Von Michael Buchwitz
Einführung
Tektonophysiker, Sedimentologen, Paläontologen, Fernerkundler, Geoinformatiker, Vulkanologen, Geochronologen, Geochemiker – Vertreter fast aller Freiberger Geo-Forschungsrichtungen also – waren an jenem denkwürdigen Dienstagnachmittag zusammengekommen, um Anwendungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für 3D- bis 4D-Geoinformationssysteme und mögliche gemeinsame Projekte zu diskutieren. Was für ein seltenes Vergnügen …
GIS in Gegenwart und Zukunft
Konventionelle GIS (geographische Informationssysteme) spielen sich in der Ebene ab: In einer virtuellen Karte sind Flüsse, Straßen, Grundstücke, Länder, Städte, Erzvorkommen, Gefahrenzonen, geologische Einheiten, Störungen usw. als Punkt-, Linien oder Polygon-Objekte eingetragen. In dazugehörigen Datenbanken sind ihre Lagen, Geometrien, Nachbarschaftsverhältnisse und diverse Eigenschaften verzeichnet. Sinn und Zweck solcher Geoinformationssysteme ist die Verwaltung großer Datenmengen und die schnelle Beantwortung spezifischer Fragestellungen durch komplexe Abfragen, zum Beispiel: “Zeige mir alle Straßen, die morgens zwischen 7 und 9 Uhr ein Verkehrsaufkommen von über 100 Fahrzeugen pro Minute haben und im Umkreis von 1000 m zu Krankenhäusern in Städten über 100.000 Einwohner liegen!” oder “Zeige mir in Deutschland alle (anstehenden) Kalksteine mit Grundwasserfließgeschwindigkeiten über 1 mm/Tag, die in Gebieten mit Niederschlägen von über 1000 mm/ Jahr liegen!”. Hinzu kommen u.a. Möglichkeiten der Interpolation: Aus einer Anzahl gegebener Messwerte z.B. Schadstoffkonzentration können bei Kenntnis der Messorte mit Hilfe von GIS-Funktionen Modelle zur Schadstoffverteilung eines Gebiets errechnet werden.
Natürlich ist die Welt des Geologen nicht zweidimensional. Auch nicht “2,5-dimensional” wie so genannte “fliegende Teppiche”, d.h. Flächen, die ein Höhenrelief aber keine Tiefe/ kein Volumen haben. Viele Untersuchungsgegenstände des Geologen haben komplexe 3D-Geometrien, z.B. Erzlagerstätten, Faltengebirge, Sedimentbecken oder Systeme von Grundwasserleitern. Was man auch nicht vergessen sollte: Die Erde ist bekanntermaßen keine Scheibe, nicht mal eine Kugel, folglich ist die Darstellung von Ausschnitten der Erdoberfläche als 2D-Karten – ob nun aus Papier oder virtuell- ein Notbehelf.
Die Idee, dass sich 3D-Geoinformationsysteme für Geologen als hilfreich erweisen könnten, zeigt bereits Früchte: Einer der ersten deutschen “Doktoren für Geoinformatik” ist Freiberger und hat sich in seiner Doktorarbeit mit der Schöpfung eines 3D-GIS auf der Basis eines bestehenden 3D-Modellierungsprogramms befasst.
3D-und 4D-Modellierung
Geologen bedienen sich seit längerer Zeit Computerprogrammen, um dreidimensionale Modelle komplexer geologischer Strukturen zu erzeugen. Die zugehörige Datenverwaltung hatte jedoch bis zur Schaffung von 3D-GIS nicht die Vorteile eines Geoinformationssystems, was die Vielfalt an Funktionen und Abfragemöglichkeiten betraf.
Wirklich interessant wird es dann mit dem Hinzufügen von Dimension Nr. 4, der Zeit: Es gibt Arbeitsgruppen, die sich mit der Bewegung von Kontinenten auf der Kugeloberfläche befassen und unter Verwertung diverser Datenquellen wie Paläomagnetik-Daten, Fazies- und Faunenverteilungen, Hotspot-Wanderrouten etc. den Wandel von Plattenkonfigurationen in geologischen Zeiträumen rekonstruieren (siehe z.B. www.scotese.com). Dabei wird es umso komplizierter und unsicherer, je weiter man mit dem Modell in die Vergangenheit vordringt.
