1. Version 8. Februar 2002

1. Version
8. Februar 2002
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
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2 Was ist Geophysik?
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3 Arbeitsgebiete und Methoden
3.1 Seismologie und Seismik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Studium der Geophysik
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5 Informationsquellen
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6 Glossar
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Vorwort
Der Grundstein zu diesem Skript wurde auf dem GAP 2001 in Berlin gelegt. Das GAP (Geophysikalisches Aktionsprogramm) ist ein Treffen aller
Geophysik-Studenten in Deutschland. Dort wurden zur Unterstützung des
Studierendenvertreters verschiedene Arbeitskreise ins Leben gerufen, in denen Studenten freiwillig neben ihrem Studium etwas für ihr Studienfach
tun können. Der Studierendenvertreter vertritt die Belange der GeophysikStundenten in der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG).
Dieses Skript ist als Ergänzung zu dem Foliensatz “Exploring the earth with
geophysics” gedacht. Der Foliensatz ist ein Leitfaden für Studenten, die Vorträge z.B. in Schulen halten. Mit dieser Initiative soll auf den Studiengang
Geophysik aufmerksam gemacht werden. Dieses Skript dient Lehrern und
Schülern zur Vorbereitung und Nachbereitung. Es enthält deshalb auch Hinweise auf weitere Informationsquellen.
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Was ist Geophysik?
Die Geophysik ist eine Tochterwissenschaft der Physik. Sie befaßt sich mit
Naturvorgängen auf der Erde, die sich experimentell und messend erforschen
sowie mathematisch darstellen lassen. Der Begriff Erde meint dabei nicht nur
den festen Erdkörper an sich. In der Geophysik wird neben dem Erdkörper
auch der Teil des interplanetarischen Raums betrachtet, den die Erde beinflußt und unter dessen Einfluß sie steht.
Gemessen werden Feldeigenschaften der Erde. Dazu gehören zum Beispiel
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das Schwerefeld und Magnetfeld der Erde, die Deformation der Erdoberfläche,seismische Wellenfelder, natürliche und induzierte elektrische Felder,
das Temperaturfeld und der Wärmestrom. Die Meßwerte werden anschließend so verarbeitet, daß auf verschiedene Eigenschaften der Erde rückgeschlossen werden kann. Dies wird allgemein als inverses Problem bezeichnet.
Die Geophysik greift auf viele verwandte und benachbarte Disziplinen zurück.
Dazu gehören neben weiteren vor allem die Geologie, Mineralogie, Geodäsie,
Tektonik, Festkörperphysik, Geochemie und Petrographie. Alle diese Disziplinen sind eigenständig, doch ein wesentliches Merkmal schon im Studium der
Geophysik ist interdisziplinäre Zusammenarbeit. Einige der oben genannten
Fächer können und sollten vom Studierenden als Nebenfach belegt werden.
Disziplinen wie Ozeanographie und Meteorologie sind ebenfalls eng mit der
Geophysik verbunden, stellen aber aufgrund ihres Umfangs meist ein eigenes
Studienfach dar.
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3.1
Arbeitsgebiete und Methoden
Seismologie und Seismik
Die Seismologie beschäftigt sich mit der Erforschung von Erdbeben. Die
Seismik versucht einen oberflächennahen Teil der Erde (maximal Krustentiefe) abzubilden. Beide Disziplinen greifen dabei auf elastische Wellenfelder
zurück. Diese beschreiben die Ausbreitung von Wellen durch den Erdkörper.
Da die Geschwindigkeit dieser Wellen von einigen elastischen Parametern wie
zum Beispiel der Dichte, der Scherfestigkeit usw. abhängt, kann aus den Registrierungen auf die Eigenschaften der Erde rückgeschlossen werden. Auch
hier zeigt sich, das in der Geophysik versucht wird, das inverse Problem zu
lösen.
Beide Arbeitsgebiete beruhen auf den selben physikalischen Grundlagen. Sie
unterscheiden sich aber deutlich durch die Art der Energiequelle: Die Seismologie benutzt Erdbeben als Quelle. Da diese aber sowohl örtlich und zeitlich
nicht im Voraus planbar sind, handelt es sich hierbei gewissermaßen um ein
Zufallsexperiment. Anders sind die Verhältnisse in der Seismik. Hier werden
künstliche Energiequellen verwendet, so daß ein Experiment örtlich und zeitlich planbar ist.
