TY - JOUR A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie A1 - Bahr, André A1 - Zeeden, Christian A1 - Yamoah, Kweku A. A1 - Lone, Mahjoor Ahmad A1 - Chuang, Chih-Kai A1 - Löwemark, Ludvig A1 - Wei, Kuo-Yen T1 - A tale of shifting relations BT - East Asian summer and winter monsoon variability during the Holocene JF - Scientific Reports N2 - Understanding the dynamics between the East Asian summer (EASM) and winter monsoon (EAWM) is needed to predict their variability under future global warming scenarios. Here, we investigate the relationship between EASM and EAWM as well as the mechanisms driving their variability during the last 10,000 years by stacking marine and terrestrial (non-speleothem) proxy records from the East Asian realm. This provides a regional and proxy independent signal for both monsoonal systems. The respective signal was subsequently analysed using a linear regression model. We find that the phase relationship between EASM and EAWM is not time-constant and significantly depends on orbital configuration changes. In addition, changes in the Atlantic Meridional Overturning circulation, Arctic sea-ice coverage, El Niño-Southern Oscillation and Sun Spot numbers contributed to millennial scale changes in the EASM and EAWM during the Holocene. We also argue that the bulk signal of monsoonal activity captured by the stacked non-speleothem proxy records supports the previously argued bias of speleothem climatic archives to moisture source changes and/or seasonality. KW - Environmental sciences KW - Ocean sciences KW - Solid Earth sciences Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-021-85444-7 SN - 2045-2322 VL - 11 PB - Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature CY - London ER - TY - THES A1 - Liu, Sisi T1 - The history of plant diversity change and community assemply a high-altitude and high-latitude ecosystems inferred from sedimentary (ancient) DNA and pollen Y1 - 2021 ER - TY - JOUR A1 - Borchardt, Sven A1 - Trauth, Martin H. T1 - Erratum to: Borchardt, Sven, Trauth, Martin H.: Remotely-sensed evapotranspiration estimates for an improved hydrological modeling of the early Holocene mega-lake Suguta, northern Kenya Rift. - (Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. - Volumes 361–362 (2012), S. 14 – 20. - doi.org/10.1016/j.palaeo.2012.07.009) JF - Palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology : an international journal for the geo-sciences Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2019.109540 SN - 0031-0182 SN - 1872-616X VL - 571 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Trauth, Martin H. T1 - Spectral analysis in quaternary sciences JF - Quaternary science reviews : the international multidisciplinary research and review journal N2 - Spectral analysis is a technique of time-series analysis that decomposes signals into linear combinations of harmonic components. Rooted in the 19th century, spectral analysis gained popularity in palaeoclimatology since the early 1980s. This was partly due to the availability of long time series of past climates, but also the development of new, partly adapted methods and the increasing spread of affordable personal computers. This paper reviews the most important methods of spectral analysis for palaeoclimate time series and discusses the prerequisites for their application as well as advantages and disadvantages. The paper also offers an overview of suitable software, as well as computer code for using the methods on synthetic examples. KW - Spectral analysis KW - Paleoclimate KW - Orbital forcing KW - MATLAB Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.107157 SN - 0277-3791 SN - 1873-457X VL - 270 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Steinberg, Andreas A1 - Vasyura-Bathke, Hannes A1 - Gaebler, Peter Jost A1 - Ohrnberger, Matthias A1 - Ceranna, Lars T1 - Estimation of seismic moment tensors using variational inference machine learning JF - Journal of geophysical research : Solid earth N2 - We present an approach for rapidly estimating full moment tensors of earthquakes and their parameter uncertainties based on short time windows of recorded seismic waveform data by considering deep learning of Bayesian Neural Networks (BNNs). The