TY - THES A1 - Lilienkamp, Henning T1 - Enhanced computational approaches for data-driven characterization of earthquake ground motion and rapid earthquake impact assessment T1 - Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen N2 - Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets. N2 - Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen. KW - seismology KW - machine learning KW - deep learning KW - ground motion modeling KW - seismic hazard KW - rapid earthquake impact assessment KW - geophysics KW - Deep Learning KW - Geophysik KW - Bodenbewegungsmodellierung KW - maschinelles Lernen KW - schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen KW - seismische Gefährdung KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631954 ER - TY - THES A1 - Jiménez Álvaro, Eliana T1 - Análisis neotectónico y lito-tefroestratigráfico de los grandes movimientos en masa asociados al fallamiento activo de la cuenca intermontana Quito-Guayllabamba, Ecuador T1 - Neotectonic and litho-tephrostratigraphic analysis of large mass movements associated with active faulting in the Quito-Guayllabamba intermontane basin, Ecuador T1 - Neotektonische und litho-tephrostratigraphische Auswertung der großen Massenbewegungen im Zusammenhang mit dem aktiven Verwerfungen im intermontanen Quito-Guayllabamba-Becken, Ecuador N2 - Within the Quito-Guayllabamba intermontane basin of Ecuador, five unusually large colluvial deposits of ancient landslides have been identified and analyzed in this study. The voluminous rotational MM-5 Guayllabamba landslide is the largest one, with a volume of 1183 million m3. The mega debris-avalanches MM-1 Conocoto, MM-3 Oyacoto, and MM-4 San Francisco were originally triggered by an initial rupture that was associated with a rotational landslide, the corresponding deposits have volumes between 399 to 317 million m3. Finally, the deposit with the smallest volume, the MM-2 Batán rotational landslide and debris fall, has a volume of 8,7 million m3. In this thesis, a detailed study of these large mass movements was carried out using neotectonic and litho-tephrostratigraphic methods to understand the geological and geomorphological boundary conditions that might have been relevant for triggering such mass movements. The neotectonic part of the study was based on the qualitative and quantitative geomorphic analysis of these large mass-movement deposits through the structural characterization of anticlines located east of the Quito sub-basin and their collapsed flanks that constitute the break-off areas. This part of the analysis was furthermore supported by the application of different morphometric indices to reveal tectonically forced landscape evolution processes that may have aided mass-movement generation. The litho-tephrostratigraphic part of the study was based on the analysis of petrographic, geochemical, and geochronological characteristics of soil horizons and intercalated volcanic ashes with the aim to constrain the timing of individual mass-movement events and their potential correlation. The results were integrated into chronostratigraphic schemes using break-off surfaces, cross-cutting and superposition relationships of landslide deposits and subsequently deposited strata to understand the mass movements in the tectonic and temporal context of the intermontane basin setting, as well as to identify the triggering mechanisms for each event. The MM-5 Guayllabamba mass movement is the result of the collapse of the southwestern slope of the Mojanda volcano and was triggered by the interaction of geologic and morphologic conditions approximately 0,81 Ma. The first debris-avalanche episode of the MM-3 Oyacoto and MM-4 San Francisco mass movements could be related to both geological and morphological conditions, given the highly fractured rocks and uplift of the Bellavista-Catequilla anticline that was subsequently incised at the foot of the slope by fluvial erosion. This first episode of collapse most likely occurred around 0,8 Ma. The MM-2 Batán mass movement was possibly also facilitated by a combination of geological and morphological conditions, most likely associated with a reduction in the lithostatic stresses affecting the Chiche and Machángara formations and an increase of shear stresses during lateral fluvial scouring processes at the flanks of the source areas. This points to a linked process between river erosion and uplift processes associated with the evolution of the El Batán-La Bota anticline that could have occurred between 0,5 and 0,25 Ma. The voluminous MM-1 Conocoto debris avalanche, as well as the second debris avalanche episode that generated the MM-3 Oyacoto and MM-4 San Francisco mass movements, were caused by the gravitational collapse of the Mojanda and Cangahua formations that are characterized by the intercalation of volcanic ashes. The failure of the eastern flank of the anticlines probably was associated with increased available humidity related to regional Holocene climatic variations. The results of paleosol chronology combined with regional chronostratigraphic and paleoclimate data suggests that these debris avalanches were triggered between 5 and 4 ka. Active tectonics has shaped the morphological features of the Quito-Guayllabamba intermontane basin. The triggering of mass movements in this environment is associated with failure of Pleistocene lithologies (lake sediments, alluvial and volcanic deposits) subjected to ongoing deformation processes, seismic activity, and superposed episodes of climate variability. The Metropolitan District of Quito is an integral part of this complex environment and the geological, climatic, and topographic conditions that continue to influence the urban geographic space within this intermontane basin. The city of Quito comprises the area with the largest urban consolidation including the sub-basins of Quito and San Antonio, with a population of 2,872 million inhabitants, reflecting the importance of studying the inherent geological and climatic hazards that this region is confronted with. N2 - Innerhalb des intermontanen Beckens von Quito-Guayllabamba in Ecuador wurden fünf ungewöhnlich große alte Erdrutschablagerungen identifiziert und in dieser Studie analysiert. Die voluminöse, mit einer Rotationsbewegung verbundene Ablagerung MM-5 von Guayllabamba ist mit einem Volumen von 1183 Mio. m3 die größte dieser Massenbewegungsablagerungen. Die Megaschuttlawinen MM-1 von Conocoto, MM-3 Oyacoto und MM-4 von San Francisco wurden ursprünglich durch eine Ruptur an den oberen Hängen ausgelöst, die ebenfalls mit Rotationsbewegungen verbunden waren, die entsprechenden Ablagerungen haben ein Volumen zwischen 399 und 317 Mio. m3. Die kleinste Ablagerung, die Ablagerung MM-2 von Batán, hat ein Volumen von 8,7 Mio. m3. In dieser Arbeit wurde eine detaillierte Untersuchung dieser großen Massenbewegungen mit neotektonischen, litho-tephrostratigraphischen und geomorphologischen Methoden durchgeführt, um die geologischen und geomorphologischen Randbedingungen zu verstehen, die für die Auslösung solcher Massenbewegungen relevant gewesen sein könnten. Der neotektonische Teil der Studie basierte auf der qualitativen und quantitativen geomorphologischen Analyse dieser voluminösen Ablagerungen über eine strukturelle Charakterisierung der Antiklinalen und ihrer kollabierten Flanken östlich des Quito-Subbbeckens, die Abrisszonen bilden. Dieser Teil der Analyse wurde durch die Anwendung verschiedener morphometrischer Indizes unterstützt, um tektonisch bedingte Landschaftsentwicklungsprozesse aufzuzeigen, welche die Entstehung der Massenbewegungen begünstigt haben könnten. Der litho-tephrostratigraphische Teil der Studie basierte auf der Analyse petrographischer, geochemischer und geochronologischer Merkmale von Paläo-Bodenhorizonten und zwischengeschalteten vulkanischen Aschen mit dem Ziel, die Chronologie einzelner Massenbewegungsereignisse zunächst einzugrenzen und Ablagerungen eventuell miteinander zu korrelieren. Die Ergebnisse wurden in chronostratigraphische Schemata integriert, die Abrisskanten, Aufschlüsse und stratigraphische Überlappungsbeziehungen von Erdrutschablagerungen und später abgelagerten Schichten verwenden, um die Massenbewegungen im tektonischen und zeitlichen Kontext der intermontanen, sowie die Auslösemechanismen der einzelnen Ereignisse zu identifizieren. Die Massenbewegung MM-5 von Guayllabamba ist das Ergebnis des Kollapses des Südwesthangs des Vulkans Mojanda und wurde durch das Zusammenspiel geologischer und morphologischer Bedingungen vor etwa 0,81 Ma ausgelöst. Die erste Schuttlawinen-Episode MM-3 Oyacoto und MM-4 San Francisco könnte sowohl mit den geologischen als auch mit den morphologischen Bedingungen zusammenhängen, da das Gestein stark zerklüftet ist und die Bellavista-Catequilla-Antiklinale angehoben wurde, die anschließend am Fuß des Hanges durch fluviale Erosion eingeschnitten wurde. Höchstwahrscheinlich ereignete sich diese erste Massenbewegungsphase um 0,8 Ma. Die Massenbewegung der Ablagerung von MM-2 Batán wurde möglicherweise auch durch eine Kombination von geologischen und morphologischen Bedingungen begünstigt, die vermutlich mit einer Verringerung des lithostatischen Druckes in den Formationen Chiche und Machángara sowie einer Zunahme der Scherspannungen im Zuge der seitlichen fluvialen Kolkprozesse an den Flanken der Abrissregionen verbunden waren. Dies deutet auf einen verknüpften Prozess zwischen fluvialer Erosion und Hebungsprozessen im Zusammenhang mit der Entwicklung der El Batán-La Bota-Antiklinale hin, der zwischen 0,5 und 0,25 Ma stattgefunden haben könnte. Die voluminöse Schuttlawine MM-1 von Conocoto sowie die zweite Schuttlawine, welche die Ablagerungen von MM-3 Oyacoto und MM-4 San Francisco generierte, wurden durch den gravitativen Kollaps der Mojanda- und Cangahua-Formationen ausgelöst, der durch die zwischengeschalteten vulkanischen Aschen begünstigt wurde. Das Versagen der Bergflanken war möglicherweise auch begünstigt durch die Zunahme der verfügbaren Feuchtigkeit und des erhöhten Porendruckes im Zusammenhang mit regionalen klimatischen Schwankungen während des Holozäns. Die Ergebnisse der Chronologie der Paläoböden in Verbindung mit regionalen chronostratigraphischen und paläoklimatischen Daten legen nahe, dass diese Schuttlawinen zwischen 5 und 4 ka ausgelöst wurden. Die aktive Tektonik hat die morphologischen Merkmale des intermontanen Quito-Guayllabamba-Beckens fundamental geprägt. Die Auslösung von Massenbewegungen in diesem Gebiet steht im Zusammenhang mit Verwerfungen in den pleistozänen Ablagerungen (lakustrische Sedimente, alluviale und vulkanische Ablagerungen), die laufenden Deformationsprozessen, seismischer Aktivität sowie überlagerten Episoden klimatischer Variabilität ausgesetzt sind. Der Stadtbezirk Quito ist ein integraler Bestandteil dieser komplexen Region und der geologischen, klimatischen und topografischen Bedingungen, die den städtischen Siedlungsraum in diesem intermontanen Becken weiterhin beeinflussen werden. Die Stadt Quito umfasst das Gebiet mit der größten urbanen Konsolidierung, einschließlich der Teileinzugsgebiete von Quito und San Antonio, mit einer Bevölkerung von 2,872 Millionen Einwohnern, was die Bedeutung der Untersuchung der inhärenten geologischen und klimatischen Gefahren widerspiegelt, mit denen diese Region konfrontiert ist. N2 - Dentro de la cuenca intermontana de Quito-Guay llabamba de Ecuador, se han identificado y analizado en este estudio, cinco depósitos coluviales inusualmente grandes de antiguos deslizamientos. El gran deslizamiento rotacional MM-5 Guayllabamba es el más extenso, con un volumen de 1183 millones de m3. Las mega avalanchas de escombros MM-1 Conocoto, MM-3 Oyacoto, y MM-4 San Francisco fueron desencadenadas originalmente por una ruptura inicial que estuvo asociada a un deslizamiento rotacional, los depósitos correspondientes tienen volúmenes entre 399 a 317 millones de m3. Finalmente, el depósito de menor volumen, el deslizamiento rotacional y caída de detritos MM-2 Batán, tiene un volumen de 8,7 millones de m3. En esta tesis, se realizó un estudio detallado de estos grandes movimientos en masa utilizando métodos neotectónicos y lito-tefrostratigráficos para comprender las condiciones geológicas y geomorfológicas de contorno que podrían ser relevantes para desencadenar estos movimientos en masa. La parte neotectónica del estudio se basó en el análisis geomorfológico cualitativo y cuantitativo de estos grandes depósitos de movimientos en masa, a través de la caracterización estructural de anticlinales ubicados al este de la subcuenca de Quito y sus flancos colapsados que constituyen las áreas de ruptura. Esta parte del análisis fue además apoyada por la aplicación de diferentes índices morfométricos para revelar procesos de evolución del paisaje forzados tectónicamente que pueden haber contribuido a la generación de movimientos en masa. La parte lito-tefrostratigráfica del estudio se basó en el análisis de las características petrográficas, geoquímicas y geocronológicas de los horizontes del suelo y de las cenizas volcánicas intercaladas, con el objetivo de restringir la cronología de los eventos individuales de movimientos en masa y su posible de correlación. Los resultados se integraron en esquemas cronoestratigráficos utilizando superficies de ruptura, relaciones transversales y de superposición de depósitos de deslizamiento y estratos posteriores para comprender los movimientos en masa en el contexto tectónico y temporal del entorno de la cuenca intermontana, así como para identificar los mecanismos desencadenantes de cada evento. El movimiento en masa MM-5 Guayllabamba es el resultado del colapso de la ladera suroeste del volcán Mojanda y fue desencadenado por la interacción de condiciones geológicas y morfológicas hace aproximadamente 0,81 Ma. El primer episodio de avalancha de escombros