TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER - TY - THES A1 - Müller, Daniel T1 - Identification and monitoring of structures, controls, and evolution dynamics of hydrothermal systems and associated alteration through high-resolution remote sensing and in situ analysis T1 - Identifizierung und Überwachung von Strukturen, Kontrollmechanismen und Entwicklungsdynamiken hydrothermaler Systeme und damit verbundener Alteration durch hochauflösende Fernerkundung und In-situ-Analyse N2 - Volcanic hydrothermal systems are an integral part of most volcanoes and typically involve a heat source, adequate fluid supply, and fracture or pore systems through which the fluids can circulate within the volcanic edifice. Associated with this are subtle but powerful processes that can significantly influence the evolution of volcanic activity or the stability of the near-surface volcanic system through mechanical weakening, permeability reduction, and sealing of the affected volcanic rock. These processes are well constrained for rock samples by laboratory analyses but are still difficult to extrapolate and evaluate at the scale of an entire volcano. Advances in unmanned aircraft systems (UAS), sensor technology, and photogrammetric processing routines now allow us to image volcanic surfaces at the centimeter scale and thus study volcanic hydrothermal systems in great detail. This thesis aims to explore the potential of UAS approaches for studying the structures, processes, and dynamics of volcanic hydrothermal systems but also to develop methodological approaches to uncover secondary information hidden in the data, capable of indicating spatiotemporal dynamics or potentially critical developments associated with hydrothermal alteration. To accomplish this, the thesis describes the investigation of two near-surface volcanic hydrothermal systems, the El Tatio geyser field in Chile and the fumarole field of La Fossa di Vulcano (Italy), both of which are among the best-studied sites of their kind. Through image analysis, statistical, and spatial analyses we have been able to provide the most detailed structural images of both study sites to date, with new insights into the driving forces of such systems but also revealing new potential controls, which are summarized in conceptual site-specific models. Furthermore, the thesis explores methodological remote sensing approaches to detect, classify and constrain hydrothermal alteration and surface degassing from UAS-derived data, evaluated them by mineralogical and chemical ground-truthing, and compares the alteration pattern with the present-day degassing activity. A significant contribution of the often neglected diffuse degassing activity to the total amount of degassing is revealed and constrains secondary processes and dynamics associated with hydrothermal alteration that lead to potentially critical developments like surface sealing. The results and methods used provide new approaches for alteration research, for the monitoring of degassing and alteration effects, and for thermal monitoring of fumarole fields, with the potential to be incorporated into volcano monitoring routines. N2 - Vulkanische Hydrothermalsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler Vulkane und erfordern allgemein eine ausreichende Wärmequelle, eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr und Kluft- oder Porensysteme, durch die Flüssigkeiten zirkulieren können. Damit verbunden sind subtile, aber wirksame Prozesse, welche die Entwicklung der vulkanischen Aktivität oder die Stabilität des oberflächennahen Vulkansystems durch mechanische Schwächung, Verringerung der Durchlässigkeit und Versiegelung des betroffenen vulkanischen Gesteins erheblich beeinflussen können. Solche Prozesse sind für Gesteinsproben durch Laboranalysen gut definiert, aber es ist immer noch schwierig sie auf der Skala eines ganzen Vulkans zu bewerten. Fortschritte bei unbemannten Flugsystemen (UAS), Sensortechnologie und photogrammetrischen Prozessierungs-routinen ermöglichen es uns heute, Vulkanoberflächen im Zentimeterbereich abzubilden und damit vulkanische Hydrothermalsysteme sehr detailliert zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, deren Potenzial für die Untersuchung der Strukturen, Prozesse und Dynamik solcher Systeme zu erforschen, aber auch methodische Ansätze zu finden, um in den Daten verborgene Sekundärinformationen zu analysieren, die auf raum-zeitliche Dynamiken oder potenziell kritische Entwicklungen im Zusammenhang mit hydrothermaler Alteration hinweisen können. Wir haben zwei oberflächennahe vulkanische hydrothermale Systeme analysiert, das Geysirfeld von El Tatio in Chile und das Fumarolenfeld von La Fossa di Vulcano in Italien, die beide zu den am besten untersuchten Systemen ihrer Art gehören. Durch Bildanalyse, statistische und räumliche Analysen konnten wir das bisher detaillierteste Abbild des strukturellen Aufbaus beider Standorte erstellen, neue Einblicke in die oft faszinierende Systematik solcher Systeme geben, aber auch neue potenzielle Kontrollfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse werden in konzeptionellen Modellen zusammengefasst. Darüber hinaus haben wir methodische Ansätze der