individual neural networks are trained on synthetic seismic waveform data and corresponding known earthquake moment-tensor parameters. A monitoring volume has been predefined to form a three-dimensional grid of locations and to train a BNN for each grid point. Variational inference on several of these networks allows us to consider several sources of error and how they affect the estimated full moment-tensor parameters and their uncertainties. In particular, we demonstrate how estimated parameter distributions are affected by uncertainties in the earthquake centroid location in space and time as well as in the assumed Earth structure model. We apply our approach as a proof of concept on seismic waveform recordings of aftershocks of the Ridgecrest 2019 earthquake with moment magnitudes ranging from Mw 2.7 to Mw 5.5. Overall, good agreement has been achieved between inferred parameter ensembles and independently estimated parameters using classical methods. Our developed approach is fast and robust, and therefore, suitable for down-stream analyses that need rapid estimates of the source mechanism for a large number of earthquakes. KW - seismology KW - machine learning KW - earthquake source KW - moment tensor KW - full KW - waveform Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1029/2021JB022685 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 126 IS - 10 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie A1 - Bahr, André A1 - Stepanek, Christian A1 - Catunda, Maria Carolina Amorim A1 - Karas, Cyrus A1 - Ziegler, Martin A1 - García-Gallardo, Ángela A1 - Grunert, Patrick T1 - Mediterranean heat injection to the North Atlantic delayed the intensification of Northern Hemisphere glaciations JF - Communications Earth & Environment N2 - The intensification of Northern Hemisphere glaciations at the end of the Pliocene epoch marks one of the most substantial climatic shifts of the Cenozoic. Despite global cooling, sea surface temperatures in the high latitude North Atlantic Ocean rose between 2.9–2.7 million years ago. Here we present sedimentary geochemical proxy data from the Gulf of Cadiz to reconstruct the variability of Mediterranean Outflow Water, an important heat source to the North Atlantic. We find evidence for enhanced production of Mediterranean Outflow from the mid-Pliocene to the late Pliocene which we infer could have driven a sub-surface heat channel into the high-latitude North Atlantic. We then use Earth System Models to constrain the impact of enhanced Mediterranean Outflow production on the northward heat transport in the North Atlantic. In accord with the proxy data, the numerical model results support the formation of a sub-surface channel that pumped heat from the subtropics into the high latitude North Atlantic. We further suggest that this mechanism could have delayed ice sheet growth at the end of the Pliocene. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1038/s43247-021-00232-5 SN - 2662-4435 SP - 1 EP - 9 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - THES A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie T1 - Deciphering paleoclimate sensitivity across time and space T1 - Entschlüsselung der Sensitivität vergangener Klimaperioden durch Zeit und Raum BT - trends, feedbacks, and teleconnections BT - Trends, Rückkopplungen und Wechselwirkungen N2 - This habilitation thesis includes seven case studies that examine climate variability during the past 3.5 million years from different temporal and spatial perspectives. The main geographical focus is on the climatic events of the of the African and Asian monsoonal system, the North Atlantic as well as the Arctic Ocean. The results of this study are based on marine and terrestrial climate archives obtained by sedimentological and geochemical methods, and subsequently analyzed by various statistical methods. The results herein presented results provide a picture of the climatic background conditions of past cold and warm periods, the sensitivity of past climatic climate phases in relation to changes in the atmospheric carbon dioxide content, and the tight linkage between the low and high latitude climate system. Based on the results, it is concluded that a warm background climate