreuzkorrelationsberechnungen wurden mit dem Mittelwert dieser quadrierten Werte des jeweili- 1/2011 DGG-Mittlg. 27

28 Abb. 6: Verschiedene Methoden der Relativlokalisierung, berechnet mit den Stationen von SNS1 und SNS2 gen Kohärenzspektrums, die Absolutlaufzeiten je nach Signal-Störverhältnis individuell zwischen 0.3 und 1.0 gewichtet. Bei dem Programm RELOCLIN wurde die Unsicherheit der P-Einsätze mit ±2.5 ms, die der S-Einsätze mit ±5 ms gewichtet. Abb. 6 zeigt das Ergebnis der verschiedenen Relativlokalisierungsmethoden. Zu erkennen ist, dass im Vergleich zu den Ergebnissen der Master event -Relokalisierung mit HypoLine der LSQR-Algorithmus das beste Ergebnis liefert bzw. die Ereignisse die gleiche Streichrichtung andeuten, wohingegen die Ereignisse, die mit RELOCLIN und dem SVD-Algorithmus relokalisiert wurden, einen Verlauf in westnordwest-ostsüdöstlicher Richtung aufweisen. Um die Robustheit dieser Lösungen zu überprüfen, wurden zahlreiche Parameterkonfigurationen getestet. Es zeigte sich, dass keine Inversionsmethode ein akzeptables, stabiles Resultat liefert. Kleinste Änderungen der Parameter, insbesondere der Wichtungsparameter, wirkten sich auf die Lage der Epizentren aus. Diesen großen Einfluss der Inversionsparameter auf das Lokalisierungsergebnis bei einer einseitigen Stationsüberdeckung beobachteten auch BRAUNMILLER et al. (1997) anhand der Lokalisierung des ablandig liegenden Petrolia- Erdbebens vom Um den Lokalisierungsfehler abzuschätzen, wurde bei der Methode SVD der kleinste quadratische Fehler e 2 = R*var berechnet, wobei R die Diagonalelemente der Kovarianzmatrix R = UΛ -2 U T und var die Varianz der gewichteten Residuen ist (WALDHAUSER & ELLSWORTH 2000). Abb. 7 zeigt die berechnete Abb. 7: Relokalisierungsunsicherheit berechnet mit der Methode des kleinsten quadratischen Fehlers 28 DGG-Mittlg. 1/2011

29 Lokalisierungsunsicherheit in x- und y-richtung, wobei aufgrund der Stationsverteilung der Fehler in x-richtung größer ist (bis zu 3.6 km) als in y-richtung (bis zu 1 km). Diese hohe Unsicherheit zeigt, dass das Resultat nicht aussagekräftig ist. Ferner ist nicht zu erwarten, dass die Lösungen mittels SVD und LSQR so große Diskrepanzen aufweisen. Um zu überprüfen, ob beide Algorithmen ein lokales Minimum darstellen, wurde eine erneute Lokalisierung durchgeführt, jeweils mit den Ergebnissen der anderen Methode als Startlokationen, d. h. SVD mit LSQR-Lokationen und LSQR mit SVD- Lokationen. In beiden Fällen beginnt die Lokalisierung mit einem Minimum des anderen Algorithmus. Wenn nun beide Lösungen annähernd gleich bleiben, liegen zwei lokale Minima vor. Es zeigte sich jedoch, dass beide Lösungen, sowohl SVD mit LSQR-Lokationen als auch LSQR mit SVD-Lokationen, in die Ausgangslage zurückkonvergieren. Dies beweist, dass die scheinbare Anordnung der Seismizität ein Artefakt der Lösungsmethode darstellt, und zeigt, dass die unterschiedlichen Konvergenzen bei den Methoden SVD und LSQR eine fundamentale Instabilität aufgrund der mangelhaften Netzwerkgeometrie widerspiegeln. 4. Zusammenfassung Diese Messkampagne hatte zum Ziel, die Lokalisierungsgenauigkeit von Erdbeben, die mit zwei Kleinarrays ermittelt wurden, zu überprüfen und zu verifizieren. Das dichte Netzwerk von Bohrlochseismometern lieferte hierzu gute Referenzinformationen, sowohl für einen Vergleich der Absolutlokalisierung als auch der Relativlokalisierung. Durch die obertägige Installation der Kleinarrays war mit dem Geschwindigkeitsmodell, das für die Lokalisierung der Referenzdaten verwendet wurde, keine sinnvolle Lokalisierung möglich, da die langsamen oberflächennahen Sedimentschichten eine geringere Geschwindigkeit erforderten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit der Auswertesoftware HypoLine trotz eines unbekannten Geschwindigkeitsmodells und unbekannter Herdtiefe durch Plausibilitätskriterien wie Schnittmenge von t s -t p -Laufzeitdifferenzen, Richtstrahlen und Hyperbeln eine sehr hohe Lokalisierungsgenauigkeit erreicht werden kann. Zur Bestimmung eines adäquaten Geschwindigkeitsmodells war dabei insbesondere die Kombination der beiden Richtstrahlen mit den t s -t p -Laufzeitdifferenzen von Nutzen. Neben dem Vergleich der Absolut loka lisierung wurden verschiedene Relativ lokalisierungsmethoden getestet und verglichen. Es zeigte sich, dass für eine schlechte azimutale Stationsüberdeckung sowie geringer Stationsanzahl die Programme RELOCLIN und hypodd für die Relokalisierung nicht geeignet sind. Der Grund hierfür liegt in der nahezu singulären Modellmatrix sowie in der beschränkten Möglichkeit einer Konvergenzkontrolle. Zwar lässt sich mittels Kovarianzmatrix und Analyse des Lösungsverhaltens bei kleinen Parameteränderungen die Lokalisierungs unsicherheit abschätzen, aber bei einer schlecht konditionierten Matrix ist die Methode der SVD anfällig für Instabilitäten. Diese können selbst mit einem gedämpften System (LSQR) nicht behoben werden. Die Ergebnisse, die hingegen mit der Master event -Methode in HypoLine erzielt wurden, zeigen eine gute Überein stimmung mit der Epizentrenverteilung der Referenzinformationen. Ermöglicht wird dies unter anderem durch die stetige Kontrolle des Einflusses einzelner Parameter auf die Lösung. Bei der Master event -Methode in HypoLine ist eine Relativlokalisierung nur in einer konstanten Tiefenlage möglich, wodurch keine Informationen über das Einfallen der Bruchfläche gewonnen werden können. Danksagung Danken möchten wir Herrn William L. Ellsworth für die zahlreichen Hilfestellungen zu dem Programm hypodd sowie Herrn Nicolas Deichmann und Herrn Dan Kahn für die Bereitstellung ihrer Lokalisierungsergebnisse. Herrn Marco Walter danken wir für die Unterstützung bei der Feldarbeit. Informationen zu diesem Projekt wurden den Internetseiten der Betreiber Geothermal Explorers Ltd ( und 1/2011 DGG-Mittlg. 29

30 Geopower Basel AG ( sowie des Schweizerischen Erdbebendienstes ( basel) entnommen. Literaturverzeichnis BRAUNMILLER, J., LEITNER, B., NÁBĔLEK, J. & TRÉHU, A. M. (1997): Location and source parameters of the 19 June 1994 (M W = 5.0) Offshore Petrolia, California, Earthquake. - Bull. Seismol. Soc. Am., 87(1): CONSOLE, R. & DI GIOVAMBATTISTA, R. (1987): Local earthquake relative location by digital records. - Phys. Earth Planet. Inter., 47: DEICHMANN, N. & GIARDINI, D. (2009): Earthquakes induced by the stimulation of an enhanced geothermal system below Basel (Switzerland). - Seis. Res. Lett., 80(5): , doi: /gssrl HÄRING, M. O., SCHANZ, U., LADNER, F. & DYER, B. C. (2008): Characterisation of the Basel 1 enhanced geothermal system. - Geothermics, 37: ; doi: /j. geothermics JOSWIG, M. (2008): Nanoseismic monitoring fills the gap between microseismic networks and passive seismic. - First Break, 26: KAHN, D. (2008): Hydro-Fractured Reservoirs: A Study using Double-Difference Location Techniques. - Ph.D., Dissertation, Duke University. ROSS, S. L., MICHAEL, A. J., ELLSWORTH, W. L., JULIAN, B., KLEIN, F., OPPENHEIMER, D., RICHARDS-DINGER, K. & WALDHAUSER, F. (2001): Effects of initial location error and station distribution on double-difference earthquake relocations: comparing the San Gregorio and Calaveras Faults. - Seismol. Res. Lett., 72(2): WALDHAUSER, F. (2001): hypodd - A program to compute double-difference hypocenter locations. - U. S. Geol. Surv. Open-File Rep., WALDHAUSER, F. & ELLSWORTH, W. L. (2000): A Double-Difference earthquake location algorithm: method and application to the Northern Hayward Fault, California. - Bull. Seismol. Soc. Am., 90(6): HUSEN, S., KISSLING, E., DEICHMANN, N., WIEMER, S., GIARDINI, D. & BAER, M. (2003): Probabilistic earthquake location in complex three-dimensional velocity models: application to Switzerland. - J. Geophys. Res., 108(B2): 2077; doi: /2002jb DGG-Mittlg. 1/2011

31 Zusammenarbeit zwischen Geophysik und Bergbau Geschichte einer Forschungsgemeinschaft Teil 2: Zeitraum Hans-Jürgen Dürbaum, Isernhagen, Siegfried Greinwald, Hannover & Rudolf Thierbach, Ronnenberg 6 Forschungsaktivitäten seit Untersuchung von Salzstöcken aus Tiefbohrungen In den 1970er Jahren gewann die Untersuchung von Salzstöcken nicht nur bei der Kali-Industrie, sondern auch bei den staatlichen Stellen stark an Bedeutung. Grund war neben der Schaffung von Speicherkavernen für Öl und Gas vor allem die geplante Errichtung eines atomaren Endlagers, für das der Salzstock Gorleben vorgesehen war. Die notwendigen Untersuchungen dieses Salzstocks erfolgten mit einem Minimum an Bohrungen, um den Salzstock möglichst unverritzt zu halten. Dafür boten sich die in der Forschungsgemeinschaft (FG) Seismik e.v. seit Jahren entwickelten hochfrequenten elektromagnetischen Verfahren EMR und EMA an. Im Sommer 1976 entstand aus der Diskussion in der FG Seismik e.v. die Idee zur Entwicklung von hochfrequenten elektromagnetischen Bohrlochmessverfahren mit der Reflexions- als auch Absorptionsmethode in Tiefbohrungen zur Erkundung von unerschlossenen Salzstöcken. Bei Verwenden von Ölspülung beim Niederbringen der Bohrungen konnte man sich vorstellen, erfolgreich Informationen über die Struktur der Salzstöcke und das Auftreten von Lösungen zu bekommen. Gemeinsam mit Prakla-Seismos, die 1976 Mitglied der FG Seismik e.v. wurde, stellte die BGR einen Forschungsantrag beim Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT), der auch genehmigt wurde. Abb. 7 zeigt die EMR-Sonde, wie sie in Gorleben zum Einsatz kam. Zudem stellte das BMFT Mittel für zwei Versuchsbohrungen zur Verfügung, die mit Unterstützung der Kali und Salz AG in die nördliche Fortsetzung des Bokeloher Salzstocks bei Schneeren niedergebracht wurden und zur Erprobung der Bohrlochsonden dienten. Abb. 7: Blick auf die mehr als 20 m lange richtungssensible EMR-Tiefbohrlochsonde, wie sie bei der Untersuchung von Gorleben zum Einsatz kam. Ihre Entwicklung beruhte zu wesentlichen Teilen auf Vorarbeiten innerhalb der Forschungsgemeinschaft Seismik e.v. Die Entwicklung der Tiefbohrlochsonden erfolgte in guter und intensiver Zusammenarbeit und in dem durch das Forschungsvorhaben gegebenen Zeitrahmen. Besonders wichtig für die Interpretation der erhaltenen Reflexionssignale war die Realisierung des gerichteten EMR-Empfangs. Die Entwicklungsarbeiten der Prakla-Seismos-Arbeitsgruppe um den Chefingenieur Friedhelm Sender führten zu den weltweit ersten Hochfrequenz-Messsonden mit digi- 1/2011 DGG-Mittlg. 31

32 taler Datenübertragung der HF-Signale. Das Übertragungssystem war so ausgelegt, dass alle mit standardisierten Bohrlochkabeln ausgerüsteten Windenfahrzeuge die Fahrung der Sonden durchführen konnten. Die Sonden waren für Tiefen bis zu 3000 Meter und 95 C Gebirgstemperatur geeignet. Die HF-Komponenten der Sonden Sender, Empfangsverstärker und Dipolantennen wurden in Anlehnung an die beim Bau der Untertage- Apparaturen gewonnenen Erfahrungen von der BGR/NLfB-Arbeitsgruppe entwickelt. Nach einer Reihe von erfolgreichen Messungen im Salzstock Gorleben und in zwei Salzstöcken in Jütland / Däne mark (HOFRICHTER et al. 1982) überraschte F. Sender mit einem neuartigen System einer Bohrloch-Richtantenne, die azimuthale Richtungswerte lieferte und durch antisymmetrische Anordnung der paarweise vorhandenen Antennenelemente Einflüsse der Bohrlochwandung auf die Messergebnisse eliminierte. Diese Antenne wurde seitdem nach intensiver Erprobung in der Radarsonde verwendet (SENDER et al. 1980). In der Frühzeit der Erkundung des Salzstockes Gorleben war der wichtigste Ansatz für den Einsatz der elektromagnetischen Verfahren das Niederbringen von vier Tiefbohrungen (Tiefe ca m) in den Salzstock und von zwei Schacht-Vorbohrungen, aus denen erste Abb. 8: Ergebnisse der EMR-Messungen in der Tiefbohrung Die erkennbaren Reflexionen vermitteln ein deutliches Bild von inneren Strukturen des Salzstocks. 32 DGG-Mittlg. 1/2011

33 Untersuchungen des Salzstocks vorgenommen wurden. Hier sollten beide Methoden, das Reflexions- und das Absorptionsverfahren, zum Einsatz kommen. Ein wichtiger Punkt war, dass wegen der politischen Bedeutung des Endlagers sehr viel Geld zur Verfügung stand und dass damit die notwendige Weiterentwicklung der richtungssensiblen EMR-Empfangs antennen möglich war. Wegen der geringen Anzahl von Bohrungen war die Verbesserung der Messtechnik unbedingt erforderlich. Diese neue Antenne brachte wesentlich verbesserte Informationen, insbesondere weil die Reflexionen aus dem Salzstock über Laufzeit und Richtung in ihrer Position und damit auch geologisch genau zugeordnet werden konnten. Ihr Einsatz ergab als praktisch einziges Verfahren wesentliche Informationen aus dem Bereich zwischen den Bohrungen und erbrachte so großräumige Informationen darüber, ob der Salzstock Gorleben als Endlager überhaupt geeignet ist (Abb. 8). 6.2 Elektromagnetik zur Erzsuche Eine erneute Intensivierung der Tätigkeit auf dem Erzsektor erfolgte 1977 durch den Eintritt der Metallgesellschaft in die FG Seismik e.v. Die Zielsetzung der Metallgesellschaft war das Auffinden neuer Erzlagerstätten weltweit, wobei vor allem elektromagnetische Verfahren zum Einsatz kamen. Wegen der damit verbundenen Veränderung des Aufgabengebietes wurde die FG Seismik e.v. zum 1. Januar 1977 in FG Explorationsgeophysik e.v. umbenannt. Dabei wurde die offizielle Zielsetzung des Vereins, die durch seine Satzung definiert war, erweitert. Während vorher im Wesentlichen die Weiterentwicklung seismischer Verfahren gefördert wurde, gehörte jetzt der Einsatz aller geophysikalischen Methoden für die Zwecke der Erz- und Salzexploration zu den gewünschten Vorgehensweisen. Auf Anregung der Metallgesellschaft wurden Anfang der 1980er Jahre mit dem EMR-Gerät Messungen im Bergbaugebiet Nanisivik im Norden Kanadas (Baffin Island) unternommen. In dem sehr tief von Permafrost durchdrungenen Untergrund mit den dadurch bedingten sehr hohen elektrischen Widerständen konnte der dort liegende Erzkörper in seinem Verlauf klar erfasst werden kam es zur Teilnahme der hochfrequenten Absorptionsmethode an der Erprobung von elektromagnetischen Methoden verschiedener Geophysikinstitute in der Grube Stefanie der Bleiberger Bergwerksunion. Die Ergebnisse wurden von den Bleiberger Geologen und Bergleuten zunächst als erfolglos gedeutet. Der Einsatz dieses Verfahrens erwies sich später aber als sehr erfolgreich, als die Messmethode iterativ mit Bohrungen eingesetzt wurde. Hatte die erste Bohrung noch den leitfähigen Erzkörper verfehlt, so konnten Messungen mit Nutzung dieser neuen Bohrung den Körper so genau lokalisieren, dass eine Folgebohrung fündig wurde. Auf diese Weise wurde die Konradi-Vererzung auf dem 13. Lauf der Grube Stefanie mit Hilfe der Geophysik im Januar 1985 wiedergefunden. Ein systematischer Einsatz der Methode und die Überprüfung mit Bohrungen (wie oben beschrieben) ergab eine hohe Erfolgsquote und bestätigte so die Richtigkeit der Aussagen hinsichtlich des Antreffens oder Nichtantreffens von Erzeinlagerungen (NICKEL et al. 1989). An der Suche nach Erzen in Kanada, die seit 1974 von der Metallgesellschaft in einem Joint Venture mit internationaler Beteiligung durchgeführt wurde, war die BGR durch die Entsendung von Dr. Siegfried Greinwald nach Kanada auch an der Methoden-Weiterentwicklung beteiligt. Zum Einsatz kam dabei vor allem ein airborne -elektromagnetisches System, das DIGHEM- System, mit dem ausgewählte, besonders höffige Areale auf der Suche nach Blei-, Kupfer- und Zinkvererzungen überflogen und exploriert wurden. Diese Kooperation auf dem Gebiet der Airborne-Geophysik führte im Zuge der nach der Ölkrise von der Bundesrepublik verstärkt geförderten Rohstoffforschung 1976 zum Kauf des ersten eigenen Airborne-Messsystems der BGR in Kanada. In einer technisch wesentlich erweiterten Form (gleichzeitige Verwendung von sechs unterschiedlichen Frequenzen mit digitaler Datengewinnung (SIEMON et al. 2009) leistet es bis heute hervorragende Dienste bei der Wassersuche und der geologischen Erkundung in Europa und vielen anderen Teilen der Welt. Zusätzlich wurden dessen Interpretations- und Aussagemöglichkeiten in der BGR grundlegend verbessert und die Ergebnisse in einer optisch eindrucksvollen Form präsentiert (SENGPIEL 1983). Dieses Airborne-System ist heute zum 1/2011 DGG-Mittlg. 33

