Die Bedeutung der Geologie in Gesellschaft und Wirtschaft

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1 15. Mai 2012 Was wie wofür studieren? Der Forschung I Der Lehre I Der Bildung Die Bedeutung der Geologie in Gesellschaft und Wirtschaft Prof Dr Claus-Dieter Reuther Prof. Dr. Claus-Dieter Reuther Geologisch-Paläontologisches Institut

2 Was ist Geologie? Geologie ist die Wissenschaft von der Entstehung der Erde, ihrem Aufbau und ihrer Entwicklung Geologische Forschung reicht ihtvon der Rekonstruktion kti füh früher Prozesse der Ed Erdentwicklung, als sich kosmische Materie in unserem Sonnensystem zusammenfügte, über die Vorgänge, die zu einer Differenzierung des Erdkörpers in Erdkruste, Erdmantel und Erdkern führten bis hin zur Analyse der physikalischen und chemischen Abläufe, die den unterschiedlichen Aufbau der Kontinente und Ozeanböden steuern. Im Erdinneren stattfindende ttfi d endogene Prozesse, wie Konvektionsströme, t die auf Wärme und Dichteunterschieden beruhen, sind Ursachen für plattentektonische Bewegungen und die damit verbundenen Kräfte und Spannungen (Erdbeben) sowie für magmatische Prozesse (Vulkane). Zusammen mit den exogenen Prozessen an der Erdoberfläche (Verwitterung, Sedimentation) führen sie zu der vielfältigen geologischen Gestaltung unserer Erde. von der Strukturierung der Erde hängen Rohstoffvorkommen und das Vorhandensein von Grundwasser ab aber auch mögliche Geogefahren wie Erdbeben und Vulkanausbrüche.

3 Geologinnen und Geologen untersuchen also die Strukturierung der Erdkruste. Die Ergebnisse und Kenntnisse darüber sind notwendig bei der - Erschließung von Grundwasser (Trinkwasser) - Beurteilung des geologischen Untergrunds als Baugrund - Suche nach Energierohstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle - Erschließung von Vorkommen mineralischer metallischer Rohstoffe - -wie z.b. Eisen oder Kupfer - Ek Erkundung von nicht-metallische t h Rohstoffen wie Kalk oder Sand

4 Ein Mensch verbraucht im Laufe seines Lebens durchschnittlich folgende Rohstoffe: Mineralöl 116 t Erdgas m3 Braunkohle 158 t Sand und Kies 307 t Zement 29 t Stahl 39,5 t Aluminium 1,7 t Kupfer 1,1 t Angaben nach BGR Für die Herstellung von High-Tech-Produkten werden zunehmend die sogenannten Seltenen Erden (SEE = Seltene Erden Elemente, REE rare earth elements) benötigt. t

5 Seltenen Erden und ist wichtig für die Herstellung von sehr kleinen Magneten mit starken Magnetfeldern bei kleinem Volumen wie bei Mikropho- nen und Lautsprechern in Smartphones, z.b. wird Neodym in starken Permanentmagneten in Windkraftanlagen eingesetzt. Samarium findet Anwendung ebenfalls in Permanentmagneten z. B. in Kopfhörern

6 Bei den Seltenen Erden handelt es sich um Metalle, die nicht rein vorkommen. Sie kommen immer vermischt mit anderen SE-Metallen vor und zwar in ganz bestimmten Mineralen in ganz bestimmten Gesteinen. Von wirtschaftlichem Interesse sind die Minerale Bastnäsit (Ce,La)(CO 3 ) F (Cerium, Lanthan, Fluor, Kohlenstoff, Sauerstoff) Von den Seltenen Erden Metallen gehen ca. 30% in die Glas- und Keramikproduktion Monazit (Ce,La,Nd,Th) PO 4 (Cerium, Lanthan, Neodym, Thorium, Phosphor, Sauerstoff) 20% in die Herstellung von Magneten (z.b. Generatoren von Windkraftanlagen, Elektromotoren in Hybrid-Autos) 19% für Katalysatoren 18% Metalllegierungen und Batterien 7% Energiesparlampen In Mobiltelefonen und Flachbildschirmen werden sie als Leuchtmittel verabeitet ferner in magnetischen Datenspeichern Lanthan (La) Cerium (Ce) Praseodym (Pr) Neodym (Nd) Promethium (Pm) Samarium (Sm) Europium (Eu) Gadolinium (Gd) Terbium (Tb) Dysprosium (Dy) Holmium (Ho) Erbium (Er) Thulium (Tm) Ytterbium (Yb) Lutetium (Lu) Scandium (Sc) Yttrium (Y)