Fernerkundung zur Erkennung, Klassifizierung und räumlichen Eingrenzung hydrothermaler Alteration aus UAS-Daten untersucht, durch mineralogisches und chemisches „Ground-Truthing“ bewertet und die Alterationsmuster mit der aktuellen Entgasungsaktivität verglichen. Wir zeigen dass die oft nicht berücksichtigte diffuse Aktivität einen signifikanten Beitrag zur Gesamtaktivität liefert, aber auch Bereiche in denen sekundäre Prozesse hydrothermaler Alteration scheinbar zu potenziell kritischen Entwicklungen wie Oberflächenversiegelung führen. Die Ergebnisse und die verwendeten Methoden bieten neue Ansätze für die Alterationsforschung, für die Überwachung von Entgasungs- und Alterationseffekten und für die thermische Überwachung von Fumarolenfeldern, und haben Potential in Vulkanüberwachungsroutinen integriert zu werden. KW - volcano remote sensing KW - Fernerkundung an Vulkanen KW - volcanic hydrothermal systems KW - vulkanische Entgasungs-und Hydrothermalsysteme KW - Vulkanüberwachung KW - hydrothermale Alteration KW - vulkanische Entgasungssysteme KW - Drohnen-Fernerkundung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626683 ER - TY - THES A1 - Lilienkamp, Henning T1 - Enhanced computational approaches for data-driven characterization of earthquake ground motion and rapid earthquake impact assessment T1 - Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen N2 - Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets. N2 - Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen. KW - seismology KW - machine learning KW - deep learning KW - ground motion modeling KW - seismic hazard KW - rapid earthquake impact assessment KW - geophysics KW - Deep Learning KW - Geophysik KW - Bodenbewegungsmodellierung KW - maschinelles Lernen KW - schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen KW - seismische Gefährdung KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631954 ER - TY - THES A1 - Sharma, Shubham T1 - Integrated approaches to earthquake forecasting T1 - Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben BT - insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences BT - Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen N2 - A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault. Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard. The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies. N2 - Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird. Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist. Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen. KW - earthquake KW - forecasting KW - hazards KW - seismology KW - Erdbeben KW - Vorhersage KW - Gefahren KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125 ER - TY - THES A1 - Pfalz, Gregor T1 - Advancing knowledge of Arctic lake system dynamics: A data-driven perspective on spatiotemporal patterns T1 - Fortschritte im Verständnis der Dynamik arktischer Seesysteme: Eine datengetriebene Perspektive auf raumzeitliche Muster N2 - Ecosystems play a pivotal role in addressing climate change but are also highly susceptible to drastic environmental changes. Investigating their historical dynamics can enhance our understanding of how they might respond to unprecedented future environmental shifts. With Arctic lakes currently under substantial pressure from climate change, lessons from the past can guide our understanding of potential disruptions to these lakes. However, individual lake systems are multifaceted and complex. Traditional isolated lake studies often fail to provide a global perspective because localized nuances—like individual lake parameters, catchment areas, and lake histories—can overshadow broader conclusions. In light of these complexities, a more nuanced approach is essential to analyze lake systems in a global context. A key to addressing this challenge lies in the data-driven analysis of sedimentological records from various northern lake systems. This dissertation emphasizes lake systems in the northern Eurasian region, particularly in Russia (n=59). For this doctoral thesis, we collected sedimentological data from various sources, which required a standardized framework for further analysis. Therefore, we designed a conceptual model for integrating and standardizing heterogeneous multi-proxy data into a relational database management system (PostgreSQL). Creating a database from the collected data enabled comparative numerical analyses between spatially separated lakes as well as between different proxies. When analyzing numerous lakes, establishing a common frame of reference was crucial. We achieved this by converting proxy values from depth dependency to age dependency. This required consistent age calculations across all lakes and proxies using one age-depth modeling software. Recognizing the broader implications and potential pitfalls of this, we developed the LANDO approach ("Linked Age and Depth Modelling"). LANDO is an innovative integration of multiple age-depth modeling software into a singular, cohesive platform (Jupyter Notebook). Beyond its ability to aggregate data from five renowned age-depth modeling software, LANDO uniquely empowers users to filter out implausible model outcomes using robust geoscientific