TY - THES A1 - Petersen, Gesa Maria T1 - Source studies of small earthquakes in the AlpArray: CMT inversion, seismo-tectonic analysis and methodological developments T1 - Herdmechanismen von kleinen Erdbeben im AlpArray: CMT-Inversion, seismotektonische Analyse und methodische Entwicklungen N2 - Centroid moment tensor inversion can provide insight into ongoing tectonic processes and active faults. In the Alpine mountains (central Europe), challenges result from low signal-to-noise ratios of earthquakes with small to moderate magnitudes and complex wave propagation effects through the heterogeneous crustal structure of the mountain belt. In this thesis, I make use of the temporary installation of the dense AlpArray seismic network (AASN) to establish a work flow to study seismic source processes and enhance the knowledge of the Alpine seismicity. The cumulative thesis comprises four publications on the topics of large seismic networks, seismic source processes in the Alps, their link to tectonics and stress field, and the inclusion of small magnitude earthquakes into studies of active faults. Dealing with hundreds of stations of the dense AASN requires the automated assessment of data and metadata quality. I developed the open source toolbox AutoStatsQ to perform an automated data quality control. Its first application to the AlpArray seismic network has revealed significant errors of amplitude gains and sensor orientations. A second application of the orientation test to the Turkish KOERI network, based on Rayleigh wave polarization, further illustrated the potential in comparison to a P wave polarization method. Taking advantage of the gain and orientation results of the AASN, I tested different inversion settings and input data types to approach the specific challenges of centroid moment tensor (CMT) inversions in the Alps. A comparative study was carried out to define the best fitting procedures. The application to 4 years of seismicity in the Alps (2016-2019) substantially enhanced the amount of moment tensor solutions in the region. We provide a list of moment tensors solutions down to magnitude Mw 3.1. Spatial patterns of typical focal mechanisms were analyzed in the seismotectonic context, by comparing them to long-term seismicity, historical earthquakes and observations of strain rates. Additionally, we use our MT solutions to investigate stress regimes and orientations along the Alpine chain. Finally, I addressed the challenge of including smaller magnitude events into the study of active faults and source processes. The open-source toolbox Clusty was developed for the clustering of earthquakes based on waveforms recorded across a network of seismic stations. The similarity of waveforms reflects both, the location and the similarity of source mechanisms. Therefore the clustering bears the opportunity to identify earthquakes of similar faulting styles, even when centroid moment tensor inversion is not possible due to low signal-to-noise ratios of surface waves or oversimplified velocity models. The toolbox is described through an application to the Zakynthos 2018 aftershock sequence and I subsequently discuss its potential application to weak earthquakes (Mw<3.1) in the Alps. N2 - Die Erforschung der Bruchmechanismen von Erdbeben in den Alpen bietet Einblicke in aktuelle tektonische Prozesse. Typischerweise niedrige bis mittlere Erdbebenmagnituden und die heterogene Krustenstruktur des alpinischen Gebirges erschweren die zu dieser Erforschung durchgeführten Momententensorinversionen. In dieser Dissertation stelle ich einen Arbeitsablauf vor, mit dem ich die Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 studiert habe. Datengrundlage bildet dabei das temporäre AlpArray Netzwerk (AASN - AlpArray seismic network). Die kumulative Dissertation besteht aus vier Publikationen, die sich einerseits mit den Möglichkeiten und Herausforderungen von großen seismischen Netzwerken und andererseits mit der Erforschung der Bruchprozesse beschäftigen. Dabei wird sowohl auf die Verbindung von den Herdmechanismen und anderen Informationen wie Seismizität, Tektonik und Spannungsfeld eingegangen, als auch untersucht, wie kleinere Erdbeben unser Wissen erweitern können. Die Nutzung der großen Anzahl von Sensoren des AASN erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Wellenformdaten und Stations-Metadaten. Um diese aufwändige Aufgabe weitmöglichst zu automatisieren, habe ich die open source toolbox AutoStatsQ entwickelt. Die Verwendung von AutoStatsQ zur Überprüfung des AASN zeigte mehrere signifikante Fehler in den Wellenform-Amplituden und in den Orientierungen der Horizontalkomponenten der Sensoren. Bei einer zweiten Anwendung des Orientierungstests von AutoStatsQ auf das türkische KOERI Netzwerk zeigten sich ebenfalls zahlreiche fehlerhaft orientierte Sensoren. Ein Vergleich mit einer zweiten Methode, basierend auf P-Wellen anstatt von Rayleigh-Wellen, zeigt weitestgehend übereinstimmende Ergebnisse. Basierend auf der Datenqualitätsstudie des AASN werden in der dritten Publikation systematisch verschiedene Einstellungen (z.B. Frequenzbänder, Datentypen, Azimuthale Abdeckung) für Momententensorinversionen getestet und vergleichen. Anschließend wurden Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 mit Magnituden ab Mw 3.1 analysiert. Zur Interpretation der Ergebnisse im seismotektonischen Zusammenhang werden zusätzlich ältere Momententensorlösungen, Seismizitätskataloge ab 1970, historische Erdbeben und Deformation basierend auf Satellitendaten betrachtet. Aufgrund des Signal-Rausch-Verhältnisses von Oberflächenwellen müssten im Falle von Erdbeben mit kleineren Magnituden (Mw<3.1) höherfrequentere Raumwellen genutzt werden. Je höher der Frequenzbereich, desto größer sind die Einflüsse von Heterogenitäten entlang der Laufwege, sodass einfache 1-D Geschwindigkeitsmodelle nicht ausreichen. Um trotzdem kleinere Erdbeben in die Studien von aktiven Störungen einzubeziehen, haben wir die open-source toolbox Clusty entwickelt. Diese nutzt die Ähnlichkeit von Wellenformen in einem seismischen Netzwerk, um Erdbeben zu gruppieren. Die Ähnlichkeit von Wellenformen zweier Erdbeben über ein Netzwerk resultiert dabei sowohl aus der Ähnlichkeit der Herdmechanismen als auch aus der Lokation der Beben. Der Ketten-ähnliche clustering Ansatz ermöglicht es dabei, graduelle Wellenform-Unterschiede aufgrund von Lokationsänderungen entlang einer Störungszone zu berücksichtigen. Das clustering bietet folglich die Möglichkeit, Beben mit ähnlichen Herdmechanismen zu identifizieren und somit Störungszonen nachzuzeichnen. Die toolbox wird in der vierten Publikation anhand einer Anwendung auf die Nachbebensequenz des Zakynthos Bebens von 2018 beschrieben. Anschließend daran diskutiere ich, wie eine Anwendung auf die Alpen unsere Studien der Bruchprozesse und aktiven Störungen erweitern kann. KW - Moment tensor inversion KW - AlpArray KW - Alps KW - Earthquakes KW - Erdbeben KW - Momententensorinversion KW - Alpen KW - AlpArray Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525635 ER - TY - THES A1 - Dämpfling, Helge Leoard Carl T1 - DeepGeoMap BT - a deep learning convolutional neural network architecture for geological hyperspectral classification and mapping N2 - In recent years, deep learning improved the way remote sensing data is processed. The classification of hyperspectral data is no exception. 2D or 3D convolutional neural networks have outperformed classical algorithms on hyperspectral image classification in many cases. However, geological hyperspectral image classification includes several challenges, often including spatially more complex objects than found in other disciplines of hyperspectral imaging that have more spatially similar objects (e.g., as in industrial applications, aerial urban- or farming land cover types). In geological hyperspectral image classification, classical algorithms that focus on the spectral domain still often show higher accuracy, more sensible results, or flexibility due to spatial information independence. In the framework of this thesis, inspired by classical machine learning algorithms that focus on the spectral domain like the binary feature fitting- (BFF) and the EnGeoMap algorithm, the author of this thesis proposes, develops, tests, and discusses a novel, spectrally focused, spatial information independent, deep multi-layer convolutional neural network, named 'DeepGeoMap’, for hyperspectral geological data classification. More specifically, the architecture of DeepGeoMap uses a sequential series of different 1D convolutional neural networks layers and fully connected dense layers and utilizes rectified linear unit and softmax activation, 1D max and 1D global average pooling layers, additional dropout to prevent overfitting, and a categorical cross-entropy loss function with Adam gradient descent optimization. DeepGeoMap was realized using Python 3.7 and the machine and deep learning interface TensorFlow with graphical processing unit (GPU) acceleration. This 1D spectrally focused architecture allows DeepGeoMap models to be trained with hyperspectral laboratory image data of geochemically validated samples (e.g., ground truth samples for aerial or mine face images) and then use this laboratory trained model to classify other or larger scenes, similar to classical algorithms that use a spectral library of validated samples for image classification. The classification capabilities of DeepGeoMap have been tested using two geological hyperspectral image data sets. Both are geochemically validated hyperspectral data sets one based on iron ore and the other based on copper ore samples. The copper ore laboratory data set was used to train a DeepGeoMap model for the classification and analysis of a larger mine face scene within the Republic of Cyprus, where the samples originated from. Additionally, a benchmark satellite-based dataset, the Indian Pines data set, was used for training and testing. The classification accuracy of DeepGeoMap was compared to classical algorithms and other convolutional neural networks. It was shown that DeepGeoMap could achieve higher accuracies and outperform these classical algorithms and other neural networks in the geological hyperspectral image classification test cases. The spectral focus of DeepGeoMap was found to be the most considerable advantage compared to spectral-spatial classifiers like 2D or 3D neural networks. This enables DeepGeoMap models to train data independently of different spatial entities, shapes, and/or resolutions. N2 - In den letzten Jahren hat Deep Learning die Verarbeitung von Fernerkundungsdaten verbessert. Die Klassifizierung hyperspektraler Daten ist keine Ausnahme. 2D- oder 3D-Convolutional Neural Networks haben in vielen Fällen klassische Algorithmen zur hyperspektralen Bildklassifizierung übertroffen. Die Klassifikation geologischer hyperspektraler Bilder beinhaltet jedoch mehrere Herausforderungen, die oft räumlich komplexere Objekte umfassen als in anderen Disziplinen der hyperspektralen Bildanalyse, die in der Regel räumlich ähnlichere Objekte aufweisen (z. B. in industriellen Anwendungen, städtischen oder landwirtschaftlichen Luftaufnahmen). Bei der geologischen hyperspektralen Bildklassifizierung zeigen klassische Algorithmen, die sich auf den Spektralbereich konzentrieren, oft noch eine höhere Klassifizierungsgenauigkeit, sinnvollere Ergebnisse oder Flexibilität aufgrund räumlicher Informationsunabhängigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit, inspiriert von klassischen maschinellen Lernalgorithmen, die sich auf den spektralen Bereich konzentrieren, wie dem Binary Feature Fitting- (BFF) und dem EnGeoMap-Algorithmus, schlägt der Autor dieser Arbeit ein neuartiges, spektral fokussiertes, räumlich unabhängiges, tiefes mehrschichtiges neuronales Faltungsnetzwerk (Deep Convolutional Neural Network) mit dem Namen "DeepGeoMap" für die hyperspektrale geologische Datenklassifizierung vor. Genauer gesagt verwendet die Architektur von DeepGeoMap eine sequenzielle Reihe verschiedener „1D-Convolutional-Layer“ und „1D-Dense-Layer“ und verwendet ReLU und Softmax-Aktivierung, "1D-Max- und 1D-Global-Average-Pooling-Layer“, ein zusätzliches "Dropout-Layer", um ein „Overfitting“ zu verhindern, und eine kategoriale Kreuzentropieverlustfunktion mit Adam-Gradientenabstiegsoptimierung. DeepGeoMap wurde mit Python 3.7 und der Machine- und Deep-Learning-Schnittstelle TensorFlow mit Grafikartenbeschleunigung (GPU) realisiert. Diese spektral fokussierte 1D-Architektur ermöglicht das Trainieren von DeepGeoMap-Modellen mit hyperspektralen Laborbilddaten geochemisch validierter Proben (nach dem Vorbild klassischer Algorithmen, die eine Spektralbibliothek validierter Proben zur Bildklassifizierung verwenden). Die Klassifizierungsfähigkeiten von DeepGeoMap wurden mit zwei geologischen hyperspektralen Bilddatensätzen getestet. Bei beiden handelt es sich um geochemisch validierte hyperspektrale Datensätze, von denen einer auf Eisenerz und der andere auf Kupfererzproben basiert. Der Kupfererz-Labordatensatz wurde verwendet, um ein DeepGeoMap-Modell für die Klassifizierung und Analyse einer größeren Tagebauwandszene in der Republik Zypern, aus der die Proben stammten, zu trainieren. Darüber hinaus wurde ein satellitenbasierter Benchmark-Datensatz, der Indian Pines-Datensatz, für Training und Tests verwendet. Die Klassifikationsgenauigkeit von DeepGeoMap wurde mit klassischen Algorithmen und anderen neuronalen Faltungsnetzen verglichen. Es wurde gezeigt, dass DeepGeoMap höhere Genauigkeiten erreichen und diese klassischen Algorithmen und andere neuronale Netze in den Testfällen der geologischen hyperspektralen Bildklassifizierung übertreffen kann. Der spektrale Fokus von DeepGeoMap erwies sich als der größte Vorteil gegenüber spektral-räumlichen Klassifikatoren wie 2D- oder 3D-Convolutional Neural Networks. Dadurch können DeepGeoMap-Modelle Daten unabhängig von unterschiedlichen räumlichen Einheiten, Formen und/oder Auflösungen trainieren. KW - deep learning KW - convolutional neural network KW - geological hyperspectral image classification KW - deep learning KW - faltendes neuronales Netzwerk KW - geologische hyperspektrale Bildklassifikation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520575 ER - TY - THES A1 - Runge, Alexandra T1 - Multispectral time series analyses with Landsat and Sentinel-2 to assess permafrost disturbances in North Siberia T1 - Multispektrale Zeitreihenanalyse mit Landsat und Sentinel-2 zur Einschätzung von Permafroststörungen in Nordsibirien N2 - Permafrost is warming globally, which leads to widespread permafrost thaw and impacts the surrounding landscapes, ecosystems and infrastructure. Especially ice-rich permafrost is vulnerable to rapid and abrupt thaw, resulting from the melting of excess ground ice. Local remote sensing studies have detected increasing rates of abrupt permafrost disturbances, such as thermokarst lake change and drainage, coastal erosion and RTS in the last two decades. All of which indicate an acceleration of permafrost degradation. In particular retrogressive thaw slumps (RTS) are abrupt disturbances that expand by up to several meters each year and impact local and regional topographic gradients, hydrological pathways, sediment and nutrient mobilisation into aquatic systems, and increased permafrost carbon mobilisation. The feedback between abrupt permafrost thaw and the carbon cycle is a crucial component of the Earth system and a relevant driver in global climate models. However, an assessment of RTS at high temporal resolution to determine the dynamic thaw processes and identify the main thaw drivers as well as a continental-scale assessment across diverse permafrost regions are still lacking. In northern high latitudes optical remote sensing is restricted by environmental factors and frequent cloud coverage. This decreases image availability and thus constrains the application of automated algorithms for time series disturbance detection for large-scale abrupt permafrost disturbances at high temporal resolution. Since models and observations suggest that abrupt permafrost disturbances will intensify, we require disturbance products at continental-scale, which allow for meaningful integration into Earth system models. The main aim of this dissertation therefore, is to enhance our knowledge on the spatial extent and temporal dynamics of abrupt permafrost disturbances in a large-scale assessment. To address this, three research objectives were posed: 1. Assess the comparability and compatibility of Landsat-8 and Sentinel-2 data for a combined use in multi-spectral analysis in northern high latitudes. 2. Adapt an image mosaicking method for Landsat and Sentinel-2 data to create combined mosaics of high quality as input for high temporal disturbance assessments in northern high latitudes. 3. Automatically map retrogressive thaw slumps on the landscape-scale and assess their high temporal thaw dynamics. We assessed the comparability of Landsat-8 and Sentinel-2 imagery by spectral comparison of corresponding bands. Based on overlapping same-day acquisitions of Landsat-8 and Sentinel-2 we derived spectral bandpass adjustment coefficients for North Siberia to adjust Sentinel-2 reflectance values to resemble Landsat-8 and harmonise the two data sets. Furthermore, we adapted a workflow to combine Landsat and Sentinel-2 images to create homogeneous and gap-free annual mosaics. We determined the number of images and cloud-free pixels, the spatial coverage and the quality of the mosaic with spectral comparisons to demonstrate the relevance of the Landsat+Sentinel-2 mosaics. Lastly, we adapted the automatic disturbance detection algorithm LandTrendr for large-scale RTS identification and mapping at high temporal resolution. For this, we modified the temporal segmentation algorithm for annual gradual and abrupt disturbance detection to incorporate the annual Landsat+Sentinel-2 mosaics. We further parametrised the temporal segmentation and spectral filtering for optimised RTS detection, conducted further spatial masking and filtering, and implemented a binary object classification algorithm with machine-learning to derive RTS from the LandTrendr disturbance output. We applied the algorithm to North Siberia, covering an area of 8.1 x 106 km2. The spectral band comparison between same-day Landsat-8 and Sentinel-2 acquisitions already showed an overall good fit between both satellite products. However, applying the acquired spectral bandpass coefficients for adjustment of Sentinel-2 reflectance values, resulted in a near-perfect alignment between the same-day images. It can therefore be concluded that the spectral band adjustment succeeds in adjusting Sentinel-2 spectral values to those of Landsat-8 in North Siberia. The number of available cloud-free images increased steadily between 1999 and 2019, especially intensified after 2016 with the addition of Sentinel-2 images. This signifies a highly improved input database for the mosaicking workflow. In a comparison of annual mosaics, the Landsat+Sentinel-2 mosaics always fully covered the study areas, while Landsat-only mosaics contained data-gaps for the same years. The spectral comparison of input images and Landsat+Sentinel-2 mosaic showed a high correlation between the input images and the mosaic bands, testifying mosaicking results of high quality. Our results show that especially the mosaic coverage for northern, coastal areas was substantially improved with the Landsat+Sentinel-2 mosaics. By combining data from both Landsat and Sentinel-2 sensors we reliably created input mosaics at high spatial resolution for comprehensive time series analyses. This research presents the first automatically derived assessment of RTS distribution and temporal dynamics at continental-scale. In total, we identified 50,895 RTS, primarily located in ice-rich permafrost regions, as well as a steady increase in RTS-affected areas between 2001 and 2019 across North Siberia. From 2016 onward the RTS area increased more abruptly, indicating heightened thaw slump dynamics in this period. Overall, the RTS-affected area increased by 331 % within the observation period. Contrary to this, five focus sites show spatiotemporal variability in their annual RTS dynamics, alternating between periods of increased and decreased RTS development. This suggests a close relationship to varying thaw drivers. The majority of identified RTS was active from 2000 onward and only a small proportion initiated during the assessment period. This highlights that the increase in RTS-affected area was mainly caused by enlarging existing RTS and not by newly initiated RTS. Overall, this research showed the advantages of combining Landsat and Sentinel-2 data in northern high latitudes and the improvements in spatial and temporal coverage of combined annual mosaics. The mosaics build the database for automated disturbance detection to reliably map RTS and other abrupt permafrost disturbances at continental-scale. The assessment at high temporal resolution further testifies the increasing impact of abrupt permafrost disturbances and likewise emphasises the spatio-temporal variability of thaw dynamics across landscapes. Obtaining such consistent disturbance products is necessary to parametrise regional and global climate change models, for enabling an improved representation of the permafrost thaw feedback. N2 - Permafrostböden erwärmen sich global, was zu weit verbreitetem Auftauen des Permafrosts führt und die angrenzenden Landschaften, Ökosysteme und Infrastruktur beeinflusst. Insbesondere eisreicher Permafrostboden ist anfällig für schnelles und abruptes Auftauen. Lokale Fernerkundungsstudien haben zunehmende Raten von abrupten Permafroststörungen festgestellt, was auf eine beschleunigte Degradation des Permafrostbodens hinweist. Vor allem Taurutschungen sind sehr abrupte Störungen, die sich jedes Jahr um bis zu mehreren Metern vergrößern und damit ihre Umgebung stark verändern. Unter anderem erhöht sich die Freisetzung von Kohlenstoff. Es ist daher wichtig zu bestimmen, wie viel und wie schnell Permafrostböden auftauen, um dieses auch in globale Klimamodelle einfließen lassen zu können. Primär, fehlen Untersuchungen mit vielen regelmäßigen Datenpunkten, um die zeitliche Entwicklung der Auftauprozesse zu bestimmen und die wichtigsten Taugründe zu ermitteln. Ferner fehlt die Untersuchung von abrupten Permafrosttauen für eine große Region. Die Fernerkundungsdatengrundlage für nördliche Breitengrade ist sehr gering, wodurch viele Untersuchungsalgorithmen nicht angewendet werden können. Das Hauptziel ist besser zu verstehen wo abrupte Permafroststörungen auftreten und wie schnell sie sich entwickeln und dies für eine große Region zu bestimmen. Folgende Forschungsziele wurden bearbeitet: 1. Die Bilddaten von Landsat und Sentinel-2 für eine gemeinsame Analysen in nördlichen hohen Breitengraden nutzen, 2. Eine Bildmosaik-Methode anpassen, so dass Landsat und Sentinel-2 Daten gemeinsam genutzt werden können, und 3. Automatisiert Identifizierung von Taurutschungen und die Untersuchung ihrer zeitlichen Entwicklung. Dafür haben wir Landsat-8 und Sentinel-2 Bilder verglichen und sie Werte bestimmt, um sie miteinander anzupassen. Des Weiteren haben wir Mosaike aus Landsat und Sentinel-2 Daten erstellt. Als letzten haben wir einen Algorithmus zur Erkennung von Permafroststörungen angepasst. Das Studiengebiet war Nordsibirien. Die Anpassungwerte von Landsat-8 und Sentinel-2 sorgen für eine gute Angleichung der Bilder. Die gemeinsamen Landsat und Sentinel-2 Mosaike decken das Untersuchungsgebiet gut ab und haben keine Datenlücken. Dies ist besonders für nördliche Küstenregionen eine Verbesserung. Mit den Landsat und Sentinel-2 Mosaiken kann der Algorithmus zur Erkennung von abrupten Permafroststörungen auf eine große Region angewendet werden. Wir haben 50.895 Taurutschungen hauptsächlich in eisreichen Permafrostregionen identifiziert. Die Fläche mit Taurutschungen hat sich von 2001 bis 2019 erhöht in Nordsibieren. Die Taurutschen waren ab 2016 besonders aktiv. Insgesamt ist die Fläche um 331 % angestiegen. Verschiedene lokale Untersuchungsgebiete zeigten, dass sich die Taurutschungen in manchen Jahren mehr und in anderen weniger entwickeln, was mit unterschiedlichen Taugründen zusammenhängt. Die meisten Taurutschungen gab es ab 2000 und nur wenig Neue entwickelten sich später. Dies zeigt, dass hauptsächlich bestehende Taurutschungen größer werden und zum Permafrosttauen beitragen. Insgesamt zeigte diese Untersuchung die Vorteile Landsat und Sentinel-2 Daten gemeinsam in nördlichen Breitengraden zu nutzen. Die gemeinsamen Mosaike helfen den Algorithmus zur Erkennung von Permafroststörungen anzuwenden. Unsere Ergebnisse zeigen die Taurutschungen in Nordsibirien und wie viel sie in den letzten 20 Jahren größer geworden sind. Die Taurutschungen entwickeln sich in verschiedenen Regionen zeitlich unterschiedlich. Dieses Ergebnis hilft Permafroststörungen besser in Klimamodelle einzubinden. KW - Remote Sensing KW - permafrost landscapes KW - time series KW - permafrost thaw disturbances KW - northern high latitudes KW - Fernerkundung KW - nördliche hohe Breitengrade KW - Permafrostlandschaften KW - Permafrost-Taustörungen KW - Zeitserie KW - Erdbeobachtung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522062 ER - TY - GEN A1 - Ramezani Ziarani, Maryam A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Schmidt, Torsten A1 - Wickert, Jens A1 - de la Torre, Alejandro A1 - Deng, Zhiguo A1 - Calori, Andrea T1 - A model for the relationship between rainfall, GNSS-derived integrated water vapour, and CAPE in the eastern central Andes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Atmospheric water vapour content is a key variable that controls the development of deep convective storms and rainfall extremes over the central Andes. Direct measurements of water vapour are challenging; however, recent developments in microwave processing allow the use of phase delays from L-band radar to measure the water vapour content throughout the atmosphere: Global Navigation Satellite System (GNSS)-based integrated water vapour (IWV) monitoring shows promising results to measure vertically integrated water vapour at high temporal resolutions. Previous works also identified convective available potential energy (CAPE) as a key climatic variable for the formation of deep convective storms and rainfall in the central Andes. Our analysis relies on GNSS data from the Argentine Continuous Satellite Monitoring Network, Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo (RAMSAC) network from 1999 to 2013. CAPE is derived from version 2.0 of the ECMWF’s (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) Re-Analysis (ERA-interim) and rainfall from the TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) product. In this study, we first analyse the rainfall characteristics of two GNSS-IWV stations by comparing their complementary cumulative distribution function (CCDF). Second, we separately derive the relation between rainfall vs. CAPE and GNSS-IWV. Based on our distribution fitting analysis, we observe an exponential relation of rainfall to GNSS-IWV. In contrast, we report a power-law relationship between the daily mean value of rainfall and CAPE at the GNSS-IWV station locations in the eastern central Andes that is close to the theoretical relationship based on parcel theory. Third, we generate a joint regression model through a multivariable regression analysis using CAPE and GNSS-IWV to explain the contribution of both variables in the presence of each other to extreme rainfall during the austral summer season. We found that rainfall can be characterised with a higher statistical significance for higher rainfall quantiles, e.g., the 0.9 quantile based on goodness-of-fit criterion for quantile regression. We observed different contributions of CAPE and GNSS-IWV to rainfall for each station for the 0.9 quantile. Fourth, we identify the temporal relation between extreme rainfall (the 90th, 95th, and 99th percentiles) and both GNSS-IWV and CAPE at 6 h time steps. We observed an increase before the rainfall event and at the time of peak rainfall—both for GNSS-integrated water vapour and CAPE. We show higher values of CAPE and GNSS-IWV for higher rainfall percentiles (99th and 95th percentiles) compared to the 90th percentile at a 6-h temporal scale. Based on our correlation analyses and the dynamics of the time series, we show that both GNSS-IWV and CAPE had comparable magnitudes, and we argue to consider both climatic variables when investigating their effect on rainfall extremes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1172 KW - Global Navigation Satellite System (GNSS) KW - GNSS-integrated water vapour KW - convective available potential energy (CAPE) KW - extreme rainfall KW - TRMM Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523256 SN - 1866-8372 IS - 1172 ER - TY - JOUR A1 - Ramezani Ziarani, Maryam A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Schmidt, Torsten A1 - Wickert, Jens A1 - de la Torre, Alejandro A1 - Deng, Zhiguo A1 - Calori, Andrea T1 - A model for the relationship between rainfall, GNSS-derived integrated water vapour, and CAPE in the eastern central Andes JF - Remote Sensing N2 - Atmospheric water vapour content is a key variable that controls the development of deep convective storms and rainfall extremes over the central Andes. Direct measurements of water vapour are challenging; however, recent developments in microwave processing allow the use of phase delays from L-band radar to measure the water vapour content throughout the atmosphere: Global Navigation Satellite System (GNSS)-based integrated water vapour (IWV) monitoring shows promising results to measure vertically integrated water vapour at high temporal resolutions. Previous works also identified convective available potential energy (CAPE) as a key climatic variable for the formation of deep convective storms and rainfall in the central Andes. Our analysis relies on GNSS data from the Argentine Continuous Satellite Monitoring Network, Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo (RAMSAC) network from 1999 to 2013. CAPE is derived from version 2.0 of the ECMWF’s (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) Re-Analysis (ERA-interim) and rainfall from the TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) product. In this study, we first analyse the rainfall characteristics of two GNSS-IWV stations by comparing their complementary cumulative distribution function (CCDF). Second, we separately derive the relation between rainfall vs. CAPE and GNSS-IWV. Based on our distribution fitting analysis, we observe an exponential relation of rainfall to GNSS-IWV. In contrast, we report a power-law relationship between the daily mean value of rainfall and CAPE at the GNSS-IWV station locations in the eastern central Andes that is close to the theoretical relationship based on parcel theory. Third, we generate a joint regression model through a multivariable regression analysis using CAPE and GNSS-IWV to explain the contribution of both variables in the presence of each other to extreme rainfall during the austral summer season. We found that rainfall can be characterised with a higher statistical significance for higher rainfall quantiles, e.g., the 0.9 quantile based on goodness-of-fit criterion for quantile regression. We observed different contributions of CAPE and GNSS-IWV to rainfall for each station for the 0.9 quantile. Fourth, we identify the temporal relation between extreme rainfall (the 90th, 95th, and 99th percentiles) and both GNSS-IWV and CAPE at 6 h time steps. We observed an increase before the rainfall event and at the time of peak rainfall—both for GNSS-integrated water vapour and CAPE. We show higher values of CAPE and GNSS-IWV for higher rainfall percentiles (99th and 95th percentiles) compared to the 90th percentile at a 6-h temporal scale. Based on our correlation analyses and the dynamics of the time series, we show that both GNSS-IWV and CAPE had comparable magnitudes, and we argue to consider both climatic variables when investigating their effect on rainfall extremes. KW - Global Navigation Satellite System (GNSS) KW - GNSS-integrated water vapour KW - convective available potential energy (CAPE) KW - extreme rainfall KW - TRMM Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/rs13183788 SN - 2072-4292 VL - 13 IS - 18 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Rottler, Erwin A1 - Bronstert, Axel A1 - Bürger, Gerd A1 - Rakovec, Oldrich T1 - Projected changes in Rhine River flood seasonality under global warming T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Climatic change alters the frequency and intensity of natural hazards. In order to assess potential future changes in flood seasonality in the Rhine River Basin, we analyse changes in streamflow, snowmelt, precipitation, and evapotranspiration at 1.5, 2.0 and 3.0 ◦C global warming levels. The mesoscale Hydrological Model (mHM) forced with an ensemble of climate projection scenarios (five general circulation models under three representative concentration pathways) is used to simulate the present and future climate conditions of both, pluvial and nival hydrological regimes. Our results indicate that the interplay between changes in snowmelt- and rainfall-driven runoff is crucial to understand changes in streamflow maxima in the Rhine River. Climate projections suggest that future changes in flood characteristics in the entire Rhine River are controlled by both, more intense precipitation events and diminishing snow packs. The nature of this interplay defines the type of change in runoff peaks. On the sub-basin level (the Moselle River), more intense rainfall during winter is mostly counterbalanced by reduced snowmelt contribution to the streamflow. In the High Rhine (gauge at Basel), the strongest increases in streamflow maxima show up during winter, when strong increases in liquid precipitation intensity encounter almost unchanged snowmelt-driven runoff. The analysis of snowmelt events suggests that at no point in time during the snowmelt season, a warming climate results in an increase in the risk of snowmelt-driven flooding. We do not find indications of a transient merging of pluvial and nival floods due to climate warming. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1164 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522962 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Fischer, Melanie A1 - Korup, Oliver A1 - Veh, Georg A1 - Walz, Ariane T1 - Controls of outbursts of moraine-dammed lakes in the greater Himalayan region T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Glacial lakes in the Hindu Kush–Karakoram–Himalayas–Nyainqentanglha (HKKHN) region have grown rapidly in number and area in past decades, and some dozens have drained in catastrophic glacial lake outburst floods (GLOFs). Estimating regional susceptibility of glacial lakes has largely relied on qualitative assessments by experts, thus motivating a more systematic and quantitative appraisal. Before the backdrop of current climate-change projections and the potential of elevation-dependent warming, an objective and regionally consistent assessment is urgently needed. We use an inventory of 3390 moraine-dammed lakes and their documented outburst history in the past four decades to test whether elevation, lake area and its rate of change, glacier-mass balance, and monsoonality are useful inputs to a probabilistic classification model. We implement these candidate predictors in four Bayesian multi-level logistic regression models to estimate the posterior susceptibility to GLOFs. We find that mostly larger lakes have been more prone to GLOFs in the past four decades regardless of the elevation band in which they occurred. We also find that including the regional average glacier-mass balance improves the model classification. In contrast, changes in lake area and monsoonality play ambiguous roles. Our study provides first quantitative evidence that GLOF susceptibility in the HKKHN scales with lake area, though less so with its dynamics. Our probabilistic prognoses offer improvement compared to a random classification based on average GLOF frequency. Yet they also reveal some major uncertainties that have remained largely unquantified previously and that challenge the applicability of single models. Ensembles of multiple models could be a viable alternative for more accurately classifying the susceptibility of moraine-dammed lakes to GLOFs. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1160 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522050 SN - 1866-8372 ER - TY - THES A1 - Stuff, Maria T1 - Iron isotope fractionation in carbonatite melt systems T1 - Fe-Isotopenfraktionierung in karbonatitischen Schmelzen N2 - Carbonatite magmatism is a highly efficient transport mechanism from Earth’s mantle to the crust, thus providing insights into the chemistry and dynamics of the Earth’s mantle. One evolving and promising tool for tracing magma interaction are stable iron isotopes, particularly because iron isotope fractionation is controlled by oxidation state and bonding environment. Meanwhile, a large data set on iron isotope fractionation in igneous rocks exists comprising bulk rock compositions and fractionation between mineral groups. Iron isotope data from natural carbonatite rocks are extremely light and of remarkably high variability. This resembles iron isotope data from mantle xenoliths, which are characterized by a variability in δ56Fe spanning three times the range found in basalts, and by the extremely light values of some whole rock samples, reaching δ56Fe as low as -0.69 ‰ in a spinel lherzolite. Cause to this large range of variations may be metasomatic processes, involving metasomatic agents like volatile bearing high-alkaline silicate melts or carbonate melts. The expected effects of metasomatism on iron isotope fractionation vary with parameters like melt/rock-ratio, reaction time, and the nature of metasomatic agents and mineral reactions involved. An alternative or additional way to enrich light isotopes in the mantle could be multiple phases of melt extraction. To interpret the existing data sets more knowledge on iron isotope fractionation factors is needed. To investigate the behavior of iron isotopes in the carbonatite systems, kinetic and equilibration experiments in natro-carbonatite systems between immiscible silicate and carbonate melts were performed in an internally heated gas pressure vessel at intrinsic redox conditions at temperatures between 900 and 1200 °C and pressures of 0.5 and 0.7 GPa. The iron isotope compositions of coexisting silicate melt and carbonate melt were analyzed by solution MC-ICP-MS. The kinetic experiments employing a Fe-58 spiked starting material show that isotopic equilibrium is obtained after 48 hours. The experimental studies of equilibrium iron isotope fractionation between immiscible silicate and carbonate melts have shown that light isotopes are enriched in the carbonatite melt. The highest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.13 ‰ was determined in a system with a strongly peralkaline silicate melt composition (ASI ≥ 0.21, Na/Al ≤ 2.7). In three systems with extremely peralkaline silicate melt compositions (ASI between 0.11 and 0.14) iron isotope fractionation could analytically not be resolved. The lowest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.02 ‰ was determined in a system with an extremely peralkaline silicate melt composition (ASI ≤ 0.11 , Na/Al ≥ 6.1). The observed iron isotope fractionation is most likely governed by the redox conditions of the system. Yet, in the systems, where no fractionation occurred, structural changes induced by compositional changes possibly overrule the influence of redox conditions. This interpretation implicates, that the iron isotope system holds the potential to be useful not only for exploring redox conditions in magmatic systems, but also for discovering structural changes in a melt. In situ iron isotope analyses by femtosecond laser ablation coupled to MC-ICP-MS on magnetite and olivine grains were performed to reveal variations in iron isotope composition on the micro scale. The investigated sample is a melilitite bomb from the Salt Lake Crater group at Honolulu (Oahu, Hawaii), showing strong evidence for interaction with a carbonatite melt. While magnetite grains are rather homogeneous in their iron isotope compositions, olivine grains span a far larger range in iron isotope ratios. The variability of δ56Fe in magnetite is limited from - 0.17 ‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.08 ‰ (± 0.09 ‰, 2SE). δ56Fe in olivine range from -0.66‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.10 ‰ (± 0.13 ‰, 2SE). Olivine and magnetite grains hold different informations regarding kinetic and equilibrium fractionation due to their different Fe diffusion coefficients. The observations made in the experiments and in the in situ iron isotope analyses suggest that the extremely light iron isotope signatures found in carbonatites are generated by several steps of isotope fractionation during carbonatite genesis. These may involve equilibrium and kinetic fractionation. Since iron isotopic signatures in natural systems are generated by a combination of multiple factors (pressure, temperature, redox conditions, phase composition and structure, time scale), multi tracer approaches are needed to explain signatures found in natural rocks. N2 - Karbonatitische Schmelzen, die im Erdmantel gebildet werden, transportieren Material aus dem Erdmantel zur Erdkruste und ermöglichen somit Einblicke in Chemismus und Dynamiken des Erdmantels. Die Analyse stabiler Eisenisotopenverhältnisse ist eine neue und vielversprechende Methode um Schmelzprozesse und Interaktionen von Schmelzen im Erdmantel nachzuverfolgen, insbesondere da Eisenisotopenfraktionierung vom Oxidationszustand und der Bindungsumgebung in der Schmelze abhängig ist. Mittlerweile existiert ein großer Datensatz zur Eisenisotopenfraktionierung in magmatischen Gesteinen, der sowohl Zusammensetzungen von Gesamtgesteinen als auch von separierten Mineralgruppen umfasst. Karbonatite weisen extrem leichte Eisenisotopensignaturen und gleichzeitig eine breite Spannweite der δ56Fe auf. Darin ähneln sie Mantelxenolithen, die ebenfalls sehr variable und teilweise extrem leichte δ56Fe aufweisen, wie zum Beispiel -0.69 ‰ in einem Spinelllherzolith. Ein möglicher Grund für diese große Spannweite sind metasomatische Prozesse, an denen Fluide wie hochalkalische Silikatschmelzen oder Karbonatschmelzen beteiligt sind. Welche Auswirkung Metasomatose auf die Eisenisotopenfraktionierung hat, hängt von Parametern wie dem Verhältnis von Schmelze zu Gestein, der Reaktionszeit und der Art der beteiligten metasomatischen Fluide sowie den Mineralreaktionen ab. Auch mehrere aufeinanderfolgende Phasen der Schmelzextraktion könnten zur Heterogenisierung von Teilen des Erdmantels beigetragen haben. Bisher existieren allerdings nur wenige Untersuchungen zur Eisenisotopenfraktionierung zwischen Silikat- und Karbonatphasen. Um Eisenisotopenfraktionierung im Karbonatitsystem besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente im Natrokarbonatitsystem durchgeführt. Dazu wurden unmischbare Silikat- und Karbonatschmelzen bei Temperaturen zwischen 900 und 1200 °C und Drücken von 0,5 und 0,7 GPa in einem intern beheizten Autoklaven bei intrinsischen Redoxbedingungen equilibriert. Im Anschluss wurden die Silikat- und Karbonatschmelzen separiert, aufgeschlossen und die Eisenisotopenverhältnisse beider Phasen mittels MC-ICP-MS analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Proben nach spätestens 48 Stunden Fe-isotopisch equilibriert sind und dass im Gleichgewicht leichte Eisenisotope in der Karbonatschmelze angereichert sind. Die größte Isotopenfraktionierung von Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) = 0,13 ‰ wurde in einem System mit stark peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI ≥ 0,21, Na/Al ≤ 2,7) gemessen. In den Systemen mit extrem peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI zwischen 0,11 and 0,14) hingegen war die Eisenisotopenfraktionierung analytisch nicht auflösbar. Zusätzlich wurde die Eisenisotopenfraktionierung zwischen Magnetit- und Olivinkörnern in situ mittels UV-Femtosekunden-Laserablation gekoppelt mit MC-ICP-MS untersucht. Bei der Probe handelt es sich um eine Melilititbombe aus der Salt-Lake-Crater-Gruppe in Honolulu (Oahu, Hawaii), die deutliche Anzeichen für Kontakt mit einer karbonatitischen Schmelze aufweist. Während die Magnetite eher homogen hinsichtlich ihrer Eisenisotopenzusammensetzung sind (-0,17 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,08 ‰, ± 0,09 ‰, 2SE), weisen die Olivine eine weitaus größere Spannweite an δ56Fe auf (-0,66 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,10 ‰, ± 0,13 ‰, 2SE). Da Eisen unterschiedliche Diffusionskoeffizienten in Olivin und Magnetit hat, sind in beiden unterschiedliche Informationen zur kinetischen und Gleichgewichtsisotopenfraktionierung enthalten. Die Beobachtungen aus den Experimenten und in den Eisenisotopenanalysen in situ deuten darauf hin, dass die extrem leichten Eisenisotopensignaturen in Karbonatiten durch Isotopenfraktionierung in mehreren Schritten während der Karbonatitgenese entstanden sind, die sowohl Gleichgewichts- als auch kinetische Fraktionierung umfassen können. Da die Eisenisotopensignaturen in natürlichen Systemen durch eine Kombination mehrerer Faktoren (Druck, Temperatur, Redoxbedingungen, Phasenzusammensetzung und -struktur, Zeitskala) entstehen, werden Multi-Tracer-Ansätze benötigt, um die in natürlichen Gesteinen beobachteten Signaturen zu erklären. KW - MC-ICP-MS KW - silicate melt KW - carbonate melt KW - melilitite KW - UV fs laser ablation KW - MC-ICP-MS KW - Silikatschmelze KW - Karbonatschmelze KW - IHPV KW - Melilitit Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519928 ER - TY - THES A1 - Ruiz-Monroy, Ricardo T1 - Organic geochemical characterization of the Yacoraite Formation (NW-Argentina)-paleoenvironment and petroleum potential T1 - Organische geochemische Charakterisierung der Yacoraite-Formation (NW-Argentinien) – Paläoumgebung und Erdölpotenzial T1 - Caracterización geoquímica orgánica de la Formación Yacoraite (NO-Argentina) -paleoambiente y potencial petrolero N2 - This dissertation was carried out as part of the international and interdisciplinary graduate school StRATEGy. This group has set itself the goal of investigating geological processes that take place on different temporal and spatial scales and have shaped the southern central Andes. This study focuses on claystones and carbonates of the Yacoraite Fm. that were deposited between Maastricht and Dan in the Cretaceous Salta Rift Basin. The former rift basin is located in northwest Argentina and is divided into the sub-basins Tres Cruces, Metán-Alemanía and Lomas de Olmedo. The overall motivation for this study was to gain new knowledge about the evolution of marine and lacustrine conditions during the Yacoraite Fm. Deposit in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins. Other important aspects that were examined within the scope of this dissertation are the conversion of organic matter from Yacoraite Fm. into oil and its genetic relationship to selected oils produced and natural oil spills. The results of my study show that the Yacoraite Fm. began to be deposited under marine conditions and that a lacustrine environment developed by the end of the deposition in the Tres Cruces and Metán-Alemanía Basins. In general, the kerogen of Yacoraite Fm. consists mainly of the kerogen types II, III and II / III mixtures. Kerogen type III is mainly found in samples from the Yacoraite Fm., whose TOC values are low. Due to the adsorption of hydrocarbons on the mineral surfaces (mineral matrix effect), the content of type III kerogen with Rock-Eval pyrolysis in these samples could be overestimated. Investigations using organic petrography show that the organic particles of Yacoraite Fm. mainly consist of alginites and some vitrinite-like particles. The pyrolysis GC of the rock samples showed that the Yacoraite Fm. generates low-sulfur oils with a predominantly low-wax, paraffinic-naphthenic-aromatic composition and paraffinic wax-rich oils. Small proportions of paraffinic, low-wax oils and a gas condensate-generating facies are also predicted. Here, too, mineral matrix effects were taken into account, which can lead to a quantitative overestimation of the gas-forming character. The results of an additional 1D tank modeling carried out show that the beginning (10% TR) of the oil genesis took place between ≈10 Ma and ≈4 Ma. Most of the oil (from ≈50% to 65%) was generated prior to the development of structural traps formed during the Plio-Pleistocene Diaguita deformation phase. Only ≈10% of the total oil generated was formed and potentially trapped after the formation of structural traps. Important factors in the risk assessment of this petroleum system, which can determine the small amounts of generated and migrated oil, are the generally low TOC contents and the variable thickness of the Yacoraite Fm. Additional risks are associated with a low density of information about potentially existing reservoir structures and the quality of the overburden. N2 - Diese Dissertation wurde im Rahmen des internationalen und interdisziplinären Graduiertenkollegs StRATEGy durchgeführt. Diese Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, geologische Prozesse zu untersuchen, die auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen ablaufen und die südlichen Zentralanden geprägt haben. Diese Studie konzentriert sich auf die Tonsteine und Karbonate der Yacoraite Fm., die zwischen Maastricht und Dan im kreidezeitlichen Salta-Grabenbecken abgelagert wurden. Das ehemalige Riftbecken liegt im Nordwesten Argentiniens und gliedert sich in die Teilbecken Tres Cruces, Metán-Alemanía und Lomas de Olmedo. Die übergreifende Motivation für diese Studie war es, neue Erkenntnisse über die Entwicklung der marinen und lakustrinen Bedingungen während der Ablagerung der Yacoraite Fm. in den Tres Cruces und Metán-Alemanía Sub-Becken zu gewinnen. Weitere wichtige Aspekte, die im Rahmen dieser Dissertation untersucht wurden, sind die Umwandlung von organischer Materie der Yacoraite Fm. in Öl sowie deren genetische Beziehung zu ausgewählten produzierten Ölen und natürlichen Ölaustritten. Die Ergebnisse meiner Studie zeigen, dass die Ablagerung der Yacoraite Fm. unter marinen Bedingungen begann und sich bis zum Ende der Ablagerung in den Tres Cruces- und Metán-Alemanía-Becken ein lakustrines Milieu entwickelte. Im Allgemeinen besteht das Kerogen der Yacoraite Fm. überwiegend aus den Kerogentypen II, III und II/III-Mischungen. Der