Die Arbeitsgruppe Geophysik und Geodynamik (Leitung: Prof. Boris Kaus) befasst sich mit dem Verständnis geologischer Prozesse und nutzt dafür die numerische Modellierung als zentrales Werkzeug. Unter numerischer Modellierung versteht man den Einsatz von Computern zur Lösung mathematischer Gleichungen, die physikalische Prozesse beschreiben. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes in den Geowissenschaften ist die Möglichkeit, Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen. Dies ist besonders relevant, da die betrachteten Zeiträume häufig geologische Dimensionen umfassen, die von Sekunden bis zu mehreren hundert Millionen Jahren dauern. Dazu kann man Einsicht in Prozesse bekommen, die tief in der Erde passieren wo ein direkter Zugang nicht möglich ist.
Wir haben eine Reihe von Open-Source-Softwarepaketen entwickelt, um geologische Prozesse in 2D und 3D zu simulieren, sowie Werkzeuge zur Vorhersage der chemischen Entwicklung von schmelzenden und kristallisierenden Gesteinen. Wir setzen diese Werkzeuge ein, um vielfältige Prozesse zu modellieren, die klein- bis großskalige Deformation, die Kopplung zwischen mechanischen und thermischen Effekten sowie chemische Reaktionen in geologischen Fragestellungen umfassen, mit besonderem Schwerpunkt auf magmatischen und plattentektonischen Prozessen. Ein weiterer wichtiger Fokus liegt auf der Entwicklung neuer numerischer Methoden. Wir entwickeln neue Vorwärts- und Inversmodellierungsansätze, die auf parallelen Hochleistungsrechnern laufen, wobei in jüngster Zeit ein besonderer Schwerpunkt auf Grafikkarten (GPUs) liegt. Darüber hinaus verfügt unsere Gruppe über Expertise in angewandten geowissenschaftlichen Projekten und arbeitet mit smartTectonics GmbH zusammen (eine Firma, die aus der AG hervorgegangen ist) .
Uns ist die Ausbildung der nächsten Generation von Geowissenschaftler:innen in grundlegenden wie auch computergestützten Methoden sehr wichtig. Im Bachelorstudium vermitteln Lehrveranstaltungen in Programmierung und Geostatistik eine solide Grundlage in wissenschaftlichem Rechnen, Datenanalyse und numerischem Denken, mit (in den letzten Jahren) besonderem Schwerpunkt auf der Programmiersprache Julia. In den verschiedenen Masterstudiengängen vertiefen sich die Studierenden in physikalische Prozesse wie Gesteinsdeformation, Strömung in Reservoiren und geodynamische Prozesse. Die dazu wichtigen numerischen Methoden stehen hierbei im Fokus. Diese Verbindung von Theorie und praktische Anwendung vermittelt den Studierenden eine fundierte Grundlage in diesen Bereichen. Studierende, die sich auf geodynamische Modellierung oder wissenschaftliches Rechnen spezialisieren möchten, sind eingeladen, sich direkt an die Arbeitsgruppe zu wenden. Die breite Ausbildung durch Lehrveranstaltungen und Abschlussarbeiten bereitet die Absolventinnen und Absolventen auf vielfältige Berufswege vor, darunter Positionen in der Geothermie, in Ingenieurbüros, bei geologischen Diensten, in der Hydrogeologie, in Data-Science sowie in der akademischen Forschung.
- MOSAIC – A modular, parallel, 3D seismo-thermo-mechanical approach to simulate the feedback between geodynamic and seismic processes (DFG, 2025-2028)
- TRIGGER: Durch thermisch induzierte Spannungsänderungen verursachte Bildung von Brüchen und Änderungen der Permeabilität in geothermischen Reservoirs, Verbundvorhaben, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) (2025-2028)
- DEGREE: Digitaler Zwilling zur Bewertung des Explorationspotentials vonGeoREssourcen: geothermische Tiefenanomalie Eifel, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMFTR) (2024-2027)
- MAGMA – Melting and Geodynamic Models of Ascent, ERC Consolidator Grant project (2018-2023)
Pfl.-M. Angewandte Geologie
- Hydrogeologie
Pfl.-M. Quantitative Geologie
- Einführung in die Geostatistik
- Einführung in die Programmierung
Wpfl.-M. Geostatistik-2 und angewandte Numerik
- Geostatistik-2 u. angew.