7 Monazit (Ce,La,Nd,Th) PO 4 (Cerium, Lanthan, Neodym, Thorium, Phosphor, Sauerstoff) Bastnäsit (Ce,La)(CO 3 ) F (Cerium, Lanthan, Fluor, Kohlenstoff, Sauerstoff) Cerium: Zusatz für Aluminium- und Eisenbasislegierungen, lefärbung, UV-Filter in Windschutz- scheiben, Bildröhren, Abgaskataly- satoren, Zündsteine, Poliermittel für die Glasindustrie, weiße Leuchtdioden, selbstreinigende Backöfen, Gasentladungsröhren, Zahntechnik (Keramik) Lanthan wird id in Energiesparlampen verwendet und in Batterien von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. In deren Akkus stecken bis zu 15 kg Lanthan plus ein kg Neodym. Vorkommen in z.b. in Pegmatiten (grobkörnige Tiefengesteine Spaltenfüllungen mit Restschmelze) aus REUTHER 2012 Springer Spektrum

8 Hamburg: Baugrund Bildrechte Geol. Landesamt Hamburg

9 Hamburg: Baugrund Bildrechte Geol. Landesamt Hamburg

10 Hamburg: Baugrund Bildrechte Geol. Landesamt Hamburg

11 Hamburg: Baugrund Digitale GIS-basierte Themenkarten für aktuelle Fragen (z. B. Mächtigkeit der marschentypischen Weichschichten in der Hafencity Bildrechte Geol. Landesamt Hamburg

12 SoSe 2012 Prof. Dr. C.-D. Reuther Baugrund g Hafencity y Was wie wofür studieren? Geowissenschaften

13 Baugrund Hafencity

14 Ingenieurgeologie / Hydrogeologie: Grundwasser / Trinkwasser in Hamburg Was ist Grundwasser? Grundwasser ist unterirdisches Wasser, das Hohlräume unter der Erde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird. Die Hohlräume in den Lockergesteinen Norddeutschlands werden durch den Porenraum zwischen den Gesteinspartikeln, spa t e meist Sand und Kies gebildet. Porengrundwasserleiter In anderen Gegenden Deutschlands - oder in Norddeutschland zumeist in größerer Tiefe - kommen dagegen Festgesteine vor, die dann Poren-, Kluftoder Karstgrundwasserleiter ausbilden. Kluftgrundwasserleiter Karstgrundwasserleiter

15 Hamburg Grundwasser wechselhafte Quartär-Schichtfolge (eiszeitliche Bildungen) Zechstein (Perm) aushaltende tertiäre Schichtfolge (Fluviatile bis küstennahe Genese) eiszeitliche Rinnen Schichtaufschleppungen an Salzstrukturen Grundwasserversalzung Bildrechte Geol. Landesamt Hamburg

16 HADU Hamburgs dynamischer geologischer Untergrund Auffinden von geologischen Strukturen im verdeckten (überbauten) Untergrund

17 HADU 2 HAMBURG Die Metropolregion Hamburg wird von vier Salzdiapiren unterlagert Geesthacht (- 500 m) Reitbrook (- 850 m) Meckelfeld (- 450 m) Othmarschen- Langenfelde Der Othmarschen-Langenfelde Diapir reicht bis an die Erdoberfläche.

18 SoSe 2012 Prof. Dr. C.-D. Reuther Mechanismen von Salzdiapiren Was wie wofür studieren? Geowissenschaften horizontale Einengung horizontale Dehnung g Bad Segeberg aus REUTHER 2012 Springer Spektrum

19 Wasser Hohlraumbildung durch Lösungsprozesse nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

20 Hohlraum stürzt ein nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

21 Bahrenfelder See

22 3D Modellierung eines Erdfalles

23 Ursachen der Gebäudeschäden

24 Absenkungsstrukturen in Hamburg? Gefährdungsabschätzung: Nicht alle Senkungsstrukturen sind Erdfälle! Georadarprofil eines Toteisloches: Undeformierte Basis Georadarprofil einer Erdfallstruktur: Versetzte Basis und Ränder

25 Geothermie Heizkraftwerk Neustadt-Glewe Förderungsbohrung m mit bis zu 97 C heißem Thermalwasser,

26 Geothermie Vorteile? Schwierigkeiten? Grundwasserleiter Rät-Sandstein Injektions- bohrung Extraktionsbohrung Thermaler Grundwasserleiter

27 Deformationen, Spannungen und Kräften in der Erde auf der Spur. TEKTONIK

28 TEKTONIK Endogene Prozesse der Erde Geodynamik, Neotektonik, Georisiken Dabei geht es um die Ursache der Kräfte aus dem Erdinneren die zu Spannungen in der Erdkruste führen, diese verformen und als tektonische Strukturen auf der Erde zu sehen sind. Ihre Anwendung im Beruf des Geologen finden Kenntnisse zur Dynamik der Erde und zur Tektonik neben der Rohstofferkundung und der Erschließung von Grundwasser in der Geothermie und bei der Analyse von Georisiken

29 Woher kommen die Kräfte und Spannungen die zu solchen Deformationen führen?

30 aufeinander zulaufende Platten: Konvergente Plattengrenzen E i n f ü h r u n g Subduktion Gravitative Plattenzugkraft Kontinent- Kontinent- Kollision Hebung durch Auftrieb nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

