TY - THES A1 - Herrmann, Christian T1 - Motorische Basiskompetenzen - Konstrukt, Erfassung und Forschungsstand Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - de Vera, Jean-Pierre Paul T1 - The relevance of ecophysiology in astrobiology and planetary research T1 - Die Relevanz der Ökophysiologie in der Astrobiologie und Planetenforschung BT - implications for the characterization of the habitability of planets and biosignatures BT - Implikationen für die Charakterisierung der Habitabilität von Planeten und Biosignaturen N2 - Eco-physiological processes are expressing the interaction of organisms within an environmental context of their habitat and their degree of adaptation, level of resistance as well as the limits of life in a changing environment. The present study focuses on observations achieved by methods used in this scientific discipline of “Ecophysiology” and to enlarge the scientific context in a broader range of understanding with universal character. The present eco-physiological work is building the basis for classifying and exploring the degree of habitability of another planet like Mars by a bio-driven experimentally approach. It offers also new ways of identifying key-molecules which are playing a specific role in physiological processes of tested organisms to serve as well as potential biosignatures in future space exploration missions with the goal to search for life. This has important implications for the new emerging scientific field of Astrobiology. Astrobiology addresses the study of the origin, evolution, distribution and future of life in the universe. The three fundamental questions which are hidden behind this definition are: how does life begin and evolve? Is there life beyond Earth and, if so, how can we detect it? What is the future of life on Earth and in the universe? It means that this multidisciplinary field encompasses the search for habitable environments in our Solar System and habitable planets outside our Solar System. It comprises the search for the evidence of prebiotic chemistry and life on Mars and other bodies in our Solar System like the icy moons of the Jovian and Saturnian system, laboratory and field research into the origins and early evolution of life on Earth, and studies of the potential for life to adapt to challenges on Earth and in space. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects field research, laboratory research allowing planetary simulation experiments with investigation enterprises performed in space (particularly performed in the low Earth Orbit. N2 - Ökophysiologische Prozesse sind durch Interaktionen der Organismen mit der Umwelt in ihrem Habitat, durch ihren Grad der Anpassungsfähigkeit, dem Grad der Resistenz als auch durch die Begrenzungen des Lebens in einer sich verändernden Umwelt gekennzeichnet. Die hier vorliegende Studie konzentriert sich auf die Ergebnisse, die durch die Anwendung der Methoden aus der wissenschaftlichen Disziplin „Ökophysiologie“ erzielt wurden und erlaubt eine Erweiterung dieses wissenschaftlichen Kontextes mit mehr universalem Charakter. Die vorliegende Ökophysiologische Arbeit bildet die Grundlage für eine Klassifizierung und Erkundung des Grades der Habitabilität eines anderen Planeten wie dem Mars durch experimentelle Ansätze. Sie zeigt auch neue Wege für die Identifizierung von Schlüsselmolekülen, die eine besondere Rolle in physiologischen Prozessen getesteter Organismen spielt, um auch als mögliche Biosignaturen für zukünftige Weltraumerkundungsmissionen mit dem Ziel der Suche nach Leben im All zu dienen. Das wirkt sich auch im besonderen Maße auf das sich neu ausbildende wissenschaftliche Feld der Astrobiologie aus. Die Astrobiologie befaßt sich mit der Erforschung des Ursprungs, der Entwicklung, der Verbreitung und Zukunft des Lebens im Universum. Die drei grundlegenden Fragen, die sich hinter dieser Definition verbergen, sind: wie entstand und entwickelte sich das Leben? Gibt es Leben außerhalb der Erde, und falls ja, wie können wir es nachweisen? Was ist die Zukunft des Lebens auf der Erde und im Universum? Das bedeutet, dass dieses viele Disziplinen umfassende Arbeitsfeld die Suche nach einer anderen habitablen Umwelt in unserem Sonnensystem und anderen habitablen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die Suche nach der Evidenz präbiotischer Chemie und Leben auf dem Mars und anderen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem, wie beispielsweise auf den Eismonden des Jupiter- und Saturnsystems, Labor- und Feldforschung bis hin zu den Ursprüngen und der Evolution des Lebens auf der Erde beinhaltet und Untersuchungen über das Potential von Leben, sich den Herausforderungen auf der Erde und im All anzupassen, mit einschließt. Zu diesem Zweck wurde eine ganzheitliche Forschungsstrategie angewendet, welche die Feldforschung, Laborforschung mit Planetensimulations-Experimenten und die Forschung im All(insbesondere die Untersuchungen im nahen Erdorbit) miteinander verbindet. KW - astrobiology KW - eco-physiology KW - planetary simulation KW - biosignatures KW - habitability KW - Astrobiologie KW - Ökophysiologie KW - Planetensimulation KW - Biosignaturen KW - Habitabilität Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Thonicke, Kirsten T1 - The influence of disturbance, climate extremes and land-use change on vegetation dynamics Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Marwan, Norbert T1 - Recurrence plot techniques for the investigation of recurring phenomena in the system earth T1 - Recurrence-Plot-Techniken zur Untersuchung wiederkehrender Phänomene im System Erde N2 - The habilitation deals with the numerical analysis of the recurrence properties of geological and climatic processes. The recurrence of states of dynamical processes can be analysed with recurrence plots and various recurrence quantification options. In the present work, the meaning of the structures and information contained in recurrence plots are examined and described. New developments have led to extensions that can be used to describe the recurring patterns in both space and time. Other important developments include recurrence plot-based approaches to identify abrupt changes in the system's dynamics, to detect and investigate external influences on the dynamics of a system, the couplings between different systems, as well as a combination of recurrence plots with the methodology of complex networks. Typical problems in geoscientific data analysis, such as irregular sampling and uncertainties, are tackled by specific modifications and additions. The development of a significance test allows the statistical evaluation of quantitative recurrence analysis, especially for the identification of dynamical transitions. Finally, an overview of typical pitfalls that can occur when applying recurrence-based methods is given and guidelines on how to avoid such pitfalls are discussed. In addition to the methodological aspects, the application potential especially for geoscientific research questions is discussed, such as the identification and analysis of transitions in past climates, the study of the influence of external factors to ecological or climatic systems, or the analysis of landuse dynamics based on remote sensing data. N2 - Die Habilitation beschäftigt sich mit der Analyse der Wiederkehreigenschaften geologischer und klimatischer Prozesse. Die Wiederkehr von Zuständen dynamischer Prozesses kann mit recurrence plots und deren verschiedenen Quantifizierungsmöglichkeiten untersucht werden. In der Arbeit wird die Bedeutung der Strukturen und Informationen, die in recurrence plots enthalten sind, untersucht und beschrieben. Neue Entwicklungen führen zu Erweiterungen, die zur Beschreibung räumlich und raumzeitlich wiederkehrender Muster genutzt werden können. Weitere wichtige Entwicklungen umfassen Erweiterungen zur Identifizierung von abrupten Änderungen in der Dynamik, zum Aufspüren und Untersuchen äußerer Einflüsse auf die Dynamik eines Systems als auch von Kopplungen zwischen verschiedenen Systemen, sowie eine Kombination mit der Methodik der komplexen Netzwerke. Typische Probleme geowissenschaftlicher Datenanalyse, wie unregelmäßiges Datensampling und Unsicherheiten in den Daten, werden durch spezielle Modifikationen und Ergänzungen behandelt. Die Entwicklung eines Signifikanztests erlaubt die statistische Bewertung der quantitativen Analyse vor allem für die Betrachtung dynamischer Übergänge. Den Abschluß bildet ein Überblick typischer Fehler, die im Zusammenhang mit dieser Methode auftreten können und wie man diese vermeidet. Neben den methodischen Aspekten werden Anwendungsmöglichkeiten vor allem fü geowissenschaftliche Fragestellungen vorgestellt, wie die Analyse von Klimaänderungen, von externen Einflußfaktoren auf ökologische oder klimatische Systeme, oder der Landnutzungsdynamik anhand von Fernerkundungsdaten. KW - recurrence KW - complex systems KW - palaeoclimate KW - spatial recurrence KW - recurrence plot KW - recurrence network KW - Wiederkehr KW - komplexe Systeme KW - Paläoklima KW - räumliche Wiederkehr KW - Recurrence plot KW - Recurrence network Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441973 SN - 978-3-00-064508-2 ER - TY - THES A1 - Budke, Alexandra T1 - Und der Zukunft abgewandt BT - Ideologische Erziehung im Geographieunterricht der DDR T2 - Eckert : die Schriftenreihe ; Studien des Georg-Eckert-Instituts zur Internationalen Bildungsmedienforschung N2 - Seit dem Ende der DDR, das den Zusammenbruch des Ostblocks und damit die Beendigung des »Kalten Kriegs« einleitete, wird verstärkt versucht, das Wesen dieses Staates zu definieren und damit seine Folgen auf wirtschaftlicher, sozialer, psychologischer und bildungspolitischer Ebene zu verstehen und einzuordnen. Alexandra Budke analysiert in diesem Band das Schulfach Geographie, das neben der Staatsbürgerkunde und der Geschichte ein zentrales Fach war und in dem die in den Lehrplänen definierte »staatsbürgerliche, weltanschauliche oder