34 wichtigsten geophysikalischen Oberflächen- Messsystem der BGR geworden. 6.3 Episode DEKORP (Dezember 1982) Das Forschungskollegium Physik des Erdkörpers e.v. (FKPE ) hat Ende der 1970er, Anfang der 1980er Jahre den Anstoß zu einem geowissenschaftlichen Großprojekt gegeben, dem Deutschen Kontinentalen Reflexionsseismischen Programm DEKORP. Mit reflexionsseismischen Profilen, die die gesamte Erdkruste erfassen, sollten vor allem diejenigen Bereiche der damaligen Bundesrepublik erforscht werden, in denen wegen fehlender Erdöl/Erdgas-Prospektion nur sehr wenige Kenntnisse über den tiefen Untergrund und dessen Tektonik vorhanden waren. Vor allem ging es um die tektonischen Vorgänge während des Paläozoikums, insbesondere im Bereich der deutschen Mittelgebirge. Nachdem das BMFT zu erkennen gegeben hatte, dass es auch solche größeren Grundlagenforschungsprogramme zu fördern bereit war, wurde ein entsprechender Forschungsantrag ausgearbeitet. Das FKPE wählte die Herren Prof. Dohr (Preussag Energie), Dürbaum (BGR) und Meissner (Uni Kiel) als Projektleiter. Der Antrag sollte von der Alfred- Wegener-Stiftung, Bonn, gestellt werden, dem damals Prof. Dr. Hans Closs als Präsident vorstand. Für die ordnungsgemäße Verwaltung der Haushaltsmittel war da das FKPE nicht geneigt war, diese der BGR-Verwaltung zu geben auf Vorschlag von Dürbaum wegen ihrer Kompetenz die FG Explorationsgeophysik e.v. vorgesehen. Nachdem der Antrag gerade gestellt war, verstarb ganz plötzlich Hans Closs, und die Alfred-Wegener-Stiftung sah sich unter seinem Stellvertreter Prof. Schreyer (Bochum) nicht mehr in der Lage, die vorgesehene Planung weiter zu verfolgen. Das BMFT entschied dann sehr kurzfristig, dass der DEKORP- Hauptantrag für die seismischen Arbeiten vom NLfB, der Abteilung für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben heutiges Leibniz- Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) und die begleitenden Forschungsanträge der Universitätsinstitute von diesen direkt gestellt werden sollten. So erledigte sich dieses mögliche größere Engagement der FG Explorationsgeophysik e.v. 6.4 Mineralogische Ausbildung von herausragenden EMR-Reflexionen In der FG Explorationsgeophysik e.v. gingen die grundlegenden Untersuchungen zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen im Salz weiter. Sie sollten zu einem besseren Verständnis der Messergebnisse aus Salzlagerstätten beitragen. Um auch die Interpretation der Messdaten weiter zu verbessern, wurde bei der AIF ein Antrag zur stofflichen Zuordnung von salzgeologischen Schichten durch Beobachtung von Amplituden und Phasen reflektierter elektromagnetischer Wellen gestellt. Die AIF tat sich aber schwer mit der Behandlung dieses Antrags, er wurde mehrfach zurückgestellt und schließlich abgelehnt. Einer der Gründe war, dass die AIF der Förderung der Klein- und Mittelständischen Industrie verpflichtet ist und die Kali und Salz AG durch den Konzentrationsprozess im Salzbergbau kaum noch dazu zu rechnen war. So war es nur konsequent, dass die FG Explorationsgeophysik e.v. Ende 1991 aus der AIF austrat. Bei den Radarmessungen im nördlichen Werra- Gebiet wurden in der überwiegend horizontalen Lagerung sehr viele Reflexionen und damit Schichtgrenzen gefunden. Besonders ins Auge stach jedoch eine Reflexion, die über die gesamte Lagerstätte verfolgt werden konnte und die geologisch mit einer bestimmten Schichtgrenze, der schon erwähnten 100sten Tonlinie identisch ist (vgl. Abschnitt 5.3). Diese Linie, die nur eine Mächtigkeit von 0,5 bis 3,0 cm aufweist, zeichnete sich bei Radarwellen mit mehreren Metern Wellenlänge durch ihre besondere Reflektivität aus. Sie war bei ersten mineralogischen Untersuchungen durch keine besonderen Eigenschaften gegenüber anderen Schichtgrenzen aufgefallen. Eine enge Kooperation zwischen BGR sowie der Kali und Salz AG führte dann zur Vergabe eines Forschungsauftrags der FG Explorationsgeophysik e.v. an das Mineralogische Institut der TU Clausthal. Die Durchführung der Untersuchungen unter Tage wurde durch die enge Kooperation mit der Kali und Salz AG sehr vereinfacht. Für geophysikali- 34 DGG-Mittlg. 1/2011

35 sche Untersuchungen wurden Proben im Umfeld der 100sten Tonlinie entnommen und deren elektrische Eigenschaften gemessen. Das Vorhaben bestand aus zwei Teilen, einer sehr detaillierten Untersuchung der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung und gleichzeitig der Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Salzgesteine im Umfeld. Die mineralogischen Untersuchungen wurden von Dr. Jan Wolf unter Betreuung von Prof. A. Herrmann im Rahmen seiner Promotion durchgeführt. Herr Nickel, BGR, hat die Leitfähigkeiten und die Dielektrizitätskonstanten dieser Linie und der angrenzenden hangenden und liegenden Salzschichten vermessen. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass eine sehr starke Abhängigkeit der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten vom Wassergehalt der Proben besteht. Bei der Porenlösung handelt es sich um konzentrierte salinare Lösungen, die an die wasserunlösliche Mineralfraktion gebunden sind und die mit deren Gehalt steigen und fallen. Tektonische und sedimentologische Einflüsse können die Linie zusätzlich beeinflussen. So wurde an einer Stelle eine Verdoppelung der Linie festgestellt. Bei einer solchen Verdoppelung können sich die Radarsignale abhängig vom Abstand der beiden Linien entweder auslöschen oder aber in der Intensität deutlich erhöhen. Sie und andere Einflüsse, wie Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung und variable Linienmächtigkeit, sind vor allem verantwortlich für die lokal unterschiedliche Ausbildung der Reflexionen und werden so in den Inhomogenitäten der empfangenen Reflexionen sichtbar (WOLF 1992). 6.5 Weitere Untersuchungen zur Vorauserkundung von CO2-Imprägnationen im Salz Im Jahre 1996 wurde ein weiteres Thema des Salzbergbaus in der FG Explorationsgeophysik e.v. nochmals untersucht, nachdem frühere Arbeiten noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt hatten, die für einen wirtschaftlichen Betrieb der Salzbergwerke notwendig waren. Für die unter 4.5 beschriebenen Methoden zur Vorauserkundung auf CO 2, die im Bergbaubetrieb einsetzbar waren, wurden die für die Sprengungen notwendigen Bohrlöcher benutzt. Mit dem Wandel zum sprengstofflosen Abbau im Bergbau waren diese Methoden nicht mehr einsetzbar. Dieses Thema war für den Bergbau von größter Bedeutung, da es durch CO 2 -Ausbrüche unter Tage immer wieder zu Schwierigkeiten beim Abbau und zur Gefährdung der Arbeiter und Gerätschaften kam. Die FG Explorationsgeophysik e.v. vergab deshalb 1996 einen Forschungsauftrag an das Institut für Geophysik der Technischen Universität Clausthal, Prof. Dr. J. Fertig, in dem diese Problematik nochmals untersucht werden sollte. Einflüsse des CO 2 -Gehalts auf elektromagnetische Felder und andere geophysikalische Parameter konnten ja bereits bei früheren Arbeiten festgestellt werden. Bei den Gaseinschlüssen handelt es sich im Wesentlichen um intrakristalline Einschlüsse, die im Salz mit hohen Drücken von mehr als 80 bar eingebaut sind und aus Lösungsaufstiegen im Zusammenhang mit dem Rhön-Vulkanismus herrühren. In dem Forschungsvorhaben wurde der bekannte Wissensstand im Rahmen einer Literaturstudie über den Einfluss des Gasgehalts auf verschiedene geophysikalische Gesteinseigenschaften zusammengefasst, z. B. der Einfluss auf die Dichte, auf die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätszahl. Zusätzlich wurden eigene Messungen im Labor und unter Tage an einem Pfeiler im Kaliwerk Wintershall begonnen. Modellrechnungen unter Verwendung der gefundenen Salzparameter sollten die zu erwartenden Effekte aufzeigen. Hammerschlag-seismische Messungen ergaben, dass bei CO 2 -Einlagerung die Geschwindigkeiten von Kompressionswellen bis zu 10% reduziert sein können. Die gute Leitfähigkeit mechanischer Wellen im Salz bewirkt gleichzeitig nur eine geringe Absorption der Schallwellen und das Auftreten von hohen Frequenzen. Diese Aussagen gelten prinzipiell auch für Scherwellen, doch liegen die Frequenzen dann deutlich niedriger und das Frequenzband ist schmaler. 1/2011 DGG-Mittlg. 35

36 Zusätzlich zu den seismischen Messungen kamen EMR-Untersuchungen mit Frequenzen von 100 MHz und 400 MHz zum Einsatz. Diese wurden an einem mächtigen Salzpfeiler durchgeführt. Überraschenderweise zeigten die Messungen mit 100 MHz wegen der geringeren Ausbreitungsdämpfung im Salz des Pfeilers deutlich bessere Ergebnisse. Gesucht wurde nach Reflexionen unbekannter Ursache im Salz, die möglicherweise die Grenzzonen von Kohlensäure-Nestern abbilden könnten. In den Ergebnissen fanden sich mehrere unbestimmte Reflexionen im Salz, die aus der Salzstruktur im Pfeiler nicht zu erklären waren. Das erhoffte Ergebnis, eine eindeutige Zuordnung der Reflexionen als Abbildung der Grenzen von Kohlensäure-Nestern, konnte jedoch nicht gefunden werden. Die Reflexionen wiesen keine charak teristischen Eigenschaften auf, die eine eindeutige Zuordnung ermöglichten. Als weitere Messmethode wurden Durchstrahlungs messungen (EMA), also tomographische Untersuchungen, mit 400 MHz erprobt, doch reichten sowohl die Anzahl der Messpunkte wie die Kabellänge für die seitliche Bewegung der Empfangsantennen nicht für eine eindeutige Aussage aus. Für ein eindeutiges Ergebnis wäre eine deutlich umfangreichere Untersuchung erforderlich gewesen, doch dafür waren die Mittel der FG Explorationsgeophysik e.v. zu beschränkt. Es blieb der unbefriedigende Zustand, dass die Ergebnisse keinen Weg für einen erfolgreichen Einsatz von Geophysik zur Vorauserkennung von CO 2 -Imprägnationen im Stoß ergeben hatten. Es zeigte sich aber, dass weitere Untersuchungen zu besseren Ergebnissen führen könnten. 7 Weitere Entwicklung der FG Diese Ergebnisse des Forschungsprojektes hatten somit keine direkten Auswirkungen auf den Einsatz des EMR in den Bergwerken der K+S AG. Es zeigte sich jedoch, dass sehr unterschiedliche Zielsetzungen in der Anwendung der EMR einerseits bei den industriellen Partnern, z. B. der K+S AG und der Deutschen Gesellschaft zum Bau und Betrieb von Endlagern für Abfallstoffe mbh (DBE), und andererseits den staatlichen Partnern, der BGR und dem NLfB, bestanden. Die jeweiligen Anwender versuchten methodische Entwicklungen zu realisieren, die auf die eigene Aufgabenstellung optimiert waren. Als weiteres Hindernis bildete sich heraus, dass bei den staatlichen Fördereinrichtungen Forschung zur Verbesserung der Exploration und des Bergbaus praktisch zu Gunsten der Umweltprogramme zum Erliegen gekommen war. Dies bewirkte auch, dass auf dem der FG Explorationsgeophysik e.v. angestammten Gebiet der Erzexploration de facto keine Forschungsanträge mehr gestellt werden konnten. Dadurch wurde die Zusammenarbeit bei der Weiterentwicklung der EMR innerhalb der FG Explorationsgeophysik e.v., die während der letzten Jahre das tragende Element der Arbeiten war, in Frage gestellt. In den Sitzungen des Arbeitsausschusses der FG Explorationsgeophysik e.v. wurde zwar von allen Beteiligten über die jeweiligen Entwicklungen offen berichtet, was fehlte, war aber die intensive Kooperation der Mitglieder der FG bei den Forschungsarbeiten sowie die gegenseitige Befruchtung durch Diskussion und gemeinsame Erprobung bei den Entwicklungen. Die Bedeutung der FG Explorationsgeophysik e.v. als Initiator neuer Ideen wurde dadurch reduziert. Der Aufschwung der Anwendungen in der Erzexploration, der durch den Eintritt der Metallgesellschaft in die FG Explorationsgeophysik e.v. in den 1980er Jahren erfolgte, z.b. der Einsatz von transienten-elektromagnetischen Messungen und Radarmessungen in den internationalen Erzprojekten der Metallgesellschaft, wurde durch den plötzlichen finanziellen Zusammenbruch dieses Unternehmens jäh beendet. Dieses Unternehmen war das einzige gewesen, das aufgrund seiner Finanzkraft und seiner weltweiten Zielsetzungen und Interessen dem Sektor der Metallerzexploration in Deutschland hätte neuen Auftrieb geben können. 7.1 Suche nach neuen Arbeitsfeldern Die FG Explorationsgeophysik e.v. war am 1. Januar 1993 in FG Angewandte Geophysik e.v. umbenannt worden. Anlass war eine Erweiterung des Aufgabengebietes 36 DGG-Mittlg. 1/2011