de los movimientos en masa MM-3 Oyacoto y MM-4 San Francisco podría estar relacionado con condiciones tanto geológicas como morfológicas, dadas las rocas altamente fracturadas y el levantamiento del anticlinal Bellavista-Catequilla que posteriormente fue inciso al pie de la ladera por la erosión fluvial. Este primer episodio de colapso probablemente ocurrió alrededor de los 0,8 Ma. El movimiento en masa MM-2 Batán posiblemente también fue desencadenado por una combinación de condiciones geológicas y morfológicas, asociadas a una reducción de los esfuerzos litostáticos que afectaron a las formaciones Chiche y Machángara y a un aumento de los esfuerzos de cizalla durante procesos de socavación fluvial lateral en los flancos de las áreas de origen. Esto apunta a un proceso vinculado entre la erosión fluvial y los procesos de levantamiento asociados a la evolución del anticlinal El Batán-La Bota que podría haber ocurrido entre 0,5 y 0,25 Ma. La voluminosa avalancha de escombros MM-1 Conocoto, así como el segundo episodio de avalancha de escombros que generó los movimientos en masa MM-3 Oyacoto y MM-4 San Francisco, fueron provocados por el colapso gravitacional de las formaciones Mojanda y Cangahua que se caracterizan por la intercalación de cenizas volcánicas. La falla del flanco oriental de los anticlinales probablemente estuvo asociada al incremento de la humedad disponible relacionada con las variaciones climáticas regionales del Holoceno. Los resultados de la cronología de los paleosuelos combinados con los datos cronoestratigráficos y paleoclimáticos regionales sugieren que estas avalanchas de escombros se desencadenaron entre 5 y 4 ka. La tectónica activa ha modelado los rasgos morfológicos de la cuenca intermontana Quito-Guayllabamba. El desencadenamiento de movimientos en masa en este ambiente está asociado a rupturas en litologías del Pleistoceno (sedimentos lacustres, depósitos aluviales y volcánicos) sometidas a procesos de deformación, actividad sísmica y episodios superpuestos de variabilidad climática. El Distrito Metropolitano de Quito es parte integral de este complejo entorno y de las condiciones geológicas, climáticas y topográficas que continúan influyendo en el espacio geográfico urbano dentro de esta cuenca intermontana. La ciudad de Quito comprende el área de mayor consolidación urbana incluyendo las subcuencas de Quito y San Antonio, con una población de 2,872 millones de habitantes, lo que refleja la importancia del estudio de las amenazas geológicas y climáticas inherentes a esta región. KW - große Massenbewegungen KW - intermontane Becken KW - aktive Verwerfungen KW - Auslösemechanismus KW - Klima KW - large mass movements KW - intermontane basin KW - active faulting KW - trigger mechanism KW - climate KW - grandes movimientos en masa KW - cuenca intermontana KW - fallamiento activo KW - mecanismos de disparo KW - clima Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622209 ER - TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER - TY - THES A1 - Manu, Evans T1 - Hydrogeochemical characterization of water resources in the Pra Basin (Ghana) for quality assessment and water management T1 - Hydrogeochemische Charakterisierung der Wasserressourcen im Pra-Becken (Ghana) zur Qualitätsbewertung und Wasserbewirtschaftung BT - field observations and geochemical modelling BT - Feldbeobachtungen und geochemische Modellierung N2 - Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry. N2 - Die Bewirtschaftung von Wassereinzugsgebieten erfordert ein Verständnis der wichtigsten hydrochemischen Prozesse. Das Pra-Becken ist eines der fünf großen Flusseinzugsgebiete Ghanas mit einer Bevölkerung von über 4,2 Millionen Menschen. Die Bewirtschaftung der Wasserressourcen wird derzeit durch die Verschmutzung der Oberflächengewässer erschwert, die durch die unkontrollierte Einleitung von unbehandelten Haushalts- und Industrieabfällen in die aquatischen Ökosysteme und durch illegale Bergbauaktivitäten entsteht. Dies hat den Bedarf an Grundwasser als zuverlässigste Wasserversorgung erhöht. Unser Verständnis der Mechanismen der Grundwasserneubildung und der chemischen Entwicklung im Einzugsgebiet ist bislang unzureichend, was eine wirksame Bewirtschaftung erschwert. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit Einblicke in die Prozesse zu bekommen, welche die hydrogeochemische Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken bestimmen. Die kombinierte Verwendung von Daten stabiler Isotope, der Hydrochemie und von Wasserständen bildet die Grundlage für die Konzeption der chemischen Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken. Dafür wurden die Herkunft und die Verdunstungsraten des in die ungesättigte Zone infiltrierenden Wassers bewertet. Darüber hinaus wurden die Chlorid-Massenbilanz und die Wasserspiegelschwankungen betrachtet, um die Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet zu quantifizieren. Indizes wie der Wasserqualitätsindex (WQI), das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR), das Wilcox-Diagramm und der Salzgehalt (USSL) wurden in dieser Studie verwendet, um die Qualität der Ressource für die Verwendung als Trinkwasser und zu Bewässerungszwecken zu bestimmen. Aufgrund der Heterogenität der hydrochemischen Daten wurden die statistischen Verfahren der hierarchischen Cluster- und Faktorenanalyse angewandt, um die Daten entsprechend ihrer räumlichen Korrelation zu unterteilen. Ein konzeptionelles hydrogeochemisches Modell wurde entwickelt und anschließend durch Anwendung kombinatorischer inverser und reaktionspfadbasierter geochemischer Modelle validiert, um plausible mineralische Assemblagen zu bestimmen, welche die chemische Zusammensetzung des Grundwassers kontrollieren. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die Grundwasserqualität im Pra-Becken. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Grundwasser eine gute Qualität aufweist und als Trinkwasser und für Bewässerungszwecke genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass ein großes Grundwasserpotenzial vorhanden ist, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf des gesamten Pra-Beckens zu decken. Als Hauptneubildungsgebiet wurde die nördliche Zone im Gebiet identifiziert, während die südliche Zone das Abflussgebiet ist. Der vorherrschende Einfluss der Verwitterung von Silikatmineralen spielt bei der chemischen Entwicklung des Grundwassers eine zentrale Rolle. Die hier vorgestellte Arbeit gibt grundlegende Einblicke in die Hydrochemie des Pra-Beckens und liefert für das Wassermanagement wichtige Daten für eine fundierte Entscheidungsfindung bei der Planung und Zuweisung von Wasserressourcen für verschiedene Zwecke. Ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierungwurde in dieser Studie eingesetzt, um unterschiedliche Mineralzusammensetzungen zu ermitteln, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen. Diese Modellierungstechnik hat das Potenzial, die Zusammensetzung eines Grundwassers auf der Skala eines Beckens mit großer hydrochemischer Heterogenität zu simulieren, wobei die durchschnittliche Wasserzusammensetzung zur Darstellung der etablierten räumlichen Gruppierungen der Wasserchemie verwendet wird. KW - PHREEQC KW - PHREEQC KW - combinatorial inverse modelling KW - kombinatorische inverse Modellierung KW - reaction path modelling KW - Reaktionspfadmodellierung KW - groundwater evolution KW - Grundwasserentwicklung KW - water quality KW - Wasserqualität KW - rock-water interaction KW - Gestein-Wasser-Wechselwirkung KW - silicate weathering KW - Silikatverwitterung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628062 ER - TY - THES A1 - Müller, Daniel T1 - Identification and monitoring of structures, controls, and evolution dynamics of hydrothermal systems and associated alteration through high-resolution remote sensing and in situ analysis T1 - Identifizierung und Überwachung von Strukturen, Kontrollmechanismen und Entwicklungsdynamiken hydrothermaler Systeme und damit verbundener Alteration durch hochauflösende Fernerkundung und In-situ-Analyse N2 - Volcanic hydrothermal systems are an integral part of most volcanoes and typically involve a heat source, adequate fluid supply, and fracture or pore systems through which the fluids can circulate within the volcanic edifice. Associated with this are subtle but powerful processes that can significantly influence the evolution of volcanic activity or the stability of the near-surface volcanic system through mechanical weakening, permeability reduction, and sealing of the affected volcanic rock. These processes are well constrained for rock samples by laboratory analyses but are still difficult to extrapolate and evaluate at the scale of an entire volcano. Advances in unmanned aircraft systems (UAS), sensor technology, and photogrammetric processing routines now allow us to image volcanic surfaces at the centimeter scale and thus study volcanic hydrothermal systems in great detail. This thesis aims to explore the potential of UAS approaches for studying the structures, processes, and dynamics of volcanic hydrothermal systems but also to develop methodological approaches to uncover secondary information hidden in the data, capable of indicating spatiotemporal dynamics or potentially critical developments associated with hydrothermal alteration. To accomplish this, the thesis describes the investigation of two near-surface volcanic hydrothermal systems, the El Tatio geyser field in Chile and the fumarole field of La Fossa di Vulcano (Italy), both of which are among the best-studied sites of their kind. Through image analysis, statistical, and spatial analyses we have been able to provide the most detailed structural images of both study sites to date, with new insights into the driving forces of such systems but also revealing new potential controls, which are summarized in conceptual site-specific models. Furthermore, the thesis explores methodological remote sensing approaches to detect, classify and constrain hydrothermal alteration and surface degassing from UAS-derived data, evaluated them by mineralogical and chemical ground-truthing, and compares the alteration pattern with the present-day degassing activity. A significant contribution of the often neglected diffuse degassing activity to the total amount of degassing is revealed and constrains secondary processes and dynamics associated with hydrothermal alteration that lead to potentially critical developments like surface sealing. The results and methods used provide new approaches for alteration research, for the monitoring of degassing and alteration effects, and for thermal monitoring of fumarole fields, with the potential to be incorporated into volcano monitoring routines. N2 - Vulkanische Hydrothermalsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler Vulkane und erfordern allgemein eine ausreichende Wärmequelle, eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr und Kluft- oder Porensysteme, durch die Flüssigkeiten zirkulieren können. Damit verbunden sind subtile, aber wirksame Prozesse, welche die Entwicklung der vulkanischen Aktivität oder die Stabilität des oberflächennahen Vulkansystems durch mechanische Schwächung, Verringerung der Durchlässigkeit und Versiegelung des betroffenen vulkanischen Gesteins erheblich beeinflussen können. Solche Prozesse sind für Gesteinsproben durch Laboranalysen gut definiert, aber es ist immer noch schwierig sie auf der Skala eines ganzen Vulkans zu bewerten. Fortschritte bei unbemannten Flugsystemen (UAS), Sensortechnologie und photogrammetrischen Prozessierungs-routinen ermöglichen es uns heute, Vulkanoberflächen im Zentimeterbereich abzubilden und damit vulkanische Hydrothermalsysteme sehr detailliert zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, deren Potenzial für die Untersuchung der Strukturen, Prozesse und Dynamik solcher Systeme zu erforschen, aber auch methodische Ansätze zu finden, um in den Daten verborgene Sekundärinformationen zu analysieren, die auf raum-zeitliche Dynamiken oder potenziell kritische Entwicklungen im Zusammenhang mit hydrothermaler Alteration hinweisen können. Wir haben zwei oberflächennahe vulkanische hydrothermale Systeme analysiert, das Geysirfeld von El Tatio in Chile und das Fumarolenfeld von La Fossa di Vulcano in Italien, die beide zu den am besten untersuchten Systemen ihrer Art gehören. Durch Bildanalyse, statistische und räumliche Analysen konnten wir das bisher detaillierteste Abbild des strukturellen Aufbaus beider Standorte erstellen, neue Einblicke in die oft faszinierende Systematik solcher Systeme geben, aber auch neue potenzielle Kontrollfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse werden in konzeptionellen Modellen zusammengefasst. Darüber hinaus haben wir methodische Ansätze der Fernerkundung zur Erkennung, Klassifizierung und räumlichen Eingrenzung hydrothermaler Alteration aus UAS-Daten untersucht, durch mineralogisches und chemisches „Ground-Truthing“ bewertet und die Alterationsmuster mit der aktuellen Entgasungsaktivität verglichen. Wir zeigen dass die oft nicht berücksichtigte diffuse Aktivität einen signifikanten Beitrag zur Gesamtaktivität liefert, aber auch Bereiche in denen sekundäre Prozesse hydrothermaler Alteration scheinbar zu potenziell kritischen Entwicklungen wie Oberflächenversiegelung führen. Die Ergebnisse und die verwendeten Methoden bieten neue Ansätze für die Alterationsforschung, für die Überwachung von Entgasungs- und Alterationseffekten und für die thermische Überwachung von Fumarolenfeldern, und haben Potential in Vulkanüberwachungsroutinen integriert zu werden. KW - volcano remote sensing KW - Fernerkundung an Vulkanen KW - volcanic hydrothermal systems KW - vulkanische Entgasungs-und Hydrothermalsysteme KW - Vulkanüberwachung KW - hydrothermale Alteration KW - vulkanische Entgasungssysteme KW - Drohnen-Fernerkundung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626683 ER - TY - THES A1 - Windirsch-Woiwode, Torben T1 - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem T1 - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems N2 - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere. By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region. N2 - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern. Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können. KW - permafrost KW - carbon KW - climate change KW - grazing KW - Arctic KW - Arktis KW - Kohlenstoff KW - Klimawandel KW - Beweidung KW - Permafrost Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240 ER - TY - THES A1 - Schifferle, Lukas T1 - Optical properties of (Mg,Fe)O at high pressure T1 - Optische Eigenschaften von (Mg,Fe)O unter Hochdruck N2 - Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained. In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+. N2 - Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht. Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen. KW - optical properties KW - optische Eigenschaften KW - high pressure KW - Hochdruck KW - earth mantle KW - Erdmantel KW - diamond anvil cell KW - Diamantstempelzelle KW - ferropericlase KW - Ferroperiklas KW - spectroscopy KW - Spektroskopie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622166 ER - TY - THES A1 - Lauer-Dünkelberg, Gregor T1 - Extensional deformation and landscape evolution of the Central Andean Plateau T1 - Dehnungsdeformation und Landschaftsentwicklung des zentralen Andenplateaus N2 - Mountain ranges can fundamentally influence the physical and and chemical processes that shape Earths’ surface. With elevations of up to several kilometers they create climatic enclaves by interacting with atmospheric circulation and hydrologic systems, thus leading to a specific distribution of flora and fauna. As a result, the interiors of many Cenozoic mountain ranges are characterized by an arid climate, internally drained and sediment-filled basins, as well as unique ecosystems that are isolated from the adjacent humid, low-elevation regions along their flanks and forelands. These high-altitude interiors of orogens are often characterized by low relief and coalesced sedimentary basins, commonly referred to as plateaus, tectono-geomorphic entities that result from the complex interactions between mantle-driven geological and tectonic conditions and superposed atmospheric and hydrological processes. The efficiency of these processes and the fate of orogenic plateaus is therefore closely tied to the balance of constructive and destructive processes – tectonic uplift and erosion, respectively. In numerous geological studies it has been shown that mountain ranges are delicate systems that can be obliterated by an imbalance of these underlying forces. As such, Cenozoic mountain ranges might not persist on long geological timescales and will be destroyed by erosion or tectonic collapse. Advancing headward erosion of river systems that drain the flanks of the orogen may ultimately sever the internal drainage conditions and the maintenance of storage of sediments within the plateau, leading to destruction of plateau morphology and connectivity with the foreland. Orogenic collapse may be associated with the changeover from a compressional stress field with regional shortening and topographic growth, to a tensional stress field with regional extensional deformation and ensuing incision of the plateau. While the latter case is well-expressed by active extensional faults in the interior parts of the Tibetan Plateau and the Himalaya, for example, the former has been attributed to have breached the internally drained areas of the high-elevation sectors of the Iranian Plateau. In the case of the Andes of South America and their internally drained Altiplano-Puna Plateau, signs of both processes have been previously described. However, in the orogenic collapse scenario the nature of the extensional structures had been primarily investigated in the northern and southern terminations of the plateau; in some cases, the extensional faults were even regarded to be inactive. After a shallow earthquake in 2020 within the Eastern Cordillera of Argentina that was associated with extensional deformation, the state of active deformation and the character of the stress field in the central parts of the plateau received renewed interest to explain a series of extensional structures in the northernmost sectors of the plateau in north-western Argentina. This study addresses (1) the issue of tectonic orogenic collapse of the Andes and the destruction of plateau morphology by studying the fill and erosion history of the central eastern Andean Plateau using sedimentological and geochronological data and (2) the kinematics, timing and magnitude of extensional structures that form well-expressed fault scarps in sediments of the regional San Juan del Oro surface, which is an integral part of the Andean Plateau and adjacent morphotectonic provinces to the east. Importantly, sediment properties and depositional ages document that the San Juan del Oro Surface was not part of the internally-drained Andean Plateau, but rather associated with a foreland-directed drainage system, which was modified by the Andean orogeny and that became successively incorporated into the orogen by the eastward-migration of the Andean deformation front during late Miocene – Pliocene time. Structural and geomorphic observations within the plateau indicate that extensional processes must have been repeatedly active between the late Miocene and Holocene supporting the notion of plateau-wide extensional processes, potentially associated with Mw ~ 7 earthquakes. The close relationship between extensional joints and fault orientations underscores that 3 was oriented horizontally in NW-SE direction and 1 was vertical. This unambiguously documents that the observed deformation is related to gravitational forces that drive the orogenic collapse of the plateau. Applied geochronological analyses suggest that normal faulting in the northern Puna was active at about 3 Ma, based on paired cosmogenic nuclide dating of sediment fill units. Possibly due to regional normal faulting the drainage system within the plateau was modified, promoting fluvial incision. N2 - Gebirge beeinflussen grundlegend die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Oberfläche der Erde formen. Mit Höhen von bis zu mehreren Tausend Metern können sie als topografische Barrieren fungieren, die mit atmosphärischen Zirkulationen und hydrologischen Systemen wechselwirken, klimatische Enklaven schaffen und dadurch die Verbreitung von Flora und Fauna einschränken. Infolgedessen sind die inneren Teile vieler känozoischer Gebirge durch geschlossene Beckenstrukturen gekennzeichnet, die einzigartige, von den niedriger gelegenen Bereichen des Vorlands isolierte Ökosysteme beherbergen. Diese durch niedriges Relief geprägte orographische Sektoren werden als Plateaus bezeichnet - das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen geologischer, hydrologischer und atmosphärischer Prozesse. Das Fortbestehen solcher orogenen Plateaus ist daher an das Gleichgewicht zwischen den konstruktiven und destruktiven Prozessen, tektonischer Hebung und Erosion gebunden. Aus geologischen Studien geht hervor, dass Gebirgszüge fragile Systeme sind, die durch ein Ungleichgewicht dieser zugrunde liegenden Kräfte kollabieren können. Daher erscheint es unumgänglich, dass moderne Gebirge auf geologischen Zeitskalen nicht überdauern werden und voraussichtlich dem Zahn der Zeit zum Opfer fallen. Viele Studien haben sich bereits mit der Aufgabe befasst, den momentanen Zustand känozoischer Gebirge zu erforschen, um zu entschlüsseln, ob sie bereits in eine Einebnungsphase übergegangen sind. Eine solche Einebnung kann auf zwei oberflächliche Anzeichen zurückgeführt werden: i) die fortschreitende Erosion durch Flusssysteme und ii) das Vorhandensein von Extensionsstrukturen, die sich entgegen des kompressiven Spannungsfelds durch Gravitationskräfte formen. Solche Strukturen wurden bereits im Inneren des tibetischen Plateaus des zentralasiatischen Himalaya beschrieben, während eine plateauweite Einschneidung durch Flusssysteme die intern entwässerten Gebiete der hoch gelegenen Sektoren des iranischen Plateaus beobachtet wurde. Im Falle der südamerikanischen Anden und ihres intern entwässerten Altiplano-Puna-Plateaus wurden bereits Anzeichen beider Prozesse beschrieben. Im Szenario des orogenen Kollapses wurden Dehnungsstrukturen jedoch hauptsächlich an den nördlichen und südlichen Grenzen des Plateaus untersucht; in einigen Fällen wurden diese tektonischen Verwerfungen als inaktiv kategorisiert. Nach einem flachen Erdbeben im Jahr 2020 in der Ostkordillere Argentiniens, das mit solch einer Dehnungsstruktur in Verbindung gebracht wurde, weckte die Frage nach dem Zustand des aktiven Spannungsfeldes und der damit einhergehenden Deformation in den zentralen Teilen der Anden wieder neues Interesse. Die Analyse solcher Strukturen und die daraus resultierenden Erkenntnisse, würden helfen die quartäre Deformation in den hoch gelegenen Gebieten der Anden zu erklären. Diese Dissertation befasst sich daher mit (1) der Frage des tektonisch-orogenen Zusammenbruchs der Anden und der Einschneidung in die Plateaumorphologie, indem die Auffüllungs- und Erosionsgeschichte des zentralen östlichen Andenplateaus anhand von sedimentologischen und geochronologischen Daten untersucht wird, und (2) mit der Kinematik, dem zeitlichen Ablauf und dem Ausmaß von Dehnungsdeformation, die ausgeprägte Geländestufen in den sölig gelagerten Sedimenten der regionalen San Juan del Oro-Oberfläche formte, die wiederum ein integraler Bestandteil des Andenplateaus und der angrenzenden morphotektonischen Provinzen im Osten ist. Die Eigenschaften der beschriebenen Sedimente sowie deren Ablagerungsalter belegen, dass die San Juan del Oro-Oberfläche nicht Teil des intern entwässerten Andenplateaus ist, sondern vielmehr mit einem vorgelagerten Entwässerungssystem verbunden ist, das durch die Anden-Orogenese und die Ostwärtsbewegung der Deformationsfront im späten Miozän bis Pliozän sukzessive in das Orogen integriert wurde. Strukturelle und geomorphologische Beobachtungen innerhalb des Plateaus deuten darauf hin, dass eine tektonische Abschiebungen zwischen dem späten Miozän und dem Holozän wiederholt aktiv gewesen sein müssen, und möglicherweise mit Erdbeben der Stärke Mw ~ 7 in Verbindung standen. Die geometrische Beziehung zwischen Dehnungsklüften und dem Streichen der beobachteten Verwerfungen deutet darauf hin, dass die geringste Normalspannung (σ3) horizontal in NW-SE-Richtung und die maximale Normalspannung (σ1) vertikal orientiert war. Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür, dass die beobachtete Deformation mit Gravitationskräften zusammenhängt, die den orogenen Kollaps des Plateaus vorantreiben. Geochronologische Daten deuten darauf hin, dass die Abschiebungen in der nördlichen Puna vor ca. 3 Ma aktiv waren. Möglicherweise wurde dadurch auch das Entwässerungssystem innerhalb des Plateaus beeinflusst, was eine fluviale Einschneidung begünstigte und den Zerfall des Plateaus vorantreibt. KW - Andes KW - plateau KW - extension KW - tectonics KW - normal faulting KW - geodynamics KW - geology KW - Anden KW - Dehnungsdeformation KW - Geodynamik KW - Geologie KW - Verwerfungen KW - Hochplateau KW - Tektonik KW - surface exposure dating KW - uranium-lead-dating KW - Remote sensing KW - paleoseismology KW - Oberflächenexpositionsdatierung KW - Uran-Blei-Datierung KW - Fernerkundung KW - Paleoseismologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617593 ER - TY - THES A1 - Quiroga Carrasco, Rodrigo Adolfo T1 - Cenozoic style of deformation and spatiotemporal variations of the tectonic stress field in the southern central Andes T1 - Estudio del estilo de deformación y variación espacio T1 - Känozoischer Deformationsstil und raum-zeitliche Variationen des tektonischen Spannungsfeldes in den südlichen Zentralanden BT - temporal del campo de esfuerzos imperante durante el cenozoico a lo largo de la transecta Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero (26°30-27°30´s), Andes centrales del sur BT - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30´s) BT - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30's) N2 - The central Andean plateau is the second largest orogenic plateau in the world and has formed in a non-collisional orogenic system. It extends from southern Peru (15°S) to northern Argentina and Chile (27°30'S) and reaches an average elevation of 4,000 m.a.s.l. South of 24°S, the Andean plateau is called Puna and it is characterized by a system of endorheic basins with thick sequences where clastic and evaporitic strata are preserved. Between 26° and 27°30'S, the Puna terminates in a structurally complex zone which coincides with the transition from a normal subduction zone to a flat subduction ("flat slab") zone, which extends to 33°S. This transition zone also coincides with important morphostructural provinces that, from west to east, correspond to i) the Cordillera Frontal, where the Maricunga Belt is located; ii) the Famatina system; and iv) the north-western, thick-skinned Sierras Pampeanas. Various structural, sedimentological, thermochronological and geochronological studies in this region have documented a complex history of deformation and uplift during successive Cenozoic deformation events. These processes caused the increase of crustal thickness, as well as episodes of diachronic uplift, which attained its present configuration during the late Miocene. Subsequently, the plateau experienced a change in deformation style from contraction to extension and transtension documented by ubiquitous normal faults, earthquakes, and magmatic rocks. However, at the