Neben der Rekonstruktion von Bewegungen gibt es Versuche, tektonische und klimatische Vorgänge dynamisch zu modellieren, also unter Berücksichtigung von Ursache und Wirkung und mit dem Ziel, Prozesse (besser) zu verstehen. Analogmodelle zum Funktionieren von Orogenesen (Faltengebirgsbildungen) lassen sich vereinfacht so erklären: Man nehme Materialien wie Honig und Sand, die im Labormaßstab ähnliche Eigenschaften wie Oberkruste, Unterkruste, Asthenosphäre usw. aufweisen und schichte sie in einem Experimentierkasten je nach gewünschter Ausgangskonfiguration maßstabsgetreu übereinander und nebeneinander. Dann führe man durch gezieltes Zusammenschieben Verformungen herbei und dokumentiere die Änderungen in der Versuchsanordnung. Die Verformungsraten sind in solchen Modellen natürlich um ein vielfaches höher als in der Natur – wer hat schon 10 Millionen Jahre Zeit, um das Ergebnis abzuwarten?
Die Alternative zu derartigen Analogmodellen sind rechnergestützte Modelle, deren Entwicklung kompliziert ist und immer ein hohes Knowhow voraussetzt.
Die Diskussion
Es war jener Freiberger Doktor der Geoinformatik, der per Vortrag mit dem Titel “(3+1)d paläogeographisches Informationssystem: Anforderungen und Umsetzungsmöglichkeiten” in das Thema der Diskussion einführte: Er berichtete u.a. über bisherige paläogeographische Rekonstruktionen und Modellierungsversuche, über das Problem der Modellierung besonders alter Plattenkonfigurationen (älter als 200 Millionen Jahre) und über die Frage, wie 4D-GIS aussehen würden und wie Objekte in 4D zu handhaben wären.
Wie kann man sich ein paläogeographisches Informationssystem, das die Zeitachse berücksichtigt, vorstellen? Man würde einen geologischen Zeitraum in eine Anzahl von Zeitschnitte zerlegen, wo bei sich jede Zeitscheibe quasi wie ein eigenes 2D- bzw. 3D-GIS verhielte. Hinzu kämen die zeitlichen Nachbarschaftsverhältnisse: Ein Geoobjekt hätte nicht nur räumliche Nachbarn (im Sinne von Ober- und Untermieter) sondern auch zeitliche Nachbarn (wie Vor- und Nachmieter). Zum Beispiel könnten sich von einem Zeitschnitt zum nächsten zwei Kontinente vereinigen um einen gemeinsamen Superkontinent zu bilden.
Was davon verspricht Erfolg und ist im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts realisierbar? Natürlich kam von Seiten der Tektonophysiker der Hinweis, dass das alles sehr kompliziert und sehr aufwendig ist. Die Idee, für eine Zeit, die 300 Millionen Jahre zurückliegt, globale Modelle mit einer 3D-Lithosphäre zu entwerfen, sei als phantastisch anzusehen, ganz zu schweigen von dynamischen Modellen. Man müsse, so die Konsequenz, das Problem räumlich und zeitlich eingrenzen und die personellen Ressourcen und das in Freiberg zur Verfügung stehende Knowhow beachten.
Daraufhin stellten die Paläontologen ihre gegenwärtigen Modelle und Ideen für das Jungpaläozoikum zur Diskussion: Bereits durchgeführte Modellierungen von Kontinentbewegungen auf der Kugeloberfläche hätten für das Permokarbon ein wunderbar konsistentes Modell zur Kollisionsgeschichte der Varisziden geliefert. Das unerwartete Öffnen eines Ozeans, das sich aus der Berücksichtigung der Geometrie der Kontinente auf der Kugeloberfläche ergäbe, würde u.a. klimatische, fazielle und biogeographische Phänomene erklären, die bisher unverstanden waren.