37 der FG Explorationsgeophysik e.v. auf die Entwicklung geophysikalischer Verfahren zur anwendungsorientierten Erforschung des Untergrundes. Ausdrücklich genannt wurden das Aufsuchen und Erkunden von Lagerstätten sowie Untersuchungen zur Beantwortung von Umweltfragen. Mit den Möglichkeiten dieser erweiterten Aufgabenstellung wurde intensiv nach neuen Arbeitsmöglichkeiten gesucht. Im Jahre 1997 plante man beim 5. Europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Entwicklung ein Forschungsvorhaben einzureichen, dessen Zielsetzung die Untersuchung von Salzwasserbewegungen im Untergrund war. Dieses Projekt wurde 1998 mit mehreren europäischen Partnerinstitutionen als Projektpartner bei der EU beantragt, erhielt durch die Bewertungskommission aber leider nicht die nötige Priorität, kam deshalb nur auf eine Warteliste und wurde schließlich nicht bewilligt. Damit war die Entwicklung einer neuen Forschungsinitiative auf dem Sektor Wasser praktisch gestoppt. Inzwischen hatte sich der Einsatz von Radar auch auf Oberflächenuntersuchungen ausgeweitet. Solche Aktivitäten wurden vor allem bei den Geowissenschaftlichen Gemeinschaftsaufgaben (GGA) durchgeführt und durch diese als neue Forschungsidee in die FG Angewandte Geophysik e.v. eingebracht. Diese Anwendung des Radars hatte hierbei zwei wesentliche Zielsetzungen: Untersuchung von Umwelt-Problemen und Hilfestellung beim Precision Farming. Gerade das Precision Farming schien neue Anwendungen der Geophysik aufzuzeigen, deren Zielsetzung eine präzise, genau auf den Boden abgestimmte Optimierung der Düngung und der Bepflanzung war. Die Steuerung der Traktoren und damit der Feldarbeit erfolgte über hoch präzise GPS-Messungen, sodass eine exakte, vom Ort abhängige Düngung und Bepflanzung immer dann möglich war, wenn die Bodenstruktur als Funktion der Lage im Koordinatensystem bekannt war. Hier sollte das Radar helfen, die Bodenstruktur bis in Tiefen von 1 bis 3 Metern zu erfassen. Auf diesem Gebiet fiel es der FG Angewandte Geophysik e.v. schwer, Fuß zu fassen, da Forschungsgelder kaum erhältlich waren und eigene Erfahrungen nur beim NLfB bzw. dem GGA-Institut vorlagen (Abb. 9a, b). Im Jahre 2002 wurde aus Mitteln der FG Angewandte Geophysik e.v. ein Auftrag an die Ruhr-Universität Bochum vergeben, der mit den genannten Anwendungsfeldern des Radar in enger Beziehung stand. In dem Auftrag sollte untersucht werden, welchen Einfluss dünne Deckschichten und schräg einfallende Strukturen direkt an der Oberfläche auf die Radarsignale und deren Interpretation besitzen. Dieser Auftrag beinhaltete Modellrechnungen und sollte dazu beitragen, dass der Einsatz von hochfrequentem EMR im Oberflächenbereich besser verstanden wird und damit die Möglichkeiten einer Anwendung zur Untersuchung des Untergrundes in den obersten Metern besser abgeschätzt werden können. Die Modellrechnungen wurden mittels der Methode der finiten Differenzen im Zeitbereich durchgeführt und zeigten einerseits den Einfluss dünner Deckschichten auf die Ausbreitung der Signale in die tieferen Schichten und gaben andererseits Hinweise auf die Möglichkeiten, dünne schräg einfallende Schichten im oberflächennahen Untergrund zu erfassen. Es zeigte sich aber, dass die Rechnungen sehr aufwendig sind. Wegen der Beschränktheit der Mittel konnten nur sehr wenige Modelle gerechnet werden. Wichtig bei der Erfassung solcher Strukturen ist es, die Sende- und Empfangsantennen so zu verwenden, dass die zu untersuchenden Strukturen in Ausbreitungsrichtung der Felder verlaufen. Als ein Ergebnis wird von der Verwendung von vertikalen Bohrlochantennen zur Untersuchung vorwiegend horizontaler Strukturen abgeraten. Insgesamt brachte das Forschungsvorhaben nicht die gewünschte Antwort auf die Fragestellung. Damit blieb auch dieser Ausflug in ein neues Arbeitsgebiet ohne großen Erfolg. 7.2 Widersprüche in den Forschungszielen der Mitglieder der FG Schon vorher hatte sich gezeigt, dass ein Problem der Forschungsgemeinschaft darin bestand, dass sich im Laufe der Zeit die Ausrichtungen 1/2011 DGG-Mittlg. 37

38 der Mitglieder, auf der einen Seite die der Industrie (im Wesentlichen durch die K+S repräsentiert) und der anderen Mitglieder (BGR, Landesämter und Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben) in zunehmend unterschiedliche Zielrichtungen entwickelt hatten. Während bei der Industrie nach wie vor und verständlicherweise die Untersuchung der Bergwerke und die Optimierung der Produktion in den Bergwerken durch Einsatz von Geophysik (z. B. Auffinden von Kohlensäure-Nestern) die höchste Aufmerksamkeit genoss, traten bei den öffentlichen Einrichtungen Umweltprobleme und deren Untersuchung mittels Geophysik in den Mittelpunkt des Interesses. Abb. 9a: Einsatz des Radargerätes zur oberflächennahen Bodenuntersuchung für Precision Farming (Bild: LIAG, Hannover). Es setzte sich hier die Entwicklung fort, die im Laufe der Zeit in der FG Angewandte Geophysik e.v. als konstantes Element zu beobachten war, nämlich, dass sich die Zahl der Bergbau- Betriebe und damit die Zahl der industriellen Mitglieder stetig verringerte. Da industrielle Mitglieder einen finanziellen Beitrag zu den Aktivitäten der FG zu leisten hatten, sank deren Zahl weiter. Während in der Frühzeit der FG die Zahl der Bergbaubetriebe in der Überzahl Abb. 9b: Ergebnis einer Radar kartierung des Bodens mit deutlich erkennbarem Materialwechsel (Bild: LIAG, Hannover). 38 DGG-Mittlg. 1/2011

39 und diese daher auch die treibende Kraft waren, schieden mehr und mehr der Betriebe wegen Stilllegung oder Übernahmen der Werke durch neue Eigentümer aus. Auf Seite der Landesund Bundesbehörden wurden Umweltprobleme immer mehr zum Zentrum des politischen und wissenschaftlichen Interesses. Dazu gehörte auch die Beseitigung der Überreste der riesigen inzwischen stillgelegten Tagebaue des Braunkohle-Bergbaus in den Gebieten der ehemaligen DDR. Alle diese Interessen entsprachen nicht den ursprünglichen Zielsetzungen der FG, die sich auf die Auffindung neuer Minerale durch verbesserte Explorationsverfahren und die Vereinfachung und Kostenreduzierung des Bergbaus bezogen. Mit dem Verlassen des ursprünglichen Kompetenzbereichs, dem Bergbau, wurde auch die Planung und Durchführung neuer Forschungsprojekte beeinträchtigt. Daraus resultierten unterschiedliche Zielsetzungen der Mitglieder, was den Bestand der FG erschwerte und ihre Bedeutung in Frage stellte. In den folgenden Jahren diente die FG im Wesentlichen als Plattform zum Informationsaustausch zwischen den Mitgliedern aus der Industrie und den staatlichen Einrichtungen. Dies betraf insbesondere die Ergebnisse der Forschungen der beiden Gruppen und brachte von beiden Seiten interessante Beiträge. Die K+S hatte schon vorher mit eigenen Instrumentenentwicklungen zum EMR-Einsatz im Bergbau begonnen, der für diese Anwendungen optimiert war. Demgegenüber kamen von den Ämtern Beiträge zur Radaranwendung für oberflächennahe Untersuchungen, sei es vom Boden oder auch aus der Luft. Diese Rolle als Informations- und Austauschplattform war natürlich auf Dauer nicht ausreichend, um die Existenz der FG zu rechtfertigen. Weiterhin sahen die Mitglieder der FG die Vorteile nicht mehr, die sich durch die übergreifenden gemeinsamen Arbeiten innerhalb der FG ergaben. Es gab nicht mehr, wie in der Frühzeit der FG, eine Vielzahl kleinerer Bergbaubetriebe, die nur durch Zusammenschluss ihre Pläne zur Weiterentwicklung der Methoden verwirklichen konnten, sondern mit der K+S AG stand bei den industriellen Mitgliedern ein großes Unternehmen, das eigene Forschungsprojekte unabhängig von der FG und staatlicher Hilfe verwirklichen konnte. Auf Seite der staatlichen Mitglieder verloren gleichzeitig viele Landesämter ihre Unabhängigkeit und wurden mit anderen Organisationseinheiten, z.b. Umweltbehörden, vereint. So wurde ab 2006, nachdem eine letzte Suche nach neuen Zielen und Projekten zu keinen befriedigenden Ergebnissen geführt hatte, über die Schließung der FG nachgedacht. Am 05. Juni 2008 wurde dann in der Kuratoriumssitzung die Auflösung des Vereins beschlossen. Am 19. August 2009 schließlich wurde der Verein im Vereinsregister gelöscht. 8 Rückblick Diese Vereinigung von industriellen und staatlichen Partnern hat über 55 Jahre gehalten und vor allem im Bergbau zu großen Verbesserungen und methodischen Erfolgen geführt. Grundlage dafür war die Idee, Industrie, Wissenschaft und Ämter für eine intensive Kooperation zusammenzubringen. Gerade auf dem Gebiet der Geophysik war eine solche Kombination aber eine wichtige Voraussetzung, um die angewandte Forschung voran zu treiben. Viele der erzielten Resultate hatten eine die Zeit überdauernde Bedeutung. Die herausragende Entwicklung geschah sicherlich im Bereich der hochfrequenten elektromagnetischen Verfahren. Diese Entwicklung half und hilft nicht nur im Bergbau, sondern hat auch im Umweltbereich Bedeutung erlangt, z. B. bei der Erkundung des Salzstocks Gorleben und in der oberflächennahen Bodenuntersuchung. Viele andere Entwicklungen, etwa für die Hubschrauber-Elektromagnetik, wurden nicht in der FG durchgeführt. Diese Arbeiten wurden aber durch die in der FG verwirklichten engen Beziehungen zwischen Industrie und öffentlichen Forschungseinrichtungen wesentlich gefördert. Eine solche über einen langen Zeitraum stabile und fruchtbare Vereinigung solch unterschiedlicher Mitglieder mit der Zielsetzung der Weiterentwicklung der Geophysik ist bisher in Deutschland nur in dieser FG gelungen. Vielleicht hat es sich deshalb gelohnt, nochmals an die FG Seismik e.v. FG Explorationsgeophysik e.v. FG Angewandte Geophysik e.v. zu erinnern. 1/2011 DGG-Mittlg. 39

40 9 Liste sämtlicher Mitglieder der FG mit jeweiligen Ein- und Austrittsdaten Industrielle Mitglieder: DBE Deutsche Gesellschaft zum Bau und Betrieb von Endlagern für Abfallstoffe mbh, Peine Erzbergbau Siegerland ESCO GmbH & Co. KG, Hannover GGD Leipzig Kali-Chemie AG, Hannover K+S Aktiengesellschaft, Kassel (früher Kali und Salz AG bzw. GmbH bzw. Kali und Salz Beteiligungs AG) Kali und Salz GmbH, Kassel K+S KALI GmbH, Kassel Metallgesellschaft AG, Frankfurt Prakla Seismos GmbH, Hannover Ruhrgas AG, Essen Salzdetfurth AG, Hannover Siegerländer Eisensteinverein Stolberger Zink AG Gaz de France (früher Preussag Energie GmbH, Lingen, für Preussag Metall früher Unterharzer Berg- und Hüttenwerke) Wintershall AG, Kassel Staatliche Mitglieder Amt für Bodenforschung Hannover Niedersächsisches Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG), entstanden aus dem Niedersächsischen Landesamt für Bodenforschung (NLfB) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen, Krefeld (früher Geologisches Landesamt Nordrhein-Westfalen, entstanden aus dem Amt für Bodenforschung Krefeld) Geologisches Landesamt Baden-Württemberg Geologisches Landesamt Bayern Geologisches Landesamt Hessen Geologisches Landesamt Rheinland-Pfalz Geologisches Landesamt Sachsen-Anhalt Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie (früher Geologisches Landesamt Thüringen) Wissenschaftliche Institute Institut für Geophysik, TU Clausthal Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA-Institut, jetzt LIAG) Institut für Angewandte Geophysik Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh, Leoben DGG-Mittlg. 1/2011

41 10 Liste der AIF-Forschungsvorhaben 408 Entwicklung geophysikalischer Methoden und Apparaturen für die Erforschung von Erz- und Salzlagerstätten 957 Weiterentwicklung geophysikalischer und geothermischer Untersuchungsmethoden zur Auffindung von Lagerstätten und Bodenschätzen 1367 Das geothermische Feld und seine Wirkung auf großräumige Abbaublöcke in trockenen Gruben 1368 Hochfrequenzortung von Laugen und durchfeuchteten Salzpartien in Salzbergwerken 1631 Sende- und Empfangsgeräte in Bohrlöchern zur Ortung feuchter Teile des Salzgebirges 2468 Entfernungsbestimmung von Diskontinuitäten in Salzlagerstätten durch Laufzeitmessungen reflektierter elektromagnetischer hochfrequenter Wellen 2632 Hochfrequenz-Bohrlochmethode zum Nachweis von Grenzflächen in der Umgebung eines Bohrloches 2633 Sende- und Empfangsantennen in laugegefüllten Bohrlöchern zur Ortung feuchter Teile des Salzgebirges 3280 Hochfrequenz-Messmethode zur Früherkennung CO 2 -führender Salzgesteine von einem vorgetriebenen Bohrloch aus 3281 Ortung von Salzlager-Diskontinuitäten im Vollraum durch Messung der Laufzeit und Richtung reflektierter elektromagnetischer Wellen (Untertage-Radar) 11 Literatur zu Teil 1 und 2 BERCKHEMER, H. (1970): MARS 66 eine Magnetbandapparatur für seismische Tiefen sondierungen. Z. f. Geophysik 36: BOSUM, W., DÜRBAUM, H.-J., FENCHEL, W., FRITSCH, J., LUSZNAK, M., NICKEL, H., PLAUMANN, S., SCHERP, A., STADLER, G. & VOGLER, H. (1971): Geologischlagerstättenkundliche und geophysikalische Unter suchungen im Siegerländer-Wieder Eisenspatbezirk. Geol. Jb., Beiheft 90, Hannover. CHEVRON RESEARCH COMPANY (1966): US Patent 3,286,163 vom Thema: Method for mapping of a salt dome at depth by measuring the travel time of electromagnetic energy emitted from a borehole within the salt dome. Erfinder: W. Holser, T. Unterberger, R. Robert & S.B. Jones; La Habra. CZORA, C. & THIERBACH, R. (1979): Entwicklung und Konstruktion einer geoelektrischen Mess apparatur für hochohmige Messobjekte und untertägigen Einsatz. NLfB-Bericht, Archiv-Nr: 84716, Hannover [unveröffentlicht]. DÜRBAUM, H.-J., FRITSCH, J. & NICKEL, H. (1967): Deep Seismic Sounding in the Eastern Part of the Rhenish Massif. 9th Assembly European Seismological Commission 1966, Kopenhagen: ENSLIN, J. F. (1955): A new electromagnetic field technique. Geophysics 20, 2: ; Houston. GEYH, M. A. (1969): Messungen der Tritium- Konzentration in Salzlaugen. Kali und Steinsalz, 5, 6: /2011 DGG-Mittlg. 41

