TY - THES A1 - Hoffmann, Bernd T1 - Plant organic matter mobilization and export in fluvial systems T1 - Mobilisierung und Export pflanzlicher Biomasse in Flusssystemen BT - a case study from the eastern Nepalese Arun Valley BT - Fallstudie im ost-nepalesischen Arun-Tal N2 - The global carbon cycle is closely linked to Earth’s climate. In the context of continuously unchecked anthropogenic CO₂ emissions, the importance of natural CO₂ bond and carbon storage is increasing. An important biogenic mechanism of natural atmospheric CO₂ drawdown is the photosynthetic carbon fixation in plants and the subsequent longterm deposition of plant detritus in sediments. The main objective of this thesis is to identify factors that control mobilization and transport of plant organic matter (pOM) through rivers towards sedimentation basins. I investigated this aspect in the eastern Nepalese Arun Valley. The trans-Himalayan Arun River is characterized by a strong elevation gradient (205 − 8848 m asl) that is accompanied by strong changes in ecology and climate ranging from wet tropical conditions in the Himalayan forelad to high alpine tundra on the Tibetan Plateau. Therefore, the Arun is an excellent natural laboratory, allowing the investigation of the effect of vegetation cover, climate, and topography on plant organic matter mobilization and export in tributaries along the gradient. Based on hydrogen isotope measurements of plant waxes sampled along the Arun River and its tributaries, I first developed a model that allows for an indirect quantification of pOM contributed to the mainsetm by the Arun’s tributaries. In order to determine the role of climatic and topographic parameters of sampled tributary catchments, I looked for significant statistical relations between the amount of tributary pOM export and tributary characteristics (e.g. catchment size, plant cover, annual precipitation or runoff, topographic measures). On one hand, I demonstrated that pOMsourced from the Arun is not uniformly derived from its entire catchment area. On the other, I showed that dense vegetation is a necessary, but not sufficient, criterion for high tributary pOM export. Instead, I identified erosion and rainfall and runoff as key factors controlling pOM sourcing in the Arun Valley. This finding is supported by terrestrial cosmogenic nuclide concentrations measured on river sands along the Arun and its tributaries in order to quantify catchment wide denudation rates. Highest denudation rates corresponded well with maximum pOM mobilization and export also suggesting the link between erosion and pOM sourcing. The second part of this thesis focusses on the applicability of stable isotope records such as plant wax n-alkanes in sediment archives as qualitative and quantitative proxy for the variability of past Indian Summer Monsoon (ISM) strength. First, I determined how ISM strength affects the hydrogen and oxygen stable isotopic composition (reported as δD and δ18O values vs. Vienna Standard Mean Ocean Water) of precipitation in the Arun Valley and if this amount effect (Dansgaard, 1964) is strong enough to be recorded in potential paleo-ISM isotope proxies. Second, I investigated if potential isotope records across the Arun catchment reflect ISM strength dependent precipitation δD values only, or if the ISM isotope signal is superimposed by winter precipitation or glacial melt. Furthermore, I tested if δD values of plant waxes in fluvial deposits reflect δD values of environmental waters in the respective catchments. I showed that surface water δD values in the Arun Valley and precipitation δD from south of the Himalaya both changed similarly during two consecutive years (2011 & 2012) with distinct ISM rainfall amounts (~20% less in 2012). In order to evaluate the effect of other water sources (Winter-Westerly precipitation, glacial melt) and evapotranspiration in the Arun Valley, I analysed satellite remote sensing data of rainfall distribution (TRMM 3B42V7), snow cover (MODIS MOD10C1), glacial coverage (GLIMSdatabase, Global Land Ice Measurements from Space), and evapotranspiration (MODIS MOD16A2). In addition to the predominant ISM in the entire catchment I found through stable isotope analysis of surface waters indications for a considerable amount of glacial melt derived from high altitude tributaries and the Tibetan Plateau. Remotely sensed snow cover data revealed that the upper portion of the Arun also receives considerable winter precipitation, but the effect of snow melt on the Arun Valley hydrology could not be evaluated as it takes place in early summer, several months prior to our sampling campaigns. However, I infer that plant wax records and other potential stable isotope proxy archives below the snowline are well-suited for qualitative, and potentially quantitative, reconstructions of past changes of ISM strength. N2 - Da der globale Kohlenstoffkreislauf stark mit dem Klima der Erde verknüpft ist, sind im Zusammenhang mit dem weiterhin ungebremsten anthropogenen CO₂-Ausstoß die natürliche Bindung von CO₂ und die langfristige Speicherung von Kohlenstoff um so wichtiger. Einer der wesentlichen Mechanismen des natürlichen CO₂-Abbaus ist die photosynthetische Kohlenstoffbindung in Pflanzen verknüpft mit der anschließenden langfristigen Ablagerung von Pflanzenmaterial in Sedimenten. Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist daher, jene Faktoren zu identifizieren, die für den Abtransport toten Pflanzenmaterials in Flüssen hin zu Sedimentationsräumen verantwortlich sind. Das entsprechende Untersuchungsgebiet ist das ost-nepalesische Arun Tal. Der Arun durchschneidet den Himalaya von Nord nach Süd und sein Einzugsgebiet ist geprägt vom stärksten Höhengradienten der Erde (8848-205 m ü.N.N.). Entsprechend durchfließt er mehrere Klimazonen von alpiner Tundra auf dem Tibetischen Plateau hin zu subtropischen Bedingungen im Süden Nepals. Wegen dieses starken Gefälles bietet der Arun die Möglichkeit, die Mobilisierung und den Abtransport von Pflanzenmaterial unter sehr unterschiedlichen klimatischen, ökologischen und topographischen Gegenbenheiten zu untersuchen. Zunächst entwickelte ich ein auf Wasserstoff-Isotopen-Messungen an Pflanzenwachsen in Flusssedimenten basierendes Modell, das es ermöglicht, indirekt den Pflanzendetritus-Beitrag der Nebenflüsse in Relation zur Gesamtmasse des vom Arun abtransportierten Pflanzenmaterials zu quantifizieren. Um jene klimatischen und topografischen Eigenschaften der Seitenflüsse zu ermitteln, welche die jeweils exportierte Menge an Pflanzenmaterial kontrollieren, suchte ich im nächsten Schritt nach einem statistischen Zusammenhang zwischen exportierten Pflanzenrestmengen der Nebenflüsse sowie der Größe ihrer Einzugsgebiete, Pflanzenbedeckung, Niederschlagsmenge (bzw. Abfluss), und ihrer Topografie als Maß für Erosionsvermögen. Mit diesen Methoden kann ich einerseits klar belegen, dass das vom Arun transportierte Pflanzenmaterial nicht flächendeckend gleichmäßig aus seinem Einzugsgebiet stammt. Andererseits zeigt sich, dass dichter Pflanzenbewuchs zwar ein notwendiges, jedoch kein hinreichendes Kriterium für hohe Exportraten ist. Meine Untersuchung im Arun Tal führte letztlich zu dem Ergebnis, dass die für die Mobilisierung und den Export von Pflanzenmaterial wesentlichen Faktoren Niederschlagsmenge und Erosion sind, wobei Pflanzenbedeckung zwar vorausgesetzt ist, oft jedoch als Resultat hohen Niederschlags auftritt. Dass Erosion hierbei eine Schlüsselrolle zukommt, legt auch die Analyse von kosmogenen Nuklid-Konzentrationen in Flusssanden zur Bestimmung von Erosionsraten nahe. Ich fand eine sehr gute räumliche Übereinstimmung von hohen Erosionsraten und maximalem Pflanzendetritus-Abtransport, die den Zusammenhang beider Parameter zusätzlich belegt. Der zweite, im Rahmen der beschriebenen Untersuchung näher beleuchtete Aspekt, ist die potentielle Nutzung der Isotopenzusammensetzung von in Sedimenten enthaltenen Pflanzenwachsen als quantitativer Marker für Monsun-Variabilität in der Vergangenheit. Voraussetzung für eine entsprechende Nutzung ist einerseits, dass sich Schwankungen der Monsun-Intensität in der Isotopie des Regenwassers niederschlagen (der sogenannte