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Neben den klassischen Geländemethoden gibt es heute hochtechnische Erkundungsverfahren, hochauflösende analytische Methoden und numerische Modelle, um die Prozesse zu rekonstruieren und die Wechselwirkungen zu verstehen. Diese Kenntnisse sind nötig, um Erdsystemmodelle weiterzuentwickeln, oder auch um Ressourcen zu erkunden. Dabei ist es besonders interessant, extreme Zustände des Erdsystems zu erforschen. In der frühen Erdgeschichte kam es beispielsweise zu extremen Vereisungen; es gab Zeiten, in denen die Ozeane weitgehend frei von Sauerstoff waren oder Eiszeiten während des Quartärs die Erdoberfläche prägten. Auch Meteoriteneinschläge, erhöhte Hotspot-Tätigkeit und Gebirgsbildungsphasen führten zu extremen Zuständen des Erdsystems.

In der oberen Lithosphäre entstehen durch plattentektonische Prozesse charakteristische Senkungsgebiete, die Sedimentbecken. Darin können sich mehr als zehn Kilometer dicke Schichten aus mineralischem und organischem Material ablagern, bevor das Becken durch veränderte Spannungen in der Lithosphäre oder Gebirgsbildung wieder zerstört wird. Je nach Mächtigkeit des Beckens sind die abgelagerten Materialien Temperaturen bis 300 Grad Celsius und Drücken bis etwa hundert Megapascal ausgesetzt, wodurch sie sich chemisch verändern. Da die Becken sehr langlebig sind und einen hohen Anteil an chemisch metastabilen Bestandteilen enthalten, können sie als Langzeit-Niedrigtemperatur-Reaktoren angesehen werden. Stoffumsatz und Produktzusammensetzung in einem solchen Georeaktor hängen ganz wesentlich davon ab, welche inneren und äußeren Prozesse auf die Sedimentfüllung einwirken. Ein wichtiger Faktor ist der vorhandene Porenraum, denn an großen inneren Oberflächen können sich chemische Reaktionen abspielen. Berechnungen zufolge liegen in den obersten Kilometern der Erdkruste mehrere hundert Millionen Quadratkilometer Mineraloberflächen vor. Auf diesen riesigen Flächen laufen im Sedimentinnern ständig chemische und biochemische Prozesse ab, die vor allem im Grundwasserbereich auch für den Menschen von großer Bedeutung sind. Diese reaktiven Oberflächen können beispielsweise Schadstoffe wie Schwermetalle und langlebige organische Verbindungen aus dem Grundwasser adsorbieren und so unschädlich machen.

Sedimentbecken stellen die größte Ressource der Menschheit dar. Neben den Kohlenwasserstoff- und Kohlenlagerstätten befinden sich in ihnen die größten Speicher und Ressourcen für Grundwasser und Salze. Sie bilden zudem potenzielle End- und Zwischenlager für Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe. Unter ökologischen Gesichtspunkten erlangen Sedimentbecken ebenfalls eine zunehmende gesellschaftliche Bedeutung. Sie können als End- und Zwischenlager für CO2, toxische und radioaktive Stoffe dienen, sie lassen sich aber auch als Quelle der regenerativen Energie Erdwärme nutzen. Sedimentbecken sind zum Teil heute noch aktive Senkungsräume. Daher stellen sie besondere Anforderungen, zum Beispiel an den Küstenschutz, was eine prozessorientierte Langzeit-Prognose erfordert.

Weil Sedimentbecken so groß sind und sich über lange Zeiträume entwickeln, ist es für die geowissenschaftliche Forschung eine große Herausforderung, die Dynamik der Beckenentwicklung zu entschlüsseln und die Ressourcen besser zu erschließen. Bis auf wenige Ausnahmen ist die Erkundung der Sedimentbecken überwiegend darauf ausgerichtet, spezifische Rohstoffe zu gewinnen. Vor allem die Industrie, allen voran die Erdöl- und Erdgasindustrie, betreibt diese Erkundung. Sie hat dabei in den letzten 30 Jahren zahlreiche neue Erkundungsmethoden entwickelt, wie zum Beispiel die 3-D Seismik, das Konzept der Sequenzstratigraphie und die Beckenmodellierung. Neue Nutzungsinteressen haben jedoch zu einem erhöhten akademischen Interesse an der Erforschung von Sedimentbecken geführt. Sedimentbecken kommen in Betracht, um dort radioaktiven Abfall zu lagern oder CO2 zu speichern. Zudem ist es notwendig, die Georisiken zu bewerten, die von Sedimentbecken ausgehen. Die Geokommission hat das Geotechnologien-Programm initiiert, damit es die Entwicklung der dazu notwendigen innovativen Erkundungs- und Erschließungstechniken unterstützt. Dazu zählen zum Beispiel geophysikalische Tomographie, CO2-Sequestrierung und Bohrtechniken. Die akademische Forschung hat in jüngerer Vergangenheit wichtige Fortschritte in der Einzelmineralanalytik erzielt. Anhand einzelner Minerale lassen sich heute aussagekräftige Fingerabdrücke früherer geodynamischer Prozessen abbilden. Bei den dabei eingesetzten Verfahren handelt es sich um radiometrische Verfahren (Thermochronologie), hochaufgelöste Spurenelementanalytik und neue Isotopensysteme. Wenn sich die analytischen Möglichkeiten verbessern, sind weitere Fortschritte zu erwarten.

Um ein Sedimentbecken zu erforschen, muss man zahlreiche komplexe Wechselwirkungen verstehen, das Beckensystem aber auch ganzheitlich betrachten. Bei der Entstehung des Beckens spielen Vorgänge wie Absenkung, Sedimentverfüllung, Inversion, Spannung, Erwärmung und Fluid-Migration eine wichtige Rolle. Eine zentrale Frage besteht darin, inwieweit die geologische Prägung eines Beckensystems durch historische Prozesse erklärt werden kann. Prinzipiell erscheint es heute möglich, gemeinsam mit der Beckenmodellierung die raumzeitliche Entwicklung des Beckens nachzuvollziehen, wobei aber bei der dreidimensionalen Prozessmodellierung weitere Anstrengungen unternommen werden müssen.