42 GIESEL, W. & HOLZ, A. (1970): Berechnung der Wettertemperaturen in verzweigten Streckennetzen neu erschlossener Baufelder in Kalibergwerken. Kali und Steinsalz 5, 7: GREINWALD, S. & THIERBACH, R. (1997): Elektromagnetische Verfahren in der Umwelterkundung; Radarverfahren. in: Martin Beblo (Hrsg.): Umweltgeophysik: und ; Berlin (Verlag Ernst & Sohn). HOFRICHTER, E., SENDER, F., THIERBACH, R., WEICHART, H. (1982): High Frequency Reflection Measurements in Boreholes in the Mors and Vejrum Salt Domes. In: Results of geological Investigations for high-level Waste Disposal in the Mors Salt dome. Proceedings of a Symposium Nov. 1981; Vol. I: ; Copenhagen. KALI UND SALZ AG (1976): DE Patent vom Thema: Verfahren zum Orten von stofflichen Diskontinuitäten in Lagerstätten und Funkensender dazu. Erfinder: Thierbach, R., Mayr hofer, H.; Kassel. KREY, TH., SCHMIDT, G. & SEELIS, K. (1961): Über die Möglichkeit, den reflexionsseismisch erfassbaren Tiefenbereich zu erweitern. Erdöl und Kohle 14: ; Berlin. NICKEL, H. (1972): Laugenortung in Salzbergwerken mit Hochfrequenz. Geol. Jb. 90: ; Hannover. NICKEL, H. (1976): Hochfrequenz-Bohrloch- Messmethode zum Nachweis von Salzgesteinsarten in der Bohrlochumgebung. Geol. Jb. E 6: 47-66; Hannover. PRAKLA-SEISMOS, Hannover: US Patent 4,670,717 vom ; Borehole Antenna Array for Determining Radar Incidence Direction; Erfinder: F. Sender SENDER, F., THIERBACH, R. & WEICHART, H. (1980): Enhancement of Borehole Radar- Probing Data by a new Antenna-System with circular directional Resolution. Proc. 50 th International Meeting Society of Exploration Geophysicists, Houston. SENGPIEL, K.P. (1983): Resistivity / depth mapping with airborne electromagnetic survey data. Geophysics 48, 2: , Tulsa, Okla. SIEMON, B., CHRISTIANSEN, A.V. & AUKEN, E. (2009): A review of helicopter-borne electromagnetic methods for groundwater exploration. Near Surface Geophysics 7: THIERBACH, R. (1974): Electromagnetic Reflections in Salt Deposits. J. Geophys. 40: THIERBACH, R. & MAYRHOFER, H. (1978): Elektromagnetische Reflexionsmessungen in Salzlagerstätten. Proc. 5th International Symposium on Salt, Hamburg: ; Cleveland, Ohio (Northern Ohio Geol. Society). THIERBACH, R. (1988): 40 Jahre Geowissenschaftliche Gemeinschafts aufgaben Geophysik im Bergbau. Geol. Jb. A 109: ; Hannover. WOLF, J. (1992): Mineralogische und geochemische Aspekte bei der Anwendung des EMR- Mess-Verfahrens in marinen Evaporiten. Diss. Techn. Uni. Clausthal. NICKEL, H. & CERNY, I. (1989): More effective underground Exploration for Ores using Radio waves. Expl. Geophys. 20, 3, DGG-Mittlg. 1/2011

43 Ozeanschwingungen und Gezeitenreibung Zur Bewertung von Resonanzkurven Peter Brosche, Daun/Bonn & Jürgen Sündermann, Hamburg Zusammenfassung Die Gezeitenreibung im Erde-Mond-System wird vorwiegend durch die Ozeane vermittelt und hängt daher kritisch davon ab, inwieweit die Frequenzen der Gezeiten erzeugenden Kräfte mit denen der Eigenschwingungen der Ozeane zusammentreffen. Letztere werden auch wesentlich durch die Topographie der Ozeanbecken bedingt, die sich in geologischen Zeiträumen durch die Kontinentaldrift stark verändert. Wir besitzen einige Kenntnisse über die alten Ozeane, aber diese sind mit zunehmendem Alter immer unsicherer. Es bleibt daher nur eine statistische Behandlung möglichst vieler möglicher Konfigurationen und ihrer zeitlichen Abfolge übrig. Dabei ist eine korrekte Gewichtung zu beachten. Der Rechenaufwand sollte zukünftig vertretbar sein, weil die allgemeine Zirkulation der alten Ozeane in zunehmendem Maße ein Gegenstand der Klimaforschung sein wird. 1. Einleitung Die Existenz des Gezeitenreibungsprozesses wurde zuerst bemerkt aber noch lange nicht verstanden, als es darum ging, mit Daten der Neuzeit die Bewegung des Mondes bis in die Antike zurückzurechnen und die Sonnenfinsternisse dieser Epoche darzustellen. Es war HALLEY (1693, 1695), dem die dabei auftretenden Widersprüche auffielen, aber erst sein Landsmann DUNTHORNE (1749) gab einen Zahlenwert für eine fiktive Winkelbeschleunigung der Mondbahn an, nach deren Einführung sich die Finsternisse an den richtigen Orten ergaben. Denn es ist die Ortsangabe für eine Sonnenfinsternis, die die beste Information über die gegenseitige Drehstellung von Erde, Mond und Sonne enthält. Völlig unabhängig von diesen empirischen Befunden argumentierte KANT (1754) rein theoretisch, dass die Meeresgezeiten die Erdrotation in langen Zeiträumen bremsen müssten (hätte er sich nicht am Schluss geirrt, könnten wir ihm sogar die richtige Größenordnung zuschreiben). Diese zwei Quellflüsse wurden zusammengebracht von ROBERT MAYER (1848) (ja, der mit dem Energiesatz!). Er sah als erster klar die zwei Seiten der Medaille: die Zunahme der Tageslänge muss Hand in Hand gehen mit einer Ausweitung der Mondbahn. Eine quantitative Behandlung kann in erster Näherung von der Drehimpulserhaltung im Erde-Mond-System ausgehen. Dabei findet man, dass die beobachtete säkulare Akzeleration des Mondes eine scheinbare ist, sie wurde durch die Abbremsung der Erdrotation vorgetäuscht, von der unsere alten Kollegen noch nichts wussten, die die Tageslänge völlig berechtigt für das beste Zeitnormal hielten. Die Ausweitung der Mondbahn geht natürlich gemäß dem 3. Keplerschen Gesetz mit einer Verlangsamung der lunaren Winkelbewegung einher. Die folgenden Zahlenwerte beschreiben nach unserer heutigen Kenntnis die Gezeitenreibung für geologisch gegenwartsnahe Zeiträume, d.h. praktisch für die fast 3 Jahrtausende menschlicher Beobachtungen von Himmelsereignissen (insbesondere Sonnenfinsternissen): Winkelbeschleunigung der Erdrotation 1000 arc sec/(jahrhundert) 2 = rad s 2, ausgedrückt als Änderung der Tageslänge (length of day) in Millisekunden pro Jahrhundert d (l.o.d.) 2 ms / Jahrhundert, dt als Änderung der Rotationsenergie der Erde 12 Erot 4 10 W, 1/2011 DGG-Mittlg. 43

44 mittleres Drehmoment, negativ auf die Erde, positiv auf die Mondbahn 16 L 5 10 Nm, Änderung des Mondbahnradius r 4cm/Jahr, Winkelbeschleunigung in der Mondbahn 2 n 25arcsec/ (Jahrhundert). Die astronomischen Beobachtungen, auf denen diese Parameter beruhen, wollen wir hier nicht im Detail auseinandersetzen, wichtig ist nur zum Verständnis, dass man zwischen 3 Ebenen von Größen unterscheidet: den Beschleunigungen, den Geschwindigkeiten und den Drehwinkeln in Abhängigkeit von der Zeit. Eine im Beobachtungszeitraum konstante Beschleunigung führt nach zweimaliger Integration zu einer quadratischen Abhängigkeit des Winkels von der Zeit. Es liegt daran, dass die Millisekunden-Änderungen in der Tageslänge (diese entspricht einer Winkelgeschwindigkeit) zu einigen 10 Unterschieden im Drehwinkel der Erde führen, wenn wir von heute bis zur Antike zurückgehen. Und damit werden sie aus Berichten von antiken Finsternisorten erschließbar! 2. Neuere Entwicklungen und der Stand der Dinge Auf der Beobachtungsseite wurden neue Techniken eingeführt, die jedoch nicht zu einer entsprechend sprunghaften Vermehrung der Erkenntnis führen konnten. Eher allmählich konnte neben der schon lange bekannten kombinierten Wirkung von Änderung der Mondbahn und der Rotation der Erde jeder Anteil für sich registriert werden. Bei der Erdrotation gibt es neben der säkularen hier allein interessierenden Variation viele kurz- und langperiodische Variationen durch Drehimpuls-Austausche im Erdkörper. Es war also nicht damit getan, technische Uhren zu erfinden, die konstanter als die Erd-Uhr waren, sie mussten das über wenigstens ein Jahrhundert hin sein. Da zogen sich schon vorher die Astronomen am eigenen Zopf aus dem Sumpf der Erd-Zeitskala, indem sie die letztere durch eine dynamische Zeit aus den Bewegungen im Planetensystem ersetzten. Die sehr genaue Zeit der Atomuhren einerseits und Beobachtungen der Erdstellung durch die Radiointerferometrie mit interkontinentalen Basislinien andererseits hat aber eine instantane Bestätigung unserer Vorstellungen von der Rolle der Ozeangezeiten gebracht: hiermit ließ sich bereits der momentane Drehimpuls- Austausch innerhalb eines halben Mond-Tages wahrnehmen (BROSCHE et al. 1991). In Richtung langer Zeitskalen haben uns Paläontologie und Sediment-Geologie Daten über die Verhältnisse der entscheidenden Perioden (Tag : synodischer Monat : Jahr) gebracht, die zwar im einzelnen problematisch sind, in ihrer Gesamtheit aber doch keinen Zweifel daran lassen, dass der uns aus fast 3 Jahrtausenden menschlicher Astronomie bekannte Prozess auch vor vielen 100 Millionen Jahren mit einer Intensität, d.h. einem Drehmoment gleicher Größenordnung ablief (PANELLA 1972, SCRUTTON 1978, WILLIAMS 2000). Während es sich hier um im einzelnen ungenaue, aber durch ihre Zeitskala höchst wichtige Informationen handelt, kam es nach der Deponierung von Retroreflektoren auf der Mondoberfläche (seit 1969) zu einer hier einschlägigen Entwicklung ganz anderer Art: die Messungen der Distanzen von irdischen Teleskopen zu diesen Mondpunkten mittels Laser-Lichtblitzen sind äußerst genau (heute ~ 1cm), beziehen sich aber natürlich nur auf die Zeitskala von Jahrzehnten. Nachdem auch diejenigen der höchsten Güteklasse inzwischen die Hauptnutationsperiode (~ 18 Jahre) überdecken, dürfen wir aber mit Recht davon ausgehen, dass das Mittel über solche Zeiträume nur die langfristigen säkularen Effekte enthält. Dies ist deshalb anders als bei der Erde, weil der Mond keine flüssigen und gasförmigen Hüllen besitzt, mit denen ein Drehimpuls-Austausch stattfinden könnte. Kommen wir nun zur theoretischen Seite. Wie oben erwähnt, hätte bereits KANT mit seiner Abschätzung zur richtigen Größenordnung der Zeitskala (~ 10 9 Jahre) gelangen können. Dabei war aber nicht nur die Wirkung auf den Mond außen vor geblieben, sondern auch noch offen, 44 DGG-Mittlg. 1/2011

45 wie man bei den im wesentlichen periodischen Änderungen durch Gezeiten bei Mittelung über die Zeit einen Netto-Wert herausbekommen würde. Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts lagen ja nur empirische Gezeitendaten vor, meist für Küstenorte und einige Inseln (die inmitten der Ozeane sind hier am relevantesten). Heute wissen wir, dass die entscheidenden Mittelwerte typischerweise 2 Größenordnungen kleiner als die periodische Variation sind (BROSCHE & SÜNDERMANN 1971). Der Transport von Drehimpuls (und Energie) von fester Erde zu Mondbahn durch die Ozeane war also rein empirisch nicht festzunageln, seine Bestimmung konnte erst nach der Einführung der großen Rechner und der Programmierung realistischer Gezeitenmodelle für realistische Formen der Meeresbecken gelingen. Daran war die Hamburger theoretische Ozeanographie maßgeblich beteiligt. Kein Wunder also, dass wir vor allem mit Hilfe der Kollegen Wilfried Zahel und Ulrike Seiler zunehmend bessere Ergebnisse erhalten konnten: erst Teilbeträge für Randmeere (Nordsee, Bering-Meer), dann für den Weltozean (ZAHEL 1970, SEILER 1989). Und schließlich sogar für rekonstruierte alte Kontinentverteilungen auf der Erdoberfläche, zunächst die Pangäa der Epoche vor ca. 230 Millionen Jahren (BROSCHE & SÜNDERMANN 1977). Es ist hier nicht der Ort, eine komplette Bibliographie dieses Gebiets zu geben. Aber wir wollen doch noch einmal auf die erfreuliche Unterstützung hinweisen, die wir durch die DFG (damals insbesondere durch Dr. Görlich) erhalten haben. Ebenfalls durften wir uns dreimal der Gastfreundschaft des Bielefelder Zentrums für interdisziplinäre Forschung erfreuen und mit Kollegen aus aller Welt und aus vielen Fachrichtungen die einschlägigen Fakten und Fragen diskutieren (siehe die 3 Tagungsbände BROSCHE & SÜNDERMANN (Hrsg.) 1978, 1982, 1990). Demnach würden wir heute den erreichten Stand kurz so zusammenfassen: Für die heutige Erde (also Zeitskalen von 10 3 Jahren) wird der Prozess in allen wichtigen Teilen quantitativ und meist sowohl empirisch als auch theoretisch beherrscht. Die Genauigkeit der schwächsten Kettenglieder dürfte immer noch bei 10 % liegen, also für die interessierten Nicht-Spezialisten ausreichend (Spezialisten kriegen es nie genau genug). Im einzelnen betrifft das a) die Dominanz der Meeresgezeiten als vermittelnder Prozess, b) den Drehimpuls-Austausch Meer - Mond durch Gravitation, c) den Drehimpuls-Austausch Meer - feste Erde primär durch Seitendruck. Der Parameter, der sozusagen das Konzentrat aller Vorgänge darstellt, ist das oben angegebene mittlere Drehmoment, positiv von der Erde in die Mondbahn, negativ von letzterer auf die Erde ausgeübt: Für die Vergangenheit der Erde, also für Zeiten, die vergleichbar mit dem Erdalter sind (einige Milliarden Jahre), ist die Situation weniger befriedigend, wenn auch hier Fortschritte zu verzeichnen sind. Man hat sich lange, d.h. mindestens bis in die fünfziger Jahre des vorigen Jahrhunderts mit einer quantitativen Fassung der schematischen Vorstellung beholfen (Abb. 1): Die Kraft zwischen einem Gezeitenberg und dem Mond ist proportional der Masse des Berges und der Gezeitenkraft zwischen beiden. Letztere ist proportional zu r 3 (r = Abstand Erde-Mond). Die Amplitude der Deformation und damit die in Abb. 1: Das Prinzip der Gezeitenreibung: die Deformation der festen Erde durch die Gezeitenkräfte des Mondes erzeugt zwei Gezeitenberge, die auf der rotierenden Erde ein Stück in Richtung der Rotation mitgeschleppt werden. Bei der Addition aller Drehmomente bleibt daher ein Netto-Anteil entgegen der Rotationsrichtung. Man hat das Bild auch schematisch auf die Wassermassen der Ozeane angewendet. 1/2011 DGG-Mittlg. 45

46 Potentielle Energie 2 a) 2 b) Schwingungsdauer [Stunden] ihr enthaltene Masse ist im Gleichgewichtsfall ebenfalls der Gezeitenkraft proportional, somit ergibt die Kombination bereits eine r 6 -Abhängigkeit als Beitrag zum Drehmoment. Mit dem einfachsten Modell von Kreisbahn und koplanarer Erdrotation wird daraus eine Differentialgleichung für r. Der Ansatz wäre halbwegs berechtigt, wenn die Gezeiten der festen Erde im Prozess dominieren würden. Selbst dann allerdings hat er noch eine Achillesferse. Die ist in der Abhängigkeit des Drehmoments von dem kleinen Winkel versteckt, um den die Symmetrieachse des Deformationsellipsoids von der Verbindungslinie zum Störkörper (Mond, Sonne) abweicht. Dieser Winkel ist zwar für einen festen Körper einheitlicher Zusammensetzung und einheitlichen Aufbaus aus seinen rheologischen Parametern berechenbar, aber schon nicht mehr für die feste Erde. Da wir inzwischen sicher wissen, dass die Ozeane den Prozess dominieren, wird dieser Ansatz nur noch formal brauchbar. Man kann natürlich für die höchst komplexen Meeresgezeiten effektive mittlere Amplituden und Phasenverzögerungen berechnen, derart, dass sie das anderweitig bestimmte Drehmoment ergeben. Da wir schon von den heutigen Ozeanen wissen, dass sie ein sehr detailliertes Eigenschwingungsspektrum besitzen (Abb. 2a), ist zu erwarten bzw. zu befürchten, dass bei einer zeitlichen Rückwärtsintegration des Erde-Mond-Systems ganz anderes geschehen wird, als es die Potenz-Ansätze erwarten lassen. Je nachdem, ob die Perioden der gezeitenerzeugenden Kräfte in kommensurablen Verhältnissen mit ozeanischen Eigenfrequenzen stehen, kann das Drehmoment von einer mehr stetigen zeitlichen Entwicklung abweichen. Es muss aber nicht, denn es kommt ja noch auf die Richtung 2 c) Abb. 2: Unterschiedliche Beschreibungen des Resonanz verhaltens der Ozeane a) Potentielle Energie der Schwingungen im (heutigen) Weltozean nach simuliertem Ankippen (nach SCHULTE 1979) b) Abhängigkeit des Drehmoments L(t) der M 2 - Tide von der Zeit wegen Kontinentalverschiebung in Zeiträumen von 10 Millionen Jahren (nach BROSCHE 1984) c) Abhängigkeit des Drehmoments L von der Frequenz der M 2 -Tide für die Geometrie des Ozeans vor 650 Millionen Jahren (nach NERGE für die Rekonstruktion von PIPER 1982a, b) 46 DGG-Mittlg. 1/2011