state strongly influenced and/or partially reversed the linear relationships between individual climate processes that are valid today. Also, the driving force of the low latitudes for climate variability of the high latitudes is emphasized in the present work, which is contrary to the conventional view that the global climate change of the past 3.5 million years was predominantly controlled by the high latitude climate variability. Furthermore, it is found that on long geologic time scales (>1000 years to millions of years), solar irradiance variability due to changes in the Earth-Sun-Moon System may have increased the sensitivity of low and high latitudes to Influenced changes in atmospheric carbon dioxide. Taken together, these findings provide new insights into the sensitivity of past climate phases and provide new background conditions for numerical models, that predict future climate change. N2 - Die vorliegende Habilitationsschrift umfasst sieben Fallstudien, die die Klimavariabilität während der letzten 3,5 Millionen Jahre aus verschiedenen zeitlichen und räumlichen Perspektiven behandeln. Dabei liegt das geographische Hauptaugenmerk auf dem Klimageschehen des Afrikanischen und Asiatischen Monsuns sowie der Nordatlantischen und Arktischen Ozeane. Die Ergebnisse dieser Studie basieren auf marinen und terrestrischen Klimaarchiven, die durch sedimentologische und geochemische Methoden gewonnen wurden sowie anschließend durch verschiedene statistische Methoden analysiert sind. Die in der vorliegenden Arbeit präsentierten Ergebnisse zeichnen ein Bild über die klimatischen Hintergrundbedingungen vergangener Kalt- und Warmzeiten, die Sensitivität vergangener Klimaphasen im Zusammenhang zu Veränderungen im atmosphärischen Kohlenstoffdioxidgehaltes sowie der engen Verknüpfung des Klimageschehens zwischen niederen und hohen Breiten. Anhand der Ergebnisse wird festgestellt, dass ein warmes Hintergrundklima die linearen, heute gültigen Beziehungen zwischen einzelnen Klimaprozessen stark beeinflusst hat beziehungsweise diese teilweise umkehrt. Ebenfalls wird in der vorliegenden Arbeit die Antriebskraft der niederen Breiten für Klimavariabilität der hohen Breiten herausgestellt, was im Gegensatz steht zu der konventionellen Ansicht, dass der globale Klimawandel der letzten 3,5 Millionen Jahre überwiegend durch die hohen Breiten gesteuert wurde. Darüber hinaus wird festgestellt, dass auf langen geologischen Zeitskalen (>1000 Jahre bis hin zu Millionen Jahre) die Variabilität der Sonneneinstrahlung durch Veränderungen im Erd-Sonne-Mond System möglicherweise die Empfindlichkeit niedriger und hoher Breiten gegenüber Veränderungen im atmosphärischen Kohlenstoffdioxid beeinflusst haben. Insgesamt ermöglichen diese Erkenntnisse neue Einblicke über die Sensitivität vergangener Klimaphasen und liefern neue Hintergrundbedingungen für numerische Modelle, die zukünftige Klimaveränderungen vorhersagen. KW - Paleoclimatic dynamics KW - multivariate statistics KW - Plio-Pleistocene timeframe KW - Monsoonal variability KW - North Atlantic climate change KW - Arctic climate change KW - Paläoklimadynamik KW - multivariate Statistik KW - Plio-Pleistozän Zeitfenster KW - monsunale Variabilität KW - nordatlantische Klimaänderung KW - arktische Klimaänderung Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Zhao, Xueru T1 - Palaeoclimate and palaeoenvironment evolution from the last glacial maximum into the early holocene (23-8 ka BP) derived from Lago Grande di Monticchio sediment record (S Italy) Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - van der Veen, Iris T1 - Defining moisture sources and (palaeo)environmental conditions using isotope geochemistry in the NW Himalaya N2 - Anthropogenic climate change alters the hydrological cycle. While certain areas experience more intense precipitation events, others will experience droughts and increased evaporation, affecting water storage in long-term reservoirs, groundwater, snow, and glaciers. High elevation environments are especially vulnerable to climate change, which will impact the water supply for people living downstream. The Himalaya has been identified as a particularly vulnerable system, with nearly one billion people depending on the runoff