TY - THES A1 - Thiede, Rasmus Christoph T1 - Tectonic and climatic controls on orogenic processes : the Northwest Himalaya, India N2 - The role of feedback between erosional unloading and tectonics controlling the development of the Himalaya is a matter of current debate. The distribution of precipitation is thought to control surface erosion, which in turn results in tectonic exhumation as an isostatic compensation process. Alternatively, subsurface structures can have significant influence in the evolution of this actively growing orogen. Along the southern Himalayan front new 40Ar/39Ar white mica and apatite fission track (AFT) thermochronologic data provide the opportunity to determine the history of rock-uplift and exhumation paths along an approximately 120-km-wide NE-SW transect spanning the greater Sutlej region of the northwest Himalaya, India. 40Ar/39Ar data indicate, consistent with earlier studies that first the High Himalayan Crystalline, and subsequently the Lesser Himalayan Crystalline nappes were exhumed rapidly during Miocene time, while the deformation front propagated to the south. In contrast, new AFT data delineate synchronous exhumation of an elliptically shaped, NE-SW-oriented ~80 x 40 km region spanning both crystalline nappes during Pliocene-Quaternary time. The AFT ages correlate with elevation, but show within the resolution of the method no spatial relationship to preexisting major tectonic structures, such as the Main Central Thrust or the Southern Tibetan Fault System. Assuming constant exhumation rates and geothermal gradient, the rocks of two age vs. elevation transects were exhumed at ~1.4 ±0.2 and ~1.1 ±0.4 mm/a with an average cooling rate of ~50-60 °C/Ma during Pliocene-Quaternary time. The locus of pronounced exhumation defined by the AFT data coincides with a region of enhanced precipitation, high discharge, and sediment flux rates under present conditions. We therefore hypothesize that the distribution of AFT cooling ages might reflect the efficiency of surface processes and fluvial erosion, and thus demonstrate the influence of erosion in localizing rock-uplift and exhumation along southern Himalayan front, rather than encompassing the entire orogen.Despite a possible feedback between erosion and exhumation along the southern Himalayan front, we observe tectonically driven, crustal exhumation within the arid region behind the orographic barrier of the High Himalaya, which might be related to and driven by internal plateau forces. Several metamorphic-igneous gneiss dome complexes have been exhumed between the High Himalaya to the south and Indus-Tsangpo suture zone to the north since the onset of Indian-Eurasian collision ~50 Ma ago. Although the overall tectonic setting is characterized by convergence the exhumation of these domes is accommodated by extensional fault systems.Along the Indian-Tibetan border the poorly described Leo Pargil metamorphic-igneous gneiss dome (31-34°N/77-78°E) is located within the Tethyan Himalaya. New field mapping, structural, and geochronologic data document that the western flank of the Leo Pargil dome was formed by extension along temporally linked normal fault systems. Motion on a major detachment system, referred to as the Leo Pargil detachment zone (LPDZ) has led to the juxtaposition of low-grade metamorphic, sedimentary rocks in the hanging wall and high-grade metamorphic gneisses in the footwall. However, the distribution of new 40Ar/39Ar white mica data indicate a regional cooling event during middle Miocene time. New apatite fission track (AFT) data demonstrate that subsequently more of the footwall was extruded along the LPDZ in a brittle stage between 10 and 2 Ma with a minimum displacement of ~9 km. Additionally, AFT-data indicate a regional accelerated cooling and exhumation episode starting at ~4 Ma. Thus, tectonic processes can affect the entire orogenic system, while potential feedbacks between erosion and tectonics appear to be limited to the windward sides of an orogenic systems. N2 - Welche Rolle Wechselwirkungen zwischen der Verteilung des Niederschlags, Erosion und Tektonik während der Entwicklung des Himalayas über geologische Zeiträume gespielt haben bzw. heute spielen, ist umstritten. Dabei ist von besonderem Interesse, ob Erosion ausschliesslich in Folge tiefkrustaler Hebungsprozesse entsteht und gesteuert wird, oder ob Regionen besonders effektiver Erosion, bedingt durch isostatische Kompensation, die Lokation tektonischer Deformation innerhalb aktiver Orogene beeinflussen können. Entlang der südlichen