Die Vorstellung der Paläo-Arbeitsgruppe brachte von tektonischer Seite den Einwurf, das berücksichtigte Modell der Plattenrotation (zur Erläuterung: Plattenbewegungen auf der Kugel werden als Rotationen um so genannte Euler-Pole beschrieben) sei nicht zu verifizieren, d.h. es könnten gegenüber der modellierten Kontinentkonfiguration beliebig viele andere Modelle für das Permokarbon aufgestellt werden, die genauso wahrscheinlich und (un)wahr wären (u.a. aus dem Grund, da Eulerpole nicht ortsfest sind/ sich ständig ändern und da die Erde keine wirkliche Kugel ist). Die zuverlässigen Informationen, so die Tektoniker, seien die, die man aus der Paläomagnetik, Paläobiogeographie, Sedimentologie, Beckenanalyse etc. gewonnen hat. Die Modellierung habe letztlich keinen Wissenszuwachs gebracht.
Man könnte demgegenüber einwenden, dass die Idee für das scheinbar gut funktionierende Varisziden-Szenario aus der Modellierung gekommen ist. Wenn also bestimmte Modelle selbst keinen Deut Beweiskraft haben, so liefern sie immerhin Ideen, indem sie auf bisher Unbeachtetes verweisen, und tragen auf diese Weise zur Erkenntnisfindung bei.
Letztlich gab es von Seiten der Geoinformatik die wichtige und richtige Anmerkung, dass es Teil der Forschung ist, neue Methoden auszuprobieren, auch mit dem Wissen, dass die Ergebnisse anfangs falsch sind und mit der Realität nichts zu tun haben. Die Einstellung, bestimmte Ideen wären nie zu verwirklichen, hilft letztlich nicht weiter.
Ergebnis und Ausblick
Die Tektoniker sprachen sich unter allgemeiner Zustimmung für ein gemeinsames Projekt, in dem auch 3D- bzw. 4D-GIS angewandt werden sollen, aus. Dabei sei ein geologisch möglichst junger Untersuchungsgegenstand vorzuziehen. Beispielsweise könne man Prozesse, die gegenwärtig noch aktiv sind, mit dem Ziel des besseren Prozessverständnis einfacher untersuchen als ältere, deren Spuren schon stark verwischt sind (wie beispielsweise permokarbone Gebirgsbildungen, die schon mehrere hundert Millionen Jahre zurückliegen).
Es bleibt zu hoffen, dass aus der Diskussion dereinst ein größeres Freiberger Projekt, das sich mit 4D-GIS und 4D-Modellierung befasst, hervorgeht.
Wissenschaft und Phantasie
Es gibt einen Science-Fiction-Roman, in dem u.a. 4D-Modellierung eine Rolle spielt: Mike McQuay und Sci-Fi-Altmeister Arthur Clarke haben vor etwa einem Jahrzehnt das Buch “Stärke 10″ veröffentlicht – aus geowissenschaftlicher Sicht ein Märchen, das mich noch zu Prä-Uni-Zeiten das erste Mal mit dem Thema in Berührung brachte: Ein Forscherteam unter Leitung eines genialen Seismologen entwickelt unter Verwendung aller vorhandenen geowissenschaftlichen Daten ein konsistentes globales dynamisches Computermodell der Entwicklung der Erde von Entstehung des Planeten bis in die Gegenwart. Das Modell ist so hochauflösend, dass es weltweit die Vorhersage kritischer Erdbeben ermöglicht. Um das ganze noch weiter zu treiben: Die Wissenschaftler nehmen sich vor, die Plattengrenzen per Atomkraft zu verschweißen, um in Zukunft todbringende Erdbeben zu verhindern, scheitern aber an gewissen politischen und gesellschaftlichen Verhältnissen.
Ich hoffe, damit ist das Endziel klar. Also Geowissenschaftler, frisch ans Werk! 
Relevante Links
Geoinformatik-Website der TU Bergakademie Freiberg
Tektonik-Website der TU Bergakademie Freiberg (mit Darstellung eines Analogmodells)
Scotese-Website
(Dieser Text ist am 08.06.2005 auf der alten Version von geoberg.de erschienen und wurde übernommen.)
Tags: Geografische Informationssysteme, Geomodellierung, GIS, Software, Zukunft