data. Our method is not only novel but also significantly enhances the accuracy and reliability of lake analyses. Considering the preceding steps, this doctoral thesis further examines the relationship between carbon in sediments and temperature over the last 21,000 years. Initially, we hypothesized a positive correlation between carbon accumulation in lakes and modelled paleotemperature. Our homogenized dataset from heterogeneous lakes confirmed this association, even if the highest temperatures throughout our observation period do not correlate with the highest carbon values. We assume that rapid warming events contribute more to high accumulation, while sustained warming leads to carbon outgassing. Considering the current high concentration of carbon in the atmosphere and rising temperatures, ongoing climate change could cause northern lake systems to contribute to a further increase in atmospheric carbon (positive feedback loop). While our findings underscore the reliability of both our standardized data and the LANDO method, expanding our dataset might offer even greater assurance in our conclusions. N2 - Ökosysteme spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des Klimawandels, gelten jedoch auch als äußerst anfällig für drastische Umweltveränderungen. Die Erforschung ihrer historischen Dynamiken kann unser Verständnis darüber verbessern, wie sich zukünftige Veränderungen angesichts beispielloser Umweltveränderungen auf sie auswirken können. Angesichts des enormen Stresses, dem arktische Seen durch den Klimawandel ausgesetzt sind, können konkrete Fälle aus der Vergangenheit helfen, mögliche Schwankungen im Ökosystem des Sees besser zu verstehen und zu deuten. Einzelne Seesysteme unterliegen jedoch einer inhärenten Komplexität und vielschichtigen Beschaffenheit. Klassische Einzelanalysen von Seen liefern oft keine globale Perspektive, da lokale Besonderheiten – wie individuelle Seeparameter, Einzugsgebiete und Seehistorien – allgemeinere Schlussfolgerungen überlagern können. Eine differenzierte Herangehensweise ist hierbei erforderlich, um Seesysteme im globalen Kontext angemessen zu analysieren. Ein Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die datenwissenschaftliche Analyse von sedimentologischen Daten aus mehreren nördlichen Seesystemen. Diese Dissertation fokussiert sich dabei auf das Gebiet des nördlichen Eurasiens mit einem besonderen Fokus auf Seesystem in Russland (n=59). Die gesammelten sedimentologischen Daten für diese Doktorarbeit mussten hierfür zunächst standardisiert und homogenisiert werden. Hierfür wurde ein konzeptuelles Modell für die Integration und Standardisierung von heterogenen Multi-Proxy-Daten in ein relationales Datenbankverwaltungssystem (PostgreSQL) entworfen. Die Erstellung einer Datenbank aus der gesammelten Datenkollektion ermöglichte die numerische, vergleichende Analyse zwischen räumlich getrennten Seen als auch zwischen verschiedenen Proxys. Eine Analyse von mehreren Seen erforderte zudem eine gemeinsame Analyseebene, welche wir durch die Umwandlung von einer Tiefenabhängigkeit zu Altersabhängigkeit der Proxywerte erreichten. Diese bedurfte aber, dass die zugehörigen Alter von Proxywerte von allen Seen mit demselben Verfahren einer Alterstiefenmodellsoftware berechnet werden müssen. Angesichts der weitreichenden Implikationen und potenziellen Fallstricke entwickelten wir den LANDO-Ansatz („Linked Age and Depth Modelling“). LANDO stellt eine innovative Integration mehrerer Alters-Tiefen-Modellierungssoftware in eine einheitliche, kohärente Plattform (Jupyter Notebook) dar. Neben seiner Fähigkeit, Daten von fünf renommierten Alters-Tiefen-Modellierungssoftware zu aggregieren, ermöglicht LANDO es den Nutzern auf einzigartige Weise, unbegründete Modellergebnisse anhand robuster geowissenschaftlicher Daten herauszufiltern. Unsere Methode ist nicht nur neuartig, sondern steigert auch signifikant die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Seeanalysen. Schlussendlich unter Berücksichtigung der vorangegangenen Schritte betrachtet die Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen Kohlenstoff in Sedimenten und Temperatur über die letzten 21 000 Jahre. Zunächst nehmen wir an, dass es eine positive Korrelation zwischen Kohlenstoffakkumulation in Seen und modellierter Paläo-Temperatur gibt. Diese kann dank des homogenisierten Datensatzes von heterogenen Seen bestätigt werden, wenn auch die höchsten Temperaturen über unseren Betrachtungszeitraum nicht korrelieren mit den höchsten Kohlenstoffwerten. Wir gehen davon aus, dass schnelle Erwärmungsereignisse eher zu einer hohen Akkumulation beitragen, während bestehende Erwärmung eher zu einer Ausgasung von Kohlenstoff führt. In Anbetracht der aktuellen hohen Konzentration von Kohlenstoff in der Atmosphäre und der steigenden Temperaturen, können bei einem weiterführenden Klimawandel nördliche Seesysteme zu einem weiteren Anstieg von atmosphärischem Kohlenstoff führen (positive Feedbackschleife). Obwohl die bemerkenswerten Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz aus standardisierten Daten und LANDO zuverlässig ist, könnte eine größere Datenmenge das Vertrauen in die Ergebnisse noch weiter stärken. KW - Arcitc KW - lake