TY  - THES
A1  - Shirzaei, Manoochehr
T1  - Crustal deformation source monitoring using advanced InSAR time series and time dependent inverse modeling
T1  - Monitoring der Quellen von Krustendeformationen mit Hilfe modernster InSAR Zeitreihen und zeitabhängiger inverser Modellierung
N2  - Crustal deformation can be the result of volcanic and tectonic activity such as fault dislocation and magma intrusion. The crustal deformation may precede and/or succeed the earthquake occurrence and eruption. Mitigating the associated hazard, continuous monitoring of the crustal deformation accordingly has become an important task for geo-observatories and fast response systems. Due to highly non-linear behavior of the crustal deformation fields in time and space, which are not always measurable using conventional geodetic methods (e.g., Leveling), innovative techniques of monitoring and analysis are required. In this thesis I describe novel methods to improve the ability for precise and accurate mapping the spatiotemporal surface deformation field using multi acquisitions of satellite radar data. Furthermore, to better understand the source of such spatiotemporal deformation fields, I present novel static and time dependent model inversion approaches. Almost any interferograms include areas where the signal decorrelates and is distorted by atmospheric delay. In this thesis I detail new analysis methods to reduce the limitations of conventional InSAR, by combining the benefits of advanced InSAR methods such as the permanent scatterer InSAR (PSI) and the small baseline subsets (SBAS) with a wavelet based data filtering scheme. This novel InSAR time series methodology is applied, for instance, to monitor the non-linear deformation processes at Hawaii Island. The radar phase change at Hawaii is found to be due to intrusions, eruptions, earthquakes and flank movement processes and superimposed by significant environmental artifacts (e.g., atmospheric). The deformation field, I obtained using the new InSAR analysis method, is in good agreement with continuous GPS data. This provides an accurate spatiotemporal deformation field at Hawaii, which allows time dependent source modeling. Conventional source modeling methods usually deal with static deformation field, while retrieving the dynamics of the source requires more sophisticated time dependent optimization approaches. This problem I address by combining Monte Carlo based optimization approaches with a Kalman Filter, which provides the model parameters of the deformation source consistent in time. I found there are numerous deformation sources at Hawaii Island which are spatiotemporally interacting, such as volcano inflation is associated to changes in the rifting behavior, and temporally linked to silent earthquakes. I applied these new methods to other tectonic and volcanic terrains, most of which revealing the importance of associated or coupled deformation sources. The findings are 1) the relation between deep and shallow hydrothermal and magmatic sources underneath the Campi Flegrei volcano, 2) gravity-driven deformation at Damavand volcano, 3) fault interaction associated with the 2010 Haiti earthquake, 4) independent block wise flank motion at the Hilina Fault system, Kilauea, and 5) interaction between salt diapir and the 2005 Qeshm earthquake in southern Iran. This thesis, written in cumulative form including 9 manuscripts published or under review in peer reviewed journals, improves the techniques for InSAR time series analysis and source modeling and shows the mutual dependence between adjacent deformation sources. These findings allow more realistic estimation of the hazard associated with complex volcanic and tectonic systems.
N2  - Oberflächendeformationen können eine Folge von vulkanischen und tektonischen Aktivitäten sein, wie etwa Plattenverschiebungen oder Magmaintrusion. Die Deformation der Erdkruste kann einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch vorausgehen und/oder folgen. Um damit drohende Gefahren für den Menschen zu verringern, ist die kontinuierliche Beobachtung von Krustendeformationen eine wichtige Aufgabe für Erdobservatorien und Fast-Responce-Systems geworden. Auf Grund des starken nicht-linearen Verhaltens von Oberflächendeformationsgebiet in Zeit und Raum, die mit konventionellen Methoden nicht immer erfasst werden (z.B., Nivellements), sind innovative Beobachtungs- und Analysetechniken erforderlich. In dieser Dissertation beschreibe ich Methoden, welche durch Mehrfachbeobachtungen der Erdoberfläche nit satellitengestützem Radar eine präzise und akkurate Abbildung der raumzeitlichen Oberflächendeformationen ermöglichen. Um die Bildung und Entwicklung von solchen raumzeitlichen Deformationsgebieten besser zu verstehen, zeige ich weiterhin neuartige Ansätze zur statischen und zeitabhängigen Modellinversion. Radar-Interferogramme weisen häufig Gebiete auf, in denen das Phasensignal dekorreliert und durch atmosphärische Laufzeitverzögerung verzerrt ist. In dieser Arbeit beschreibe ich wie Probleme des konventionellen InSAR überwunden werden können, indem fortgeschrittene InSAR-Methoden, wie das Permanent Scatterer InSAR (PSI) und Small Baseline Subsets (SBAS), mit einer Wavelet-basierten Datenfilterung verknüpft werden. Diese neuartige Analyse von InSAR Zeitreihen wird angewendet, um zum Beispiel nicht-lineare Deformationsprozesse auf Hawaii zu überwachen. Radar-Phasenänderungen, gemessen auf der Pazifikinsel, beruhen auf Magmaintrusion, Vulkaneruption, Erdbeben und Flankenbewegungsprozessen, welche durch signifikante Artefakte (z.B. atmosphärische) überlagert werden. Mit Hilfe der neuen InSAR-Analyse wurde ein Deformationsgebiet ermittelt, welches eine gute Übereinstimmung mit kontinuierlich gemessenen GPS-Daten aufweist. Auf der Grundlage eines solchen, mit hoher Genauigkeit gemessenen, raumzeitlichen Deformationsgebiets wird für Hawaii eine zeitabhängige Modellierung der Deformationsquelle ermöglicht. Konventionelle Methoden zur Modellierung von Deformationsquellen arbeiten normalerweise mit statischen Daten der Deformationsgebiete. Doch um die Dynamik einer Deformationsquelle zu untersuchen, sind hoch entwickelte zeitabhängige Optimierungsansätze notwendig. Dieses Problem bin ich durch eine Kombination von Monte-Carlo-basierten Optimierungsansätzen mit Kalman-Filtern angegangen, womit zeitlich konsistente Modellparameter der Deformationquelle gefunden werden. Ich fand auf der Insel Hawaii mehrere, raumzeitlich interagierende Deformationsquellen, etwa Vulkaninflation verknüpft mit Kluftbildungen und Veränderungen in bestehenden Klüften sowie zeitliche Korrelationen mit stillen Erdbeben. Ich wendete die neuen Methoden auf weitere tektonisch und vulkanisch aktive Gebiete an, wo häufig die eine Interaktion der Deformationsquellen nachgewiesen werden konnte und ihrer bedeutung untersucht wurde. Die untersuchten Gebiete und Deformationsquellen sind 1) tiefe und oberflächliche hydrothermale und magmatische Quellen unterhalb des Campi Flegrei Vulkans, 2) gravitationsbedingte Deformationen am Damawand Vulkan, 3) Störungsdynamik in Verbindung mit dem Haiti Beben im Jahr 2010, 4) unabhängige blockweise Flankenbewegung an der Hilina Störungszone, und 5) der Einfluss eines Salzdiapirs auf das Qeshm Erdbeben im Süd-Iran im Jahr 2005. Diese Dissertation, geschrieben als kumulative Arbeit von neun Manuskripten, welche entweder veröffentlicht oder derzeit in Begutachtung bei ‘peer-review’ Zeitschriften sind, technische Verbesserungen zur Analyse von InSAR Zeitreihen vor sowie zur Modellierung von Deformationsquellen. Sie zeigt die gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Deformationsquellen, und sie ermöglicht, realistischere Einschätzungen von Naturgefahren, die von komplexen vulkanischen und tektonischen Systemen ausgehen.