in this system as their main water resource. As such, a more refined understanding of spatial and temporal changes in the water cycle in high altitude systems is essential to assess variations in water budgets under different climate change scenarios. However, not only anthropogenic influences have an impact on the hydrological cycle, but changes to the hydrological cycle can occur over geological timescales, which are connected to the interplay between orogenic uplift and climate change. However, their temporal evolution and causes are often difficult to constrain. Using proxies that reflect hydrological changes with an increase in elevation, we can unravel the history of orogenic uplift in mountain ranges and its effect on the climate. In this thesis, stable isotope ratios (expressed as δ2H and δ18O values) of meteoric waters and organic material are combined as tracers of atmospheric and hydrologic processes with remote sensing products to better understand water sources in the Himalayas. In addition, the record of modern climatological conditions based on the compound specific stable isotopes of leaf waxes (δ2Hwax) and brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) in modern soils in four Himalayan river catchments was assessed as proxies of the paleoclimate and (paleo-) elevation. Ultimately, hydrological variations over geological timescales were examined using δ13C and δ18O values of soil carbonates and bulk organic matter originating from sedimentological sections from the pre-Siwalik and Siwalik groups to track the response of vegetation and monsoon intensity and seasonality on a timescale of 20 Myr. I find that Rayleigh distillation, with an ISM moisture source, mainly controls the isotopic composition of surface waters in the studied Himalayan catchments. An increase in d-excess in the spring, verified by remote sensing data products, shows the significant impact of runoff from snow-covered and glaciated areas on the surface water isotopic values in the timeseries. In addition, I show that biomarker records such as brGDGTs and δ2Hwax have the potential to record (paleo-) elevation by yielding a significant correlation with the temperature and surface water δ2H values, respectively, as well as with elevation. Comparing the elevation inferred from both brGDGT and δ2Hwax, large differences were found in arid sections of the elevation transects due to an additional effect of evapotranspiration on δ2Hwax. A combined study of these proxies can improve paleoelevation estimates and provide recommendations based on the results found in this study. Ultimately, I infer that the expansion of C4 vegetation between 20 and 1 Myr was not solely dependent on atmospheric pCO2, but also on regional changes in aridity and seasonality from to the stable isotopic signature of the two sedimentary sections in the Himalaya (east and west). This thesis shows that the stable isotope chemistry of surface waters can be applied as a tool to monitor the changing Himalayan water budget under projected increasing temperatures. Minimizing the uncertainties associated with the paleo-elevation reconstructions were assessed by the combination of organic proxies (δ2Hwax and brGDGTs) in Himalayan soil. Stable isotope ratios in bulk soil and soil carbonates showed the evolution of vegetation influenced by the monsoon during the late Miocene, proving that these proxies can be used to record monsoon intensity, seasonality, and the response of vegetation. In conclusion, the use of organic proxies and stable isotope chemistry in the Himalayas has proven to successfully record changes in climate with increasing elevation. The combination of δ2Hwax and brGDGTs as a new proxy provides a more refined understanding of (paleo-)elevation and the influence of climate. N2 - Die Auswirkungen des menschgemachten Klimawandels wirken sich auch auf den Wasserkreislauf aus. Während manche Regionen höhere Niederschlagsmengen zu erwarten haben, werden andere mit stärkeren und häufigeren Trockenperioden zu konfrontiert sein. Diese Veränderungen haben einen unmittelbaren Einfluss auf Evaporation, Langzeit-Wasserreservoire, Grundwasserbildung, Schneefall und Gletscher. Da Gebirge und Hochplateaus überdurchschnittlich