systems KW - paleotemperature KW - carbon KW - climate data science KW - Paläolimnologie KW - Eurasien KW - Paläoklimatologie KW - Seesedimente KW - Klimadatenwissenschaften KW - Kohlenstoff Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636554 ER - TY - THES A1 - Koyan, Philipp T1 - 3D attribute analysis and classification to interpret ground-penetrating radar (GPR) data collected across sedimentary environments: Synthetic studies and field examples T1 - 3D Attributanalyse und -klassifizierung zur Interpretation von Georadar-Daten in sedimentären Umgebungen: Synthetische Studien und Feldbeispiele N2 - Die Untersuchung des oberflächennahen Untergrundes erfolgt heutzutage bei Frage- stellungen aus den Bereichen des Bauwesens, der Archäologie oder der Geologie und Hydrologie oft mittels zerstörungsfreier beziehungsweise zerstörungsarmer Methoden der angewandten Geophysik. Ein Bereich, der eine immer zentralere Rolle in Forschung und Ingenieurwesen einnimmt, ist die Untersuchung von sedimentären Umgebungen, zum Beispiel zur Charakterisierung oberflächennaher Grundwassersysteme. Ein in diesem Kontext häufig eingesetztes Verfahren ist das des Georadars (oftmals GPR - aus dem Englischen ground-penetrating radar). Dabei werden kurze elektromagnetische Impulse von einer Antenne in den Untergrund ausgesendet, welche dort wiederum an Kontrasten der elektromagnetischen Eigenschaften (wie zum Beispiel an der Grundwasseroberfläche) reflektiert, gebrochen oder gestreut werden. Eine Empfangsantenne zeichnet diese Signale in Form derer Amplituden und Laufzeiten auf. Eine Analyse dieser aufgezeichneten Signale ermöglicht Aussagen über den Untergrund, beispielsweise über die Tiefenlage der Grundwasseroberfläche oder die Lagerung und Charakteristika oberflächennaher Sedimentschichten. Dank des hohen Auflösungsvermögens der GPR-Methode sowie stetiger technologischer Entwicklungen erfolgt heutzutage die Aufzeichnung von GPR- Daten immer häufiger in 3D. Trotz des hohen zeitlichen und technischen Aufwandes für die Datenakquisition und -bearbeitung werden die resultierenden 3D-Datensätze, welche den Untergrund hochauflösend abbilden, typischerweise von Hand interpretiert. Dies ist in der Regel ein äußerst zeitaufwendiger Analyseschritt. Daher werden oft repräsentative 2D-Schnitte aus dem 3D-Datensatz gewählt, in denen markante Reflektionsstrukuren markiert werden. Aus diesen Strukturen werden dann sich ähnelnde Bereiche im Untergrund als so genannte Radar-Fazies zusammengefasst. Die anhand von 2D-Schnitten erlangten Resultate werden dann als repräsentativ für die gesamte untersuchte Fläche angesehen. In dieser Form durchgeführte Interpretationen sind folglich oft unvollständig sowie zudem in hohem Maße von der Expertise der Interpretierenden abhängig und daher in der Regel nicht reproduzierbar. Eine vielversprechende Alternative beziehungsweise Ergänzung zur manuellen In- terpretation ist die Verwendung von so genannten GPR-Attributen. Dabei werden nicht die aufgezeichneten Daten selbst, sondern daraus abgeleitete Größen, welche die markanten Reflexionsstrukturen in 3D charakterisieren, zur Interpretation herangezogen. In dieser Arbeit wird anhand verschiedener Feld- und Modelldatensätze untersucht, welche Attribute sich dafür insbesondere eignen. Zudem zeigt diese Arbeit, wie ausgewählte Attribute mittels spezieller Bearbeitungs- und Klassifizierungsmethoden zur Erstellung von 3D-Faziesmodellen genutzt werden können. Dank der Möglichkeit der Erstellung so genannter attributbasierter 3D-GPR-Faziesmodelle können zukünftige Interpretationen zu gewissen Teilen automatisiert und somit effizienter durchgeführt werden. Weiterhin beschreiben die so erhaltenen Resultate den untersuchten Untergrund in reproduzierbarer Art und Weise sowie umfänglicher als es bisher mittels manueller Interpretationsmethoden typischerweise möglich war. N2 - Today, near-surface investigations are frequently conducted using non-destructive or minimally invasive methods of applied geophysics, particularly in the fields of civil engineering, archaeology, geology, and hydrology. One field that plays an increasingly central role in research and engineering is the examination of sedimentary environments, for example, for characterizing near-surface groundwater systems. A commonly employed method in this context is ground-penetrating radar (GPR). In this technique, short electromagnetic pulses are emitted into the subsurface by an antenna, which are then reflected, refracted, or scattered at contrasts in electromagnetic properties (such as the water table). A receiving antenna records these signals in terms of their amplitudes and travel times. Analysis of the recorded signals allows for inferences about the subsurface, such as the depth of the groundwater table or the composition and characteristics of near-surface sediment layers. Due to the high resolution of the GPR method and continuous technological advancements, GPR data acquisition is increasingly performed in three-dimensional (3D) fashion today. Despite the considerable temporal and technical efforts involved in data acquisition and processing, the resulting 3D data sets (providing high-resolution images of the subsurface) are typically