47 der Schwingungen und auf ihre Phasenlage an. A priori war weder die Amplitude noch die typische Breite dieser Variationen zu erwarten, es kam darauf an, sie wirklich zu berechnen. Mit den heutigen Kenntnissen über die Paläo- Konfigurationen der Kontinente auf der Erde geht das bis ~ 200 Millionen Jahre noch leidlich gut allerdings mit schematischen Annahmen über Tiefsee und Schelfgebiete (Rechnungen für die Gegenwart mit der richtigen Tiefenverteilung und der schematischen belegen, dass man damit nicht schon völlig falsch liegt). Danach bzw. davor wird es zunehmend unsicher, weil nur noch paläomagnetische Informationen vorliegen, mit anderen Worten, Paläo-Breiten der Messpunkte. Das Arrangement in Paläo-Länge ist dann von indirekten Argumenten abhängig und wird von verschiedenen Autoren unterschiedlich bevorzugt. Immerhin haben sich Geologen zu einer Rekonstruktion bis ca. 2 Milliarden Jahre getraut. Wir haben diese bis zum Silur benutzt und für die wichtigste Partialtide, die halbtägige Mondgezeit M 2, Paläogezeiten berechnet und was eine erheblich verschärfte Genauigkeit erfordert ein mittleres Drehmoment bestimmt. Wir besitzen jetzt nun einerseits eine ganze Reihe von Modellen und eine Menge von Information, die nicht a priori zu erwarten war. Andererseits wurde eben dadurch auch klar, dass alles Bisherige nicht ausreicht. Mit Betonung auf den Quantitäten lässt sich die Situation so zusammenfassen: Das mittlere Drehmoment variiert um 10 % bereits in Zehntausend Jahren (THOMAS & SÜNDERMANN 1999) und um Faktoren der Größenordnung 2 bereits in Zeitskalen von 10 Millionen Jahren (Abb. 2b). Der Charakter der Variation sieht bisher so aus, als ob von einem Grund-Niveau her breite Resonanzbereiche auftreten, die allerdings ganz starke Glättungen oder Mittelungen über die individuellen Resonanzen der Ozeane sein müssen. Einerseits ist die Variation gering im Hinblick darauf, dass wir theoretisch keine Schranke für sie angeben können. Andererseits ist sie doch so groß, um noch keine Antwort auf die finale Frage nach dem frühen Zustand des Erde- Mond-Systems zu erlauben. Bekanntlich favorisiert heute eine Mehrheit eine Art Impakt für die Mondentstehung; wir haben allerdings den Eindruck, dass es sich dabei um ein Schwarzes-Peter-Spiel handelt, wie es in der Wissenschaftsgeschichte nicht selten ist. Eine Gruppe hier wohl die Kosmochemiker macht es sich bequem und schiebt die Erklärungsnot der anderen Seite zu hier den für die Hydround Himmelsmechanik Zuständigen. 3. Was tun? Der oben beschriebene Zustand kann nur halb befriedigen. Dass wir den Prozess der Gezeitenreibung heute in allen Aspekten verstehen und quantitativ nachvollziehen können, ist schön, reizt aber gerade dadurch, diese Er-Kenntnisse auch für die geologische Vergangenheit der Erde anzuwenden, um zu erfahren, in welchem Maße sich die Erdrotation und die von ihr abhängigen Prozesse verändert haben (sicher Gezeiten und atmosphärische Zirkulation, vielleicht auch das Erdmagnetfeld). Die Ergebnisse für die Vergangenheit waren nur Teile eines Gesamtbildes. Mehr war nicht zu erreichen, insbesondere weil paläomagnetische Messungen für alte und älteste Erdkrustenteile nicht vollautomatisch zu produzieren und genauso wenig zu interpretieren sind. Auch die für die Gezeitenmodelle seinerzeit angewandten Rechenzeiten auf großen Anlagen gehörten zu den Schwergewichten; es wäre nicht zu vertreten gewesen, hier die Ansprüche wesentlich höher zu schrauben. Heute ist die Situation durch die dramatische Entwicklung der Rechnerkapazitäten eine andere. Es wäre sehr wohl möglich, für eine größere Zahl von alternativen oder wenig geänderten Kontinentkonfigurationen Gezeiten zu berechnen. Auf dem großen Feld der Klimaforschung ist es inzwischen anerkannte Praxis, in unsichereren Umständen viele mögliche Varianten zu rechnen und das Kollektiv der Ergebnisse statistisch zu betrachten. So ein Herangehen wäre auch für die Gezeitenreibung der alten Erde wünschenswert, möglich und aussichtsreich. Die Wünschbarkeit hoffen wir oben überzeugend dargelegt zu haben. 1/2011 DGG-Mittlg. 47

48 Die Möglichkeit beruht nicht nur auf einer Vergleichbarkeit der Rechenleistungsanforderungen mit denen der Klimaforschung. Vielmehr erwarten wir, dass die letztere noch mehr als bisher das Klima früherer Erdzeitalter studieren wird, ganz einfach, weil ihr damit noch extremere Verhältnisse als heute zur Verfügung stehen, die die Abhängigkeit der Prozesse klarer herausbringen. So haben sich die Physiker dem Weltraum zugewandt, weil sie hier viel weitere Zustandsgrenzen vorfinden. Eine der grundlegenden Erkenntnisse der Klimaforschung besteht in der Wichtigkeit der ozeanischen Zirkulation für das Klima. Ganz sicher also werden mit den früheren geologischen Epochen deren Ozeane ins Blickfeld rücken. Es wird versucht werden, die Zirkulation in ihnen zu bestimmen. Dann aber ist es nur noch ein kleiner Schritt, auch die Gezeiten für sie zu ermitteln (ganz abgesehen davon, dass man gerade anfängt, die Wechselwirkung zwischen beiden ernst zu nehmen (MÜLLER et al. 2010). Es gäbe einen Ertrag, den die Angelsachsen mit dem schönen Wort serendipitous bezeichnen. Aussichtsreich ist das Vorgehen deshalb, weil allererste, teilweise noch recht primitive Versuche schon gewisse Aufschlüsse gebracht haben. Wenn wir von Feinheiten absehen und uns auf eine Rückwärtsverfolgung der Erdrotation bis ca. 2 Milliarden Jahre vor heute beschränken, lässt sich die zu lösende Aufgabe so beschreiben: Das mittlere Drehmoment wegen Gezeitenreibung L hängt wesentlich ab von den Winkelgeschwindigkeiten der Erdrotation und der des Kräftemusters der M 2 -Tide, und, last not least, der Geometrie der Ozeane Ю zur Zeit t L L(,, Die skalare Formulierung deutet an, dass wir uns auf einen Mond in der Äquatorebene der Erde beschränken, sodass die räumliche Änderung der Lage von Rotationsachse und Bahnachse der Mondbahn keine Rolle spielt. Eben deswegen sind auch wegen Drehimpulserhaltung und voneinander abhängig, es ist sogar für unser Zeitintervall in guter Näherung 2 Ю) Wenn wir Ю(t) genau genug und das heißt auch in kleinen Zeitschritten kennen würden, ließe sich von den heutigen Werten t0, 0, L0 ausgehen und (mit angenommener Konstanz des Trägheitsmoments der Erde) aus t 1 = t 0 t 1 = 0 = 0 (1/ )L t L 1 = L( 1, Ю (t 1 )) die Funktion (t) durch numerische Integration finden. Natürlich sind wir weit von einer ausreichenden Kenntnis der Ю(t) und damit von (t) entfernt. Jedoch hat Petra Nerge in ihrer Diplom- Arbeit (NERGE 1998) L(, Ю i ) für variables und eine Reihe von n = 10 Geometrien berechnet, die auf den Rekonstruktionen von PIPER (1982a, 1982b, 1991) beruhen und von heute bis Jahren reichen. Damit haben wir das oben angegebene Verfahren in grober Weise durchexerziert (BROSCHE & SÜNDERMANN 2009). Dieses eine Beispiel eines möglichen Verlaufs (t) zeigte, dass das mittlere Drehmoment über ~ 10 9 Jahre relativ klein ist, weil die Resonanzen entweder nicht getroffen werden oder schnell wieder verlassen werden. Wie oben bemerkt, ist L(, Ю) praktisch äquivalent zu L(, Ю). Die Funktionen L(, Ю i ) = L i ( ) könnten einfacher unter der Annahme Ю = const. = Ю i wie oben angegeben integriert werden. Das Ergebnis ist die hypothetische zeitliche Entwicklung (t) für den Fall, dass die Ozeangeometrie konstant bliebe. Dies ist zwar in der Natur nicht realisiert, aber im Geiste eines statistischen Vorgehens kann man sehr wohl fragen, ob eine bestimmte Geometrie eher mit großen oder kleinen Drehmomenten verknüpft ist. Und dann diese Frage für möglichst viele der von Geologen diskutierten Konfigurationen stellen. Da wir ja den zeitlichen Verlauf a priori nicht kennen, können wir ein mittleres Drehmoment nicht über eine gewisse Zeit bilden, sondern müssen L( ) über einen sinnvollen Bereich von berechnen. Als solchen sehen wir den Bereich vom heutigen Wert 0 bis zu E = 20 /Stunde an. Wenn man einen gegebenen Verlauf L( ) hinsichtlich des zeitlich gemittelten Drehmoments <L> bewerten will, darf man nicht übersehen, dass das Mittel hinsichtlich, also L* (1/ ) L( ) d mit E 0 E 0 48 DGG-Mittlg. 1/2011

49 nicht mit <L> zusammenfällt. Das liegt schlicht daran, dass der -Bereich ja für hohe L wegen ( 1/ ) L schneller durchlaufen wird als für niedrigere. Es ist somit leicht nachzuvollziehen, dass für das Verhältnis gilt N N 2 L*/ L (1/N)( l)( (1/l)) (*) 1 1 Hierin sind die l die Werte von L (oder dazu proportionalen Größen) an N gleichabständig angenommenen Werten im Intervall ( 0, E ) (da in der Praxis die Funktion L ( ) nur diskret gegeben ist, wählen wir diese Form). Das über gemittelte L wird also zu groß ausfallen. Wieviel, das mag als Beispiel die Rechnung von Nerge für die Zeit vor t = 650 Mill. Jahren illustrieren (Abb. 2c), wobei wir, um einigermaßen realistisch zu bleiben, nur den Bereich bis 40 / h verwenden. Es ergibt sich L * / L 1. 8, also fast ein Faktor 2. Das ist aus den genannten Gründen erheblich für das Langzeit-Schicksal des Erde-Mond-Systems und muss daher beachtet werden, wenn, wie wir hoffen, in Zukunft große Kollektive von Modellrechnungen L( ) -Kurven produzieren. Übrigens können wir aus dem Verhältnis nach Gl. (*) auch die Gesamtzeit T für das Durchlaufen von 0 bis E bestimmen, ohne die Integration (t) ausgeführt zu haben. Es ist T ( ) / L. Nachdem bereits die erwähnten Studien für die mehr oder weniger nahe Vergangenheit der Jetztzeit vorliegen, würden wir als ersten Schritt einer Wiederaufnahme dieser Untersuchungen folgenden vorschlagen: möglichst weit in die geologische Vergangenheit zurückgehen, aber nicht in jene aschgraue, für die gar keine paläogeographischen Kenntnisse vorliegen. Wir halten die Zeit vor etwa 620 Mill. Jahren im Präkambrium für geeignet, weil für sie GEORGE WILLIAMS (Adelaide) in den Sedimenten seines Kontinents sogar mehrere Partialtiden feststellen konnte. Damit erhöht sich das Falsifikations- Potential, oder umgekehrt, die Aussagekraft von theoretischen Resultaten ganz erheblich. Hinzu tritt ein nord-südlicher Klimagradient, wie man ihn am damaligen Äquator zunächst nicht erwartet. Insgesamt ein ausgezeichnetes Prüffeld für ozeanische und Klima-Modelle: Hic Rhodus, hic salta! Literatur BROSCHE, P. (1984): Tidal friction in the Earth- Moon system. Phil. Trans. Royal Soc. London A 313, BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (1971): Die Gezeiten des Meeres und die Rotation der Erde. Pure and Applied Geophysics 86, BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (1977): Tides around Pangaea. Naturwissenschaften 64, 89. BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (Hrsg.) (1978): Tidal Friction and the Earth s Rotation. Tagung am Zentrum für interdisziplinäre Forschung der Universität Bielefeld; Berlin, Heidelberg, New York (Springer), 243 S. BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (Hrsg.) (1982): Tidal Friction and the Earth s Rotation II. Tagung am Zentrum für interdisziplinäre Forschung der Universität Bielefeld; Berlin, Heidelberg, New York (Springer), 345 S. BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (Hrsg.) (1990): Earth s Rotation from Eons to Days. Tagung am Zentrum für interdisziplinäre Forschung der Universität Bielefeld; Berlin, Heidelberg, New York (Springer), 255 S. BROSCHE, P., WÜNSCH, J., CAMPBELL, J. & SCHUH, H. (1991): Ocean Tide Effects in Universal Time detected by VLBI. Astronomy and Astrophysics 245, BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (2009): One Possible Path of Tidal Friction for the last Two Billion years. Mission and Passion: Science (Festschrift zum 80. Geburtstag von Milan Burša) Prague, DUNTHORNE, J. (1749): XIV. A letter from The Rev. Mr. Richard Dunthorne to the Reverend Mr. Richard Mason F. R. S. and Keeper of the Woodwardian Museum at Cambridge concerning the Acceleration of the Moon. Philosophical Transactions of the Royal Society 46, /2011 DGG-Mittlg. 49

50 HALLEY, E. (1693): Emendationes ac Notae in vetustas Albatenii Observationes Astronomicas cum restitutione Tabularum Lunisolarium ejusdem Authoris. Philosophical Transactions of the Royal Society. 17, 913. HALLEY, E. (1695): Some Account of the Ancient State of the City of Palmyra, with short Remarks upon the Inscriptions found there. Philosophical Transactions of the Royal Society 19, 160. KANT, I. (1754): Untersuchung der Frage, ob die Erde in ihrer Umdrehung um die Achse, wodurch sie die Abwechselung des Tages und der Nacht hervorbringt, einige Veränderung seit den ersten Zeiten ihres Ursprungs erlitten habe und woraus man sich ihrer versichern könne, welche von der Königl. Akademie der Wissenschaften zu Berlin zum Preise für das jetzt laufende Jahr aufgegeben worden. Kants Werke, Bd. I, Vorkritische Schriften I, , 185. (Siehe dazu auch BROSCHE, P. (1977): Kant und die Gezeitenreibung. Die Sterne 53, ). MAYER, R. (1848): Beiträge zur Dynamik des Himmels. Kapitel 8. Landherr Heilbronn MÜLLER, M., HAAK, H., JUNGCLAUS, J., SÜNDERMANN, J. & THOMAS, M. (2010): The effect of ocean tides on a climate model simulation. Ocean Modelling 35, NERGE, P. (1998): Resonanzeigenschaften der globalen Ozeangezeiten für Topographien der Gegenwart und des Proterozoikums. Dipl.-Arbeit Physik, Universität Hamburg, 117 S. PANELLA, G. (1972): Paleontological evidence on the Earth s rotational history since early Precambrium. Astrophysics & Space Science 16, PIPER, J. D. A. (1982b): The Precambrian Palaeomagnetic Record: the Case for the Proterozoic Supercontinent. Earth and Planetary Science Letters 59, PIPER, J. D. A. (1991): The Quasi-Rigid Premise in Precambrian Tectonics. Earth and Planetary Science Letters 107, SCHULTE, D. (1979): Die Ermittlung der Eigenschwingungsperioden des Weltozeans mittels des HN-Verfahrens und der Fast Fourier Transform auf der Grundlage eines 4 -Modell-Weltozeans, Diplomarbeit, Univ. Hamburg, 53 S. SCRUTTON, T. C. (1978): Periodic Growth Features in Fossil Organisms and the Length of the Day and Month. In: BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (1978): SEILER, U. (1989): An Investigation to the Tides of the World Ocean and their Instantaneous Angular Momentum Budgets. Mitt. Inst. für Meereskunde Univ. Hamburg Nr. 29, 101 S. THOMAS, M. & SÜNDERMANN, J. (1999): Tides and tidal torques of the world ocean since the last glacial maximum. Journ. Geogr. Res. 104, WILLIAMS, G. E. (2000): Geological constraints on the precambrian history of Earth s rotation and the Moon s orbit. Reviews of Geophysics 38, ZAHEL, W. (1970): Die Reproduktion gezeitenbedingter Bewegungsvorgänge im Weltozean mittels des hydrodynamisch-numerischen Verfahrens. Mitt. Inst. für Meeres kunde Univ. Hamburg 17, 71 S. PIPER, J. D. A. (1982a): Movements of the Continental Crust and Lithosphere- Asthenosphere Systems in Precambrian Times. In: BROSCHE, P. & SÜNDERMANN, J. (1982): DGG-Mittlg. 1/2011