Seismische Methoden besitzen ein sehr hohes Auflösungsvermögen. Sie sind
ein bevorzugtes Mittel in der Erdöl- und Erdgasexploration, da mit ihnen
sehr gut der Verlauf von Schichtgrenzen im Untergrund nachvollzogen werden kann. So können ziemlich genau Öl- und Gasreservoire angebohrt werden,
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da sie mit bestimmten Strukturen verbunden sind.
Aus seismologischen Aufzeichnungen kann auf Vorgänge im Erdbebenzentrum (Hypozentrum) rückgeschlossen werden. Vor allem läßt sich dieses aber
lokalisieren. Auch die Stärke von Beben läßt sich aus diesen Aufzeichnungen
bestimmen. So können seismisch aktive und gefährdete Zonen auf der Erde bestimmt werden. Mit dieser seismologischen Grundlage lassen sich dann
z.B. Bauvorschriften entwerfen um zukünftige Schäden zu minimieren.
Die seismische Tomographie benutzt ebenfalls Erdbeben als Quelle und erstellt dann aus verschiedenen Strahlwegen der Wellen ein zwei- bzw. dreidimensionales Bild der Geschwindigkeitsverteilung im Untergrund. So lassen
sich z.B. sehr warme Zonen bis tief in den Erdmantel hinein verfolgen, da
sich durch eine relativ geringe Geschwindigkeit von Scherwellen auszeichnen. Diese Zonen fallen oft mit Zonen zusammen, in denen heißes Magma
aufsteigt. Die seismische Tomographie hat viel zum Verständnis der plattentektonischen Prozesse beigetragen.
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Studium der Geophysik
Geophysik kann an folgenden Universitäten in Deutschland studiert werden:
Berlin (TU)
Frankfurt
Jena
Leipzig
Berlin (FU)
Freiberg
Karlsruhe
München
Bochum
Kiel
Göttingen
Münster
Clausthal
Hamburg
Köln
Potsdam
Das wichtigste bei der Auswahl des Studienortes ist es, sich vorher zu informieren. Der Abschluß und die Studienschwerpunkte unterscheiden sich von
Universität zu Universität. Auch ist der Studiengang zum Teil zur Fakultät
Physik, zum Teil zu einer geowissenschaftlichen Fakultät gehörig.
Unabdingbar für ein erfolgreiches Studium ist Interesse an Naturwissenschaften, vor allem an Physik. Angst vor Mathematik und Computern sollte nicht
mitgebracht werden. Mitgebracht werden sollte Freude an Fremdsprachen im
Alltag und Interesse für Feldeinsätze im In- und Ausland.
Geboten wird eine breite und umfassende, theoretische und praktische Ausbildung. Die Möglichkeit zur Mitarbeit in Arbeitsgruppen und zur Teilnahme
an Meßfahrten und Projekten mit internationaler und interdisziplinärer Zusammenarbeit machen das Studium der Geophysik sehr attraktiv.
Das Studium ist in ein Grund- und ein Hauptstudium unterteilt. Das Grundstudium dient zum Erwerb des physikalischen und geowissenschaftlichen Ba3
siswissens sowie zur Erarbeitung benötigter Rechentechniken. Das Grundstudium dauert in etwa vier Semester und wird mit der Vordiplomsprüfung
abgeschlossen. Folgende Fächer werden (neben anderen) im Grundstudium
gelehrt:
• Experimentalphysik (Mechanik, Optik, Elektrodynamik)
• Mathematik und Theoretische Physik
• Grundlagen der Geophysik
• Nebenfächer wie Geologie, Mineralogie, Chemie, etc
Das Hauptstudium gilt dem Erwerb der Fähigkeit zum selbständigen wissenschaftlichen Arbeiten. Folgende Schwerpunkte sind im Hauptstudium gesetzt:
• Vertiefung Geophysik je nach Schwerpunkt des Instituts
• Experimentalphysik (Atom-, Kern-, Festkörperphysik)
• Geologie
• physikalische und geowissenschaftliche Nebenfächer
• Praktika
Das Hauptstudium wird durch die Diplomprüfung und das Verfassen einer
Diplomarbeit abgeschlossen. Letzteres nimmt zwei Semester in Anspruch.