amount effect, Dansgaard, 1964) und andererseits, dass die Blattwachsproduzierenden Pflanzen Monsun-Wasser aufnehmen und ausschließlich dessen Isotopie in ihre Blattwachse übernehmen. Die erste Voraussetzung konnte ich als gegeben bestätigen, da sich die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser im Arun-Tal während zwei aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlich starker Monsun-Regenzeiten (2011 & 2012) gleichermaßen änderte, wie es an einer Wetterstation südlich des Himalaya in Bangladesh beobachtet wurde. Zur Überprüfung der zweiten Bedingung wurde zunächst mit Fernerkundungsmethoden die Regenverteilung (TRMM 3B42V7) und Schneebedeckung (MODIS MOD10C1) im Arun-Tal vor und während der Probenkampagnen 2011 und 2012 ausgewertet. Unter Hinzuziehung der stabilen Wasserstoff und Sauerstoff Isotopen-Messungen an Oberflächenwassern konnte der Einfluss verschiedenerWasserquellen (Indischer Sommer-Monsun, Schnee der Winter-Westwinde, Gletscherschmelze) sehr gut beurteilt werden: Ich konnte zeigen, dass der Arun-Fluss stark von Monsun und Eisschmelze beeinflusst wird und dass darum davon auszugehen ist, dass Blattwachse seines Einzugsgebietes nicht nur die Isotopenzusammensetzung des Monsun-Regens repräsentieren. Die Nebenflüsse jedoch, welche südlich des Himalaya-Hauptkammes unterhalb der Schneegrenze liegen, sind klar dominiert von Monsun-Regen. Das bedeutet, dass potentielle stabile Isotopen-Archive in den entsprechenden Einzugsgebieten quantitativ interpretiert werden können und die Variabilität des Sommer-Monsuns in der Vergangenheit dort absolut rekonstruiert werden könnte. KW - Pflanzenwachs KW - stabile Isotope KW - Satelliten-Fernerkundung KW - Erosion KW - plant waxes KW - stable isotopes KW - remote sensing KW - erosion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99336 ER - TY - THES A1 - Marc, Odin T1 - Earthquake-induced landsliding T1 - Erdbeben induzierten Hangrutschungen BT - earthquakes as erosional agents across timescales BT - Erdbeben als Erosions-Agenten über Zeitskalen N2 - Earthquakes deform Earth's surface, building long-lasting topographic features and contributing to landscape and mountain formation. However, seismic waves produced by earthquakes may also destabilize hillslopes, leading to large amounts of soil and bedrock moving downslope. Moreover, static deformation and shaking are suspected to damage the surface bedrock and therefore alter its future properties, affecting hydrological and erosional dynamics. Thus, earthquakes participate both in mountain building and stimulate directly or indirectly their erosion. Moreover, the impact of earthquakes on hillslopes has important implications for the amount of sediment and organic matter delivered to rivers, and ultimately to oceans, during episodic catastrophic seismic crises, the magnitude of life and property losses associated with landsliding, the perturbation and recovery of landscape properties after shaking, and the long term topographic evolution of mountain belts. Several of these aspects have been addressed recently through individual case studies but additional data compilation as well as theoretical or numerical modelling are required to tackle these issues in a more systematic and rigorous manner. This dissertation combines data compilation of earthquake characteristics, landslide mapping, and seismological data interpretation with physically-based modeling in order to address how earthquakes impact on erosional processes and landscape evolution. Over short time scales (10-100 s) and intermediate length scales (10 km), I have attempted to improve our understanding and ability to predict the amount of landslide debris triggered by seismic shaking in epicentral areas. Over long time scales (1-100 ky) and across a mountain belt (100 km) I have modeled the competition between erosional unloading and building of topography associated with earthquakes. Finally, over intermediate time scales (1-10 y) and at the hillslope scale (0.1-1 km) I have collected geomorphological and seismological data that highlight persistent effects of