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Fields of Research – General Information

Zu Geodynamik   Tektonik   Strukturgeologie   Geochemie
  Forschungsschwerpunkt Geodynamik und Geochemie am Institut für Erdwissenschaften

Geodynamik

Die Geodynamik befasst sich mit den natürlichen Bewegungsvorgängen im Erdinnern bzw. auf der Erdoberfläche. Zugleich erforscht sie die Antriebsmechanismen und Kräfte, mit denen diese Bewegungen Verschiebungen in Zusammenhang stehen.

Ihre Erkenntnisse werden vorwiegend durch Methoden der Geophysik gewonnen; sie dienen auch zur Interpretation der Mechanismen in der geologischen Vergangenheit. Der Begriff wird oft fälschlich für rein kinematische Aspekte verschiedener Deformationen verwendet, also ohne Berücksichtigung ihrer Dynamik und Ursachen. Dies betrifft u.a. die rein messtechnische Erfassung lokaler Krustenbewegungen.

Die Geodynamik bildet eine interdisziplinäre Brücke zwischen mehreren Disziplinen der Erd- bzw. Geowissenschaften, insbesondere der Geophysik, der Geodäsie und der Geologie.

Geodynamische Prozesse reichen über eine breite Skala. Beispiele dafür sind:

Tektonik

Die Tektonik beschäftigt sich mit dem Aufbau der Erdkruste in ihrer Struktur und großräumigen Bewegung. Auch Bewegungen und Strukturen des oberen Teils des Erdmantels (Lithosphäre) sind Betrachtungsfeld der Tektonik.

Aus den im Gelände beobachteten Störungen und Verfaltungen von Gesteinspaketen sowie den Merkmalen der betroffenen Gesteine (Klüftung, Schieferung, Metamorphosegrad) schließt der Geologe auf Richtung, Stärke, Dauer und Zeitpunkt von Bewegungen und die Druck- und Temperaturbedingungen.

Die Plattentektonik ist die grundlegende Theorie der Erdwissenschaften über die großräumigen tektonischen Vorgänge in der Lithosphäre (Erdkruste und oberster Erdmantel) über die endogene Dynamik der Erde.

Die Plattentektonik kann als der an der Erdoberfläche auftretende Ausdruck der Mantelkonvektion im Erdinneren aufgefasst werden und beschreibt die Bewegungen der Lithosphärenplatten („Kontinentalverschiebung“) und die daraus folgenden geologischen Phänomene. Zu ihnen zählt vor allem die Entstehung von Kollisionsgebirgen (Orogenese). Die großräumige Deformation der Lithosphäre wird von einer Vielzahl von Phänomenen, wie Vulkanismus oder Erdbeben, begleitet.

Strukturgeologie

Strukturgeologie ist der analytische Zweig der Tektonik. Sie befasst sich mit den räumlichen Beziehungen der Gesteine zueinander und der in ihnen erkennbaren Deformation.

Die Strukturgeologie befasst sich nicht mit globalen Strukturen von Gesteinskörpern, sondern nur in einem regional begrenzten Gebiet. Sie untersucht beispielsweise Falten, Brüche und Mineralgefüge in Gesteinen und versucht daraus Verformungsbeträge und Verformungsraten zu quantifizieren.

Geochemie

Die Geochemie befasst sich mit dem stofflichen Aufbau, der Verteilung, der Stabilität und dem Kreislauf von chemischen Elementen und deren Isotopen in Mineralen, Gesteinen, Boden, Wasser, Atmosphäre und Biosphäre. Sie ist die naturwissenschaftliche Fachrichtung, die Geologie und Chemie verbindet.

In der modernen Geochemie ist eine Zweiteilung des Faches zu beobachten. Auf der einen Seite steht die Untersuchung metamorpher und magmatischer Gesteine, wobei das Hauptaugenmerk auf deren Spurenelementgehalten und (meist radiogenen) Isotopenverhältnissen liegt, mit dem Ziel, Aussagen über Alter (Geochronologie) und Bildungsbedingungen (Geothermobarometrie) machen zu können. Im Bereich der Rekonstruktion der frühesten Erdgeschichte gibt es hier Überschneidungen mit der Planetologie und der Kosmochemie. Auf der anderen Seite steht die Untersuchung von Sedimenten, Wässern, Böden, Lebewesen und der Luft, wobei die Untersuchung stabiler Isotope eine herausragende Rolle spielt. An diesem Ende des Spektrums der Geochemie bildet die Biogeochemie, also die Untersuchung des Einflusses von Organismen auf die Chemie der Erde, den Übergang zur Biochemie und zur Biologie.

