Einführung in die Geophysik: Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde

414 Pages·2014·27.285 MB·German

by  Christoph Clauser (auth.)

Christoph Clauser
Einführung in
die Geophysik
Globale physikalische Felder
und Prozesse in der Erde
Einführung in die Geophysik
Collage nach: LAMB, S., SINGTON, D., 1998. Earth Story. The Shaping of Our World, British Broadcasting Corporation Books, London.
(deutscheBearbeitung:DieErdgeschichte,KönemannVerlag,Köln),komplettiertmitSatellitenaufnahmenderNASA.Grafischzusammengestellt
undbearbeitetvonDipl.-DesignerThorstenGleu,Gleu-Design,Aachen.
Christoph Clauser
Einführung in die Geophysik
Globale physikalische Felder
und Prozesse in der Erde
Prof.Dr.ChristophClauser
LehrstuhlfürAppliedGeophysics
andGeothermalEnergy
E.ONEnergyResearchCenter
RWTHAachenUniversity
Aachen,Deutschland
ISBN978-3-642-04495-3 ISBN978-3-642-04496-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-04496-0
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
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©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014
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PlanungundLektorat:MerletBehncke-Braunbeck,Dr.ChristophIven
Redaktion:Dr.PeterWittmann
Fotos/Zeichnungen:vomAutorundvonDipl.-DesignerThorstenGleu,Gleu-Design,Aachen,wennindenBildunter-
schriftennichtsanderesangegebenist.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
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Vorwort
Dieses Buch führt in die Geophysik ein anhand der globalen geophysikalischen Felder und
Prozesse. Es basiert zum Teil auf meiner Vorlesung zum Thema Physik der Erde, die seit
dem Jahr 2000 im Umfang von jeweils zwei Stunden pro Woche Vorlesung und Übungen
an der RWTH Aachen gehalten und kontinuierlich weiterentwickelt wird. Darüber hinaus
enthält es jedoch über den Umfang einer solchen Einführungsvorlesung hinaus reichende
Erweiterungen, die interessierten Anfängern wie auch Fortgeschrittenen ein eigenständiges
Selbststudium und eine Vertiefung erlauben. Die Hörer meiner Vorlesung waren Studieren-
de der Studiengänge AngewandteGeowissenschaften, Georessourcenmanagement(bzw. vor
2007GeologiesowieMineralogieundKristallografie)undPhysiksowieHörerimSenioren-
studiumderRWTHAachen.IhnengiltdahermeinersterDankfürdasAufspürenvonFehlern
imVorlesungsskriptsowiefürFragen,diedazubeitrugendieVorlesunginhaltlichabzurunden.
Entsprechend der Heterogenität der Hörerschaft sowie dem Charakter einer Einführung
wirddasMaterialaufeinemmittlerenSchwierigkeitsniveaupräsentiert.Insbesonderebinich
umeinenAusgleichbemühtzwischendenAnforderungenaneinenGesamtüberblickundein
vertieftesVerständnis.UmdemTextfolgenzukönnen,werdenlediglichdieüblichenKennt-
nissederPhysik,Differenzial-undIntegralrechnungsowielinearenAlgebrabenötigt,wiesie
indenerstenSemesternnatur-undingenieurwissenschaftlicherStudiengängevermitteltwer-
den.AlsGedächtnisstützewerdenimAnhang(imAbschn.7.4)zudemdiewichtigstenRegeln
derVektor-undTensorrechnungzusammengefasst.DerAnhangenthältintabellarischerForm
auch eine Vielzahl numerischer Daten – physikalische Naturkonstanten, ein Periodensystem
derElemente,einegeologischeZeittafelsowieallgemeineKennzahlenderErde–ebensowie
thematischeVertiefungenvonspeziellenAspektenausdenHauptkapiteln.
Der behandelte Stoff wird einerseits phänomenologischerläutert, andererseits aus grund-
legenden physikalischen Prinzipien abgeleitet. Bei den Herleitungen bin ich um gute Nach-
vollziehbarkeit bemüht: Da die Tatsache, dass Physik in der Regel in Form mathematischer
Gleichungenausgedrücktwird,mancheStudierendeneinschüchtertodergarabschreckt,wer-
denHerleitungen–woerforderlich–ausführlichundweitgehendschrittweisenachvollziehbar
dargestellt.DiesmagfortgeschrittenenLesernbisweilenzuweitgehen,erleichtertjedochden
Einstieg und vermeidet, dass Formeln und Herleitungen den Blick auf die eigentlichen geo-
physikalischen Phänomene verstellen. Darüber hinaus werden einige wichtige methodische
AspekteinseparatenThemenkästensowieinAnhängenvertieft,umdenFlussdesHaupttex-
tes nicht unnötig zu unterbrechen. In der Darstellung der Sachverhalte verfolgt dieses Buch
somiteinenMittelwegzwischeneinerreinenEinführungundeinemvertiefendenText.Daher
muss nicht notwendigerweise sofort alles gelesen werden. Vertiefungen und Ableitungen –
insbesonderejeneindenAnhängen–könnenggf.zunächstzurückgestelltwerden.