Himalayafront ermöglichen neue thermochronologische 40Ar/39Ar-Hellglimmer- und Apatite-Spaltspur-Alter die Bestimmung der Exhumationspfade entlang eines 120-km-langen NE-SW-gerichteten Profils, dass quer durch die gesamte Sutlej-Region des nordwestlichen, indischen Himalayas verläuft. Dabei deuten die 40Ar/39Ar-Daten in übereinstimmung mit früheren Studien darauf hin, dass zuerst das Kristallin des Hohen Himalayas und anschliessend, südwärts propagierend, das Kristallin des Niederen Himalayas während des Miozäns exhumiert worden ist. Im Gegensatz dazu weisen die neuen Apatit-Spaltspur-Alter auf eine gleichmässige und zeitgleiche Exhumation beider kristallinen Decken entlang des Sutlejflusses. Dieser 80x40 km weite Bereich formt einen elliptischen, nordost-südwest orientierten Sektor erhöhter Exhumationsraten während des Pliozäns und Quartärs. Innerhalb des Fehlerbereichs der Spaltspurmethode zeigen die Alter eine gute Korrelation mit der Höhe, zeigen aber gleichzeitig keine Abhängigkeit zu bedeutenden tektonischen Störungen, wie die "Main Central Thrust" oder dem "Southern Tibetan Fault System". Unter der vereinfachten Annahme konstanter Exhumationsraten deuten zwei verschiedene Höhenprofile auf Exhumationraten in der Grössenordnung von ~1,4 ±0,2 und ~1,1 ±0,4 mm/a bei einer durchschnittlichen Abkühlrate von ~50-60 °C/m.y. während des Pliozäns bzw. Quartärs hin. Der anhand von Spaltspuraltern bestimmte Sektor verstärkter Exhumation korreliert mit dem Gebiet, das während des Holozäns hohen Niederschlags-, Erosion- bzw. Sedimenttransportraten ausgesetzt ist. Daher vermuten wir, dass die Verteilung von jungen Spaltspuraltern den regionalen Grad der Effiziens von Oberflächenprozessen und fluviatiler Erosion wiederspiegelt. Dies deutet auf einen Zusammenhang zwischen Erosion und der Lokalisierung von Hebung und Exhumation entlang der südlichen Front des Himalayas hin, und zeigt gleichzeitig, dass die Exhumation nicht einfach über die gesamte Front gleichmässig verteilt ist.Trotz der Wechselwirkungen zwischen Exhumation und Erosion, die möglicherweise die Entwicklung der südlichen Himalayafront beeinflussen, beobachten wir auch tiefkrustale tektonische Exhumation in ariden Gebieten nördlich des Hohen Himalayas, die vermutlich im Zusammenhang mit plateauinternenen Deformationsprozessen steht. So haben sich zum Beispiel mehrere metaplutonische Gneissdomkomplexe zwischen dem Hohen Himalaya im Süden und der Indus-Tsangpo Suturzone im Norden seit der Indien-Asien Kollision vor ca. 50 Millionen Jahren entwickelt. Obwohl die Dome sich grossräumig in einem kommpressiven Spannungsfeld befinden, werden sie lokal entlang von Extensionsstrukturen exhumiert. Bis heute sind die Ursachen für die Entstehung dieser Prozesse umstritten.Entlang der Indisch-Tibetischen Grenze erstreckt sich der fast vollkommen unbeschriebene Leo-Pargil-Gneissdomkomplex (31-34°N/77-78°E) innerhalb des Tethyschen Himalayas. Neue Geländekartierungen, strukturelle und geochronologische Daten der westliche Flanke des Leo Pargil Domes dokumentieren, dass dieser sich entlang zeitlich verbundener Abschiebungssysteme in einem extensionalen Regime entwickelt hat. Im Gelände wird der Dome von einem mächtigen Störungssystem begrenzt, die "Leo Pargil Detachment Zone" (LPDZ). Durch den tektonischen Versatz entlang der LPDZ liegen heute niedriggradig metamorphe Sedimentgesteine im Hangenden neben hochgradigen Gneisen in Liegenden. Unabhängig von der Probenlokation entlang des aufgeschlossenen Störungssystemes ergeben alle neuen 40Ar/39Ar-Hellglimmeralter um die 15 Ma und deuten auf ein regional wichtiges Abkühlungsereignis hin. Im Gegensatz dazu deuten die neuen Apatit-Spaltspuralter (AFT) auf eine kontinuierliche Exhumation der hochmetamorphen Einheiten im Liegenden der LPDZ unter sprödtektonischen Bedingungen zwischen 10 und 2 Ma hin, bei einem minimalen Versatz von ungefähr 9 km. Desweiteren deuten die Apatit-Spaltspur-Daten auf überregionale beschleunigte Abkülhlungs- bzw Exhumationsphase seit 4 Ma.Daraus kann gefolgert werden, dass die tektonischen Prozesse die Entwicklung des gesamten Gebirges beflussen können, während potenzielle Wechselwirkungen zwischen Erosion und Tektonik auf die luvwärtigen Gebirgsflanken beschränkt zu bleiben scheinen. KW - Gebirgsbildung KW - Erosion KW - Hebung KW - Himalaya KW - Spalt Spuren KW - Thermochronologie KW - Klima KW - Monsoon KW - Indien KW - Orogen KW - erosion KW - uplift KW - Himalaya KW - fission track KW - thermochronology KW - climate KW - monsoon KW - India Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2281 