ideologische Erziehung« auf der Grundlage des Marxismus-Leninismus stattfinden sollte. Sie klärt, inwiefern Geographieunterricht in der DDR genutzt wurde, um geopolitische Interessen des Staates zu kommunizieren und zu verbreiten. Damit lässt sich durch die detaillierte Analyse des Fachunterrichts auch die Frage beantworten, ob SchülerInnen im Unterricht politisch manipuliert wurden und welche Handlungsmöglichkeiten die zentralen Akteure des Unterrichts, die LehrerInnen und die SchülerInnen, im Rahmen der durch die Bildungspolitik gesetzten curricularen Vorgaben wahrgenommen haben. N2 - Since the end of the German Democratic Republic and with it the collapse of the Eastern Bloc and the termination of the Cold War, efforts have been stepped up to define the real essence of the East German state and thus to understand and classify its consequences in economic, social, psychological and educational terms. In this volume, Alexandra Budke analyses the school subject of geography, which was one of the major subjects besides civics and history, in which “civic, philosophical and ideological education” as defined in the curricula was imparted from a Marxist-Leninist perspective. The author examines to what extent geography lessons in East Germany were used to communicate and propagate the geopolitical interests of the state. Her detailed analysis of geography lessons enables her to assess whether school students were politically manipulated, and what options for action were perceived by the key actors in lessons – namely the teachers and the students – within the scope of the curricula imposed by educational policy. KW - Geografieunterricht KW - Ideologie KW - Erziehung KW - Deutschland Y1 - 2010 SN - 978-3-89971-627-6 SN - 2198-6320 N1 - Habilitationsschrift, Humboldt-Univ., Berlin, 2009 IS - 127 PB - V & R Unipress CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Brune, Sascha T1 - Modelling continental rift dynamics T1 - Modellierung kontinentaler Riftdynamik N2 - Continental rift systems open up unique possibilities to study the geodynamic system of our planet: geodynamic localization processes are imprinted in the morphology of the rift by governing the time-dependent activity of faults, the topographic evolution of the rift or by controlling whether a rift is symmetric or asymmetric. Since lithospheric necking localizes strain towards the rift centre, deformation structures of previous rift phases are often well preserved and passive margins, the end product of continental rifting, retain key information about the tectonic history from rift inception to continental rupture. Current understanding of continental rift evolution is based on combining observations from active rifts with data collected at rifted margins. Connecting these isolated data sets is often accomplished in a conceptual way and leaves room for subjective interpretation. Geodynamic forward models, however, have the potential to link individual data sets in a quantitative manner, using additional constraints from rock mechanics and rheology, which allows to transcend previous conceptual models of rift evolution. By quantifying geodynamic processes within continental rifts, numerical modelling allows key insight to tectonic processes that operate also in other plate boundary settings, such as mid ocean ridges, collisional mountain chains or subduction zones. In this thesis, I combine numerical, plate-tectonic, analytical, and analogue modelling approaches, whereas numerical thermomechanical modelling constitutes the primary tool. This method advanced rapidly during the last two decades owing to dedicated software development and the availability of massively parallel computer facilities. Nevertheless, only recently the geodynamical modelling community was able to capture 3D lithospheric-scale rift dynamics from onset of extension to final continental rupture. The first chapter of this thesis provides a broad introduction to continental rifting, a summary of the applied rift modelling methods and a short overview of previews studies. The following chapters, which constitute the main part of this thesis feature studies on plate boundary dynamics in two and three dimension followed by global scale analyses (Fig. 1). Chapter II focuses on 2D geodynamic modelling of rifted margin formation. It highlights the formation of wide areas of hyperextended crustal slivers via rift migration as a key process that affected many rifted margins worldwide. This chapter also contains a study of rift velocity evolution, showing that rift strength loss and extension velocity are linked through a dynamic feed-back. This process results in abrupt accelerations of the involved plates during rifting illustrating for the first time that rift dynamics plays a role in changing global-scale plate motions. Since rift velocity affects key processes like faulting, melting and lower crustal flow, this study also implies that the slow-fast velocity evolution should be imprinted in rifted