Die Regelstudienzeit beträgt zehn Semester,so daß auf das Hauptstudium
einschließlich Diplomarbeit sechs Semester entfallen.
Es sei an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, das die Gestaltung
des Lehrplans sehr verschieden ist von Universität zu Universität. Dies
äußert sich vor allem im unterschiedlichen Gehalt an physikalischen und
rein geowissenschaftlichen Fächern. Es empfiehlt sich also auf jeden Fall, vor
dem Einschreiben an der Universität einen Blick in die Studienordnung und
das Lehrangebot zu werfen.
Ein typischer Tagesablauf im Grundstudium sieht etwa so aus:
• 8:00 - 9:30: Vorlesung Mathematik
• 9:45 - 11:15: Freistunde (Übungsblatt, Cafete)
• 11:30 - 13:00: Vorlesung Experimentalphysik
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• 13:00 - 14:00: Mittagspause (Mensa)
• 14:00 - 15:30: Vorlesung Geophysik
• 15:45 - 17:15: Übung Mineralogie
Zusätzlich dazu sind Übungsblätter zu bearbeiten, Vorlesungen vor- und
nachzubereiten. Hauptsächlich gegen Ende der Vorlesungszeit sowie in der
vorlesungsfreien Zeit stehen dann Klausuren und Prüfungen an.
Ein Studienjahr gliedert sich folgendermaßen:
Oktober bis Februar: Wintersemester (WS)
• Vorlesungen, Übungen, Klausuren
• zwei Wochen Ferien über Weihnachten und Neujahr
Februar bis April: Vorlesungsfreie Zeit
• Praktika, Exkursionen, Prüfungen, Ferienjobs, Urlaub
April bis Juni: Sommersemester (SS)
• Vorlesungen, Lernen, Klausuren, GAP, Geländepraktika
Juni bis September: Vorlesungsfreie Zeit
• Praktika, Exkursionen, Prüfungen, Ferienjobs, Urlaub
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Informationsquellen
Weitere Informationen können in folgenden Quellen gefunden werden:
• Studienberater bzw. Sekretariate der einzelnen Institute
• Fachschaften (Studentenvertretungen) der zugehörigen Fakultät
• Arbeitsämter und Berufsinformationszentren (BIZ)
• unter folgenden Web-Adressen:
– www.geophysikstudenten.de
– www.dgg-online.de
– www.arbeitsamt.de
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Glossar
Erdmagnetfeld Das magnetische Feld unserer Erde kann in etwa durch
einen Dipol (einen Stabmagnet) im Erdmittelpunkt beschrieben werden. Da es auch ein paar nicht-Dipol-Komponenten hat, die stark variieren, ändert das Erdfeld sich zeitlich und örtlich. Daher zeigt der Kompaß z.B. in bestimmten Ländern nicht nach Norden, sondern weicht um
20 Grad davon ab. Alle paar Jahrhunderte polt sich das (Dipol-) Feld
ganz um, d.h. unsere Kompanten würden dann nach Süden zeigen. (s.a.
”Magnetik”)
Geochemie Die Wissenschaft von der chemischen Zusammensetzung und
den chemischen Veränderungen der Erde. Erforscht wird die Verteilung
der chemischen Elemente in allen Bereichen der Geosphäre, also in
Gesteinen, Böden, Mineralen, Gesteinsschmelzen, im Wasser und in
der Atmosphäre.
Geologie Die Wissenschaft vom Aufbau, Zusammensetzung und Entwicklung der Erde, sowie der Entwicklung des Lebens auf ihr. Gesucht wird
nach Prozessen und Gesetzmäßigkeiten der geologischen Veränderung
der Erde. Es gibt zwei grosse Teilgebiete der Geologie, das sind die
Allgemeine Geologie: Erforschung des Stoffbestandes und Aufbau der
Erdkruste, sowie die geologischen Vorgänge
Angewandte Geologie: wirtschaftlich ausgerichtet; behandelt die Erschließung von Rohstoffen, Wassergewinnung und Bauwesen.