ER - TY - THES A1 - Wulf, Hendrik T1 - Seasonal precipitation, river discharge, and sediment flux in the western Himalaya T1 - Saisonaler Niederschlag, Wasserabfluss und Sedimentationsfluss im westlichen Himalaya N2 - Rainfall, snow-, and glacial melt throughout the Himalaya control river discharge, which is vital for maintaining agriculture, drinking water and hydropower generation. However, the spatiotemporal contribution of these discharge components to Himalayan rivers is not well understood, mainly because of the scarcity of ground-based observations. Consequently, there is also little known about the triggers and sources of peak sediment flux events, which account for extensive hydropower reservoir filling and turbine abrasion. We therefore lack basic information on the distribution of water resources and controls of erosion processes. In this thesis, I employ various methods to assess and quantify general characteristics of and links between precipitation, river discharge, and sediment flux in the Sutlej Valley. First, I analyze daily precipitation data (1998-2007) from 80 weather stations in the western Himalaya, to decipher the distribution of rain- and snowfall. Rainfall magnitude frequency analyses indicate that 40% of the summer rainfall budget is attributed to monsoonal rainstorms, which show higher variability in the orogenic interior than in frontal regions. Combined analysis of rainstorms and sediment flux data of a major Sutlej River tributary indicate that monsoonal rainfall has a first order control on erosion processes in the orogenic interior, despite the dominance of snowfall in this region. Second, I examine the contribution of rainfall, snow and glacial melt to river discharge in the Sutlej Valley (s55,000 km2), based on a distributed hydrological model, which covers the period 2000-2008. To achieve high spatial and daily resolution despite limited ground-based observations the hydrological model is forced by daily remote sensing data, which I adjusted and calibrated with ground station data. The calibration shows that the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 rainfall product systematically overestimates rainfall in semi-arid and arid regions, increasing with aridity. The model results indicate that snowmelt-derived discharge (74%) is most important during the pre-monsoon season (April to June) whereas rainfall (56%) and glacial melt (17%) dominate the monsoon season (July-September). Therefore, climate change most likely causes a reduction in river discharge during the pre-monsoon season, which especially affects the orogenic interior. Third, I investigate the controls on suspended sediment flux in different parts of the Sutlej catchments, based on daily gauging data from the past decade. In conjunction with meteorological data, earthquake records, and rock strength measurements I find that rainstorms are the most frequent trigger of high-discharge events with peaks in suspended sediment concentrations (SSC) that account for the bulk of the suspended sediment flux. The suspended sediment flux increases downstream, mainly due to increases in runoff. Pronounced erosion along the Himalayan Front occurs throughout the monsoon season, whereas efficient erosion of the orogenic interior is confined to single extreme events. The results of this thesis highlight the importance of snow and glacially derived melt waters in the western Himalaya, where extensive regions receive only limited amounts of monsoonal rainfall. These regions are therefore particularly susceptible to global warming with major implications on the hydrological cycle. However, the sediment discharge data show that infrequent monsoonal rainstorms that pass the orographic barrier of the Higher Himalaya are still the primary trigger of the highest-impact erosion events, despite being subordinate to snow and glacially–derived discharge. These findings may help to predict peak sediment flux events and could underpin the strategic development of preventative measures for hydropower infrastructures. N2 - Regen, Schnee- und Gletscherschmelze speisen die Flüsse des Himalajas, die eine große Bedeutung für die Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung in Südasien aufweisen. Welchen Anteil die einzelnen Abflusskomponenten am Gesamtabfluss in Raum und Zeit besitzen, ist jedoch kaum quantifiziert, da es in der entlegenen Region an Bodenmessstationen mangelt. Aus diesem Grund ist auch wenig über die Auslöser und Herkunftsgebiete von hohen Sedimentaustragsereignissen bekannt, die im erheblichen Maße dazu beitragen, dass die Kapazität vonWasserkraftreservoiren abnimmt undWasserkraftturbinen abradieren. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen zur räumlichen Verteilung von Wasserressourcen und zu den Ursachen von Erosionsprozessen. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden um die Eigenschaften von und die Beziehungen zwischen Niederschlag, Abflussmenge und Sedimentaustrag im Sutlej-Tal zu untersuchen. In einer ersten Studie analysiere ich Tagesniederschläge (1998-2007) von 80 Wetterstationen aus dem westlichen Himalaja, um die räumliche Verteilung von Regen- und Schneeniederschlägen zu charakterisieren. Die weitere Analyse der Magnituden-Häufigkeitsverteilung von Regenfällen zeigt, dass 40% der sommerlichen Niederschläge auf monsunale Starkregenereignisse zurückgehen, die eine höhere Variabilität im Gebirgsinneren aufweisen als an der Gebirgsfront. Die Kombination von Niederschlagsdaten mit Sedimentaustragsdaten für einen der größten Zuflüsse des Sutlejs zeigt, dass monsunaler Niederschlag der primäre Auslöser von Erosionsprozessen im Gebirgsinneren ist, ungeachtet größerer Abflussmengen durch Schnee- und Gletscherschmelze. In einer zweiten Studie untersuche ich den Beitrag von Regen, Schnee- und Gletscherschmelze zur Abflussmenge im Sutlej-Tal (s55.000 km2) mit Hilfe eines hydrologischen Modells für den Jahreszeitraum 2000-2008. Um trotz der begrenzten Bodenmessungen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu erzielen, basiert das Modell auf täglichen Fernerkundungsdaten, die ich mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten kalibriert und an diese angepasst habe. Die Kalibrierung zeigt, dass das Regenniederschlagsprodukt 3B42 der „Tropical Rainfall Measuring Mission“ (TRMM) den Bodenniederschlag in den semi-ariden bis ariden Gebirgsregionen mit zunehmender Trockenheit systematisch überschätzt. Die Modellierungsergebnisse verdeutlichen, dass die Schneeschmelze den bedeutendsten Beitrag zur Abflussmenge (74 %) zwischen April und Juni aufbringt, während Regen (56%) und Gletscherschmelze (17%) die Monsunsaison (Juli-September) prägen. Daher ist anzunehmen, dass der Klimawandel zu einer Verringerung der Abflussmenge zwischen April und Juni führen wird, was sich besonders auf das Gebirgsinnere auswirkt. In einer dritten Studie untersuche ich mit Hilfe von täglichen Messdaten der letzten Dekade die Ursachen und Eigenschaften des Sedimentaustrags in verschiedenen Bereichen des Sutlej-Einzugsgebietes. Auf der Grundlage von meteorologischen Daten, Erdbebenaufzeichnungen und Gesteinsfestigkeitsmessungen identifiziere ich Starkregenereignisse als häufigste Ursache für extreme Erosionsereignisse, die einen Großteil des gesamten Sedimentaustrags ausmachen. Großräumig betrachtet nimmt der Sedimentaustrag flussabwärts zu, was hauptsächlich auf den Anstieg der Abflussmenge zurückzuführen ist. Zur Monsunzeit treten Erosionsprozesse entlang der Himalajafront besonders häufig auf, während im Gebirgsinneren die Erosion auf einzelne Extremereignisse beschränkt ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit untersteichen die Bedeutung von Schnee- und Gletscherschmelze im westlichen Himalaja, in dem große Gebiete nur vereinzelt von monsunalen Niederschlägen erreicht werden. Diese Gebiete sind daher besonders anfällig für den Klimawandel mit weitreichenden Konsequenzen für den Wasserhaushalt in der Region. Die Analyse von Sedimentaustragsdaten zeigt jedoch, dass vereinzelte monsunale Regenstürme, welche die topographische Barriere des Himalaja überqueren, die primäre Ursache von extremen Erosionsereignissen sind, trotz der größeren Abflussmengen von Schnee- und Gletscherschmelze im Gebirgsinneren. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, große Erosionsereignisse vorherzusagen und vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Wasserkraftanlagen zu entwickeln. KW - Klimawandel KW - Erosion KW - Monsun KW - Regensturm KW - Suspendsionsfracht KW - climate change KW - erosion KW - monsoon KW - rainstorm KW - suspended sediment Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57905 ER - TY - JOUR A1 - Andermann, Christoff A1 - Crave, Alain A1 - Gloaguen, Richard A1 - Davy, Philippe A1 - Bonnet, Stephane T1 - Connecting source and transport: Suspended sediments in the Nepal Himalayas JF - Earth & planetary science letters N2 - Understanding the dynamics of sediment fluxes is a key issue to constrain modern erosion rates in mountain belts and determine the still debated level of control exerted by precipitation, topography and tectonics. The