Erdbeben. Vorhersage von Erdbeben. Erkundung geologischer. im Untergrund

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2 Erdbeben 1 gelegenen Sendestation in Alaska ein landschaftsveränderndes Beben erlebt, das etwa 2,5 Minuten lang anhielt. Dabei wurde der Strand entlang einer etwa 1000 km langen Subduktionszone, die dem Inselbogen der Aleuten parallel verläuft, um 10 m angehoben. Das Ausmaß der Zerstörungen an der Erdoberfläche ist meistens eng an den geologischen Untergrund gebunden. Vor allem Lockersedimente in Erdbebengebieten sind eigentlich immer ein ungeeigneter Baugrund, insbesondere dann, wenn Tonminerale beteiligt sind, die thixotrope Eigenschaften haben, d. h., sich bei Erschütterungen schlagartig wie Flüssigkeiten bewegen (Quicktone). In den Subduktionszonen kommt noch ein weiterer Faktor hinzu: Infolge der langsam abtauchenden ozeanischen Platten erhöht sich der Porenwasserdruck in den Gesteinen, was deren Scherfestigkeit herabsetzt. Wasser wirkt hier offenbar als Schmiermittel. Mit einem solchen Mechanismus lassen sich auch die Beben im Gefolge der Flutung großer Stauseen und dem Einpressen von Wasser in tiefere Bohrungen erklären, auch die neuerdings im Zusammenhang mit Geothermiebohrungen beobachteten Erschütterungen scheinen damit in Zusammenhang zu stehen. Eine Vorhersage von Erdbeben ist trotz intensiver Forschungen bisher praktisch nicht möglich, weil zu viele Faktoren beteiligt sind. Die 2012 erfolgte Verurteilung der sieben italienischen Katastrophenexperten im Zusammenhang mit dem Beben in Aquila in den Abruzzen (2009) zu hohen Haftstrafen ist deshalb absurd und hatte entsprechende weltweite Reaktionen nicht nur seitens der Wissenschaftler zur Folge. Seismische Wellen lassen sich durch Sprengungen, Schall/Luftdruckwellen (air gun) oder Vibrationen erzeugen und zur Erkundung geologischer Strukturen im Untergrund verwenden. Das hat große praktische Bedeutung für die Exploration von Kohlenwasserstofflagerstätten, aber auch in der Meeresgeologie, wo man anhand solcher seismischer Profile Strukturen in bisher unerreichbarer Auflösung kartieren kann; entsprechende Arbeiten gehen heute jeder wichtigen Bohrung voraus. Die Technik ist inzwischen soweit, dass man mit 3D-Seismik, die allerdings große Rechnerkapazitäten erfordert, auch bereits bekannte Lagerstätten auf dem Festland mit großem Erfolg neu untersucht. Prinzipiell wird dabei zwischen Reflexions- und Refraktionsseismik unterschieden: bei ersterer werden die Wellen an Gesteinsbzw. Zustandsgrenzen reflektiert, bei letzterer registriert man gesteinsbedingte Geschwindigkeitsänderungen. Vorhersage von Erdbeben Erkundung geologischer Strukturen im Untergrund Tsunami Gemeinhin gilt, dass Tsunamis durch untermeerische Erdbeben ausgelöst werden; die Ursachen können allerdings auch große Rutschungen oder vulkanische Ereignisse sein. In jedem Fall peitscht ein Gesteinsversatz das Wasser wie ein großes Paddel. Die dabei verursachten Wellen sind auf dem offenen Ozean kaum spürbar, weil ihre Amplituden um 1m und ihre Wellenlängen oft über 100 km betragen. Die Wellen bewegen sich mit Geschwindigkeiten um oder über 700 km/h, was für die Tsunami-Warnsysteme wichtig ist, denn sie können innerhalb von Stunden bis zu einigen Zehnerstunden den gesamten Pazifik durchqueren. Erst wenn solche Wellen die Küste erreichen, vergrößern sich in flachem Wasser die Amplituden bis 13