Kerogentyp III findet sich vor allem in Proben aus der Yacoraite Fm., deren TOC-Werte niedrig sind. Aufgrund der Adsorption von Kohlenwasserstoffen an den Mineraloberflächen (Mineralmatrixeffekt) könnte der Gehalt an Typ-III-Kerogen mit der Rock-Eval-Pyrolyse in diesen Proben überschätzt werden. Untersuchungen mittels organischer Petrographie zeigen, dass die organischen Partikel der Yacoraite Fm. hauptsächlich aus Alginiten und einigen Vitrinit-artigen Partikeln bestehen. Die Pyrolyse-GC der Gesteinsproben zeigte, dass die Yacoraite Fm. schwefelarme Öle mit einer überwiegend Wachs-armen paraffinisch-naphthenisch-aromatischen Zusammensetzung und paraffinische Wachs-reiche Öle generiert. Geringe Anteile paraffinischer, Wachs-armer Öle und einer Gaskondensat-generierenden Fazies werden ebenfalls vorausgesagt. Auch hier wurden Mineralmatrixeffekte berücksichtigt, die zu einer quantitativen Überschätzung des gasbildenden Charakters führen können. Die Ergebnisse einer zusätzlich durchgeführten 1D-Beckenmodellierung zeigen, dass der Beginn (10 %TR) der Ölgenese zwischen ≈10 Ma und ≈4 Ma stattfand. Der größte Teil des Öls (von ≈50 % bis 65 %) wurde vor der Entwicklung struktureller Fallen gebildet, die während der plio-pleistozänen Diaguita Deformatiosphase gebildet wurden. Nur ≈10 % des insgesamt generierten Öls wurde nach der Entstehung struktureller Fallen gebildet und potentiell darin gefangen. Wichtige Faktoren in der Risikobewertung dieses Erdölsystems, welche die geringen Mengen an generiertem und migriertem Öl bestimmen können, stellen die allgemein niedrigen TOC-Gehalte und die variable Mächtigkeit der Yacoraite Fm. dar. Weitere Risiken sind mit einer niedrigen Informationsdichte über potentiell vorhandene Reservoirstrukturen und die Qualität der Deckgesteine verbunden. N2 - This dissertation was carried out within the framework of the international and interdisciplinary research training group StRATEGy whose aim is to study geological processes occurring at different times and spatial scales that have shaped the southern Central Andes. The study focuses on the shales and carbonates of the Yacoraite Fm. deposited in the Salta rift basin (NW Argentina) during the Maastrichtian to Danian, and is divided into the Tres Cruces, Metán-Alemanía, and Lomas de Olmedo sub-basins. The Yacoraite Fm. is considered the potential source rock for most oil fields in NW Argentina. The overall motivation for this research was to provide new insights into the occurrence of marine and lacustrine settings during the deposition of the Yacoraite Fm. in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins. Other important aspects assessed in this research are the likely transformation of organic matter of the Yacoraite Fm. into oil as well as its genetic relation to selected produced oils and natural oil seep samples. Fifty-two outcropping samples from the Yacoraite Fm. collected in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins, seven oil seep samples from the Tres Cruces and Lomas de Olmedo sub-basins and eight produced oils from the latter sub-basin were evaluated. Characterization of the depositional environment and kerogen types of the Yacoraite Fm. was performed using various geochemical analyses encompassing pyrolysis, chromatography, spectrometry and petrography. Minerals were analyzed by X-ray diffraction. The elemental composition of rock samples was determined by X-ray fluorescence and more precise quantification was done by ICP-MS analysis. The study of the hydrocarbon potential of the Yacoraite Fm. was addressed by the following analyses of its organic matter and modeling procedures: • The assessment of the amount, quality, and thermal maturity of the organic matter; • Measurement of the rate of thermal cracking (bulk kinetics) of the organic matter into oil; • The extrapolation of high heating rate kinetics to low heating rates at geological conditions using the first-order kinetic approach provided by the Arrhenius equation; • The prediction of the composition (compositional kinetics) and the phase behavior of its first-formed petroleum; • The specific activation energy distribution of the bulk kinetics of representative samples collected in the Tres Cruces sub-basin were used in the 1D-basin modeling, enabling a comparison between the timing of oil generation and the timing of the formation of structural traps. Subsequently, the implications of these variables on the accumulation of oil in the Tres Cruces sub-basin were assessed. The characterization of produced oils and oil seep samples was carried out by chromatographic and spectrometric techniques. Genetic relationships (source rock-oil correlation) of the oil seep samples in the Tres Cruces sub-basin was studied by comparing their compositional affinities to rock extracts from outcropping samples of the Yacoraite Fm. in the same sub-basin. Since no rock samples were available from the Lomas de Olmedo sub-basin, the source-rock correlation for the oil seep samples and the produced oils assume that the Yacoraite Fm. in this sub-basin has similar organofacies as in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins. The results of this research indicate that the deposition of the Yacoraite Fm. began in marine environments. Lacustrine settings developed during the middle part and predominated towards the end of the deposition in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins. In general, the kerogen of the Yacoraite Fm. is predominantly composed of Type II, II/III, and Type III kerogens. The latter is largely found in samples from the Yacoraite Fm. whose TOC values were low. In these samples, the content of Type III kerogen could be overestimated with Rock-Eval pyrolysis due to hydrocarbon adsorption on mineral surfaces (mineral-matrix effect). Organic petrography showed that the organic particles of the Yacoraite Fm. correspond mainly to alginites and some vitrinite-like particles. Pyrolysis-GC of whole-rock samples indicated that the Yacoraite Fm. generates low sulphur oils with a mainly Paraffinic-Naphthenic-Aromatic Low Wax composition and Paraffinic High Wax oils. Minor contributions of Paraffinic Low Wax Oil and Gas condensate-generating facies are also predicted. Mineral-matrix effects can lead to an overestimation of the gas-prone character and were considered. Extrapolation of bulk kinetics experiments to a geological heating rate of 3 K/Myr reveals that the oil generation from the Yacoraite Fm. in the Tres Cruces sub-basin occurs in a range of approximately 60 °C. The onset (10%TR) of oil generation occurs at geological temperatures from 108 °C to 132 °C. The complete transformation of the organic matter into oil (90%TR) is reached at temperatures between 142 °C and 169 °C. The gas exsolution from the oil occurs at pressures below 200 bar as predicted from PVT-compatible compositional kinetics with subsequent separation of two phases and the increase in liquid viscosity at depths <1.8 km. The analysis of outcrop samples of the Yacoraite Fm. collected in the Metán-Alemanía and Tres Cruces sub-basins document that their maturity is at least at the onset of oil generation. The formation is more mature in the deeper buried centers of the basins being in the main oil window, as indicated by the presence of genetically related oil seep samples and supported by predictions of thermal modeling. The results of 1D-basin modeling indicate that the onset (10%TR) of oil generation occurred between ≈10 Ma and ≈4 Ma. Most of the oil (from ≈50% to 65%) was generated before the structural traps associated with the Diaguita tectonic phase (c.a. 2.5 Ma) formed. The amount of oil generated after the formation of structural traps and potentially accumulated in them accounts for ≈10%. The petroleum system risk assessment identifies the generally low TOC content and variable thickness of Yacoraite Fm. as important factors that may determine the low volumes of generated and migrated oil. Additional risks are associated with the lack of information regarding the existence of reservoirs and the quality of the seals. Oil-source rock correlations based on depositional-, age- and maturity-related biomarkers show that the oil samples of the Caimancito oil field and from Well-10 of the Martinez del Tineo oil field were generated from the Yacoraite Fm., while partial correlations are determined between this formation and the oil samples from Well-18 and Chirete x100-1. The oil samples from well-11 and Río Pescado show no correlation and were sourced from a different rock. According to the project partners, it is most likely the Devonian Los Monos Fm. The oil-oil correlations reflect the source oil-source rock correlations mentioned above and were supported by the ratios of light hydrocarbons using the classical approach of Halpern (1995). The Río Pescado and well-11 oil samples lack most of the biomarkers, which distinguishes them from the rest of the oils. The sample from well-11 was found to be a mixture of oils of varying thermal maturity. The least mature oil in this mixture contains stigmastane and correlates with the oil sample from the Caimancito-21 well. The most mature sample is characterized by higher concentrations of diamantanes and adamantanes. An anomalously high uranium content was measured in one sample at the base of the Yacoraite Fm. in the west sector of the Metán-Alemanía sub-basin. High radiation doses appear to be the cause for the very low hydrocarbon generation during Rock-Eval pyrolysis. The sample is composed mainly of alginites with minor amounts of terrigenous material and plots in the field of Type IV kerogen in a pseudo-Van Krevelen diagram. Since radiation induces aromatization in the kerogen structure, it potentially mimics higher thermal maturity as determined by vitrinite reflectance. The higher Tmax is caused by the high adsorption of hydrocarbons on the highly-aromatized kerogen and the contribution of hydrocarbons adsorption on mineral surfaces. The lack of biomarkers in the solvent-extracted portion (bitumen) of the same highly-irradiated sample prevents the characterization of kerogen type and the depositional environment. However, unlike Py-GC results for kerogen, GC-FID analysis on extracted bitumen still shows n-alkanes, pristane, and phytane. This may not only indicate a different response of bitumen and kerogen to radiation, at least in the magnitude, but also offers an alternative for kerogen typing in samples where the kerogen is highly affected by radiation which makes its classification unreliable. In this example, the ratios of pristane/n-C17 and phytane/n-C18 in bitumen indicate that a Type II/III kerogen composes this sample, which is consistent with the presence of alginite as the main organic component and some vitrinite-like particles. In conclusion, molecular geochemical analyses have documented the presence of gammacerane in extracts of the Yacoraite Fm. which indicate the development of hypersaline conditions as well as the changing depositional environment of the Yacoraite Fm. from marine towards lacustrine settings. The variability of organofacies of this formation in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins is a consequence of the changes in the depositional environment. Future work may provide insights into the evolution of paleosalinity during Yacoraite Fm. deposition by using specific proxies e.g., methyltrimethyltridecylchromans. Future research may include characterizing the NSO fraction of these oils as well as elucidating possible fractionation during expulsion, migration, and accumulation. A regional study is needed to clarify the uncertainties associated with the existence of the reservoir, the quality of the seals and to improve the data-input for thermal modeling for the Tres Cruces sub-basin. Studies that aim to increase the database of the concentration of methyldiamantanes (3- + 4-) and methyladamantanes (1- + 2-) in produced oils will provide a threshold for the assessment of oil cracking. Further research is aimed at helping to understand how the distribution of uranium can affect the different responses of bitumen and kerogen to radiation. KW - Yacoraite Formation KW - Argentina KW - Caimancito oil field KW - Salta basin KW - Cretaceous basin KW - Martinez del Tineo KW - Chirete KW - Ramos X-11 KW - Río Pescado KW - radiolysis KW - kerogen kinetics KW - PhaseKinetics KW - radiation and chemical properties KW - oil seeps KW - organofacies KW - organofacies KW - mineral matrix KW - age-related biomarkers KW - maturity-related biomarkers KW - biodegradation KW - Diaguita KW - Argentinien KW - Caimancito-Ölfeld KW - Chirete KW - Kreidebecken KW - Diaguita KW - Martinez del Tineo KW - Phasenkinetik KW - Ramos X-11 KW - Río Pescado KW - Salta-Becken KW - Yacoraite Formation KW - biologischer Abbau KW - Kerogenkinetik KW - Reifegradbezogene Biomarker KW - mineralische Matrix KW - natürlichen Ölaustritten KW - Organofazies KW - radiolyse KW - Strahlung und chemische Eigenschaften KW - Argentina KW - Campo petrolero Caimancito KW - Chirete KW - Cuenca Cretácica KW - Diaguita KW - Martinez del Tineo KW - Cinética de fases KW - Formación Yacoraite KW - biomarcadores diagnósticos de edad KW - biodegradación KW - Cinética del querógeno KW - biomarcadores diagnósticos de madurez KW - matríz mineral KW - manaderos de petróleo KW - radiólisis KW - radiación y propiedades químicas Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518697 ER - TY - JOUR A1 - Izgi, Gizem A1 - Eibl, Eva P. S. A1 - Donner, Stefanie A1 - Bernauer, Felix T1 - Performance test of the rotational sensor blueSeis-3A in a huddle test in Fürstenfeldbruck JF - Sensors N2 - Rotational motions play a key role in measuring seismic wavefield properties. Using newly developed portable rotational instruments, it is now possible to directly measure rotational motions in a broad frequency range. Here, we investigated the instrumental self-noise and data quality in a huddle test in Fürstenfeldbruck, Germany, in August 2019. We compare the data from six rotational and three translational sensors. We studied the recorded signals using correlation, coherence analysis, and probabilistic power spectral densities. We sorted the coherent noise into five groups with respect to the similarities in frequency content and shape of the signals. These coherent noises were most likely caused by electrical devices, the dehumidifier system in the building, humans, and natural sources such as wind. We calculated self-noise levels through probabilistic power spectral densities and by applying the Sleeman method, a three-sensor method. Our results from both methods indicate that self-noise levels are stable between 0.5 and 40 Hz. Furthermore, we recorded the 29 August 2019 ML 3.4 Dettingen earthquake. The calculated source directions are found to be realistic for all sensors in comparison to the real back azimuth. We conclude that the five tested blueSeis-3A rotational sensors, when compared with respect to coherent noise, self-noise, and source direction, provide reliable and consistent results. Hence, field experiments with single rotational sensors can be undertaken. KW - rotational seismology KW - huddle test KW - coherency KW - source direction KW - coherent noise KW - blueSeis-3A sensors Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/s21093170 SN - 1424-8220 VL - 21 IS - 9 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Izgi, Gizem A1 - Eibl, Eva P. S. A1 - Donner, Stefanie A1 - Bernauer, Felix T1 - Performance Test of the Rotational Sensor blueSeis-3A in a Huddle Test in Fürstenfeldbruck T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Rotational motions play a key role in measuring seismic wavefield properties. Using newly developed portable rotational instruments, it is now possible to directly measure rotational motions in a broad frequency range. Here, we investigated the instrumental self-noise and data quality in a huddle test in Fürstenfeldbruck, Germany, in August 2019. We compare the data from six rotational and three translational sensors. We studied the recorded signals using correlation, coherence analysis, and probabilistic power spectral densities. We sorted the coherent noise into five groups with respect to the similarities in frequency content and shape of the signals. These coherent noises were most likely caused by electrical devices, the dehumidifier system in the building, humans, and natural sources such as wind. We calculated self-noise levels through probabilistic power spectral densities and by applying the Sleeman method, a three-sensor method. Our results from both methods indicate that self-noise levels are stable between 0.5 and 40 Hz. Furthermore, we recorded the 29 August 2019 ML 3.4 Dettingen earthquake. The calculated source directions are found to be realistic for all sensors in comparison to the real back azimuth. We conclude that the five tested blueSeis-3A rotational sensors, when compared with respect to coherent noise, self-noise, and source direction, provide reliable and consistent results. Hence, field experiments with single rotational sensors can be undertaken. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1150 KW - rotational seismology KW - huddle test KW - coherency KW - source direction KW - coherent noise KW - blueSeis-3A sensors Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518556 SN - 1866-8372 IS - 1150 ER - TY - THES A1 - Spooner, Cameron T1 - How does lithospheric configuration relate to deformation in the Alpine region? T1 - Was ist der Zusammenhang zwischen der lithosphärischen Zusammensetzung der Alpen, ihrer Vorländer und deren Deformation? N2 - Forming as a result of the collision between the Adriatic and European plates, the Alpine orogen exhibits significant lithospheric heterogeneity due to the long history of interplay between these plates, other continental and oceanic blocks in the region, and inherited features from preceeding orogenies. This implies that the thermal and rheological configuration of the lithosphere also varies significantly throughout the region. Lithology and temperature/pressure conditions exert a first order control on rock strength, principally via thermally activated creep deformation and on the distribution at depth of the brittle-ductile transition zone, which can be regarded as the lower bound to the seismogenic zone. Therefore, they influence the spatial distribution of seismicity within a lithospheric plate. In light of this, accurately constrained geophysical models of the heterogeneous Alpine lithospheric configuration, are crucial in describing regional deformation patterns. However, despite the amount of research focussing on the area, different hypotheses still exist regarding the present-day lithospheric state and how it might relate to the present-day seismicity distribution. This dissertaion seeks to constrain the Alpine lithospheric configuration through a fully 3D integrated modelling workflow, that utilises multiple geophysical techniques and integrates from all available data sources. The aim is therefore to shed light on how lithospheric heterogeneity may play a role in influencing the heterogeneous patterns of seismicity distribution observed within the region. This was accomplished through the generation of: (i) 3D seismically constrained, structural and density models of the lithosphere, that were adjusted to match the observed gravity field; (ii) 3D models of the lithospheric steady state thermal field, that were adjusted to match observed wellbore temperatures; and (iii) 3D rheological models of long term lithospheric strength, with the results of each step used as input for the following steps. Results indicate that the highest strength within the crust (~ 1 GPa) and upper mantle (> 2 GPa), are shown to occur at temperatures characteristic for specific phase transitions (more felsic crust: 200 – 400 °C; more mafic crust and upper lithospheric mantle: ~600 °C) with almost all seismicity occurring in these regions. However, inherited lithospheric heterogeneity was found to significantly influence this, with seismicity in the thinner and more mafic Adriatic crust (~22.5 km, 2800 kg m−3, 1.30E-06 W m-3) occuring to higher temperatures (~600 °C) than in the thicker and more felsic European crust (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Correlation between seismicity in the orogen forelands and lithospheric strength, also show different trends, reflecting their different tectonic settings. As such, events in the plate boundary setting of the southern foreland correlate with the integrated lithospheric strength, occurring mainly in the weaker lithosphere surrounding the strong Adriatic indenter. Events in the intraplate setting of the northern foreland, instead correlate with crustal strength, mainly occurring in the weaker and warmer crust beneath the Upper Rhine Graben. Therefore, not only do the findings presented in this work represent a state of the art understanding of the lithospheric configuration beneath the Alps and their forelands, but also a significant improvement on the features known to significantly influence the occurrence of seismicity within the region. This highlights the importance of considering lithospheric state in regards to explaining observed patterns of deformation. N2 - Als Resultat der Kollision zwischen der Adriatischen und Europäischen Platte ist das Alpenorogen durch eine ausgeprägte Heterogenität der Lithosphäreneigenschaften gekennzeichnet, die auf die Geschichte der beiden Platten, ihre Interaktion, Wechselwirkungen mit anderen kontinentalen und ozeanischen Blöcken der Region und strukturell vererbte Merkmale aus früheren Orogenesen zurückzuführen sind. Entsprechend ist zu erwarten, dass die thermische und rheologische Konfiguration der Lithosphäre ebenfalls grundlegend innerhalb der Region variiert. Lithologie und Temperatur-/Druckbedingungen steuern maßgeblich die Festigkeit der Lithosphäre indem thermisch aktiviertes Kriechen die Tiefenlage der spröd-duktilen Übergangszone – die sogenannte brittle-ductile transition (BDT) bestimmt. Diese Tiefenlage kann als untere Grenze der seismogenen Zone betrachtet werden kann, weshalb sie die räumliche Verteilung der Seismizität in der Lithosphärenplatte entscheidend beeinflusst. Trotz der langjährigen und umfangreichen Forschung zur Dynamik und Struktur der Alpen gibt es immer noch verschiedene Hypothesen zum heutigen physikalischen Zustand des Systems und dazu, wie dieser mit der Verteilung und dem Auftreten von Seismizität zusammenhängt. Diese Dissertation hat das Ziel, die Lithosphärenkonfiguration der Alpen zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen der Verteilung lithosphärischer Eigenschaften und Deformation, insbesondere der Verteilung der Seismizität abzuleiten. Dies wird durch einen integrierten Modellierungsansatz erreicht, mit dem verfügbare geophysikalische Beobachtungen in 3D Modellen zusammengeführt werden, die die heterogene lithosphärische Konfiguration abbilden. Dazu wird (1) ein mit geologischen, seismischen und gravimetrischen Daten konsistentes 3D-Dichtemodell erzeugt und genutzt, um Lithologien abzuleiten, (2) deren Konsequenzen für das dreidimensionale stationäre thermische Feld zu berechnen und, basierend darauf, schließlich (3) die räumliche Variation der Lithosphärenrheologie zu bestimmen. Diese räumliche Variation der rheologischen Eigenschaften wurde schließlich in Beziehung zur Verteilung der auftretenden Seismizität gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die größte Festigkeit innerhalb der Kruste (~1 GPa) und im oberen Mantel (> 2 GPa) oberhalb der Bereiche auftritt, wo Temperaturbedingte Phasenübergänge zu erwarten sind. Für die felsische Kruste umfasst dies den Temperaturbereich bis etwa 400° C, für die mafische Kruste und den lithospärischen Mantel bis etwa 600°, wobei Seismizität jeweils oberhalb dieser Temperaturen auftritt. Zusätzlich wurden Hinweise gefunden, dass diese Festigkeitsverteilung auf vererbte Lithosphäreneigenschaften zurückzuführen ist: so tritt seismische Aktivität in der dünneren und mafischen Adria Kruste (~22,5 km, 2.800 kg m-3, 1.30E -06 W m-3) bei höheren Temperatur (~600° C) auf als in der dickeren und eher felsischen europäischen Kruste (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Die Beziehung zwischen seismischer Aktivität und Lithosphärenfestigkeit im Bereich der Vorländer zeigt ebenfalls unterschiedliche Trends, die verschiedenene tektonische Randbedingungen wiederspiegeln. Während im Plattenrandsetting des südlichen Vorlands Seismizität in der rheologisch weicheren Lithosphäre in der Umrandung des adriatischen Indentors auftritt, korreliert die auftretende Seismizität im Intraplattensetting des nördlichen Vorlands räumlich mit wärmeren und rheologisch schwächeren Domänen im Bereich des Oberrheingrabens. Somit liefern die Ergebnisse in dieser Arbeit nicht nur ein verbessertes Verständnis der Lithosphärenkonfiguration der Alpen und ihrer Vorländer , sondern auch einen bedeutenden Fortschritt dazu, welche Faktoren Seismizität innerhalb der Region beeinflussen können. Sie zeigen, dass es wichtig ist, die Lithosphärenkonfiguration zu kennen und sie zur auftretenden Deformation in Beziehung zu setzen. KW - Gravity KW - Thermal KW - Rheology KW - Model KW - Alps KW - Alpen KW - Schwerkraft KW - Modell KW - Rheologie KW - Thermisch Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516442 ER - TY - GEN A1 - Samprogna Mohor, Guilherme A1 - Thieken, Annegret A1 - Korup, Oliver T1 - Residential flood loss estimated from Bayesian multilevel models T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Models for the predictions of monetary losses from floods mainly blend data deemed to represent a single flood type and region. Moreover, these approaches largely ignore indicators of preparedness and how predictors may vary between regions and events, challenging the transferability of flood loss models. We use a flood loss database of 1812 German flood-affected households to explore how Bayesian multilevel models can estimate normalised flood damage stratified by event, region, or flood process type. Multilevel models acknowledge natural groups in the data and allow each group to learn from others. We obtain posterior estimates that differ between flood types, with credibly varying influences of water depth, contamination, duration, implementation of property-level precautionary measures, insurance, and previous flood experience; these influences overlap across most events or regions, however. We infer that the underlying damaging processes of distinct flood types deserve further attention. Each reported flood loss and affected region involved mixed flood types, likely explaining the uncertainty in the coefficients. Our results emphasise the need to consider flood types as an important step towards applying flood loss models elsewhere. We argue that failing to do so may unduly generalise the model and systematically bias loss estimations from empirical data. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1148 KW - damage KW - insurance KW - Germany KW - transferability KW - preparedness KW - recovery Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-517743 SN - 1866-8372 SP - 1599 EP - 1614 ER - TY - JOUR A1 - Samprogna Mohor, Guilherme A1 - Thieken, Annegret A1 - Korup, Oliver T1 - Residential flood loss estimated from Bayesian multilevel models JF - Natural Hazards and Earth System Sciences N2 - Models for the predictions of monetary losses from floods mainly blend data deemed to represent a single flood type and region. Moreover, these approaches largely ignore indicators of preparedness and how predictors may vary between regions and events, challenging the transferability of flood loss models. We use a flood loss database of 1812 German flood-affected households to explore how Bayesian multilevel models can estimate normalised flood damage stratified by event, region, or flood process type. Multilevel models acknowledge natural groups in the data and allow each group to learn from others. We obtain posterior estimates that differ between flood types, with credibly varying influences of water depth, contamination, duration, implementation of property-level precautionary measures, insurance, and previous flood experience; these influences overlap across most events or regions, however. We infer that the underlying damaging processes of distinct flood types deserve further attention. Each reported flood loss and affected region involved mixed flood types, likely explaining the uncertainty in the coefficients. Our results emphasise the need to consider flood types as an important step towards applying flood loss models elsewhere. We argue that failing to do so may unduly generalise the model and systematically bias loss estimations from empirical data. KW - damage KW - insurance KW - Germany KW - transferability KW - preparedness KW - recovery Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-21-1599-2021 SN - 2195-9269 VL - 21 SP - 1599 EP - 1614 PB - European Geophysical Society CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - THES A1 - Krstulovic, Marija T1 - Local structure of network formers and network modifiers in silicate melts at high pressure and temperature conditions T1 - Lokale Struktur der Netzwerkbildner und der Netzwerkwandler in silikatischen Schmelzen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen N2 - Silikatische Schmelzen sind wichtiger Bestandteil des Erdinneren und als solche leisten sie in magmatischen Prozessen einen wesentlichen Beitrag in der Dynamik der festen Erde und der chemischen Entwicklung des gesamten Erdköpers. Makroskopische physikalische und chemische Eigenschaften wie Dichte, Kompressibilität, Viskosität, Polymerisationsgrad etc. sind durch die atomare Struktur der Schmelzen bestimmt. In Abhängigkeit vom Druck, aber auch von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung zeigen silikatische Schmelzen unterschiedliche strukturelle Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind am besten durch die lokale Koordinationsumgebung, d.h. Symmetrie und Anzahl der Nachbarn (Koordinationszahl) eines Atoms, sowie dem Abstand zwischen Zentralatom und Nachbarn (atomarer Abstand) beschrieben. Mit steigendem Druck und Temperatur, das heißt mit der zunehmenden Tiefe in der Erde, nimmt die Dichte der Schmelzen zu, welches zur Veränderung von Koordinationszahl und Abständen führen kann. Bei gleichbleibender Koordinationszahl nimmt der Abstand in der Regel zu. Kommt es zu Erhöhung der Koordinationszahl kann der Abstand zunehmen. Diese allgemeinen Trends können allerdings stark variieren, welches insbesondere auf die chemische Zusammensetzung zurückzuführen ist. Dadurch, dass natürliche Schmelzen der tiefen Erde für direkte Untersuchungen nicht zugänglich sind, um ihre Eigenschaften unter den relevanten Bedingungen zu verstehen, wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen bisher durchgeführt. Dies wurde häufig am Beispiel von amorphen Proben der Endglieder SiO2, und GeO2 studiert, wobei letzteres als strukturelles und chemisches Analogmodell zu SiO2 dient. Meistens wurden die Experimente bei hohem Druck und bei Raumtemperatur durchgeführt. Natürliche Schmelzen sind chemisch deutlich komplexer als die einfachen Endglieder SiO2 und GeO2, so dass die Beobachtungen an diesen möglicherweise zu falschen Verdichtungsmodellen führen können. Weiterhin können die Untersuchungen an Gläsern bei Raumtemperatur potentiell starke Abweichungen zu Eigenschaften von Schmelzen bei natürlichen thermodynamischen Bedingungen aufweisen. Das Ziel dieser Dissertation war es zu erläutern, welchen Einfluss die Zusammensetzung und die Temperatur auf die strukturelle Eigenschaften der Schmelzen unter hohen Drücken haben. Um das zu verstehen, haben wir komplexe alumino-germanatische und alumino-silikatische Gläser studiert. Genauer gesagt, wir haben synthetische Gläser studiert, die eine Zusammensetzung wie das Mineral Albit und wie eine Mischung von Albit-Diopsid im eutektischen Punkt haben. Das Albitglas ähnelt strukturell einer vereinfachten granitischen Schmelze, während das Albit-Diopsid-Glas eine vereinfachte basaltische Schmelze simuliert. Um die lokale Koordinationsumgebung der Elemente zu studieren, haben wir die Röntgenabsorptionsspektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle benutzt. Dadurch, dass die Diamanten eine hohe Absorption für Röntgenstrahlung mit Energien unterhalb von 10 keV aufweisen, ist die unmittelbare Untersuchung der geologisch sehr relevanten Elemente wie Si, Al, Ca, Mg etc. mit dieser Spektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle nicht möglich. Deswegen wurden die Gläser mit Ge und Sr dotiert. Diese Elemente dienen teilweise oder vollständig als Ersatzelemente für wichtige Hauptelemente. In diesem Sinne, dient Ge als Ersatzelement für Si und andere Netzwerkbildner, während Sr Netzwerkwandler wie Z.B. Ca, Na, Mg etc., sowie andere Kationen mit großem Ionenradius ersetzt. Im ersten Schritt haben wir die Ge K-Kante im Ge-Albit-Glass, NaAlGe3O8, bei Raumtemperatur bis 131 GPa untersucht. Dieses Glas hat eine höhere chemische Komplexität als SiO2 und GeO2, aber es ist immer noch vollständig polymerisiert. Die Unterschiede im Verdichtungsmechanismus zwischen diesem Glas und den einfachen Oxiden können so eindeutig auf höhere chemische Komplexität zurückgeführt werden. Die partiell mit Ge und Sr dotierten Albit und Albit-Diopsid-Zusammensetzungen wurden bei Raumtemperatur für Ge bis 164 GPa und für Sr bis 42 GPa untersucht. Während das Albitglass wie NaAlGe3O8 nominelll vollständig polymerisiert ist, ist das Albit-Diopsid Glas teilweise depolymerisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in allen drei Gläsern strukturelle An̈derungen in den ersten 25 bis maximal 30 GPa stattfinden, wobei beide Ge und Sr die maximale Koordinationszahl 6 bzw. ∼9 erreichen. Bei höheren Drücken findet in den Gläsern nur eine isostrukturelle Schrumpfung der Koordinationspolyeder statt. Der wichtigste Befund der Hochdruckstudien an den alumino-silikatischen und alumino-germanatischen Gläsern ist, dass in diesen komplexen Gläsern die Polyeder eine viel höhere Kompressibilität aufweisen als bei den Endgliedern zu beobachten. Das zeigt sich insbesondere durch die starke Verkürzung der Ge-O Abstände in dem amorphen NaAlGe3O8 und Albit-Diopsid-Glas bei Drücken über 30 GPa. Zusätzlich zu den Effekten der Zusammensetzung auf den Verdichtungsprozess, haben wir den Einfluss der Temperatur auf die strukturelle Änderungen untersucht. Dazu haben wir das Albit-Diopsid-Glas untersucht, da es den Schmelzen im unteren Mantel chemisch am ähnlichsten ist. Wir haben die Ge K-Kante der Probe mit einer resistiv-geheizten und einer Laser-geheizter Diamantstempelzelle untersucht, für einen Druckbereich bis zu 48 GPa, sowie einen Temperaturbereich bis 5000 K. Hohe Temperaturen, bei denen die Probe flüssig ist und die für den Erdmantel relevant sind, haben einen bedeutenden Einfluss auf die strukturelle Transformation. Diese wird um ca. 30% zu deutlich niedrigeren Drücken verschoben, im Vergleich zu den Gläsern bei Raumtemperatur und unterhalb von 1000 K. Die Ergebnisse dieser Dissertation stellen einen wichtigen Beitrag fur das Verständnis der Eigenschaften von Schmelzen unter Bedingungen des unteren Mantels dar. Im Kontext der Diskussion über die Existenz und den Ursprung von silikatischen Schmelzen mit ultrahoher Dichte, welche an der Grenze zwischen Mantel und Erdkern aufgrund seismologischer Daten vermutet werden, zeigen diese Untersuchugen, dass die im Vergleich zur Umgebung höhere Dichte nicht durch strukturelle Besonderheiten, sondern durch eine besondere chemische Zusammensetzung erklärt werden müssen. Außerdem legen die Ergebnisse nahe, dass für Schmelzen im unteren Erdmantel nur sehr geringe Löslichkeiten von Edelgasen zu erwarten sind, so dass die strukturellen Eigenschaften deutlich den Gesamthaushalt und Transport der Edelgase im Erdmantel beeinflussen. N2 - Silicate melts are major components of the Earth’s interior and as such they make an essential contribution in igneous processes, in the dynamics of the solid Earth and the chemical development of the entire Earth. Macroscopic physical and chemical properties such as density, compressibility, viscosity, degree of polymerization etc. are determined by the atomic structure of the melt. Depending on the pressure, but also on the temperature and the chemical composition, silicate melts show different structural properties. These properties are best described by the local coordination environment, i.e. symmetry and number of neighbors (coordination number) of an atom, as well as the distance between the central atom and its neighbors (inter-atomic distance). With increasing pressure and temperature, i.e. with increasing depth in the Earth, the density of the melt increases, which can lead to changes in coordination number and distances. If the coordination number remains the same, the distance usually decreases. If the coordination number increases, the distance can increase. These general trends can, however, vary greatly, which can be attributed in particular to the chemical composition. Due to the fact that natural melts of the deep earth are not accessible to direct investigations, in order to understand their properties under the relevant conditions, extensive experimental and theoretical investigations have been carried out so far. This has often been studied using the example of amorphous samples of the end-members SiO2 and GeO2 , with the latter serving as a structural and chemical analog model to SiO2. Commonly, the experiments were carried out at high pressure and at room temperature. Natural melts are chemically much more complex than the simple end-member SiO2 and GeO2, so that observations made on them may lead to incorrect compression models. Furthermore, the investigations on glasses at room temperature can show potentially strong deviations from the properties of melts under natural thermodynamic conditions. The aim of this thesis was to explain the influence of the composition and the temperature on the structural properties of the melts at high pressures. To understand this, we studied complex alumino-germanate and alumino-silicate glasses. More precisely, we studied synthetic glasses that have a composition like the mineral albite and like a mixture of albite-diopside at the eutectic point. The albite glass is structurally similar to a simplified granitic melt, while the albite-diopside glass simulates a simplified basaltic melt. To study the local coordination environment of the elements, we used X-ray absorption spectroscopy in combination with a diamond anvil cell. Because the diamonds have a high absorbance for X-rays with energies below 10 keV, the direct investigation of the geologically relevant elements such as Si, Al, Ca, Mg etc. with this spectroscopic probe technique in combination with a diamond anvil cell is not possible. Therefore the glasses were doped with Ge and Sr. These elements serve partially or fully as substitutes for important major elements. In this sense, Ge serves as an a substitute for Si and other network formers, while Sr replaces network modifiers such as Ca, Na, Mg etc., as well as other cations with a large ionic radius. In the first step we studied the Ge K-edge in Ge-Albit-glass, NaAlGe3O8, at room temperature up to 131 GPa. This glass has a higher chemical complexity than SiO2 and GeO2, but it is still fully polymerized. The differences in the compression mechanism between this glass and the simple oxides can clearly be attributed to higher chemical complexity. The albite and albite-diopside compositions partially doped with Ge and Sr were probed at room temperature for Ge up to 164 GPa and for Sr up to 42 GPa. While the albite glass is nominally fully polymerized like NaAlGe3O8, the albite-diopside glass is partially depolymerized. The results show that structural changes take place in all three glasses in the first 25 to a maximum of 30 GPa, with both Ge and Sr reaching the maximum coordination number 6 and ∼9, respectively. At higher pressures, only isostructural shrinkage of the coordination polyhedra takes place in the glasses. The most important finding of the high pressure studies on the alumino-silicate and alumino-germanate glasses is that in these complex glasses the polyhedra show a much higher compressibility than what can be observed in the end-members. This is shown in particular by the strong shortening of the Ge-O distances in the amorphous NaAlGe3O8 and albite-diopside glass at pressures above 30 GPa. In addition to the effects of the composition on the compaction process, we investigated the influence of temperature on the structural changes. To do this, we probed the albite-diopside glass, as it is chemically most similar to the melts in the lower mantle. We studied the Ge K edge of the sample with a resistively heated and a laser-heated diamond anvil cell, for a pressure range of up to 48 GPa and a temperature range of up to 5000 K. High temperatures at which the sample is liquid and that are relevant for the Earth mantle, have a significant impact on the structural transformation, with a shift of approx. 30% to significantly lower pressures, compared to the glasses at room temperature and below 1000 K. The results of this thesis represent an important contribution to the understanding of the properties of melts at conditions of the lower mantle. In the context of the discussion about the existence and origin of ultra-dense silicate melts at the core-mantle boundary, these investigations show that the higher density compared to the surrounding material cannot be explained by only structural features, but by a distinct chemical composition. The results also suggest that only very low solubilities of noble gases are to be expected for melts in the lower mantle, so that the structural properties clearly influence the overall budget and transport of noble gases in the Earth’s mantle. KW - glasses KW - silicate melts KW - XAS KW - local structure KW - spectroscopy KW - high-pressure KW - EXAFS KW - XANES KW - compression KW - EXAFS KW - XANES KW - XAS KW - Verdichtung KW - Gläser KW - Hochdruck KW - lokale Struktur KW - silikatische Schmelzen KW - Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516415 ER - TY - GEN A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie A1 - Bahr, André A1 - Zeeden, Christian A1 - Yamoah, Kweku A. A1 - Lone, Mahjoor Ahmad A1 - Chuang, Chih-Kai A1 - Löwemark, Ludvig A1 - Wei, Kuo-Yen T1 - A tale of shifting relations BT - East Asian summer and winter monsoon variability during the Holocene T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Understanding the dynamics between the East Asian summer (EASM) and winter monsoon (EAWM) is needed to predict their variability under future global warming scenarios. Here, we investigate the relationship between EASM and EAWM as well as the mechanisms driving their variability during the last 10,000 years by stacking marine and terrestrial (non-speleothem) proxy records from the East Asian realm. This provides a regional and proxy independent signal for both monsoonal systems. The respective signal was subsequently analysed using a linear regression model. We find that the phase relationship between EASM and EAWM is not time-constant and significantly depends on orbital configuration changes. In addition, changes in the Atlantic Meridional Overturning circulation, Arctic sea-ice coverage, El Niño-Southern Oscillation and Sun Spot numbers contributed to millennial scale changes in the EASM and EAWM during the Holocene. We also argue that the bulk signal of monsoonal activity captured by the stacked non-speleothem proxy records supports the previously argued bias of speleothem climatic archives to moisture source changes and/or seasonality. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1145 KW - Environmental sciences KW - Ocean sciences KW - Solid Earth sciences Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515735 SN - 1866-8372 ER - TY - JOUR A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie A1 - Bahr, André A1 - Zeeden, Christian A1 - Yamoah, Kweku A. A1 - Lone, Mahjoor Ahmad A1 - Chuang, Chih-Kai A1 - Löwemark, Ludvig A1 - Wei, Kuo-Yen T1 - A tale of shifting relations BT - East Asian summer and winter monsoon variability during the Holocene JF - Scientific Reports N2 - Understanding the dynamics between the East Asian summer (EASM) and winter monsoon (EAWM) is needed to predict their variability under future global warming scenarios. Here, we investigate the relationship between EASM and EAWM as well as the mechanisms driving their variability during the last 10,000 years by stacking marine and terrestrial (non-speleothem) proxy records from the East Asian realm. This provides a regional and proxy independent signal for both monsoonal systems. The respective signal was subsequently analysed using a linear regression model. We find that the phase relationship between EASM and EAWM is not time-constant and significantly depends on orbital configuration changes. In addition, changes in the Atlantic Meridional Overturning circulation, Arctic sea-ice coverage, El Niño-Southern Oscillation and Sun Spot numbers contributed to millennial scale changes in the EASM and EAWM during the Holocene. We also argue that the bulk signal of monsoonal activity captured by the stacked non-speleothem proxy records supports the previously argued bias of speleothem climatic archives to moisture source changes and/or seasonality. KW - Environmental sciences KW - Ocean sciences KW - Solid Earth sciences Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-021-85444-7 SN - 2045-2322 VL - 11 PB - Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature CY - London ER - TY - THES A1 - Wetzel, Maria T1 - Pore space alterations and their impact on hydraulic and mechanical rock properties quantified by numerical simulations T1 - Numerische Simulationen zum Einfluss von Porenraumveränderungen auf die Entwicklung hydraulischer und mechanischer Gesteinseigenschaften N2 - Geochemical processes such as mineral dissolution and precipitation alter the microstructure of rocks, and thereby affect their hydraulic and mechanical behaviour. Quantifying these property changes and considering them in reservoir simulations is essential for a sustainable utilisation of the geological subsurface. Due to the lack of alternatives, analytical methods and empirical relations are currently applied to estimate evolving hydraulic and mechanical rock properties associated with chemical reactions. However, the predictive capabilities of analytical approaches remain limited, since they assume idealised microstructures, and thus are not able to reflect property evolution for dynamic processes. Hence, aim of the present thesis is to improve the prediction of permeability and stiffness changes resulting from pore space alterations of reservoir sandstones. A detailed representation of rock microstructure, including the morphology and connectivity of pores, is essential to accurately determine physical rock properties. For that purpose, three-dimensional pore-scale models of typical reservoir sandstones, obtained from highly resolved micro-computed tomography (micro-CT), are used to numerically calculate permeability and stiffness. In order to adequately depict characteristic distributions of secondary minerals, the virtual samples are systematically altered and resulting trends among the geometric, hydraulic, and mechanical rock properties are quantified. It is demonstrated that the geochemical reaction regime controls the location of mineral precipitation within the pore space, and thereby crucially affects the permeability evolution. This emphasises the requirement of determining distinctive porosity-permeability relationships by means of digital pore-scale models. By contrast, a substantial impact of spatial alterations patterns on the stiffness evolution of reservoir sandstones are only observed in case of certain microstructures, such as highly porous granular rocks or sandstones comprising framework-supporting cementations. In order to construct synthetic granular samples a process-based approach is proposed including grain deposition and diagenetic cementation. It is demonstrated that the generated samples reliably represent the microstructural complexity of natural sandstones. Thereby, general limitations of imaging techniques can be overcome and various realisations of granular rocks can be flexibly produced. These can be further altered by virtual experiments, offering a fast and cost-effective way to examine the impact of precipitation, dissolution or fracturing on various petrophysical correlations. The presented research work provides methodological principles to quantify trends in permeability and stiffness resulting from geochemical processes. The calculated physical property relations are directly linked to pore-scale alterations, and thus have a higher accuracy than commonly applied analytical approaches. This will considerably improve the predictive capabilities of reservoir models, and is further relevant to assess and reduce potential risks, such as productivity or injectivity losses as well as reservoir compaction or fault reactivation. Hence, the proposed method is of paramount importance for a wide range of natural and engineered subsurface applications, including geothermal energy systems, hydrocarbon reservoirs, CO2 and energy storage as well as hydrothermal deposit exploration. N2 - Geochemische Lösungs- und Fällungsprozesse verändern die Struktur des Porenraums und können dadurch die hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften erheblich beeinflussen. Die Quantifizierung dieser Parameteränderung und ihre Berücksichtigung in Reservoirmodellen ist entscheidend für eine nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrunds. Aufgrund fehlender Alternativen werden dafür bisher analytische Methoden genutzt. Da diese Ansätze eine idealisierte Mikrostruktur annehmen, können insbesondere Änderungen der Gesteinseigenschaften infolge von dynamischen Prozessen nicht zuverlässig abgebildet werden. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es deshalb, die Entwicklung von Gesteinspermeabilitäten und -steifigkeiten aufgrund von Porenraumveränderungen genauer vorherzusagen. Für die möglichst exakte Bestimmung physikalischer Gesteinsparameter ist eine detaillierte Darstellung der Mikrostruktur notwendig. Basierend auf mikro-computertomographischen Scans werden daher hochaufgelöste, dreidimensionale Modelle typischer Reservoirsandsteine erstellt und Gesteinspermeabilität und -steifigkeit numerisch berechnet. Um charakteristische Verteilungen von Sekundärmineralen abzubilden, wird der Porenraum dieser virtuellen Sandsteinproben systematisch verändert und die resultierenden Auswirkungen auf die granulometrischen, hydraulischen und elastischen Gesteinseigenschaften bestimmt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass charakteristische Fällungsmuster unterschiedlicher geochemischer Reaktionsregime die Permeabilität erheblich beeinflussen. Folglich ist die Nutzung von porenskaligen Modellen zur Bestimmung der Porosität-Permeabilitätsbeziehungen unbedingt notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Verteilung von Sekundärmineralen für die Gesteinssteifigkeit nur bei bestimmten Mikrostrukturen von Bedeutung, hierzu zählen hochporöse Sandsteine oder solche mit Korngerüst-stützenden Zementierungen. In der Arbeit wird außerdem ein Ansatz zur Konstruktion granularer Gesteine vorgestellt, welcher sowohl die Kornsedimentation als auch die diagenetische Verfestigung umfasst. Es wird gezeigt, dass die synthetischen Proben die mikrostrukturelle Komplexität natürlicher Reservoirsandsteine gut abbilden. Dadurch können generelle Limitationen von bildgebenden Verfahren überwunden und unterschiedlichste virtuelle Repräsentationen von granularen Gesteinen generiert werden. Die synthetischen Proben können zukünftig in virtuellen Experimenten verwendet werden, um die Auswirkungen von Lösungs- und Fällungsreaktionen auf verschiedene petrophysikalische Korrelationen zu untersuchen. Die vorgestellte Arbeit liefert methodische Grundlagen zur Quantifizierung von Permeabilitäts- und Steifigkeitsänderungen infolge geochemischer Prozesse. Die berechneten petrophysikalischen Beziehungen basieren direkt auf mikrostrukturellen Veränderungen des Porenraums. Daher bieten sie eine genauere Vorhersage der Gesteinseigenschaften als herkömmliche analytische Methoden, wodurch sich die Aussagekraft von Reservoirmodellen erheblich verbessert. Somit können Risiken, wie Produktivitäts- oder Injektivitätsverluste sowie Reservoirkompaktion oder Störungsreaktivierung, verringert werden. Die präsentierten Ergebnisse sind daher relevant für verschiedenste Bereiche der geologischen Untergrundnutzung wie CO2- oder Energiespeicherung, Geothermie, Kohlenwasserstoffgewinnung sowie die Erkundung hydrothermaler Lagerstätten. KW - digital rock physics KW - synthetic sandstone KW - permeability evolution KW - elastic rock properties KW - micro-CT KW - Digitale Gesteinsphysik KW - Elastische Gesteinseigenschaften KW - Mikro-CT KW - Permeabilitätsentwicklung KW - Synthetische Sandsteine Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512064 ER - TY - THES A1 - Gholamrezaie, Ershad T1 - Variations of lithospheric strength in different tectonic settings T1 - Unterschiede in der Festigkeit der Lithosphäre in verschiedenen tektonischen Umgebungen N2 - Rheology describes the flow of matter under the influence of stress, and - related to solids- it investigates how solids subjected to stresses deform. As the deformation of the Earth’s outer layers, the lithosphere and the crust, is a major focus of rheological studies, rheology in the geosciences describes how strain evolves in rocks of variable composition and temperature under tectonic stresses. It is here where deformation processes shape the form of ocean basins and mountain belts that ultimately result from the complex interplay between lithospheric plate motion and the susceptibility of rocks to the influence of plate-tectonic forces. A rigorous study of the strength of the lithosphere and deformation phenomena thus requires in-depth studies of the rheological characteristics of the involved materials and the temporal framework of deformation processes. This dissertation aims at analyzing the influence of the physical configuration of the lithosphere on the present-day thermal field and the overall rheological characteristics of the lithosphere to better understand variable expressions in the formation of passive continental margins and the behavior of strike-slip fault zones. The main methodological approach chosen is to estimate the present-day thermal field and the strength of the lithosphere by 3-D numerical modeling. The distribution of rock properties is provided by 3-D structural models, which are used as the basis for the thermal and rheological modeling. The structural models are based on geophysical and geological data integration, additionally constrained by 3-D density modeling. More specifically, to decipher the thermal and rheological characteristics of the lithosphere in both oceanic and continental domains, sedimentary basins in the Sea of Marmara (continental transform setting), the SW African passive margin (old oceanic crust), and the Norwegian passive margin (young oceanic crust) were selected for this study. The Sea of Marmara, in northwestern Turkey, is located where the dextral North Anatolian Fault zone (NAFZ) accommodates the westward escape of the Anatolian Plate toward the Aegean. Geophysical observations indicate that the crust is heterogeneous beneath the Marmara basin, but a detailed characterization of the lateral crustal heterogeneities is presented for the first time in this study. Here, I use different gravity datasets and the general non-uniqueness in potential field modeling, to propose three possible end-member scenarios of crustal configuration. The models suggest that pronounced gravitational anomalies in the basin originate from significant density heterogeneities within the crust. The rheological modeling reveals that associated variations in lithospheric strength control the mechanical segmentation of the NAFZ. Importantly, a strong crust that is mechanically coupled to the upper mantle spatially correlates with aseismic patches where the fault bends and changes its strike in response to the presence of high-density lower crustal bodies. Between the bends, mechanically weaker crustal domains that are decoupled from the mantle are characterized by creep. For the passive margins of SW Africa and Norway, two previously published 3-D conductive and lithospheric-scale thermal models were analyzed. These 3-D models differentiate various sedimentary, crustal, and mantle units and integrate different geophysical data, such as seismic observations and the gravity field. Here, the rheological modeling suggests that the present-day lithospheric strength across the oceanic domain is ultimately affected by the age and past thermal and tectonic processes as well as the depth of the thermal lithosphere-asthenosphere boundary, while the configuration of the crystalline crust dominantly controls the rheological behavior of the lithosphere beneath the continental domains of both passive margins. The thermal and rheological models show that the variations of lithospheric strength are fundamentally influenced by the temperature distribution within the lithosphere. Moreover, as the composition of the lithosphere significantly influences the present-day thermal field, it therefore also affects the rheological characteristics of the lithosphere. Overall my studies add to our understanding of regional tectonic deformation processes and the long-term behavior of sedimentary basins; they confirm other analyses that have pointed out that crustal heterogeneities in the continents result in diverse lithospheric thermal characteristics, which in turn results in higher complexity and variations of rheological behavior compared to oceanic domains with a thinner, more homogeneous crust. N2 - Die Rheologie ist die Wissenschaft, die sich mit dem Fließ- und Verformungsverhalten von Materie beschäftigt. Hierzu gehören neben Gasen und Flüssigkeiten vor allem auch Feststoffe, die einer Spannung ausgesetzt sind und einem daraus resultierenden Verformungsprozess unterliegen - entweder unter bruchhaften oder plastischen Bedingungen. In den Geowissenschaften umfasst die Rheologie die kombinierte Analyse tektonischer Spannungen und resultierender Deformationsphänomene in Gesteinen unter unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen sowie im Zusammenhang mit physikalischen Eigenschaften der Krusten- und Mantelgesteine. Die Verformung des lithosphärischen Mantels und der Kruste ist ein Schwerpunkt rheologischer Untersuchungen, denn in diesem Zusammenhang bilden sich Ozeanbecken und Gebirgsgürtel, die letztendlich aus dem komplexen Zusammenspiel der Bewegungen lithosphärischer Platten und der unterschiedlichen Deformierbarkeit von Krusten- und Mantelgesteinen unter dem Einfluss plattentektonischer Kräfte resultieren. Eine genaue Untersuchung der Festigkeit der Lithosphäre und der Deformationssphänomene erfordert daher eingehende Studien der rheologischen Eigenschaften der beteiligten Materialien. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieser Dissertation, die allgemeinen rheologischen Charakteristika der Lithosphäre in drei verschiedenen geodynamischen Bereichen zu analysieren, um unterschiedlich geprägte passive Kontinentalränder sowie das Verhalten von Transformstörungen innerhalb der Kontinente besser zu verstehen. Der wichtigste methodische Ansatz, der hierfür gewählt wurde, ist die numerische 3D-Modellierung, um eine Abschätzung des gegenwärtigen thermischen Feldes und der Festigkeit der Lithosphäre zu ermöglichen. Die räumliche Verteilung der Gesteinseigenschaften in Kruste und Mantel wird dabei durch 3-D-Strukturmodelle bereitgestellt, die als Grundlage für die thermische und rheologische Modellierung verwendet werden. Die Strukturmodelle basieren auf der Integration geophysikalischer und geologischer Daten, die zusätzlich durch eine 3D-Dichtemodellierung validiert werden. Um die thermischen und rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre sowohl im ozeanischen als auch im kontinentalen Bereich zu entschlüsseln, wurden für diese Studie Sedimentbecken im Marmarameer im Bereich der kontinentalen Nordanatolischen Transformstörung sowie im Bereich der passiven Plattenränder von SW-Afrika (alte ozeanische Kruste) und vor Norwegen (junge ozeanische Kruste) ausgewählt. Das Marmarameer im Nordwesten der Türkei befindet sich in einer Region, wo die dextrale Nordanatolische Störung (NAFZ) die westwärts gerichtete Ausweichbewegung der Anatolischen Platte in Richtung Ägäis ermöglicht. Geophysikalische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die kontinentale Kruste unter dem Marmara-Becken heterogen ist, allerdings stellt diese Arbeit zum ersten Mal eine detaillierte Charakterisierung dieser lateralen Krustenheterogenitäten vor. Hierzu verwende ich verschiedene Schweredaten und die Potenzialfeldmodellierung, um drei mögliche Szenarien zur Erklärung der Unterschiede im Charakter der Kruste vorzuschlagen. Die Modelle legen nahe, dass ausgeprägte Schwereanomalien im Becken von signifikanten Dichte-Heterogenitäten innerhalb der Kruste hervorgerufen werden. Die rheologische Modellierung zeigt, dass damit verbundene Unterschiede in der Festigkeit der Lithosphäre die mechanische Segmentierung der NAFZ steuern und sich auf seismogene Prozesse auswirken. Demnach korrelieren Krustenbereiche hoher Festigkeit, die mechanisch an den oberen Mantel gekoppelt sind, räumlich mit aseismischen Sektoren in der Region um die Störungszone, in denen sich das Streichen der NAFZ ändert. Zwischen den Bereichen mit den veränderten Streichrichtungen der Störung existieren dagegen mechanisch schwächere Krustenbereiche, die vom Mantel entkoppelt und durch Kriechbewegungen gekennzeichnet sind. Für die passiven Kontinentalränder von SW-Afrika und Norwegen wurden zwei veröffentlichte thermische 3-D-Modelle hinsichtlich des Einflusses der Temperaturverteilung auf die Festigkeit der Lithosphäre analysiert. Diese 3-D-Modelle differenzieren verschiedene Sediment-, Krusten- und Mantelbereiche und integrieren unterschiedliche geophysikalische Daten, wie zum Beispiel seismische Beobachtungen und Schwerefeldmessungen. Hier legt die rheologische Modellierung nahe, dass die derzeitige Lithosphärenfestigkeit im ozeanischen Bereich letztlich durch das Alter und vergangene thermische und tektonische Prozesse sowie die Tiefe der thermischen Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre beeinflusst wird, während die Konfiguration der kristallinen Kruste das rheologische Verhalten der Lithosphäre in den kontinentalen Bereichen der beiden passiven Ränder dominiert. Die thermischen und rheologischen Modelle zeigen, dass die Variationen in der Festigkeit der Lithosphäre grundlegend von der Temperaturverteilung innerhalb der Lithosphäre selbst beeinflusst werden. Dabei steuert die Zusammensetzung der Lithosphäre das heutige thermische Feld entscheidend mit und darüber auch die rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre. Diese Ergebnisse tragen somit zu einem besseren Verständnis regionaler tektonischer Deformationsprozesse und der dynamischen Langzeitentwicklung von Sedimentbecken bei; sie bestätigen außerdem frühere Analysen, die bereits darauf hingewiesen haben, dass die Heterogenität der Kruste in den Kontinenten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Lithosphäre einhergeht, welches wiederum zu einer höheren Komplexität und Variabilität des rheologischen Verhaltens im Vergleich zu ozeanischen Gebieten mit einer geringer mächtigen, homogeneren Kruste führt. KW - Lithospheric strength KW - Thermal modeling KW - Rheological modeling KW - North Anatolian Fault Zone KW - Sea of Marmara KW - Passive margins KW - Lithosphärenfestigkeit KW - Nordanatolische Störungszone KW - Marmarameer KW - Passive Kontinentalränder KW - Thermische Modellierung KW - Rheologische Modellierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511467 ER - TY - THES A1 - Davis, Timothy T1 - An analytical and numerical analysis of fluid-filled crack propagation in three dimensions T1 - Analytische und numerische Untersuchung der dreidimensionalen Ausbreitung von fluidgefüllten Rissen N2 - Fluids in the Earth's crust can move by creating and flowing through fractures, in a process called `hydraulic fracturing’. The tip-line of such fluid-filled fractures grows at locations where stress is larger than the strength of the rock. Where the tip stress vanishes, the fracture closes and the fluid-front retreats. If stress gradients exist on the fracture's walls, induced by fluid/rock density contrasts or topographic stresses, this results in an asymmetric shape and growth of the fracture, allowing for the contained batch of fluid to propagate through the crust. The state-of-the-art analytical and numerical methods to simulate fluid-filled fracture propagation are two-dimensional (2D). In this work I extend these to three dimensions (3D). In my analytical method, I approximate the propagating 3D fracture as a penny-shaped crack that is influenced by both an internal pressure and stress gradients. In addition, I develop a numerical method to model propagation where curved fractures can be simulated as a mesh of triangular dislocations, with the displacement of faces computed using the displacement discontinuity method. I devise a rapid technique to approximate stress intensity and use this to calculate the advance of the tip-line. My 3D models can be applied to arbitrary stresses, topographic and crack shapes, whilst retaining short computation times. I cross-validate my analytical and numerical methods and apply them to various natural and man-made settings, to gain additional insights into the movements of hydraulic fractures such as magmatic dikes and fluid injections in rock. In particular, I calculate the `volumetric tipping point’, which once exceeded allows a fluid-filled fracture to propagate in a `self-sustaining’ manner. I discuss implications this has for hydro-fracturing in industrial operations. I also present two studies combining physical models that define fluid-filled fracture trajectories and Bayesian statistical techniques. In these studies I show that the stress history of the volcanic edifice defines the location of eruptive vents at volcanoes. Retrieval of the ratio between topographic to remote stresses allows for forecasting of probable future vent locations. Finally, I address the mechanics of 3D propagating dykes and sills in volcanic regions. I focus on Sierra Negra volcano in the Gal\'apagos islands, where in 2018, a large sill propagated with an extremely curved trajectory. Using a 3D analysis, I find that shallow horizontal intrusions are highly sensitive to topographic and buoyancy stress gradients, as well as the effects of the free surface. N2 - Flüssigkeiten und Gase (Fluide) können sich in der Erdkruste bewegen, indem sie Risse erzeugen und durch diese fließen. Die Mechanik dieses Problems wird im Forschungsbereich der Bruchmechanik beschrieben. Das Vorhandensein von Spannungsgradienten verursacht einen Rissausbreitungsvorgang durch die Erdkruste. Auf den Flächen dieser Rissufer können verschiedene Arten von Belastungen auftreten, welche definieren, wie sich die Rissfront vergrößert. In dieser Arbeit adaptiere ich zuvor entwickelte zweidimensionale (2D) Modelle der flüssigkeitsgefüllten Bruchausbreitung für drei Dimensionen (3D). Anhand der dreidimensionalen Betrachtung können die Bewegungen dieser Frakturen detaillierter untersucht werden. Analoge und neotektonische Beobachtungen, die mit vorhandenen 2D-Techniken nicht beschreibbar waren, können mit der neuen Technik erklärt werden. Zusätzlich beschreibe ich, wie man mit einer 3D Randelementmethode (boundary element method) Spannungsintensitätsfaktoren berechnen und komplexe Rissgeometrien erfassen kann. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit 2D-Modellen. Ich stelle neue Analysetechniken bereit, mit denen diese Probleme schnell, aber kohärent quantifiziert werden können. Ich verwende diese 3D-Techniken, um eine Reihe von Fallstudien zu untersuchen, wobei ich mich zunächst auf den Wendepunkt konzentriere, ab dem sich der mit Fluiden gefüllte Riss autark bewegt. Ich habe herausgefunden, dass dies durch das in der Fraktur enthaltene Volumen beschrieben werden kann, was Auswirkungen auf den industriellen Betrieb hat. Anschließend präsentiere ich zwei Studien, die physikalische Rissausbreitungsmodelle und Bayes‘sche statistische Techniken kombinieren. Ich zeige, dass die Spannungshistorie den Ort eruptiver Entlüftungsöffnungen definiert und dass die Einbeziehung der topografischen und tektonischen Spannungsverhältnisse mit diesem Schema die Vorhersage wahrscheinlicher zukünftiger Entlüftungsstellen ermöglicht. Mit dem 3D Randelementmethode befasse ich mich mit der Ausbreitung von Gängen und Lavagängen in vulkanischen Regionen. Ich konzentriere mich auf eine Fallstudie vom Vulkan Sierra Negra auf den Galapagos-Inseln, auf der eine große Lavagängen beobachteten wurden, die sich mit einer stark gekrümmten Kurve ausbreitet. Ich habe heraus gefunden, dass die Bewegung von Lavagängen in solchen Systemen aus einer Wechselwirkung von topografischen- und Auftriebs- Spannungsgradienten sowie den Auswirkungen von Halbraumeffekten resultieren. KW - Fracture mechanics KW - Bruchmechanik KW - Boundary element method KW - Randelementmethode KW - Fluid KW - Fluide Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509609 ER - TY - THES A1 - Cheng, Chaojie T1 - Transient permeability in porous and fractured sandstones mediated by fluid-rock interactions T1 - Permeabilitätsveränderungen in porösen und geklüfteten Sandsteinen als Folge von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen N2 - Understanding the fluid transport properties of subsurface rocks is essential for a large number of geotechnical applications, such as hydrocarbon (oil/gas) exploitation, geological storage (CO2/fluids), and geothermal reservoir utilization. To date, the hydromechanically-dependent fluid flow patterns in porous media and single macroscopic rock fractures have received numerous investigations and are relatively well understood. In contrast, fluid-rock interactions, which may permanently affect rock permeability by reshaping the structure and changing connectivity of pore throats or fracture apertures, need to be further elaborated. This is of significant importance for improving the knowledge of the long-term evolution of rock transport properties and evaluating a reservoir’ sustainability. The thesis focuses on geothermal energy utilization, e.g., seasonal heat storage in aquifers and enhanced geothermal systems, where single fluid flow in porous rocks and rock fracture networks under various pressure and temperature conditions dominates. In this experimental study, outcrop samples (i.e., Flechtinger sandstone, an illite-bearing Lower Permian rock, and Fontainebleau sandstone, consisting of pure quartz) were used for flow-through experiments under simulated hydrothermal conditions. The themes of the thesis are (1) the investigation of clay particle migration in intact Flechtinger sandstone and the coincident permeability damage upon cyclic temperature and fluid salinity variations; (2) the determination of hydro-mechanical properties of self-propping fractures in Flechtinger and Fontainebleau sandstones with different fracture features and contrasting mechanical properties; and (3) the investigation of the time-dependent fracture aperture evolution of Fontainebleau sandstone induced by fluid-rock interactions (i.e., predominantly pressure solution). Overall, the thesis aims to unravel the mechanisms of the instantaneous reduction (i.e., direct responses to thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) conditions) and progressively-cumulative changes (i.e., time-dependence) of rock transport properties. Permeability of intact Flechtinger sandstone samples was measured under each constant condition, where temperature (room temperature up to 145 °C) and fluid salinity (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) were stepwise changed. Mercury intrusion porosimetry (MIP), electron microprobe analysis (EMPA), and scanning electron microscopy (SEM) were performed to investigate the changes of local porosity, microstructures, and clay element contents before and after the experiments. The results indicate that the permeability of illite-bearing Flechtinger sandstones will be impaired by heating and exposure to low salinity pore fluids. The chemically induced permeability variations prove to be path-dependent concerning the applied succession of fluid salinity changes. The permeability decay induced by a temperature increase and a fluid salinity reduction operates by relatively independent mechanisms, i.e., thermo-mechanical and thermo-chemical effects. Further, the hydro-mechanical investigations of single macroscopic fractures (aligned, mismatched tensile fractures, and smooth saw-cut fractures) illustrate that a relative fracture wall offset could significantly increase fracture aperture and permeability, but the degree of increase depends on fracture surface roughness. X-ray computed tomography (CT) demonstrates that the contact area ratio after the pressure cycles is inversely correlated to the fracture offset. Moreover, rock mechanical properties, determining the strength of contact asperities, are crucial so that relatively harder rock (i.e., Fontainebleau sandstone) would have a higher self-propping potential for sustainable permeability during pressurization. This implies that self-propping rough fractures with a sufficient displacement are efficient pathways for fluid flow if the rock matrix is mechanically strong. Finally, two long-term flow-through experiments with Fontainebleau sandstone samples containing single fractures were conducted with an intermittent flow (~140 days) and continuous flow (~120 days), respectively. Permeability and fluid element concentrations were measured throughout the experiments. Permeability reduction occurred at the beginning stage when the stress was applied, while it converged at later stages, even under stressed conditions. Fluid chemistry and microstructure observations demonstrate that pressure solution governs the long-term fracture aperture deformation, with remarkable effects of the pore fluid (Si) concentration and the structure of contact grain boundaries. The retardation and the cessation of rock fracture deformation are mainly induced by the contact stress decrease due to contact area enlargement and a dissolved mass accumulation within the contact boundaries. This work implies that fracture closure under constant (pressure/stress and temperature) conditions is likely a spontaneous process, especially at the beginning stage after pressurization when the contact area is relatively small. In contrast, a contact area growth yields changes of fracture closure behavior due to the evolution of contact boundaries and concurrent changes in their diffusive properties. Fracture aperture and thus permeability will likely be sustainable in the long term if no other processes (e.g., mineral precipitations in the open void space) occur. N2 - Die Kenntnis von Gesteinstransporteigenschaften und das Verständnis ihrer zeitlichen Veränderungen sind für eine Vielzahl von geotechnischen Anwendungen von herausragender Bedeutung. Als Beispiele seien genannt: die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Öl/Gas), die stoffliche geologische Speicherung (CO2/Fluide) und die geothermische Energiegewinnung. Die hydromechanischen Strömungseigenschaften von Fluiden in porösen Gesteinen und solchen mit einzelnen, makroskopischen Rissen sind mittlerweile vergleichsweise gut verstanden. Im Gegensatz dazu besteht im Hinblick auf Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, welche durch eine Veränderung der Struktur und Verbundenheit des Porenraums bzw. der Rissöffnungsweiten die Gesteinspermeabilität permanent beeinflussen können, entscheidender