margin structures. Chapter III relies on 3D Cartesian rift models in order to investigate various aspects of rift obliquity. Oblique rifting occurs if the extension direction is not orthogonal to the rift trend. Using 3D lithospheric-scale models from rift initialisation to breakup I could isolate a characteristic evolution of dominant fault orientations. Further work in Chapter III addresses the impact of rift obliquity on the strength of the rift system. We illustrate that oblique rifting is mechanically preferred over orthogonal rifting, because the brittle yielding requires a lower tectonic force. This mechanism elucidates rift competition during South Atlantic rifting, where the more oblique Equatorial Atlantic Rift proceeded to breakup while the simultaneously active but less oblique West African rift system became a failed rift. Finally this Chapter also investigates the impact of a previous rift phase on current tectonic activity in the linkage area of the Kenyan with Ethiopian rift. We show that the along strike changes in rift style are not caused by changes in crustal rheology. Instead the rift linkage pattern in this area can be explained when accounting for the thinned crust and lithosphere of a Mesozoic rift event. Chapter IV investigates rifting from the global perspective. A first study extends the oblique rift topic of the previous chapter to global scale by investigating the frequency of oblique rifting during the last 230 million years. We find that approximately 70% of all ocean-forming rift segments involved an oblique component of extension where obliquities exceed 20°. This highlights the relevance of 3D approaches in modelling, surveying, and interpretation of many rifted margins. In a final study, we propose a link between continental rift activity, diffuse CO2 degassing and Mesozoic/Cenozoic climate changes. We used recent CO2 flux measurements in continental rifts to estimate worldwide rift-related CO2 release, which we based on the global extent of rifts through time. The first-order correlation to paleo-atmospheric CO2 proxy data suggests that rifts constitute a major element of the global carbon cycle. N2 - Kontinentale Grabensysteme eröffnen einzigartige Einsichten in das geodynamische System unseres Planeten: Geodynamische Lokalisierungs-prozesse prägen die Morphologie von Riftsystemen, indem sie die zeitabhängige Aktivität von Störungen, die topographische Entwicklung des Rifts oder dessen Symmetrieentwicklung kontrollieren. Da die Verformung oft in Richtung des Riftzentrums lokalisiert, sind die Deformationsstrukturen früherer Riftphasen meist gut erhalten und passive Ränder, die Endprodukte kontinentalen Riftings, beinhalten wichtige Informationen über die tektonische Geschichte vom Riftbeginn bis zum kontinentalen Zerbrechen. Unser gegenwärtiges Verständnis der Riftentwicklung basiert auf der Kombination von Beobachtungen in aktiven Rifts mit Informationen, die an passiven Kontinental-rändern gesammelt wurden. Die Einbindung dieser isolierten Datensätze erfolgt oft konzeptionell und lässt Raum für subjektive Interpretationen. Geodynamische Vorwärtsmodelle haben jedoch das Potenzial, einzelne Datensätze quantitativ zu verknüpfen, wobei zusätzliche Informationen aus der Gesteinsmechanik und Rheologie verwendet werden, die es ermöglichen, frühere konzeptionelle Riftmodelle weiter zu entwickeln. In dieser Arbeit kombiniere ich numerische, plattentektonische, analytische und analoge Modellierungsansätze, wobei die numerische thermomechanische Modellierung das primäre Werkzeug darstellt. Diese Methode hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund dedizierter Softwareentwicklung und der Verfügbarkeit von massiv parallelisierten Supercomputern sehr schnell entwickelt. Dennoch gelang es der geodynamischen Modellierungsgemeinschaft erst vor kurzem, die dreidimensionale lithosphärenskalige Riftentwicklung vom Beginn der Dehnung bis zum endgültigen Zerbrechen eines Kontinents zu erfassen. Meine Habilitationsschrift beinhaltet eine Einführung in kontinentale Rifttektonik, eine Zusammenfassung der angewendeten Modellierungsmethoden und einen kurzen Überblick über Vorstudien. In dem Hauptteil dieser Arbeit werden Untersuchungen auf Plattenrandskala in zwei und drei Dimensionen durchgeführt, gefolgt von globalen Analysen der Riftentwicklung. Dabei beschreibe ich die Bildung extrem ausgedehnter kontinentaler Kruste, die an vielen gerifteten Kontinentalrändern beobachtet wurde, die Rückkopplung zwischen Riftdynamik und Plattenbewegungen, der Wirkung von Riftschrägheit und tektonischer Vererbung auf die Riftarchitektur sowie den Einfluss von Riftsystemen auf CO2-Entgasung in Bezug auf die paläoklimatische Entwicklung der Erde seit dem Zerbrechen Pangäas. KW - rifting KW - modelling KW - plate tectonics KW - geodynamics KW - Grabenbruch KW - Modellierung KW - Plattentektonik KW - Geodynamik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432364 ER - TY - THES A1 - Bibi, Faysal T1 - Paleoecology