Dem „Gedächtnis“ der Steine auf der Spur

Die Schwerkraft und das Magnetfeld der Erde beeinflussen unseren Alltag – sei es durch hinabfallende Gegenstände oder bei Wanderungen mit dem Kompass. Doch für Mitarbeiter des GGA-Instituts lassen sich aus der detaillierten Kenntnis des Erdschwerefeldes und des Erdmagnetfeldes darüber hinaus grundlegende Erkenntnisse über den Aufbau und die Entwicklung unseres Planeten ableiten. Gravimetrie und Magnetik heißen die Methoden, mit denen die Geophysiker in das Innere unserer Erde schauen können.

„Seit einigen Jahren setzten wir zum Beispiel beide Verfahren ein, um spezielle vulkanische Strukturen, so genannte Maare, zu untersuchen“, erläutert Gerald Gabriel vom Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA-Institut) in Hannover. „So hat die Analyse der gravimetrischen und magnetischen Anomalien des UNESCO Weltnaturerbes Grube Messel bei Darmstadt gezeigt, dass es sich bei dieser Struktur vermutlich um ein Maar handelt“. Dies konnte anschließend in Zusammenarbeit mit dem Senckenberg-Institut durch eine 433 Meter tiefe Forschungsbohrung bestätigt werden.

Rückschluss auf Gesteinseigenschaften

Mithilfe der Gravimetrie – die Bestimmung des Schwerefeldes der Erde – ließ sich jedoch bereits zuvor die Mächtigkeit und Verbreitung der Sedimente abschätzen, welche oberflächennah im ehemaligen Maarsee abgelagert wurden. Denn diese zeichnen sich durch eine sehr geringe Dichte gegenüber den viel älteren Gesteinen der Umgebung aus. „Solche Variationen in der Dichte verursachen bereits kleinste Unterschiede in gravimetrischen Messungen und lassen entsprechende Rückschlüsse auf die Gesteinseigenschaften zu“, so Gabriel.

LaCoste&Romberg Gravimeter G-1086 © GGA-Institut

Hochempfindliche Messgeräte, so genannte Gravimeter, erfassen dazu die relativen Schwereänderungen bis auf die achte Nachkommastelle. Dieser Wert wird aber nicht nur durch den geologischen Aufbau bestimmt, sondern er ist auch zeit- und ortsabhängig: die geographische Lage, die Höhe, Topografie oder auch die Gezeiten spielen dabei eine Rolle. Doch wenn die Messwerte entsprechend korrigiert werden, dann beschreiben sie Anomalien, die allein auf die inhomogene Dichteverteilung innerhalb der Erdkruste zurückgehen.

„So verursachen beispielsweise die Seesedimente in der Grube Messel eine negative Anomalie“, erläutert Gabriel. „Dabei kennzeichnet die Lage des absoluten Schwereminimums zugleich die Position ihrer maximalen Mächtigkeit. Die Interpretation der Anomalien erfolgt dann im Allgemeinen durch Modellrechnungen.“ Die dafür notwendigen Dichtewerte der unterschiedlichen geologischen Einheiten stammen dabei aus bohrlochgeophysikalischen Messungen und dem Gewicht der Bohrkerne.

Veränderung des Erdmagnetfeldes

Doch neben dem Schwerefeld liefert auch das Erdmagnetfeld wertvolle Hinweise über das Erdinnere. So konnten in der Grube Messel mithilfe der Magnetik die vulkanischen Gesteine in größeren Tiefen erfasst werden. „Denn bestimmte Gesteine, die wie die erbohrten Lapillituffe magnetische Minerale enthalten, bauen ein eigenes Magnetfeld auf, sobald sie in ein externes Magnetfeld gebracht werden: Sie erhalten eine induzierte Magnetisierung, entscheidend ist dabei eine bestimmte magnetische Eigenschaft, die so genannte Suszeptibilität“, beschreibt Gabriel die Untersuchungsmethode. „Diese Magnetisierung verstärkt das Magnetfeld der Erde an dem betreffenden Ort und erzeugt positive Anomalien. Diese wiederum geben Auskunft darüber, wie es im Inneren der Erde aussieht.“

Grube Messel: Gravimetrische und magnetische Anomalien (Daten: Uni Mainz, GGA-Institut) © GGA-Institut

Paradoxerweise haben in Messel die entsprechenden Untersuchungen eine negative magnetische Anomalie ergeben. Für die Geophysiker war dies ein Hinweis darauf, dass die Maarexplosion zu einem Zeitpunkt stattgefunden haben muss, zu dem das vorherrschende Magnetfeld dem heutigen entgegengesetzt war. Diese stetige Veränderung des Erdmagnetfeldes macht die Magnetik als geophysikalisches Verfahren zusätzlich spannend. Denn unter bestimmten Voraussetzungen besitzen Gesteine ein „Gedächtnis“ und speichern das Magnetfeld der Vergangenheit.

„Sie erwerben dann eine so genannte remanente Magnetisierung, die je nach Polarität des Magnetfeldes zum Zeitpunkt der Gesteinsbildung dem heutigen Magnetfeld entgegen wirkt oder es verstärkt“, erklärt Gabriel das grundlegende Prinzip. Labormessungen haben schließlich bestätigt, dass die Messeler Lapillituffe eine remanente Magnetisierung aufweisen. Ihr Alter von knapp 48 Millionen Jahren fällt in eine Phase inverser Polarität des Erdmagnetfeldes. Damit ist die beobachtete negative Anomalie erklärt.

Einsatzfelder Vulkanismus und Plattentektonik

„Natürlich sind gravimetrische und magnetische Daten auch im Zusammenhang mit der Erkundung vieler anderer geologischer Strukturen wie großer Gebirge oder Sedimentbecken von hohem Interesse. Aber auch hinsichtlich geodynamischer Prozesse wie Massenbewegungen im Innern eines Vulkans oder der Plattentektonik können sie wichtige Informationen liefern“, beschreibt Gabriel die Einsatzfelder. Daher wird derzeit am GGA-Institut an der Zusammenstellung deutschlandweiter gravimetrischer und magnetischer Anomaliedaten gearbeitet, mit dem Ziel, diese Informationen den Geowissenschaften in Deutschland für wissenschaftliche Arbeiten zugänglich zu machen. Eine aktualisierte Karte der magnetischen Anomalien wird bereits in diesem Jahr fertig gestellt.

(Gerald Gabriel, Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA-Institut), 01.06.2007 – AHE)