Sektion 5.1: Geomorphologie

Forschungsthemen und -strategie

Weil die Dynamik der Erdoberfläche von vielen internen und externen Prozessen und ihren Interaktionen abhängt, ist es wichtig, einen ganzheitlichen Ansatz zu entwickeln. Daher betrachten wir die Geomorphologie in einem umfassenden, multi-disziplinären Rahmen, um diese wichtigen Prozesse auf den entsprechenden räumlichen und zeitlichen Skalen zu erfassen. Wir als Forschungsgruppe widmen fünf Themen besondere Aufmerksamkeit, die viele der oben beschriebenen Herausforderungen angehen. Diese Themen sind wie folgt:

Hauptziele: Wir bestimmen und beschreiben die Mechanismen, Muster und Raten von Erosion, die Faktoren, die die Erosion kontrollieren, und die Rolle der Erosion in der Landschaftsentwicklung. Ziele dabei sind, die Landschaft als Archiv vergangener Umweltveränderungen interpretieren und in diesem Zuge die Auswirkungen künftiger Umwelt- und Klimaänderungen auf die Landschaft vorhersagen zu können. Weiterhin haben wir zum Ziel, die von Naturgefahren ausgehenden Risiken besser einzuschätzen und zu entschärfen.

In diesem Themenbereich beschäftigen wir uns mit den Mechanismen und der mathematischen Beschreibung von Erosionsprozessen, die in Hangsystemen, in Gerinnen und in glazialen, äolischen und marinen Bereichen stattfinden. Unterstützend zu Beobachtungsstudien im Gelände verwenden wir bewährte und neue Techniken, um Exhumierung und Denudation über verschiedene zeitliche Skalen zu bestimmen. Zusätzlich zu am GFZ etablierten thermo-chronometrischen und geochemischen Analysemethoden, schließen diese Techniken zum Beispiel OSL-Datierung (optisch stimulierte Lumineszenz) und Raman-Spektroskopie mit ein. Wir verbinden Erkenntnisse aus Naturbeobachtungen mit theoretischen Überlegungen und numerischen und analogen Modellen, um besser zu verstehen, wie sich die Topographie durch Erosion verändert. Dieses Thema aus dem Kernbereich der Geomorphologie ist ein Ankerpunkt für andere, interdisziplinäre Aktivitäten unserer Gruppe.

Hauptziele: Wir versuchen, die Mechanismen zu identifizieren, zu beschreiben und zu quantifizieren, durch die Erosion den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflusst.

Über lange Zeiträume ist die Bindung von CO₂ in geologischen Speichern essentiell für die relative Stabilität des Erdklimas. Diese klimatische Stabilität machte es erst möglich, dass Leben auf der Erde entstehen und sich komplexe Organismen entwickeln konnten. Außerdem trägt die geologische Einlagerung von organischem Kohlenstoff, der durch Erosion mobilisiert wurde, dazu bei, dass sich Kohlenwasserstofflagerstätten an vorhersehbaren Orten bilden. Wir erforschen die natürlichen Wege, über die CO₂ zwischen Atmosphäre und Geosphäre ausgetauscht wird. Unsere Schwerpunkte liegen auf der Erforschung

i) von Verwitterungsprozessen an und unter der Erdoberfläche,

ii) der Bedeutung biologischer Prozesse bei der Verwitterung von Festgestein,

iii) des Transfers organischen Kohlenstoffs in den Boden,

iv) der Rolle von Bodenerosion und Hangbewegungen,

v) des Eintrags von organischem Kohlenstoff in geologische Ablagerungszentren,

vi) der Erhaltung organischen Materials in geologischen Speichern.