well defined monsoon seasonality in the Himalayas, together with active tectonics and strong relief provide an ideal environment to assess these possible interactions. For this purpose, we present a new compilation of daily suspended sediment data for 12 stations of the major rivers of the Nepal Himalayas. We analyze the relationships of sediment transport with daily river discharge and precipitation data as well as with morphometric parameters. We show that suspended sediment concentrations vary systematically through the seasons and asynchronously to river discharge displaying a hysteresis effect. This clockwise hysteresis effect disappears when suspended sediment fluxes are directly compared with direct storm discharge. Therefore we attribute the hysteresis effect to groundwater dilution rather than a sediment supply limitation. We infer a rating model to calculate erosion rates directly from long river discharge chronicles. We show that, when normalized by drainage area and mean sediment flux, all rivers exhibit the same trend. This similarity implies that all river basins have the same erosion behavior, independent of location, size and catchment characteristics. Erosion rates calculated from suspended sediment fluxes range between 0.1 and 2.8 mm/yr. The erosion rates of the three main basins of Nepal are in the range 0.9-1.5 mm/yr. Erosion rates in the Higher Himalayas are relatively low ( <0.5 mm/yr, except for Kali Gandaki), while in the Lesser Himalayas they range from 0.2 to 2 mm/yr. We propose that material transport in the rivers depends on hillslope sediment supply, which is, in turn, controlled by those rainfalls producing direct runoff. In other words, the rivers in the Nepal Himalayas are supply-limited and the hillsopes as a contributing source are transport-limited. We also show that erosion processes are not as much controlled by infrequently occurring extreme precipitation events, than by moderate ones with a high recurrence interval. KW - suspended sediment transport KW - Himalayas KW - erosion KW - sediment flux hysteresis KW - monsoon river hydrology KW - Himalayan rivers Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.06.059 SN - 0012-821X VL - 351 SP - 158 EP - 170 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Strecker, Manfred T1 - Spatiotemporal trends in erosion rates across a pronounced rainfall gradient: Examples from the southern Central Andes JF - Earth & planetary science letters N2 - The tectonic and climatic boundary conditions of the broken foreland and the orogen interior of the southern Central Andes of northwestern Argentina cause strong contrasts in elevation, rainfall, and surface-process regimes. The climatic gradient in this region ranges from the wet, windward eastern flanks (similar to 2 m/yr rainfall) to progressively drier western basins and ranges (similar to 0.1 m/yr) bordering the arid Altiplano-Puna Plateau. In this study, we analyze the impact of spatiotemporal climatic gradients on surface erosion: First, we present 41 new catchment-mean erosion rates derived from cosmogenic nuclide inventories to document spatial erosion patterns. Second, we re-evaluate paleoclimatic records from the Calchaquies basin (66 W, 26 S), a large intermontane basin bordered by high (> 4.5 km) mountain ranges, to demonstrate temporal variations in erosion rates associated with changing climatic boundary conditions during the late Pleistocene and Holocene. Three key observations in this region emphasize the importance of climatic parameters on the efficiency of surface processes in space and time: (1) First-order spatial patterns of erosion rates can be explained by a simple specific stream power (SSP) approach. We explicitly account for discharge by routing high-resolution, satellite derived rainfall. This is important as the steep climatic gradient results in a highly non-linear relation between drainage area and discharge. This relation indicates that erosion rates (ER) scale with ER similar to SSP1.4 on cosmogenic-nuclide time scales. (2) We identify an intrinsic channel-slope behavior in different climatic compartments. Channel slopes in dry areas (< 0.25 m/yr rainfall) are slightly steeper than in wet areas (> 0.75 m/yr) with equal drainage areas, thus compensating lower amounts of discharge with steeper slopes. (3) Erosion rates can vary by an order of magnitude between presently dry (similar to 0.05 mm/yr) and well-defined late Pleistocene humid (similar to 0.5 mm/yr) conditions within an intemontane basin. Overall, we document a strong climatic impact