KW  - InSAR
KW  - Vulkan
KW  - Erdbeben
KW  - inverse Modellierung
KW  - InSAR
KW  - Vulcano
KW  - earthquake
KW  - inverse modeling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50774
ER  - 
TY  - THES
A1  - Borchert, Manuela
T1  - Interactions between aqueous fluids and silicate melts : equilibration, partitioning and complexation of trace elements
T1  - Wechselwirkungen zwischen wässrigen Fluiden und silikatischen Schmelzen : Verteilung von Spurenelementen
N2  - The origin and evolution of granites has been widely studied because granitoid rocks constitute a major portion of the Earth ́s crust. The formation of granitic magma is, besides temperature mainly triggered by the water content of these rocks. The presence of water in magmas plays an important role due to the ability of aqueous fluids to change the chemical composition of the magma. The exsolution of aqueous fluids from melts is closely linked to a fractionation of elements between the two phases. Then, aqueous fluids migrate to shallower parts of the Earth ́s crust because of it ́s lower density compared to that of melts and adjacent rocks. This process separates fluids and melts, and furthermore, during the ascent, aqueous fluids can react with the adjacent rocks and alter their chemical signature. This is particularly impor- tant during the formation of magmatic-hydrothermal ore deposits or in the late stages of the evolution of magmatic complexes. For a deeper insight to these processes, it is essential to improve our knowledge on element behavior in such systems. In particular, trace elements are used for these studies and petrogenetic interpretations because, unlike major elements, they are not essential for the stability of the phases involved and often reflect magmatic processes with less ambiguity. However, for the majority of important trace elements, the dependence of the geochemical behavior on temperature, pressure, and in particular on the composition of the system are only incompletely or not at all experimentally studied. Former studies often fo- cus on the determination of fluid−melt partition coefficients (Df/m=cfluid/cmelt) of economically interesting elements, e.g., Mo, Sn, Cu, and there are some partitioning data available for ele- ments that are also commonly used for petrological interpretations. At present, no systematic experimental data on trace element behavior in fluid−melt systems as function of pressure, temperature, and chemical composition are available. Additionally, almost all existing data are based on the analysis of quenched phases. This results in substantial uncertainties, particularly for the quenched aqueous fluid because trace element concentrations may change upon cooling. The objective of this PhD thesis consisted in the study of fluid−melt partition coefficients between aqueous solutions and granitic melts for different trace elements (Rb, Sr, Ba, La, Y, and Yb) as a function of temperature, pressure, salinity of the fluid, composition of the melt, and experimental and analytical approach. The latter included the refinement of an existing method to measure trace element concentrations in fluids equilibrated with silicate melts di- rectly at elevated pressures and temperatures using a hydrothermal diamond-anvil cell and synchrotron radiation X-ray fluorescence microanalysis. The application of this in-situ method enables to avoid the main source of error in data from quench experiments, i.e., trace element concentration in the fluid. A comparison of the in-situ results to data of conventional quench experiments allows a critical evaluation of quench data from this study and literature data. In detail, starting materials consisted of a suite of trace element doped haplogranitic glasses with ASI varying between 0.8 and 1.4 and H2O or a chloridic solution with m NaCl/KCl=1 and different salinities (1.16 to 3.56 m (NaCl+KCl)). Experiments were performed at 750 to 950◦C and 0.2 or 0.5 GPa using conventional quench devices (externally and internally heated pressure vessels) with different quench rates, and at 750◦C and 0.2 to 1.4 GPa with in-situ analysis of the trace element concentration in the fluids. The fluid−melt partitioning data of all studied trace elements show 1. a preference for the melt (Df/m < 1) at all studied conditions, 2. one to two orders of magnitude higher Df/m using chloridic solutions compared to experiments with H2O, 3. a clear dependence on the melt composition for fluid−melt partitioning of Sr, Ba, La, Y, and Yb in experiments using chloridic solutions, 4. quench rate−related differences of fluid−melt partition coefficients of Rb and Sr, and 5. distinctly higher fluid−melt partitioning data obtained from in-situ experiments than from comparable quench runs, particularly in the case of H2O as starting solution. The data point to a preference of all studied trace elements for the melt even at fairly high salinities, which contrasts with other experimental studies, but is supported by data from studies of natural co-genetically trapped fluid and melt inclusions. The in-situ measurements of trace element concentrations in the fluid verify that aqueous fluids will change their composition upon cooling, which is in particular important for Cl free systems. The distinct differences of the in-situ results to quench data of this study as well as to data from the literature signify the im- portance of a careful fluid sampling and analysis. Therefore, the direct measurement of trace element contents in fluids equilibrated with silicate melts at elevated PT conditions represents an important development to obtain more reliable fluid−melt partition coefficients. For further improvement, both the aqueous fluid and the silicate melt need to be analyzed in-situ because partitioning data that are based on the direct measurement of the trace element content in the fluid and analysis of a quenched melt are still not completely free of quench effects. At present, all available data on element complexation in aqueous fluids in equilibrium with silicate melts at high PT are indirectly derived from partitioning data, which involves in these experiments assumptions on the species present in the fluid. However, the activities of chemical components in these partitioning experiments are not well constrained, which is required for the definition of exchange equilibria between melt and fluid species. For example, the melt-dependent variation of partition coefficient observed for Sr imply that this element can not only be complexed by Cl− as suggested previously. The data indicate a more complicated complexation of Sr in the aqueous fluid. To verify this hypothesis, the in-situ setup was also used to determine strontium complexation in fluids equilibrated with silicate melts at desired PT conditions by the application of X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. First results show a strong effect of both fluid and melt composition on the resulting XANES spectra, which indicates different complexation environments for Sr.
N2  - Die Entstehung und Entwicklung von Graniten steht seit Jahrzehnten im Fokus vieler geologischer Studien, da sich die Erdkruste zu großen Teilen aus granitoiden Gesteinen zusammensetzt. Von besonderer Bedeutung für die Bildung von granitischen Schmelzen ist neben der Temperatur, der Wassergehalt der Schmelze, da dieser Parameter die chemische Zusammensetzung der Schmelze entscheidend verändern kann. Die Entmischung wässriger Fluide aus Schmelzen führt zur Neuverteilung von Elementen zwischen diesen Phasen. Bedingt durch die geringere Dichte des wässrigen Fluids im Vergleich zur Schmelze und dem Nebengestein, beginnt dieses aus tieferen Erdschichten aufzusteigen. Damit verknüpft ist nicht nur eine räumliche Trennung von Schmelze und Fluid, sondern auch die Alterierung des Nebengestein. Dieser Prozess ist insbesondere bei der Bildung von magmatisch-hydrothermalen Lagerstätten und in späten Entwicklungsstadien magmatischer Komplexe wichtig. Für ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist es notwendig, das Elementverhalten in solchen Systemen in Abhängigkeit von Parametern wie Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung des Systems experimentell zu untersuchen, und Elementverteilungskoeffizienten als Funktion dieser Variablen zu bestimmen. Für die Untersuchungen sind insbesondere Spurenelemente geeignet, da diese im Gegensatz zu Hauptelementen nicht essentiell für die Stabilität weiterer auftretender Phasen sind, aber sehr sensibel auf Änderungen intensiver Variablen reagieren können. Zudem werden bei geochemischen Mineral- und Gesteinsanalysen viele Spurenelemente, Spurenelementverhältnisse, und Spurenelementisotope als petrogenetische Indikatoren verwendet, d.h. diese Daten liefern Informationen darüber, wann und in welcher Tiefe und bei welchen chemischen Bedingungen ein Gestein gebildet worden ist, und welche weiteren Prozesse es auf dem Weg zur Erdoberfläche durchlaufen hat. Allerdings sind für vie- le Spurenelemente die Abhängigkeiten der Verteilung zwischen Fluiden und Schmelzen von intensiven Variablen nicht, oder nur unzureichend experimentell untersucht worden. Zusätzlich dazu basiert die Mehrheit der experimentell gewonnenen Verteilungskoeffizienten und deren Interpretation, insbesondere hinsichtlich der Elementkomplexierung im Fluid, auf der Analyse von schnell abgekühlten Phasen. Bisher ist nicht geklärt, ob solche Analysen repräsentativ sind für die Zusammensetzungen der Phasen bei hohen Drücken und Temperaturen. Das Ziel dieser Studie war die Erarbeitung eines experimentellen Datensatzes zur Spu- renelementverteilung zwischen granitischen Schmelzen und wässrigen Fluiden in Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung, der Salinität des Fluids, des Drucks und der Temperatur. Ein Hauptanliegen der Arbeit bestand in der Weiterentwicklung einer experimentellen Methode bei welcher der Spurenelementgehalt im Fluid in-situ, d.h. unter hohen Drücken und Temperaturen, und im Gleichgewicht mit einer silikatischen Schmelze bestimmt wird. Die so gewonnenen Daten können anschließend mit den Resultaten von Abkühlexperimenten vergli- chen werden, um diese und auch Literaturdaten kritisch zu bewerten. Die Daten aller unter- suchten Spurenelemente dieser Arbeit (Rb, Sr, Ba, La, Y und Yb) zeigen: 1. unter den untersuchten Bedingungen eine Präferenz für die Schmelze unabhängig von der chemischen Zusammensetzung von Schmelze und Fluid, Druck oder Temperatur, 2. die Verwendung von chloridhaltigen Fluiden kann die Verteilungskoeffizienten um 1 bis 2 Größenordnungen anheben und 3. für die Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Y und Yb eine starke Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung im chloridischen System. Der Vergleich der Daten der verschiedenen Methoden zeigt, dass insbesondere für chloridfreie Fluide große Diskrepanzen zwischen den in-situ Daten und Analysen von abgeschreckten Proben bestehen. Dieses Ergebnis beweist eindeutig, dass beim Abschrecken der Proben Rückreaktionen stattfinden, und dass Daten, welche auf Analysen abgeschreckter Fluide basieren, nur eingeschränkt verwendet werden sollten. Die Variation der Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Yb, und Y als Funktion der Schmelzzusammensetzung ist entweder auf eine Änderung der Komplexierung im Fluid und/oder einen anderen veränderten Einbau dieser Elemente in die Schmelze zurückzuführen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals versucht, die Elementkomplexierung in silikatischen Fluiden direkt bei hohen Temperaturen und Drücken zu bestimmen. Die Daten für Sr zeigen, dass abhängig von der Schmelzzusammensetzung unterschiedliche Komplexe stabil sein müssen.