Das Abfassen dieser Vorlesung vermittelte mir nach längeren Jahren der Spezialisierung
auf dem Gebiet der Geothermik und Geohydrologie die Gelegenheit, mich wieder mit den
GrundlagenmeinesFachsineinerTiefeauseinanderzusetzenwieannäherndzuletztbeider
Vorbereitung auf meine Doktorprüfung.Dies ist eines der großen Privilegien von Dozenten,
weil dieVermittlungvon Wissen an Studierendeund dieErläuterungvon Zusammenhängen
einen selbst zu tieferen Einblicken führt. Um die Beschäftigungmit Wissenschaft jedoch zu
einem Beruf zu machen – ob an einer Hochschule, einer Forschungseinrichtung oder in der
V
VI Vorwort
Wirtschaft–bedarfeszunächsteinersolidenAusbildunginSchuleundHochschule.Fürdie
GelegenheithierzusowiedasdabeierfahreneVertrauenunddiesteteUnterstützungdankeich
deshalbbesondersmeinenliebenEltern.
Diemeisten dereinfacherenSkizzen undeinigederkomplexerenAbbildungenin diesem
Text stammen von mir selbst. Alle anderen Abbildungen wurden von dem Designer Thors-
ten Gleu des Aachener Unternehmens Gleu-Design in einem einheitlichen Stil entworfen
oder nach Vorlagen aus anderen Veröffentlichungenneu gezeichnet und nach Bedarf verän-
dert.DenursprünglichenAutorenundihrenVerlegernbinichdaherfürihreZustimmungzur
Verwendung ihrer Abbildungen in diesem Buch zu Dank verpflichtet. Auch eine Reihe von
KollegenunterstütztemichgroßzügigmitAbbildungenausihrenArbeitsgebieten,welchesie
zum Teilneu oderin besserer Auflösung fürdieses Buchanfertigten:Christian Bönnemann,
NicolaiGestermannundGernotHartmannvonderBundesanstaltfürGeowissenschaftenund
Rohstoffe (BGR) in Hannover; Martin Breuer von der Westfälischen Wilhelms-Universität
Münster;Hans-PeterBungevonderLudwigs-Maximilians-UniversitätMünchen;J.HuwDa-
vies von der Cardiff University; Hermann Drewes, Mathis Bloßfeld und Michael Schmidt
vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut (DGFI) in München; Gerald Gabriel und
Rüdiger Schellschmidt vom Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) in Hanno-
ver; Klaus-Günter Hinzen und Klaus Weber vom Seismologischen Observatorium Bensberg
der Universität zu Köln; Joachim Ritter vom Karlsruher Institut für Technologie; Rudolf
Widmer-SchnidrigvomGeowissenschaftlichenGemeinschaftsobservatoriumSchiltach(BFO)
desKarlsruherInstitutsfürTechnologieundderUniversitätStuttgart.
Weiterer Dank gilt den Kollegen und Mitarbeitern an der RWTH Aachen für Übernah-
me zusätzlicher Aufgaben während meiner Abwesenheit in dem meinem Buch gewidmeten
Forschungssemester. Insbesondere danke ich Jan van der Kruk (Forschungszentrum Jülich
und RWTHAachen) und NorbertKlitzsch (RWTHAachen) für das Übernehmendes Groß-
teilsmeinerLehrewährendmeinesForschungssemesters.Letztererwarzudemgemeinsammit
FrankBosch(RWTHAachen)fürdiezurVorlesunggehörigeÜbungverantwortlich,welcher
diemeistenderdurchgerechnetenAufgabenentnommensind.
MeingroßerDankgiltdenKollegen,dietrotzeigenerberuflicherVerpflichtungenundPlä-
nebereitwilligundgroßzügigihreZeitfüreinkritischesGegenlesenmeinesTexteseinsetzten:
VolkerHaaklasdasgesamteManuskriptkritischundhalfdurchvielewohlbedachteAnmer-
kungenundHinweise,UngleichgewichteundLückenimTextzubeseitigen;insbesonderegab
er wertvolleHinweise für dasKapitelzum Erdmagnetfeld;MebusGeyh war ein konstruktiv
kritischer Leser des Kapitels über die radiometrischen Altersbestimmungen, gab viele Hin-
weiseundregtediezusätzlicheBehandlungderMethodenzurDatierungvonSedimentenan,
welcheinsbesonderein derPaläoklimaforschungvonBedeutungsind;Klaus-Günter Hinzen
undJoachim RittergabenhilfreicheRatschlägezumKapitelüberSeismologieundzumAb-
schnitt über seismische Tomografie; Rudolf Widmer-Schnidrig trug mit Anmerkungen und
VorschlägenmaßgeblichzurVerbesserungdesUnterkapitelsüberterrestrischeSpektroskopie
undHelioseismologiebei;Hans-JürgenGötzegabwertvolleKommentareundHinweisezum
KapitelüberSchwerefeldundFigurderErdeundwiesmirdenWegindiemoderneGravime-
trie;Heiner Villinger verbessertedasKapitel zum Wärme-undTemperaturfeldderErdemit
vielengutenHinweisen.