31 Aufschiebung an der Erdoberfläche aus REUTHER 2012 Springer Spektrum

32 Erdbeben - Wie? Spannungen in der Erdkruste führen zur Deformation der Gesteinschichten Beim Zerbrechen des Gesteins gehen von der Bruchstelle (dem Erdbebenherd oder Hypozentrum) seismische Wellen. (Erdbebenwellen) aus, die sich im Erdinneren ausbreiten und von Messgeräten (Seis- mometern) an der Erdoberfläche registriert werden. Erdbeben aus REUTHER 2012 Springer Spektrum

33 Analyse tektonischer Strukturen im Gelände Spannungszustand Struktur = Aufschiebung Deformation = Einengung Maximale Hauptspannung = horizontal = Minimale Hauptspannung = vertikal = nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

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35 Lagerstätten verbunden mit Verwerfungen: Kalgoorlie (West-Australien) Super Pit 3,5 km lang, 1,5 km breit, 400 m tief Förderung ca. 20 Tonnen Gold/ Jahr; 1 kg Gold = Euro Euro/Jahr

36 Angewandte Tektonik Faltenstrukturen nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

37 Angewandte Tektonik Faltenstrukturen t mit Erdöl- und Erdgaslagerstätten nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

38 Georisiken Erdbebenwahrscheinlichkeit Plattengrenzen innerhalb der Platten nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

39 Die stärksten Erdbeben seit Chile ,5 2. USA, Alaska Prince William Sound ,2 3. vor der Westküste von Sumatra ,1 4. nahe der Ostküste von Honshu, Japan ,0 5. Kamchatka ,0 6. vor der Küste von Chile (Maule) ,8 7. vor der Küste von Ecuador ,8 8. USA, Alaska Rat Islands ,7 9. Nord Sumatra ,6 10. vor der Westküste von Sumatra ,6 (Quelle: USGS United States Geological Survey)

40 Südamerika - Georisiken

41 Georisiken Vulkane und Erdbeben aus REUTHER 2012 Springer Spektrum

42 Dynamik des aktiven Plattenrands forearc dynamics Hebung und Dehnung Kompression

43 aufeinander zulaufende Platten: Konvergente Plattengrenze Kollisionswiderstand nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

44 Plattenranddeformation Obere und untere Platte verhaken sich. Oberplatte wird gestaucht dabei hebt sich die Oberfläche Reibung wird überwunden. Die Oberplatte schnappt plötzlich nach vorn = Erdbeben Auslösung eines Tsunamis

45 Tsunami nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

46 Südchile

47 Tsunamientstehung nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

48 Die stärksten Erdbeben seit Chile ,5 2. USA, Alaska Prince William Sound ,2 3. vor der Westküste von Sumatra ,1 4. nahe der Ostküste von Honshu, Japan ,0 5. Kamchatka ,0 6. vor der Küste von Chile (Maule) ,8 7. vor der Küste von Ecuador ,8 8. USA, Alaska Rat Islands ,7 9. Nord Sumatra ,6 10. vor der Westküste von Sumatra ,6 (Quelle: USGS United States Geological Survey)

49 Horizontalverschiebung nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

50 Georisiken Erdbebenwahrscheinlichkeit Georisiken Erdbensicheres Bauen? Plattengrenzen innerhalb der Platten nach REUTHER 2012 Springer Spektrum

51 Erdbebensicheres Bauen Taiwan: Taipeh Tower 509 m Schwingungsdämpfer Durchmesser 5 5 m Gewicht: 660 Tonnen 41 Lagen Durchmesser 5,5 m, Gewicht: 660 Tonnen, 41 Lagen aus 12,5 cm dickem Stahl

52 Studium der Geowissenschaften Geologie og e An der Universität Hamburg ist die Geologie eine Disziplin im Studiengang Geowissenschaften. Weitere Disziplinen in diesem Studiengang sind Mineralogie, Kristallographie und Bodenkunde. Voraussetzungen für dieses naturwissenschaftliche h Studium sind gute Kenntnisse in Physik Mathematik, Biologie und Chemie. Diese sind notwendig für das Verständnis der geologischen, mineralogischen kristallographischen und bodenkundlichen Prozesse. Zum Beispiel: Wie entstehen Kräfte und Spannungen in der Erde? Wie werden diese berechnet? Wie funktionieren Deformationsprozesse in der Erdkruste? Was ist die chemische Zusammensetzung von Mineralen welche die unterschiedlichen Gesteine aufbauen oder wichtige Rohstoffe bilden?

53 Der Studiengang Geowissenschaften an der Universität Hamburg

54 Hintergrundwissen zur Tektonik Claus-Dieter Reuther Grundlagen der Tektonik erschienen April 2012 bei: Springer Spektrum 274 Seiten 330 farbige Abbildungen