KW  - Spurenelement-Partitionierung
KW  - Fluid-Schmelze Wechselwirkung
KW  - HP-HT Experimente
KW  - In-Situ-Analyse
KW  - HDAC
KW  - trace element partitioning
KW  - fluid-melt interaction
KW  - HP-HT experiments
KW  - in-situ analysis
KW  - HDAC
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-42088
ER  - 
TY  - THES
A1  - Creutzfeldt, Noah Angelo Benjamin
T1  - The effect of water storages on temporal gravity measurements and the benefits for hydrology
T1  - Der Effekt von Wasserspeicher auf zeitabhängige Gravitationsmessungen und der Nutzen für die Hydrologie
N2  - Temporal gravimeter observations, used in geodesy and geophysics to study variation of the Earth’s gravity field, are influenced by local water storage changes (WSC) and – from this perspective – add noise to the gravimeter signal records. At the same time, the part of the gravity signal caused by WSC may provide substantial information for hydrologists. Water storages are the fundamental state variable of hydrological systems, but comprehensive data on total WSC are practically inaccessible and their quantification is associated with a high level of uncertainty at the field scale. This study investigates the relationship between temporal gravity measurements and WSC in order to reduce the hydrological interfering signal from temporal gravity measurements and to explore the value of temporal gravity measurements for hydrology for the superconducting gravimeter (SG) of the Geodetic Observatory Wettzell, Germany. A 4D forward model with a spatially nested discretization domain was developed to simulate and calculate the local hydrological effect on the temporal gravity observations. An intensive measurement system was installed at the Geodetic Observatory Wettzell and WSC were measured in all relevant storage components, namely groundwater, saprolite, soil, top soil and snow storage. The monitoring system comprised also a suction-controlled, weighable, monolith-filled lysimeter, allowing an all time first comparison of a lysimeter and a gravimeter. Lysimeter data were used to estimate WSC at the field scale in combination with complementary observations and a hydrological 1D model. Total local WSC were derived, uncertainties were assessed and the hydrological gravity response was calculated from the WSC. A simple conceptual hydrological model was calibrated and evaluated against records of a superconducting gravimeter, soil moisture and groundwater time series. The model was evaluated by a split sample test and validated against independently estimated WSC from the lysimeter-based approach. A simulation of the hydrological gravity effect showed that WSC of one meter height along the topography caused a gravity response of 52 µGal, whereas, generally in geodesy, on flat terrain, the same water mass variation causes a gravity change of only 42 µGal (Bouguer approximation). The radius of influence of local water storage variations can be limited to 1000 m and 50 % to 80 % of the local hydro¬logical gravity signal is generated within a radius of 50 m around the gravimeter. At the Geodetic Observatory Wettzell, WSC in the snow pack, top soil, unsaturated saprolite and fractured aquifer are all important terms of the local water budget. With the exception of snow, all storage components have gravity responses of the same order of magnitude and are therefore relevant for gravity observations. The comparison of the total hydrological gravity response to the gravity residuals obtained from the SG, showed similarities in both short-term and seasonal dynamics. However, the results demonstrated the limitations of estimating total local WSC using hydrological point measurements. The results of the lysimeter-based approach showed that gravity residuals are caused to a larger extent by local WSC than previously estimated. A comparison of the results with other methods used in the past to correct temporal gravity observations for the local hydrological influence showed that the lysimeter measurements improved the independent estimation of WSC significantly and thus provided a better way of estimating the local hydrological gravity effect. In the context of hydrological noise reduction, at sites where temporal gravity observations are used for geophysical studies beyond local hydrology, the installation of a lysimeter in combination with complementary hydrological measurements is recommended. From the hydrological view point, using gravimeter data as a calibration constraint improved the model results in comparison to hydrological point measurements. Thanks to their capacity to integrate over different storage components and a larger area, gravimeters provide generalized information on total WSC at the field scale. Due to their integrative nature, gravity data must be interpreted with great care in hydrological studies. However, gravimeters can serve as a novel measurement instrument for hydrology and the application of gravimeters especially designed to study open research questions in hydrology is recommended.