Ein explizites Ziel unserer Forschung ist es, zunächst das Kohlenstoffbudget eines aktiven Gebirges und später anderer tektonischer Systeme zu quantifizieren. Darüber hinaus arbeiten wir an numerischen Modellen der Landschaftsdynamik, die die Stoffflüsse von gelöstem, anorganischem und partikulärem, organischem Kohlenstoff einbeziehen. Diese Studien ermöglichen es, die Kohlenstoffflüsse im Zusammenhang mit sich ändernden geomorphologischen, klimatischen und tektonischen Bedingungen über längere Zeiträume detailliert zu untersuchen.

Hauptziele: i) Wir untersuchen die Verbindungen zwischen geophysikalischen Prozessen, wie zum Beispiel Erdbeben, und den geomorphischen Prozessen, die durch sie ausgelöst werden. Dies dient dazu, Massenbewegungen während und nach Erdbeben erklären und vorhersagen zu können. Ferner können geomorphische Prozesse verwendet werden, um Erdbebenmechanismen zu studieren, wenn keine detaillierten seismischen Daten vorliegen.

ii) Des Weiteren versuchen wir, die seismische Überwachung von Erdoberflächenprozessen voranzutreiben. Diese Technik umgeht durch ihre hohe zeitliche Auflösung Defizite von herkömmlichen Beobachtungsmethoden, wie lokalen Feldmessungen oder satellitengestützter Datenerhebung. Im Besonderen kann man mit seismischen Messungen die Interaktion verschiedener geomorphologischer Prozesse und deren Abhängigkeit von meteorologischen Ereignissen studieren.

Innerhalb des Themas der geophysikalischen Geomorphologie verfolgen wir zwei separate Forschungsrichtungen. Zum Einen beschäftigen wir uns mit Erosion, die von seismischen Ereignissen ausgelöst wird. Theoretische Modelle von Erdbebenmechanismen und von der Ausbreitung seismischer Wellen im Untergrund helfen uns, die räumliche und zeitliche Verteilung von Massenbewegungen nach Erdbeben zu erklären und vorherzusagen. Wir kehren diesen Ansatz auch um, mit dem Ziel, Erdbebenmechanismen aus der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Massenbewegungen abzuleiten. Darüber hinaus macht es uns dieser Ansatz möglich, Massebilanzen von Gebirgen zu ermitteln.

Zum Anderen entwickeln wir seismische Beobachtungstechniken für geomorphologische Prozesse, und verwenden diese Techniken, um Prozessmechanik und die Reaktion der Landschaft auf sich ändernde Umweltbedingungen zu untersuchen. Mit den seismischen Signalen der Erdoberflächenprozesse können wir den Ort, die Zeit, Größe und Art einzelner geomorphischer Prozesse bestimmen. Im Gegensatz zu anderen Fernerkundungstechniken haben seismische Methoden eine hohe zeitliche Auflösung, sodass man auf diese Weise geomorphische Aktivität im Kontext meteorologischer Ereignisse beobachten kann. Deswegen ist die Weiterentwicklung dieser seismischen Techniken ein wichtiger Schlüssel, um die Reaktion der Landschaft auf den Klimawandel, aber auch auf viele andere Aspekte der Erdoberflächendynamik zu verstehen.

Hauptziele: Wir versuchen zu bestimmen, wie das Klima (Niederschlag und Temperatur), die Klima-Variabilität und klimatische Veränderungen die Dynamik der Erdoberflächenprozesse beeinflussen. Fernerhin erforschen wir, wie diese klimatischen Einflüsse die natürliche Landschaft und die Umwelt, in der wir Menschen leben, gestalten.