von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen sind, ist die Wasserversorgung der Menschen entlang der dort entspringenden Flüsse gefährdet. Insbesondere der Himalaya gilt als instabile Region, dessen Abflüsse die Wasserversorgung von annähernd einer Milliarde Menschen gewährleisten. Um zu erwartende Veränderungen des Wasserbudgets in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Klimawandelszenarien abschätzen zu können, ist ein detaillierteres Verständnis des Wasserkreislaufs in Hochgebirgen und -plateaus erforderlich. Neben dem globalen Klimawandel gibt es weitere Faktoren, die sich auf den Wasserkreislauf auswirken. Das Wechselspiel zwischen Gebirgsbildung und klimatischen Bedingungen beeinflusst den Wasserkreislauf auf geologischen Zeitskalen. Entsprechende Veränderungen und ihre Auswirkungen lassen sich jedoch nur eingeschränkt bestimmen. Mittels geeigneter Proxies für höhenbedingte Änderungen der Hydrologie lassen sich der Orogeneseverlauf sowie dessen klimatische Auswirkungen allerdings genauer rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Verhältnisse stabiler Isotope (als δ2H und δ18O ausgedrückt) von meteorischen Wassern sowie von organischem Material mit Methoden der Satellitenfernerkundung als Indikator für atmosphärische und hydrologische Prozesse kombiniert, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Wasserquellen des Himalaya zu erlangen. Darüber hinaus wurde der Link zwischen modernen klimatischen Bedingungen und verbindungsspezifischen stabilen Isotopen von Blattwachsen (δ2Hwax) sowie von brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) rezenter Bodenproben aus den Einzugsgebieten vierer Flüsse des Himalaya hergestellt, um sie als Paläo-Klima- und Paläo-Höhenproxy verwenden zu können. Zu guter Letzt wurden hydrologische Veränderungen auf einer Zeitskala von 20 Mio. Jahren anhand von δ13C- and δ18O-Werten von Bodencarbonat und organischem Material aus Sedimentschnitten der pre-Siwalik und Siwalik-Einheiten nachvollzogen. Die Erkenntnisse dieser tragen zu einer deutlich genaueren Rekonstruktion von Vegetationsänderungen und der Entwicklung der Monsun-Intensität sowie -Saisonalität bei. Die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser der untersuchten Flüsse wird hauptsächlich durch Rayleigh-Destillation der im Wesentlichen vom Indischen Sommer Monsun eingetragenen Feuchtigkeit bestimmt. Der durch Satellitenfernerkundungsdaten bestätigte Anstieg des Deuterium-Exzesses (d-excess) im Frühjahr verdeutlicht den signifikanten Einfluss von Schnee- und Gletscherschmelze, der auch in Zeitreihen von Oberflächenwasserproben erkennbar ist. Sowohl brGDGT als auch δ2Hwax können potentiell die absolute Höhe zum Zeitpunkt ihrer Synthese abbilden, da sie stark mit der Lufttemperatur, bzw. mit Oberflächenwasser δ2H und somit indirekt auch mit der Höhe korreliert sind. Im direkten Vergleich der mittels brGDGT und δ2Hwax rekonstruierten Höhen ergaben sich insbesondere in ariden Teilen der Höhenprofile große Unterschiede. Diese sind hauptsächlich auf verstärkte Evapotranspiration und deren Auswirkung auf Pflanzenwasser und -wachse zurückzuführen. Basierend auf den Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit können weitere vergleichende Untersuchungen beider Proxies genauere Paläo-Höhenstudien ermöglichen. Diese Arbeit zeigt, dass die Isotopie von Oberflächenwassern genutzt werden kann, um den sich ändernden Wasserhaushalt des Himalya im Kontext voraussichtlich weiter ansteigender Temperaturen zu beobachten. Unsicherheiten bei der Rekonstruktion von Paläo-Höhen konnten durch eine vergleichende Analyse zweier organischer Proxies (δ2Hwax and brGDGTs) aus Paläo-Bodenproben des Himalayas minimiert werden. Verhältnisse stabiler Isotope von Blattwachsen aus diesen Bodenproben spiegeln die Entwicklung der Vegetation unter dem Einfluss des Monsuns im späten Miozän wider. Zusammenfassend wurde erfolgreich gezeigt, dass organische Proxies und stabile Isotope höhenabhängige Änderungen des Klimas im Himalaya aufzeichnen können. Die Kombination von δ2Hwax and brGDGTs als neuer Proxy ermöglicht eine deutlich differenziertere Betrachtung von rekonstruierten Paläo-Höhen sowie Paläo-Klima. KW - stable isotope KW - Himalaya KW - n-alkanes KW - d-excess KW - biomarker KW - paleohydrology KW - GDGT KW - GDGT KW - Himalaya KW - Biomarker KW - Deuterium Exzesses KW - n-alkane KW - Paläohydrologie KW - stabilen Isotopen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-514397 ER - TY - THES A1 - Cheng, Chaojie T1 - Transient permeability in porous and fractured sandstones mediated by fluid-rock interactions T1 - Permeabilitätsveränderungen in porösen und geklüfteten Sandsteinen als Folge von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen N2 - Understanding the fluid transport properties of subsurface rocks is essential for a large number of geotechnical applications, such as hydrocarbon (oil/gas) exploitation, geological storage (CO2/fluids), and geothermal reservoir utilization. To date, the hydromechanically-dependent fluid flow patterns in porous media and single macroscopic rock fractures have received numerous investigations and are relatively well understood. In contrast, fluid-rock interactions, which may permanently affect rock permeability by reshaping the structure and changing connectivity of pore throats or fracture apertures, need to be further elaborated. This is of significant importance for improving the knowledge of the long-term evolution of rock transport properties and evaluating a reservoir’ sustainability. The thesis focuses on geothermal energy utilization, e.g., seasonal heat storage in aquifers and enhanced geothermal systems, where single fluid flow in porous rocks and rock fracture networks under various pressure and temperature conditions dominates. In this experimental study, outcrop samples (i.e., Flechtinger sandstone, an illite-bearing Lower Permian rock, and Fontainebleau sandstone, consisting of pure quartz) were used for flow-through experiments under simulated hydrothermal conditions. The themes of the thesis are (1) the investigation of clay particle migration in intact Flechtinger sandstone and the coincident permeability damage upon cyclic temperature and fluid salinity variations; (2) the determination of hydro-mechanical properties of self-propping fractures in Flechtinger and Fontainebleau sandstones with different fracture features and contrasting mechanical properties; and (3) the investigation of the time-dependent fracture aperture evolution of Fontainebleau sandstone induced by fluid-rock interactions (i.e., predominantly pressure solution). Overall, the thesis aims to unravel the mechanisms of the instantaneous reduction (i.e., direct responses to thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) conditions) and progressively-cumulative changes (i.e., time-dependence) of rock transport properties. Permeability of intact Flechtinger sandstone samples was measured under each constant condition, where temperature (room temperature up to 145 °C) and fluid salinity (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) were stepwise changed. Mercury intrusion porosimetry (MIP), electron microprobe analysis (EMPA), and scanning electron microscopy (SEM) were performed to investigate the changes of local porosity, microstructures, and clay element contents before and after the experiments. The results indicate that the permeability of illite-bearing Flechtinger sandstones will be impaired by heating and exposure to low salinity pore fluids. The chemically induced permeability variations prove to be path-dependent concerning the applied succession of fluid salinity changes. The permeability decay induced by a temperature increase and a fluid salinity reduction operates by relatively independent mechanisms, i.e., thermo-mechanical and thermo-chemical effects. Further, the hydro-mechanical investigations of single macroscopic fractures (aligned, mismatched tensile fractures, and smooth saw-cut fractures) illustrate that a relative fracture wall offset could significantly increase fracture aperture and permeability, but the degree of increase depends on fracture surface roughness. X-ray computed tomography (CT) demonstrates that the contact area ratio after the pressure cycles is inversely correlated to the fracture offset. Moreover, rock mechanical properties, determining the strength of contact asperities, are crucial so that relatively harder rock (i.e., Fontainebleau