The following text (in German) about the history of the Geophysical Institute in Karlsruhe was published in 1997 as part of a special issue to celebrate 75 years of the German Geophysical Society (DGG). We thank the author, Prof. Helmut Wilhelm, for the permission to publish his text on the alumni web site.
Mit der Ernennung von Stephan Müller zum ordentlichen Professor für Geophysik wurde das Geophysikalische Institut der Universität Karlsruhe (TH) am 10. Sep. 1964 gegründet. Dieses Ereignis fand in einer Phase des Umbruchs der Geowissenschaften statt. Da keine traditionellen Denkmuster die Entwicklung prägen konnten, entwickelte sich in diesem neuen Institut schnell eine besondere Aufgeschlossenheit gegenüber den Vorstellungen der Plattentektonik, deren Folge eine fruchtbare und erfolgreiche Zusammenarbeit mit anderen an der Universität vertretenen Geofächern - Geologie, Geodäsie, Mineralogie, Petrologie, Geochemie, Boden- und Felsmechanik - war, obwohl diese Fächer zunächst über zwei Fakultäten (Naturwissenschaftliche und Ingenieurwissenschaftliche), ab 1968 über drei Fakultäten (Physik, Bio- und Geowissenschaften, Bauingenieurwesen) verteilt sind. Damals wurde der später so oft zitierte 'Geist von Karlsruhe' als Zeichen einer besonderen gegenseitigen Aufgeschlossenheit der Geofächer geprägt. Seine Väter waren Henning Illies und Stephan Müller.
Das Institut wurde der Fakultät für Physik zugeordnet, wo es zusammen mit den Instituten für Meteorologie bzw. Kristallographie besonders günstige Rahmenbedingungen für seine personelle und räumliche Entwicklung fand. Zugleich wurden durch diese Zuordnung Massstäbe für die Ausbildung der Studierenden gesetzt, die sich auf die beruflichen Chancen der Absolventen des Karlsruher Geophysik-Studienganges positiv ausgewirkt haben.
Als Stephan Müller 1970 einen Ruf an die ETH Zürich als Nachfolger von Fritz Gassmann annahm, entstand für das erst sechs Jahre alte Institut eine kritische Situation: Die Fakultät für Physik stand vor der Entscheidung, ob sie durch eine Wiederbesetzung des Lehrstuhls die begonnene Entwicklung des Faches Geophysik fortsetzen sollte oder ob sie ein anderes physikalisches Fachgebiet durch Umwidmung des Lehrstuhls stärken sollte. Mit der Entscheidung, Karl Fuchs, der einen Ruf an die Technische Universität Berlin erhalten hatte, als Nachfolger von Stephan Müller zu berufen, entschied sich die Fakultät für Physik in Anerkennung der in der Aufbauphase geleisteten Arbeiten für die Weiterführung des Faches Geophysik.
Durch den Weggang von Gerhard Müller als Folge eines Rufes auf einen Lehrstuhl der Universität Frankfurt und die Berufung von Helmut Wilhelm als Nachfolger erfuhr das Institut im Jahr 1980 eine personelle Veränderung, durch die das Arbeitsgebiet des Institutes auf nichtseismische Verfahren erweitert wurde. Um der wachsenden Bedeutung der Angewandten Geophysik Rechnung zu tragen, erklärte sich die Fakultät für Physik bereit, einen freiwerdenden Lehrstuhl in die Geophysik umzuwidmen. Auf diesen Lehrstuhl für Angewandte Geophysik wurde Peter Hubral 1986 berufen. Die damit verbundenen Hoffnungen auf engere Beziehungen zur Explorationsindustrie haben sich eindrucksvoll in der Praxis bestätigt. Eine weitere personelle Verstärkung erfuhr das Institut 1994 durch die Berufung von Friedemann Wenzel auf eine C4-Fiebiger-Professur als Nachfolger von Karl Fuchs.
Von Beginn an ist die seismische Tiefensondierung ein Hauptarbeitsgebiet des Institutes gewesen. In einer grundlegenden Arbeit postulierten Stephan Müller und Landismann 1966, dass weltweit Zonen erniedrigter Geschwindigkeit in der Erdkruste existieren. Der Nachweis derartiger krustaler Niedriggeschwindigkeitskanäle und die physikalische und petrologische Interpretation ihrer Ursachen sind daher ein Hauptanliegen der Arbeiten in den ersten Jahren des Institutes gewesen. Mit dem DFG-Schwerpunkt "Oberer Erdmantel" wurden Anfang der siebziger Jahre die refraktionsseismischen Untersuchungen auf den Erdmantel ausgedehnt. In Zusammenarbeit zwischen den geophysikalischen Instituten in Karlsruhe, Paris und Zürich wurde zunächst die seismische Struktur des oberen Erdmantels auf einem Profil, das sich von der Bretagne bis zum Mittelmeer erstreckte, erkundet. Später folgten entsprechende Untersuchungen auf Langprofilen in Grossbritannien, Skandinavien, Israel und Jordanien. In der Zwischenzeit wurde die Bundesrepublik mit einem dichten Netz von refraktionsseismischen Profilen überdeckt, und es gelang der Nachweis, dass die P-Wellengeschwindigkeit im oberen Erdmantel von Süddeutschland eine azimutale Abhängigkeit aufweist, die als Effekt einer elastischen Anisotropie, bedingt durch eine Vorzugsorientierung von Olivinkristallen, gedeutet werden konnte. Eine weitere überraschende Entdeckung der tiefenseismischen Forschung war das Auftreten einer Wechsellagerung von Hoch- und Niedriggeschwindigkeitszonen im oberen Erdmantel und eine Zunahme der mittleren Geschwindigkeit mit der Tiefe, die mit der erwarteten Druck- und Temperaturzunahme nicht in Einklang gebracht werden konnte.
Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt war von der Institutsgründung an die Erdbebenforschung im Gebiet des Oberrheingrabens, die nach Aufstellung eines Stationsnetzes im Schwarzwald in Zusammenarbeit mit den Instituten in Zürich und Strassburg betrieben wurde. Schon bald zeichnete sich eine deutliche Asymmetrie der Hypozentren zwischen Vogesen, Rheingraben und Schwarzwald ab. Besondere Beachtung fand die Tatsache, dass sich im Bereich des südlichen Schwarzwaldes die Erdbebenherde bis tief in die Unterkruste erstrecken. Als im Rahmen der KTB-Vorerkundungen ein refraktionsseismisches und ein reflexionsseismisches Langprofil parallel zum Rheingraben über den Schwarzwald gelegt wurden, die durch drei weitere reflexionsseismische Profile ergänzt wurden, ergab sich die einmalige Möglichkeit, die Seismizitätsuntersuchungen mit seismischen Strukturuntersuchungen zu verknüpfen. Diese Arbeiten wurden in besonderem Masse durch den Sonderforschungsbereich 108 "Spannung und Spannungsumwandlung in der Lithosphäre" gefördert, der 1980 an der Universität Karlsruhe eingerichtet wurde. Mit dem Auslaufen des SFBs wurde das seismische Stationsnetz im Schwarzwald und im Rheingraben dem Geologischen Landesamt Freiburg übertragen.
Im Zusammenhang mit dem seismischen Stationsnetz ist das von den beiden Universitäten Karlsruhe und Stuttgart betriebene Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium (BFO) besonders zu erwähnen. Im Heubachtal bei Schiltach im Schwarzwald gelegen, ist es weltweit eine der ruhigsten seismischen Stationen. Der Schwerpunkt der dort durchgeführten seismischen Untersuchungen liegt bei der Analyse langperiodischer Oberflächenwellen und der Eigenschwingungen der Erde. Die hier durchgeführten Messungen erlauben die Bestimmung von Eigenperioden toroidaler Grundmoden, die bisher nur theoretisch vorhergesagt worden sind. Andere Eigenschwingungsperioden konnten mit besonders grosser Genauigkeit bestimmt werden, so die Perioden der rein radialen Eigenschwingung 0S0 und der längsten überhaupt existierenden Eigenschwingung 0S2 der sog. 'football-mode'. Weitere Untersuchungen gelten der durch Heterogenitäten und den asphärischen Aufbau der Erde verursachten Kopplung von toroidalen und sphäroidalen Moden und den dadurch entstehenden Fokussierungs- und Defokussierungseffekten bei Oberflächenwellen. Zahlreiche Untersuchungen beschäftigen sich auch mit Fragen der Analyse und Interpretation von Erdgezeitenregistrierungen. Als besonders fruchtbar hat sich dabei die enge Zusammenarbeit der geophysikalischen und geodätischen Institute der beiden Universitäten Stuttgart und Karlsruhe erwiesen, die dieses Observatorium personell tragen.
Ein besonderer Schwerpunkt der seismischen Arbeiten am Institut war über die Jahrzehnte hinweg die Berechnung von Seismogrammen für vorgegebene Quellfunktionen und Erdmodelle: Das erste synthetische Seismogramm für ein horizontal gelagertes Medium mit variabler Tiefenverteilung der elastischen Moduln und der Dichte wurde 1968 von hier aus mit der Reflektivitätsmethode am Deutschen Rechenzentrum in Darmstadt durch Karl Fuchs erzeugt. Inzwischen wurde die Reflektivitätsmethode mit einem Finiten-Differenzen-Algorithmus gekoppelt, so dass die Wellenausbreitung auch in lateral heterogenen Medien untersucht werden kann. Ausserdem wurde das Programm auf die Anwendung bei anisotropen Medien erweitert.
Eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsbereichs der Reflektivitätsmethode brachte die Einbeziehung kugelförmiger Medien durch Gerhard Müller. Eine Transformation von Geschwindigkeit und Tiefe ermöglichte es, die radiale Abhängigkeit der Geschwindigkeiten statt in einem kugelförmigen Erdmodell in einem entsprechenden ebenen Modell zu betrachten. Mit diesem Verfahren konnte die Reflektivitätsmethode auch auf Diffraktionen an der Kern-Mantel-Grenze angewandt werden. Durch Modellierung der Amplituden der PKIKP-Phasen gelang es ausserdem, die S-Wellengeschwindigkeit im inneren Erdkern auf 3 bis 4 km/s einzuschränken. Gegen Ende der siebziger Jahre beteiligte sich das Institut am inderdisziplinären DFG-Schwerpunktprogramm "Hebung des Rheinischen Schildes".
In den achtziger Jahren konzentrierten sich die Arbeiten des Institutes in erster Linie auf den Sonderforschungsbereich (SFB) 108 "Spannung und Spannungsumwandlung in der Lithosphäre" und auf das Kontinentale Tiefbohrprojekt (KTB). Ein wesentlicher Teil der Untersuchungen des SFBs galt den unterschiedlichen Typen der Grabenbildung. In internationaler Kooperation erstreckten sich die Arbeiten vom Rheingraben über das französische Zentralmassiv, den Jordan-Graben und das Rote Meer bis in das ostafrikanische Grabensystem in Kenia. Ausserdem wurde ein wichtiger Beitrag zum europäischen Teil der Weltspannungskarte erarbeitet, die ein Projekt des Internationalen Lithossphärenprogramms darstellt.
In der KTB-Vorerkundungsphase hat sich das Institut mit seismischen, seismologischen und geothermischen Untersuchungen im Schwarzwald und im Rheingraben in besonderem Masse engagiert. Die Entscheidung fiel zwar zugunsten der Region Oberpfalz, u.a. wegen der zu erwartenden Temperaturzunahme mit der Tiefe, aber die Ergebnisse der Vorerkundungsuntersuchungen belebten die Diskussionen über die Struktur und Dynamik des Oberrheingrabens und der angrenzenden Gebiete, für die sich das Institut von Anfang an besonders interessiert hat, nachhaltig.
Mit den KTB-Voruntersuchungen hielt eine neue Arbeitsgruppe am Institut Einzug, die sich in den letzten Jahren besonders rasch und erfolgreich entwickelt hat - die Reflexionsseismik. Keine andere geophysikalische Methode ist in der Lage, bei geeignet gewählter Messanordnung vergleichbar präzise Abbilder struktureller Eigenheiten des Untergrundes zu erzeugen. Besonders erfolgreich erwiesen sich die vom Institut durchgeführten kombinierten refraktions- und reflexionsseismischen Untersuchungen, wie sie bei der KTB-Vorerkundung im Schwarzwald exemplarisch durchgeführt worden sind.
Neben der Seismik, die über das gesamte Spektrum am Institut vertreten ist, existiert eine bohrlochgeophysikalische und eine geothermische Arbeitsgruppe. Während der Seismik eine Wellengleichung zugrunde liegt, ist für die Geothermik, wie im Fall langsam variierender geoelektrischer und geomagnetischer Felder, eine Diffusionsgleichung massgebend. Aktive Verfahren zur thermischen Untergrunderkundung beruhen auf künstlich erzeugten transienten Störungen in Bohrungen. Die geothermische Arbeitsgruppe des Institutes befasst sich mit Anwendungsmöglichkeiten dieses Temperaturangleichsverfahrens, die im Hinblick auf die Existenz eines konvektiven Wärmetransportes im Untergrund besondere Bedeutung erlangen.
Mit der Berufung von Friedemann Wenzel als Nachfolger von Karl Fuchs tritt das Institut in eine neue Phase, und es gilt, die bisherigen wissenschaftlichen Ziele zu überdenken und eventuell neue Arbeitsrichtungen aufzunehmen. Zukünftige Arbeiten werden sich mehr als bisher mit den für die menschliche Gesellschaft relevanten Konsequenzen der Evolution und Dynamik der Lithosphäre befassen. Dazu gehört etwa der Ausbau der Starkbeben- und Ingenieurseismologie und eine verstärkte Kooperation mit den Ingenieurwissenschaften im Rahmen des SFB 461 "Starkbeben: Von geowissenschaftlichen Grundlagen zu Ingenieurmassnahmen".
Das Geophysikalische Institut der Universität Karlsruhe ist in einer Zeit des Aufbruches in den Geowissenschaften gegründet worden. Es hat in der seit seiner Gründung vergangenen Zeit zur Entwicklung der Geophysik und darüber hinausgehend zur Entwicklung geowissenschaftlicher Vorstellungen beigetragen. Voraussetzung dafür war neben der richtungsweisenden Anregung durch die Projektleiter auch immer ein ausgeprägter Teamgeist.
Das Institut hat für seine Forschungsarbeit sehr wesentliche Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch das Bundesforschungsministerium und durch das Ministerium für Wissenschaft und Kunst des Landes Baden-Württemberg erhalten. Voraussetzung für den Erfolg der Arbeiten des Institutes ist aber auch die Aufgeschlossenheit der Fakultät für Physik für das Fach Geophysik, sowie der Verbund der Geowissenschaften an der Universität Karlsruhe (TH).
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