Forschung am Institut für Geowissenschaften

Dem internationalen Trend folgend hat sich das Mainzer Institut für Geowissenschaften auf integrative Erdsystemforschung ausgerichtet und fokussiert auf zwei Schwerpunkte, nämlich „Dynamik der Festen Erde“ und „Hochauflösende Paläoklimaforschung (Paläowetter, Paläoklima, Paläoumwelt)“. Darüber hinaus arbeiten zwei Arbeitsgruppen in angewandten Themenbereichen.

1. Dynamik der Festen Erde
Die Erde ist in ständiger Bewegung. Kollisionen der Lithosphärenplatten schaffen Gebirgsketten, welche von vulkanischer Aktivität und großen Erdbeben begleitet werden. Wir interessieren uns für ein besseres Verständnis dieser Prozesse, sowohl heute, wie auch in Zeiten der frühen Erde. Hierzu ist eine interdisziplinare Zusammenarbeit notwendig, bestehend aus geologischer Feldarbeit, Laborexperimenten, geochemischen Analysen und Computer-Modellen. Wir sind Teil der Forschungsgruppe VAMOS (Volcanoes, Atmosphere and Magmatic Open Systems), welche der Frage nachgeht, wie Magmen entstehen, zur Erdoberfläche transportiert werden und als Vulkaneruptionen mit der Atmosphäre interagieren.

Die AG Petrologie (Univ.-Prof. Dr. Roman Botcharnikov) untersucht die Formation der magmatischer Gesteine mittels geochemischer Analysen, Hochdruck-Experimenten und Geländearbeiten, um die Schmelzprozesse im Erdmantel zu rekonstruieren.

Die AG Metamorphe Geologie (Univ.-Prof. Dr. Richard White) entwickelt thermodynamische Modelle für Minerale und Schmelzen, um die Druck- und Temperaturbedingungen zu bestimmen, unter denen die Gesteine sich gebildet haben, die wir heute an der Erdoberfläche finden.

Apl.-Prof. Dr. Dieter Mertz (kommissarischer Leiter der AG Analytische Paläoklimaforschung, Nf Kröner, ehemals Allgemeine Geologie) bestimmt das radiometrische Alter von Mineralen, um darüber Gesteine aus verschiedenen Bildungsmilieus zu datieren. Auch werden die Isotopenverhältnisse der Minerale als Tracer für gesteinsbildende Prozesse sowie zur Klärung der Herkunft der Elemente aus bestimmten Quellen analysiert.

Die AG Tektonophysik (Univ.-Prof. Dr. Cees Passchier) rekonstruiert aus Geländearbeit, mikroskopischen Untersuchungen und Experimenten die tektonischen Bewegungen sowie die Deformationsprozesse der Gesteine unter Druck sowie die dadurch resultierenden Formveränderungen über geologische Zeiträume.

Die AG Geophysik (Univ.-Prof. Dr. Boris Kaus) simuliert geologische Prozesse auf dem Computer und vergleicht die Resultate mit geologischen und geophysikalischen Meßdaten.

Die AG Vulkanologie (Univ.-Prof. Dr. Jonathan Castro) untersucht, wie Vulkane funktionieren. Hierzu wird Geländearbeit mit Labor-Experimenten kombiniert (es werden Mini-Eruptionen im Labor simuliert). Außerdem arbeitet die Gruppe intensiv mit dem MPI (Max-Planck-Institut) für Chemie zusammen, mit Prof. Dr. T. Wagner, welcher den Gasausstoß vulkanischer Eruptionen über Satellitenbeobachtungen auswertet. Eine enge Kooperation besteht auch mit dem Institut für Atmosphärische Physik, an dem Univ.-Prof. Dr. P. Hoor und Jun.-Prof. Dr. C. Voigt die Zusammensetzung vulkanischer Gaswolken vom Flugzeug aus messen. Schließlich wird die Entwicklung neuer Meßtechniken für die Zusammensetzung vulkanischer Gase gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Dr. T. Hoffmann aus dem Institut für Anorganische Chemie vorangetrieben.