Forschungsbedarf. Dies ist insbesondere für eine verbesserte Kenntnis der langzeitlichen Entwicklung der (hydraulischen) Gesteinstransporteigenschaften sowie eine Evaluierung der Nachhaltigkeit einer Nutzung geologischer Reservoire von großer Bedeutung und Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Anwendungsaspekt dieser Arbeit ist insbesondere die geothermische Technologieentwicklung, d.h. die saisonale Wärmespeicherung in Aquiferen sowie sogenannte „Enhanced Geothermal Systems“, in der die Nutzung einphasiger Fluide in porösen Gesteinen bzw. Rissnetzwerken im Vordergrund steht. In dieser experimentellen Arbeit wurden mit Gesteinsproben aus Aufschlüssen (unterpermischer, illitreicher Flechtinger Sandstein sowie quarzreicher Fontainebleau Sandstein) Durchflussexperimente bei simulierten hydrothermalen Reservoirbedingungen durchgeführt. Themenschwerpunkte der Dissertation sind hierbei (1) die Untersuchung einer Tonpartikelmigration in intakten Proben des Flechtinger Sandsteins und eine damit verbundene Permeabilitätsschädigung durch zyklische Temperaturveränderungen sowie Variationen der Fluidsalinität, (2) die Bestimmung der hydromechanischen Eigenschaften selbststützender Risse in Flechtinger und Fontainbleau Sandsteinen mit unterschiedlichen Rissmorphologien und mechanischen Kennwerten und (3) die Untersuchung einer zeitlichen Veränderung der Rissöffnungsweiten in Fontainebleau Sandstein, welche durch Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen (insbesondere Drucklösung) induziert wird. Zusammenfassend hat diese Dissertation zum Ziel, die Mechanismen sowohl unmittelbarer als auch zeitabhängiger, durch veränderte thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische Bedingungen hervorgerufene, Veränderungen von Gesteinstransporteigenschaften herauszuarbeiten. Die Permeabilität intakter Proben Flechtinger Sandsteins wurde systematisch bei stufenweise veränderten Temperaturen (von Raumtemperatur bis 145 °C) und Fluidsalinitäten (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) gemessen. Quecksilberporosimetrie, Elektronenstrahlmikroanalyse und Rasterelektronenmikroskopie wurden angewandt, um Veränderungen der lokalen Porosität, der Gesteinsmikrostruktur sowie des Tongehalts nach Abschluss des Experiments im Vergleich zum Ausgangszustand zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Permeabilität des illitreichen Flechtinger Sandsteins durch eine Temperaturerhöhung sowie eine Verringerung der Salinität des Porenfluids geschädigt wird. Die chemisch induzierten Permeabilitätsveränderungen sind pfadabhängig von der Abfolge der Salinitätsveränderungen. Die Mechanismen einer durch Temperaturerhöhung oder Salinitätsreduktion induzierten Permeabilitätsschädigung arbeiten hierbei weitestgehend unabhängig voneinander, als thermo-mechanische bzw. thermo-chemische Prozesse. Die hydromechanischen Untersuchungen an makroskopischen Einzelrissen (Scherrisse ohne und mit Versatz sowie gesägte Proben) zeigen, dass ein relativer Versatz der beiden Rissflächen eine erhebliche Erhöhung der Rissöffnungsweite und damit der Gesteinspermeabilität bewirken kann, deren Grad aber stark von der Oberflächenrauigkeit abhängt. Computertomographische Aufnahmen des Gesteins zeigen, dass das Kontaktflächenverhältnis nach den erfolgten Druckzyklen invers mit dem Scherversatz korreliert. Darüber hinaus haben die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Gesteins, welche die Festigkeit der Kontaktpunkte innerhalb des Risses bestimmen, einen entscheidenden Einfluss auf die Selbststützungsfähigkeit des Risses bei einer Druckerhöhung. Diese ist damit (höhere Festigkeit) bei Fontainebleau Sandstein gegenüber Flechtinger Sandstein verbessert. Insgesamt stellen selbststützende raue Risse mit ausreichendem Scherversatz in einem Gestein hoher Festigkeit effiziente Fließwege für Geofluide dar. Die zwei Langzeitexperimente an geklüftetem Fontainebleau Sandstein wurden mit intermittierender (~140 Tage) bzw. kontinuierlicher (~120 Tage) Durchströmung durchgeführt und die Permeabilität des Gesteins sowie der Fluidchemismus über die Dauer des jeweiligen Experiments bestimmt. Eine Permeabilitätsreduktion war insbesondere am Anfang der Messung zu beobachten, nachdem die Spannung erstmalig auf das Gestein aufgebracht wurde, und nahm dann im weiteren Verlauf des Experiments progressiv ab. Fluidchemische und mikrostrukturelle Beobachtungen zeigen, dass Drucklösung die langzeitliche Deformation des Risses kontrolliert, wobei die Porenfluidkonzentration (Si) und die Mikrostruktur der Kontaktpunkte eine herausragende Rolle spielen. Die Verlangsamung bzw. das Abklingen der Rissdeformation werden insbesondere durch die Verringerung der Kontaktspannung aufgrund einer Kontaktflächenvergrößerung sowie die Anreicherung gelöster Spezies in den Kontakten bestimmt. Ergebnis dieser Arbeit ist auch die Erkenntnis, dass eine Rissschließung bei konstanten Druck/Spannungs- und Temperaturbedingungen sehr wahrscheinlich ein spontan ablaufender Prozess ist, insbesondere zu Beginn einer Druckbeaufschlagung, wenn die Kontaktfläche noch relativ klein ist. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche führt zu einem veränderten Rissschließungsverhalten, da die Kontaktpunkte einer strukturellen Entwicklung unterworfen sind und sich damit ihre diffusiven Eigenschaften ändern. Über längere Zeiträume werden die Rissöffnungsweite und damit die Gesteinspermeabilität in einem geologischen Reservoir insbesondere dann nachhaltig sein, wenn keine zusätzlichen, entgegenwirkenden Prozesse (z.B. Mineralfällung innerhalb des Risses) in dem Gestein ablaufen. KW - permeability KW - rock fracture KW - fluid-rock interactions KW - pressure solution KW - sandstones KW - fluid flow KW - Fluidströmung KW - Fluid-Gesteinswechselwirkungen KW - Permeabilität KW - Riss KW - Sandstein KW - Drucklösungsprozesse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510124 ER - TY - THES A1 - Bayona Viveros, Jose T1 - Constructing global stationary seismicity models from the long-term balance of interseismic strain measurements and earthquake-catalog data T1 - Erstellung globaler stationärer Seismizitätsmodelle aus der Langzeitbilanz von interseismischen Dehnungsmessungen und Erdbebenkatalogdaten N2 - One third of the world's population lives in areas where earthquakes causing at least slight damage are frequently expected. Thus, the development and testing of global seismicity models is essential to improving seismic hazard estimates and earthquake-preparedness protocols for effective disaster-risk mitigation. Currently, the availability and quality of geodetic data along plate-boundary regions provides the opportunity to construct global models of plate motion and strain rate, which can be translated into global maps of forecasted seismicity. Moreover, the broad coverage of existing earthquake catalogs facilitates in present-day the calibration and testing of global seismicity models. As a result, modern global seismicity models can integrate two independent factors necessary for physics-based, long-term earthquake forecasting, namely interseismic crustal strain accumulation and sudden lithospheric stress release. In this dissertation, I present the construction of and testing results for two global ensemble seismicity models, aimed at providing mean rates of shallow (0-70 km) earthquake activity for seismic hazard assessment. These models depend on the Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2), a stationary seismicity approach for subduction zones, based on the conservation of moment principle and the use of regional "geodesy-to-seismicity" parameters, such as corner magnitudes, seismogenic thicknesses and subduction dip angles. Specifically, this interface-earthquake model combines geodetic strain rates with instrumentally-recorded seismicity to compute long-term rates of seismic and geodetic moment. Based on this, I derive analytical solutions for seismic coupling and earthquake activity, which provide this earthquake model with the initial abilities to properly forecast interface seismicity. Then, I integrate SMERF2 interface-seismicity estimates with earthquake computations in non-subduction zones provided by the Seismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Map seismicity approach to construct the global Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM). Thus, TEAM is designed to reduce number, and potentially spatial, earthquake inconsistencies of its predecessor tectonic earthquake model during the 2015-2017 period. Also, I combine this new geodetic-based earthquake approach with a global smoothed-seismicity model to create the World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood scores (WHEEL) model. This updated hybrid model serves as an alternative earthquake-rate approach to the Global Earthquake Activity Rate model for forecasting long-term rates of shallow seismicity everywhere on Earth. Global seismicity models provide scientific hypotheses about when and where earthquakes may occur, and how big they might be. Nonetheless, the veracity of these hypotheses can only be either confirmed or rejected after prospective forecast evaluation. Therefore, I finally test the consistency and relative performance of these global seismicity models with independent observations recorded during the 2014-2019 pseudo-prospective evaluation period. As a result, hybrid earthquake models based on both geodesy and seismicity are the most informative seismicity models during the testing time frame, as they obtain higher information scores than their constituent model components. These results support the combination of interseismic strain measurements with earthquake-catalog data for improved seismicity modeling. However, further prospective evaluations are required to more accurately describe the capacities of these global ensemble seismicity models to forecast longer-term earthquake activity. N2 - Ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in Gebieten, in denen häufig Erdbeben mit zumindest geringen Schäden zu erwarten sind. Daher ist die Entwicklung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle für verbesserte Schätzungen der Erdbebengefährdung und Planungen zur Vorbereitung auf Erdbeben für eine wirksame Minderung des Katastrophenrisikos von entscheidender Bedeutung. Derzeit bietet die Verfügbarkeit und Qualität geodätischer Daten entlang der Plattengrenzregionen die Gelegenheit, um globale Modelle der Plattenbewegung und der Dehnungsrate zu erstellen, die in globale Karten der prognostizierten Seismizität übersetzt werden können. Darüber hinaus erleichtert die breite Abdeckung bestehender Erdbebenkataloge in der heutigen Zeit die Kalibrierung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle. Infolgedessen können moderne globale Seismizitätsmodelle zwei unabhängige Faktoren integrieren, die für eine physikbasierte Langzeit-Erdbebenvorhersage erforderlich sind, die Ansammlung interseismischer Krustenverformungen und die plötzliche Freisetzung von lithosphärischem Stress. In dieser Dissertation stelle ich die Konstruktion und die Testergebnisse für zwei globale Ensemble-Seismizitätsmodelle vor, die darauf abzielen, mittlere Raten der Flachbebenaktivität (0-70 km) für die Bewertung der Erdbebengefährdung bereitzustellen. Diese Modelle hängen von dem Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2) ab, einem stationären Seismizitätsmodell für Subduktionszonen, das auf dem Prinzip der Erhaltung des Moments und der Verwendung regionaler "Geodäsie-zu-SeismizitätParameter wie Corner Magnitudes, seismogene Dicken und Subduktionsneigungswinkel basiert. Insbesondere kombiniert dieses Erdbebenmodell geodätische Dehnungsraten mit instrumentell aufgezeichneter Seismizität, um Langzeitraten sowohl des seismischen als auch des geodätischen Moments zu berechnen. Auf dieser Grundlage leite ich analytische Lösungen für die seismische Kopplung und Erdbebenaktivität ab, um mit diesem Erdbebenmodell, die Subduktionseismizität richtig vorherzusagen. Dann integriere ich SMERF2-Schätzungen an Subduktionsrändern mit Erdbebenberechnungen in Nicht-Subduktionszonen, die von dem Modell ßeismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Mapßur Erstellung des globalen Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM) bereitgestellt werden. Daher ist TEAM darauf ausgelegt, die Anzahl und möglicherweise räumliche Vohersageinkonsistenzen seines tektonischen Erdbebenvorgängermodells im Zeitraum 2015-2017 zu reduzieren. Außerdem kombiniere ich dieses neue geodätische Erdbebenmodell mit einem globalen, geglätteten Seismizitätsmodell, um das World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood Scores (WHEEL)-Modell zu erstellen. Dieses aktualisierte Hybridmodell dient als alternativer Ansatz zum Global Earthquake Activity Rate (GEAR1)-Modell zur Vorhersage langfristiger Raten flacher Seismizität überall auf der Erde. Globale Seismizitätsmodelle liefern wissenschaftliche Hypothesen darüber, wann und wo Erdbeben auftreten können und wie groß sie sein können. Die Richtigkeit dieser Hypothesen kann jedoch erst nach prospektiven Tests bestätigt oder abgelehnt werden. Daher teste ich abschließend die Konsistenz und relative Leistung dieser globalen Seismizitätsmodellen gegen unabhängige Beobachtungen, die während des pseudo-prospektiven Evaluierungszeitraums 2014-2019 aufgezeichnet wurden. Hybride Erdbebenmodelle, die sowohl auf Geodäsie als auch auf Seismizität basieren, sind die informativsten Seismizitätsmodelle während des Testzeitraums, da beide höhere Informationswerte als ihre konstituierenden Modellkomponenten erhalten. Diese Ergebnisse unterstützen die Kombination von interseismischen Dehnungsmessungen mit Erdbebenkatalogdaten für eine verbesserte Seismizitätsmodellierung. Es sind jedoch weitere prospektive Tests erforderlich, um die Kapazitäten dieser globalen Ensemble-Seismizitätsmodelle zur Vorhersage längerfristiger Erdbebenaktivitäten genauer zu bewerten. KW - Statistical seismology KW - Earthquake forecasting KW - Global earthquake data KW - Interseismic strain rates KW - Erdbebenvorhersage KW - Globale Erdbebenkatalogdaten KW - Interseismiche Dehnungsraten KW - Statistische Seismologie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509270 ER - TY - THES A1 - Ibarra, Federico T1 - The thermal and rheological state of the Central Andes and its relationship to active deformation processes T1 - Der thermische und rheologische Zustand der Zentralanden und seine Beziehung zu aktiven Deformationsprozessen N2 - The Central Andes region in South America is characterized by a complex and heterogeneous deformation system. Recorded seismic activity and mapped neotectonic structures indicate that most of the intraplate deformation is located along the margins of the orogen, in the transitions to the foreland and the forearc. Furthermore, the actively deforming provinces of the foreland exhibit distinct deformation styles that vary along strike, as well as characteristic distributions of seismicity with depth. The style of deformation transitions from thin-skinned in the north to thick-skinned in the south, and the thickness of the seismogenic layer increases to the south. Based on geological/geophysical observations and numerical modelling, the most commonly invoked causes for the observed heterogeneity are the variations in sediment thickness and composition, the presence of inherited structures, and changes in the dip of the subducting Nazca plate. However, there are still no comprehensive investigations on the relationship between the lithospheric composition of the Central Andes, its rheological state and the observed deformation processes. The central aim of this dissertation is therefore to explore the link between the nature of the lithosphere in the region and the location of active deformation. The study of the lithospheric composition by means of independent-data integration establishes a strong base to assess the thermal and rheological state of the Central Andes and its adjacent lowlands, which alternatively provide new foundations to understand the complex deformation of the region. In this line, the general workflow of the dissertation consists in the construction of a 3D data-derived and gravity-constrained density model of the Central Andean lithosphere, followed by the simulation of the steady-state conductive thermal field and the calculation of strength distribution. Additionally, the dynamic response of the orogen-foreland system to intraplate compression is evaluated by means of 3D geodynamic modelling. The results of the modelling approach suggest that the inherited heterogeneous composition of the lithosphere controls the present-day thermal and rheological state of the Central Andes, which in turn influence the location and depth of active deformation processes. Most of the seismic activity and neo--tectonic structures are spatially correlated to regions of modelled high strength gradients, in the transition from the felsic, hot and weak orogenic lithosphere to the more mafic, cooler and stronger lithosphere beneath the forearc and the foreland. Moreover, the results of the dynamic simulation show a strong localization of deviatoric strain rate second invariants in the same region suggesting that shortening is accommodated at the transition zones between weak and strong domains. The vertical distribution of seismic activity appears to be influenced by the rheological state of the lithosphere as well. The depth at which the frequency distribution of hypocenters starts to decrease in the different morphotectonic units correlates with the position of the modelled brittle-ductile transitions; accordingly, a fraction of the seismic activity is located within the ductile part of the crust. An exhaustive analysis shows that practically all the seismicity in the region is restricted above the 600°C isotherm, in coincidence with the upper temperature limit for brittle behavior of olivine. Therefore, the occurrence of earthquakes below the modelled brittle-ductile could be explained by the presence of strong residual mafic rocks from past tectonic events. Another potential cause of deep earthquakes is the existence of inherited shear zones in which brittle behavior is favored through a decrease in the friction coefficient. This hypothesis is particularly suitable for the broken foreland provinces of the Santa Barbara System and the Pampean Ranges, where geological studies indicate successive reactivation of structures through time. Particularly in the Santa Barbara System, the results indicate that both mafic rocks and a reduction in friction are required to account for the observed deep seismic events. N2 - Die südamerikanischen Zentralanden zeichnen sich durch eine komplexe und heterogene Deformationsstruktur aus. Erdbebenaufzeichnungen und geologisch-tektonische Kartierungen zeigen, dass innerhalb der Südamerikanischen Platte die Hauptdeformation entlang beider Gebirgsränder stattfindet. Zusätzlich variiert die Art der aktiven Deformation und die Tiefenverteilung von Erdbeben im östlichen Vorland von Nord nach Süd. Dabei erstreckt sich das Auftreten von Erdbeben, auch seismogene Zone genannt, über einen zunehmend größeren Tiefenbereich. Die tektonische Deformation schließt ebenso, nach Süden hin zunehmend, größere Tiefenbereiche der Erdkruste mit ein. Erklärungen dieses Verhaltens auf der Grundlage von geologisch-geophysikalischen Untersuchungen sowie von numerischen Modellen legten bisher nahe, dass die Unterschiede der Sedimentmächtigkeiten, das Vorhandensein ererbter tektonischer Strukturen und die Variation des Eintauchwinkels der unter Südamerika abtauschenden Nazca-platte als Gründe dafür in Frage kommen. Allerdings gab es bislang keine Untersuchungen dazu, welche Rolle die lokale Zusammensetzung der Lithosphäre sowie ihr Fließverhalten dabei spielen. Das Hauptziel dieser Dissertation ist daher, den Zusammenhang zwischen Lithosphäreneigenschaften in der Region und dem Auftreten gewisser Deformationstypen an der Erdoberfläche zu untersuchen. Die Zuhilfenahme voneinander unabhängiger, geophysikalischer Beobachtungsparameter ermöglicht eine Beurteilung des thermischen und rheologischen Zustands der Zentralanden und angrenzender Vorlandgebiete, und damit eine bessere Einschätzung der komplexen Deformation. Der Workflow dieser Dissertation startet zunächst mit der Erstellung eines 3D-Dichtemodells auf der Grundlage von geologischen und seismologischen Beobachtungen, das zusätzlich mit Schweredaten untermauert wird. Dies ermöglicht die Simulation der räumlichen variierenden, stationären Wärmeleitung in der Lithosphäre und die Berechnung der mechanischen Stabilität. Schlussendlich werden diese Erkenntnisse in ein dreidimensionales geodynamisches Modell übertragen, welches Aufschluss über die Kompressionsdeformation zwischen dem Gebirge und dessen Vorland Auskunft gibt. Die Modellergebnisse zeigen, dass die ungleichmäßige Zusammensetzung der Lithosphäre der Schlüssel für den heute beobachtbaren thermischen und rheologischen Zustand der Zentralanden ist und damit auch der wichtigste Faktor zur Erklärung der räumlichen Variation und Tiefenverteilung aktiver Deformationsprozesse. Die meisten Erdbeben und neotektonischen Strukturen sind in Bereichen zu finden, für die der stärkste Festigkeitskontrast modelliert wurde. Dies betrifft den Übergang von felsischer, heißer und daher weicher Gebirgslithosphäre des Hauptkamms zu der eher mafischen, kalten und festeren Lithosphäre des Vorlands. Außerdem ergab die dynamische Simulation eine räumliche Zentrierung der zweiten Invariante der Rate des deviatorischen Spannungstensors in der gleichen Region. Damit kann davon ausgegangen werden, dass die stärkste Stauchung genau in diesem Übergang zwischen weichem und festen Material abläuft. Die Erdbebenverteilung in der Vertikalen scheint ebenso vom rheologischen Zustand der Lithosphäre abzuhängen. Für die verschiedenen morphotektonischen Provinzen korreliert die Tiefe, ab der die Erdbebenhäufigkeit abnimmt, jeweils mit der Lage der Übergangszone zwischen Sprödbruchdeformation und duktiler Verformung. Dadurch tritt ein Teil der Erdbeben im duktil verformten Bereich der Erdkruste auf. Weitere Untersuchungen zeigen, dass praktisch die gesamte Seismizität oberhalb der 600°C Isotherme abläuft, welche das obere Temperaturlimit für das Sprödbruchverhalten von Olivin darstellt. Daher kann das Auftreten von Erdbeben unterhalb der modellierten Übergangszone von Sprödbruch zu duktiler Deformation mit dem Vorhandensein von mafischen Gesteinsanteilen erklärt werden, welche als Überbleibsel aus vorangegangenen tektonischen Ereignissen installiert wurden. Eine weitere mögliche Erklärung für solche tiefen Erdbeben ist die Existenz von internen Scherzonen, entlang welcher Sprödbruchdeformation durch herabsetzen des Reibungswiderstandes erleichtert wird. Diese Hypothese lässt sich insbesondere im Santa Barbara System und den Sierras Pampeanas anwenden, da geologische Studien bereits die sukzessive Reaktivierung von Strukturen über einen längeren Zeitraum identifizierten. Insbesondere für das Santa Barbara System zeigen die hier vorgestellten Ergebnisse, dass beide Faktoren, mafische Gesteinsanteile und die Reduzierung des Reibungswiderstandes, nötig sind, um das Auftreten der zu beobachtenden größeren Erdbebentiefe zu erklären. KW - Andes KW - Argentina KW - density modeling KW - thermal field KW - rheology KW - deformation KW - Anden KW - Argentinien KW - Dichtemodellierung KW - thermisches Feld KW - Rheologie KW - Deformation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-506226 ER - TY - THES A1 - Düsing, Walter T1 - From changes in the Earth's orbit to African climate variability T1 - Von Änderungen des Erdorbits zu Afrikanischen Klimavariabilität N2 - We developed an orbital tuned age model for the composite Chew Bahir sediment core, obtained from the Chew Bahir basin (CHB), southern Ethiopia. To account for the effects of sedimentation rate changes on the spectral expression of the orbital cycles we developed a new method: the Multi-band Wavelet Age modeling technique (MUBAWA). By using a Continuous Wavelet Transformation, we were able to track frequency shifts that resulted from changing sedimentation rates and thus calculated tuned age model encompassing the last 620 kyrs. The results show a good agreement with the directly dated age model that is available from the dating of volcanic ashes. Then we used the XRF data from CHB and developed a new and robust humid-arid index of east African climate during the last 620 kyrs. To disentangle the relationship of the selected elements we performed a principal component analysis (PCA). In a following step we applied a continuous wavelet transformation on the PC1, using the directly dated age model. The resulting wavelet power spectrum, unlike a normal power spectrum, displays the occurrence of cycles/frequencies in time. The results highlight that the precession cycles are most dominantly expressed under the 400 kyrs eccentricity maximum whereas weakly expressed during eccentricity minimum. This suggests that insolation is a key driver of the climatic variability observed at CHB throughout the last 620 kyrs. In addition, the prevalence of half-precession and obliquity signals was documented. The latter is attributed to the inter-tropical insolation gradient and not interpreted as an imprint of high latitudes forcing on climatic changes in the tropics. In addition, a windowed analysis of variability