Die Gehalte und die Verteilung von Elementen in einem Mineral geben Aufschluss über die Entstehungsgeschichte des Gesteins einschließlich der Druck- und Temperaturverhältnisse zur Zeit der Bildung (Geothermobarometrie). Viele Klassifikationen von Gesteinen beruhen auf geochemischen Daten. Beispiele hierfür sind die Unterteilung der Granite in S-Typ-Granite und I-Typ-Granite. Sehr oft werden die Konzentrationen der Lanthanide zur Bestimmung der Entstehungsbedingungen und zur Klassifikation von Gesteinen verwendet.

Die Hydrogeochemie untersucht die Wasserqualität von Oberflächen- und Grundwasser, den Wasserkreislauf und die Wechselwirkungen von Wasser mit Mineralen.

Wichtige Themen der Atmosphärenchemie sind der Treibhauseffekt, die Luftverschmutzung durch Feinstaub und der saure Regen.

Stabile Isotope geben Auskunft über Bildungsbereiche, Verwitterungsprozesse und Transportprozesse von Gesteinen, Erzen und Wässern, radiogene Isotope ermöglichen eine Altersbestimmung von Mineralen und Gesteinen (Geochronologie).

Die Untersuchung von Meteoriten gibt Aufschluss über die Entstehung des Universums, des Sonnensystems und der Erde.
 

Forschungsschwerpunkt Geodynamik und Geochemie

Der Forschungsschwerpunkt Geodynamik und Geochemie ist am Institut für Erdwissenschaften durch seine fachliche Breite charakterisiert und reicht von geodynamischen Prozessen, Tektonik, klassischer Strukturgeologie, Petrologie, Geochemie bis zur Mineralogie. Thematisch sind drei fachlich unterschiedliche Bereiche erkennbar:

Orogene Prozesse

Dieser Bereich zeichnet sich durch intensive Vernetzung von strukturgeologischen, tektonischen, geochronologischen und petrologischen Forschungsansätzen aus. In den letzten 20 Jahren etablierte sich diese Forschungsrichtung am Standort Graz kontinuierlich und ist innerhalb des Forschungsschwerpunktes Geodynamik und Geochemie am stärksten vertreten. Die Kombination von strukturgeologischen, petrologischen, geochemischen und geochronologischen Methoden bei der Bearbeitung von diesbezüglichen Fragestellungen erwies sich als sehr erfolgreich. Einen wesentlichen Schwerpunkt bildet die Untersuchung von Einheiten mit Hochdruckmetamorphose bzw. hochgradig metamorpher Überprägung und deren Exhumierung. Mehrere Projekte in Argentinien, Ägypten, Kenya/Tanzania, Nordgriechenland, und Alaska wurden oder werden momentan durchgeführt. Herausragende Erfolge waren u.a. eine tektonische Neugliederung des Ostafrikanischen Orogens in Tanzania bzw. der durch Diamanteinschlüsse in Granat von Glimmerschiefern belegte Nachweis einer UHP-Metamorphose im Rhodopengebirge. In Zukunft soll der Fokus verstärkt auf die Alpen sowie deren Fortsetzung nach Osten und Südosten (Karpaten, Dinariden, Helleniden) gerichtet werden.

 Pyrop aus Granitoiden des Dora Maira MassifsCoesit

Links: Pyrop aus Granitoiden des Dora Maira Massifs (Westalpen, Italien). In den Pyropen ist Coesit (rechts) als Indikator für Ultrahockdruck- Metamorphose zu finden. Bei Druckentlastung wandelt sich Coesit randlich in Quarz um. Die damit verbundene Volumszunahme erzeugt im Pyrop radiale Risse.