Wpfl.-M. Geodynamical & Petrological
Methods
- Geophysical Modelling
Wpfl.-M. Georessources II
- Reservoir Flow Modeling
- Reservoir Geomechanics
Wpfl.-M. Applied Computational
Geomechanics
- Introduction to geomechanical modeling
- Geomechanics
- Applied geomechanics projet
- Computational geosciences
Wpfl.-M. Hauptfach Geowissenschaften (CSRN)
- Geodynamics
- Geophysical Modelling
- Geomechanical Modelling
Wpfl.-M. Vertiefungsmodul Geowissenschaften (CSRN)
- Reservoir Geomechanics
- Reservoir Flow Modelling
Wpfl.-M. Finite Elemente [Programming the Finite Element Method]
- Vorlesung mit Übung „Programmierung der Finite-Elemente-Methode“
Interesse an BSc-/MSc-Arbeiten in Geodynamik? Bitte sprechen Sie uns an. Eine Liste möglicher Themen finden Sie am Schwarzen Brett. Eigene Vorschläge sind willkommen.
Open-Source-Software ist eine Grundlage für reproduzierbare und transparente Forschung. Wir entwickeln und pflegen unsere Codes daher kontinuierlich und stellen sie frei zugänglich bereit.
Derzeit liegt unser Fokus auf modularen, differenzierbaren Paketen in Julia – einer modernen wissenschaftlichen Programmiersprache. Zuvor haben wir Software in verschiedenen Sprachen entwickelt, darunter C, Fortran90 und MATLAB.
Uns ist dabei wichtig, nicht nur moderne Software zu entwickeln, sondern sie auch einzusetzen, um geowissenschaftliche Prozesse besser zu verstehen. Software zu entwickeln und sie in der Community zu nutzen sind zwei unterschiedliche Aufgaben – beide haben ihren eigenen Wert. Gute Produktionssoftware muss benutzerfreundlich und leistungsstark sein, denn hohe Auflösung und Rechenleistung sind entscheidend für systematische Simulationen und physikalische Einblicke. Beides in einer Forschungsgruppe zu verbinden ist ein effektiver Weg, die Wissenschaft voranzubringen.
Unten findest du einige der wichtigsten Codes, die in unserer Gruppe entstanden sind.
LaMEM (Lithosphere and Mantle Evolution Model) ist ein paralleler 3D-C-Code mit versetzten Finiten-Differenzen, der zur Simulation geowissenschaftlicher Probleme in einem breiten Spektrum von Maßstäben dient (vom Wasserfluss durch poröses Gestein bis hin zur Kollision tektonischer Platten). Der Code wird seit 2007 in verschiedenen Formen entwickelt und ist auf Systemen von Laptops bis hin zu massiv-parallelen Rechnern einsetzbar. Er verfügt über visko-elasto-plastische Rheologien, Newton-Löser zur Behandlung von Nichtlinearitäten und Multigrid-Prekonditionierer.
JustRelax.jl ist eine Sammlung beschleunigter Pseudo-Transient-Löser, die auf gestaffelten Finite-Differenzen basieren und zur Modellierung verschiedener geodynamischer Probleme eingesetzt werden können. Dazu gehören Krustenverformungen sowie magmatische oder mantelbezogene Prozesse. Im Gegensatz zu LaMEM, das ähnliche Anwendungsbereiche abdeckt, ermöglicht JustRelax.jl die Ausführung von Simulationen auf mehreren GPUs und ist modularer aufgebaut. Dabei werden andere in der Gruppe entwickelte Pakete wie JustPIC.jl und GeoParams.jl genutzt, um die Benutzerfreundlichkeit und Erweiterbarkeit zu verbessern.
MAGEMin ist ein hochmoderner C-Code für parallele thermodynmische Berechnungen, die in der Petrologie und Geodynamik zunehmend an Beliebtheit gewinnt. Er nutzt einen Ansatz zur Minimierung der Gibbs-Energie, um stabile Phasengleichgewichte als Funktion von Druck, Temperatur und chemischer Zusammensetzung zu berechnen. Derzeit wird daran gearbeitet, die Anwendbarkeit des Programms durch das Hinzufügen weiterer Datenbanken sowie durch die Bereitstellung einer Julia-Schnittstelle (MAGEMin_C.jl) und einer webbasierten grafischen Benutzeroberfläche (MAGEMinApp.j) zu erweitern.