sandstone) would have a higher self-propping potential for sustainable permeability during pressurization. This implies that self-propping rough fractures with a sufficient displacement are efficient pathways for fluid flow if the rock matrix is mechanically strong. Finally, two long-term flow-through experiments with Fontainebleau sandstone samples containing single fractures were conducted with an intermittent flow (~140 days) and continuous flow (~120 days), respectively. Permeability and fluid element concentrations were measured throughout the experiments. Permeability reduction occurred at the beginning stage when the stress was applied, while it converged at later stages, even under stressed conditions. Fluid chemistry and microstructure observations demonstrate that pressure solution governs the long-term fracture aperture deformation, with remarkable effects of the pore fluid (Si) concentration and the structure of contact grain boundaries. The retardation and the cessation of rock fracture deformation are mainly induced by the contact stress decrease due to contact area enlargement and a dissolved mass accumulation within the contact boundaries. This work implies that fracture closure under constant (pressure/stress and temperature) conditions is likely a spontaneous process, especially at the beginning stage after pressurization when the contact area is relatively small. In contrast, a contact area growth yields changes of fracture closure behavior due to the evolution of contact boundaries and concurrent changes in their diffusive properties. Fracture aperture and thus permeability will likely be sustainable in the long term if no other processes (e.g., mineral precipitations in the open void space) occur. N2 - Die Kenntnis von Gesteinstransporteigenschaften und das Verständnis ihrer zeitlichen Veränderungen sind für eine Vielzahl von geotechnischen Anwendungen von herausragender Bedeutung. Als Beispiele seien genannt: die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Öl/Gas), die stoffliche geologische Speicherung (CO2/Fluide) und die geothermische Energiegewinnung. Die hydromechanischen Strömungseigenschaften von Fluiden in porösen Gesteinen und solchen mit einzelnen, makroskopischen Rissen sind mittlerweile vergleichsweise gut verstanden. Im Gegensatz dazu besteht im Hinblick auf Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, welche durch eine Veränderung der Struktur und Verbundenheit des Porenraums bzw. der Rissöffnungsweiten die Gesteinspermeabilität permanent beeinflussen können, entscheidender Forschungsbedarf. Dies ist insbesondere für eine verbesserte Kenntnis der langzeitlichen Entwicklung der (hydraulischen) Gesteinstransporteigenschaften sowie eine Evaluierung der Nachhaltigkeit einer Nutzung geologischer Reservoire von großer Bedeutung und Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Anwendungsaspekt dieser Arbeit ist insbesondere die geothermische Technologieentwicklung, d.h. die saisonale Wärmespeicherung in Aquiferen sowie sogenannte „Enhanced Geothermal Systems“, in der die Nutzung einphasiger Fluide in porösen Gesteinen bzw. Rissnetzwerken im Vordergrund steht. In dieser experimentellen Arbeit wurden mit Gesteinsproben aus Aufschlüssen (unterpermischer, illitreicher Flechtinger Sandstein sowie quarzreicher Fontainebleau Sandstein) Durchflussexperimente bei simulierten hydrothermalen Reservoirbedingungen durchgeführt. Themenschwerpunkte der Dissertation sind hierbei (1) die Untersuchung einer Tonpartikelmigration in intakten Proben des Flechtinger Sandsteins und eine damit verbundene Permeabilitätsschädigung durch zyklische Temperaturveränderungen sowie Variationen der Fluidsalinität, (2) die Bestimmung der hydromechanischen Eigenschaften selbststützender Risse in Flechtinger und Fontainbleau Sandsteinen mit unterschiedlichen Rissmorphologien und mechanischen Kennwerten und (3) die Untersuchung einer zeitlichen Veränderung der Rissöffnungsweiten in Fontainebleau Sandstein, welche durch Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen (insbesondere Drucklösung) induziert wird. Zusammenfassend hat diese Dissertation zum Ziel, die Mechanismen sowohl unmittelbarer als auch zeitabhängiger, durch veränderte thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische Bedingungen hervorgerufene, Veränderungen von Gesteinstransporteigenschaften herauszuarbeiten. Die Permeabilität intakter Proben Flechtinger Sandsteins wurde systematisch bei stufenweise veränderten Temperaturen (von Raumtemperatur bis 145 °C) und Fluidsalinitäten (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) gemessen. Quecksilberporosimetrie, Elektronenstrahlmikroanalyse und Rasterelektronenmikroskopie wurden angewandt, um Veränderungen der lokalen Porosität, der Gesteinsmikrostruktur sowie des Tongehalts nach Abschluss des Experiments im Vergleich zum Ausgangszustand zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Permeabilität des illitreichen Flechtinger Sandsteins durch eine Temperaturerhöhung sowie eine Verringerung der Salinität des Porenfluids geschädigt wird. Die chemisch induzierten Permeabilitätsveränderungen sind pfadabhängig von der Abfolge der Salinitätsveränderungen. Die Mechanismen einer durch Temperaturerhöhung oder Salinitätsreduktion induzierten Permeabilitätsschädigung arbeiten hierbei weitestgehend unabhängig voneinander, als thermo-mechanische bzw. thermo-chemische Prozesse. Die hydromechanischen Untersuchungen an makroskopischen Einzelrissen (Scherrisse ohne und mit Versatz sowie gesägte Proben) zeigen, dass ein relativer Versatz der beiden Rissflächen eine erhebliche Erhöhung der Rissöffnungsweite und damit der Gesteinspermeabilität bewirken kann, deren Grad aber stark von der Oberflächenrauigkeit abhängt. Computertomographische Aufnahmen des Gesteins zeigen, dass das Kontaktflächenverhältnis nach den erfolgten Druckzyklen invers mit dem Scherversatz korreliert. Darüber hinaus haben die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Gesteins, welche die Festigkeit der Kontaktpunkte innerhalb des Risses bestimmen, einen entscheidenden Einfluss auf die Selbststützungsfähigkeit des Risses bei einer Druckerhöhung. Diese ist damit (höhere Festigkeit) bei Fontainebleau Sandstein gegenüber Flechtinger Sandstein verbessert. Insgesamt stellen selbststützende raue Risse mit ausreichendem Scherversatz in einem Gestein hoher Festigkeit effiziente Fließwege für Geofluide dar. Die zwei Langzeitexperimente an geklüftetem Fontainebleau Sandstein wurden mit intermittierender (~140 Tage) bzw. kontinuierlicher (~120 Tage) Durchströmung durchgeführt und die Permeabilität des Gesteins sowie der Fluidchemismus über die Dauer des jeweiligen Experiments bestimmt. Eine Permeabilitätsreduktion war insbesondere am Anfang der Messung zu beobachten, nachdem die Spannung erstmalig auf das Gestein aufgebracht wurde, und nahm dann im weiteren Verlauf des Experiments progressiv ab. Fluidchemische und mikrostrukturelle Beobachtungen zeigen, dass Drucklösung die langzeitliche Deformation des Risses kontrolliert, wobei die Porenfluidkonzentration (Si) und die Mikrostruktur der Kontaktpunkte eine herausragende Rolle spielen. Die Verlangsamung bzw. das Abklingen der Rissdeformation werden insbesondere durch die Verringerung der Kontaktspannung aufgrund einer Kontaktflächenvergrößerung sowie die Anreicherung gelöster Spezies in den Kontakten bestimmt. Ergebnis dieser Arbeit ist auch die Erkenntnis, dass eine Rissschließung bei konstanten Druck/Spannungs- und Temperaturbedingungen sehr wahrscheinlich ein spontan ablaufender Prozess ist, insbesondere zu Beginn einer Druckbeaufschlagung, wenn die Kontaktfläche noch relativ klein ist. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche führt zu einem veränderten Rissschließungsverhalten, da die Kontaktpunkte einer strukturellen Entwicklung unterworfen sind und sich damit ihre diffusiven Eigenschaften ändern. Über längere Zeiträume werden die Rissöffnungsweite und damit die Gesteinspermeabilität in einem geologischen Reservoir insbesondere dann nachhaltig sein, wenn keine zusätzlichen, entgegenwirkenden Prozesse (z.B. Mineralfällung innerhalb des Risses) in dem Gestein ablaufen. KW - permeability KW - rock fracture KW - fluid-rock interactions KW - pressure solution KW - sandstones KW - fluid flow KW - Fluidströmung KW - Fluid-Gesteinswechselwirkungen KW - Permeabilität KW - Riss KW - Sandstein KW - Drucklösungsprozesse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510124 ER -