Schließlich danke ich sehr und nicht zuletzt meiner lieben Frau Karin für Ihre Geduld,
Nachsicht und Unterstützung während meiner regelmäßigen Manuskript-Klausur innerhalb
desForschungssemestersundanvielenWochenendendanach.VorzwölfJahrenhattesiemei-
ne ersten handschriftlichen Vorlesungsnotizen in elektronische Form überführt, legte damit
den digitalen Grundstein für dieses Manuskript und war die erste kritische Leserin des Tex-
tes. Sie las ihn jedoch auch als Letzte undhalf dabeiviele Inkonsistenzen zu beseitigen, die
sichüberdiezweieinhalbjährigeEntstehungszeitdesManuskriptshinwegeingeschlichenhat-
ten.AuchüberarbeitetesiedieeingefügtenBiografienderWissenschaftlerundverbessertedie
LesbarkeitdesTextesallgemeinmitvielenklugenVorschlägenundAnregungen.
Vorwort VII
Dennochwirdesnichtausbleiben,dasssichtrotzmeinesBemühensumSorgfaltundKor-
rektheitundungeachtetdessorgfältigenGegenlesensnochFehlerimTextfindenwerden.Für
diesebinnatürlichichundnichtmeinehilfreichenKorrektorenverantwortlich.Ichbittedaher
meine Leserschaft, sollte sie auf Fehler stoßen, bereits an dieser Stelle hierfür gleicherma-
ßenumverständnisvolleNachsichtalsauchumentsprechendeHinweise–ameinfachstenper
[email protected]ührungindieGeophysik.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Bonn danke ich für die Unterstützung der
AbfassungdiesesBuchesalseinProjektimRahmenmeinesvorlesungsfreienForschungsse-
mestersimWintersemester2009/2010.DieseröffnetemirdiewunderbareGelegenheit,mich
neuundgrundlegendmitderGeophysikaufglobalemMaßstabzubeschäftigen,unabhängig
vonmeinerSpezialisierunginnerhalbdesFachs.HierdurchvermochteicherneutdieFaszina-
tionzuerleben,welchedieMethodikundderForschungsgegenstandderGeophysik–unsere
unmittelbarephysikalischeUmwelt–aufmichalsjungenStudentenausgeübthatten.Eswäre
mireinegroßeFreude,würdeesmirmitdiesemBuchgelingen,dieFaszinationvomVerständ-
nisphysikalischer ZusammenhängeundProzesse, dieunsereErdeund letztlich dasgesamte
Universumbestimmenundformen,aneineneueGenerationvonStudierendenweiterzugeben.
ZurUnterstützungvonDozenten,diediesesBuchgernefürihreLehreverwendenwürden,
sinddiedigitalenDateienderAbbildungendiesesBuchsunterderfolgendenAdresseverfüg-
bar: http://www.springer.com/978-3-642-04495-3.Bei der Verwendungder Abbildungenist
im Sinne des Urheberrechts anzugeben: © Clauser C (2014) Einführung in die Geophysik,
Springer,BerlinHeidelberg&Gleu-Design,Aachen.
AbschließenddankeichdemSpringer-VerlagfürdieVerlegungdiesesBuchs,Geduldmit
demAutorundpraktischeUnterstützungbeiderErstellungdurchMerletBehncke-Braunbeck
sowiefürdasaufmerksameKorrekturlesenvonChristophIvenundPeterWittmann.