was used to detect changes in variance over time and showed that strong climate variability occurred especially along the transition from a dominant insolation-controlled humid climate background state towards a predominantly dry and less-insolation controlled climate. The last chapter dealt with non-linear aspects of climate changes represented by the sediments of the CHB. We use recurrence quantification analysis to detect non-linear changes within the potassium concentration of Chew Bahir sediment cores during the last 620 kyrs. The concentration of potassium in the sediments of the lake is subject to geochemical processes related to the evaporation rate of the lake water at the time of deposition. Based on recurrence analysis, two types of variabilities could be distinguished. Type 1 represents slow variations within the precession period bandwidth of 20 kyrs and a tendency towards extreme climatic events whereas type 2 represents fast, highly variable climatic transitions between wet and dry climate states. While type 1 variability is linked to eccentricity maxima, type 2 variability occurs during the 400 kyrs eccentricity minimum. The climate history presented here shows that during high eccentricity a strongly insolation-driven climate system prevailed, whereas during low eccentricity the climate was more strongly affected by short-term variability changes. The short-term environmental changes, reflected in the increased variability might have influenced the evolution, technological advances and expansion of early modern humans who lived in this region. In the Olorgesaille Basin the temporal changes in the occurrence of stone tools, which bracket the transition from Acheulean to Middle Stone Age (MSA) technologies at between 499–320 kyrs, could potentially correlate to the marked transition from a rather stable climate with less variability to a climate with increased variability in the CHB. We conclude that populations of early anatomically modern humans are more likely to have experienced climatic stress during episodes of low eccentricity, associated with dry and high variability climate conditions, which may have led to technological innovation, such as the transition from the Acheulean to the Middle Stone Age. N2 - Bei der von uns entwickelten Multi-band Wavelet Age-Modeling (MUBAWA) Methode handelt es sich um eine Methode zur Erstellung eines orbital abgestimmten Altersmodells. Diese Methode verwendet, anders als bisherige Methoden, keinen stationären Filter, sondern eine kontinuierliche Wavelet Transformation (CWT) um die orbitale Komponente der zyklischen Sedimentabfolge zu extrahieren. Durch die Anwendung der CWT können zeitliche Änderungen der Sedimentationsrate berücksichtigt werden. Mit Hilfe der neuen MUBAWA Methode haben wir ein orbital abgestimmtes Altersmodell mit einem Basisalter von 620 kyrs für die Sedimentkerne des Chew Bahir Beckens (CHB) erstellt, welches mit den radiometrisch datierten Vulkanaschen der Sedimentkerne übereinstimmt. In dem folgenden Kapitel haben wir die Ergebnisse der Röntgenfluoreszenz (XRF) - Analyse der Sedimentkerne genutzt um einen neuen Feucht-trocken Anzeiger zu entwickeln Um Umwelteinflüsse, sowie lineare Zusammenhänge der Elementkonzentrationen zu entschlüsseln, haben wir eine Hauptkomponentenanalyse angewendet. Die erste Hauptkomponente (PC1) haben wir als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert. Auf Grundlage des direkt datierten Altersmodells haben wir die PC1 genutzt um eine CWT zu berechnen. Das resultierende Wavelet Powerspektrum stellt das Auftreten von Zyklen/Frequenzen in der Zeit dar. Die Ergebnisse zeigen, dass vor 400 kyrs, während eines Exzentrizitätsmaximums, der Präzessionszyklus besonders stark ausgeprägt war, wohingegen der Präzessionszyklus während eines Exzentrizitätsminimums eher schwach ausgeprägt war. Dies deutet darauf hin, dass die Sonneneinstrahlung, welche in den Tropen durch den Präzessionzyklus beeinflusst wird, ein dominanter Faktor für die klimatische Variabilität in CHB während der letzten 620 kyrs darstellt. Darüber hinaus wurde die Prävalenz von Halbpräzessions- und Obliquitätszyklen dokumentiert. Obliquitätszyklen werden dem intertropischen Gradienten der Sonneneinstrahlung zugeschrieben, der klimatische Veränderungen in den Tropen erzwingt und nicht als ein Einfluss der hohen Breiten interpretiert. Darüber hinaus wurde eine gefensterte Variabilitätsanalyse der PC1 verwendet um eine zeitliche Veränderung der Variabilität zu erfassen. Diese zeigte, dass starke Klimavariabilität vor allem entlang des Übergangs von einem dominanten insolationsgesteuerten feuchten Klima zu einem überwiegend trockenen und weniger insolationsgesteuerten Klima auftrat. Das letzte Kapitel befasst sich mit nichtlinearen Aspekten der Klimavariabilität, repräsentiert durch die Kaliumkonzentration des Sediments des CHBs. Die Kaliumkonzentration in den Sedimenten des Sees ist geochemischen Prozessen unterworfen, die mit der Verdunstungsrate des Seewassers zum Zeitpunkt der Ablagerung zusammenhängen und daher als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert werden. Basierend auf der Rekurrenzanalyse konnten zwei Arten von Variabilitäten unterschieden werden. Typ 1 repräsentiert langsame Variationen innerhalb der Bandbreite der Präzessionsperiode von 20 kyrs und eine Tendenz zu extremen klimatischen Ereignissen, während Typ 2 schnelle, sehr variable klimatische Übergänge zwischen feuchten und trockenen Klimazuständen repräsentiert. Die Variabilität vom Typ 1 ist mit Exzentrizitätsmaxima verbunden, wohingegen die Variabilität vom Typ 2 während des Exzentrizitätsminimums vor 400 kyrs auftritt. Die hier vorgestellte Klimageschichte zeigt, dass bei hoher Exzentrizität ein stark insolationsgetriebenes Klimasystem vorherrschte, während bei niedriger Exzentrizität das Klima stärker von kurzfristigen Variabilitätsänderungen beeinflusst wurde. Die kurzfristigen Umweltveränderungen, die sich in der erhöhten Variabilität widerspiegeln, könnten die Entwicklung, den technologischen Fortschritt und die Expansion der frühneuzeitlichen Menschen, die in dieser Region lebten, beeinflusst haben. Im Olorgesaille-Becken könnten die zeitlichen Veränderungen des Vorkommens von Steinwerkzeugen, die den Übergang von Acheulean zu mittel- steinzeitlichen (MSA) Technologien bei 499-320 kyrs markieren, möglicherweise mit dem deutlichen Übergang von einem eher stabilen Klima mit geringerer Variabilität zu einem Klima mit erhöhter Variabilität in der CHB korrelieren. Wir kommen zu dem Schluss, dass Populationen früher anatomisch moderner Menschen während Episoden geringer Exzentrizität klimatischen Stress erfahren haben könnten. Diese trockenen und hochvariablen Klimabedingungen könnten zu technologischen Innovationen geführt haben, wie z.B. dem Übergang von der Acheulean zur MSA. KW - Paleoclimate dynamics KW - Paläoklimadynamik KW - African climate KW - Afrikanisches Klima KW - age modeling KW - Altersmodelierung KW - Cyclostratigraphy KW - Zyklostratigraphie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503140 ER - TY - THES A1 - Mogrovejo Arias, Diana Carolina T1 - Assessment of the frequency and relevance of potentially pathogenic phenotypes in microbial isolates from Arctic environments N2 - The Arctic environments constitute rich and dynamic ecosystems, dominated by microorganisms extremely well adapted to survive and function under severe conditions. A range of physiological adaptations allow the microbiota in these habitats to withstand low temperatures, low water and nutrient availability, high levels of UV radiation, etc. In addition, other adaptations of clear competitive nature are directed at not only surviving but thriving in these environments, by disrupting the metabolism of neighboring cells and affecting intermicrobial communication. Since Arctic microbes are bioindicators which amplify climate alterations in the environment, the Arctic region presents the opportunity to study local microbiota and carry out research about interesting, potentially virulent phenotypes that could be dispersed into other habitats around the globe as a consequence of accelerating climate change. In this context, exploration of Arctic habitats as well as descriptions of the microbes inhabiting them are abundant but microbial competitive strategies commonly associated with virulence and pathogens are rarely reported. In this project, environmental samples from the Arctic region were collected and microorganisms (bacteria and fungi) were isolated. The clinical relevance of these microorganisms was assessed by observing the following virulence markers: ability to grow at a range of temperatures, expression of antimicrobial resistance and production of hemolysins. The aim of this project is to determine the frequency and relevance of these characteristics in an effort to understand microbial adaptations in habitats threatened by climate change. The isolates obtained and described here were able to grow at a range of temperatures, in some cases more than 30 °C higher than their original isolation temperature. A considerable number of them consistently expressed compounds capable of lysing sheep and bovine erythrocytes on blood agar at different incubation temperatures. Ethanolic extracts of these bacteria were able to cause rapid and complete lysis of erythrocyte suspensions and might even be hemolytic when assayed on human blood. In silico analyses showed a variety of resistance elements, some of them novel, against natural and synthetic antimicrobial compounds. In vitro experiments against a number of antimicrobial compounds showed resistance phenotypes belonging to wild-type populations and some non-wild type which clearly denote human influence in the acquisition of antimicrobial resistance. The results of this project demonstrate the presence of virulence-associated factors expressed by microorganisms of natural, non-clinical environments. This study contains some of the first reports, to the best of our knowledge, of hemolytic microbes isolated from the Arctic region. In addition, it provides additional information about the presence and expression of intrinsic and acquired antimicrobial resistance in environmental isolates, contributing to the understanding of the evolution of relevant pathogenic species and opportunistic pathogens. Finally, this study highlights some of the potential risks associated with changes in the polar regions (habitat melting and destruction, ecosystem transition and re-colonization) as important indirect consequences of global warming and altered climatic conditions around the planet. N2 - Die Arktis ist ein reiches und dynamisches Ökosystem, welches von Mikroorganismen dominiert wird, die unter extremen Bedingungen überleben und funktionieren können. Eine Reihe physiologischer Anpassungen ermöglichen es der Mikrobiota, in diesem Lebensraum zu überdauern niedrige Temperaturen, geringe Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, hohe UV-Strahlung, usw. standzuhalten. Andere Fähigkeiten zielen darauf ab, sich einen Konkurrenzvorteil zu verschaffen, indem sie mit antimikrobiellen Substanzen benachbarte Mikroorganismen stören und die intermikrobielle Kommunikation beeinflussen. Arktische Mikroorganismen sind Bioindikatoren, die Klimaveränderungen anzeigen können. Die Arktis bietet Möglichkeiten, die lokale Mikrobiota zu untersuchen, um Rückschlüsse auf den Klimawandel zu ziehen. Insbesondere Forschung über potenziell pathogene Phänotypen, die infolge der Beschleunigung des Klimawandels in andere Lebensräume auf der ganzen Welt verteilt werden könnten, ist hier von herausragender Bedeutung. In diesem Zusammenhang gibt es zahlreiche Untersuchungen zur Erforschung arktischer Lebensräume sowie Beschreibungen der in ihnen lebenden Mikroben, während über bakterielle Konkurrenzstrategien, die üblicherweise mit Virulenz und Krankheitserregern verbunden sind, bisher wenig geforscht wurde. In diesem Projekt wurden Umweltproben aus der Arktis entnommen und Bakterien und Pilze isoliert. Die klinische Relevanz dieser Mikroorganismen wurde durch Untersuchung der folgenden Virulenzmarker bewertet: Fähigkeit, in einem bestimmten Temperaturbereich zu wachsen, Expression von Antibiotikaresistenz und Produktion von Hämolysinen. Ziel dieses Projekts war es, das Vorkommen dieser Eigenschaften zu bestimmen, um die mikrobiellen Anpassungen in vom Klimawandel bedrohten Lebensräumen zu verstehen. Die beschriebenen Bakterienisolate konnten in einem relevanten Temperaturbereich wachsen, in einigen Fällen von mehr als 30 °C höher als ihre ursprüngliche Isolationstemperatur. Eine beträchtliche Anzahl der Isolate exprimierte konsistent Verbindungen, die Schaf- und Rindererythrozyten auf Blutagar bei verschiedenen Inkubationstemperaturen lysieren können. Die Extrakte einiger dieser Bakterien konnten eine schnelle und vollständige Lyse von Schaf- und Rindererythrozytensuspensionen verursachen und sind möglicherweise sogar hämolytisch gegenüber humanem Blut. Darüber hinaus zeigten Genomanalysen eine Vielzahl von Resistenzgenen gegen natürliche und synthetische antimikrobielle Verbindungen, einige neuartige. In-vitro-Experimente zeigten, dass einige Resistenzphänotypen zu Wildtyp-Populationen während andere zu Nicht-Wildtyp gehören, was auf einen menschlichen Einfluss auf den Erwerb von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt eindeutig hindeutet. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen das Vorhandensein von Virulenz-assoziierten Faktoren, die von Mikroorganismen natürlicher, nicht klinischer Umgebungen exprimiert werden. Diese Studie enthält nach unserem besten Wissen einige der ersten Berichte über hämolytische Mikroben, die aus der Arktis isoliert wurden. Darüber hinaus liefert es zusätzliche Informationen über das Vorhandensein und die Expression von intrinsischer und erworbener antimikrobieller Resistenz in Umweltisolaten und trägt zum Verständnis der Entwicklung relevanter pathogener Spezies und opportunistischer Pathogene bei. Schließlich beleuchtet diese Studie einige der potenziellen Risiken, die mit Veränderungen in den Polarregionen (Schmelzen und Zerstörung des Lebensraums, Übergang des Ökosystems und Wiederbesiedlung) als wichtige indirekte Folgen der globalen Erwärmung und veränderter klimatischer Bedingungen auf dem Planeten verbunden sind. KW - Arctic KW - pathogens KW - virulence KW - hemolysis KW - antimicrobial resistance KW - climate change KW - bacteria KW - fungi KW - thermotolerance KW - antibiotic resistance KW - Arktis KW - Krankheitserreger KW - Virulenz KW - Hämolyse KW - Antibiotikaresistenz KW - Klimawandel KW - Bakterien KW - Pilze KW - Thermotoleranz Y1 - 2021 N1 - The author would like to acknowledge that the project leading to this doctoral dissertation has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 675546, research project “Microorganisms in Warming Arctic Environments - MicroArctic”. ER - TY - THES A1 - Koerting, Friederike Magdalena T1 - Hybrid imaging spectroscopy approaches for open pit mining T1 - Hybride Ansätze der bildgebenden Spektroskopie für offene Tagebauten BT - applications for virtual mine face geology BT - Anwendungen für die virtuelle geologische Kartierung von Abbaufronten N2 - This work develops hybrid methods of imaging spectroscopy for open pit mining and examines their feasibility compared with state-of-the-art. The material distribution within a mine face differs in the small scale and within daily assigned extraction segments. These changes can be relevant to subsequent processing steps but are not always visually identifiable prior to the extraction. Misclassifications that cause false allocations of extracted material need to be minimized in order to reduce energy-intensive material re-handling. The use of imaging spectroscopy aspires to the allocation of relevant deposit-specific materials before extraction, and allows for efficient material handling after extraction. The aim of this work is the parameterization of imaging spectroscopy for pit mining applications and the development and evaluation of a workflow for a mine face, ground- based, spectral characterization. In this work, an application-based sensor adaptation is proposed. The sensor complexity is reduced by down-sampling the spectral resolution of the system based on the samples’ spectral characteristics. This was achieved by the evaluation of existing hyperspectral outcrop analysis approaches based on laboratory sample scans from the iron quadrangle in Minas Gerais, Brazil and by the development of a spectral mine face monitoring workflow which was tested for both an operating and an inactive open pit copper mine in the Republic of Cyprus. The workflow presented here is applied to three regional data sets: 1) Iron ore samples from Brazil, (laboratory); 2) Samples and hyperspectral mine face imagery from the copper-gold-pyrite mine Apliki, Republic of Cyprus (laboratory and mine face data); and 3) Samples and hyperspectral mine face imagery from the copper-gold-pyrite deposit Three Hills, Republic of Cyprus (laboratory and mine face data). The hyperspectral laboratory dataset of fifteen Brazilian iron ore samples was used to evaluate different analysis methods and different sensor models. Nineteen commonly used methods to analyze and map hyperspectral data were compared regarding the methods’ resulting data products and the accuracy of the mapping and the analysis computation time. Four of the evaluated methods were determined for subsequent analyses to determine the best-performing algorithms: The spectral angle mapper (SAM), a support vector machine algorithm (SVM), the binary feature fitting algorithm (BFF) and the EnMap geological mapper (EnGeoMap). Next, commercially available imaging spectroscopy sensors were evaluated for their usability in open pit mining conditions. Step-wise downsampling of the data - the reduction of the number of bands with an increase of each band’s bandwidth - was performed to investigate the possible simplification and ruggedization of a sensor without a quality fall-off of the mapping results. The impact of the atmosphere visible in the spectrum between 1300–2010nm was reduced by excluding the spectral range from the data for mapping. This tested the feasibility of the method under realistic open pit data conditions. Thirteen datasets based on the different, downsampled sensors were analyzed with the four predetermined methods. The optimum sensor for spectral mine face material distinction was determined as a VNIR-SWIR sensor with 40nm bandwidths in the VNIR and 15nm bandwidths in the SWIR spectral range and excluding the atmospherically impacted bands. The Apliki mine sample dataset was used for the application of the found optimal analyses and sensors. Thirty-six samples were analyzed geochemically and mineralogically. The sample spectra were compiled to two spectral libraries, both distinguishing between seven different geochemical-spectral clusters. The reflectance dataset was downsampled to five different sensors. The five different datasets were mapped with the SAM, BFF and SVM method achieving mapping accuracies of 85-72%, 85-76% and 57-46% respectively. One mine face scan of Apliki was used for the application of the developed workflow. The mapping results were validated against the geochemistry and mineralogy of thirty-six documented field sampling points and a zonation map of the mine face which is based on sixty-six samples and field mapping. The mine face was analyzed with SAM and BFF. The analysis maps were visualized on top of a Structure-from-Motion derived 3D model of the open pit. The mapped geological units and zones correlate well with the expected zonation of the mine face. The third set of hyperspectral imagery from Three Hills was available for applying the fully-developed workflow. Geochemical sample analyses and laboratory spectral data of fifteen different samples from the Three Hills mine, Republic of Cyprus, were used to analyse a downsampled mine face scan of the open pit. Here, areas of low, medium and high ore content were identified. The developed workflow is successfully applied to the open pit mines Apliki and Three Hills and the spectral maps reflect the prevailing geological conditions. This work leads through the acquisition, preparation and processing of imaging spectroscopy data, the optimum choice of analysis methodology, and the utilization of simplified, robust sensors that meet the requirements of open pit mining conditions. It accentuates the importance of a site-specific and deposit-specific spectral library for the mine face analysis and underlines the need for geological and spectral analysis experts to successfully implement imaging spectroscopy in the field of open pit mining. N2 - In dieser Dissertation wird die Machbarkeit und Anwendung moderner und eines eigen entwickelten Hybridverfahrens in der bildgebenden Spektroskopie für den Tagebau untersucht. Die Materialverteilung innerhalb einer Abbaufront unterscheidet sich oft innerhalb eines kleinen Maßstabs und variiert zudem innerhalb täglich zugeordneter Abbausegmente. Diese Veränderungen können für nachfolgende Verarbeitungsschritte relevant sein, sind aber vor dem Abbau nicht immer visuell erkennbar. Falsche Klassifizierungen des Materials führen zu Fehlverteilungen des abgebauten Materials, die minimiert werden müssen, um den energie-intensiven Materialtransport zu reduzieren. Mit Hilfe der bildgebenden Spektroskopie wird angestrebt, relevante Lagerstättenspezifische Materialien vor der Extraktion korrekt zuzuordnen und ein effizientes Materialhandling nach der Extraktion zu ermöglichen. Ziel dieser Arbeit ist die Parametrisierung der bildgebenden Spektroskopie für den Bergbau und die Entwicklung und Evaluierung eines Workflows zur spektralen Charakterisierung von offenem Bergbau mittels bodengebundener Sensorik. Dies wurde durch die Evaluierung bestehender Ansätze zur hyperspektralen Aufschlussanalyse erreicht, die auf Grundlage von Laborscans von Proben aus dem Eisernen Vierecks in Minas Gerais, Brasilien, durchgeführt wurde. Eine spektralen Abbaufrontanalyse wurde mithilfe von Daten eines aktiven und eines inaktiven Kupfer-Tagebaus in der Republik Zypern entwickelt. Der in dieser Arbeit vorgestellte Arbeitsablauf wird auf drei regionale Datensätze angewandt: 1) Eisenerzproben aus Brasilien (Labordaten); 2) Proben und hyperspektrale bildgebende Daten der Abbaufront aus dem Kupfer-Gold-Pyrit-Tagebau Apliki, Republik Zypern (Labor- und Abbaufrontdaten); und 3) Proben und hyperspektrale bildgebende Daten der Abbaufront aus der Kupfer-Gold-Pyrit-Lagerstätte Three Hills, Republik Zypern (Labor- und Abbaufrontdaten). Der hyperspektrale Labordatensatz von fünfzehn brasilianischen Eisenerzproben wurde zur Evaluierung verschiedener Analysemethoden und verschiedener Sensormodelle verwendet. Neunzehn gebräuchliche Methoden zur Analyse und Kartierung hyperspektraler Daten wurden im Hinblick auf ihre resultierenden Datenprodukte, die Genauigkeit der Kartierung und die Berechnungszeit der Analyse verglichen. Vier der evaluierten Methoden wurden für nachfolgende Analysen bestimmt: Der Spectral Angle Mapper (SAM), ein Support Vector Machine Algorithmus (SVM), der Binary Feature Fitting Algorithmus (BFF) und der EnMap Geological Mapper (EnGeoMap). Als nächstes wurden kommerziell erhältliche bildgebende Spektroskopiesensoren auf ihre Verwendbarkeit unter Tagebaubedingungen evaluiert. Ein schrittweises Reduzieren der Datenkomplexität, das sog. “downsampling” (die Verringerung der Anzahl der Bänder und gleichzeitige Erhöhung der Bandbreite jedes Bandes), wurde durchgeführt, um eine Vereinfachung der Sensorkomplexität ohne Qualitätseinbußen der Kartierungsergebnisse zu untersuchen. Der Einfluss der Atmosphäre, die im Spektrum zwischen 1300-2010nm sichtbar ist, wurde reduziert, indem der Spektralbereich aus den Daten für die Kartierung ausgeschlossen wurde. Dadurch wurde die Durchführbarkeit der Methode unter realistischen Tagebaubedingungen getestet. Dreizehn Datensätze, die auf den verschiedenen Sensoren basierten, wurden mit den vier vorher benannten Methoden analysiert. Der optimale Sensor für die spektrale Unterscheidung von Abbaufrontmaterial wurde als VNIR-SWIR-Sensor mit 40nm Bandbreite im VNIR- und 15nm Bandbreite im SWIR-Spektralbereich bestimmt, der atmosphärisch beeinflusste Spektralbereich wurde ausgeschlossen. Nun wurde der Datensatz von der Mine in Apliki verwendet, um die vorher bestimmten Analysen und Sensoren anzuwenden. Sechsunddreißig Proben wurden geochemisch und mineralogisch analysiert. Die Probenspektren wurden zu zwei Spektralbibliotheken zusammengestellt, die beide zwischen sieben verschiedenen geochemisch-spektralen Clustern unterscheiden. Die Reflexionsdaten wurden auf fünf verschiedene Sensoren heruntergerechnet. Diese fünf verschiedenen Datensätze wurden mit der SAM-, BFF- und SVM-Methode kartiert, wobei entsprechende Kartierungsgenauigkeiten von 85-72%, 85-76% bzw. 57-46% erreicht wurden. Ein Scan der Abbaufront von Apliki wurde verwendet, um den entwickelten Arbeitsablauf auf Daten unter realistische Bedingungen anzuwenden. Die Kartierungsergebnisse wurden auf der Grundlage der Feldbeprobung und einer geologischen Zonierungskarte der Abbaufront validiert. Die Abbaufront wurde mit SAM und BFF analysiert und die Analysekarten wurden auf einem von „Structure-from-Motion“ abgeleiteten 3D-Modell des Tagebaus visualisiert. Die kartographierten geologischen Einheiten und Zonen korrelierten