51 Das hydrogeophysikalische Testfeld Schillerslage R. Holland, R. Dlugosch, T. Günther, S. Sass, J. Holzhauer, J. Sauer, F. Binot & U. Yaramanci, Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, Hannover Einführung Hydrogeophysik ist eine sich rasch entwickelnde Disziplin in der Geophysik. Sie umfasst hydrologische und umweltrelevante Fragestellungen wie Speichervermögen von Aquiferen, Stofftransport in der vadosen Zone und die Ausbreitung von Kontaminationen (z.b. HUBBARD & RUBIN, 2005, PELLERIN et al., 2009). Da elektrische und elektromagnetische Verfahren sensitiv auf Wassergehalt und Porenfluid sind, eignen sie sich, Fragestellungen zu physikalischen Eigenschaften des Porenraums zu beantworten (z.b. VAN DER KRUK et al., 2010). Im Fokus der Forschung am LIAG steht die Entwicklung der relativ neuen Messverfahren Magnetresonanzsondierung (MRS), Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) und Seismoelektrik (SE). Zur Stärkung des Schwerpunktes Grundwassersysteme wurde das Testfeld Schillerslage erschlossen. Neben der für Norddeutschland typischen Geologie waren vor allem die gute Erreichbarkeit und die für elektromagnetische Verfahren ruhige Lage entscheidend für die Wahl des Ortes. Lage und Geologie Die Testfläche (3,5 ha) befindet sich in der Moor- und Geestlandschaft um Großburgwedel, 20 km nordöstlich von Hannover. Aufgrund der oberflächennahen Grundwasserstände in Kombination mit sandigem Substrat haben sich vorwiegend Gley-Podsolböden entwickelt. Der quartäre Aufbau ist durch zwei sandige Aquifere gekennzeichnet, die durch einen Geschiebelehm voneinander getrennt sind (Abb. 1, rechts). Der obere, 12 m mächtige und vorwiegend mittelsandige Aquifer ist weichsel- (0-4 m) bzw. saalekaltzeitlich (4-12 m) (JORDAN, 1975). Geringmächtige Schichten aus Kies und, sehr untergeordnet, Schluff sowie zwei dünne Torflagen (in ca. 1,5 und 4,5 m Tiefe) durchziehen diese Sande und haben einen deutlichen Einfluss auf die hydraulische Leitfähigkeit (k f ). Die darunterliegenden elsterzeitlichen Sedimente bestehen aus einem 4 m mächtigen, nahezu wasserundurchlässigen Geschiebelehm bzw. Geschiebemergel (ca m) und einem Abb. 1: Lokation und Ausbau des Testfelds, Messungen und Geologie (rechts). 1/2011 DGG-Mittlg. 51

52 6 m mächtigen, hellgrüngrau karbonatisch-sandigen Aquifer (ca m) mit eingeschalteten Kieslagen. Darunter beginnt das Festgestein in Form von hellgrauen und weißen Mergeln der Oberkreide (BINOT, 2008). Geophysikalische Erkundung und Labormessungen Im September 2008 wurde mit der Abteufung von vier Bohrungen auf und in unmittelbarer Nähe der Testfläche mit dem systematischen Ausbau des Standorts begonnen. Messstellen wurden errichtet und zahlreiche Feld- und Labormessungen durchgeführt. Erste wissenschaftliche Ergebnisse dieser Messungen wurden präsentiert sowie eine Bachelor- und eine Diplomarbeit (SASS, 2010) verfasst. Zur Strukturerkundung wurden auf Feldskala die geophysikalischen Verfahren Georadar (GPR), Transient-Elektromagnetik (TEM), Geoelektrik und Seismik angewendet. Die Radarmessungen wurden mit Constant-Offset und Mittenfrequenzen von 80 bzw. 200 MHz durchgeführt. Anstatt der geplanten flächenhaften Kartierung des Grundwasserspiegels, was aufgrund des zu geringen Flurabstandes nicht möglich war, konnten die Verläufe der beiden Torfschichten als durchgängige Reflektoren erfasst werden. Mit Reflexionsseismik konnten die Quartärbasis sowie weitere Reflektoren im Mesozoikum detektiert werden. Zahlreiche Feld- und Bohrlochmessungen, aber vor allem Labormessungen an Proben aus den zwei Kernbohrungen ENG03/08, generieren ein physikalisches Bild des Untergrundes, das in Abb. 2 zusammengefasst ist. k f -Werte wurden auf Basis von Korngrößenanalysen und mittels Durchfluss-Messungen an Stechzylinderproben ermittelt, deren Werte sehr gut übereinstimmen (SASS, 2010). Wassergehalte und spez. Widerstände wurden durch Labor-NMR bzw. SIP-Messungen bestimmt und mit Felddaten verglichen (DLUGOSCH et al., 2010; HOLLAND et al., 2010). Der obere Aquifer (0-12 m) teilt sich in zwei Bereiche: einen feineren, ungleichmäßigen und einen gröberen, gleichmäßigen. Der obere Teil (0-4 m) zeigt ein breiteres Kornspektrum und ist durch einige Schichten mit höherem Feinkornanteil gekennzeichnet. Während Abb. 2: Korngrößenverteilung, hydraulische Leitfähigkeit, Dichte/NMR-Porosität (Φ), spezifischer elektrischer Widerstand (ρ) und normierte Bohrlochlogs (Dichte, Suszeptibilität und -Strahlung) aus den Bohrungen ENG03/08 in Schillerslage. 52 DGG-Mittlg. 1/2011

53 schluffige und tonige Lagen anhand erhöhter Suszeptibilität und -Strahlung charakterisiert werden, fallen Torfschichten (bei 1,5 m und 4,5 m) durch verringerte Dichten ins Auge. Die k f -Werte von m/s werden durch diese Einlagerungen lokal verringert. Die ermittelten Porosi täten schwanken zwischen 30 % und 35 %. Der untere Teil des Aquifers (4-12 m) fällt durch hohe Porositäten von über 35 % auf. Die schmaleren und gröberen Korngrößenspektren führen zu sehr konstanten k f -Werten von m/s. Durchgeführte Pumptests ergaben erwartungsgemäß etwas höhere hydraulische Leitfähigkeiten, nämlich m/s im oberen und m/s im unteren Bereich. Die spezifischen elektrischen Widerstände liegen in beiden Teilen um die 300 m und passen gut zu den Porositäten unter Berücksichtigung der Fluidleitfähigkeit von ca. 150 S/cm. Der Geschiebelehm (12-16 m) zeigt aufgrund des Tonanteils eine erhöhte Gamma-Aktivität und einen höheren Feinkornanteil, wenngleich einzelne Kiesschichten zwischengelagert sind. Dieser Grundwasserstauer ist im Gebiet flächenhaft ausgebildet und hat einen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 30 m. Der untere, ebenfalls mittelsandige Aquifer (17-23 m) hat ein leicht nach unten verschobenes Kornspektrum und hydraulische Leitfähigkeiten von ca m/s. Hier sind keine feineren Lagen mehr zu beobachten. Die Porositäten aus Schüttdichten liegen ebenfalls oberhalb von 35 %, die der NMR-Proben liegen aber deutlich darunter. Ebenfalls eingezeichnet sind die Inversionsergebnisse der Amplituden-Daten aus MRSund SIP-Sondierungen. Sie charakterisieren die im Untergrund vorliegenden Schichten im Rahmen der Mehrdeutigkeiten und stimmen grundsätzlich gut mit den Labormessungen überein. Wesentliche Informationen über den Porenraum birgt darüber hinaus das Spektrum der gemessenen Abklingzeiten bzw. Phasen. Die spektrale Inversion und die Verknüpfung verschiedener Daten sind das Thema aktueller Forschungsarbeiten. Abb. 3: Gr undwasserstände an zwei benachbarten Pegeln und Niederschlagsdaten (Klimastation Langenhagen). 1/2011 DGG-Mittlg. 53

54 Pegelmessungen Die Kenntnis der Dynamik des Grundwasserspiegels ist wichtig für das Verständnis der Prozesse Niederschlag, Speicherung und Abfluss. Daher wurden zahlreiche Logger installiert, die Pegel, Temperatur und Leitfähigkeit erfassen und teilweise per GSM ins LIAG übermitteln. Abb. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Grundwasserspiegels an zwei Messstellen. Im hydrologischen Winter 2009/2010 lag der Grundwasserspiegel bei minimal 50,5 m ü. NN und damit weniger als 0,7 m unter der Geländeoberfläche. Mit dem Beginn des hydrologischen Sommers im Mai sank er bis August um ca. 0,5 m. Der extrem nasse August (172 mm Niederschlag im Vergleich zum 30-jährigen Mittel ( ) von 63,5 mm) und der feuchte September führten zu einem sehr frühen Wiederanstieg des Grundwasserspiegels, welcher normalerweise erst im Laufe des Oktobers erwartet wird. Aufgrund des langen Frostes und schneereichen Winters können die Grundwasserschwankungen von November 2009 bis März 2010 nicht mit den Niederschlägen korreliert werden, sondern hängen stärker von der Schneeschmelze, und damit der Lufttemperatur, ab. Die Temperatur des Grundwassers in 5 m Tiefe unter Geländeoberkante variiert zwischen 7,2 C Ende März und 10,9 C Ende September. Zusammenfassung Die Struktur des Testfeldes in Schillerslage ist nach zahlreichen geophysikalischen und hydraulischen Untersuchungen sowie der intensiven geologischen Erkundung sehr gut bekannt. Vor allem auf dem Ost-West verlaufenden Hauptprofil wurden zahlreiche geophysikalische Methoden eingesetzt. Zusätzlich wird die Dynamik des Grundwasserkörpers überwacht. Die komplexe Struktur des Untergrundes mit unterschiedlich leitfähigen Aquiferen, einzelnen Torf- und Schluffhorizonten und einem Aquiclude repräsentiert eine Herausforderung für verschiedenste Verfahren der Untergrundcharakterisierung. Das Testfeld steht für geophysikalische und andere relevante Untersuchungen für wissenschaftliche Arbeiten auch der Allgemeinheit und den Kooperationspartnern zur Verfügung. Literatur BINOT, F. (2008): Vier neue Bohrungen im Messund Testgebiet des GGA-Instituts nördlich von Schillerslage bei Burgdorf, Niedersachsen. GGA-Bericht, Archiv-Nr ; Hannover. DLUGOSCH, R., MÜLLER-PETKE, M., GÜNTHER, T. & YARAMANCI, U. (2010): Aquifer characterisation by Magnetic Resonance field and laboratory measurements. Ext. abstr., 16 th EAGE Near Surface, ; Zürich. HOLLAND, R., GÜNTHER, T. & YARAMANCI, U. (2010): Aquifer characterisation by Spectral Induced Polarisation - field and laboratory measurements. Ext. abstract, 16th EAGE Near Surface, ; Zürich. HUBBARD, S.S. & RUBIN, Y. (2005): Introduction to Hydrogeophysics. In: Rubin, Y. & Hubbard, S.S. (Eds.): Hydrogeophysics: 3-23; Dordrecht. JORDAN. H. (1975): Blatt 3532 Großburgwedel mit Erläuterungen. Geologische Karte von Niedersachsen 1:25.000; Hannover. PELLERIN, L., HOLLIGER, K., SLATER, L. & YARAMANCI, U. (Eds.) (2009): Special Issue on Hydrogeophysics - Methods and Processes. Near Surface Geophysics, 7: SASS, S. (2010): Applicability of geophysical measuring methods for determination of K values in comparison to conventional measuring methods. Diplomarbeit, Leibniz Universität Hannover. VAN DER KRUK, J., REVIL, A. & SLOB, E. (Eds.) (2010): Introduction to Hydrogeophysics - Electric and Electromagnetic Methods. Geophysics, 75(4): WA1 WA2. 54 DGG-Mittlg. 1/2011

55 Forschungsbohrung 2011 im Rodderberg-Vulkankrater bei Bonn Franz Binot, Hannover Mit der Forschungsbohrung 2011 im Vulkankrater des Rodderbergs setzt das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) seine Tradition fort, Sediment- und Klimaarchive in Europa der Wissenschaft zugänglich zu machen. In enger Verflechtung von Geophysik, Geologie und weiteren Geowissenschaften werden nicht nur neue Erkenntnisse der Stratigraphie und Klimaentwicklung gefördert, sondern vor allem neue, innovative und auf das Objekt hin ausdifferenzierte Untersuchungs- und Auswerteverfahren entwickelt. Exemplarisch sei hier auf die Bohrungen Baruth (1999), Grube Messel (2003), Heidelberg (2005) und Garding (2009) verwiesen. So wirken die LIAG-Forschungsbohrungen wie Kristallisationskeime für geowissenschaftliche Forschungsprojekte und wie Katalysatoren für die Fort- und Neuentwicklung der dazu unverzichtbaren geophysikalischen Methoden und deren Verknüpfung, bis hin zur gemeinsamen Inversion. Damit dies gelingt, wird frühzeitig bei der Auswahl von Bohrobjekt und -ziel eine breite Scientific Community mit einbezogen. Der Krater des Rodderberg-Vulkans bei Bonn birgt ein umfangreiches Sedimentund Klimaarchiv. Eine ca m tiefe Forschungsbohrung soll es im Herbst 2011 erschließen. Die Füllung des etwa Jahre alten (PAULICK et al., 2009) Vulkankraters mit Löss, Seesedimenten und Vulkanoklastika stellt ein bislang nur zum kleinen Teil geöffnetes terrestrisches Sediment- und Klimaarchiv dar. Alle bislang aus kleinen Vorbohrungen und Seismik bekannten Genese-Umstände lassen das Dokument eines langen und kontinuierlichen Zeitabschnitts erwarten, welches zumindest für das Rheinland und die Eifel einzigartig ist und vielleicht zentrale Bedeutung für Mitteleuropa gewinnt. Die bis zum heutigen Tage ringsum geschlossene Kraterhohlform (Abb. 1) wirkte über Jahrtausende wie eine Falle für Sedimente, die in ihrem Inneren alles aufbewahrt. Daher hat das Forscherteam Rodderberg sein Vorhaben DUST TRAP genannt. Die Staubund sonstigen Ablagerungen vermutlich gleich mehrerer Kalt- und Warmzeiten werden in Superposition (übereinander) erwartet, was diesem Sedimentarchiv besonderen wissenschaftlichen Wert zuweist. Ohnehin ist der Rodderberg ein Lehr- und Forschungsobjekt hohen Ranges, dem sich zahlreiche Publikationen seit Mitte des 18. Jahrhunderts bis heute explizit widmen. Im Forschungsteam Rodderberg haben sich neben dem LIAG sieben Institute aus fünf Universitäten (Bayreuth, Bonn, Braunschweig, Bremen, Köln) und der Geologische Dienst Nordrhein-Westfalen zusammengefunden und zwölf Forschungsprojekte konzipiert, die das Klimaarchiv Rodderberg umfassend ausleuchten sollen. Etwa die Hälfte der Projekte beinhaltet methodische, meist geophysikalische Fragestellungen. Näheres findet man unter: Abb. 1: Kreisförmiger Kraterwall des Rodderberg-Vulkans, im Hintergrund das Rheintal. Luftaufnahme: Universität Bonn, Institut für Geographie. 1/2011 DGG-Mittlg. 55