3 1 Aufbau der Erde Ablagerungen eines Tsunami hin zu Größenordnungen von Zehnermetern (bis etwa 30 m Höhe sind aus rezenten Beispielen bekannt, es gibt aber auch Hinweise auf bis zu 100 m), was ihnen auch den Namen eingetragen hat, der aus dem japanischen stammt und Hafenwelle bedeutet; folgerichtig müsste man eigentlich die Tsunami sagen. Deren verheerende Auswirkungen sind uns allen spätestens seit Weihnachten 2004 deutlich geworden, es hat aber schon immer Tsunamis gegeben, und man beginnt nun verstärkt mit Untersuchungen, sie auch aus den geologischen Dokumenten herauszulesen. Aus dem Vergleich mit den rezenten Beobachtungen sind große Sedimentmengen von sehr schlechter Sortierung zu erwarten, die eine Event-stratigraphische Zeitmarke zwischen Inter- bzw. supratidalen Ablagerungen bilden. Dazu kommen Erosionserscheinungen, die mit durch den Rückstrom des ablaufenden Wassers verursacht werden. In der mehrtägigen Nachphase kommt es durch die anhaltend hohe Turbulenz auch zur Bildung Tempestit-ähnlicher Sedimente. Für die Ablagerungen eines Tsunami hat sich inzwischen sogar schon der Begriff Tsunamit eingebürgert. Weitere Anzeiger eventhafter geologischer Vorgänge sieht man auch in bestimmten Sedimentstrukturen wie z. B. den unregelmäßig welligen Schichtoberflächen im Unteren Muschelkalk. Solche Strukturen, die auch durch Schock in unverfestigten wasserreichen Sedimenten zustande kommen können, nennt man Seismite. 1.3 Das Magnetfeld der Erde und seine Veränderungen: Paläomagnetismus 14 Ursachen des Magnetismus Umkehrung des Magnetfelds Die Ursachen für den irdischen Magnetismus die Erde ist einer Art Stabmagnet vergleichbar, dessen Kraftlinien an den Polen austreten lassen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf das Fließverhalten der Schmelzen im äußeren Erdkern zurückführen; neueste Modellvorstellungen gehen von senkrecht rotierenden, schraubenförmigen Walzen dort aus, die gelegentlich in sich zusammensinken und dadurch eine Schwächung des Magnetfelds bewirken, dem dann im weiteren Verlauf später dessen Umpolung folgt. Dazu gibt es inzwischen sogar großmaßstäbliche Modellexperimente mit flüssigem Natrium, die auch die gegenwärtig zu beobachtende Abschwächung erklären können. Das Erdmagnetfeld wird nur so lange bestehen bleiben, wie die Wärme ausreicht, um den Erdkern flüssig zu halten. Der kleinere Mars, dessen Kern bereits fest geworden ist, hat sein Magnetfeld bereits verloren. Für die Geologie ist vor allem die Tatsache von Bedeutung, dass sich das Magnetfeld der Erde zeitweise umgekehrt hatte. Das lässt sich daran erkennen, dass bestimmte Minerale sich in den Gesteinen entsprechend der jeweils herrschenden Richtung des Magnetfelds ausrichten, so lange sie darin noch beweglich sind. Bekannt ist das vor allem von Basaltschmelzen, in denen sich die aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts früh ausgeschiedenen Magnetitkristalle einregeln; beim Abkühlen unterhalb der Curie-Temperatur von 5808C bleibt so das zum Zeitpunkt der Schmelzförderung herrschende Erdmagnetfeld in den Gesteinen eingefroren. Ähnliches gilt für Sedimente, in denen geeignete Mineralphasen während der Ablagerung magne-

4 Das Magnetfeld der Erde und seine Veränderungen 1 Abb. 7: Das symmetrische Streifenmuster wechselnder Magnetisierungsrichtung von Basalten zu beiden Seiten eines mittelozeanischen Rückens, hier südwestlich von Island, wo es zuerst entdeckt wurde. tisiert werden. Bei Meeresbodenmessungen um Island hat man beobachtet, dass die Basalte, die dort die Ozeankruste aufbauen, mit zunehmendem Abstand vom Mittelatlantischen Rücken in Streifen mit unterschiedlichen Richtungen magnetisiert sind, was bedeutet, dass sich das Magnetfeld der Erde offensichtlich mehrfach umgepolt hatte (Abb. 7). Physikalische Altersdatierungen dieser Gesteine haben gezeigt, dass die Umpolung in Abständen von zehntausenden bis zu mehreren Millionen Jahren erfolgt war. Damit ließ sich eine Zeitskala aufstellen, mit der sich auch bestimmte geologische Phänomene besser verstehen ließen; nicht zuletzt hatte das damit bewiesene sea-floor-spreading wesentlich zur Entwicklung der Plattentektonik beigetragen. Das Streifenmuster weist jedoch keinen regelmäßigen Wechsel auf: so bestand während der Kreide eine über 40 Millionen Jahre anhaltende Zeit ohne Änderung, die als magnetic quiet zone bezeichnet wird. Gemessen werden Deklination (die Abweichung der magnetischen von der geographischen Nordrichtung) und Inklination (das Abtauchen der Feldlinien in die Erde, die am Äquator parallel zur Oberfläche verlaufen), sodass man die paläogeographischen Positionen von Platten, Mikroplatten bzw. Entwicklung der Plattentektonik Deklination und Inklination 15