on erosion rates and channel slopes. We suggest that rainfall reaching areas with steeper channel slopes in the orogen interior during wetter climate periods results in intensified sediment mass transport, which is primarily responsible for maintaining the balance between surface uplift, erosion, sediment routing and transient storage in the orogen. KW - erosion KW - landscape evolution KW - specific stream power KW - cosmogenic radionuclides KW - paleoclimate KW - climate-tectonic feedback processes Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.02.005 SN - 0012-821X VL - 327 IS - 8 SP - 97 EP - 110 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Thiede, Rasmus Christoph A1 - Ehlers, Todd T1 - Large spatial and temporal variations in Himalayan denudation JF - Earth & planetary science letters N2 - In the last decade growing interest has emerged in quantifying the spatial and temporal variations in mountain building. Until recently, insufficient data have been available to attempt such a task at the scale of large orogens such as the Himalaya. The Himalaya accommodates ongoing convergence between India and Eurasia and is a focal point for studying orogen evolution and hypothesized interactions between tectonics and climate. Here we integrate 1126 published bedrock mineral cooling ages with a transient 1D Monte-Carlo thermal-kinematic erosion model to quantify the denudation histories along similar to 2700 km of the Himalaya. The model free parameter is a temporally variable denudation rate from 50 Ma to present. Thermophysical material properties and boundary conditions were tuned to individual study areas. Monte-Carlo simulations were conducted to identify the range of denudation histories that can reproduce the observed cooling ages. Results indicate large temporal and spatial variations in denudation and these are resolvable across different tectonic units of the Himalaya. More specifically, across > 1000 km of the southern Greater Himalaya denudation rates were highest (similar to 1.5-3 mm/yr) between similar to 10 and 2 Ma and lower (0.5-2.6 mm/yr) over the last 2 My. These differences are best determined in the NW-Himalaya. In contrast to this, across the similar to 2500 km length of the northern Greater Himalaya denudation rates vary over length scales of similar to 300-1700 km. Slower denudation (<1 mm/yr) occurred between 10 and 4 Ma followed by a large increase (1.2-2.6 mm/yr) in the last similar to 4 Ma. We find that only the southern Greater Himalayan Sequence clearly supports a continuous co-evolution of tectonics, climate and denudation. Results from the higher elevation northern Greater Himalaya suggest either tectonic driven variations in denudation due to a ramp-flat geometry in the main decollement and/or recent glacially enhanced denudation. KW - Himalaya KW - exhumation KW - low temperature chronology KW - thermal modeling KW - erosion Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.03.004 SN - 0012-821X VL - 371 IS - 2 SP - 278 EP - 293 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Mohr, Christian Heinrich A1 - Coppus, Ruben A1 - Iroume, Andres A1 - Huber, Anton A1 - Bronstert, Axel T1 - Runoff generation and soil erosion processes after clear cutting JF - Journal of geophysical research : Earth surface N2 - Timber harvesting by clear cutting is known to impose environmental impacts, including severe disturbance of the soil hydraulic properties which intensify the frequency and magnitude of surface runoff and soil erosion. However, it remains unanswered if harvest areas act as sources or sinks for runoff and soil erosion and whether such behavior operates in a steady state or evolves through time. For this purpose, 92 small-scale rainfall simulations of different intensities were carried out under pine plantation conditions and on two clear-cut harvest areas of different age. Nonparametrical Random Forest statistical models were set up to quantify the impact of environmental variables on the hydrological and erosion response. Regardless of the applied rainfall intensity, runoff always initiated first and yielded most under plantation cover. Counter to expectations, infiltration rates increased after logging activities. Once a threshold rainfall intensity of 20mm/h was exceeded, the younger harvest area started to act as a source for both runoff and erosion after connectivity was established, whereas it remained a sink under lower applied rainfall intensities. The results suggest that the impact of microtopography on surface runoff connectivity and water-repellent