56 Im Wesentlichen werden diese Ziele verfolgt: Untersuchung der Klimaentwicklung über die letzten drei Glazialzyklen, Feststellung von Vulkangeometrie und Kraterentwicklung unter Einsatz geophysikalischer und geologischer Methoden (zur Betrachtung der vulkanologischen und tektonischen Stellung), Untersuchung von In-situ-Eigenschaften mächtiger Lössakkumulationen mit geophysikalischen Messverfahren, Entwicklung neuer und Erprobung existierender Mess- und Analysemethoden für Bohrkern- und Bohrlochmessverfahren, zur hoch aufgelösten Multiproxi- Doku mentation für Klimaindikatoren, Paläoen vironmentbedingungen und Paläotemperaturen, Datierung der Sedimentabfolge dieses terrestrischen Klimaarchivs mit absoluten und relativen stratigraphischen Methoden, für eine genaue Zeitskala mit größtmöglicher zeitlicher Auflösung. An dieser Stelle sollen die geophysikalisch orientierten Projekte besonders genannt werden. Einige sind durch die Projektträger finanziert, andere haben DFG-Förderung beantragt. Bereits für die Vorerkundung kam eine methodisch aufgewertete Scherwellenseismik des LIAG zum Einsatz. Sowohl eine Neukonzeption des Messinstrumentariums wie auch ein hochadaptiertes Auswerteverfahren ermöglichten es, die Kraterstruktur und ihren Inhalt in großer Deutlichkeit abzubilden. Weiter soll ein geomagnetisches Logging mit 3 Komponenten insbesondere die Vulkanite untersuchen. Der Rodderberg ist durch außergewöhnliche Magnetisierung seit längerem ein Forschungsobjekt (PUCHER, 2003). Eine andere, paläomagnetische Fragestellung hat neben den Vulkaniten auch magnetostratigraphische und gesteinsmagnetische Aspekte aus der Sedimentfüllung zum Gegenstand. Den auf Bohrlochgeophysik und Gesteinsphysik gestützten Untersuchungen von Lössen und deren Derivaten kommt eine Schlüsselstellung zu. Sie stellen den Link zwischen flächenhaften Untersuchungen, Bohrung und Bohrkern dar und garantieren damit ein kohärentes Gesamtbild. Ein ambitionierter und innovativer transientelektromagnetischer (TEM-) Zugang zur Kratergeometrie soll über ein großdimensionales Abb. 2: Mikrofossilien im Rodderberg-Krater (Diatomeen), REM-Foto, Bildausschnitt: 40 μm. 56 DGG-Mittlg. 1/2011

57 Spulensystem versucht werden. Unverzichtbar sind schließlich die geochronologischen Projekte, die erst die angemessene Beurteilung des Klimaarchivs ermöglichen. Natürlich schließen sich auch wichtige geologische Projekte mit Fragestellungen zu Tektonik, Vulkanologie, Paläoumweltbedingungen, Klima-Proxies und stratigraphischer Korrelation mit den globalen Skalen an. Das Bohrprojekt soll als ein 3-Loch-Ensemble im 20m-Schlagkreis niedergebracht werden. Loch 1 wird als Spülbohrung mit 5 -Ausbau niedergebracht, die Kernlöcher 2 und 3 mit je 0,5 m Kernversatz werden mit geringerer Tiefe erstellt. Diese Realisierung ermöglicht ein kontinuierliches Kernprofil, hochwertige Bohrlochgeophysik und Loch-zu-Loch- Experimente (Abb. 3). Literatur PAULICK, H., EWEN, C., BLANCHARD, H. & ZÖLLER, L. (2009): The Middle Pleistocene Rodderberg (~300 ka) maar-scoria cone Volcanic Complex (Bonn, Germany): eruptive history, geochemistry, and thermoluminescence dating. Int. J. Earth Sciences 98: PUCHER, R. (2003): Magnetische Aspekte zum Rodderberg-Vulkan (Bonn). Eiszeitalter und Gegenwart 53: Abb. 3: Geplantes Bohrungsdesign für Loch-zu- Loch-Experimente im Löss und seinen Derivaten. 1/2011 DGG-Mittlg. 57

58 NACHRICHTEN AUS DER GESELLSCHAFT Einladung zur Mitgliederversammlung B.-G. Lühr, Geschäftsführer, Im Namen des Vorstandes der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG) lade ich alle Mitglieder der DGG zur Mitgliederversammlung ein, die im Rahmen unserer 71. Jahrestagung am Mittwoch, den 23. Februar 2011 in der Zeit von 17:00 bis 19:00 Uhr im Hörsaal I der Physikalischen Institute der Universität zu Köln stattfinden wird. Um zahlreiches Erscheinen wird herzlich gebeten, Gäste sind willkommen. Tagesordnung: TOP 1: TOP 2: TOP 3: TOP 4: TOP 5: TOP 6: TOP 7: TOP 8: TOP 9: TOP 10: TOP 11: TOP 12: TOP 13: TOP 14: TOP 15: TOP 16: TOP 17: TOP 18: TOP 19: Begrüßung, Feststellung der fristgerechten Einberufung und der Beschlussfähigkeit Genehmigung der Tagesordnung Genehmigung des Protokolls der Mitgliederversammlung am 17. März 2010 in Bochum Bericht des Präsidenten Bericht des Geschäftsführers Bericht des Schatzmeisters Bericht der Kassenprüfer und Entlastung des Schatzmeisters Bericht des deutschen Herausgebers des Geophysical Journal International Bericht der Redaktion der DGG-Mitteilungen und GMit Kurzberichte der DGG-Komitees und -Arbeitskreise Komitees: Publikationen, Öffentlichkeitsarbeit, Internet, Jahrestagungen, Ehrungen, Firmen, Mitglieder, Studierende, Studienfragen, Kooperationen Arbeitskreise: Angewandte Geophysik, Elektromagnetische Tiefenforschung, Dynamik des Erdinneren, Hydro- und Ingenieur-Geophysik, Induzierte Polarisation, Geothermik, Geschichte der Geophysik & Archive Aussprache Entlastung des Vorstandes Wahlen (designierter Präsident, Schatzmeister, Beisitzer) Zusammensetzung des neuen Vorstandes Wahl der Kassenprüfer Anpassung/Erhöhung der Mitgliedsbeiträge Zukünftige Beteiligung an GMit Anträge und Beschlüsse Verschiedenes 58 DGG-Mittlg. 1/2011

59 Wahlen zum Vorstand ( 7 der Satzung) Wahlvorschläge Ugur Yaramanci, Präsident Auf der nächsten Mitgliederversammlung am 23. Februar 2011 in Köln stehen Wahlen zu folgenden Ämtern in der DGG an: Designierte Präsidentin / Designierter Präsident, Schatzmeisterin / Schatzmeister, Beisitzerin / Beisitzer (mindestens 4, max. 7). Der amtierende Schatzmeister hat sich bereit erklärt, für eine dritte Amtszeit zu kandidieren. Auch die vier zur Wahl stehenden Beisitzer haben ihre Bereitschaft erklärt, für eine weitere Amtszeit zu kandidieren. Der Vorstand schlägt daher folgende Kandidaten vor: Designierter Präsident: Prof. Dr. Michael Korn, Universität Leipzig Schatzmeister: Dr. Alexander Rudloff, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Beisitzer: Prof. Dr. Thomas Bohlen, Karlsruher Institut für Technologie Dr. Christian Bücker, RWE Dea AG, Hamburg Prof. Dr. Torsten Dahm, Universität Hamburg Dr. Thomas Günther, Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, Hannover Die vorgeschlagenen Kandidaten stellen sich nachfolgend in Kurzporträts vor. Zurzeit hat die DGG 12 Beisitzer. Nach 7 (1) unserer Satzung können bis zu 15 Mitglieder der Gesellschaft als Beisitzer gewählt werden. Als Mitglied der DGG haben Sie die Möglichkeit, weitere Kandidatinnen und Kandidaten vorzuschlagen. Gemäß 7 (3) der Geschäftsordnung des DGG-Vorstands können Sie Ihre Vorschläge schriftlich (mit Begründung) an das Präsidium der DGG senden oder mündlich während der Mitgliederversammlung benennen. Sehr geehrte Mitglieder der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, vom Präsidium der DGG wurde ich gefragt, ob ich für das Amt des designierten Präsidenten der DGG kandidieren wolle. Über das mir damit entgegengebrachte Vertrauen habe ich mich sehr gefreut und bin nach einigem Nachdenken gerne bereit, mich als Kandidat für dieses Amt zur Verfügung zu stellen. Prof. Dr. Michael Korn Die Geophysik als Fachdisziplin innerhalb der Geowissenschaften befindet sich im Umbruch und steht vor neuen Herausforderungen. Bei der 1/2011 DGG-Mittlg. 59

60 Suche nach Energierohstoffen und mineralischen Rohstoffen ist die Geophysik genauso gefragt wie bei der Minimierung von Schäden durch Naturereignisse, bei Fragen der Nutzung des unterirdischen Raums und der Gewährleistung von Langzeitsicherheit. Gleichzeitig nehmen wir aber wahr, dass das Profil der Fachrichtung Geophysik in Forschung und Ausbildung teilweise unscharf geworden ist und speziell ausgebildete Geophysiker zunehmend fehlen. Die DGG ist als unsere Fachgesellschaft das primäre Organ, über das wir unsere spezifischen Kompetenzen innerhalb der Geowissenschaften gegenüber Öffentlichkeit, Politik und Industrie darstellen und auf die Erfordernisse in der Ausbildung aufmerksam machen können. Zu dieser Profilschärfung möchte ich im Falle meiner Wahl mit beitragen. Zu meiner Biografie: geboren 1955 in Glatten (Baden-Württemberg), Studium der Geophysik an der Universität Karlsruhe, Diplom Anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Frankfurt/M., Promotion Postdoctoral Fellow an der Australian National University in Canberra ( ). Rückkehr an die Universität Frankfurt als wissenschaftlicher Assistent, Habilitation Seit 1993 Professor für Theoretische Geophysik an der Universität Leipzig. Mitglied der European Geosciences Union (EGU), der American Geophysical Union (AGU), der Seismological Society of America (SSA), Leiter einer Task Group der International Association of Seismology and Physics of the Earth s Interior (IASPEI), Vorsitzender des Forschungskollegiums Physik des Erdkörpers (FKPE). Ich bin seit 1985 Mitglied der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, war im Beirat, arbeite in mehreren Komittees mit und bin seit 1998 Deputy Editor-in-Chief des Geophysical Journal International Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, GEOTECHNOLOGIEN Koordinierungsbüro, Potsdam, Projektmanagement Tsunami Früh warnsystem GITEWS am GFZ, seit 2007 Referent im Wissenschaftlichen Vorstandsbereich des Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam. Dr. Alexander Rudloff Geboren 1964 in München, Schulzeit in Berlin und Frankfurt am Main. Studium der Geo physik, Geologie und Mineralogie an der Freien Universität Berlin. Doktorand am GeoForschungsZentrum Potsdam, Promotion an der FU Berlin. Begann seine DGG-Karriere als Kassenprüfer Wurde 2003 erstmalig in Jena zum Schatzmeister gewählt. Die zweite Wahlperiode begann in Aachen Hat immer noch Spaß am Ehrenamt und möchte die begonnene erfolgreiche Modernisierung der DGG gemeinsam mit dem Vorstand fortsetzen. Er kandidiert letztmalig für eine neue Amtszeit ( ). 60 DGG-Mittlg. 1/2011

61 Jahrgang 1968, geboren und Schulzeit in Aurich (Ostfriesland), Studium der Geophysik bis 1994 an der Universität Kiel. Anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter, Promotion 1998, Habilitation 2004 am Institut für Geowissenschaften der Universität Kiel. Von Professor für Angewandte Geophysik/Prospektionsgeophysik an der TU Bergakademie Freiberg, seit 2009 Professor für Angewandte Geophysik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Prof. Dr. Thomas Bohlen Er arbeitet seit 2007 als Beisitzer im erweiterten Vorstand der DGG mit und kandidiert erneut für das Amt eines Beisitzers mit Zuordnung zum Komitee Publikationen. Von 1987 bis 1992 Koordinierung der Gesteinsphysik im Feldlabor der Kontinentalen Tiefbohrung in der Oberpfalz (KTB). Im Juli 1992 Wechsel als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die RWTH Aachen, Vorlesungen in der Angewandten Geophysik und Angewandten Mathematik für Geologen, Projekte in der Umwelt-Geophysik, mehrfache Teilnahme als Logging Scientist an Bohrfahrten des Ocean Drilling Programs (ODP). Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am GGA- Institut Hannover ab 1997 Übernahme der Bohrlochgeophysik im internationalen Cape-Roberts- Projekt in der Antarktis (CRP), Durch führung der Feldkampagnen in der Antarktis in 1998 und Seit 2001 Petrophysiker, und seit 2007 Leiter Forschung & Entwicklung bei der RWE Dea AG in Hamburg. Christian Bücker ist verheiratet und hat einen Sohn. Dr. Christian Bücker Geboren 1956 in Münster, Studium der Geophysik an der LMU München bis 1983, anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter an der LMU München, Promotion Hat in den Jahren als Editor der Mitteilungen der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft gewirkt, seit 2005 Co-Editor des International Journal of Earth Sciences. Von Chair der Logging Subcommittee Group im ODP Scientific Measurement Panel. Seit 1997 Chair der FKPE Arbeitsgruppe Bohrlochgeophysik und Gesteinsphysik und Durchführung regelmäßiger Workshops, seit 2010 Industrievertreter im FKPE. Seit 2007 im Wissenschaftlichen Beirat des Excellenz- Clusters der CAU Kiel sowie im Industrial Committee der IDEA-League Joint Masters Applied Geophysics. Er möchte sich auch weiterhin für die DGG stark machen und ist insbesondere an einem verstärkten Austausch zwischen Forschung und Industrie interessiert. 1/2011 DGG-Mittlg. 61

62 Geboren 1963, Schulzeit in Nürtingen. Studium der Geophysik am Institut für Geophysik, Fakultät Physik, an der Universität Karlsruhe. Doktorand am gleichen Institut mit Promotion im Jahre Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Meteorologie und Geophysik der Universität Frankfurt. Habilitation in 2000 am dortigen Fachbereich für Geowissenschaften. Seit 2000 Professor für Seismologie an der Universität Hamburg. Prof. Dr. Torsten Dahm Torsten Dahm hat sich für die DGG-Zeitschrift Geophysical Journal International als einer unserer Editoren engagiert. Er ist in Hamburg für die Konzeption, Umsetzung und Koordination der Studiengänge B.Sc. und M.Sc. in Geophysik verantwortlich. Er ist seit 2007 im Beirat der DGG und Leiter des Komitees Studienfragen. Als wichtige Rolle der DGG im Bereich Studienfragen wird die Verbesserung der Transparenz der Studiengänge und der Zulassungsvoraussetzungen für unsere M.Sc.- Studiengänge angesehen. Dr. Thomas Günther Jahrgang 1975, geboren in Marienberg, Schulzeit in Pobershau und Chemnitz. Studium der Geophysik an der TU Bergakademie Freiberg. Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Geophysik und Promotion Ende Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Chemnitz, Bereich Mathematik in Industrie und Technik. Seit 2005 als Wissenschaftler im GGA-Institut, jetzt Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, Hannover, in der Sektion Geoelektrik und Elektromagnetik tätig. Thomas Günther ist verheiratet und hat eine Tochter. Thomas Günther ist seit 2007 Leiter des Komitees Internet und betreibt die Internetpräsenz der DGG ( Er kandidiert für eine zweite Amtszeit. 62 DGG-Mittlg. 1/2011