Aachen,imFebruar2013 ChristophClauser
Inhaltsverzeichnis
1 GrundsätzlicheszurGeophysik,zurLagederErde
imWeltall,ihrerstofflichenZusammensetzung
undihreminnerenAufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 WasistGeophysik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 ZumGebrauchvonFormeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 DieErdeimWeltall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 AufbauderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6 AufgabenundFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
AusgewählteLehrbücherundNachschlagewerkezurVertiefung . . . . . . . . . . . 30
2 RadioaktiverZerfallunddasAltervonGesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Isotope,RadioaktivitätundZerfallsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 MethodenderphysikalischenAltersbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 Zerfalls-undAkkumulationsuhrenausdemHäufigkeitsverhältnis
vonEltern-undTochterisotopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1.1 Isochronen-MethodebeimeinfachenZerfall . . . . . . . . . . 38
2.2.1.2 Isochronen-MethodebeimverzweigtenZerfall . . . . . . . . 40
2.2.1.3 Zerfallsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 DatierungmitkosmischenRadionukliden . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.3 DatierungmitradioaktivenUngleichgewichten. . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 AkkumulationsuhrenaufderGrundlagevonStrahlenschädigungen . 48
2.2.5 DatierungmitJahresmarkierungenstabilerIsotope . . . . . . . . . . . 49
2.3 AufgabenundFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
AusgewählteLehrbücherundNachschlagewerkezurVertiefung . . . . . . . . . . . 53
3 ErdbebenunddieStrukturderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 SeismischeWellenundihreWechselwirkungmitderMaterieunddeninneren
GrenzflächenderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.1 WellenimtäglichenLeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.2 Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.3 ElastischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.4 EnergieundEnergiedichteeinerseismischenWelle . . . . . . . . . . . 71
3.1.5 DämpfungseismischerWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.6 ReflexionundBrechungseismischerWellenanGrenzflächen. . . . . 72
3.1.7 Seismometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 AusbreitungvonErdbebenwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.1 Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen
GeschwindigkeitsverteilunginderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.2 BestimmungvonGrenzflächeninderErdeausdercharakteristischen
Antwortfunktion(receiverfunction)seismischerStationen . . . . . . 83
3.2.3 SeismischeTomografiezurAbbildunginnererStrukturenderErde . 86
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.2.4 BestimmungderEntfernungzumEpizentrumeinesErdbebens . . . . 91
3.2.5 HerdmechanismenvonErdbebenundderengeodynamischeDeutung 95
3.2.6 BestimmungderStärkevonErdbeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.7 ÜberwachungdesinternationalenKernwaffenteststopp-Abkommens 112
3.3 EigenschwingungenvonErdeundSonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.3.1 Kugelfunktionsanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.3.2 EigenschwingungenderErde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.3 Helio-undAstroseismologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.3.1 GlobaleHelioseismologie:AnalysesolarerEigenschwingun-
gen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.3.2 LokaleHelioseismologie:LaufzeitkurvenundRingdiagramme133
3.4 AufgabenundFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
AusgewählteLehrbücherundNachschlagewerkezurVertiefung . . . . . . . . . . . 136
4 SchwerefeldundFigurderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1 Gravitation,ErdumdrehungundGezeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.1.1 Gravitationspotenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.1.2 Erdumdrehung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.1.3 Gezeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1.4 ÄnderungenvonErdumdrehungundErdumlaufumdieSonne . . . . 149
4.1.5 Coriolis-undEötvös-Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2 SchwerepotenzialundGeoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.2.1 LösungderLaplace-GleichungfürdasGravitationspotenzial
undEntwicklungnachKugelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.2.2 EntwicklungdesGeoidsnachKugelfunktionen . . . . . . . . . . . . . 162
4.3 Schwereanomalien,SchwerereduktionundIsostasie . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.1 KorrekturundReduktion
vonMesswertenderSchwerebeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.1.1 KorrekturzeitlicherVariationen:
InstrumentengangundGezeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.3.1.2 DieBreitenabhängigkeitderNormalschwere”0 . . . . . . . . 168
4.3.1.3 Höhenreduktionen:
Freiluftreduktion•g undGeländereduktion•g . . . . . . . 169
F T
4.3.1.4 Bouguer-Reduktion•g undatmosphärischeReduktion•g 173
B A
4.3.2 GlobaleundregionaleSchwereanomalien . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.3.3 IsostasieundgeodynamischeAspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4 AufgabenundFragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
AusgewählteLehrbücherundNachschlagewerkezurVertiefung . . . . . . . . . . . 187
5 MagnetfeldundMagnetosphärederErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.1 KomponentenundStrukturdesErdmagnetfelds. . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.2 QuellendesErdmagnetfelds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2.1 DerGeodynamo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2.2 DieMagnetosphärederErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.2.3 DaselektrischeFeldderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.3 EntwicklungdesErdmagnetfeldsnachinnerenundäußerenQuellen . . . . . 221
5.3.1 EntwicklungdesErdmagnetfeldsnachKugelfunktionen . . . . . . . . 222
5.3.2 AktuelleModelledeserdmagnetischenHauptfelds
undmagnetischeAnomalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.4 MagnetischeEigenschaftenvonGesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.4.1 InduzierteMagnetisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.4.2 Diamagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.4.3 Paramagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234