properties of the topsoil act as first-order controls for the hydrological and erosion processes in such environments. Fast rainfall-runoff response, sediment-discharge-hystereses, and enhanced postlogging groundwater recharge at catchment scale support our interpretation. At the end, we show the need to account for nonstationary hydrological and erosional behavior of harvest areas, a fact previously unappreciated in predictive models. KW - infiltration KW - runoff KW - erosion KW - connectivity KW - rainfall simulation KW - catchment Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1002/jgrf.20047 SN - 2169-9003 VL - 118 IS - 2 SP - 814 EP - 831 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Mohr, Christian Heinrich T1 - Hydrological and erosion responses to man-made and natural disturbances : insights from forested catchments in South-central Chile T1 - Hydrologische und Erosions-Reaktionen auf anthropogene und natürliche Störungen : Einblicke aus bewaldeten Einzugsgebieten im südlichen Zentralchile N2 - Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales. N2 - Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte. KW - Hydrologie KW - Erosion KW - Chile KW - Waldbewirtschaftung KW - Erdbeben KW - hydrology KW - erosion KW - Chile KW - forest management KW - earthquake Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70146 ER - TY - JOUR A1 - Scherler, Dirk A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Strecker, Manfred T1 - Tectonic control on Be-10-derived erosion rates in the Garhwal Himalaya, India JF - Journal of geophysical research : Earth surface N2 - Erosion in the Himalaya is responsible for one of the greatest mass redistributions on Earth and has fueled models of feedback loops between climate and tectonics. Although the general trends of erosion across the Himalaya are reasonably well known, the relative importance of factors controlling erosion is less well constrained. Here we present 25 Be-10-derived catchment-averaged erosion rates from the Yamuna catchment in the Garhwal Himalaya, northern India. Tributary erosion rates range between similar to 0.1 and 0.5mmyr(-1) in the Lesser Himalaya and similar to 1 and 2mmyr(-1) in the High Himalaya, despite uniform hillslope angles. The erosion-rate data correlate with catchment-averaged values of 5 km radius relief, channel steepness indices, and specific stream power but to varying degrees of nonlinearity. Similar nonlinear relationships and coefficients of determination suggest that topographic steepness is the major control on the spatial variability of erosion and that twofold to threefold differences in annual runoff are of minor importance in this area. Instead, the spatial distribution of erosion in the study area is consistent with a tectonic model in which the rock uplift pattern is largely controlled by the shortening rate and the geometry of the Main Himalayan Thrust fault (MHT). Our data support a shallow dip of the MHT underneath the Lesser Himalaya, followed by a midcrustal ramp underneath the High Himalaya, as indicated by geophysical data. Finally, analysis of sample results from larger main stem rivers indicates significant variability of Be-10-derived erosion rates, possibly related to nonproportional sediment supply from different tributaries and incomplete mixing in main stem channels. KW - Himalaya KW - erosion KW - tectonics KW - cosmogenic nuclides KW - channel steepness KW - stream power Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/2013JF002955 SN - 2169-9003 SN - 2169-9011 VL - 119 IS - 2 SP - 83 EP - 105 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Nguyen Nghia Hung, A1 - Delgado, José Miguel Martins A1 - Güntner, Andreas A1 - Merz, Bruno A1 - Bardossy, Andras A1 - Apel, Heiko T1 - Sedimentation in the floodplains of the Mekong Delta, Vietnam Part II: deposition and erosion JF - Hydrological processes N2 - Deposition and erosion play a key role in the determination of the sediment budget of a river basin, as well as for floodplain sedimentation. Floodplain sedimentation, in turn, is a relevant factor for the design of flood protection measures, productivity of agro-ecosystems, and for ecological rehabilitation plans. In the Mekong Delta, erosion and deposition are important factors for geomorphological processes like the compensation of deltaic subsidence as well as for agricultural productivity. Floodplain deposition is also counteracting the increasing climate change induced hazard by sea level rise in the delta. Despite this importance, a sediment database of the