Einführung in die Geophysik

Christoph Clauser wurde im Jahr 2000 als Professor für Angewandte Geophysik an die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen berufen. Von 2007 bis 2018 leitete er am dortigen E.ON Energy Research Center den Lehrstuhl für Applied Geophysics and Geothermal Energy. Seit 2011 ist er Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften – Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina. Als Wissenschaftler ist er auf geophysikalische Aspekte des Reservoir-Ingenieurwesens spezialisiert, insbesondere in Bezug auf geothermische Energie, Kohlenwasserstoffe und geologische Spei­cherung von Kohlendioxid.

Inhalt

VORWORT ZUR DRITTEN AUFLAGE
VORWORT ZUR ZWEITEN AUFLAGE
VORWORT ZUR ERSTEN AUFLAGE
1GRUNDSÄTZLICHES ZUR GEOPHYSIK, ZUR LAGE DER ERDE IM WELTALL, ZU IHRER STOFFLICHEN ZUSAMMENSETZUNG UND IHREM INNEREN AUFBAU
1.1EINLEITUNG
1.2WAS IST GEOPHYSIK?
1.3ZUM GEBRAUCH VON FORMELN
1.4DIE ERDE IM WELTALL
1.5AUFBAU DER ERDE
1.6AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG2RADIOAKTIVER ZERFALL UND DAS ALTER VON GESTEINEN
2.1ISOTOPE, RADIOAKTIVITÄT UND ZERFALLSPROZESSE
2.2METHODEN DER PHYSIKALISCHEN ALTERSBESTIMMUNG
2.2.1Zerfalls- und Akkumulationsuhren aus dem Häufigkeitsverhältnis von Eltern- und Tochterisotopen
2.2.1.1Isochronen-Methode beim einfachen Zerfall
2.2.1.2Isochronen-Methode beim verzweigten Zerfall
2.2.1.3Zerfallsreihen
2.2.2Datierung mit kosmischen Radionukliden
2.2.3Datierung mit radioaktiven Ungleichgewichten
2.2.4Akkumulationsuhren auf der Grundlage von Strahlenschädigungen
2.2.5Datierung mit Jahresmarkierungen stabiler Isotope
2.3AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG3ERDBEBEN UND DIE STRUKTUR DER ERDE
3.1SEISMISCHE WELLEN UND IHRE WECHSELWIRKUNG MIT DER MATERIE UND DEN INNEREN GRENZFLÄCHEN DER ERDE
3.1.1Wellen im täglichen Leben
3.1.2Elastizität
3.1.3Elastische Wellen
3.1.4Energie und Energiedichte einer seismischen Welle
3.1.5Dämpfung seismischer Wellen
3.1.6Reflexion und Brechung seismischer Wellen an Grenzflächen
3.1.7Seismometer
3.2AUSBREITUNG VON ERDBEBENWELLEN
3.2.1Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeitsverteilung in der Erde
3.2.2Bestimmung von Grenzflächen in der Erde aus der charakteristischen Antwortfunktion (receiver function) seismischer Stationen
3.2.3Seismische Tomografie zur Abbildung innerer Strukturen der Erde
3.2.4Bestimmung der Entfernung zum Epizentrum eines Erdbebens
3.2.5Herdmechanismen von Erdbeben und deren geodynamische Deutung
3.2.6Bestimmung der Stärke von Erdbeben
3.2.7Überwachung des internationalen Kernwaffenteststopp-Abkommens
3.3EIGENSCHWINGUNGEN VON ERDE UND SONNE
3.3.1Kugelfunktionsanalyse
3.3.2Eigenschwingungen der Erde
3.3.3Helio- und Astroseismologie
3.3.3.1Globale Helioseismologie: Analyse solarer Eigenschwingungen
3.3.3.2Lokale Helioseismologie: Laufzeitkurven und Ringdiagramme
3.4AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG4SCHWEREFELD UND FIGUR DER ERDE
4.1GRAVITATION, ERDUMDREHUNG UND GEZEITEN
4.1.1Gravitationspotenzial
4.1.2Erdumdrehung
4.1.3Gezeiten
4.1.4Änderungen von Erdumdrehung und Erdumlauf um die Sonne
4.1.5Coriolis- und Eötvös-Beschleunigung
4.2SCHWEREPOTENZIAL UND GEO ID
4.2.1Lösung der Laplace-Gleichung für das Gravitationspotenzial und Entwicklung nach Kugelfunktionen
4.2.2Entwicklung des Geoids nach Kugelfunktionen
4.3SCHWEREANOMALIEN, SCHWEREREDUKTIONEN UND ISOSTASIE
4.3.1Korrektur und Reduktion von Messwerten der Schwerebeschleunigung
4.3.1.1Korrektur zeitlicher Variationen: Instrumentengang und Gezeiten
4.3.1.2Die Breitenabhängigkeit der Normalschwere Gamma 0
4.3.1.3Höhenreduktionen: Freiluftreduktion dgF und Geländereduktion dgT
4.3.1.4Bouguer-Reduktion dgB und atmosphärische Reduktion dgA