Innerhalb der Gruppe verwenden wir sowohl Computersimulationen als auch detaillierte Beobachtungen aus Natur und Labor, um dieses Ziel zu erreichen. Erdoberflächenprozess- und Landschaftsentwicklungsmodelle werden mit lokalen Klimamodellen kombiniert, um die geomorphischen Auswirkungen von Klimavariabilität und –wandel über Zeiträume von Dekaden bis zu Millionen von Jahren zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Modelle vergleichen wir mit digitalen Geländedaten aus Gebieten, wo die Klimageschichte bekannt ist. Außerdem stellen wir unsere Modellierungsergebnisse gemessenen Erosionsraten gegenüber, die z.B. aus der Analyse von kosmogenen Nukliden aus Terrassen-, Delta- oder Seeablagerungen stammen. Zusätzlich beobachten wir auch direkt, wie sich Wetterereignisse auf Erosionsprozesse auswirken. In diesem Themenbereich widmen wir der Temperatur und ihren Änderungen, sowie klima-abhängigen biologischen und chemischen Prozessen besondere Aufmerksamkeit. Diese Prozesse werden sonst oft vernachlässigt, wenn klima-gesteuerte Landschaftsveränderungen betrachtet werden.

Hauptziele: Wir erforschen, wie Erosionssignale durch Sedimenttransport und in Ablagerungssystemen übermittelt, integriert, verändert und vernichtet werden. Damit schaffen wir die nötigen Grundlagen, um aus Ablagerungssequenzen Informationen über sich in der geologischen Vergangenheit ändernde Umweltbedingungen extrahieren zu können.

Sedimente enthalten Informationen über die Bedingungen zur Zeit der Sedimentproduktion und -ablagerung, und können deswegen lange und relativ vollständige Aufzeichnungen von sich ändernden Klimabedingungen enthalten. Aus diesem Grund konnte man mit Sedimentarchiven erfolgreich die Entwicklung des Erdklimas rekonstruieren. Aber Sedimentarchive enthalten auch Informationen über Erosionsprozesse, die unter vergangenen Klimabedingungen und während vergangener Klimaänderungen wirkten. Die Erforschung dieser gepaarten Archive kann unser Verständnis der momentanen Erdoberflächendynamik verbessern und uns helfen, uns auf die geomorphologischen Reaktionen der Erde im zukünftigen Klimawandel vorzubereiten. Unsere Gruppe benutzt hydrometrische, geophysikalische und geochemische Methoden, zusammen mit numerischer Modellierung, um den Sedimenttransport von Produktionsstätten im Inland bis hin zu terrestrischen und marinen Ablagerungsräumen zu verfolgen und zu quantifizieren. Unser Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Transfer von Sedimenten zwischen verschiedenen Prozessdomänen und auf der Erforschung der Mechanismen von Sedimentspeicherung und -remobilisierung.

Obwohl es legitim ist, Forschungsprojekte in nur ein Thema einzubetten, ist es besonders nützlich, die einzelnen Themen miteinander zu verbinden. Konzepte, Randbedingungen, Methoden und Ansätze, die in einem der Themen entwickelt und entdeckt werden, sind unabdingbar, um Fragestellungen in den anderen Themen effektiv angehen zu können. Außerdem wird dadurch sichtbar, wie Themen miteinander verknüpft sind und zusammenwirken. Als Beispiel sei die seismische Beobachtung geomorphischer Aktivität in Gebirgsgebieten genannt. Die seismischen Daten liefern Einsichten in die exakten meteorologischen Bedingungen, die Oberflächenprozesse antreiben. Mit diesem Wissen können die Reaktionen der Erdoberfläche auf den Klimawandel besser vorhergesagt, Risiken, die von Naturgefahren ausgehen, umfassender eingeschätzt und Frühwarnsysteme genauer abgestimmt werden. Darüber hinaus kann man mit solchen seismischen Daten, wenn sie mit Messungen des Sedimenttransports in Flüssen verbunden werden, im Detail betrachten, wie die physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen interagieren, die die Bindung von CO₂ in geologischen Speichern beeinflussen. Dies gewährt seltene Einblicke in die Rolle, die geomorphologische Prozesse in der Dynamik von Ökosystemen spielen. Die Überlegung, dass es für diese Integration von Forschungsthemen nötig ist verschiedene Problemstellungen parallel zu bearbeiten und eine ganze Reihe von Techniken und Methoden zu nutzen, ist von zentraler Bedeutung für die Forschungsstrategie unserer Gruppe.