63 Anpassung/Erhöhung des Mitgliedsbeitrags Erläuterung zum Tagesordnungspunkt (TOP) 16 der Mitgliederversammlung am Alexander Rudloff, Schatzmeister der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft Sehr geehrte Mitglieder der DGG, bereits auf der letzten Mitgliederversammlung in Bochum am 17. März 2010 hatte der Schatzmeister unter TOP 6 zur Thematik Mitgliedsbeitrag berichtet und diverse Gründe für eine Anpassung bzw. Erhöhung desselben für 2012 genannt. Die heute gültige Beitragsstruktur der DGG resultiert aus dem Jahr 2002, als im Zusammenhang mit der Umstellung von D-Mark auf EURO eine Anpassung erfolgte. Seither haben sich drei voneinander unabhängige Prozesse vollzogen: Die Teuerungsrate, Statistiker sprechen hier vom Verbraucherindex, hat sich im Schnitt seit 2002 um 1,5 % pro Jahr entwickelt und somit auch einen entsprechenden Einfluss auf das Budget der DGG. Wendet man den gestiegenen Verbraucherindex auf die DGG-Mitgliedsbeiträge / Stand 2002 an, so ergibt sich folgende Lage: Um die regulären Ausgaben zu tätigen, benötigt die DGG statt 30,- EUR nun 34,38 EUR (Mitglieder M und K), anstelle von 20,- EUR entsprechend 22,92 EUR (Mitglieder S und D) und statt 10,- EUR exakt 11,46 EUR (Mitglieder J). Zum zweiten hat die DGG in den vergangenen Jahren einige neue Aktivitäten gestartet, die unsere Sichtbarkeit erhöhen, aber auch mit Zusatzkosten zu Buche schlagen. Beispiele sind der erhöhte Beitrag für das jährlich stattfindende GAP (1.000,- EUR) sowie die Carl-Friedrich- Gauß-Lecture mit der DGG-Reception auf der EGU, die 2011 bereits zum 6. Mal stattfinden wird. Als dritter Punkt ist die seit einigen Jahren zunehmend strengere steuerliche Behandlung von Vereinen zu nennen. Diese tritt insbesondere dann massiv auf, wenn man, wie die DGG, auch ein Tagungsgeschäft betreibt. Ohne professionelle externe und damit kostenpflichtige Unterstützung ist dies nicht mehr zu leisten. Nach wie vor gilt, dass die Abschlüsse der Jahrestagungen nicht immer positive Erlöse bescheren; bei einigen Tagungen in der Vergangenheit musste die DGG als Veranstalter einen Budgetausgleich für den Ausrichter vornehmen. Da der Umsatz der DGG-Tagungen mittelfristig steigt, wächst auch das von der DGG zu tragende Risiko. In der festen Überzeugung, für eine zukunftsorientierte Ausrichtung der DGG die richtigen Weichenstellungen vorzu nehmen, möchte ich Ihnen im Namen des Vorstands folgende Beitragsanpassungen bzw. moderate Er höhungen für die Mitgliederversammlung 2011 zur Abstimmung vorschlagen: Mitgliedsbeitrag J: aktuell 10,- EUR, NEU ab 2012: 15,- EUR, Mitgliedsbeitrag D: aktuell 20,- EUR, NEU ab 2012: 25,- EUR, Mitgliedsbeitrag S: aktuell 20,- EUR, NEU ab 2012: 25,- EUR, Mitgliedsbeitrag M: aktuell 30,- EUR, NEU ab 2012: 40,- EUR, Mitgliedsbeitrag K: aktuell 30,- EUR, NEU ab 2012: 50,- EUR 1/2011 DGG-Mittlg. 63

64 DGG-Kolloquium 2011: Induzierte Seismizität A. Schuck, Leipzig Anlässlich der 71. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft in Köln veranstaltet der Arbeitskreis Angewandte Geophysik am Mittwoch, dem , sein mittlerweile traditionelles Kolloquium, diesmal zum Thema: Induzierte Seismizität. Zielsetzung des Kolloquiums ist es, einen ausführlichen Überblick über die vielfältigen Phänomene der induzierten Seismizität auf unterschiedlichen Skalenlängen zu geben, den Stand der Technik zur Registrierung und Auswertung anhand von Anwendungsbeispielen darzustellen und weitere Entwicklungen aufzuzeigen. Das Programm enthält 6 Vorträge: (1) Joswig, M. (Universität Stuttgart): Nanoseismic Monitoring - kleine Brüche in großer Erde. (2) Manthei, G. (Fachhochschule Gießen), Philipp, J. & Eisenblätter, J. (Gesellschaft für Materialprüfung und Geophysik mbh, Bad Nauheim): Acoustic Emission Measurements in Rock Structures and on Rock Specimens. (3) Kaiser, D. (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe): Mikroakustische Messungen in einem Salzbergwerk zur Bewertung von Rissprozessen. (4) Wegler, U. (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe): Geothermie und Seismizität. (5) Wiemer, S. (ETH Zürich, Schweizerischer Erdbebendienst): Kleine Beben mit großer Wirkung: Ein Beitrag zur probabilistischen Gefährdungsanalyse von induzierten Erdbeben. (6) Wassermann, J., Megies, T. & Igel, H. (Universität München): Kleine Druckvariationen - kleine Erdbeben? Beispiele induzierter Seismizität aus dem Voralpen- /Alpenraum. Die Vorträge werden in einem Sonderband der Mitteilungen der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft erscheinen. Dieser ist während der Tagung zum Preis 5,00 EUR erhältlich. Bitte nutzen Sie die Möglichkeit zur Bestellung des Sonderbandes auf der Internet- Seite der Tagung Eine vorherige Anmeldung zum Kolloquium ist nicht erforderlich. 64 DGG-Mittlg. 1/2011

65 5. C.-F.-Gauß-Lecture mit Joachim Saur auf der EGU-Tagung 2010 Alexander Rudloff (Potsdam) & Ugur Yaramanci (Hannover/Berlin) Schon zum fünften Mal fand am 5. Mai 2010 während der EGU General Assembly in Wien die Carl-Friedrich-Gauß-Lecture der DGG statt. Herr Professor Joachim Saur vom Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln berichtete in seinem Vortrag über Water, Ice and Fire: Exploring the moons of our solar system with magnetic fields. In seiner knapp einstündigen Präsentation schlug Herr Saur den Bogen von den acht Planeten des Sonnensystems über die verschiedenen Monde zu den vielfältig nutzbaren Informationen der planetaren Magnetfelder. Insbesondere erläuterte Herr Saur, wie gemessene induzierte Magnetfelder aufgrund von zeitlich variablen externen Feldern benutzt werden, um die Leitfähigkeitsstrukturen im Inneren der Monde zu bestimmen. Eine der relevantesten Anwendungen dieser Induktionsstudien kommt bei der Suche nach Ozeanen aus flüssigem Wasser unter den Eisoberflächen mehrerer Monde des äußeren Sonnensystems zum Tragen. Schon traditionell fand auch diesmal im Vorfeld des Vortrags wieder ein kleiner Empfang für Mitglieder und Freunde der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft statt. Mehr als 100 Personen nutzten gerne diese Gelegenheit zum Austausch bei einem Imbiss und Getränken. Die Präsentation des C.-F.-Gauß-Vortrages von Herr Saur ist ebenso wie die Beiträge der Vorjahre über die Internetseiten der DGG unter >C.F. Gauß-Lecture< einzusehen. Die 6. C.-F.-Gauß-Lecture findet am Mittwoch, 6. April 2011 um 19:00 h in Wien statt und wird von Prof. Dr. Heidrun Kopp vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-Geomar) zu einem Thema der Marinen Geophysik gehalten. Alle DGG-Mitglieder und Freunde der DGG sind schon jetzt herzlich hierzu eingeladen. Fotos: A. Rudloff 1/2011 DGG-Mittlg. 65

66 GAP 2011 in Hamburg Barbara Golebiowski Vom 02. Juni bis zum 05. Juni 2011 findet nun schon zum 27. Mal das jährliche Treffen der Geophysikstudenten, das Geophysikalische Aktions Programm, kurz GAP, statt. Das GAP wurde 1985 von Karlsruher Studenten ins Leben gerufen. Seitdem wurde es jährlich ohne Unterbrechung in verschiedenen Städten Deutschlands, ja sogar schon außerhalb des Landes, veranstaltet. Es erfreut sich großer Beliebtheit, nicht nur unter den deutschen Studenten, sondern auch unter Studenten in unseren Nachbarländern. Das GAP hatte letztes Jahr sein 25-jähriges Jubiläum, was in der Gründungsstadt Karlsruhe gefeiert wurde. Umso mehr freuen wir uns bekannt zu geben, dass dieses Jahr das GAP, nach 9 Jahren, wieder in Hamburg veranstaltet wird. Hiermit laden wir ganz herzlich alle Studenten der Geophysik und der benachbarten Studiengänge zu diesem Event ein. Der Donnerstag ist wieder für die Anreise vorgesehen. Doch wird sich eine frühe Anreise lohnen. Wir planen für den Freitag viele spannende und aufregende Exkursionen. Am Samstag sollen interessante und informative Vorträge gehalten werden. Natürlich wird es auch genug Zeit geben, sich auf einer Party gegenseitig kennenzulernen, auszutauschen und gemeinsam Hamburg zu erkunden. Interessierte Studenten können unter der Internetseite weitere Informationen zu Anmeldung, Teilnehmerbeitrag, Übernachtung, Vorträgen und Exkursionen erfahren. Für weitere Fragen können sie uns auch direkt unter orga@gap-2011.org erreichen. Wir bitten alle Professoren der Geophysik ihre Studenten über das GAP zu informieren. In diesem Rahmen wollen wir uns auch ganz herzlich bei der DGG bedanken, dass sie auch dieses Jahr als großzügiger Sponsor das GAP mitfinanziert. Da das GAP sich nur aus Teilnehmerbeiträgen und Spenden finanziert, würden wir uns über jede Spende, ob finanziell oder materiell, sehr freuen (Kontakt unter sponsoren@gap-2011.org). Außerdem stellen sich einige regionale sowie internationale Firmen vor. Sie bieten den Studenten die Möglichkeit, sich über ein Praktikum, über Abschlussarbeiten und Berufsaufgaben zu informieren. 66 DGG-Mittlg. 1/2011

67 Nachrichten des Schatzmeisters Sehr geehrte Mitglieder der DGG. Ein frohes und gesundes neues Jahr wünsche ich Ihnen allen. Bitte bleiben Sie auch weiterhin der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft gewogen. Wir freuen uns auf Ihre Teilnahme und damit auf ein Wiedersehen bei der Jahrestagung in Köln im Februar Mitgliederzuwachs der DGG hält weiter an Auch vor dem Jahresende 2010 war der Zustrom neuer Mitglieder in die DGG ungebrochen. Aktuell zählt unsere Gesellschaft Mitglieder (Stand: ). Neue Mitglieder Bitte begrüßen Sie wie immer an dieser Stelle herzlich unsere neuen Mitglieder (Stand ): Rechnungen 2011 sind in Vorbereitung Die Rechnungen für den Mitgliedsbeitrag 2011 sowie ggf. zusätzlich gewünschte Leistungen, wie den Bezug des Geophysical Journal International online und/oder in gedruckter Form, sind in Vorbereitung und werden Ihnen möglicherweise noch vor Erhalt dieses Mitteilungsheftes zugehen. Aufgrund des frühen Tagungstermins in Köln werden Sie einen relativ kurzen Zahlungstermin feststellen. Ich denke, es ist im Sinne aller Mitglieder, wenn wir es erneut anstreben, dass zu Beginn der Jahrestagung die überwiegende Zahl der Mitgliedsbeiträge bezahlt sein sollte. Für Rückfragen stehe ich Ihnen wie immer gerne zur Verfügung: Telefonisch: 0331 / Mobil: 0162 / Per Fax: 0331 / Elektronisch: rudloff@gfz-potsdam.de Mit freundlichen Grüßen Alexander Rudloff [Aus Datenschutz-Gründen erscheinen in der Internet-Version keine Namen und Ortsangaben von DGG-Mitgliedern]. 1/2011 DGG-Mittlg. 67

68 AUS DEM ARCHIV Das Archiv der DGG sammelt und bewahrt das Schriftgut der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft sowie weitere ausgewählte schriftliche und gegenständliche Sachzeugnisse der historischen Entwicklung der Geophysik in Deutschland. Es bietet gleichzeitig die Möglichkeit zur Aufbewahrung von historisch wertvollen geophysikalischen Geräten und Karten sowie von Ergebnisberichten, Patentschriften und persönlichen Nachlässen. Das Archiv hat seinen Sitz in Leipzig, Talstraße 35. Es befi ndet sich in unmittelbarer Nähe zum Gründungsbau der DGG von 1922, dem im Kriege 1943 zerstörten ehemaligen Gebäude des Geophysikalischen Instituts der Universität Leipzig, Talstraße 38. Es ist telefonisch erreichbar unter 0341/ ( DGG-Ehrenurkunde von Ludger Mintrop Franz Jacobs (Leipzig) Ludger Mintrop ( ) Mitbegründer unserer Gesellschaft im Jahre 1922 erhielt Anfang der 1950er Jahre die Ehrenmitgliedschaft der DGG. Über den genauen Zeitpunkt und über die ihm gewidmete Laudatio bestand lange Zeit keine Klarheit. In Mintrops Nachlass, der seit Juli 2010 in der Obhut des Archivs der DGG in Leipzig bearbeitet wird (s. DGG-Mitteilungen, 3/2010: 41-44), fand sich die ihm überreichte Originalurkunde. Es handelt sich um 2 mittig gefaltete A3-Blätter (Karton) mit eingezogenen roten Fäden. Auf dem Außenblatt stehen die großen Buchstaben DGG, auf dem Innenblatt außen die stilisierten Initialen LM; ganz innen rechts die Laudatio/ Widmung mit den Unterschriften der damaligen Vorsitzenden Günther Böhnecke ( ) und Ernst Kleinschmidt ( ). Ausgestellt ist die Urkunde am 1. Dezember 1950 in Hamburg. Die Ehrenmitgliedschaft für Ludger Mintrop war die erste Auszeichnung der DGG in der Aufbauzeit unserer Gesellschaft nach dem 2. Weltkrieg. Abb. 1: Die Ehrenurkunde von Ludger Mintrop Abb. 2: Die Initialen LM 68 DGG-Mittlg. 1/2011

69 Abb. 3: Die Laudatio/Widmung 1/2011 DGG-Mittlg. 69

70 VERSCHIEDENES Rebekka Steffen mit Bernd-Rendel-Preis der DFG ausgezeichnet Alexander Rudloff (Potsdam) & Hans-Joachim Kümpel (Hannover) Rebekka Steffen (24), Diplom-Geophysikerin und Doktorandin an der University of Calgary (Kanada), ist eine der diesjährigen Preisträgerinnen des Bernd-Rendel-Preises der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Rebekka Steffen erhielt den Preis u.a. für ihre Diplomarbeit, die sie an der Friedrich- Schiller-Universität Jena im Rahmen des DFG-geförderten Projekts Seismic Hazard Assessment for Almaty unter der Leitung von Prof. Jentzsch angefertigt hat. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der Krusten- Mantel-Grenze im Tian-Shan und der Erstellung eines dreidimensionalen Krustenmodells um die Erdbebenregion Almaty (Kasachstan). Rebekka Steffen kombinierte darin zunächst terrestrische Schweremessungen mit dem globalen hochauflösenden Schweremodell EGM2008. Es gelang ihr, die unzugängliche Region dreidimensional abzubilden und Aussagen über die Zusammensetzung der Erdkruste und die geologische Entwicklung des Tian-Shans zu treffen. In ihrer Doktorarbeit an der University of Calgary befasst sich Rebekka Steffen mit der Hudson Bay als einem der seismisch aktiveren Gebiete Kanadas. Dort untersucht sie vor allem die Interaktion zwischen der andauernden Landhebung seit der letzten Vereisung und auftretenden Erdbeben. Foto: Angela Spitzlei Weitere Informationen zum Bernd-Rendel-Preis, mit dem die DFG seit 2002 junge, nicht promovierte Geowissenschaftler/innen auszeichnet, finden sich auf den Internetseiten der DFG. Bisherige Preisträgerinnen und Preisträger des Bernd-Rendel-Preises aus dem Fachgebiet Geophysik waren Andrea Hampel (2002), Sofie Gradmann (2005) und Alexander Gerst (2007). Der Vorstand der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft gratuliert dem DGG-Mitglied Rebekka Steffen ganz herzlich zu dieser Auszeichnung. Die Verleihung des Bernd-Rendel-Preises 2010 erfolgte im Rahmen der Festveranstaltung zum 100-jährigen Bestehen der Geologischen Vereinigung (GV) am 10. Oktober 2010 im Senckenberg-Museum in Frankfurt am Main. Weitere Preisträgerinnen waren Dipl.- Geologin Juliane Hinz (27) aus Tübingen, M. Sc. Olga V. Narygina (27) aus Edinburgh und Dipl.-Geoökologin Claudia Wrozyna (28) aus Braunschweig. 70 DGG-Mittlg. 1/2011