Gezeiten Die Gezeiten sind periodische Niveauschwankungen des Meeres,
der Atmosphäre und der festen Erdkruste, die aus der Zentrifugalkraft
und den Massenanziehungskräften zwischen Erde, Mond und Sonne resultieren.
Gezeiten des Meeres: regelmäßige Schwankungen des Meeresspiegels
von Niedrigwasser zu Hochwasser.
Gezeiten der Atmosphäre: 12 std. Periode von Druckschwankungen
Gezeiten der festen Erde: Deformationen der festen Erde um 0,5 m am
Äquator in 12 std. Periode, bedingt durch die Gravitationswirkungen
von Mond und Sonne.
Außerdem kommt es zu Schollenverbiegungen aufgrund der Wassermassenverlagerungen der Meeresgezeiten und aufgrund von atmosphärischen Druckschwankungen.
Gleichstromgeoelektik Mit Hilfe künstlich erzeugter oder von Natur aus
vorhandener elektrischer Felder und Ströme wird der spezifische elektrische Widerstand der Gesteine im Untergrund bestimmt. So lassen
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sich Rückschlüsse auf Gesteinsporosität und Wassersättigung ziehen,
Lagerstätten und Grundwasservorkommen erkunden und Baugründe
untersuchen.
Kristallographie Die Wissenschaft der (auch künstlichen oder hypotetischen) Kristallformen. Es wird u.a. der theoretische Mineral- bzw. Kristallaufbau behandelt oder künstlich Kristalle gezüchtet (auch solche,
die unter natürlichen Bedingungen nicht wachsen würden.)
Magnetik Dieser Bereich der Geophysik beschäftigt sich mit dem Erdmagnetfeld (s.d.) in der Gegenwart und Vergangenheit. Er teilt sich in
mehrere Unterbereiche:
Die Gesteinsmagnetik untersucht die magnetischen Eigenschaften
unterschiedlicher Minerale.
Die Paläomagnetik benützt die Faehigkeit einiger Gesteinsarten, das
umgebende Magnetfeld zu speichern. Dadurch kann man heute durch
magnetische Messungen auf das Feld früherer Zeiten schließen und weiter z.B. die Verschiebung der Kontinentalplatten rekonstruieren.
Die Biomagnetik untersucht Lebewesen, die das Magnetfeld zur Orientierung benützen.
Die Geomagnetik mißt v.a. das heutige globale und lokale Erdmagnetfeld.
Magnetotellurik Eine Methode, in der das elektromagnetische Feld (in
Abhängigkeit von der Frequenz) gemessen wird, das entweder durch
natürliche primäre Quellen oder durch künstlich eingespeisten Strom
induziert wird. Daraus wird der elektrische Widerstand in Abhängigkeit
von der Tiefe berechnet, was Aufschluß über die Zusammensetzung des
vermessenen Untergrundes gibt.
Mineralogie Die Wissenschaft der Forschung an Mineralen. Ein Mineral ist ein natürlich geformtes chemisches Element (oder Verbindung
mit bestimmten Elemente-Verhältnis) mit charakteristischer Kristallform (räumliche Ordnung der Elemente). Damit ist ein Mineral ein
”natürlich entstandener Kristall” (s.a. ”Kristallographie”)
Ozeanographie Die Wissenschaft des Meeres. Diese beschäftigt sich
hauptsächlich mit dem Wasser-, Stoff- und Wärmehaushalt und den Bewegungsvorgängen des Meeres, sowie mit den Eigenschaften des Meerwassers. Weiterhin erforscht die Ozeanographie auch die Wechselwirkungen zwischen dem Meer und seiner Umgebung, d.h. der Atmosphäre
und dem Meeresboden. Sie beinhaltet meistens den physikalisch- chemischen Bereich; den biologischen Bereich deckt die Meeresbiologie ab.
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Wärmefluss Der Wärmefluss gelangt durch die Wärmeleitung aus der Tiefe an die Erdoberfläche. Dieser Wert ist aussagekräftiger als der Oberflächenwert des Temperaturfeldes; er ist normiert auf Zeit und Flächeneinheit. Im überwiegenden Teil der Erdkruste werden die Gesteinstemperaturen vom Wärmefluss bestimmt.
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