N2  - Zeitabhängigen Gravimetermessungen, die in der Geodäsie und der Geophysik eingesetzt werden, um Variationen des Erdschwerefelds zu messen, werden durch lokale Wasserspeicheränderungen beeinflusst und verursachen – aus dieser Perspektive – ein hydrologisches Störsignal in den Gravimetermessungen. Gleichzeitig bietet der Teil des Gravimetersignals, der durch Wasserspeicheränderungen hervorgerufen wird, das Potential wichtige Informationen über hydrologische Speicher zu gewinnen, da zwar Wasserspeicher eine grundlegende Zustandsgröße hydrologischer Systeme darstellt, jedoch ihre Quantifizierung mit einem hohen Maß an Unsicherheiten auf der Feldskala behaftet ist. Diese Studie untersucht die Beziehung zwischen zeitabhängigen Gravimetermessungen und Wasserspeicheränderungen, um die Gravimetermessungen von dem hydrologischen Störsignal zu bereinigen und um den Nutzen der Gravimetermessungen für die Hydrologie zu erkunden. Dies geschieht am Beispiel des Supraleitgravimeters (SG) des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Deutschland. Ein 4D Vorwärtsmodel mit einer räumlich genesteten Diskretisierungsdomäne wurde entwickelt, um die lokalen hydrologischen Masseneffekte auf Gravimetermessungen zu simulieren. Des Weiteren wurde ein intensives Messsystem am Geodätischen Observatorium Wettzell installiert, um die Wasserspeicheränderungen in allen relevanten Speicherkomponenten, also im dem Grundwasser, in der ungesättigten Zone und im Schneespeicher zu messen. Das Monitoringsystem beinhaltete auch einen wägbaren, monolithischen Lysimeter mit Matrixpotentialübertragung, der es uns ermöglichte, zum ersten Mal einen Lysimeter direkt mit einem Gravimeter zu vergleichen. Die Lysimetermessungen wurden in Kombination mit komplementären hydrologischen Beobachtungen und einem 1D-Modell verwendet, um die Wasserspeicheränderungen auf der Feldskala zu bestimmen. Die Gesamtwasserspeicheränderungen wurden bestimmt, Unsicherheiten abgeschätzt und der hydrologische Masseneffekt auf Gravimetermessungen berechnet. Schlussendlich wurde ein einfaches, konzeptionelles, hydrologisches Modell mittels der Zeitreihen von dem SG, Bodenfeuchte- und Grundwassermessungen kalibriert und evaluiert. Das Modell wurde durch einen “Split-Sample-Test” evaluiert und basierend auf unabhängig bestimmten Wasserspeicheränderungen bestimmt auf Grundlage der Lysimetermessungen validiert. Die Simulation des hydrologischen Masseneffektes auf Gravimetermessungen zeigte, dass Wasserspeicheränderungen von einem Meter Höhe entlang der Topographie, einen Erdschwereeffekt von 52 µGal hervorriefen, während in der Geodäsie im Allgemeinen die gleiche Wassermassenvariation in flachem Terrain eine Erdschwereeffekt von nur 42 µGal (Bouguer-Platte) hervorruft. Der Einflussradius der lokalen Wasserspeicheränderungen kann auf 1000 m begrenzt werden, und 50 % bis 80 % des lokalen hydrologischen Erdschweresignals wird in einem Radius von 50 m um den Gravimeter generiert. Wasserspeichervariationen in der Schneedecke, im Oberboden, dem ungesättigten Saprolith und im gelüfteten Aquifer, sind allesamt wichtige Größen der lokalen Wasserbilanz. Mit der Ausnahme von Schnee beeinflussen alle Speicheränderungen die Gravimetermessungen in derselben Größenordnung und sind daher für die Gravimetermessungen von Bedeutung. Ein Vergleich des lokalen hydrologischen Gravitationseffektes mit den SG Residuen zeigte sowohl ereignisbezogene als auch saisonalen Übereinstimmungen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse jedoch auch die Grenzen bei der Bestimmung der gesamten lokalen Wasserspeichervariationen mithilfe hydrologischer Punktmessungen auf. Die Ergebnisse des Lysimeter-basierten Ansatzes zeigten, dass SG Residuen mehr noch, als bisher aufgezeigt, durch lokale Wasserspeicheränderungen hervorgerufen werden. Ein Vergleich der Resultate mit anderen Methoden, die in der Vergangenheit zur Korrektur zeitabhängiger Erdschwerebeobachtungen durch Bestimmung des lokalen hydrologischen Masseneffekte verwendet wurden, zeigte, dass die unabhängige Berechnung von Wasserspeicheränderungen durch Lysimetermessungen erheblich verbessert werden kann und dass diese somit eine verbesserte Methode zur Bestimmung des lokalen hydrologischen Erdschwereeffekts darstellt. Die Installation eines Lysimeters ist somit im Zusammenhang mit einer Reduzierung des hydrologischen Störsignals und an Standorten, wo zeitabhängige Erdschwerebeobachtungen für geophysikalische Studien, die über die lokale Hydrologie hinausgehen verwendet werden, zu empfehlen. Aus hydrologischer Sicht zeigte diese Studie, dass die Verwendung von zeitabhängigen Gravimetermessungen als Kalibrierungsdaten die Modellergebnisse im Vergleich zu hydrologischen Punktmessungen verbesserten. Auf Grund ihrer Fähigkeit, über verschiedene Speicherkomponenten und ein größeres Gebiet zu integrieren, bieten Gravimeter verallgemeinerte Informationen über die Gesamtwasserspeicherveränderungen auf der Feldskala. Diese integrative Eigenschaft macht es notwendig, Erdschweredaten in hydrologischen Studien mit großer Vorsicht zu interpretieren. Dennoch können Gravimeter der Hydrologie als neuartiges Messinstrument dienen und die Nutzung von Gravimetern, die speziell für die Beantwortung noch offener Forschungsfragen der Hydrologie entwickelt wurden wird hier empfohlen.
KW  - Hydrogeopyhsik
KW  - zeitabhängige Gravitationsvariation
KW  - Wasserspeicheränderungen
KW  - Supraleitender Gravimeter (SG)
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Hydrogeophysics
KW  - temporal gravity variations
KW  - water storage changes
KW  - superconducting gravimeter (SG)
KW  - hydrological monitoring and modelling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48575
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TY  - THES
A1  - Wilke, Franziska Daniela Helena
T1  - Quantifying crystalline exhumation in the Himalaya
T1  - Quantifizierung von Exhumationsbedingungen der kristallinen Gesteine aus dem Himalaja
N2  - In 1915, Alfred Wegener published his hypotheses of plate tectonics that revolutionised the world for geologists. Since then, many scientists have studied the evolution of continents and especially the geologic structure of orogens: the most visible consequence of tectonic processes. Although the morphology and landscape evolution of mountain belts can be observed due to surface processes, the driving force and dynamics at lithosphere scale are less well understood despite the fact that rocks from deeper levels of orogenic belts are in places exposed at the surface. In this thesis, such formerly deeply-buried (ultra-) high-pressure rocks, in particular eclogite facies series, have been studied in order to reveal details about the formation and exhumation conditions and rates and thus provide insights into the geodynamics of the most spectacular orogenic belt in the world: the Himalaya. The specific area investigated was the Kaghan Valley in Pakistan (NW Himalaya). Following closure of the Tethyan Ocean by ca. 55-50 Ma, the northward subduction of the leading edge of India beneath the Eurasian Plate and subsequent collision initiated a long-lived process of intracrustal thrusting that continues today. The continental crust of India – granitic basement, Paleozoic and Mesozoic cover series and Permo-Triassic dykes, sills and lavas – has been buried partly to mantle depths. Today, these rocks crop out as eclogites, amphibolites and gneisses within the Higher Himalayan Crystalline between low-grade metamorphosed rocks (600-640°C/ ca. 5 kbar) of the Lesser Himalaya and Tethyan sediments. Beside tectonically driven exhumation mechanisms the channel flow model, that describes a denudation focused ductile extrusion of low viscosity material developed in the middle to lower crust beneath the Tibetan Plateau, has been postulated. To get insights into the lithospheric and crustal processes that have initiated and driven the exhumation of this (ultra-) high-pressure rocks, mineralogical, petrological and isotope-geochemical investigations have been performed. They provide insights into 1) the depths and temperatures to which these rocks were buried, 2) the pressures and temperatures the rocks have experienced during their exhumation, 3) the timing of these processes 4) and the velocity with which these rocks have been brought back to the surface. In detail, through microscopical studies, the identification of key minerals, microprobe analyses, standard geothermobarometry and modelling using an effective bulk rock composition it has been shown that published exhumation paths are incomplete. In particular, the eclogites of the northern Kaghan Valley were buried to depths of 140-100 km (36-30 kbar) at 790-640°C. Subsequently, cooling during decompression (exhumation) towards 40-35 km (17-10 kbar) and 630-580°C has been superseded by a phase of reheating to about 720-650°C at roughly the same depth before final exhumation has taken place. In the southern-most part of the study area, amphibolite facies assemblages with formation conditions similar to the deduced reheating phase indicate a juxtaposition of both areas after the eclogite facies stage and thus a stacking of Indian Plate units. Radiometric dating of zircon, titanite and rutile by U-Pb and amphibole and micas by Ar-Ar reveal peak pressure conditions at 47-48 Ma. With a maximum exhumation rate of 14 cm/a these rocks reached the crust-mantle boundary at 40-35 km within 1 Ma. Subsequent exhumation (46-41 Ma, 40-35 km) decelerated to ca. 1 mm/a at the base of the continental crust but rose again to about 2 mm/a in the period of 41-31 Ma, equivalent to 35-20 km. Apatite fission track (AFT) and (U-Th)/He ages from eclogites, amphibolites, micaschists and gneisses yielded moderate Oligocene to Miocene cooling rates of about 10°C/Ma in the high altitude northern parts of the Kaghan Valley using the mineral-pair method. AFT ages are of 24.5±3.8 to 15.6±2.1 Ma whereas apatite (U-Th)/He analyses yielded ages between 21.0±0.6 and 5.3±0.2 Ma. The southern-most part of the Valley is dominated by younger late Miocene to Pliocene apatite fission track ages of 7.6±2.1 and 4.0±0.5 Ma that support earlier tectonically and petrologically findings of a juxtaposition and stack of Indian Plate units. As this nappe is tectonically lowermost, a later distinct exhumation and uplift driven by thrusting along the Main Boundary Thrust is inferred. A multi-stage exhumation path is evident from petrological, isotope-geochemical and low temperature thermochronology investigations. Buoyancy driven exhumation caused an initial rapid exhumation: exhumation as fast as recent normal plate movements (ca. 10 cm/a). As the exhuming units reached the crust-mantle boundary the process slowed down due to changes in buoyancy. Most likely, this exhumation pause has initiated the reheating event that is petrologically evident (e.g. glaucophane rimmed by hornblende, ilmenite overgrowth of rutile). Late stage processes involved widespread thrusting and folding with accompanied regional greenschist facies metamorphism, whereby contemporaneous thrusting on the Batal Thrust (seen by some authors equivalent to the MCT) and back sliding of the Kohistan Arc along the inverse reactivated Main Mantle Thrust caused final exposure of these rocks. Similar circumstances have been seen at Tso Morari, Ladakh, India, 200 km further east where comparable rock assemblages occur. In conclusion, as exhumation was already done well before the initiation of the monsoonal system, climate dependent effects (erosion) appear negligible in comparison to far-field tectonic effects.