earthquakes on landscape properties and behaviour. First, I compiled a database on earthquakes that produced significant landsliding, including an estimate of the total landslide volume and area, and earthquake characteristics such as seismic moment and source depth. A key issue is the accurate conversion of landslide maps into volume estimates. Therefore I also estimated how amalgamation - when mapping errors lead to the bundling of multiple landslide into a single polygon - affects volume estimates from various earthquake-induced landslide inventories and developed an algorithm to automatically detect this artifact. The database was used to test a physically-based prediction of the total landslide area and volume caused by earthquakes, based on seismological scaling relationships and a statistical description of the landscape properties. The model outperforms empirical fits in accuracy, with 25 out of 40 cases well predicted, and allows interpretation of many outliers in physical terms. Apart from seismological complexities neglected by the model I found that exceptional rock strength properties or antecedent conditions may explain most outliers. Second, I assessed the geomorphic effects of large earthquakes on landscape dynamics by surveying the temporal evolution of precipitation-normalized landslide rate. I found strongly elevated landslide rates following earthquakes that progressively recover over 1 to 4 years, indicating that regolith strength drops and recovers. The relaxation is clearly non-linear for at least one case, and does not seem to correlate with coseismic landslide reactivation, water table level increase or tree root-system recovery. I suggested that shallow bedrock is damaged by the earthquake and then heals on annual timescales. Such variations in ground strength must be translated into shallow subsurface seismic velocities that are increasingly surveyed with ambient seismic noise correlations. With seismic noise autocorrelation I computed the seismic velocity in the epicentral areas of three earthquakes where I constrained a change in landslide rate. We found similar recovery dynamics and timescales, suggesting that seismic noise correlation techniques could be further developed to meaningfully assess ground strength variations for landscape dynamics. These two measurements are also in good agreement with the temporal dynamics of post-seismic surface displacement measured by GPS. This correlation suggests that the surface healing mechanism may be driven by tectonic deformation, and that the surface regolith and fractured bedrock may behave as a granular media that slowly compacts as it is sheared or vibrated. Last, I compared our model of earthquake-induced landsliding with a standard formulation of surface deformation caused by earthquakes to understand which parameters govern the competition between the building and destruction of topography caused by earthquakes. In contrast with previous studies I found that very large (Mw>8) earthquakes always increase the average topography, whereas only intermediate (Mw ~ 7) earthquakes in steep landscapes may reduce topography. Moreover, I illustrated how the net effect of earthquakes varies with depth or landscape steepness implying a complex and ambivalent role through the life of a mountain belt. Further I showed that faults producing a Gutenberg-Richter distribution of earthquake sizes, will limit topography over a larger range of fault sizes than faults producing repeated earthquakes with a characteristic size. N2 - Erdbeben gestalten die Erdoberfläche, sie tragen langfristig zum Aufbau von Topografie sowie zur Landschafts- und Gebirgsbildung bei. Die von Erdbeben erzeugten seismischen Erschütterungen können Gebirge jedoch auch destabilisieren und grosse Mengen an Boden sowie Grundgestein zum Abrutschen bringen und zerrüten. Erdbeben wirken daher sowohl auf die Gebirgsbildung als auch auf ihre Denudation. Ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen von Erdbeben auf Hangstabilität ist eine wichtige Voraussetzung um die Zusammenhänge mit anderen Prozesse besser nachzuvollziehen: der kurzfristige Transport von Sedimenten und organischem Material in Flüsse und ihre Ablagerung bis in die Ozeane; der Verlust von Leben und Infrastruktur durch Hangrutschungen verbunden mit episodischen, katastrophalen, seismischen Ereignissen; die Störung und Wiederherstellung von Landschaftseigenschaften nach Erdbeben; sowie die langfristigen topographischen Entwicklung von ganzen Gebirgsketten. Einige dieser Forschungsfragen wurden kürzlich in einzelnen Fallstudien betrachtet aber zusätzliche Datenerfassung, theoretische und numerische Modellierung sind erforderlich, um diese Prozesse detaillierter zu erfassen. In dieser Dissertation werden Daten zu Eigenschaften der Erdbeben sowie aus Hangrutsch kartierungen und die Interpretation seismologischer Daten mit physikalischer Modellierung kombiniert, um die folgende übergreifende Frage zu beantworten: Wie beeinflussen Erdbeben die Erosionsprozesse in der Landschaftsentwicklung? Auf einer kurzen Zeitskala (10-100 s) und einer mittleren räumlichen Skala (10 km), habe ich versucht sowohl unser Prozessverständnis zu vertiefen als auch Vorhersagen über das gesamte Volumen der Rutschungen welche durch seismische Beben in der unmittelbaren Umgebung von Epizentren ausgelöst wurden, zu treffen und zu verbessern Auf einer langen Zeitskala (1-100 ky) und über einen Gebirgsgürtel (100 km) habe ich die durch Erdbeben ausgelösten konkurrierenden Prozesse von Abflachung von Topografie durch Erosion und den Aufbau von Topografie durch Hebung, modelliert. Auf einer mittleren Zeitskala (1-10 Jahre) und einer relativ kleinen Hangskala (0,1-1 km) habe ich geomorphologische und seismologische Daten erhoben, welche die anhaltenden Auswirkungen von Erdbeben auf Landschaftseigenschaften und deren Dynamic hervorheben. Zuerst habe ich eine Datenbank von Erdbeben erstellt, welche erhebliche Hangrutschungen ausgelöst hatten, einschliesslich einer Schätzung des gesamten Hangrutschungsvolumens und der Erdbebencharakteristiken wie z.B. seismischer Moment und Lage des Hypozentrums. Ich habe auch beurteilt, wie die Kartierung von Erdrutschen die Abschätzungen des Gesamtvolumens fehlerhaft beeinflussen können und präsentiere einen Algorithmus, um solche Fehler automatisch zu erkennen. Diese Datenbank wurde verwendet, um eine physisch-basierte Vorhersage der durch Erdbeben verursachten gesamten Hangrutschungsflächen und Volumen zu testen, welche auf seismologischen Skalierungsbeziehungen und auf einer statistischen Beschreibung der Landschaftseigenschaften basiert. Zweitens untersuchte ich den Einfluss von starken Erdbeben auf die Landschaftsdynamik durch das Vermessen der temporalen Entwicklung der Suszeptibilität von Hangrutschungen. Ich habe gezeigt, dass die stark erhöhte Hangrutschrate nach dem Erdbeben schrittweise nach einigen Jahren zurückging. Diesen Rückgang über die Zeit interpretiere ich als die Zerrüttung von oberflächennahem Gestein durch das Erdbeben und die Heilung der dadurch entstandenen Risse über der Zeit. Meine Daten deuten darauf hin, dass die Zerrüttungen und die anschliessende Heilung des Festgesteins in dem epizentralen Gebieten mit ambienten, seismischen Hintergrundrauschen überwacht werden kann. Möglicherweise wird die Heilung zusätzlich durch andauernde post-seismische Deformation angetrieben. Am Ende der Arbeit vergleiche ich meine entwickelten Modelle von erdbebenbedingten Hangrutschungen mit einer Standardformel für erdbebenverursachte Oberflächendeformierung. Mit diesem Vergleich zeige ich welche Parameter den Wettstreit zwischen der Hebung von Topografie und der gleichzeitigen Zerstörung von Topografie durch Erdbeben bestimmen. Ich zeige, dass nur mittlere - Mw ~ 7 - Erdbeben die Topografie reduzieren können im Gegensatz zu stärkeren - Mw > 8 - Beben die immer einen effektive Bildung von Topografie verursachen. Meine Ergebnisse zeigen die komplexen Zusammenhänge von Erdbeben in der Gebirgsbildung. KW - earthquake KW - landslide KW - erosion KW - Erdbeben KW - Erdrutsch KW - Erosion KW - topography KW - Topographie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96808 ER -