southern edge of the Puna plateau and in the transition to the other morphostructural provinces, the variation of deformation processes and the changes in the tectonic stress field are not fully understood. This location is thus ideally located to evaluate how the tectonic stress field may have evolved and how it may have been affected by the presence/absence of an orogenic plateau, as well as by the existence of inherited structural anisotropies within the different tectonic provinces. This thesis investigates the relationship between shallow crustal deformation and the spatiotemporal evolution of the tectonic stress field in the southern sector of the Andean plateau, during pre-, syn- and post-uplift periods of this plateau. To carry out this research, multiple methodological approaches were chosen that include (U-Pb) radiometric dating; the analysis of mesoscopic faults to obtain stress tensors and the orientation of the principal stress axes; the determination of magnetic susceptibility anisotropy in sedimentary and volcanoclastic rocks to identify shortening directions or directions of sedimentary transport; kinematic modeling to infer deep crustal structures and deformation; and finally, a morphometric analysis to identify geomorphological indicators associated with Quaternary tectonism. Combining the obtained results with data from published studies, this study reveals a complex history of the tectonic stress field that has been characterized by changes in orientation and by vertical permutations of the principal stress axes during each deformation regime over the last ~24 Ma. The evolution of the tectonic stress field can be linked with three orogenic phases at this latitude of the Andean orogen: (1) a first phase with an E-W-oriented compression documented between Eocene and middle Miocene, which coincided with Andean crustal thickening, lateral growth, and topographic uplift; (2) a second phase characterized by a compressive transpressional stress regime, starting at ~11 Ma and ~5 Ma on the western and eastern edge of the Puna plateau, respectively, and a compressive stress regime in the Famatina system and the Sierras Pampeanas, which is interpreted to reflect a transition between Neogene orogenic construction and the maximum accumulation of deformation and topographic uplift of the Puna plateau; and (3) a third phase, when the tectonic regime caused a changeover to a tensional stress state that followed crustal thickening and the maximum uplift of the plateau between ~5-4 Ma; this is especially well expressed in the Puna, in its western border area with the Maricunga-Valle Ancho Belt, and along its eastern border in the transition with the Sierras Pampeanas. The results of the study thus document that the plateau rim experienced a shift from a compressional to a transtensional regime, which differs from the tensional state of stress of the Andean Plateau in the northern sectors for the same period. Similar stress changes have been documented during the construction of the Tibetan plateau, where a predominantly compressional stress regime changed to a transtensional regime, but which was superseded by a purely tensional regime, between 14 and 4 Ma. N2 - El plateau Andino es el segundo plateau orogénico más grande del mundo y se ubica en los Andes Centrales, desarrollado en un sistema orogénico no colisional. Se extiende desde el sur del Perú (15°S), hasta el norte de Argentina y Chile (27°30´S). A partir de los 24°S y prologándose hacia el sur, el plateau Andino se denomina Puna y está caracterizado por un sistema de cuencas endorreicas y salares delimitados por cordones montañosos. Entre los 26° y 27°30´S, la Puna encuentra su límite austral en una zona de transición entre una zona de subducción normal y una zona de subducción plana o “flat slab” que se prolonga hasta los 33°S. Diversos estudios documentan la ocurrencia de un aumento del espesor cortical, y levantamiento episódico y diacrónico del relieve, alcanzando su configuración actual durante el Mioceno tardío. Posteriormente, el plateau habría experimentado un cambio en el estilo de deformación dominado por procesos extensionales evidenciado por fallas y terremotos de cinemática normal. Sin embargo, en el borde sur del plateau de la Puna y en las áreas delimitadas con el resto del orógeno, la variación del campo de esfuerzo no está del todo comprendida, reflejando una excelente oportunidad para evaluar cómo el campo de esfuerzo puede evolucionar durante el desarrollo del orógeno y cómo puede verse afectado por la presencia/ausencia de un plateau orogénico, así como también por la existencia de anisotropías estructurales propias de cada unidad morfotectónica. Esta Tesis investiga la relación entre la deformación cortical somera y la evolución en tiempo y espacio del campo de esfuerzos en el sector sur del plateau Andino, durante el cenozoico tardío. Para realizar esta investigación, se utilizaron técnicas de obtención de edades radiométricas con el método Uranio-Plomo (U-Pb), análisis de fallas mesoscópicas para la obtención de tensores de esfuerzos y delimitación de la orientación de los ejes principales de esfuerzos, análisis de anisotropía de susceptibilidad magnética en rocas sedimentarias y volcanoclásticas para estimar direcciones de acortamiento o direcciones de transporte sedimentario, técnicas de modelado cinemático para llegar a una aproximación de las estructuras corticales profundas asociadas a la deformación allí registrada, y un análisis morfométrico para la identificación de indicadores geomorfológicos asociados a deformación producto de la actividad tectónica cuaternaria. Combinando estos resultados con los antecedentes previamente documentados, el estudio revela una compleja variación del campo de esfuerzo caracterizado por cambios en la orientación y permutaciones verticales de los ejes principales de esfuerzos, durante cada régimen de deformación, durante los últimos ~24 Ma. La evolución del campo de esfuerzos puede ser asociada temporalmente a tres fases orogénicas involucradas con la evolución de los Andes Centrales en esta latitud: (1) una primera fase con un régimen de esfuerzos compresivos de acortamiento E-O documentado desde el Eoceno, Oligoceno tardío hasta el Mioceno medio en el área, coincide con la fase de construcción andina, engrosamiento y crecimiento de la corteza y levantamiento topográfico; (2) una segunda fase caracterizada por un régimen de esfuerzos de transcurrencia, a partir de los ~11 Ma en el borde occidental y compresión y transcurrencia a los~5 Ma en el borde oriental del plateau de la Puna, y un régimen de esfuerzo compresivos en Famatina y las Sierras Pampeanas interpretado como una transición entre la construcción orogénica del Neógeno y la máxima acumulación de deformación y el alzamiento topográfico del plateau de la Puna, y (3) una tercera fase donde el régimen se caracteriza por la transcurrencia en la Puna y en su borde occidental y en su borde oriental con las Sierras Pampeanas, después de ~5-4 Ma, interpretado como un régimen de esfuerzos controlados por el engrosamiento cortical desarrollado a lo largo del borde sur del plateau Altiplano/Puna, previo a un colapso orogénico. Los resultados dejan en evidencia que el borde del plateau experimentó el paso desde un régimen compresivo hacia uno transcurrente, que se diferencia de la extensión documentada hacia el norte en el plateau Andino para el mismo período. Cambios en los esfuerzos similares han sido documentado durante la construcción del plateau Tibetano, en donde un régimen de esfuerzo predominantemente compresivo cambió a un régimen de transcurrente cuando el plateau habría alcanzado la mitad de su elevación actual, y que posteriormente derivó en un régimen extensional, entre 14 y 4 Ma, cuando la altitud del plateau fue superior al 80% respecto a su actitud actual, lo que podría estar indicando que los regímenes transcurrentes representan etapas transicionales entre las zonas externas del plateau bajo compresión y las zonas internas, en las que los regímenes extensionales son más viables de ocurrir. N2 - Die südlichen Zentralen Anden beherbergen das zweitgrößte orogene Plateau der Welt (Altiplano-Puna); im Gegensatz zu Tibet hat sich dieses Plateau in einem nicht-kollisionalen Gebirgsbildungssystem gebildet. Es erstreckt sich vom Süden Perus (15°S) bis zum Norden Argentiniens und Chiles (27°30'S) und erreicht eine durchschnittliche Höhe von 4.000 m.ü.d.M. Südlich von 24°S wird das Andenplateau Puna genannt und ist durch ein System von endorheischen Becken mit mächtigen sedimentären Abfolgen gekennzeichnet, in denen klastische und evaporitische Schichten erhalten sind. Zwischen 26° und 27°30'S endet die Puna in einer strukturell komplexen Zone, die mit dem Übergang von einer normalen Subduktionszone zu einer flachen Subduktionszone ("flat slab") zusammenfällt, die sich bis 33°S erstreckt. Diese Übergangszone fällt auch mit wichtigen morphostrukturellen Provinzen zusammen, die von Westen nach Osten i) der Cordillera Frontal, wo sich der Maricunga-Gürtel befindet, ii) dem Famatina-System und iv) den nordwestlichen Sierras Pampeanas entsprechen. Verschiedene strukturelle, sedimentologische, thermochronologische und geochronologische Studien in dieser Region haben eine komplexe Geschichte der Deformation und Hebung während aufeinanderfolgender känozoischer Deformationsereignisse dokumentiert. Diese Prozesse führten zu einer Zunahme der Krustendicke sowie Episoden diachroner Hebung, die im späten Miozän zur heutigen Form des Orogens führten. In der Folgezeit änderte sich der Deformationsstil des Plateaus von Kontraktion zu Extension und Transtension, was durch die allgegenwärtigen Abschiebungen, Erdbeben und magmatischen Gesteine dokumentiert wird. Am südlichen Rand des Puna-Plateaus und im Übergang zu den anderen morphostrukturellen Provinzen sind die Variation der Deformationsprozesse und die Veränderungen im tektonischen Spannungsfeld jedoch noch nicht vollständig verstanden. Diese Region des Orogens ist daher ideal, um zu untersuchen, wie sich das tektonische Spannungsfeld entwickelt hat und wie es durch das Vorhandensein bzw. das Fehlen eines orogenen Plateaus sowie durch strukturelle Anisotropien innerhalb der verschiedenen tektonischen Provinzen beeinflusst wurde. In dieser Arbeit wird die Beziehung zwischen der bruchhaften Krustendeformation und der räumlich-zeitlichen Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes im südlichen Sektor des Puna-Plateaus während der Prä-, Syn- und Post-Hebungs-Perioden untersucht. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden mehrere methodische Ansätze gewählt, darunter radiometrische Datierungen (U-Pb), die Analyse mesoskopischer Verwerfungen zur Ermittlung von Spannungstensoren und der Ausrichtung der Hauptspannungsachsen, die Bestimmung der Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität in sedimentären und vulkanoklastischen Gesteinen zur Identifizierung von Verkürzungsrichtungen oder Richtungen des Sedimenttransports, kinematische Modellierung zur Ableitung tiefer Krustenstrukturen und Deformation sowie schließlich eine morphometrische Analyse zur Identifizierung geomorphologischer Indikatoren im Zusammenhang mit der quartären Tektonik. Durch die Kombination der erzielten Ergebnisse mit Daten aus bereits veröffentlichten Studien dokumentiert diese Untersuchung eine komplexe Geschichte des tektonischen Spannungsfeldes, die durch Veränderungen in der Ausrichtung und durch vertikale Permutationen der Hauptspannungsachsen während jedes Deformationsregimes in den letzten 24 Millionen Jahren gekennzeichnet war. Die Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes in dieser Region kann mit drei orogenen Phasen des Anden-Orogens in Verbindung gebracht werden: (1) eine erste Phase mit einer E-W-orientierten Kompression, die zwischen dem Eozän und dem mittleren Miozän dokumentiert ist und mit einer Verdickung der Kruste des Orogens, einem lateralen Wachstum sowie einer topografischen Hebung einherging; (2) eine zweite Phase, die durch ein kompressives, transpressives Spannungsregime gekennzeichnet ist, das bei ~11 Ma bzw. ~5 Ma am westlichen bzw. östlichen Rand der Puna-Hochebene manifestiert ist, sowie durch ein kompressives Spannungsregime im benachbarten Famatina-System und in den Sierras Pampeanas, das als Übergang zwischen der neogenen Krustenverdickung und der maximalen Akkumulation von Deformation und topographischer Hebung der Puna-Hochebene interpretiert wird; und (3) eine dritte Phase, in der das tektonische Regime zu einem Spannungszustand überging, der auf eine Krustenverdickung und die maximale Hebung des Plateaus zwischen ~5-4 Ma folgte; dieses Stadium ist besonders gut in der Puna, in ihrem westlichen Grenzgebiet zum Maricunga-Valle Ancho-Gürtel und entlang ihrer östlichen Grenze im Übergang zu den Sierras Pampeanas zu erkennen und zeigt weiträumige Krustenextension. Die Ergebnisse der Studie belegen somit, dass der Plateaurand einen Wechsel von einem Kompressions- zu einem Transtensionsregime erlebte, das sich von dem Spannungszustand des Andenplateaus in den nördlichen Sektoren für denselben Zeitraum unterscheidet. Ähnliche Spannungsänderungen wurden während des Aufbaus des tibetischen Plateaus dokumentiert, wo ein vorwiegend kompressiver Spannungszustand in einen transtensionalen Zustand überging, der jedoch zwischen 14 und 4 Ma von einem rein tensionalen Spannungszustand abgelöst wurde. KW - Central Andes KW - Puna plateau KW - late cenozoic stress field KW - Andes Centrales KW - Puna plateau KW - campo de esfuerzo del Cenozoico tardío KW - Zentralanden KW - Andenplateau Puna KW - Spannungsfeld des späten Känozoikums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610387 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - Finite fault earthquake source inversions T1 - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion BT - implementation and testing of a novel physics-based rupture model BT - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels N2 - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing. As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface. The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended. I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks. The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods. N2 - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche. Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht. Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich? Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben. Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen. KW - seismology KW - inversion KW - source model KW - Seismologie KW - Inversion KW - Bruchmodel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745 ER - TY - THES A1 - Kooten, Willemijn Sarah Maria Theresia van T1 - Structural inheritance of the Salta Rift basin and its control on exhumation patterns of the Eastern Cordillera between 23 and 24°S T1 - Strukturelle Vererbung des Salta Riftbeckens und deren Einfluss auf die Heraushebungsmuster der Östlichen Kordillere zwischen 23 und 24°S N2 - The deformation style of mountain belts is greatly influenced by the upper plate architecture created during preceding deformation phases. The Mesozoic Salta Rift extensional phase has created a dominant structural and lithological framework that controls Cenozoic deformation and exhumation patterns in the Central Andes. Studying the nature of these pre-existing anisotropies is a key to understanding the spatiotemporal distribution of exhumation and its controlling factors. The Eastern Cordillera in particular, has a structural grain that is in part controlled by Salta Rift structures and their orientation relative to Andean shortening. As a result, there are areas in which Andean deformation prevails and areas where the influence of the Salta Rift is the main control on deformation patterns. Between 23 and 24°S, lithological and structural heterogeneities imposed by the Lomas de Olmedo sub-basin (Salta Rift basin) affect the development of the Eastern Cordillera fold-and-thrust belt. The inverted northern margin of the sub-basin now forms the southern boundary of the intermontane Cianzo basin. The former western margin of the sub-basin is located at the confluence of the Subandean Zone, the Santa Barbara System and the Eastern Cordillera. Here, the Salta Rift basin architecture is responsible for the distribution of these morphotectonic provinces. In this study we use a multi-method approach consisting of low-temperature (U-Th-Sm)/He and apatite fission track thermochronology, detrital geochronology, structural and sedimentological analyses to investigate the Mesozoic structural inheritance of the Lomas de Olmedo sub-basin and Cenozoic exhumation patterns. Characterization of the extension-related Tacurú Group as an intermediate succession between Paleozoic basement and the syn-rift infill of the Lomas de Olmedo sub-basin reveals a Jurassic maximum depositional age. Zircon (U-Th-Sm)/He cooling ages record a pre-Cretaceous onset of exhumation for the rift shoulders in the northern part of the sub-basin, whereas the western shoulder shows a more recent onset (140–115 Ma). Variations in the sedimentary thickness of syn- and post-rift strata document the evolution of accommodation space in the sub-basin. While the thickness of syn-rift strata increases rapidly toward the northern basin margin, the post-rift strata thickness decreases toward the margin and forms a condensed section on the rift shoulder. Inversion of Salta Rift structures commenced between the late Oligocene and Miocene (24–15 Ma) in the ranges surrounding the Cianzo basin. The eastern and western limbs of the Cianzo syncline, located in the hanging wall of the basin-bounding Hornocal fault, show diachronous exhumation. At the same time, western fault blocks of Tilcara Range, south of the Cianzo basin, began exhuming in the late Oligocene to early Miocene (26–16 Ma). Eastward propagation to the frontal thrust and to the Paleozoic strata east of the Tilcara Range occurred in the middle Miocene (22–10 Ma) and the late Miocene–early Pliocene (10–4 Ma), respectively. N2 - Der Deformationsstil von Gebirgsgürteln wird stark von der Architektur der oberen Platte beeinflusst, die während vorheriger Verformungsphasen entstanden ist. Die mesozoische Salta Rift Extensionsphase hat einen strukturellen und lithologischen Rahmen geschaffen, der die känozoischen Heraushebungsmuster in den Zentralanden kontrolliert. Die Charakterisierung dieser Anisotropien ist daher entscheidend, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Heraushebung und ihrer kontrollierenden Faktoren zu verstehen. Insbesondere die Östliche Kordillere weist einen strukturellen Rahmen auf, der teilweise von Salta Rift-Strukturen und ihrer Orientierung in Bezug auf die Verkürzung im Zuge der Gebirgsbildung der Anden kontrolliert wird. Dadurch wurden Gebiete geschaffen, in denen die jüngere Anden-Deformation überwiegt, und Gebiete, in denen der Einfluss des Salta Rifts die Deformationsmuster prägt. Zwischen 23 und 24°S beeinflussen lithologische und strukturelle Heterogenitäten des Lomas de Olmedo Beckens (Teil des Salta Rift Beckens) die Entwicklung des Faltengürtels der Östlichen Kordillere. Der invertierte nördliche Rand des Beckens bildet dabei die südliche Grenze des Cianzo Beckens, welches während der andinen Orogenese angelegt wurde. Der ehemalige westliche Rand des Lomas de Olmedo Beckens befindet sich am Übergang der Subandinen Zone, des Santa Barbara Systems und der Östlichen Kordillere. Hier ist die Architektur des Salta Rift-Beckens für die räumliche Verteilung dieser morphotektonischen Provinzen verantwortlich. In dieser Studie verwenden wir einen multi-methodischen Ansatz, bestehend aus Niedertemperatur (U-Th-Sm)/He und Apatit Spaltspur Thermochronologie, detritische Geochronologie sowie strukturelle und sedimentologische Analyse, um das mesozoische strukturelle Erbe des Lomas de Olmedo Beckens und die känozoischen Heraushebungsmuster zu untersuchen. Die mit Extension verbundene Tacurú-Gruppe bildet eine Einheit, die dem paläozoischen Grundgebirge und der syn-rift Auffüllung des Lomas de Olmedo Beckens zwischengeschaltet ist. Sie hat ein Jurassisches maximales Ablagerungsalter. Zirkon (U-Th-Sm)/He Abkühlungsalter zeigen einen präkretazischen Beginn der Heraushebung für die Riftschulter im nördlichen Teil des Beckens, während die westliche Schulter einen jüngeren Beginn aufweist (140–115 Ma). Variationen in der stratigraphischen Mächtigkeit von Syn- und Postrift-Gesteinen dokumentieren die Entwicklung des Akommodationsraums. Während die Mächtigkeit der Synrift-Gesteine zum nördlichen Beckenrand hin zunimmt, schwindet die Mächtigkeit der Postrift-Gesteine in Richtung des Beckenrandes und bildet dort eine kondensierte Abfolge. Die Inversion der Salta Rift Strukturen begann im Cianzo Becken zwischen dem späten Oligozän und Miozän (24–15 Ma) mit einer diachronen Heraushebung des östlichen und westlichen Schenkels der Cianzo Synklinale, welche sich im Hangenden der Hornocal Störung befindet. Gleichzeitig begann im Tilcara Gebirge, südlich des Cianzo Beckens, im späten Oligozän bis frühen Miozän (26–16 Ma) die Heraushebung westlicher Störungsblöcke. Die ostwärtige Ausbreitung zur frontalen Überschiebung erfolgte im mittleren Miozän (22–10 Ma) und zum San Lucas Block im späten Miozän bis frühen Pliozän (10–4 Ma). KW - Argentina KW - Argentinien KW - thermochronology KW - Thermochronologie KW - exhumation KW - structural inheritance KW - thermal modeling KW - Eastern Cordillera KW - östliche Kordillere KW - Modellierung KW - Salta Rift KW - Salta Rift Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617983 ER - TY - THES A1 - Mantiloni, Lorenzo T1 - Modeling stress and dike pathways in calerdas T1 - Modellierung von Spannung und Magmagängen in Calderen BT - towards a physics-based forecast of eruptive vent locations BT - Entwicklung physikbasierter Vorhersagen von Eruptionsschlot-Lokationen N2 - Volcanic hazard assessment relies on physics-based models of hazards, such as lava flows and pyroclastic density currents, whose outcomes are very sensitive to the location where future eruptions will occur. On the contrary, forecast of vent opening locations in volcanic areas typically relies on purely data-driven approaches, where the spatial density of past eruptive vents informs the probability maps of future vent opening. Such techniques may be suboptimal in volcanic systems with missing or scarce data, and where the controls on magma pathways may change over time. An alternative approach was recently proposed, relying on a model of stress-driven pathways of magmatic dikes. In that approach, the crustal stress was optimized so that dike trajectories linked consistently the location of the magma chamber to that of past vents. The retrieved information on the stress state was then used to forecast future dike trajectories. The validation of such an approach requires extensive application to nature. Before doing so, however, several important limitations need to be removed, most importantly the two-dimensional (2D) character of the models and theoretical concepts. In this thesis, I develop methods and tools so that a physics-based strategy of stress inversion and eruptive vent forecast in volcanoes can be applied to three dimensional (3D) problems. In the first part, I test the stress inversion and vent forecast strategy on analog models, still within a 2D framework, but improving on the efficiency of the stress optimization. In the second part, I discuss how to correctly account for gravitational loading/unloading due to complex 3D topography with a Boundary-Element numerical model. Then, I develop a new, simplified but fast model of dike pathways in 3D, designed for running large numbers of simulations at minimal computational cost, and able to backtrack dike trajectories from vents on the surface. Finally, I combine the stress and dike models to simulate dike pathways in synthetic calderas. In the third part, I describe a framework of stress inversion and vent forecast strategy in 3D for calderas. The stress inversion relies on, first, describing the magma storage below a caldera in terms of a probability density function. Next, dike trajectories are backtracked from the known locations of past vents down through the crust, and the optimization algorithm seeks for the stress models which lead trajectories through the regions of highest probability. I apply the new strategy to the synthetic scenarios presented in the second part, and I exploit the results from the stress inversions to produce probability maps of future vent locations for some of those scenarios. In the fourth part, I present the inversion of different deformation source models applied to the ongoing ground deformation observed across the Rhenish Massif in Central Europe. The region includes the Eifel Volcanic Fields in Germany, a potential application case for the vent forecast strategy. The results show how the observed deformation may be due to melt accumulation in sub-horizontal structures in the lower crust or upper mantle. The thesis concludes with a discussion of the stress inversion and vent forecast strategy, its limitations and applicability to real volcanoes. Potential developments of the modeling tools and concepts presented here are also discussed, as well as possible applications to other geophysical problems. N2 - Die Analyse vulkanischer Gefahren basiert auf physikalischen Gefahrenmodellen wie Lavaströmen und pyroklastischen Dichteströmen, deren Ergebnisse von den Lokationen der Eruptionen abhängt. Die Vorhersage der Lokationen von Spaltenöffungen (eruptive vent opening) in Vulkangebieten basiert typischerweise auf rein datengesteuerten Ansätzen, bei denen die räumliche Verteilung vergangener Eruptionsspalten die Wahrscheinlichkeitskarten zukünftiger Spaltöffnungen beeinflusst. Solche Techniken sind in Vulkansystemen mit fehlenden oder knappen Daten suboptimal, ebenso wie dort, wo sich physikalische Bedingungen der Magmapfade im Laufe der Zeit verändern können. Kürzlich wurde ein alternativer Ansatz vorgeschlagen, der auf einem Modell spannungsbedingter Magmagänge basiert. Bei diesem Ansatz wurde die Krustenspannung so optimiert, dass die Verläufe der Magmagänge- sowohl mit der Lage der Magmakammer als auch mit der Lage früherer Spaltenöffnungen konsistent sind Die erlangten Informationen über den Spannungszustand werden dann zur Vorhersage zukünftiger Magmagänge verwendet. Die Validierung eines solchen Ansatzes erfordert eine umfassende Anwendung auf natürliche Vulkansysteme. Zuvor müssen jedoch einige wichtige Einschränkungen beseitigt werden, insbesondere der zweidimensionale (2D) Charakter der Modelle und theoretischen Konzepte. In dieser Arbeit entwickle ich Methoden und Software, um physikbasierte Strategien der Spannungsinversion und der Vorhersage von Lokationen von Magmagängen in Vulkanen auf dreidimensionale (3D) Probleme anwenden zu können. Im ersten Teil teste ich die Spannungsinversion und die Vorhersage von eruptiven Magmagängen an analogen Modellen, immer noch innerhalb eines 2D-Rahmens, aber mit verbesserter Effizienz der Spannungsoptimierung. Im zweiten Teil diskutiere ich, wie die gravitative Belastung/Entlastung aufgrund einer komplexen 3D-Topographie mit einem numerischen Grenzelementmodell berücksichtigt werden kann. Anschließend entwickle ich ein neues, vereinfachtes, aber effizientes Modell der Magmagang-Ausbreitung in 3D Dieses ist für die Durchführung einer großen Anzahl von Simulationen mit minimalem Rechenaufwand konzipiert und dabei in der Lage, Magmagang-Ausbreitungen an der Oberfläche zurückzuverfolgen. Schließlich kombiniere