N2  - Seit der von Alfred Wegener 1915 postulierten Hypothese der Plattentektonik haben viele Forscher Anstrengungen unternommen die Entstehungsgeschichte und den geologischen Aufbau von Gebirgen nachzuvollziehen. Oberflächennahe Abläufe sind ansatzweise verstanden, während Prozesse im Erdinneren weit weniger bekannt sind. Informationen hierüber können jedoch aus den Gesteinen, ihren Mineralen und wiederum deren chemischen Komponenten gewonnen werden, da diese die Entstehung und Entwicklung der Gebirgsbildung “miterlebt”, und wichtige Informationen gespeichert haben. In dieser Arbeit wurden dazu exemplarisch (Ultra-) Hochdruckgesteine ((U-)HP), sogenannte Eklogite, und deren Umgebungsgesteine aus dem nordwestlichen Himalaja, insbesondere aus dem Kaghan Tal in Pakistan untersucht um den Exhumationsprozess von tief subduzierten Krustengesteinen im allgemeinen, und im Hinblick auf mögliche klimabedingte Einflüsse, besser zu verstehen. Die Bildung des Himalajas ist auf die Versenkung, eines südlich der eurasischen Platte angesiedelten Ozeans, der Tethys, und die nachfolgende Kollision Indiens mit dem Eurasischen Kontinent vor und seit etwa 50-55 Millionen Jahre zurück zu führen. Dabei wurden kalter, dichter Ozeanboden und leichtere Krustensegmente rasch in große Tiefen subduziert. Heute sind diese Hochdruck- und ultra Hochdruckgesteine in einigen Bereichen des Himalaja zwischen schwach metamorph überprägten (600-640°C/ca. 5 kbar) Gesteinen und alten Sedimenten der Tethys aufgeschlossen. Anhand von petrographischen, mineral-chemischen, petrologischen und isotopen-geochemischen Untersuchungen dieser (Ultra) Hochdruckgesteine konnte ich zeigen, dass 1) die Gesteine in über 100 km Tiefe also bis in den Erdmantel vordrangen, 2) sie bei ihrem Aufstieg in Krustenbereiche von 40-35 km zuerst von 790-640°C auf 630-580°C abgekühlten um danach wieder auf 720-650°C aufgeheizt zu werden, sie 3) innerhalb von 700.000 Jahren um mindestens 60 km Richtung Erdoberfläche exhumiert wurden und somit 4) Geschwindigkeiten von 9-14 cm pro Jahr erreichten, die der normaler Plattengeschwindigkeiten (>10 cm/a) entspricht, wobei sich 5) dieser Prozess ab 40-35 km auf 0.1-0.2 cm/a stark verlangsamte und auch 6) ab einer Tiefe von 6 km bis zur Erdoberfläche keine, z. B. niederschlagsbedingt, erhöhte Abkühlungsrate zu erkennen ist. Eine schnelle initiale Exhumierung erfolgte durch den Dichteunterschied von leichtem, subduzierten Krustengestein zum dichteren Mantel. Dieser Prozess kam an der Krusten-Mantel-Grenze nahezu zum erliegen, einhergehend mit einer sekundären Aufheizung des Gesteins und wurde, jedoch weit weniger schnell, durch die Kollision der beiden Kontinente Eurasien und Indien und dadurch bedingte Überschiebungen, Faltungen und gravitative Abschiebungen fortgesetzt, die Gesteine zur Oberfläche transportiert und dort freigelegt. Eine erosions- und damit klimabedingte Beschleunigung oder gar gänzlich davon abhängige kontinuierliche Exhumation konnte in dieser Region des Himalajas nicht bestätigt werden. Vielmehr belegen die Daten eine mehrstufige Exhumation wie sie auch im Tso Morari Gebiet (NW Indien) angenommen wird, für weitere Ultrahochdruckareale wie, z. B. das Kokchetav Massif (Kasachstan), den Dabie Shan (China) oder den europäischen Varisziden (z. B. Böhmisches Massiv) jedoch noch geklärt werden muss, um generell gültige Mantel- und Krustenprozesse abzuleiten.
KW  - Himalaja (Kaghan)
KW  - Eklogite
KW  - Druck-Temperatur Bedingungen
KW  - (Alters-) Datierungen
KW  - Exhumationsraten
KW  - Himalaya (Kaghan Valley)
KW  - eclogite (UHP)
KW  - multi-stage exhumation
KW  - exhumation rates
KW  - geochronology
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-43138
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TY  - THES
A1  - Ruch, Joël
T1  - Volcano deformation analysis in the Lazufre area (central Andes) using geodetic and geological observations
T1  - Vulkan Deformationsanalyse im Bereich Lazufre (Zentral-Anden) mit geodätischen und geologischen Beobachtungen
N2  - Large-scale volcanic deformation recently detected by radar interferometry (InSAR) provides new information and thus new scientific challenges for understanding volcano-tectonic activity and magmatic systems. The destabilization of such a system at depth noticeably affects the surrounding environment through magma injection, ground displacement and volcanic eruptions. To determine the spatiotemporal evolution of the Lazufre volcanic area located in the central Andes, we combined short-term ground displacement acquired by InSAR with long-term geological observations. Ground displacement was first detected using InSAR in 1997. By 2008, this displacement affected 1800 km2 of the surface, an area comparable in size to the deformation observed at caldera systems. The original displacement was followed in 2000 by a second, small-scale, neighbouring deformation located on the Lastarria volcano. We performed a detailed analysis of the volcanic structures at Lazufre and found relationships with the volcano deformations observed with InSAR. We infer that these observations are both likely to be the surface expression of a long-lived magmatic system evolving at depth. It is not yet clear whether Lazufre may trigger larger unrest or volcanic eruptions; however, the second deformation detected at Lastarria and the clear increase of the large-scale deformation rate make this an area of particular interest for closer continuous monitoring.
