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Wissenschaft

23.09.2005 - GEOLOGIE

Der Atem der Tiefe

Tilo Arnhold

 
 

Magma unterhalb des Cheb-Beckens an der Deutsch-Tschechischen Grenze bewegt sich st?rker auf die Erdoberfl?che zu. Das schlie?en Wissenschaftler des Umweltforschungszentrums Leipzig-Halle (UFZ) und des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ) aus der Untersuchung aufsteigender Gase in den dortigen Mofetten und Mineralquellen. Messungen ?ber einen Zeitraum von zw?lf Jahren hatten gezeigt, dass sich das Verh?ltnis zweier Heliumisotope in diesen Gasen ver?ndert. "Dabei wurden die h?chsten Werte in Europa n?rdlich der Alpen gemessen wie sie sonst nur aus aktiven Vulkangebieten bekannt sind", so Dr. Karin Br?uer vom UFZ. F?r die Wissenschaftler sind diese Ver?nderungen ein Anzeichen f?r den Anstieg von magmatischer Aktivit?t unter dem Cheb-Becken. Das aufsteigende Magma k?nnte zugleich einer der Ausl?ser f?r die Schwarmbeben sein, die regelm??ig im Vogtland, in Nordwest-B?hmen, im Fichtelgebirge und in der Oberpfalz auftreten.

Pausenlos steigen Gasblasen an die Wasseroberfl?che. Bubl?k - auf deutsch "das Blubbernde" nennen die Einheimischen das kleine Wasserloch in einem Sumpfgebiet beim westb?hmischen Franti?kovy L?zn? (Franzensbad). Gut versteckt zwischen Str?uchern ist es zwar kaum zu sehen, aber die Ger?usche sind nicht zu ?berh?ren. In gro?en Mengen str?mt hier Gas aus der Tiefe. Gas, das aus aktiven Magmablasen in etwa 30 Kilometern unter der Erdoberfl?che stammt. ?berall im Dreil?ndereck Sachsen-Bayern-B?hmen haben die Wissenschaftler in den letzten Jahren Mineralquellen und Gasaustrittsl?cher - so genannte Mofetten - untersucht. Keine ist f?r sie so interessant wie die Mofette Bubl?k im Egerbecken. Die Wissenschaftler haben hier eine Stelle gefunden, an der Gas fast unbeeinflusst aus dem Erdmantel an die Oberfl?che aufsteigt.

Mofetten im Naturschutzgebiet Soos bei
Franzensbad im Egergraben
"Durch Messungen vor und nach einem kleinen Erdbeben konnten wir die Transportgeschwindigkeit absch?tzen", erz?hlt Dr. Gerhard Strauch vom UFZ. "Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Metern pro Tag bewegt sich das Gas zumindest die letzten 7 bis 8 Kilometer nach oben. Das hei?t, hier muss es Spalten geben, die bis in gro?e Tiefen f?hren." Ein Gl?cksfall, denn die Wissenschaftler interessieren sich f?r einen Bestandteil des Gases, der nur im Erdmantel - also unterhalb von 30 Kilometern - in einer charakteristischen Zusammensetzung vorkommt und der sich auf seinem Weg nach oben ver?ndern kann. Zusammen mit seinem Kollegen Dr. Horst K?mpf vom GFZ Potsdam beugt sich Strauch ?ber das Wasserloch. Er h?lt einen Trichter ins Wasser, f?ngt damit die Gasblasen ein und leitet sie ?ber einen Schlauch zur so genannten Gasmaus - einem Zylinder aus Spezialglas mit zwei ?ffnungen. Sein Kollege K?mpf h?lt inzwischen diesen Glaszylinder ins kalte Wasser, damit keine Luft die Probe verunreinigt. Das Gas, das zu mehr als 99 Prozent aus Kohlendioxid besteht, werden die Wissenschaftler sp?ter im Labor untersuchen.