interpreted manually. This is generally an extremely time-consuming analysis step. Therefore, representative 2D sections highlighting distinctive reflection structures are often selected from the 3D data set. Regions showing similar structures are then grouped into so-called radar facies. The results obtained from 2D sections are considered representative of the entire investigated area. Interpretations conducted in this manner are often incomplete and highly dependent on the expertise of the interpreters, making them generally non-reproducible. A promising alternative or complement to manual interpretation is the use of GPR attributes. Instead of using the recorded data directly, derived quantities characterizing distinctive reflection structures in 3D are applied for interpretation. Using various field and synthetic data sets, this thesis investigates which attributes are particularly suitable for this purpose. Additionally, the study demonstrates how selected attributes can be utilized through specific processing and classification methods to create 3D facies models. The ability to generate attribute-based 3D GPR facies models allows for partially automated and more efficient interpretations in the future. Furthermore, the results obtained in this manner describe the subsurface in a reproducible and more comprehensive manner than what has typically been achievable through manual interpretation methods. KW - ground-penetrating radar KW - sedimentary environments KW - 3D KW - applied geophysics KW - near-surface geophysics KW - Georadar KW - sedimentäre Systeme KW - angewandte Geophysik KW - oberflächennahe Geophysik KW - Attribute KW - attributes KW - geophysics KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639488 ER - TY - THES A1 - Schifferle, Lukas T1 - Optical properties of (Mg,Fe)O at high pressure T1 - Optische Eigenschaften von (Mg,Fe)O unter Hochdruck N2 - Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained. In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+. N2 - Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht. Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen. KW - optical properties KW - optische Eigenschaften KW - high pressure KW - Hochdruck KW - earth mantle KW - Erdmantel KW - diamond anvil cell KW - Diamantstempelzelle KW - ferropericlase KW - Ferroperiklas KW - spectroscopy KW - Spektroskopie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622166 ER - TY - THES A1 - Heckenbach, Esther Lina T1 - Geodynamic modeling of process interactions at continental plate boundaries N2 - Plate tectonic boundaries constitute the suture zones between tectonic plates. They are shaped by a variety of distinct and interrelated processes and play a key role in geohazards and georesource formation. Many of these processes have been previously studied, while many others remain unaddressed or undiscovered. In this work, the geodynamic numerical modeling software ASPECT is applied to shed light on further process interactions at continental plate boundaries. In contrast to natural data, geodynamic modeling has the advantage that processes can be directly quantified and that all parameters can be analyzed over the entire evolution of a structure. Furthermore, processes and interactions can be singled out from complex settings because the modeler has full control over all of the parameters involved. To account for the simplifying character of models in general, I have chosen to study generic geological settings with a focus on the processes and interactions rather than precisely reconstructing a specific region of the Earth. In Chapter 2, 2D models of continental rifts with different crustal thicknesses between 20 and 50 km and extension velocities in the range of 0.5-10 mm/yr are used to obtain a speed limit for the thermal steady-state assumption, commonly employed to address the temperature fields of continental rifts worldwide. Because the tectonic deformation from ongoing rifting outpaces heat conduction, the temperature field is not in equilibrium, but is characterized by a transient, tectonically-induced heat flow signal. As a result, I find that isotherm depths of the geodynamic evolution models are shallower than a temperature distribution in equilibrium would suggest. This is particularly important for deep isotherms and narrow rifts. In narrow rifts, the magnitude of the transient temperature signal limits a well-founded applicability of the thermal steady-state assumption to extension velocities of 0.5-2 mm/yr. Estimation of the crustal temperature field affects conclusions on all temperature-dependent processes ranging from mineral assemblages to the feasible exploitation of a geothermal reservoir. In Chapter 3, I model the interactions of different rheologies with the kinematics of folding and faulting using the example of fault-propagation folds in the Andean fold-and-thrust belt. The evolution of the velocity fields from geodynamic models are compared with those from trishear models of the same structure. While the latter use only geometric and kinematic constraints of the main fault, the geodynamic models capture viscous, plastic, and elastic deformation in the entire model domain. I find that both models