5 1 Aufbau der Erde Terranen feststellen kann. Die letzte Umkehrung liegt jetzt etwa Jahre zurück, und das Magnetfeld wird zusehends schwächer, sodass eine baldige Umpolung bevorzustehen scheint. Zu den Segnungen des Erdmagnetfelds gehört neben seinem Orientierungsfaktor (Kompass, Vogelzug) auch, dass es uns vor ionisierenden Strahlen aus dem Weltraum schützt. 1.4 Vulkanismus Ränder des Pazifischen Feuerrings partielles Aufschmelzen des oberen Erdmantels Die durch die häufigsten und stärksten Erdbeben gekennzeichneten Regionen der Erde sind auch bezüglich des Vulkanismus die aktivsten, nämlich die Subduktionszonen, die die Ränder des Pazifischen Feuerrings säumen. Es sind konvergierende aktive Plattenränder, deren Vulkane hauptsächlich dazitische und andesitische Magmen fördern. Anders zusammengesetzt sind die überwiegend basaltischen Schmelzen, die die mittelozeanischen Rücken aufbauen, und die der innerhalb der Bereiche ozeanischer Kruste gelegenen Intraplattenvulkane, von denen die der Hawaii-Inseln die am besten studierten der Welt sind. Letztere sind auch die prominentesten Beispiele für die hot-spot-these, bei der stationäre, relativ eng begrenzte heiße Schläuche aus dem Bereich des äußeren Erdkerns aufdringen, die sich oben federartig auffächern und deshalb plumes genannt werden. Über solche heißen Flecken hinweg wandernde Platten werden durch deren Hitze wie durch einen Schneidbrenner durchschmolzen. Die Hauptmasse der Basalte entsteht an den mittelozeanischen Rücken. Kontinentale Intraplattenvulkane sind dagegen ihrer Masse nach vergleichsweise unbedeutend. Die Tatsache, dass gegenwärtig etwa Vulkane auf dem Festland aktiv sind, eröffnet aber die Möglichkeit, auch das Geschehen erloschener Vulkane des Festlands anhand ihrer Förderprodukte zu rekonstruieren. Der überwiegende Teil des irdischen Vulkanismus spielt sich jedoch untermeerisch ab und ist daher nur mit großem technischen Aufwand zu studieren. Anders als bei den Erdbeben sind Vulkanausbrüche heute schon mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagbar, sofern entsprechende Instrumente zur Verfügung stehen. Die Schmelzen (Magmen) entstehen durch partielles Aufschmelzen von Teilbereichen des festen, peridotitischen Oberen Erdmantels; sie sind daher anfangs und überwiegend basaltisch, ihre Zusammensetzung und damit ihr Eruptionsverhalten können sich aber aufgrund von Differentiationsprozessen und/oder infolge von Assimilation anderer Gesteine grundlegend verändern. Ihr Auftrieb hängt damit zusammen, dass die Schmelze eine geringere Dichte hat als das Gestein, aus dem sie stammt. Basaltisches Magma ist etwa C heiß, die Schmelztemperatur kann aber durch flüchtige Bestandteile (Volatile), hauptsächlich H 2 O, CO 2 und SO 2 erniedrigt werden. Vor allem durch Prozesse der magmatischen Differentiation in Magmakammern können sich aus den ursprünglichen Basaltschmelzen anders zusammengesetzte Schmelzen entwickeln und so zu der Vielfalt der vulkanischen Prozesse und der entstehenden Formen und Gesteine beitragen (s. Kap. Gesteine). Vulkanismus lässt sich daher nach dem Eruptionsgeschehen, den 16

6 Vulkanismus 1 Produkten und den entstehenden Formen beschreiben, die sämtlich eng miteinander in Beziehung stehen. Produkte Wesentliche Produkte des Vulkanismus sind einmal die durch kohärente Schmelzen gekennzeichneten Laven und zum anderen die als Pyroklastite bezeichneten Lockerprodukte. Beide Gruppen lassen sich detailliert weiter unterteilen, wobei chemische Zusammensetzung, Temperatur und Gasgehalt die Viskosität der Schmelzen steuern und für die entstehenden Produkte bestimmend sind. Lavaströme Lavaströme können auf dem Festland oder im Meer ausfließen, wobei sie jeweils unterschiedliche charakteristische Formen ausbilden. Für den Festlandsbereich sind besonders die der Stricklava, Seillava, Fladenlava, Gekröselava bzw. Pahoehoe-Lava (hawaiianisch) bekannt, die sich bei Förderung basaltischer Schmelzen an der Erdoberfläche bilden (Abb. 8). Sie entsteht aus dünnflüssigen, gasreichen Schmelzen, bei denen die kurz nach dem Aufließen teilweise schon geringfügig verfestigte Oberfläche von der darunter weiter fließenden Lava mitgezogen wird wie eine Tischdecke; dabei wird sie unter Bildung der entsprechenden Strukturen zusammengedreht. Größere flächenhafte Pahoehoe-Ergüsse können auch in einzelne Schollen zerbrechen. Wenn die Lava unter der erstarrten Decke linear weiter fließt, bilden sich Lavatunnel (Abb. 9), die gelegentlich kilometerlang werden können (z. B. die Cueva de los Verdes, Lanzarote). Produkte des Vulkanismus Lavaströme Abb. 8: Pahoehoe-Lava, Vesuv