"Die Heliumuntersuchungen werden in Kooperation mit unserem Kollegen Dr. Samuel Niedermann vom GFZ Potsdam durchgef?hrt. Das Edelgas Helium kommt zwar nur in sehr geringen Mengen in diesen Gasen vor", so Dr. Karin Br?uer vom UFZ. "Aber es l?sst sich am besten nach seinem Ursprung zuordnen." Denn Helium kommt in der Natur in zwei stabilen Isotopen vor. Die Heliumisotope haben eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern. "Das h?ufigere Helium-4 wird in der Erdkruste durch radioaktiven Zerfall gebildet. Helium-3 kommt dagegen aus dem darunter liegenden Erdmantel. Das Verh?ltnis zwischen den beiden Heliumisotopen sagt also etwas dar?ber aus, aus welchen Tiefen das Gas stammt." Das klingt vielleicht nach mathematischen Spielchen, hat aber einen ernsten Hintergrund: Bei Erdbeben oder vulkanischer Aktivit?t kommen mehr Gase aus tieferen Schichten an die Erdoberfl?che als sonst. Die Analyse dieser Gase hilft, Prozesse besser zu verstehen, die in Kruste und Mantel verborgen ablaufen. Die bisherigen Ergebnisse reichen allerdings gegenw?rtig noch l?ngst nicht aus, um Vulkanausbr?che oder Erdbeben sicher vorherzusagen. Nur langj?hrige Messreihen k?nnen helfen, dieses Problem in Zukunft in Griff zu bekommen.

Prinzip des Gasaustritts im Egergraben
Quelle: Horst K?mpf/GFZ
Seit Anfang der neunziger Jahre beobachten die Wissenschaftler das Verh?ltnis zwischen Helium-3 und Helium-4 an verschiedenen Mineralquellen im Grenzgebiet um das Cheb-Becken. Dabei zeigte sich, dass die Werte dort an einigen Stellen in den letzten Jahren deutlich angestiegen sind. "Wir haben in der Mofette Bubl?k in der N?he der Grenze zu Sachsen ein Verh?ltnis der Heliumisotope bis zum 6,2fachen des Wertes von Luft-Helium gemessen", so Karin Br?uer. "Das ist der h?chste Wert, der jemals in Mitteleuropa gemessen wurde. Solche Werte sind sonst nur von aktiven Vulkanen wie dem ?tna bekannt." Die Vergleichsmessungen vom Laacher See in der Osteifel zeigten dagegen keine Ver?nderungen. Aus Sicht der Wissenschaftler bedeutet das: Es tut sich etwas unter der Region rund um das Cheb-Becken. Diese ist inzwischen die Region mit den h?chsten Mantelheliumanteilen in Mitteleuropa. Vulkanausbr?che hat es an der heutigen s?chsisch-b?hmisch-bayerischen Grenze zuletzt wahrscheinlich vor etwa 300.000 Jahren gegeben.

Ein ganzer Tourismuszweig lebt heute von den Sp?tfolgen des Vulkanismus. Weltbekannte b?hmische Heilb?der wie Karlovy Vary (Karlsbad), Mari?nsk? L?zne (Marienbad) oder Franti?kovy L?zne (Franzensbad), aber auch die s?chsischen Kurorte Bad Elster und Bad Brambach sowie Sibyllenbad im Oberpf?lzer Wald verdanken ihre Existenz den dortigen sprudelnden Kohlendioxid-Mineralquellen und damit der magmatischen Aktivit?t im Untergrund. F?r Bewohner und Besucher der Region besteht trotz der neuen Messungen kein Grund zur Sorge: "Wir wissen noch nicht, wie die Magmen zusammengesetzt sind, wie weit die Schmelzen aus ?ber 30 km Tiefe in die Erdkruste aufsteigen. Nur die Signale aus den Quellgasen geben uns Hinweise, dass sich etwas in den verborgenen Tiefen tut. Dazu ist noch viel Monitoring und umfassende geologische Arbeit erforderlich", so Horst K?mpf vom GeoForschungsZentrum.