and evolution in the Afro-Arabian neogene T1 - Paläoökologie und Evolution im afro-arabischen Neogen N2 - This cumulative habilitation thesis presents new work on the systematics, paleoecology, and evolution of antelopes and other large mammals, focusing mainly on the late Miocene to Pleistocene terrestrial fossil record of Africa and Arabia. The studies included here range from descriptions of new species to broad-scale analyses of diversification and community evolution in large mammals over millions of years. A uniting theme is the evolution, across both temporal and spatial scales, of the environments and faunas that characterize modern African savannas today. One conclusion of this work is that macroevolutionary changes in large mammals are best characterized at regional (subcontinental to continental) and long-term temporal scales. General views of evolution developed on records that are too restricted in spatial and temporal extent are likely to ascribe too much influence to local or short-lived events. While this distinction in the scale of analysis and interpretation may seem trivial, it is challenging to implement given the geographically and temporally uneven nature of the fossil record, and the difficulties of synthesizing spatially and temporally dispersed datasets. This work attempts to do just that, bringing together primary fossil discoveries from eastern Africa to Arabia, from the Miocene to the Pleistocene, and across a wide range of (mainly large mammal) taxa. The end result is support for hypotheses stressing the impact of both climatic and biotic factors on long-term faunal change, and a more geographically integrated view of evolution in the African fossil record. N2 - Die vorliegende kumulative Habilitationsarbeit beschäftigt sich mit der Systematik, Paläoökologie und Evolution von Antilopen und anderen Großsäugetieren mit Schwerpunkt auf dem spätmiozänen bis pleistozänen Fossilbericht Arabiens und Afrikas. Die Untersuchungen reichen dabei von der Beschreibung neuer Arten bis hin zu großmaßstäblichen Analysen zur Diversifikation und Community-Evolution von Großsäugern über mehrere Millionen Jahre, mit besonderem Augenmerk auf der zeitlichen und räumlichen Evolution der für die heutigen afrikanischen Savannen charakteristischen Fauna und Umwelt. Eine der Schlussfolgerungen der vorliegenden Arbeit lautet, dass makroevolutionärer Wandel bei Großsäugetieren am besten auf der regionalen (subkontinental bis kontinentalen) Ebene sowie über lange zeitliche Skalen hinweg sichtbar wird. Umgekehrt scheinen davon abweichende Ergebnisse früherer Studien, welche häufig auf zeitlich und räumlich eingeschränkter Basis durchgeführt wurden, übermäßig von kurzfristigen Ereignissen beeinflusst worden zu sein. Ein besseres Verständnis für die methodischen Ursachen dieser unterschiedlichen Bewertungen ist von großer Bedeutung in Anbetracht der variablen Qualität des Fossilberichts und den Schwierigkeiten, derartige zeitlich und räumlich oftmals heterogenen Datensätze adäquat zu synthetisieren – letzteres war ein erklärtes Ziel der vorliegenden Arbeit. Schlussendlich unterstützen die hier dargelegten Untersuchungen die Hypothese eines Einflusses von sowohl klimatischen wie biotischen Faktoren auf langzeitlichen Faunenwandel und bieten eine neue, integrierte Perspektive auf die Evolution der afrikanischen Großsäuger-Faunen. KW - Africa KW - Arabia KW - neogene KW - paleontology KW - mammals KW - Afrika KW - Arabien KW - Neogen KW - Paläontologie KW - Säugetiere Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Yang, Haojin T1 - Deep representation learning for multimedia data analysis Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schleicher, Anja Maria T1 - The significance of clay minerals in active fault zones N2 - Die vorliegende Habilitationsschrift umfasst Forschungsergebnisse aus Studien, die sich mit Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen und Deformationsprozessen in aktiven Störungszonen befassen, wobei der Einfluss der Tonminerale auf das geochemische und hydromechanische Verhalten dieser Störungen im Vordergrund steht. Kernproben (core) und Bohrklein (cuttings) aus vier verschiedenen Bohrprojekten an der San Andreas Störung (USA), der Nankai Trough Subduktionszone und der Japan Trench Subduktionszone (Japan), sowie der Alpine Störung in Neuseeland wurden untersucht. Die von ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) und IODP (International Ocean Discovery Program) unterstützten Projekte verfolgen alle das Ziel, das Verhalten von Erdbeben besser zu verstehen. In Kapitel 1 werden in einer kurzen Einleitung die allgemeinen thematischen Grundlagen und Ziele der Arbeit beschrieben. Kapitel 2 umfasst den Stand der Forschung, eine kurze Beschreibung der einzelnen Bohrprojekte und Standorte, sowie eine Zusammenfassung der wichtigsten Messmethoden. Kapitel 3 beinhaltet insgesamt zehn wissenschaftliche Arbeiten, die alle in einem methodisch-thematischen Zusammenhang stehen. Die Manuskripte