2. Hochauflösende Paläoklimaforschung
Räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Paläoklimadaten stellen die Grundlage zur Validierung und Optimierung numerischer Klimamodelle dar. Solche Daten sind Voraussetzung für verläßliche Prognosen der zukünftigen Klimaentwicklung, insbesondere der Häufigkeit und Stärke von Extremwetterereignissen. Da instrumentelle Messungen fehlen, rekonstruieren die Mainzer Geowissenschaften die ehemaligen Umweltparameter aus sog. Proxy-Daten, das sind chemische, physikalische und biologische Vertreterdaten, die in verschiedenen Klimaarchiven wie Seesedimenten, Höhlensintern (Speläothemen) und Schalen von Mollusken gespeichert sind. Diese Archive werden präzise datiert und Zeitreihen von Proxydaten zur Rekonstruktion jährlicher und saisonaler Klimaparameter bestimmt. Neben bereits etablierten Proxies werden in Mainz auch neue Klimaproxies entwickelt und validiert. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Paläowetter, Paläoumwelt und Paläoklima des Quartärs, insbesondere die letzten 10.000 Jahre, der Zeitraum, in dem der Mensch erheblichen Einfluß auf die Klimaentwicklung nahm.

An Seesedimenten mit Jahresschichtung analysiert die AG Klima und Sedimente (Univ.-Prof. Dr. Frank Sirocko) Pollen sowie mineralogische und geochemische Proxies zur Rekonstruktion der Klima- und Vegetationsdynamik.

Biogene Hartgewebe mit jährlichen und täglichen Wachstumsinkrementen, insb. Schalen von Muscheln und Schnecken sowie Zähne von Wirbeltieren werden mit räumlich und zeitlich hochaufgelösten stabilen Isotopen- und Spurenelementanalysen von der AG Paläontologie/Sclerochronologie (Univ.-Prof. Dr. Bernd R. Schöne) untersucht.

Höhlensinterablagerungen (Speläotheme) werden von der AG Speläothemforschung (Univ.-Prof. Dr. Denis Scholz) mit der U-Th Methode radiometrisch datiert, um Zeitreihen geochemischer Klima- und Umweltproxies zu erstellen.

Die vierte Gruppe (AG Analytische Paläoklimaforschung, Nf Kröner) ist derzeit kommissarisch durch Apl.-Prof. Dr. Dieter Mertz vertreten, der hauptsächlich im Bereich Isotopengeologie forscht.

O.g. Arbeitsgruppen kooperieren eng mit dem MPI für Chemie, den Chemischen Instituten sowie mit den AGs Klimatologie/Dendrochronologie, Bodenkunde und Geomorphologie am Geographischen Institut.

3. Weitere Forschungsthemen
Zwei weitere AGs des Hauses beschäftigen sich mit angewandten geowissenschaftlichen Themen, nämlich die AG Edelstein- und Materialforschung (Prof. Dr. Wolfgang Hofmeister) und die AG Hydrogeochemie (Univ.-Prof. Dr. Michael Kersten). Beide Arbeitsgruppen sind vor allem interessiert an den Bausteinen der Erde, den Bodenschätzen, der Archäometrie sowie den Abfalldeponien und deren Interaktion mit der Hydrosphäre. Die Mineral- und Gesteinsmikrostrukturen werden analysiert über die mineralogischen Gittereigenschaften und den Fluidtransport im Porenraum. Chemische Untersuchungen werden mit Hilfe der Festkörper-Spektroskopie und anderen modernen Instrumenten der Spurenelementanalyse durchgeführt. Weitere Forschungsfelder sind: (i) Modelle zu entwickeln, wie Mineralien gebildet und Spurenelemente darin eingelagert werden, (ii) Modelle über den Transport von Reaktionslösungen im Porenraum, (iii) die standardisierte Reproduktion von Geomaterial im Labor und deren Vergleich mit den komplexen Reaktionswegen in der Geosphäre, (iv) Nachweisbarkeit von Echtheit und Reinheitsgrad von Edelsteinen, (v) Überprüfung der möglichen Anwendung für die industrielle Technologie und Umweltverträglichkeit, und zuletzt (vi) die Anwendung von zerstörungsfreien mikroanalytischen Techniken für archäologische Artefakte (Archäometrie).