ich die Spannungs- und Magma-Ausbreitungsmodelle, um Magmagänge in synthetischen Calderas zu simulieren. Im dritten Teil erarbeite ich ein Rahmenmodell für Spannungsinversion und dreidimensionale Magmagang-Vorhersagen für Calderas. Die Spannungsinversion beruht auf der Annahme einer Magmaspeicherung unterhalb einer Caldera, deren Geometrie durch eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beschrieben wird. Vergangene Eruptionsstandorte werden durch die Erdkruste zurück propagiert, dabei werden die Spannungsmodelle so optimiert, dass die Endpunkte der Optimierung (Starpunkte der Magmagänge) mit der angenommenen Magmakammer übereinstimmen. Ich verwende die synthetischen Szenarien aus dem zweiten Teil, um die Spannungsinversion in kontrollieren Szenarien zu testen. Im vierten Teil analysieren wir die Bodenverformung im Rheinischen Massiv, Mitteleuropa. Die Region umfasst die Eifel-Vulkanfelder in Deutschland, die einen potenziellen Anwendungsfall für die Strategie zur Vorhersage von Spalteneruptionen darsetellen. Dabei nutze ich in den Inversionen unterschiedliche Deformations-Quellmodelle, um jährliche Magmavolumenänderungen aufzulösen, unter der Annahme, das Magma in die Lithosphäre injiziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die beobachtete Verformung auf die Ansammlung von Schmelze in subhorizontalen Strukturen in der unteren Kruste oder im oberen Mantel zurückzuführen sein könnte. Abschließend diskutiere ich die Limitationen der erarbeiteten Konzepte und die Möglichkeiten für Anwendungen sowohl in verschiedenen Hochrisko-Vulkanen, als auch in anderen Kontexten, wie besispielsweise in tektonischen und geothermischen Modellierungen. KW - dike pathways KW - stress modeling KW - volcanic hazard assessment KW - Calderas KW - Magmagänge KW - Stressmodellierung KW - Risikobewertung von Vulkanausbrüchen KW - Calderas Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612621 ER - TY - THES A1 - Stoltnow, Malte T1 - Magmatic-hydrothermal processes along the porphyry to epithermal transition T1 - Magmatisch-hydrothermale Prozesse entlang des porphyrisch-epithermalen Übergangs N2 - Magmatic-hydrothermal systems form a variety of ore deposits at different proximities to upper-crustal hydrous magma chambers, ranging from greisenization in the roof zone of the intrusion, porphyry mineralization at intermediate depths to epithermal vein deposits near the surface. The physical transport processes and chemical precipitation mechanisms vary between deposit types and are often still debated. The majority of magmatic-hydrothermal ore deposits are located along the Pacific Ring of Fire, whose eastern part is characterized by the Mesozoic to Cenozoic orogenic belts of the western North and South Americas, namely the American Cordillera. Major magmatic-hydrothermal ore deposits along the American Cordillera include (i) porphyry Cu(-Mo-Au) deposits (along the western cordilleras of Mexico, the western U.S., Canada, Chile, Peru, and Argentina); (ii) Climax- (and sub−) type Mo deposits (Colorado Mineral Belt and northern New Mexico); and (iii) porphyry and IS-type epithermal Sn(-W-Ag) deposits of the Central Andean Tin Belt (Bolivia, Peru and northern Argentina). The individual studies presented in this thesis primarily focus on the formation of different styles of mineralization located at different proximities to the intrusion in magmatic-hydrothermal systems along the American Cordillera. This includes (i) two individual geochemical studies on the Sweet Home Mine in the Colorado Mineral Belt (potential endmember of peripheral Climax-type mineralization); (ii) one numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment; and (iii) a numerical modeling study on the Central Andean Tin Belt-type Pirquitas Mine in NW Argentina. Microthermometric data of fluid inclusions trapped in greisen quartz and fluorite from the Sweet Home Mine (Detroit City Portal) suggest that the early-stage mineralization precipitated from low- to medium-salinity (1.5-11.5 wt.% equiv. NaCl), CO2-bearing fluids at temperatures between 360 and 415°C and at depths of at least 3.5 km. Stable isotope and noble gas isotope data indicate that greisen formation and base metal mineralization at the Sweet Home Mine was related to fluids of different origins. Early magmatic fluids were the principal source for mantle-derived volatiles (CO2, H2S/SO2, noble gases), which subsequently mixed with significant amounts of heated meteoric water. Mixing of magmatic fluids with meteoric water is constrained by δ2Hw-δ18Ow relationships of fluid inclusions. The deep hydrothermal mineralization at the Sweet Home Mine shows features similar to deep hydrothermal vein mineralization at Climax-type Mo deposits or on their periphery. This suggests that fluid migration and the deposition of ore and gangue minerals in the Sweet Home Mine was triggered by a deep-seated magmatic intrusion. The second study on the Sweet Home Mine presents Re-Os molybdenite ages of 65.86±0.30 Ma from a Mo-mineralized major normal fault, namely the Contact Structure, and multimineral Rb-Sr isochron ages of 26.26±0.38 Ma and 25.3±3.0 Ma from gangue minerals in greisen assemblages. The age data imply that mineralization at the Sweet Home Mine formed in two separate events: Late Cretaceous (Laramide-related) and Oligocene (Rio Grande Rift-related). Thus, the age of Mo mineralization at the Sweet Home Mine clearly predates that of the Oligocene Climax-type deposits elsewhere in the Colorado Mineral Belt. The Re-Os and Rb-Sr ages also constrain the age of the latest deformation along the Contact Structure to between 62.77±0.50 Ma and 26.26±0.38 Ma, which was employed and/or crosscut by Late Cretaceous and Oligocene fluids. Along the Contact Structure Late Cretaceous molybdenite is spatially associated with Oligocene minerals in the same vein system, a feature that precludes molybdenite recrystallization or reprecipitation by Oligocene ore fluids. Ore precipitation in porphyry copper systems is generally characterized by metal zoning (Cu-Mo to Zn-Pb-Ag), which is suggested to be variably related to solubility decreases during fluid cooling, fluid-rock interactions, partitioning during fluid phase separation and mixing with external fluids. The numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment presents new advances of a numerical process model by considering published constraints on the temperature- and salinity-dependent solubility of Cu, Pb and Zn in the ore fluid. This study investigates the roles of vapor-brine separation, halite saturation, initial metal contents, fluid mixing, and remobilization as first-order controls of the physical hydrology on ore formation. The results show that the magmatic vapor and brine phases ascend with different residence times but as miscible fluid mixtures, with salinity increases generating metal-undersaturated bulk fluids. The release rates of magmatic fluids affect the location of the thermohaline fronts, leading to contrasting mechanisms for ore precipitation: higher rates result in halite saturation without significant metal zoning, lower rates produce zoned ore shells due to mixing with meteoric water. Varying metal contents can affect the order of the final metal precipitation sequence. Redissolution of precipitated metals results in zoned ore shell patterns in more peripheral locations and also decouples halite saturation from ore precipitation. The epithermal Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn mine in NW Argentina is hosted in a domain of metamorphosed sediments without geological evidence for volcanic activity within a distance of about 10 km from the deposit. However, recent geochemical studies of ore-stage fluid inclusions indicate a significant contribution of magmatic volatiles. This study tested different formation models by applying an existing numerical process model for porphyry-epithermal systems with a magmatic intrusion located either at a distance of about 10 km underneath the nearest active volcano or hidden underneath the deposit. The results show that the migration of the ore fluid over a 10-km distance results in metal precipitation by cooling before the deposit site is reached. In contrast, simulations with a hidden magmatic intrusion beneath the Pirquitas deposit are in line with field observations, which include mineralized hydrothermal breccias in the deposit area. N2 - Magmatisch-hydrothermale Systeme bilden eine Vielzahl von Erzlagerstätten in unterschiedlicher Entfernung zu wasserhaltigen Magmakammern in der oberen Erdkruste, von der Greisenbildung in der Dachzone der Intrusion über die Porphyrmineralisierung in mittleren Tiefen bis hin zu epithermalen Ganglagerstätten nahe der Erdoberfläche. Die physikalischen Transportprozesse und chemischen Ausfällungsmechanismen variieren zwischen den verschiedenen Lagerstättentypen und werden immer noch häufig diskutiert. Die meisten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten befinden sich entlang des Pazifischen Feuerrings, dessen östlicher Teil durch die mesozoischen bis känozoischen orogenen Gürtel des westlichen Nord- und Südamerikas, zusammen die Amerikanische Kordillere, vertreten ist. Zu den wichtigsten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten entlang der Amerikanischen Kordillere gehören (i) Cu(-Mo-Au)-Porphyrlagerstätten (entlang der westlichen Kordilleren Mexikos, der westlichen USA, Kanadas, Chiles, Perus und Argentiniens); (ii) Mo-Lagerstätten vom Climax- (und Sub-)Typ (Colorado Mineral Belt und nördliches New Mexico); und (iii) porphyrische und epithermale Sn(-W-Ag)-Lagerstätten vom IS-Typ des Zentralandinen-Zinngürtels (Bolivien, Peru und Nordargentinien). Die einzelnen Studien dieser Arbeit konzentrieren sich in erster Linie auf die Bildung verschiedener Vererzungsstypen, die sich in unterschiedlicher Entfernung zur Intrusion in magmatisch-hydrothermalen Systemen entlang der amerikanischen Kordillere befinden. Dazu gehören (i) zwei geochemische Einzelstudien über die Sweet Home-Mine im Colorado Mineral Belt (potenzielles Endglied der peripheren Mineralisierung des Climax-Typs); (ii) eine numerische Modellierungsstudie in einem generischen Cu-Porphyr-Setup; und (iii) eine numerische Modellierungsstudie über die Pirquitas-Mine des Zentralandinen-Zinn-Typs in Nordwest-Argentinien. Mikrothermometrische Daten von Fluideinschlüssen, die in Greisenquarz und -fluorit aus der Sweet Home-Mine (Detroit City Portal) eingeschlossen sind, deuten darauf hin, dass die Mineralisierung im Frühstadium aus CO2-haltigen Fluiden mit niedrigem bis mittlerem Salzgehalt (1,5-11,5 Gew.-% NaCl-Äquivalent) bei Temperaturen zwischen 360 und 415 °C und in einer Tiefe von mindestens 3,5 km ausgefällt wurde. Daten zu stabilen Isotopen und Edelgasisotopen zeigen, dass die Greisenbildung und die Buntmetallvererzung in der Sweet Home-Mine mit Fluiden unterschiedlichen Ursprungs in Verbindung stehen. Frühe magmatische Fluide waren die Hauptquelle für aus dem Mantel stammende Volatile (CO2, H2S/SO2, Edelgase), die sich anschließend mit erheblichen Mengen erhitzten meteorischen Wassers vermischten. Die Vermischung von magmatischen Fluiden mit meteorischem Wasser wird durch die Zusammenhänge von δ2Hw-δ18Ow der Fluideinschlüsse belegt. Die tiefe hydrothermale Vererzung in der Sweet Home-Mine weist ähnliche Merkmale auf wie die tiefe hydrothermale Gangvererzung in Mo-Lagerstätten vom Climax-Typ oder in deren Peripherie. Dies deutet darauf hin, dass die Fluidmigration und die Ausfällung von Erz und Gangmineralen in der Sweet Home-Mine durch eine tief sitzende magmatische Intrusion angeregt wurde. Die zweite Studie über die Sweet Home Mine präsentiert ein Re-Os-Molybdänit-Alter von 65,86±0,30 Ma aus einer Mo-vererzten Abschiebung, namentlich der Contact Structure, und ein multimineralisches Rb-Sr-Isochronen-Alter von 26,26±0,38 Ma und 25,3±3,0 Ma von Gangmineralen in Greisenvergesellschaftungen. Die Altersdaten deuten darauf hin, dass die Vererzungen in der Sweet Home Mine während zweier separater Ereignisse entstand: In der späten Kreidezeit (im Zusammenhang mit der Laramidischen Orogenese) und im Oligozän (im Zusammenhang mit dem Rio Grande Rift). Das Alter der Mo-Vererzung in der Sweet Home Mine liegt demnach eindeutig vor dem der oligozänen Climax-Lagerstätten anderswo im Colorado Mineral Belt. Die Re-Os- und Rb-Sr-Alter grenzen auch das Alter der jüngsten Deformation entlang der Contact Structure, die von spätkreidezeitlichen und oligozänen Fluiden genutzt und/oder geschnitten wurde, auf 62,77±0,50 Ma und 26,26±0,38 Ma ein. Entlang der Contact Structure ist spätkreidezeitlicher Molybdänit räumlich mit Mineralen aus dem Oligozän in demselben Gangsystem vergesellschaftet, was eine Rekristallisierung oder Ausfällung von Molybdänit durch oligozäne Fluide ausschließt. Die Erzausfällung in porphyrischen Kupfersystemen ist im Allgemeinen durch eine Metallzonierung (Cu-Mo bis Zn-Pb-Ag) gekennzeichnet, die vermutlich mit der Abnahme der Löslichkeit während der Fluidabkühlung, den Wechselwirkungen zwischen Fluid und Gestein, der Partitionierung während der Phasenseparation des Fluids und der Mischung mit externen Fluiden in Zusammenhang steht. Die numerische Modellierung, die in einer generischen Porphyr-Cu-Umgebung durchgeführt wurde, stellt neue Fortschritte eines numerischen Prozessmodells dar, indem sie veröffentlichte Randbedingungen für die temperatur- und salinitätsabhängige Löslichkeit von Cu, Pb und Zn im Erzfluid berücksichtigt. Diese Studie untersucht die Rolle der Dampf-Sole-Separation, der Halitsättigung, des anfänglichen Metallgehalts, der Fluidmischung und der Remobilisierung als Einflussfaktoren erster Ordnung der physikalischen Hydrologie auf die Erzbildung. Die Ergebnisse zeigen, dass die magmatischen Dampf- und Solephasen mit unterschiedlichen Verweilzeiten, aber als mischbare Fluide aufsteigen, wobei eine