N2  - Vulkanische Deformationen in großem Maßstab, die mittels InSAR gemessen wurden, liefern neue Informationen und dadurch einen neuen Blickwinkel auf vulkan-tektonische Aktivitäten und das Verständnis von langlebigen, magmatischen Systemen. Die Destabilisierung eines solchen Systems in der Tiefe beeinflusst dauerhaft die Oberfläche durch Versatz des Bodens, magmatische Einflüsse und vulkanische Unruhen. Mit der Kombination aus kleinräumigem Bodenversatz gemessen mittels InSAR, numerischer Modellierung und langfristigen geologischen Beobachtungen, analysieren wir die Gegend um den Vulkan Lazufre in den Zentralanden, um die raumzeitliche Entwicklung der Region zu bestimmen. Bodenversatz wurde hierbei im Jahr 1997 mittels Radar-Interferrometrie (InSAR) gemessen, was eine Fläche von 1800 km² ausmacht, vergleichbar mit der Größe der Deformation des Kraters. Im Jahr 2000 wurde zusätzlich eine kleinräumige Deformation am Nachbarvulkan Lastarria entdeckt. Wir sehen räumliche als auch zeitliche Verbindungen zwischen der Deformation des Vulkans und vulkanischen Strukturen innerhalb der betroffenen Gegend. Wir folgern daraus, dass diese Beobachtungen der Ausdruck eines langlebigen, magmatischen Systems in der Tiefe an der Oberfläche sind. Es ist noch nicht klar, ob Lazufre größere vulkanische Unruhen, wie zum Beispiel Eruptionen auslösen könnte, aber die Deformation am Vulkan Lastarria und ein Anstieg der großräumigen Deformationsrate, machen diese Region interessant für eine zukünftige, kontinuierliche Überwachung.
KW  - Vulkan Verformung
KW  - InSAR
KW  - zentralen Anden
KW  - Spannungsfeld
KW  - volcano deformation
KW  - InSAR
KW  - central Andes
KW  - stress field
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-47361
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TY  - THES
A1  - Strollo, Angelo
T1  - Development of techniques for earthquake microzonation studies in different urban environment
T1  - Entwicklung von Techniken für Mikrozonierungsstudien von Erdbeben in verschiedenen städtischen Umgebungen
N2  - The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise.
N2  - Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.
KW  - instrumentelle Seismologie
KW  - Standorteffekte
KW  - Korrelation
KW  - seismische Rauschen
KW  - instrumental seismology
KW  - site effects
KW  - correlation
KW  - seismic noise
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53807
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TY  - THES
A1  - Borchers, Andreas
T1  - Glaciomarine sedimentation at the continental margin of Prydz Bay, East Antarctica : implications on palaeoenvironmental changes during the Quaternary
T1  - Glaziomarine Sedimentation am Kontinentalrand der Prydz-Bucht, Ostantarktis : Schlussfolgerungen hinsichtlich Veränderungen der Paläoumweltbedingungen während des Quartärs
N2  - The Antarctic plays an important role in the global climate system. On the one hand, the Antarctic Ice Sheet is the largest freshwater reservoir on Earth. On the other hand, a major proportion of the global bottom-water formation takes place in Antarctic shelf regions, forcing the global thermohaline circulation. The main goal of this dissertation is to provide new insights into the dynamics and stability of the EAIS during the Quaternary. Additionally, variations in the activity of bottom-water formation and their causes are investigated. The dissertation is a German contribution to the International Polar Year 2007/ 2008 and was funded by the ‘Deutsche Forschungsgesellschaft’ (DFG) within the scope of priority program 1158 ‘Antarctic research with comparative studies in Arctic ice regions’. During RV Polarstern expedition ANT-XXIII/9, glaciomarine sediments were recovered from the Prydz Bay-Kerguelen region. Prydz Bay is a key region for the study of East EAIS dynamics, as 16% of the EAIS are drained through the Lambert Glacier into the bay. Thereby, the glacier transports sediment into Prydz Bay which is then further distributed by calving icebergs or by current transport. The scientific approach of this dissertation is the reconstruction of past glaciomarine environments to infer on the response of the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system to climate shifts during the Quaternary. To characterize the depositional setting, sedimentological methods are used and statistical analyses are applied. Mineralogical and (bio)geochemical methods provide a means to reconstruct sediment provenances and to provide evidence on changes in the primary production in the surface water column. Age-depth models were constructed based on palaeomagnetic and palaeointensity measurements, diatom stratigraphy and radiocarbon dating. Sea-bed surface sediments in the investigation area show distinct variations in terms of their clay minerals and heavy-mineral assemblages. Considerable differences in the mineralogical composition of surface sediments are determined on the continental shelf. Clay minerals as well as heavy minerals provide useful parameters to differentiate between sediments which originated from erosion of crystalline rocks and sediments originating from Permo-Triassic deposits. Consequently, mineralogical parameters can be used to reconstruct the provenance of current-transported and ice-rafted material. The investigated sediment cores cover the time intervals of the last 1.4 Ma (continental slope) and the last 12.8 cal. ka BP (MacRobertson shelf). The sediment deposits were mainly influenced by glacial and oceanographic processes and further by biological activity (continental shelf), meltwater input and possibly gravitational transport. Sediments from the continental slope document two major deglacial events: the first deglaciation is associated with the mid-Pleistocene warming recognized around the Antarctic. In Prydz Bay, the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf retreated far to the south and high biogenic productivity commenced or biogenic remains were better preserved due to increased sedimentation rates. Thereafter, stable glacial conditions continued until 400 - 500 ka BP. Calving of icebergs was restricted to the western part of the Lambert Glacier. The deeper bathymetry in this area allows for floating ice shelf even during times of decreased sea-level. Between 400 - 500 ka BP and the last interglacial (marine isotope stage 5) the glacier was more dynamic. During or shortly after the last interglacial the LAIS retreated again due to sea-level rise of 6 - 9 m. Both deglacial events correlate with a reduction in the thickness of ice masses in the Prince Charles Mountains. It indicates that a disintegration of the Amery Ice Shelf possibly led to increased drainage of ice masses from the Prydz Bay hinterland. A new end-member modelling algorithm was successfully applied on sediments from the MacRobertson shelf used to unmix the sand grain size fractions sorted by current activity and ice transport, respectively. Ice retreat on MacRobertson Shelf commenced 12.8 cal. ka BP and ended around 5.5 cal. ka BP. During the Holocene, strong fluctuations of the bottomwater activity were observed, probably related to variations of sea-ice formation in the Cape Darnley polynya. Increased activity of bottom-water flow was reconstructed at transitions from warm to cool conditions, whereas bottom-water activity receded during the mid- Holocene climate optimum. It can be concluded that the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system was relatively stable in terms of climate variations during the Quaternary. In contrast, bottom-water formation due to polynya activity was very sensitive to changes in atmospheric forcing and should gain more attention in future research.