MagmaThermoKinematics.jl simuliert die thermische Entwicklung magmatischer Systeme nach dem Eindringen von Gängen und Sill-Körpern und ist damit für ein breites Spektrum von Geowissenschaftlern von Bedeutung. Es unterstützt 2D-, 2D-axialsymmetrische und 3D-Geometrien, läuft auf parallelen CPUs und GPUs und verwendet eine Finite-Differenzen-Diskretisierung in Kombination mit semi-Lagrangescher Advektion und Tracern. Die Ganggangbildung wird kinematisch behandelt, wobei die Verschiebung des Wirtsgesteins unter anderem mithilfe analytischer Lösungen für linsenförmige Risse modelliert wird. Abkühlung, Kristallisation und Latentwärmeeffekte werden berücksichtigt, und anhand der thermischen Entwicklung der Tracer lassen sich Zirkon-Altersverteilungen simulieren.
MVEP2 ist ein auf MATLAB basierendes 2D-Finite-Elemente-Programm zur Simulation der Entwicklung der Lithosphäre und des Mantels. Es wurde zwischen 2009 und 2017 in einer Vielzahl von Projekten eingesetzt, um die Dynamik der Lithosphäre, des Mantels und der Kruste unter den unterschiedlichsten Bedingungen zu simulieren. Ein Teil seines Erfolgs beruhte darauf, dass er für Geowissenschaftler mit wenig Programmiererfahrung einfach zu bedienen und auf neue Problemstellungen anzuwenden war.
LaMEM.jl ist die Julia-Schnittstelle zu LaMEM, die das Programm zusammen mit den erforderlichen Abhängigkeiten (MPI, PETSc) auf allen modernen Betriebssystemen automatisch installiert, sodass es direkt für Forschungs- oder Lehrzwecke eingesetzt werden kann.
PETSc.jl dient als Schnittstelle zur Software PETSc, einer Suite von MPI-kompatiblen Lösern, die zur Lösung partieller Differentialgleichungen auf sehr großen Clustern eingesetzt werden. Obwohl wir nicht an der Entwicklung von PETSc selbst beteiligt sind, pflegen wir diesen Julia-Wrapper, der eine sehr einfache Installation von PETSc mithilfe vorkompilierter Versionen der Bibliothek ermöglicht und die Vorteile der Julia-Programmierumgebung und ihrer Funktionen nutzt.
GeoParams.jl ist ein Julia-Paket, das für die Bearbeitung von Konstitutions- und Materialparametern entwickelt wurde, ein komplexer Aspekt geowissenschaftlicher Anwendungen aufgrund der Nichtlinearität visko-elasto-plastischer Konstitutionsbeziehungen. Diese Berechnungen erfolgen in der Regel punktweise, sodass sie gleichermaßen für Finite-Differenzen- und Finite-Elemente-Diskretisierungen geeignet sind. GeoParams.jl bündelt diese punktweisen Berechnungsroutinen zusammen mit einer robusten Datenbank rheologischer Eigenschaften, die alle für die GPU-Leistung optimiert sind.
JustPIC.jl ist unser Projekt zur Entwicklung von Particle-in-Cell-Advektionsschemata für GPUs und CPUs für geodynamische Simulationen, die vollständig in der Programmiersprache Julia geschrieben sind.
GMG ist ein Julia-Paket, mit dem Benutzer 2D- und 3D-Daten aus den Bereichen Geophysik und Geologie einer geografischen Region importieren und auf einer gemeinsamen Oberfläche zusammenführen können, um sie gemeinsam zu visualisieren. Es wird außerdem verwendet, um Ausgangsbedingungen für numerische Modelle zu generieren und die Ergebnisse mit natürlichen Daten zu vergleichen.
FiniteDiffWENO5.jl implementiert ein Finite-Differenzen-Schema fünfter Ordnung vom Typ „Weighted Essentially Non-Oscillatory“ (WENO-Z) für Advektionsterme in partiellen Differentialgleichungen (PDEs) und unterstützt 1D-, 2D- und 3D-Probleme auf regulären Gittern. Es werden sowohl nichtkonservative als auch konservative Formen der Advektionsterme unterstützt, und zwar auf kollokierten bzw. versetzten Gittern. Das Paket ist in reinem Julia geschrieben und unterstützt sowohl CPU als auch GPU.
InteractiveGeodynamics.jl ist ein Julia-Paket, das entwickelt wurde, um Studierenden die Möglichkeit zu geben, einige einfache, vordefinierte geodynamische Probleme über eine grafische Benutzeroberfläche zu modellieren. Es wird im Unterricht eingesetzt.