Erhöhung des Salzgehalts zu einem metall-ungesättigten Gesamtfluid führt. Die Freisetzungsraten der magmatischen Fluide wirken sich auf die Lage der thermohalinen Fronten aus, was zu widersprüchlichen Mechanismen für die Erzausfällung führt: Höhere Raten führen zu einer Halitsättigung ohne signifikante Metallzonierung, niedrigere Raten erzeugen zonierte Erzschalen aufgrund der Mischung mit meteorischem Wasser. Unterschiedliche Metallgehalte können sich auf die Reihenfolge der endgültigen Metallausfällung auswirken. Die Wiederauflösung bereits ausgefällter Metalle führt zu zonierten Erzschalenmustern in periphereren Bereichen und entkoppelt auch die Halitsättigung von der Erzausfällung. Die epithermale Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn-Mine im Nordwesten Argentiniens befindet sich in einem Bereich metamorphisierter Sedimente ohne geologische Hinweise auf vulkanische Aktivitäten in einer Entfernung von etwa 10 km zur Lagerstätte. Jüngste geochemische Untersuchungen von Fluideinschlüssen im Erzstadium deuten jedoch auf einen bedeutenden Beitrag von magmatischen Volatilen hin. In dieser Studie wurden verschiedene Entstehungsmodelle getestet, indem ein bestehendes numerisches Prozessmodell für porphyrisch-epithermale Systeme mit einer magmatischen Intrusion angewandt wurde, die sich entweder in einer Entfernung von etwa 10 km unterhalb des nächstgelegenen aktiven Vulkans oder verborgen unterhalb der Lagerstätte befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Migration der Erzflüssigkeit über eine Entfernung von 10 km zu einer Metallausfällung durch Abkühlung führt, bevor die Lagerstätte erreicht wird. Im Gegensatz dazu stimmen die Simulationen mit einer verborgenen magmatischen Intrusion unter der Pirquitas-Lagerstätte mit den Feldbeobachtungen überein, die mineralisierte hydrothermale Brekzien im Lagerstättenbereich umfassen. KW - magmatic KW - hydrothermal KW - ore KW - deposits KW - copper KW - lead KW - zinc KW - molybdenum KW - numerical KW - modeling KW - Sweet KW - Home KW - Pirquitas KW - Colorado KW - Argentina KW - Argentinien KW - Colorado KW - Home KW - Pirquitas KW - Sweet KW - Kupfer KW - Lagerstätte KW - hydrothermal KW - Blei KW - magmatisch KW - Modellierung KW - Molybdän KW - numerisch KW - Erz KW - Zink Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611402 ER - TY - THES A1 - Zali, Zahra T1 - Volcanic tremor analysis based on advanced signal processing concepts including music information retrieval (MIR) strategies N2 - Volcanoes are one of the Earth’s most dynamic zones and responsible for many changes in our planet. Volcano seismology aims to provide an understanding of the physical processes in volcanic systems and anticipate the style and timing of eruptions by analyzing the seismic records. Volcanic tremor signals are usually observed in the seismic records before or during volcanic eruptions. Their analysis contributes to evaluate the evolving volcanic activity and potentially predict eruptions. Years of continuous seismic monitoring now provide useful information for operational eruption forecasting. The continuously growing amount of seismic recordings, however, poses a challenge for analysis, information extraction, and interpretation, to support timely decision making during volcanic crises. Furthermore, the complexity of eruption processes and precursory activities makes the analysis challenging. A challenge in studying seismic signals of volcanic origin is the coexistence of transient signal swarms and long-lasting volcanic tremor signals. Separating transient events from volcanic tremors can, therefore, contribute to improving our understanding of the underlying physical processes. Some similar issues (data reduction, source separation, extraction, and classification) are addressed in the context of music information retrieval (MIR). The signal characteristics of acoustic and seismic recordings comprise a number of similarities. This thesis is going beyond classical signal analysis techniques usually employed in seismology by exploiting similarities of seismic and acoustic signals and building the information retrieval strategy on the expertise developed in the field of MIR. First, inspired by the idea of harmonic–percussive separation (HPS) in musical signal processing, I have developed a method to extract harmonic volcanic tremor signals and to detect transient events from seismic recordings. This provides a clean tremor signal suitable for tremor investigation along with a characteristic function suitable for earthquake detection. Second, using HPS algorithms, I have developed a noise reduction technique for seismic signals. This method is especially useful for denoising ocean bottom seismometers, which are highly contaminated by noise. The advantage of this method compared to other denoising techniques is that it doesn’t introduce distortion to the broadband earthquake waveforms, which makes it reliable for different applications in passive seismological analysis. Third, to address the challenge of extracting information from high-dimensional data and investigating the complex eruptive phases, I have developed an advanced machine learning model that results in a comprehensive signal processing scheme for volcanic tremors. Using this method seismic signatures of major eruptive phases can be automatically detected. This helps to provide a chronology of the volcanic system. Also, this model is capable to detect weak precursory volcanic tremors prior to the eruption, which could be used as an indicator of imminent eruptive activity. The extracted patterns of seismicity and their temporal variations finally provide an explanation for the transition mechanism between eruptive phases. N2 - Vulkane gehören zu den dynamischsten Zonen der Erde und sind für viele Veränderungen auf unserem Planeten verantwortlich. Die Vulkanseismologie zielt darauf ab, physikalischen Prozesse in Vulkansystemen besser zu verstehen und die Art und den Zeitpunkt von Eruptionen durch die Analyse der seismischen Aufzeichnungen vorherzusagen. Die Signale vulkanischer Tremore werden normalerweise vor oder während Vulkanausbrüchen beobachtet und müssen überwacht werden, um die vulkanische Aktivität zu bewerten. Die Untersuchung vulkanischer Tremore ist ein wichtiger Teil der Vulkanüberwachung, die darauf abzielt, Anzeichen für das Erwachen oder Wiedererwachen von Vulkanen zu erkennen und möglicherweise Ausbrüche vorherzusagen. Mehrere Dekaden kontinuierlicher seismischer Überwachung liefern nützliche Informationen für die operative Eruptionsvorhersage. Die ständig wachsende Menge an seismischen Aufzeichnungen stellt jedoch eine Herausforderung für die Analyse, Informationsextraktion und Interpretation für die zeitnahe Entscheidungsfindung während Vulkankrisen dar. Darüber hinaus erschweren die Komplexität der Eruptionsprozesse und Vorläuferaktivitäten die Analyse. Eine Herausforderung bei der Untersuchung seismischer Signale vulkanischen Ursprungs ist die Koexistenz von transienten Signalschwärmen und lang anhaltenden vulkanischen Tremoren. Die Trennung dieser beiden Signaltypen kann daher dazu beitragen, unser Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu verbessern. Einige ähnliche Probleme (Datenreduktion, Quellentrennung, Extraktion und Klassifizierung) werden im Zusammenhang mit Music Information Retrieval (MIR, dt. Etwa Musik-Informationsabruf) behandelt. Die Signaleigenschaften von akustischen und seismischen Aufzeichnungen weisen eine Reihe von Gemeinsamkeiten auf. Ich gehe über die klassischen Signalanalysetechniken hinaus, die normalerweise in der Seismologie verwendet werden, indem ich die Ähnlichkeiten von seismischen und akustischen Signalen und das Fachwissen aus dem Gebiet der MIR zur Informationsgewinnung nutze. Inspiriert von der Idee der harmonisch-perkussiven Trennung (HPS) in der musikalischen Signalverarbeitung habe ich eine Methode entwickelt, mit der harmonische vulkanische Erschütterungssignale extrahiert und transiente Ereignisse aus seismischen Aufzeichnungen erkannt werden können. Dies liefert ein sauberes Tremorsignal für die Tremoruntersuchung, sowie eine charakteristischen Funktion, die für die Erdbebenerkennung geeignet ist. Weiterhin habe ich unter Verwendung von HPS-Algorithmen eine Rauschunterdrückungstechnik für seismische Signale entwickelt. Diese kann zum Beispiel verwendet werden, um klarere Signale an Meeresbodenseismometern zu erhalten, die sonst durch zu starkes Rauschen überdeckt sind. Der Vorteil dieser Methode im Vergleich zu anderen Denoising-Techniken besteht darin, dass sie keine Verzerrung in der Breitbandantwort der Erdbebenwellen einführt, was sie für verschiedene Anwendungen in der passiven seismologischen Analyse zuverlässiger macht. Um Informationen aus hochdimensionalen Daten zu extrahieren und komplexe Eruptionsphasen zu untersuchen, habe ich ein fortschrittliches maschinelles Lernmodell entwickelt, aus dem ein umfassendes Signalverarbeitungsschema für vulkanische Erschütterungen abgeleitet werden kann. Mit dieser Methode können automatisch seismische Signaturen größerer Eruptionsphasen identifizieren werden. Dies ist nützlich, um die Chronologie eines Vulkansystems zu verstehen. Außerdem ist dieses Modell in der Lage, schwache vulkanische Vorläuferbeben zu erkennen, die als Indikator für bevorstehende Eruptionsaktivität verwendet werden könnten. Basierend auf den extrahierten Seismizitätsmustern und ihren zeitlichen Variationen liefere ich eine Erklärung für den Übergangsmechanismus zwischen verschiedenen Eruptionsphasen. KW - seismic signal processing KW - machine learning KW - volcano seismology KW - music information retrieval KW - noise reduction Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610866 ER - TY - THES A1 - Erbello Doelesso, Asfaw T1 - Cenozoic magma-assisted continental rifting and crustal block rotations in an extensional overlap zone between two rift segments, Southwest Ethiopia, East Africa N2 - Continental rifts are key geodynamic regions where the complex interplay of magmatism and faulting activity can be studied to understand the driving forces of extension and the formation of new divergent plate boundaries. Well-preserved rift morphology can provide a wealth of information on the growth, interaction, and linkage of normal-fault systems through time. If rift basins are preserved over longer geologic time periods, sedimentary archives generated during extensional processes may mirror tectonic and climatic influences on erosional and sedimentary processes that have varied over time. Rift basins are furthermore strategic areas for hydrocarbon and geothermal energy exploration, and they play a central role in species dispersal and evolution as well as providing or inhibiting hydrologic connectivity along basins at emerging plate boundaries. The Cenozoic East African rift system (EARS) is one of the most important continental extension zones, reflecting a range of evolutionary stages from an early rift stage with isolated basins in Malawi to an advanced stage of continental extension in southern Afar. Consequently, the EARS is an ideal natural laboratory that lends itself to the study of different stages in the breakup of a continent. The volcanically and seismically active eastern branch of the EARS is characterized by multiple, laterally offset tectonic and magmatic segments where adjacent extensional basins facilitate crustal extension either across a broad deformation zone or via major transfer faulting. The Broadly Rifted Zone (BRZ) in southern Ethiopia is an integral part of the eastern branch of the EARS; in this region, rift segments of the southern Ethiopian Rift (sMER) and northern Kenyan Rift (nKR) propagate in opposite directions in a region with one of the earliest manifestations of volcanism and extensional tectonism in East Africa. The basin margins of the Chew-Bahir Basin and the Gofa Province, characterized by a semi-arid climate and largely uniform lithology, provide ideal conditions for studying the tectonic and geomorphologic features of this complex kinematic transfer zone, but more importantly, this area is suitable for characterizing and quantifying the overlap between the propagating structures of the sMER and nKR and the resulting deformation patterns of the BRZ transfer zones. In this study, I have combined data from thermochronology, thermal modeling, morphometry, paleomagnetic analysis, geochronology, and geomorphological field observations with information from published studies to reconstruct the spatiotemporal relationship between volcanism and fault activity in the BRZ and quantify the deformation patterns of the overlapping rift segments. I present the following results: (1) new thermochronological data from the en-échelon basin margins and footwall blocks of the rift flanks and morphometric results verified in the field to link different phases of magmatism and faulting during extension and infer geomorphological landscape features related to the current tectonic interaction between the nKR and the sMER; (2) temporally constrained paleomagnetic data from the BRZ overlap zone between the Ethiopian and Kenyan rifts to quantitatively determine block rotation between the two segments. Combining the collected data, time-temperature histories of thermal modeling results from representative samples show well-defined deformation phases between 25–20 Ma, 15–9Ma, and ~5 Ma to the present. Each deformation phase is characterized by the onset of rapid cooling (>2°C/Ma) of the crust associated with uplift or exhumation of the rift shoulder. After an initial, spatially very diffuse phase of extension, the rift has gradually evolved into a system of connected structures formed in an increasingly focused rift zone during the last 5 Ma. Regarding the morphometric analysis of the rift structures, it can be shown that normalized slope indices of