4.3.2Globale und regionale Schwereanomalien
4.3.3Isostasie und geodynamische Aspekte
4.4AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG5MAGNETFELD UND MAGNETOSPHÄRE DER ERDE
5.1KOMPONENTEN UND STRUKTUR DES ERDMAGNETFELDS
5.2QUELLEN DES ERDMAGNETFELDS
5.2.1Der Geodynamo
5.2.2Die Magnetosphäre der Erde
5.2.3Das elektrische Feld der Erde
5.3ENTWICKLUNG DES ERDMAGNETFELDS NACH INNEREN UND ÄUßEREN QUELLEN
5.3.1Entwicklung des Erdmagnetfelds nach Kugelfunktionen
5.3.2Aktuelle Modelle des erdmagnetischen Hauptfelds und magnetische Anomalien
5.4MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON GESTEINEN
5.4.1Induzierte Magnetisierung
5.4.2Diamagnetismus
5.4.3Paramagnetismus
5.4.4Ferro- und Ferrimagnetismus
5.4.5Remanente Magnetisierung
5.5GESTEINSMAGNETISMUS
5.5.1Magnetisierung von Gesteinen
5.6PALÄOMAGNETIK: POLWANDERUNG UND FELDUMKEHR
5.6.1Methoden der Paläomagnetik
5.6.2Polwanderkurven
5.7AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG6WÄRME UND TEMPERATURFELD DER ERDE
6.1WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE
6.1.1Thermodynamische Grundlagen
6.1.2Grundlagen des Wärmetransports in der Erde
6.1.2.1Erhaltung von Masse
6.1.2.2Erhaltung von Energie
6.1.3Die thermische Struktur der Erde
6.2THERMISCHE ENERGIEBILANZ DER ERDE
6.2.1Wärmequellen
6.2.1.1Äußere Quellen
6.2.1.2Innere Quellen
6.2.2Wärmesenken
6.2.3Wärmebilanz der Erde
6.3WÄRMESPEICHERUNG, WÄRMEPRODUKTION UND WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE
6.3.1Wärmespeicherung
6.3.1.1Wärmekapazität
6.3.1.2Latente Wärme
6.3.1.3Volumenbezogene thermische Kapazität
6.3.2Radiogene Wärmeproduktion
6.3.3Wärmeleitung und Wärmediffusion
6.3.3.1Wärmeleitfähigkeit
6.3.3.2Strahlungs-Wärmeleitfähigkeit
6.3.3.3Variation der effektiven Gesteins-Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur
6.3.3.4Thermische Diffusivität
6.4DER THERMISCHE ZUSTAND VON ERDKERN UND ERDMANTEL
6.4.1Konvektion im äußeren Erdkern
6.4.2Konvektion im Erdmantel
6.5DER THERMISCHE ZUSTAND DER ERDKRUSTE
6.5.1Globale Variation des terrestrischen Wärmestroms
6.5.2Verteilung radioaktiver Quellen mit der Tiefe
6.5.3Paläoklima
6.5.4Auskühlung ozeanischer Lithosphäre
6.5.5Wärmeadvektion als Maß für Strömung
6.5.5.1Bestimmung vertikaler Fließraten mit Péclet-Zahl-Analysen von Temperaturprofilen
6.5.5.2Dimensionsanalyse thermischer Systeme
6.5.5.3Freie Konvektion in porösem Gestein
6.6AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG
7ANHANG 338
7.1GEOLOGISCHE ZEITTAFELN UND PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE
7.2ALLGEMEINE BEZUGSDATEN, UMRECHNUNGSFAKTOREN UND NATURKONSTANTEN 7
7.3VORSICHT BEI GROßEN ZAHLEN: ABKÜRZUNG, PRÄFIXE UND NAMEN FÜR VIELFACHE UND BRUCHTEILE VON ZEHN IN VERSCHIEDENEN SPRACHEN
7.4EINIGE RECHENREGELN FÜR VEKTOREN UND TENSOREN
7.5DIE FEHLERFUNKTION
7.6LEGENDRE-TRANSFORMATION
7.7SEISMISCHE INTENSITÄTSSKALA EMS-98
7.8ANTWORTFUNKTION EINES SEISMOMETERS
7.9ERZEUGUNG EINES ZUM MITTLEREN MAGNETFELD PARALLELEN, TURBULENTEN MAGNETFELDS ( -EFFEKT)
7.10GLEICHUNGEN DER HYDRODYNAMIK
7.10.1Die eulersche Bewegungsgleichung einer idealen Flüssigkeit
7.10.2Die Navier-Stokes-Gleichung der Strömung einer zähen Flüssigkeit
7.10.3Stokes-Strömung
7.10.4Oberbeck-Boussinesq-Näherung
7.11GLEICHUNGEN DER HYDROTHERMIK
7.11.1Energietransport in zähen Fluiden
7.11.2Beheizung oder Kühlung eines homogenen Halbraums von oben
7.11.3Einsetzen freier Konvektion lineare Stabilitätsanalyse
7.11.4Wassertiefe über einer isostatisch ausgeglichenen, von oben gekühlten Lithosphärenplatte endlicher Dicke
8.ANTWORTEN ZU DEN FRAGEN UND LÖSUNGEN DER AUFGABEN
9.ZITIERTE LITERATUR
10.LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE UND SCHREIBWEISEN11STICHWORTVERZEICHNIS