Mit ihrem Projekt am Department für Geodynamik und Sedimentologie der Universität Wien möchte Mag. Dr. Ulrike Exner mehr über die Geometrie und Entstehung eines bestimmten Typs von Gesteinsverfaltung, dem "Fault drag" ("Schleppfalten"), herausfinden. Dazu verwendet sie Computerprogramme, die in der Lage sind, deren Entstehung dynamisch und dreidimensional nachzubilden.
Zwischen Schreibtisch und Steilküste
Ulrike Exner hat große Erfahrung mit der Untersuchung natürlicher Gesteinsverfaltungen. Die sieht sie aber derzeit, abgesehen von Fotos und Handstücken, eher selten. 90 Prozent ihrer Arbeitszeit verbringt sie im Büro vor zwei großen Flachbildschirmen: "Auf dem einen modelliere ich, am anderen schreibe ich Protokolle, E-Mails etc." Gelegentlich kann sie aber doch Frischluft schnappen: "Ich überprüfen die Richtigkeit meiner Computer-Modelle immer wieder an den natürlichen Beispielen im Gelände." Eine 50 mal 50 Meter große Struktur mit Schleppfalten, die Mag. Dr. Erich Draganits, ein Kollege von Exner, im September 2005 auf der gebirgigen Kykladen-Insel Kea direkt an der Steilküste fand, bedeutete für sie Knochenarbeit: "Ich hatte zwei Wochen lang Zeit, die Struktur mit einem differenziellen GPS-Gerät zu vermessen, um hochauflösende, dreidimensionale Daten für mein Projekt zu gewinnen. Das war eine Schlepperei und Kraxlerei in der prallen Sonne, mitten im steilen Gelände. Und in der Bucht gegenüber sah ich die Urlauber baden."
Wie zähflüssiger Teig
Wie kommen aber jetzt die Falten ins Gestein? Unter anderen Temperatur- und Druckbedingungen als an der Erdoberfläche benehmen sich Gesteine anders, als wir es von ihnen gewohnt sind: "Gesteine können sich dann so ähnlich verhalten wie zähflüssiger Teig: Wirkt eine Kraft leicht, aber dauerhaft auf sie ein, lassen sie sich ziehen, falten und verformen. Wirkt sie kürzer und kräftiger, reißen sie." In Exners Fall spielen alle diese Möglichkeiten eine Rolle: Rund um - häufig durch relativ schnelle, ungleichmäßige Verformung entstandene - Trennflächen im Gestein (so genannte Störungen) entstehen durch langsamere, gleichmäßige Verformungen die Schleppfalten. Neben Temperatur, Druck und den Gesteinseigenschaften sind also auch die Wirkzeit und die Stärke der formenden Kräfte wichtige Faktoren, die Exner in ihren Computermodellen berücksichtigen muss.
2-D ist nicht genug
An der Ursache für die Entstehung von Schleppfalten forscht man erst seit wenigen Jahren, federführend an den Untersuchungen beteiligt war die Gruppe um Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Bernhard Grasemann vom Department für Geodynamik und Sedimentologie. Bisherigen Nachbildungen von Schleppfalten fehlt allerdings noch etwas Wesentliches, um ihren Vorbildern in der Natur gerecht zu werden: Die dritte Dimension. Die fügt ihnen Exner nun hinzu: "Was auch das Programmieren um eine Dimension komplizierter macht." Bei der komplizierten Modellierarbeit steht Exner ein internationales Team zur Seite: Sie arbeitet mit PartnerInnen in Oslo und Montpellier zusammen.
Modelle aus Polymer
Da sich die Entstehung der Schleppfalten im Erdinneren nicht beobachten lässt, imitierte Ulrike Exner sie während ihrer Dissertation an der ETH Zürich mit einem Kunststoff, einem Polymer. Dieser Stoff weist bei Atmosphärendruck und Zimmertemperatur analoge Eigenschaften wie die Gesteine im Erdinneren auf: Die physikalischen Eigenschaften des Kunststoffs sind genau bekannt und lassen sich entsprechend auf die der Gesteine umrechnen. "Im Studium haben wir gelegentlich Modelle mit Kuchenteig und Marzipan gemacht - für genaue Daten, wie ich sie brauche, reicht das aber nicht." Die Substanz - ein glasklarer Teig - klebt nicht, sie lässt sich kneten, ziehen und formen. Was man aber daraus modelliert, verwandelt sich immer wieder in glänzende Polymerpfützen: Das Material fließt - langsam, aber stetig.
Öl, Erdbeben und mehr
Und wozu braucht man Modelle von Schleppfalten? Manche Schleppfalten können Fallen für Erdöl und Erdgas bilden. Entlang der Störungen, an denen sich die Schleppfalten bilden, kann es durch Bewegungen des Gesteins zu Spannungen kommen, die sich in Form von Erdbeben lösen. Ein besseres Verständnis der Schleppfalten-Geometrie gibt somit Hinweise, wo man den Bohrer ansetzen muss, um auf Erdöl zu stoßen, und ermöglicht exaktere Vorhersagen über Erdbeben. Hinter diesen zwei konkreten Anwendungen verbergen sich noch viele weitere: Nur durch solche Modelle geologischer Strukturen in Kombination mit Messdaten (etwa aus Seismikuntersuchungen oder Bohrproben) ist es möglich, mehr darüber zu erfahren, was sich unter der Erdoberfläche verbirgt, wie geologische Strukturen entstanden sind und wie sie sich weiter verhalten werden - und dafür gibt es viele Anwendungen. (hz)
Mag. Dr. Ulrike Exner hat eine Hertha-Firnberg-Stelle am Department für Geodynamik und Sedimentologie inne. Sie begann das dreijährige FWF-Projekt "3D Strukturelle und mechanische Modellierung von Störungsgeometrien" im August 2006. |