gut mit der erwarteten Zonierung der Abbaufront. Ein dritter Datensatz stand für die Anwendung des entwickelten Arbeitsablaufs zur Verfügung. Geochemische Probenanalysen und Laborspektraldaten von fünfzehn verschiedenen Proben aus dem offenen Tagebau Three Hills in der Republik Zypern wurden zur Analyse eines Datensatzes der Abbaufron des Tagebaus verwendet. Dabei wurden Bereiche mit niedrigem, mittlerem und hohem Erzgehalt identifiziert. Der in der Arbeit entwickelte Arbeitsablauf konnte erfolgreich für die offenen Tagebaue Apliki und Three Hills angewandt werden. Die errechneten Spektralgeologischen Karten stellen die örtliche geologische Situation korrekt dar. Der entwickelte Arbeitsablauf erläutert die Erfassung, Aufbereitung und Verarbeitung von Daten aus der bildgebenden Spektroskopie und beschreibt die Wahl der Analysemethodik sowie die Verwendung robuster Sensoren, die den Anforderungen der Tagebaubedingungen entsprechen. Sie hebt die Bedeutung einer standort- und lagerstättenspezifischen Spektralbibliothek für die Analyse von Abbaufronten hervor und unterstreicht die nötige Einbindung von Experten im Bereich der Geologie und der Spektralanalyse für eine erfolgreiche Implementierung der bildgebenden Spektroskopie im Kontext des Abbaus von Material in offenen Tagebauten. KW - hyperspectral KW - imaging spectroscopy KW - porphyry copper deposit KW - Porphyrische Kupferlagerstätte KW - hyperspektral KW - Abbildende Spektroskopie KW - mine face mapping KW - Abbaufrontkartierung KW - open pit mining KW - offener Tagebau Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499091 ER - TY - THES A1 - Repasch, Marisa T1 - Fluvial sediment routing and the carbon cycle BT - insights from the Rio Bermejo, Argentina BT - Einblicke aus dem Rio Bermejo, Argentinien N2 - By regulating the concentration of carbon in our atmosphere, the global carbon cycle drives changes in our planet’s climate and habitability. Earth surface processes play a central, yet insufficiently constrained role in regulating fluxes of carbon between terrestrial reservoirs and the atmosphere. River systems drive global biogeochemical cycles by redistributing significant masses of carbon across the landscape. During fluvial transit, the balance between carbon oxidation and preservation determines whether this mass redistribution is a net atmospheric CO2 source or sink. Existing models for fluvial carbon transport fail to integrate the effects of sediment routing processes, resulting in large uncertainties in fluvial carbon fluxes to the oceans. In this Ph.D. dissertation, I address this knowledge gap through three studies that focus on the timescale and routing pathways of fluvial mass transfer and show their effect on the composition and fluxes of organic carbon exported by rivers. The hypotheses posed in these three studies were tested in an analog lowland alluvial river system – the Rio Bermejo in Argentina. The Rio Bermejo annually exports more than 100 Mt of sediment and organic matter from the central Andes, and transports this material nearly 1300 km downstream across the lowland basin without influence from tributaries, allowing me to isolate the effects of geomorphic processes on fluvial organic carbon cycling. These studies focus primarily on the geochemical composition of suspended sediment collected from river depth profiles along the length of the Rio Bermejo. In Chapter 3, I aimed to determine the mean fluvial sediment transit time for the Rio Bermejo and evaluate the geomorphic processes that regulate the rate of downstream sediment transfer. I developed a framework to use meteoric cosmogenic 10Be (10Bem) as a chronometer to track the duration of sediment transit from the mountain front downstream along the ~1300 km channel of the Rio Bermejo. I measured 10Bem concentrations in suspended sediment sampled from depth profiles, and found a 230% increase along the fluvial transit pathway. I applied a simple model for the time-dependent accumulation of 10Bem on the floodplain to estimate a mean sediment transit time of 8.5±2.2 kyr. Furthermore, I show that sediment transit velocity is influenced by lateral migration rate and channel morphodynamics. This approach to measuring sediment transit time is much more precise than other methods previously used and shows promise for future applications. In Chapter 4, I aimed to quantify the effects of hydrodynamic sorting on the composition and quantity of particulate organic carbon (POC) export transported by lowland rivers. I first used scanning electron miscroscopy (SEM) coupled with nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) analyses to show that the Bermejo transports two principal types of POC: 1) mineral-bound organic carbon associated with <4 µm, platy grains, and 2) coarse discrete organic particles. Using n-alkane stable isotope data and particle shape analysis, I showed that these two carbon pools are vertically sorted in the water column, due to differences in particle settling velocity. This vertical sorting may drive modern POC to be transported efficiently from source-to-sink, driving efficient CO2 drawdown. Simultaneously, vertical sorting may drive degraded, mineral-bound POC to be deposited overbank and stored on the floodplain for centuries to millennia, resulting in enhanced POC remineralization. In the Rio Bermejo, selective deposition of coarse material causes the proportion of mineral-bound POC to increase with distance downstream, but the majority of exported POC is composed of discrete organic particles, suggesting that the river is a net carbon sink. In summary, this study shows that selective deposition and hydraulic sorting control the composition and fate of fluvial POC during fluvial transit. In Chapter 5, I characterized and quantified POC transformation and oxidation during fluvial transit. I analyzed the radiocarbon content and stable carbon isotopic composition of Rio Bermejo suspended sediment and found that POC ages during fluvial transit, but is also degraded and oxidized during transient floodplain storage. Using these data, I developed a conceptual model for fluvial POC cycling that allows the estimation of POC oxidation relative to POC export, and ultimately reveals whether a river is a net source or sink of CO2 to the atmosphere. Through this study, I found that the Rio Bermejo annually exports more POC than is oxidized during transit, largely due to high rates of lateral migration that cause erosion of floodplain vegetation and soil into the river. These results imply that human engineering of rivers could alter the fluvial carbon balance, by reducing lateral POC inputs and increasing the mean sediment transit time. Together, these three studies quantitatively link geomorphic processes to rates of POC transport and degradation across sub-annual to millennial time scales and nanoscale to 103 km spatial scales, laying the groundwork for a global-scale fluvial organic carbon cycling model. N2 - Der globale Kohlenstoffkreislauf bestimmt das Klima und die Bewohnbarkeit unseres Planeten durch die Regulierung der Kohlenstoffkonzentration in unserer Atmosphäre. Erdoberflächenprozesse spielen eine zentrale, aber nicht ausreichend verstandene Rolle in der Regulierung der Kohlenstoffflüsse zwischen terrestrischen Reservoiren und der Atmosphäre. Flusssysteme steuern globale biogeochemische Kreisläufe, indem sie große Mengen Kohlenstoff in der Landschaft umverteilen. Dabei bestimmt das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffoxidation und -konservierung, ob der Flusstransport in einer atmosphärischen Netto CO2-Quelle oder -Senke resultiert. Die Auswirkungen von Sedimentverlagerungsprozessen werden in bestehenden Modellen für den Kohlenstofftransport in Flüssen jedoch nicht berücksichtigt, was zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung von Kohlenstoffflüssen von Quellen zu Senken führt. In dieser Dissertation adressiere ich diese Wissenslücke mithilfe von drei Studien, die verschiedene Komponenten des Stofftransfers von Quelle zu Senke und seine Auswirkungen auf die Zusammensetzung und den Transfer des organischen Kohlenstoffs im Fluss herausgreifen. Die in diesen drei Studien aufgestellten Hypothesen wurden in einem analogen alluvialen Tieflandflusssystem - dem Rio Bermejo in Argentinien - getestet. Der Rio Bermejo exportiert jährlich mehr als 100 Mt Sedimente und organisches Material aus den Zentralanden und transportiert dieses fast 1300 km flussabwärts ohne Einfluss von Nebenflüssen durch das Tieflandbecken. Dies erlaubt die Isolierung der Auswirkungen geomorphologischer Prozesse auf den organischen Kohlenstoffkreislauf im Fluss. Die Studien basieren auf geochemischen Daten eines Satzes Sedimentproben der Suspensionsfracht, die entlang des Rio Bermejo aus Flusstiefenprofilen entnommen wurden. In Kapitel 3 habe ich mir das Ziel gesetzt die mittlere Flusssedimenttransitzeit des Rio Bermejo sowie die geomorphologischen Prozesse, die die Geschwindigkeit des Sedimenttransfers flussabwärts regulieren, zu bestimmen. Dazu habe ich ein Framework entwickelt, wie meteorisches kosmogenes 10Be (10Bem) als Chronometer verwendet werden kann, das die Dauer des Sedimenttransits von der Bergfront stromabwärts entlang des ~ 1300 km langen Kanals des Rio Bermejo misst. Ich habe 10Bem -Konzentrationen an den Tiefenprofilen der Suspensionsfracht gemessen und dabei einen Anstieg von 230% entlang des Flusstransfers festgestellt. Für die zeitabhängige Akkumulation von 10Bem auf der Überflutungsebene habe ich ein einfaches Modell angewendet und dadurch eine mittlere Sedimenttransitzeit von ~ 8,5 ± 2,2 kyr abgeschätzt. Meine Daten haben zusätzlich gezeigt, dass Unterschiede in der lateralen Migrationsrate und der Kanalmorphodynamik Unterschiede in der Sedimenttransitgeschwindigkeit verursachen. Dieser Ansatz zur Messung der Sedimenttransitzeit ist viel präziser als andere bisher verwendete Methoden und hat ein großes Potential für zukünftige Anwendungen. Kapitel 4 habe ich darauf ausgerichtet die Auswirkungen der vorübergehenden Speicherung in Überflutungsebenen, der Verfeinerung der Korngrößen flussabwärts und der organomineralischen Assoziationen auf die Zusammensetzung und Menge des Exports von fluvialem partikulärem organischem Kohlenstoff (POC) zu quantifizieren. Daten stabiler n Alkan-Isotope zeigten eine vertikale Sortierung organischer Stoffe in der Flusswassersäule, durch die 13C -angereichertes, mineralassoziiertes POC am oberen Ende der Wassersäule konzentriert wurde. Mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und nanoskalige Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) -Analysen habe ich gezeigt, dass Organomineralassoziationen größtenteils in feinen, plattigen Mineralkörnern mit niedrigen Absetzgeschwindigkeiten gefunden werden, welche zum Aufsteigen des mineralgebundenen POC in der Wassersäule führen. Organomineralassoziationen und 13C -Anreicherung sind typisch für den Abbau von organischem Kohlenstoff im Boden, was darauf hindeutet, dass mineralgebundener POC größtenteils aus der Erosion verwitterter Auenböden stammt. Ich habe gezeigt, dass> 70% des suspendierten POC-Exports in Zusammenhang mit feinem Sediment seht. Dieser POC ist wahrscheinlich aufgrund des Abbaus während der vorübergehenden Lagerung in den Überflutungsebenen stärker an 13C angereichert. Da mineralgebundenes POC und diskrete organische Partikel in der Wassersäule in unterschiedlichen Tiefen transportiert werden, weisen sie wahrscheinlich unterschiedliche Flusslaufzeiten und damit unterschiedliche Oxidationswahrscheinlichkeiten während des Flusstransfers auf. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass hydrodynamische Sortiereffekte die Zusammensetzung und das Schicksal des fluvialen POC während des Transits von Quelle zu Senke steuern. In Kapitel 5 habe ich die POC-Transformation und -Oxidation während des Flussdurchgangs charakterisiert und quantifiziert. Dazu habe ich den Radiokohlenstoffgehalt und die stabile Kohlenstoffisotopenzusammensetzung der Suspensionsfracht des Rio Bermejo analysiert. Die Daten zeigten sowohl eine Alterung des POC während des Flusstransits und als auch den Abbau von POC während der vorübergehenden Ablagerung in Überflutungsebenen. Unter Verwendung dieser Daten entwickelte ich ein konzeptionelles Modell für den Fluss-POC-Kreislauf, das die Abschätzung der POC-Oxidation im Verhältnis zum POC-Export ermöglicht und zeigt, ob ein Fluss eine Nettoquelle oder -senke für CO2 in der Atmosphäre darstellt. Durch diese Studie fand ich heraus, dass der Rio Bermejo jährlich mehr POC exportiert, als während des Transits oxidiert wird, was hauptsächlich auf die hohen seitlichen Migrationsraten zurückzuführen ist, die zur Erosion der Auenvegetation und der Auenböden in den Fluss führen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die menschliche Gestaltung von Flüssen die Kohlenstoffbilanz im Fluss verändern könnte, indem die seitlichen POC-Einträge reduziert und die mittlere Sedimenttransitzeit erhöht werden. Zusammengenommen verknüpfen diese drei Studien geomorphologische Prozesse quantitativ mit den Raten des POC-Transports und der POC-Degradation über sub-jährliche bis tausendjährige Zeitskalen und Nano bis 103 km räumlichen Skalen und bilden die Grundlage für ein Modell des globalen, fluvialen, organischen Kohlenstoffkreislaufs. T2 - Flusssedimenttransfer und Kohlenstoffkreislauf KW - biogeoscience KW - geomorphology KW - rivers KW - Biogeowissenschaften KW - Geomorphologie KW - Flüsse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-493978 ER - TY - THES A1 - Tabares Jimenez, Ximena del Carmen T1 - A palaeoecological approach to savanna dynamics and shrub encroachment in Namibia N2 - The spread of shrubs in Namibian savannas raises questions about the resilience of these ecosystems to global change. This makes it necessary to understand the past dynamics of the vegetation, since there is no consensus on whether shrub encroachment is a new phenomenon, nor on its main drivers. However, a lack of long-term vegetation datasets for the region and the scarcity of suitable palaeoecological archives, makes reconstructing past vegetation and land cover of the savannas a challenge. To help meet this challenge, this study addresses three main research questions: 1) is pollen analysis a suitable tool to reflect the vegetation change associated with shrub encroachment in savanna environments? 2) Does the current encroached landscape correspond to an alternative stable state of savanna vegetation? 3) To what extent do pollen-based quantitative vegetation reconstructions reflect changes in past land cover? The research focuses on north-central Namibia, where despite being the region most affected by shrub invasion, particularly since the 21st century, little is known about the dynamics of this phenomenon. Field-based vegetation data were compared with modern pollen data to assess their correspondence in terms of composition and diversity along precipitation and grazing intensity gradients. In addition, two sediment cores from Lake Otjikoto were analysed to reveal changes in vegetation composition that have occurred in the region over the past 170 years and their possible drivers. For this, a multiproxy approach (fossil pollen, sedimentary ancient DNA (sedaDNA), biomarkers, compound specific carbon (δ13C) and deuterium (δD) isotopes, bulk carbon isotopes (δ13Corg), grain size, geochemical properties) was applied at high taxonomic and temporal resolution. REVEALS modelling of the fossil pollen record from Lake Otjikoto was run to quantitatively reconstruct past vegetation cover. For this, we first made pollen productivity estimates (PPE) of the most relevant savanna taxa in the region using the extended R-value model and two pollen dispersal options (Gaussian plume model and Lagrangian stochastic model). The REVEALS-based vegetation reconstruction was then validated using remote sensing-based regional vegetation data. The results show that modern pollen reflects the composition of the vegetation well, but diversity less well. Interestingly, precipitation and grazing explain a significant amount of the compositional change in the pollen and vegetation spectra. The multiproxy record shows that a state change from open Combretum woodland to encroached Terminalia shrubland can occur over a century, and that the transition between states spans around 80 years and is characterized by a unique vegetation composition. This transition is supported by gradual environmental changes induced by management (i.e. broad-scale logging for the mining industry, selective grazing and reduced fire activity associated with intensified farming) and related land-use change. Derived environmental changes (i.e. reduced soil moisture, reduced grass cover, changes in species composition and competitiveness, reduced fire intensity) may have affected the resilience of Combretum open woodlands, making them more susceptible to change to an encroached state by stochastic events such as consecutive years of precipitation and drought, and by high concentrations of pCO2. We assume that the resulting encroached state was further stabilized by feedback mechanisms that favour the establishment and competitiveness of woody vegetation. The REVEALS-based quantitative estimates of plant taxa indicate the predominance of a semi-open landscape throughout the 20th century and a reduction in grass cover below 50% since the 21st century associated with the spread of encroacher woody taxa. Cover estimates show a close match with regional vegetation data, providing support for the vegetation dynamics inferred from multiproxy analyses. Reasonable PPEs were made for all woody taxa, but not for Poaceae. In conclusion, pollen analysis is a suitable tool to reconstruct past vegetation dynamics in savannas. However, because pollen cannot identify grasses beyond family level, a multiproxy approach, particularly the use of sedaDNA, is required. I was able to separate stable encroached states from mere woodland phases, and could identify drivers and speculate about related feedbacks. In addition, the REVEALS-based quantitative vegetation reconstruction clearly reflects the magnitude of the changes in the vegetation cover that occurred during the last 130 years, despite the limitations of some PPEs. This research provides new insights into pollen-vegetation relationships in savannas and highlights the importance of multiproxy approaches when reconstructing past vegetation dynamics in semi-arid environments. It also provides the first time series with sufficient taxonomic resolution to show changes in vegetation composition during shrub encroachment, as well as the first quantitative reconstruction of past land cover in the region. These results help to identify the different stages in savanna dynamics and can be used to calibrate predictive models of vegetation change, which are highly relevant to land management. N2 - Die Ausbreitung von Sträuchern in der namibischen Savanne wirft Fragen nach der Resilienz dieser Ökosysteme gegenüber globalen Veränderungen auf. Dies macht es notwendig, die Vegetationsdynamik in der Vergangenheit zu verstehen, da kein Konsens darüber besteht, ob die Verbuschung ein neues Phänomen ist oder über ihre Haupttreiber. Aufgrund des Mangels an Langzeitvegetationsdatensätzen für die Region und des Mangels an geeigneten paläoökologischen Archiven bleibt die Rekonstruktion der früheren Vegetation und der früheren Landbedeckung der Savannen eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Studie mit drei Hauptforschungsfragen: 1) Ist Pollenanalyse ein geeignetes Instrument, um die Veränderung der Vegetation widerzuspiegeln, die mit der Verbuschung von Savannen verbunden ist? 2) Entspricht die derzeitige verbuschte Landschaft einem stabilen Zustand der Savannenvegetation? 3) Inwieweit entspricht die quantitative Rekonstruktion der Vegetation auf der Grundlage fossiler Pollendaten der früheren Vegetationsbedeckung der Savanne? Um diese Fragen zu beantworten, konzentrierte sich diese Forschung auf Nord-Zentral-Namibia, da diese Region insbesondere seit dem 21. Jahrhundert am stärksten von Verbuschung betroffen ist, über die Dynamik dieses Phänomens in der Region ist jedoch wenig bekannt. Im Rahmen dieser Studie wurden feldbasierte Vegetationsdaten mit modernen Pollendaten verglichen, um das Potenzial moderner Pollen zu bewerten, die Vegetationszusammensetzung und -vielfalt entlang von Niederschlags- und Weideintensitätsgradienten widerzuspiegeln. Zusätzlich wurden zwei Sedimentkerne aus dem Otjikoto-See analysiert, um die Veränderungen der Vegetationszusammensetzung in der Region in den letzten 170 Jahren und ihre möglichen Treiber zu dokumentieren. Hierzu wurde ein Multiproxy-Ansatz (fossiler Pollen, sedimentäre alte DNA, Biomarker, verbindungsspezifische Kohlenstoff- (δ13C) und Deuterium- (δD) Isotope, Kohlenstoff-Isotope (δ13Corg), Korngröße, geochemische Eigenschaften) mit hoher taxonomischer und zeitlicher Auflösung angewendet. Schließlich wurde der REVEALS-Ansatz auf den fossilen Pollendata des Otjikoto-Sees angewendet, um die Vegetationsbedeckung der Vergangenheit quantitativ zu rekonstruieren. Dazu wurden zunächst die Pollenproduktivitätsschätzungen (PPE) der relevantesten Savannentaxa in der Region unter Verwendung des erweiterten R-Wert-Modells und zweier Pollenausbreitungsmodelle (Gaußsches Federmodell und Lagrange-Stochastikmodell) berechnet. Die auf REVEALS basierende Vegetationsrekonstruktion wurde dann unter Verwendung von auf Fernerkundung basierenden regionalen Vegetationsdaten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass moderner Pollen die Zusammensetzung der Vegetation gut widerspiegelt, jedoch weniger die Diversität. Interessanterweise machen Niederschlag und Beweidung einen signifikanten, aber geringen Anteil der Änderung der Zusammensetzung in den Pollen- und Vegetationsspektren aus. Die Multiproxy-Analyse zeigt, dass ein Zustandswechsel von der offenen Combretum Baumsavanne zum Terminalia Buschland über ein Jahrhundert stattfinden kann und dass der Übergang zwischen den beiden Zuständen etwa 80 Jahre dauert und durch eine einzigartige Vegetationszusammensetzung gekennzeichnet ist. Dieser Übergang wird durch allmähliche Umweltveränderungen unterstützt, die durch das Management (z.B. großflächige Abholzung für den Bergbau sowie selektive Beweidung und verringerte Feueraktivität verbunden mit intensivierter Landwirtschaft) und damit verbundene Landnutzungsänderungen hervorgerufen werden. Abgeleitete Umweltveränderungen (z.B. verringerte Bodenfeuchtigkeit, verringerte Grasbedeckung, Änderungen der Artenzusammensetzung und Konkurrenzfähigkeit, verringerte Feuerintensität) können die Resilienz der offenen Combretum Baumsavanne beeinträchtigt haben und sie anfälliger machen, durch stochastische Ereignisse wie aufeinanderfolgende niederschlagsreiche Jahre, Dürre, und durch hohe Konzentrationen von pCO2, in einen verbuschten Zustand zu wechseln. Der daraus resultierende verbuschte Zustand wird durch Rückkopplungsmechanismen aufrechterhalten, welche die Etablierung und Konkurrenzfähigkeit der Holzvegetation begünstigen. Schließlich deuten die auf REVEALS basierenden Deckungsschätzungen auf das Vorherrschen einer halboffenen Landschaft während des gesamten 20. Jahrhunderts und eine Verringerung der Grasbedeckung unter 50% seit dem 21. Jahrhundert hin, die mit der Verbreitung von Verbuschungstaxa verbunden ist. Deckungsschätzungen zeigen eine enge Übereinstimmung mit regionalen Vegetationsdaten, wodurch die aus der Multi-Proxy-Analyse abgeleitete Vegetationsdynamik bestätigt werden kann. Die PPE-Berechnung war für alle holzigen Taxa erfolgreich, für Poaceae jedoch fehlgeschlagen. Zusammenfassend ist die Pollenanalyse ein geeignetes Instrument zur Rekonstruktion der Vegetationsdynamik in Savannen. Aufgrund der geringen taxonomischen Auflösung von Pollen zur Identifizierung von Gräsern ermöglicht ein Multiproxy-Ansatz, insbesondere die Verwendung von sedaDNA, die Unterscheidung stabiler verbuschte Zustände von bloßen Waldphasen sowie die Identifizierung von Auslösern und Treibern von Zustandsänderungen. Darüber hinaus spiegelt die auf REVEALS basierende quantitative Vegetationsrekonstruktion trotz der Einschränkungen bei der Berechnung von PPEs deutlich das Ausmaß der Veränderungen in der Vegetationsbedeckung wider, die in den letzten 130 Jahren aufgetreten sind. Diese Forschung liefert neue Einblicke in die Pollen-Vegetations-Beziehungen in Savannen und unterstreicht die Bedeutung von Multiproxy-Ansätzen zur Rekonstruktion der Vegetationsdynamik in semi-ariden Landschaften. Es bietet auch die erste Zeitreihe mit ausreichender taxonomischer Auflösung, um die Veränderungen der Vegetationszusammensetzung im Verlauf der Verbuschung sowie die erste quantitative Rekonstruktion der früheren Landbedeckung in der Region aufzuzeigen. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, die verschiedenen Stadien der Savannendynamik besser zu identifizieren, und können auch zur Kalibrierung von Vorhersagemodellen für Vegetationsänderungen verwendet werden, die für die Landbewirtschaftung von großem Wert sind. T2 - Ein paläoökologischer Ansatz zur Savannendynamik und Verbuschung in Namibia KW - savanna ecology KW - pollen KW - sedaDNA KW - REVEALS KW - state-transition models KW - Savannen-Ökologie KW - REVEALS KW - sedimentäre alte DNA KW - Pollen KW - Pollenproduktivitätsschätzungen KW - Zustands-Übergangs-Modelle Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-492815 ER -