N2  - Die Antarktis spielt im globalen Umweltsystem eine tragende Rolle. Mit ihrem mächtigen Eispanzer ist sie nicht nur der größte Süsswasserspeicher auf der Erde, in ihren Schelfregionen wird auch ein Großteil der globalen Bodenwassermassen gebildet, welche die globale thermohaline Zirkulation antreiben. Hauptziel dieser Arbeit, welche einen deutschen Beitrag zum Internationalen Polarjahr 2007/ 2008 liefert, war es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der Stabilität des Ostantarktischen Eisschildes während des Quartärs zu liefern. Weiterhin sollten Aussagen über Variationen in der Bildung von Antarktischem Bodenwasser und deren Ursachen getroffen werden. Dazu wurde im Rahmen der ‚Polarstern‘ Expedition ANT-XXIII/9 eine Beprobung glaziomariner Sedimente zwischen Prydz Bucht und Kerguelen Plateau durchgeführt. Diese Region eignet sich zur Untersuchung der Ostantarktischen Eisdynamik besonders gut, da hier der Lambert Gletscher, etwa 16% des Ostantarktischen Eispanzers drainiert. Er transportiert dabei Sediment nach Norden, das schließlich die Prydz Bucht erreicht und durch direkten Transport über kalbende Eisberge oder durch Umlagerung und Verteilung mithilfe von Meeresströmungen weiter verfrachtet wird. Der wissenschaftliche Ansatz dieser Arbeit besteht darin, über die Verteilung dieser Sedimente in Raum und Zeit, d.h. über Variationen des glaziomarinen Paläoregimes, die Reaktion des Lambert Gletschers und des vorgelagerten Amery Schelfeises auf Klimaschwankungen während des Quartärs zu rekonstruieren. Dabei werden sowohl sedimentologische Methoden unter Einbeziehung neuer statistischer Möglichkeiten angewandt, um Sedimentationsprozesse zu charakterisieren, als auch mineralogische und (bio)geochemische Parameter verwendet, um Aussagen über die Herkunft der Sedimente und Änderungen in der Produktivität im Oberflächenwasser treffen zu können. Die Altersbestimmung der Sedimentkerne erfolgte mittels Paläomagnetik, Paläointensitäten, Biostratigraphie und Radiokarbondatierungen. Die Oberflächensedimente im Untersuchungsgebiet zeigen deutliche Unterschiede sowohl hinsichtlich ihrer Tonmineral- als auch Schwermineralzusammensetzung. Beide mineralogischen Parameter zeigen die größten Differerenzen auf dem Schelf. Dort lassen sich deutlich Sedimente der Prydz Bucht von Sedimenten des MacRobertson Shelfes differenzieren. Sie stellen daher ein gutes Hilfsmittel dar, um sowohl die Herkunft von eis- als auch strömungstransportiertem Material zu rekonstruieren. Die untersuchten Sedimentkerne decken den Zeitraum der letzten 1,4 Millionen Jahre (Kontinentalhang) bzw. der letzten 12,8 tausend kal. Jahre v. H. ab (MacRobertson Schelf). Die abgelagerten Sedimente wurden i. W. durch glaziale und ozeanographische Einflüsse geprägt, aber auch durch Bioproduktion (Schelf) bzw. durch Schmelzwassereinträge und möglicherweise gravitative Prozesse (Kontinentalhang). In den Sedimenten des Kontinentalhangs sind zwei starke Enteisungsereignisse überliefert: Das erste Ereignis steht mit dem mittelpleistozänen Klimaoptimum in Verbindung, das auch in anderen antarktischen Regionen nachgewiesen wurde. Es führte in der Prydz Bucht zu einem weitreichenden Rückzug des Lambert Gletscher-Amery Schelfeises (LAIS) und gleichzeitig zu einer hohen Primärproduktion. Danach herrschten bis etwa 400 - 500 tausend Jahre v. H. stabile glaziale Bedingungen. Kalbung von Eisbergen war wahrscheinlich auf den westlichen Teil des Lambert Gletschers begrenzt, wo eine tiefere Bathymetrie auch bei niedrigerem globalen Meeresspiegel noch Aufschwimmen des Gletschereises erlaubt. Zwischen 400 - 500 tausend Jahren v. H. und vermutlich dem letzten Interglazial wurde der Gletscher schließlich wieder dynamischer, um mit oder kurz nach dem letzten Interglazial (Meeresspiegel etwa 6 - 9 m höher) eine weitere Phase deutlichen Rückzuges zu durchlaufen. Beide Ereignisse lassen sich mit Phasen der Eisreduktion in den Prinz Charles Bergen korrelieren, d.h. der Rückzug des Lambert Gletschers hatte möglicherweise ein erhöhtes Nachfließen von Eismassen aus dem Hinterland zur Folge. An den Sedimenten des Schelfkernes wurde ein neu entwickeltes Verfahren der Endmember-Modellierung erfolgreich getestet. Der Eisrückzug auf dem MacRobertson Schelf begann etwa 12,8 tausend kal. Jahre v. H. und war gegen 5,5 tausend kal. Jahre v. H. abgeschlossen. Während des Holozäns kam es zu starken Schwankungen in der Bodenwasseraktivität, die höchst wahrscheinlich mit der Neubildungsrate von Meereis in der Kap Darnley Polynia in Zusammenhang stehen. Besonders auffallend war eine erhöhte Bodenwasseraktivität am Übergang von Warm- zu Kaltphasen bzw. ihr extremer Rückgang während des Mittel-Holozänen Klimaoptimums. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Arbeit, dass sich das LAIS während des Quartärs relativ stabil gegenüber Klimaveränderungen verhalten hat. Die Bodenwasserproduktion in Polynien dagegen reagierte sehr empfindlich auf relative geringe atmosphärische Veränderungen und bedarf in Zukunft verstärkter Aufmerksamkeit.
KW  - Eisdynamik
KW  - Bodenwasser
KW  - Ostantarktis
KW  - Polynia
KW  - ice dynamics
KW  - bottom water
KW  - East Antarctica
KW  - polynya
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52620
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TY  - THES
A1  - Pilz, Marco
T1  - A comparison of proxies for seismic site conditions and amplification for the large urban area of Santiago de Chile
T1  - Ein Vergleich seismischer Parameter für die Standort- und Verstärkungsabschätzung im Stadtgebiet von Santiago de Chile
N2  - Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile.
N2  - Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile.
KW  - Standorteffekte
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Sedimentbecken
KW  - Simulation
KW  - site effects
KW  - seismic noise
KW  - sedimentary basin
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52961
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TY  - THES
A1  - Höchner, Andreas
T1  - GPS based analysis of earthquake induced phenomena at the Sunda Arc
T1  - GPS-basierte Analyse erdbebeninduzierter Phänomene am Sundabogen
N2  - Indonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. This database provides initial conditions for tsunami propagation modeling used by the simulation system at the early warning center. An accurate discretization of the subduction geometry, consisting of 25x150 subfaults was constructed based on seismic data. Green’s functions, representing the deformational response to unit dip- and strike slip at the subfaults, were computed using a layered half-space approach. Different scaling relations for earthquake dimensions and slip distribution were implemented. Another project-related task was the further development of the ‘GPS-shield’ concept. It consists of a constellation of near field GPS-receivers, which are shown to be very valuable for tsunami early warning. The major part of this thesis is related to the geophysical interpretation of GPS data. Coseismic surface displacements caused by the 2004 Sumatra earthquake are inverted for slip at the fault. The effect of different Earth layer models is tested, favoring continental structure. The possibility of splay faulting is considered and shown to be a secondary order effect in respect to tsunamigenity for this event. Tsunami models based on source inversions are compared to satellite radar altimetry observations. Postseismic GPS time series are used to test a wide parameter range of uni- and biviscous rheological models of the asthenosphere. Steady-state Maxwell rheology is shown to be incompatible with near-field GPS data, unless large afterslip, amounting to more than 10% of the coseismic moment is assumed. In contrast, transient Burgers rheology is in agreement with data without the need for large aseismic afterslip. Comparison to postseismic geoid observation by the GRACE satellites reveals that even with afterslip, the model implementing Maxwell rheology results in amplitudes being too small, and thus supports a biviscous asthenosphere. A simple approach based on the assumption of quasi-static deformation propagation is introduced and proposed for inversion of coseismic near-field GPS time series. Application of this approach to observations from the 2004 Sumatra event fails to quantitatively reconstruct the rupture propagation, since a priori conditions are not fulfilled in this case. However, synthetic tests reveal the feasibility of such an approach for fast estimation of rupturing properties.