wurden in den Jahren 2006-2015 veröffentlicht, wobei weitere Arbeiten aus diesem Themenbereich im Literaturverzeichnis vermerkt sind. Sie gehen auf unterschiedliche Fragestellungen um die Bildung und das Verhalten von Tonmineralen in aktiven Störungszonen ein. Insgesamt sechs Publikationen beinhalten Daten und Forschungsergebnisse, die im Rahmen des SAFOD Projektes, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth) erstellt wurden. Hier wurde vor allem auf die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungsprozesse im Störungsgestein und die daraus resultierende Bildung von Tonmineralen eingegangen. Drei weitere Arbeiten wurden im Rahmen des NanTroSEIZE Projektes, Japan (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) und des JFAST Projektes, Japan (Japan Trench Fast Drilling Project) erstellt. Hier steht vor allem das Verhalten von quellfähigen Tonmineralen auf sich ändernde Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur und Feuchtigkeit) im Mittelpunkt. Die zehnte hier vorgestellte Veröffentlichung betrifft Analysen rund um das DFDP Projekt (Deep Fault Drilling Project) in Neuseeland, wobei hier die Deformation von Tonmineralen und das hydro-mechanische Verhalten der Störungszone im Vordergrund stehen. In neun Veröffentlichungen war ich als Erstautor für die Vorbereitung des Projektes, das Erstellen der Daten und die Fertigstellung der Manuskripte zuständig. In einer Publikation war ich als Mitautorin für die elektronenmikroskopischen Analysen und deren Interpretation verantwortlich. Die wichtigsten Ergebnisse der in Kapitel 3 vorgelegten Arbeiten werden in Kapitel 4 unter Berücksichtigung neuer Publikationen diskutiert. Nach der Beschreibung der Thesen in Kapitel 5 werden in Kapitel 6 „Outlook“ die Highlights zukünftiger Forschungspläne am GFZ näher beschrieben. Die Habilitationsschrift endet mit dem Anhang, in welchem unter anderem das Laborequipment genauer beschrieben wird, sowie die Publikationen, Konferenzbeiträge und Lehrbeiträge aufgelistet sind. N2 - The habilitation thesis presented here includes results from several studies dealing with fluid-rock interactions and rock deformation processes in active fault zones. The focus in all of these studies is on the influence of clay minerals on the geochemical and the hydro-mechanical behavior of the fault rocks. The research was conducted on rock cores and cuttings from four scientific drilling projects at the San Andreas Fault (USA), the Nankai Trough subduction zone and the Japan Trench subduction zone (Japan), as well as the Alpine Fault in New Zealand. These ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) and IODP (International Ocean Discovery Program) funded projects were all conducted with the aim to monitor and better understand earthquakes. Chapter 1 contains a short introduction to the topic with basic principles and objectives regarding the research approach. Chapter 2 describes the state of the art in clay mineral and fault zone science, gives a short description of the individual drilling projects and their locations on which the research was based, and summarizes the most important analytical methods used. Chapter 3 comprises ten peer-reviewed publications that are connected thematically and methodologically. The papers were published in the years 2006-2015, and additional related publications including myself as co-author are given in the literature list. The ten publications address different questions concerning the formation of clay minerals and processes of fluid-rock interaction in active fault zones. Six papers contain results from the SAFOD drilling project, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth), with the main focus on fluid-rock interaction processes in fault rocks and the formation and location of clay minerals. Three publications report on research from the NanTroSEIZE drilling project (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) and the JFAST drilling project (Japan Trench Fast Drilling Project). Both projects are situated in Japan. Here, the swelling behavior of smectite clay minerals in relation to changing environmental conditions (e.g. temperature and/or humidity) was investigated. The last publication included here concerns a study from the DFDP project (Deep Fault Drilling Project) in New Zealand, where I investigated the deformation of clay minerals on the context of the hydro-mechanical behavior of the fault zone rocks. I was first author in nine of the publications and in charge of the project preparation, measurements and data analyses, and the completion of the manuscript. As co-author on the other publication I was responsible for electronmicroscopy analyses (SEM and TEM) and their interpretation. The key results from the publications in Chapter 3 are discussed in Chapter 4 with additional considerations from more recent papers. Following the major theses in Chapter 5, Chapter 6 highlights a future research project in clay mineralogy research at the GFZ. An appendix