work equally well for early, and thus relatively simple stages of folding and faulting, while results differ for more complex situations where off-fault deformation and secondary faulting are present. As fault-propagation folds can play an important role in the formation of reservoirs, knowledge of fluid pathways, for example via fractures and faults, is crucial for their characterization. Chapter 4 deals with a bending transform fault and the interconnections between tectonics and surface processes. In particular, the tectonic evolution of the Dead Sea Fault is addressed where a releasing bend forms the Dead Sea pull-apart basin, while a restraining bend further to the North resulted in the formation of the Lebanese mountains. I ran 3D coupled geodynamic and surface evolution models that included both types of bends in a single setup. I tested various randomized initial strain distributions, showing that basin asymmetry is a consequence of strain localization. Furthermore, by varying the surface process efficiency, I find that the deposition of sediment in the pull-apart basin not only controls basin depth, but also results in a crustal flow component that increases uplift at the restraining bend. Finally, in Chapter 5, I present the computational basis for adding further complexity to plate boundary models in ASPECT with the implementation of earthquake-like behavior using the rate-and-state friction framework. Despite earthquakes happening on a relatively small time scale, there are many interactions between the seismic cycle and the long time spans of other geodynamic processes. Amongst others, the crustal state of stress as well as the presence of fluids or changes in temperature may alter the frictional behavior of a fault segment. My work provides the basis for a realistic setup of involved structures and processes, which is therefore important to obtain a meaningful estimate for earthquake hazards. While these findings improve our understanding of continental plate boundaries, further development of geodynamic software may help to reveal even more processes and interactions in the future. N2 - Plattentektonische Grenzen bilden die Nahtstellen zwischen tektonischen Platten. Sie werden durch eine Vielzahl von unterschiedlichen und miteinander verknüpften Prozessen geformt und spielen eine Schlüsselrolle im Bereich der Georisiken und der Entstehung von Georessourcen. Viele dieser Prozesse sind bereits erforscht, während viele andere noch unbearbeitet oder unentdeckt sind. In dieser Arbeit wird die geodynamische numerische Modellierungssoftware ASPECT verwendet, um weitere Prozessinteraktionen an kontinentalen Plattengrenzen zu untersuchen. Im Gegensatz zu natürlichen Daten hat die geodynamische Modellierung den Vorteil, dass Prozesse direkt quantifiziert und alle Parameter über die gesamte Entwicklung einer Struktur analysiert werden können. Außerdem können Prozesse und Wechselwirkungen aus komplexen Zusammenhängen herausgefiltert werden, da der Modellierer volle Kontrolle über alle beteiligten Parameter hat. Um dem vereinfachenden Charakter von Modellen im Allgemeinen Rechnung zu tragen, habe ich mich für die Untersuchung allgemeiner geologischer Gegeben-heiten entschieden, wobei der Schwerpunkt auf den Prozessen und Wechselwirkungen liegt, anstatt eine bestimmte Region der Erde genau zu rekonstruieren. In Kapitel 2 werden 2D-Modelle von kontinentalen Rifts mit unterschiedlichen Krustendicken zwischen 20 und 50 km, sowie Extensionsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,5-10 mm/Jahr verwendet, um eine Geschwindigkeitsgrenze für die Annahme eines thermischen Gleichgewichtszustandes zu erhalten, welcher üblicherweise verwendet wird, um die Temperaturfelder kontinentaler Rifts weltweit zu beschreiben. Da die Geschwindigkeit der tektonischen Deformation die der Wärmeleitung übersteigt, befindet sich das Temperaturfeld nicht im Gleichgewicht, sondern ist durch ein transientes, tektonisch induziertes Wärmestromsignal gekennzeichnet. Daraus ergibt sich, dass die Tiefen der Isothermen in den geodynamischen Entwicklungsmodellen flacher liegen, als es eine Temperaturverteilung im Gleichgewichtszustand vermuten ließe. Dies macht sich besondersbei tiefen Isothermen und narrow Rifts bemerkbar. In narrow Rifts begrenzt die Magnitude des transienten Temperatursignals eine fundierte Anwendbarkeit der thermischen Gleichgewichtsannahme auf Extensionsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,5-2 mm/Jahr. Die Abschätzung des Temperaturfeldes der Erdkruste wirkt sich auf alle temperaturabhängigen Prozesse aus, von der Mineralzusammensetzung bis hin zur möglichen Nutzung eines geothermischen Reservoirs. In Kapitel 3 modelliere ich die Wechselwirkungen verschiedener Rheologien mit der Kinematik von Auffaltungen und Verwerfungen am Beispiel von fault-propagation folds im andinen Falten- und Überschiebungsgürtel. Die Entwicklung der Geschwindigkeitsfelder aus geodynamischen Modellen wird mit denen aus Trishear-Modellen für dieselbe Struktur verglichen. Während letztere nur geometrische und kinematische Charakteristika der Hauptverwerfung verwenden, erfassen die geodynamischen Modelle sowohl viskose, wie auch plastische und elastische