Geodynamische Prozesse und Neotektonik

Die Erarbeitung der Zusammenhänge zwischen endogener Dynamik und oberflächennahen Prozessen gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Wesentlich dabei sind vor allem die Auswirkungen von rezenten bis subrezenten Bewegungen entlang von Störungen und Störungszonen, und die Auswirkungen auf Oberflächenprozesse, wie die Hebung von Krustenblöcken, die Bildung eines Reliefs, und die Entwicklung der Morphologie inklusive des Gewässernetzes. Auch für diesen Bereich hat sich die Kombination von strukturgeologischen Methoden, Niedrigtemperaturgeochronologie, und sedimentgeologisch – stratigrafischen Methoden als vorteilhaft erwiesen. Vor allem für Erosionsprozesse und Gewässerdynamik hat sich die numerische Modellierung besonders bewährt. Mehrere Projekte, vorzugsweise in teilweise noch aktiven jungen Kollisionsorogenen (Alpen, Himalaya), wurden und werden momentan durchgeführt. Weiters werden fächerübergreifende Studien innerhalb dieses Bereiches in Hinblick auf hydrologische Wirksamkeit von Störungen und Störungssystemen durchgeführt bzw. sind im Aufbau.
http://www.topo-europe.eu

Grafik Kontinentkollision im Himalaya

Kontinentkollision im Himalaya: die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Prozessen in der Unterkruste und dem Erdmantel und Prozessen an der Oberfläche. Der Abriss der subduzierten Lithosphärenplatte bewirkt die Hebung des Himalaya und des ibetischen Plateaus (aus Frisch & Meschede: Plattentektonik).

Spaltspuren in Zirkonkristallen
Spaltspuren in Zirkonkristallen. Der Zeitpunkt der Abkühlung während der Hebung von Krustenteilen kann z.B. mittels Spaltspuren in Apatit und Zirkon rekonstruiert werden.

Mineralogie und Petrologie

Mehrere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit mineralogisch-kristallographischen als auch mineralogisch petrologischen Themen. Die Forschung im Bereich Mineralogie-Kristallographie liegt vor allem im Bereich der Charakterisierung von neuen Mineralarten, in der Verfeinerung von Kristallstrukturen mittels Röntgenmethoden und in der Bearbeitung von Mineralparagenesen. Mineralogisch-petrologische Schwerpunkte sind in einigen international eingebetteten Forschungsprojekten bzw. Programmen sichtbar. Zum einen handelt es sich hierbei um Projekte, die die Genese, Charakterisierung und Herkunftsbestimmung von Edelsteinen (besonders Korund) mittels Spurenelement- und spektroskopischer Muster untersuchen. Ein weiteres Projekt zielt auf die Bedeutung von H2O in wasserfreien Mineralen für metasomatische Prozesse im Erdmantel ab. Die Klassifikation und Entwicklung der „IMA Amphibole Nomenclatur and Classification“ erfolgt bereits seit Jahren an unserem Institut in Kooperation mit der International Mineralogical Association. Im Bereich der Lagerstättenforschung werden vor allem Genese und Vorkommen von Vererzungen von Platingruppenmineralen durchgeführt. Weiters sind mehrere mineralogisch orientierte Forschungsprojekte in Kooperation mit Industriepartnern (z.B. Feuerfestindustrie - RHI, Nanotechnologiezentrum Weiz, Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen, Swarovski) ein fester Bestandteil der Forschung innerhalb dieses Schwerpunktes.

Korund mit KristallstrukturKristallmodell
Korund mit Kristallstruktur. Die O-Atome bilden Schichten dichtester Packung, die in zwei Lagen übereinandergestapelt sind (ABAB..., hexagonal-dichteste Kugelpackung). Zwischen je zwei dieser Schichten befindet sich eine Aluminiumschicht C, in der jeder dritte Platz unbesetzt ist. Die Al-Atome einer Schicht bilden Sechsringe, deren Mittelpunkte unbesetzt sind. Die Al-Schichten können in drei Lagen auftreten. Diese werden nacheinander realisiert (Schichtenfolge A'B'C'A'B'C'...). Die Al-Atome sind oktaedrisch von sechs O-Atomen umgeben. Die O-Atome wären im Idealfall (kein Einfluß der Leerstellen in den Al-Schichten) trigonal prismatisch von vier Al-Atomen und zwei Leerstellen umgeben. Durch die durch die Leerstellen resultierende Verschiebung der Al-Atome entsteht eine verzerrt tetraedrische Koordination der O-Atome von vier Al-Atomen.

 

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