includes more detailed descriptions of the laboratory equipment and lists of all publications, conference contributions and teaching courses and modules. KW - fault zone KW - Störungszone KW - clay mineral KW - fluid-rock interaction KW - Tonminerale KW - Fluid-Gesteins Wechselwirkung Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Boese, Adrian Daniel T1 - Theorie und Berechnung intermolekularer Wechselwirkungen T1 - Theory and computation of intermolecular interactions N2 - Die klassische Physik/Chemie unterscheidet zwischen drei Bindungstypen: Der kovalenten Bindung, der ionischen Bindung und der metallischen Bindung. Moleküle untereinander werden hingegen durch schwache Wechselwirkungen zusammen gehalten, sie sind trotz ihrer schwachen Kräfte weniger verstanden, aber dabei nicht weniger wichtig. In zukunftsweisenden Gebieten wie der Nanotechnologie, der Supramolekularen Chemie und Biochemie sind sie von elementarer Bedeutung. Um schwache, intermolekulare Wechselwirkungen zu beschreiben, vorauszusagen und zu verstehen, sind sie zunächst theoretisch zu erfassen. Hierzu gehören verschiedene quantenchemische Methoden, die in dieser Arbeit vorgestellt, verglichen, weiterentwickelt und schließlich auch exemplarisch auf Problemstellungen in der Chemie angewendet werden. Aufbauend auf einer Hierarchie von Methoden unterschiedlicher Genauigkeit werden sie für diese Ziele eingesetzt, ausgearbeitet und kombiniert. Berechnet wird die Elektronenstruktur, also die Verteilung und Energie von Elektronen, die im Wesentlichen die Atome zusammen halten. Da Ungenauigkeiten von der Beschreibung der Elektronenstruktur von den verwendeten Methoden abhängen, kann man die Effekte detailliert untersuchen, sie beschreiben und darauf aufbauend weiter entwickeln, um sie anschließend an verschiedenen Modellen zu testen. Die Geschwindigkeit der Berechnungen mit modernen Computern ist eine wesentliche, zu berücksichtigende Komponente, da im Allgemeinen die Genauigkeit mit der Rechenzeit exponentiell steigt, und die damit an die Grenzen der Möglichkeiten stoßen muss. Die genaueste der verwendeten Methoden basiert auf der Coupled-Cluster-Theorie, die sehr gute Voraussagen ermöglicht. Für diese wird eine sogenannte spektroskopische Genauigkeit mit Abweichungen von wenigen Wellenzahlen erzielt, was Vergleiche mit experimentellen Daten zeigen. Eine Möglichkeit zur Näherung von hochgenauen Methoden basiert auf der Dichtefunktionaltheorie: Hier wurde das „Boese-Martin for Kinetics“ (BMK)-Funktional entwickelt, dessen Funktionalform sich in vielen nach 2010 veröffentlichten Dichtefunktionalen wiederfindet. Mit Hilfe der genaueren Methoden lassen sich schließlich semiempirische Kraftfelder zur Beschreibung intermolekularer Wechselwirkungen für individuelle Systeme parametrisieren, diese benötigen weit weniger Rechenzeit als die Methoden, die auf der genauen Berechnung der Elektronenstruktur von Molekülen beruhen. Für größere Systeme lassen sich auch verschiedene Methoden kombinieren. Dabei wurden Einbettungsverfahren verfeinert und mit neuen methodischen Ansätzen vorgeschlagen. Sie verwenden sowohl die symmetrieadaptierte Störungstheorie als auch die quantenchemische Einbettung von Fragmenten in größere, quantenchemisch berechnete Systeme. Die Entwicklungen neuer Methoden beziehen ihren Wert im Wesentlichen durch deren Anwendung: In dieser Arbeit standen zunächst die Wasserstoffbrücken im Vordergrund. Sie zählen zu den stärkeren intermolekularen Wechselwirkungen und sind nach wie vor eine Herausforderung. Im Gegensatz dazu sind van-der-Waals Wechselwirkungen relativ einfach durch Kraftfelder zu beschreiben. Deshalb sind viele der heute verwendeten Methoden für Systeme, in denen Wasserstoffbrücken dominieren, vergleichsweise schlecht. Eine Untersuchung molekularer Aggregate mit Auswirkungen intermolekularer Wechselwirkungen auf die Schwingungsfrequenzen von Molekülen schließt sich an. Dabei wird auch über die sogenannte starrer-Rotor-harmonischer-Oszillator-Näherung hinausgegangen. Eine weitreichende Anwendung behandelt Adsorbate, hier die von Molekülen auf ionischen/metallischen Oberflächen. Sie können mit ähnlichen Methoden behandelt werden wie die intermolekularen Wechselwirkungen, und sind mit speziellen Einbettungsverfahren sehr genau zu beschreiben. Die Resultate dieser theoretischen Berechnungen stimulierten eine Neubewertung der bislang bekannten experimentellen Ergebnisse. Molekulare Kristalle sind ein äußerst wichtiges Forschungsgebiet. Sie werden durch schwache Wechselwirkungen zusammengehalten, die von van-der-Waals Kräften bis zu Wasserstoffbrücken reichen. Auch hier wurden neuentwickelte Methoden eingesetzt, die eine interessante, mindestens ebenso genaue Alternative zu den derzeit gängigen Methoden darstellen. Von daher sind die entwickelten Methoden, als auch deren Anwendung äußerst vielfältig. Die behandelten Berechnungen der Elektronenstruktur erstrecken sich von den sogenannten post-Hartree-Fock-Methoden über den Einsatz der Dichtefunktionaltheorie