Verformung im gesamten Modellbereich. Meine Forschung zeigt, dass beide Modelle für frühe und damit vergleichbar einfache Phasen der Auffaltung und Verwerfung gleichermaßen gut anwendbar sind, während die Ergebnisse für komplexere Situationen, in denen Verfor-mungen außerhalb der Hauptstörung sowie sekundäre Verwerfungen auftreten, auseinander gehen. Da fault-propagation folds eine wichtige Rolle bei der Bildung von Lagerstätten spielen können, ist Kenntnis zu Migrationswegen von Fluiden, zum Beispiel über Klüfte und Verwerfungen, für ihre Charakterisierung von entscheidender Bedeutung. Kapitel 4 befasst sich mit Biegungen von Transformstörungen sowie den Zusammenhängen zwischen Tektonik und Oberflächenprozessen. Insbesondere wird die tektonische Entwicklung der Verwerfung am Toten Meer behandelt, wo eine von Extension geprägte Biegung der Verwerfung das Pull-Apart-Becken des Toten Meeres bildet, während eine weiter nördlich gelegene von Kompression geprägte Biegung zur Bildung eines Gebirgszuges im Libanon führte. Für dieses Kapitel habe ich gekoppelte 3D Modelle der Geodynamik und Oberflächenentwicklung genutzt sowie beide Arten von Biegungen in einem Modell erforscht. Das Testen von verschiedenen, zufälligen Initialspannungsverteilungen zeigte, dass die Asymmetrie des Beckens eine Folge der Spannungslokalisierung ist. Außerdem habe ich durch Variation der Oberflächenprozesseffizienz herausgearbeitet, dass die Sedimentierung im Pull-Apart-Becken nicht nur die Beckentiefe steuert, sondern auch zu einer Strömungskomponente von Erdkrustenmaterial führt, die die Ablift an der von Kompression geprägten Biegung der Transformstörung erhöht. Anschließend stelle ich in Kapitel 5 die Implementierung von erdbebenähnlichem Verhalten unter Verwendung der Rate-and-State Gleichungen vor, welche die Grundlage für die Erweiterung der Komplexität von Plattengrenzenmodellen in ASPECT bildet. Obwohl Erdbeben auf einer relativ kurzen Zeitskala stattfinden, gibt es viele Wechselwirkungen zwischen dem seismischen Zyklus und den langen Zeitspannen anderer geodynamischer Prozesse. Unter anderem können der Spannungszustand der Kruste sowie das Vorhandensein von Fluiden oder Änderungen der Temperatur das Reibungsverhalten eines Störungssegmentes verändern. Meine Arbeit liefert die Grundlage für einen realistischen Aufbau der beteiligten Strukturen und Prozesse, der wichtig ist, um eine aussagekräftige Abschätzung der Erdbebengefährdung zu erhalten. Während diese Ergebnisse unser Verständnis der kontinentalen Plattengrenzen verbessern, kann die Weiterentwicklung geodynamischer Software dazu beitragen, in Zukunft weitere Prozesse und Wechselwirkungen aufzudecken. T2 - Geodynamische Modellierung von Prozessinteraktionen an kontinentalen Plattengrenzen KW - geodynamic modeling KW - plate boundaries KW - continental crust KW - heat flow KW - landscape evolution KW - geodynamische Modellierung KW - Plattengrenzen KW - kontinentale Kruste KW - Wärmediffusion KW - Oberflächenmodellierung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-647500 ER - TY - THES A1 - Windirsch-Woiwode, Torben T1 - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem T1 - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems N2 - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere. By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region. N2 - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern. Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können. KW - permafrost KW - carbon KW - climate change KW - grazing KW - Arctic KW - Arktis KW - Kohlenstoff KW - Klimawandel KW - Beweidung KW - Permafrost Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240 ER - TY - THES A1 - Skiba, Vanessa T1 - Alpine speleothems as recorders of glacier evolution T1 - Alpine Speläotheme als Archive für Gletscherentwicklung N2 - The European Alps are amongst the regions with highest glacier mass loss rates over the last decades. Under the threat of ongoing climate change, the ability to predict glacier mass balance changes for water and risk management purposes has become imperative. This raises an urgent need for reliable glacier models. The European Alps do not only host glaciers, but also numerous caves containing carbonate formations, called speleothems. Previous studies have shown that those speleothems also grew during times when the cave was covered by a warm-based glacier. In this thesis, I utilise speleothems from the European Alps as archives of local, environmental conditions related to mountain glacier evolution. Previous studies have shown that speleothem isotope data from the Alps can be strongly affected by in-cave processes. Therefore, part of this thesis focusses on developing an isotope evolution model, which successfully reproduces differences between contemporaneous growing speleothems. The model is used to propose correction approaches for prior calcite precipitation effects on speleothem oxygen isotopes (δ18O). Applications on speleothem records from caves outside of the Alps demonstrate that corrected δ18O agrees better with other records and climate model simulations. Existing speleothem growth histories and carbon isotope (δ13C) records from Alpine caves located at