N2  - Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte. Projektbezogene Hauptaufgabe war die Erstellung einer Datenbank mit realistischen Bebenszenarien für den Sundabogen. Die Datenbank beinhaltet Anfangsbedingungen für die Tsunami-Ausbreitungsmodellierung und ist Teil des Simulationssystems im Frühwarnzentrum. Eine sorgfältige Diskretisierung der Subduktionsgeometrie, bestehend aus 25x150 subfaults, wurde basierend auf seismischen Daten erstellt. Greensfunktionen, welche die Deformation, hervorgerufen durch Verschiebung an den subfaults ausmachen, wurden mittels eines semianalytischen Verfahrens für den geschichteten Halbraum berechnet. Verschiedene Skalierungsrelationen für Erdbebendimension und slip-Verteilung wurden implementiert. Eine weitere projektbezogene Aufgabe war die Weiterentwicklung des ‚GPS-Schild’-Konzeptes. Dieses besteht aus einer Konstellation von GPS-Empfängern im Nahfeldbereich, welche sich als sehr wertvoll für die Tsunami-Frühwarnung erweisen. Der größere Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der geophysikalischen Interpretation von GPS-Daten. Coseismische Verschiebungen an der Erdoberfläche, ausgelöst durch das Erdbeben von 2004, werden nach slip an der Verwerfung invertiert. Die Wirkung verschiedener Erdschichtungsmodelle wird getestet und resultiert in der Bevorzugung einer kontinentalen Struktur. Die Möglichkeit von splay-faulting wird untersucht und erweist sich als zweitrangiger Effekt bezüglich der Tsunamiwirkung für dieses Ereignis. Die auf der Quelleninversion basierenden Tsunamimodelle werden mit satellitengestützen Radaraltimetriedaten verglichen. Postseismische GPS-Daten werden verwendet, um einen weiten Parameterbereich uni- und bi-viskoser Modelle der Asthenosphäre zu testen. Dabei stellt sich stationäre Maxwell-Rheologie als inkompatibel mit Nahfeld-GPS-Zeitreihen heraus, es sei denn, eine große Quantität an afterslip, entsprechend etwa 10% des coseismischen Momentes, wird angenommen. Im Gegensatz dazu ist die transiente Burgers-Rheologie ohne große Mengen an afterslip kompatibel zu den Beobachtungen. Der Vergleich mit postseismischen Geoidbeobachtungen durch die GRACE-Satelliten zeigt, dass das Modell basierend auf Maxwell-Rheologie, auch mit afterslip, zu kleine Amplituden liefert, und bekräftigt die Annahme einer biviskosen Rheologie der Asthenosphäre. Ein einfacher Ansatz, der auf einer quasi-statischen Deformationsausbreitung beruht, wird eingeführt und zur Inversion coseismischer Nahfeld-GPS-Zeitreihen vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Beobachtungen vom Sumatra-Beben von 2004 ermöglicht nicht die quantitative Rekonstruktion der Ausbreitung des Bruches, da die notwendigen Bedingungen in diesem Fall nicht erfüllt sind. Jedoch zeigen Experimente an synthetischen Daten die Gültigkeit eines solchen Ansatzes zur raschen Abschätzung der Bruchausbreitungseigenschaften.
KW  - GPS
KW  - Erdbeben
KW  - Tsunami
KW  - Rheologie
KW  - GITEWS
KW  - GPS
KW  - Earthquake
KW  - Tsunami
KW  - Rheology
KW  - GITEWS
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53166
ER  - 
TY  - THES
A1  - Natkhin, Marco
T1  - Modellgestützte Analyse der Einflüsse von Veränderungen der Waldwirtschaft und des Klimas auf den Wasserhaushalt grundwasserabhängiger Landschaftselemente
T1  - Model-based Analysis of the Impact of Changing Climate and Forest Cultivation on the Water Balance of Groundwater-Dependent Landscape Elements
N2  - In den letzten drei Jahrzehnten wurden in einigen Seen und Feuchtgebieten in bewaldeten Einzugsgebieten Nordost-Brandenburgs sinkende Wasserstände beobachtet. In diesen Gebieten bestimmt die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet maßgeblich das Wasserdargebot der Seen und Feuchtgebiete, die deshalb hier als grundwasserabhängige Landschaftselemente bezeichnet werden. Somit weisen die sinkenden Wasserstände auf einen Rückgang der wegen des geringen Niederschlagsdargebotes ohnehin schon geringen Grundwasserneubildung hin. Die Höhe der Grundwasserneubildung ist neben den hydroklimatischen Randbedingungen auch von der Landnutzung abhängig. Veränderungen in der Waldvegetation und der hydroklimatischen Randbedingungen bewirken Änderungen der Grundwasserneubildung und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt der Seen und Feuchtgebiete. Aktuell wird die Waldvegetation durch Kiefernmonokulturen dominiert, mit im Vergleich zu anderen Baumarten höherer Evapotranspiration. Entwicklungen in der Forstwirtschaft streben die Verringerung von Kiefernmonokulturen an. Diese sollen langfristig auf geeigneten Standorten durch Laubmischwälder ersetzt werden. Dadurch lassen sich eine geringere Evapotranspiration und damit eine höhere Grundwasserneubildung erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel des Redernswalder Sees und des Briesensees die Ursachen der beobachteten sinkenden Wasserstände analysiert. Ihre Wasserstände nahmen in den letzten 25 Jahren um mehr als 3 Meter ab. Weiterhin wird untersucht, wie die erwarteten Klimaänderungen und Veränderungen in der Waldbewirtschaftung die zukünftige Grundwasserneubildung und den Wasserhaushalt von Seen beeinflussen können. Die Entwicklung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet wurde mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH simuliert. Die Analyse der Wechselwirkungen der Seen mit dem regionalen quartären Grundwasserleitersystem erfolgte mit dem 3D-Grundwassermodell FEFLOW. Mögliche zukünftige Veränderungen der Grundwasserneubildung und der Seewasserstände durch Klimaänderungen und Waldumbau wurden mit Szenarienrechnungen bis zum Jahr 2100 analysiert. Die modellgestützte Analyse zeigte, dass die beobachteten abnehmenden Wasserstände zu etwa gleichen Anteilen durch Veränderungen der hydroklimatischen Randbedingungen sowie durch Veränderungen in der Waldvegetation und damit abnehmenden Grundwasserneubildungsraten zu erklären sind. Die zukünftigen Entwicklungen der Grundwasserneubildung und der Wasserstände sind geprägt von sich ändernden hydroklimatischen Randbedingungen und einem sukzessiven Wandel der Kiefernbestände zu Laubwäldern. Der Waldumbau hat positive Wirkungen auf die Grundwasserneubildung und damit auf die Wasserstände. Damit können die Einflüsse des eingesetzten REMO-A1B-Klimaszenarios zum Ende des Modellzeitraumes durch den Waldumbau nicht kompensiert werden, das Sinken des Wasserstandes wird jedoch wesentlich reduziert. Bei dem moderateren REMO-B1-Klimaszenario werden die Wasserstände des Jahres 2008 durch den Waldumbau bis zum Jahr 2100 überschritten.
N2  - Declining water levels have been observed in some lakes and wetlands in forested catchments in North-East Brandenburg (Germany). Groundwater recharge mainly controls the supply of water available for lakes and wetlands, therefore determining them as groundwater-dependent landscape elements. Thus, the declining water levels indicate a reduction of groundwater recharge. Aspects such as climate change and different forest management practices have been considered as main factors affecting the regional groundwater regime. Currently, forest landscapes in North-East Brandenburg are dominated by pine monoculture. Depending on the climate conditions, groundwater recharge can be significantly lower under pine than under broad-leaved species like beech or oak. Regional forest administration is currently planning to expand the share of broad-leaved trees among mixed deciduous forest in the future. For this study, two lakes were chosen, the Redernswalder See and the Briesensee at Poratz. Water gauge measurements over the last 25 years showed a decline in lake water level by more than 3 m. To identify and quantify the share of changes in both, climate and forest management, the principal processes were evaluated using field measurements and water balance modelling. In the following step, alternative climate change and forestry scenarios were analysed to discover their impacts on the regional distribution of groundwater recharge. At first, the causes of the declining observed water levels were analysed. For this purpose, the physically based and fully distributed water balance model WaSiM-ETH was used to simulate groundwater recharge in the catchment and evaporation from the lake surfaces from 1958 to 2007. To analyse the geohydrological conditions, a FEFLOW 3D groundwater model was built up for the underlying Quaternary aquifer system. Possible development directions of the water balance were simulated under the influence of climate change and forest conversion until 2100. The model based analysis showed that the observed declining water levels are caused by both changes in climatic boundary conditions and in forest vegetation (age distribution and understorey) followed by decreasing groundwater recharge with an equal magnitude. The future developments of groundwater recharge and water levels are governed by changes in climatic boundary conditions and a transition from pine monoculture to broad-leaved trees. Forest conversion will show a positive effect on groundwater recharge and likely increase the water levels of lakes and wetlands. The forest conversation can not completely compensate the impact of climate change to the lake water levels, but the decrease can be significantly limited.
KW  - Seewasserhaushalt
KW  - Waldumbau
KW  - Grundwasserneubildung
KW  - Nordostdeutsches Tiefland
KW  - Klimaänderungen
KW  - lakes water balance
KW  - forest conversion
KW  - groundwater recharge
KW  - North-East German Plain
KW  - climate change
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50627
ER  -