Mekong Delta is lacking, and the knowledge about erosion and deposition processes is limited. In the Vietnamese part of the Delta, the annually flooded natural floodplains have been replaced by a dense system of channels, dikes, paddy fields, and aquaculture ponds, resulting in floodplain compartments protected by ring dikes. The agricultural productivity depends on the sediment and associated nutrient input to the floodplains by the annual floods. However, no quantitative information regarding their sediment trapping efficiency has been reported yet. The present study investigates deposition and erosion based on intensive field measurements in three consecutive years (2008, 2009, and 2010). Optical backscatter sensors are used in combination with sediment traps for interpreting deposition and erosion processes in different locations. In our study area, the mean calculated deposition rate is 6.86kg/m(2) (approximate to 6mm/year). The key parameters for calculating erosion and deposition are estimated, i.e. the critical bed shear stress for deposition and erosion and the surface constant erosion rate. The bulk of the floodplain sediment deposition is found to occur during the initial stage of floodplain inundation. This finding has direct implications on the operation of sluice gates in order to optimize sediment input and distribution in the floodplains. KW - Mekong delta KW - sediment dynamics KW - deposition KW - erosion KW - floodplain sedimentation Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.9855 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 28 IS - 7 SP - 3145 EP - 3160 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Schröder, Sarah T1 - Modelling surface evolution coupled with tectonics T1 - Modellierung von Oberflächenprozessen gekoppelt mit Tektonik BT - A case study for the Pamir BT - Eine Fallstudie zum Pamir N2 - This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west. N2 - Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung, berechnet durch einen neuen Verteilungs-Algorithmus, verbessert die Modellierung von Flusssystemen. Flüsse sind dabei repräsentiert durch eine unterschiedliche Anzahl an Zellen orthogonal zur Fließrichtung. Ihre Breite wird nach empirischen Gesetzen ermittelt. Die präsentierten Anwendungen dienen der Studie des Pamirgebirges. Zunächst werden die Modellparameter anhand von Einschneidungs- und Erosionsraten sowie Sedimentdurchflüssen kalibriert. Ein digitales Höhenmodell dient als Anfangstopographie und zur Extraktion von Flussprofilen. Laterale Einschneidung zeigt eine deutliche Verbesserung zu bisher vorhandenen Modellen. Sie ermöglicht die Erhaltung der Flussbreite und zeigt hohe Einschneidungsraten in engen Flusspassagen. Modelle von Flussanzapfungen in einem System paralleler Verwerfungen bestätigen die Wichtigkeit von lateraler Einschneidung für Flussanzapfungsmodelle, die Hangerosion einbeziehen. Während die Modelle eine geringe Wahrscheinlichkeit von Flussanzapfungen mit hohem Ablenkungswinkel zeigen, belegen sie auch, dass deren (allgemeine) Wahrscheinlichkeit direkt von der Hebungsrate der Verwerfungen abhängt. Die Erodibilität beschleunigt lediglich die Geschwindigkeit von Flussanzapfungen. Ein Modell, das die Codes SLIM 3D und DANSER koppelt, dokumentiert die vielseitige Verwendbarkeit des neuen Codes: Es zeigt einen geringen Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Lithosphärendeformation, während die Sedimentationsroutine erheblich auf spröde Oberflächendeformationen einwirkt. Das Modell legt nahe, dass Sedimentation ein zwischen zwei entstehenden Gebirgen gelegenes Becken weitet. Außerdem weitet sich der südlich von der interkontinentalen Kollisionszone gelegene Teil des Gebirge-Models ebenfalls durch Sedimentation. KW - erosion KW - coupling KW - SEC KW - surface evolution KW - thermo-mechanics KW - surface processes KW - DANSER KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - tectonics KW - modelling KW - modeling KW - numerical model KW - simulation KW - surface KW - fluvial incision KW - hillslope diffusion KW - finite differences KW - finite elements KW - Eulerian grid KW - DANSER KW - DANSER KW - Erosion KW - Modellierung KW - Tektonik KW - Koppelung KW - SEC KW - numerische Modellierung KW - Oberflächenprozesse KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - Tiefendeformation KW - Software KW - Simulation KW - Oberfläche KW - fluviale Einschneidung KW - Hangerosion KW - finite Differenzen KW - finite Elemente KW - Eulerische Gitter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385 ER -