Weltber?hmt: Marienbad
R?ckblick auf den 4. September 2000, eine halbe Stunde nach Mitternacht. Ein dumpfes Grollen rei?t die Bewohner des vogtl?ndischen Klingenthal aus dem Schlaf. Gl?ser klirren im Schrank. Ein leichtes Zittern ist zu sp?ren. Ein Erdbeben der St?rke 3 ersch?ttert die Region im Dreil?ndereck. Gr??ere Sch?den gibt es nicht. Beunruhigt sind die Vogtl?nder trotzdem. Ungef?hr alle drei Jahre treten hier sehr schwache Beben und im Abstand von mehreren Jahrzehnten mittlere Beben auf. Im Winter 1985/86 wurden beispielsweise Erdst?sse bis zur St?rke 4,6 registriert. "Wir hatten das Gl?ck, dass unsere Messkampagne vom Fr?hjahr 2000 bis Dezember 2003 eine lang anhaltende Periode seismischer Aktivit?t von vier Monaten im Herbst/Winter 2000 einschloss", so Karin Br?uer. "So konnten wir seismisch bedingte Ver?nderungen in der Isotopenzusammensetzung der Gase nachweisen."

Wenn die Erde im Vogtland bebt, dann tut sie das zwar nicht heftig aber daf?r ausdauernd. Innerhalb von mehreren Wochen kann es dann zu Tausenden von schwachen Erdst??en kommen. Die Spannungen entladen sich nicht in einem gro?en Beben sondern in vielen kleinen Minibeben. Die Wissenschaftler nennen dieses Ph?nomen Schwarmbeben. Erdbeben entstehen in der Regel an Grenzen zwischen zwei tektonischen Platten. Von diesen tektonisch aktiven Plattengrenzen ist das Vogtland aber weit entfernt. Die Gasuntersuchungen k?nnten jetzt eine Erkl?rung f?r das Auftreten der Schwarmbeben in dieser Region liefern. Aus dem Erdmantel steigt entgasendes Magma in die Erdkruste auf. "Es k?nnte sein, dass sich durch den Aufstieg des Magmas der Druck des Kohlendioxids in bestimmten Krustenbereichen erh?ht und so die Schwarmbeben in einer Tiefe zwischen 6 und 14 Kilometern ausgel?st werden", erkl?rt Br?uer die neue Hypothese.

Probennahme: Horst K?mpf, GFZ Potsdam,
Gerhard Strauch und Karin Br?uer, beide
UFZ (v.l.n.r.)
Bis die ehemaligen Vulkane wieder Feuer speien, k?nnen noch Hunderttausende von Jahre vergehen. Auch mit starken Erdbeben ist in diesem Zeitraum nicht zu rechnen. Schwache Erdbeben werden dagegen nicht so lange auf sich warten lassen. In den letzten Jahren ist die geophysikalische Untersuchung von Erdbeben weiter vorangeschritten. Stoffliche Untersuchungen dieser Prozesse f?hren dagegen immer noch ein Nischendasein. "Es ist wichtig, dass zuk?nftig den isotopengeochemischen Zeitreihenmessungen die gleiche Bedeutung zukommt wie der traditionellen Erdbebenforschung, die weltweit seismologische Erdbebenstationen und Netze betreibt. Beide k?nnen sich gut erg?nzen und die Wissenschaft ein St?ck weiterbringen", meint Horst K?mpf, der zusammen mit Gerhard Strauch seit den 80er Jahren dazu forscht. "Isotopenmessungen werden bisher noch wenig angewendet, da sie vergleichsweise teuer und zeitaufwendig sind." Dazu kommt noch, dass diese Gasuntersuchungen bisher noch nicht automatisch erfolgen k?nnen - im Gegensatz zu den physikalischen Messmethoden, wo der Ausschlag eines Zeigers elektrisch registriert und innerhalb von Sekunden weltweit per Internet verbreitet werden kann.

Die bisher durchgef?hrten Gasuntersuchungen wurden seit 1992 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gef?rdert. Doch normale F?rderzeitr?ume von durchschnittlich drei Jahren sind erdgeschichtlich gesehen nicht einmal einen Augenblick lang. Um gesicherte Aussagen ?ber Ver?nderungen in der Erde unter uns treffen zu k?nnen, sind jedoch Langzeitstudien notwendig. Die Wissenschaftler aus Halle und aus Potsdam wollen deshalb k?nftig jeden Monat eine Messung vornehmen, um die magmatische Aktivit?t unterhalb des Cheb-Beckens zu beobachten.



Mehr im Internet:
Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle 
Geoforschungszentrum Potsdam 
Konferenz GeoErlangen 2005 (24.-29.9.2005 in Erlangen) 

 



 

               

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