different elevations are used to infer soil vs. glacier cover and the thermal regime of the glacier over the last glacial cycle. The compatibility with glacier evolution models is statistically assessed. A general agreement between speleothem δ13C-derived information on soil vs. glacier presence and modelled glacier coverage is found. However, glacier retreat during Marine Isotope Stage (MIS) 3 seems to be underestimated by the model. Furthermore, speleothem data provides evidence of surface temperature above the freezing point which is, however, not fully reproduced by the simulations. History of glacier cover and their thermal regime is explored for the high-elevation cave system Melchsee-Frutt in the Swiss Alps. Based on new (MIS 9b – MIS 7b, MIS 2) and available speleothem δ13C (MIS 7a – 5d) data, warm-based glacier cover is inferred for MIS 8, 7d, 6, and 2. Also a short period of cold-based ice coverage is found for early MIS 6. In a detailed multi-proxy analysis (δ18O, δ13C, Mg/Ca and Sr/Ca), millennial-scale changes in the glacier-related source of the water infiltrating in the karst during MIS 8 and 7d are found and linked to Northern Hemisphere climate variability. While speleothem records from high-elevation cave sites in the Alps exhibit huge potential for glacier reconstruction, several limitations remain, which are discussed throughout this thesis. Ultimately, recommendations are given to further leverage subglacial speleothems as an archive of glacier dynamics. N2 - Die europäischen Alpen gehören zu den Regionen mit den höchsten Massenverlusten von Gletschern innerhalb der letzten Jahrzehnte. Angesichts des fortschreitenden Klimawandels ist die Vorhersage von Veränderungen in der Gletschermassenbilanz für das Wasser- und Risikomanagement unerlässlich geworden. Dafür werden zuverlässige Gletschermodelle dringend benötigt. Die europäischen Alpen beherbergen nicht nur Gletscher, sondern auch zahlreiche Höhlen inklusive Karbonatformationen, so genannte Speläotheme. Frühere Studien haben gezeigt, dass diese Speläotheme auch zu Zeiten entstanden sind, als die Höhle von einem Gletscher mit warmem Eis an der Basis bedeckt war. In dieser Dissertation verwende ich Speläotheme aus den europäischen Alpen als Archive für lokale Bedingungen im Zusammenhang mit der Evolution von Gebirgsgletschern. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Isotopenzusammensetzung von Speläothemen aus den Alpen stark durch höhleninterne Prozesse beeinflusst werden können. Daher konzentriert sich ein Teil dieser Arbeit auf die Entwicklung eines Isotopenmodells, welches die Unterschiede zwischen gleichzeitig wachsenden Speläothemen erfolgreich reproduziert. Das Modell wird verwendet um Korrekturen der Auswirkungen solcher höhleninternen Prozesse auf die Sauerstoffisotope (δ18O) von Speläothemen vorzuschlagen. Die Anwendung auf Speläotheme aus Höhlen außerhalb der Alpen zeigt, dass das korrigierte δ18O besser mit anderen Datensätzen und Klimamodellsimulationen übereinstimmt. Bestehende Daten über die Wachstumsphasen von Speläothemen und die Kohlenstoffisotope (δ13C) von Höhlen der Alpen aus verschiedenen Höhenlagen werden verwendet, um Rückschlüsse auf die Gletscherbedeckung und deren thermisches Regime während der letzten Eiszeit zu ziehen. Die Kompatibilität mit Modellen der zeitlichen Gletscherentwicklung wird statistisch bewertet. Es zeigt sich eine allgemeine Übereinstimmung zwischen dem aus den Speläothemen δ13C abgeleiteten Auftreten von Gletschern und der modellierten Gletscherbedeckung. Jedoch scheint der Gletscherrückgang während dem Isotopenstadium (MIS) 3 vom Modell unterschätzt zu werden. Darüber hinaus liefern die Speläothem Daten einen Hinweis auf Oberflächentemperaturen oberhalb des Gefrierpunkts, die von den Simulationen jedoch nicht vollständig wiedergegeben werden. Die Geschichte der Gletscherbedeckung und des thermischen Regimes der Gletscher wird für das hochgelegene Höhlensystem Melchsee-Frutt in den Schweizer Alpen genauer untersucht. Auf der Grundlage neuer (MIS 9b - MIS 7b, MIS 2) und verfügbarer δ13C Daten (MIS 7a - 5d) wird für MIS 8, 7d, 6 und 2 auf Gletscherbedeckung mit warmem Eis an der Basis an diesem Standort geschlossen. Es gibt außerdem Hinweise auf eine kurze Periode einer Eisbedeckung mit kaltem Eis während einer tausendjährigen Kälteperiode im vorletzten Glazial. In einer detaillierten Multi-Proxy-Analyse (δ18O, δ13C, Mg/Ca und Sr/Ca) werden tausendjährige Schwankungen der gletscherabhängigen Quelle des in den Karst infiltrierenden Wassers während MIS 8 und 7d rekonstruiert und in Verbindung mit Klimavariabilität in der Nordhemisphäre gebracht. Obwohl Speläothem-Daten aus hochgelegenen Höhlen in den Alpen ein enormes Potenzial für Gletscherrekonstruktion aufweisen, gibt es noch immer Einschränkungen, die in dieser Arbeit ebenfalls diskutiert werden. Schließlich werden Empfehlungen zur weiteren Nutzung von subglazialen Speläothemen als Archiv für Gletscherdynamik gegeben. KW - palaeoclimate KW - Paläoklima KW - glacier KW - Gletscher KW - speleothem KW - Speläothem KW - Alps KW - Alpen KW - glacials KW - Eiszeiten KW - abrupt transitions KW - abrupte Ereignisse Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-655379 ER -