bis zu semiempirischen Kraftfeldern und deren Kombinationen. Die Anwendung reicht von einzelnen Molekülen in der Gasphase über die Adsorption auf Oberflächen bis zum molekularen Festkörper. N2 - In classical chemistry and physics, three basic categories of chemical bonds between atoms are usually distinguished, the covalent, ionic and metallic bond. However, molecules are held together by so-called weak intermolecular interactions. Despite the rather small forces working together in supramolecular chemistry, which is the chemistry beyond the molecules, they are not of minor importance. The solid state of organic material is based on such forces and in future subjects like nanotechnology or biochemistry, they are of utmost interest. Unfortunately, they are little understand For a better knowledge it is desired to theoretically characterise, to compute the interactions and finally to compare them with experimental data. Quantum mechanical methods are the choice of methods, which are introduced, developed, and compared among each other in this work. Based on a hierarchy of methods of different accuracy, they are applied, elaborated and combined. Finally, they are employed to chemical problems. Such calculations are performed on the electronic structure, i.e. the distribution and energy of the electrons, which basically keep the atoms together. Since the accuracy of the methods depends on the accurate description of the electronic structure, we can scrutinize the effects, describe and further develop it in order to test it on chemical model systems. The speed of such calculations with modern computers is very important, as the accuracy of electronic structure methods increases exponentially with computing time that is of course limited. One of the most accurate electronic structure methods is based on the coupled-cluster theory, this is considered as the “gold standard” in quantum chemistry. It yields ‘spectroscopic accuracy’ for intermolecular interactions with deviations of just a couple of wavenumbers, as comparisons with experiments demonstrate. Another possibility to approximate such high-accuracy methods is density functional theory: the functional form of the “Boese-Martin for Kinetics” functional, introduced in this work, is nowadays utilized in several newly developed functionals. With such methods, semiempirical force fields can be parametrized for the description of intermolecular interactions for certain systems. As semiempirical force fields use a fraction of the computer time needed compared to density functional theory or coupled-cluster methods, this provides a big advantage. For even larger systems, we can combine such electronic structure methods. Here, embedding methods have been refined and developed. These include symmetry adapted perturbation theory as well as the quantum mechanical embedding of fragments into larger systems which are also computed with more approximate quantum mechanical methods. The development of such novel methods is more valuable when they are applied to chemical systems and problems: In this work, we first focused on hydrogen bonds. These are relatively strong intermolecular interactions and are likewise theoretically rather challenging, whereas van-der-Waals interactions are described rather well by simple force fields. Thus, the former hydrogen bonds are still inadequately described by many modern methods. Furthermore, molecular aggregates have been investigated with special attention to their vibrational frequencies, for which we went beyond the rigid-rotor-harmonic-oscillator approximation. Another application is on adsorbates of molecules at ionic and metallic surfaces. Here, similar methods can be applied as for the intermolecular interactions, and they can be calculated to high accuracy by using special embedding techniques. The outcome of these computations stimulated a re-assessment of experimental benchmark values. Finally, the characterization of molecular crystals is an increasingly growing field of research. These crystals are held together by weak interactions, ranging from van-der-Waals interactions to hydrogen bonds. The newly developed methods were used to compute such crystals and are an alternative to the currently employed methods. Thus, the developed methods as well as their application span a wide range: from post-Hartree-Fock methods to density functional theory and semiempirical force fields and their combinations. Their application reaches from the intermolecular interactions from single gas phase molecules to surfaces up to the solid state in molecular crystals. KW - intermolekulare Wechselwirkungen KW - Dichtefunktionaltheorie KW - Post-Hartree-Fock Methoden KW - Molekülkristalle KW - Oberflächen KW - anharmonische Kraftfelder KW - intermolecular interactions KW - molecular crystals KW - surfaces KW - anharmonic force fields KW - Density Functional Theory KW - Post-Hartree Fock methods Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412867 ER -