the river courses, spatial arrangement of knickpoints in the river longitudinal profiles of the footwall blocks, local relief values, and the average maximum values of the slope of the river profiles indicate a gradual increase in the extension rate from north (Sawula basin: mature) to south (Chew Bahir: young). The complexity of the structural evolution of the BRZ overlap zone between nKR and sMER is further emphasized by the documentation of crustal blocks around a vertical axis. A comparison of the mean directions obtained for the Eo-Oligocene (Ds=352.6°, Is=-17.0°, N=18, α95=5.5°) and Miocene (Ds=2.9°, Is=0.9°, N=9, α95=12.4°) volcanics relative to the pole for stable South Africa and with respect to the corresponding ages of the analyzed units record a significant counterclockwise rotation of ~11.1°± 6.4° and insignificant CCW rotation of ~3.2° ± 11.5°, respectively. N2 - Wie Kontinentalverschiebungen entstehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln, ist nach wie vor eine offene Frage in den Geowissenschaften. Hier untersuche ich das Rifting entlang der EARS, insbesondere in der BRZ zwischen dem nKR und dem sMER, einem aktiven Rift auf der Erde. Einige Studien legen nahe, dass ein Mantelquellenauftrieb von geschmolzenem Material und die damit verbundenen Mantelkonvektionsströme eine Krustenschwächung und -dehnung verursachen, die zur Bildung des vulkanisch und seismisch aktiven Rifts in Ostafrika führt. Im Gegensatz dazu argumentieren andere, dass eine Fernfeldbelastung im Zusammenhang mit einer benachbarten Plattenkonfiguration zwischen der eurasischen und der arabischen Platte das Rifting in EARS ausgelöst haben könnte. In diesem Projekt habe ich mit Hilfe von Tieftemperatur-Thermochronologie, Paläomagnetismus und Flusseinzugsgebietsmorphometrie die Beziehungen zwischen Magmatismus, Verwerfungen, einer Blockdeformation zwischen den Rifts und der Entwicklung der Oberflächentopographie während des Riftings untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der Modellierung der Zeit-Temperatur-Geschichte stelle ich fest, dass die frühe Deformation in Verbindung mit Verwerfungen bei ~22 Ma begann, nach dem Ende des massiven Vulkanismus, der zwischen 45-27 Ma stattfand. Die räumlich verteilte anfängliche Deformation wanderte auf eine schmale Zone zu und breitete sich entlang der Gofa-Provinz nach Norden aus, bevor sich die aktuelle Verformung in der südlichen Gofa-Provinz und im Chew Bahir-Becken während einer späten Phase des Riftings bei ~15-9 Ma bzw. in der Gegenwart lokalisierte. Die räumliche Verschiebung der Deformation entspricht zeitlich einem erneuten Magmatismus. Kombinierte paläomagnetische und geochronologische Ergebnisse zeigen eine gegen den Uhrzeigersinn gerichtete vertikale Achsenblockrotation zwischen der sich ausbreitenden nKR und sMER, die im Laufe der Zeit abnahm. Die Abnahme der vertikalen Blockrotation gegen den Uhrzeigersinn in Verbindung mit der räumlichen und zeitlichen Veränderung der Deformation könnte auf eine charakteristische Rift-Evolutionsphase hinweisen, die von einer verteilten Anfangsdeformation und dem seitlichen Wachstum normaler Verwerfungen bis hin zur Lokalisierung der Dehnungen in der Spätphase des Rifting reicht, bevor sich ein durchgehendes größeres Riftbecken entwickelt. Die Ergebnisse meiner Studie, die zeigen, dass die anfängliche Deformation nach dem Ende des massiven Vulkanismus auftrat, unterstützen die Vorstellung einer Schwächung der Kruste durch massiven Vulkanismus vor dem anfänglichen Rifting als Vorläufer einer weit verbreiteten Dehnungsverwerfung und bieten somit weitere Einblicke in magmengestützte Deformationsprozesse im ostafrikanischen Riftsystem. KW - magma assisted continental rifting KW - rift segments interaction KW - counterclockwise block rotation between overlapping rift segments KW - magmagestütztes kontinentales Rifting KW - Interaktion zwischen sich ausbreitenden Riftsegmenten KW - gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Rotation von Krustenblöcken zwischen zwei überlappenden Riftsegmenten Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610968 ER - TY - THES A1 - Khawaja, Muhammad Asim T1 - Improving earthquake forecast modeling and testing using the multi-resolution grids Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Freisleben, Roland T1 - Deciphering the mechanisms of permanent forearc deformation based on marine terraces T1 - Untersuchung der Mechanismen dauerhafter Forearc-Deformation anhand von marinen Terrassen N2 - The Andes reflect Cenozoic deformation and uplift along the South American margin in the context of regional shortening associated with the interaction between the subducting Nazca plate and the overriding continental South American plate. Simultaneously, multiple levels of uplifted marine terraces constitute laterally continuous geomorphic features related to the accumulation of permanent forearc deformation in the coastal realm. However, the mechanisms responsible for permanent coastal uplift and the persistency of current/decadal deformation patterns over millennial timescales are still not fully understood. This dissertation presents a continental-scale database of last interglacial terrace elevations and uplift rates along the South American coast that provides the basis for an analysis of a variety of mechanisms that are possibly responsible for the accumulation of permanent coastal uplift. Regional-scale mapping and analysis of multiple, late Pleistocene terrace levels in central Chile furthermore provide valuable insights regarding the persistency of current seismic asperities, the role of upper-plate faulting, and the impact of bathymetric ridges on permanent forearc deformation. The database of last interglacial terrace elevations reveals an almost continuous signal of background-uplift rates along the South American coast at ~0.22 mm/yr that is modified by various short- to long-wavelength changes. Spatial correlations with crustal faults and subducted bathymetric ridges suggest long-term deformation to be affected by these features, while the latitudinal variability of climate forcing factors has a profound impact on the generation and preservation of marine terraces. Systematic wavelength analyses and comparisons of the terrace-uplift rate signal with different tectonic parameters reveal short-wavelength deformation to result from crustal faulting, while intermediate- to long-wavelength deformation might indicate various extents of long-term seismotectonic segments on the megathrust, which are at least partially controlled by the subduction of bathymetric anomalies. The observed signal of background-uplift rate is likely accumulated by moderate earthquakes near the Moho, suggesting multiple, spatiotemporally distinct phases of uplift that manifest as a continuous uplift signal over millennial timescales. Various levels of late Pleistocene marine terraces in the 2015 M8.3 Illapel-earthquake area reveal a range of uplift rates between 0.1 and 0.6 mm/yr and indicate decreasing uplift rates since ~400 ka. These glacial-cycle uplift rates do not correlate with current or decadal estimates of coastal deformation suggesting seismic asperities not to be persistent features on the megathrust that control the accumulation of permanent forearc deformation over long timescales of 105 years. Trench-parallel, crustal normal faults modulate the characteristics of permanent forearc-deformation; upper-plate extension likely represents a second-order phenomenon resulting from subduction erosion and subsequent underplating that lead to regional tectonic uplift and local gravitational collapse of the forearc. In addition, variable activity with respect to the subduction of the Juan Fernández Ridge can be detected in the upper plate over the course of multiple interglacial periods, emphasizing the role of bathymetric anomalies in causing local increases in terrace-uplift rate. This thesis therefore provides new insights into the current understanding of subduction-zone processes and the dynamics of coastal forearc deformation, whose different interacting forcing factors impact the topographic and geomorphic evolution of the western South American coast. N2 - Die känozoischen Anden resultieren aus der regionalen Verkürzung und Hebung der kontinentalen Kruste entlang des südamerikanischen Kontinentalrandes infolge der Interaktion zwischen der subduzierenden Nazca-Platte und der südamerikanischen Platte. Zahlreiche, durch tektonische Prozesse angehobene marine Abrasionsplattformen entlang der Küsten am westlichen Kontinentalrand Südamerikas bilden lateral kontinuierliche Stufen, welche die Akkumulation dauerhafter Deformation im küstennahen Forearc-Bereich widerspiegeln. Die Mechanismen, welche für die dauerhafte Hebung der Küste und die Beständigkeit derzeitiger/dekadischer Deformationsmuster auch über Jahrtausende hinweg verantwortlich sind, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Dissertation zunächst eine kontinentale Datenbank der gehobenen marinen Terrassen des letzten Interglazials (125,000 Jahre), ihrer Höhenverteilung sowie der daraus abgeleiteten Hebungsraten für die Westküste von Südamerika vorgestellt. Diese Datenbank bildet die Grundlage für die Analyse einer Vielzahl von Mechanismen, welche möglicherweise für die Akkumulation dauerhafter Küstenhebung und Deformation verantwortlich sind. In einem weiteren Schritt wurden zusätzlich spätpleistozäne Terrassenniveaus in Zentralchile regionalmaßstäblich kartiert und hinsichtlich ihrer räumlich-zeitlichen Entwicklung analysiert. Diese Informationen liefern wertvolle Erkenntnisse über die Beständigkeit von seismischen Asperitäten, den Einfluss bathymetrischer Rücken auf die dauerhafte Deformation der Oberplatte sowie die Rolle von krustalen Störungen hinsichtlich der lokalen topographischen Differenzierung seismotektonischer Segmente. Die Datenbank der im letzten Interglazial entstandenen marinen Terrassen und der abgeleiteten Hebungsraten zeigt ein nahezu kontinuierliches Signal von Hintergrund-Hebungsraten entlang der südamerikanischen Küste von ~0,22 mm/Jahr, das durch verschiedene kurz- bis langwellige Modifikationen gekennzeichnet ist. Räumliche Übereinstimmungen mit krustalen Störungen und subduzierten bathymetrischen Rücken deuten darauf hin, dass die langfristige Deformation von diesen Parametern beeinflusst wird, während die breitengradabhängige Variabilität von Klimafaktoren tiefgreifende Auswirkungen auf die Entstehung und Erhaltung von marinen Terrassen hat. Systematische Wellenlängenanalysen und Vergleiche des Signals der Terrassenhebungsrate mit verschiedenen tektonischen Parametern zeigen, dass Deformation im kurzwelligen Bereich auf krustale Störungen zurückzuführen ist. Die Deformation im mittel- bis langwelligen Bereich könnte hingegen auf verschiedene Ausdehnungen langfristig aktiver seismotektonischer Segmente der Subduktionszone hindeuten, die zumindest teilweise durch die Subduktion bathymetrischer Anomalien kontrolliert werden. Das beobachtete Signal der Hintergrund-Hebungsrate wird wahrscheinlich durch Erdbeben mittlerer Magnituden in der Nähe der Moho generiert, was auf mehrere, räumlich und zeitlich getrennte Hebungsphasen hindeutet, die sich über Jahrtausende hinweg als kontinuierliches Hebungssignal manifestieren. Gehobene spätpleistozäne marine Terrassen im Illapel-Erdbebengebiet von 2015 weisen eine Hebungsrate zwischen 0,1 und 0,6 mm/Jahr auf und deuten insgesamt auf abnehmende tektonische Hebungsraten seit ~400,000 Jahren hin. Diese langfristigen Hebungsraten auf glazialen Zeitskalen korrelieren nicht mit den Hebungsraten auf kurzen Zeitskalen, was darauf schließen lässt, dass seismische Asperitäten im Bereich der Subduktionszone keine dauerhaften Merkmale sind, welche die Deformation und Hebung der Forearc-Regionen über lange Zeiträume von mehreren 105 Jahren steuern. Wie auch an anderen aktiven konvergenten Plattenrändern existieren in Zentralchile krustale Abschiebungen parallel zum Plattenrand, die das Erscheinungsbild dauerhafter Forearc-Deformation stark beeinflussen. Die Extensionsprozesse der Oberplatte sind dabei wahrscheinlich ein Phänomen zweiter Ordnung, welches durch Subduktionserosion und anschließende Akkretion hervorgerufen wird und sich in regionaler tektonischer Hebung sowie einem gravitativen Kollaps der Forearc-Region äußert. Darüber hinaus lassen sich über verschiedene Glazial- und Interglazialzyklen hinweg Änderungen in der Bedeutung des Juan-Fernández-Rückens hinsichtlich der Deformations-prozesse in der Oberplatte nachweisen; dies unterstreicht die transiente Rolle bathymetrischer Anomalien bei der Beeinflussung lokaler Änderungen der Terrassenhebungsrate. Die vorgelegte Arbeit liefert daher neue Einblicke für ein besseres Verständnis der Deformationsprozesse in Subduktionszonen und den küstennahen Forearc-Regionen sowie ihrer unterschiedlich interagierenden Antriebsfaktoren, welche die topographische und geomorphologische Entwicklung der westlichen südamerikanischen Küste beeinflussen. KW - South America KW - marine terrace KW - tectonic geomorphology KW - subduction KW - Südamerika KW - marine Terrassen KW - Subduktion KW - tektonische Geomorphologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610359 ER - TY - THES A1 - Mester, Benedikt T1 - Modeling flood-induced human displacement risk under global change T1 - Modellierung des hochwasserbedingten Risikos der Vertreibung von Menschen unter globalen Veränderungen N2 - Extreme flooding displaces an average of 12 million people every year. Marginalized populations in low-income countries are in particular at high risk, but also industrialized countries are susceptible to displacement and its inherent societal impacts. The risk of being displaced results from a complex interaction of flood hazard, population exposed in the floodplains, and socio-economic vulnerability. Ongoing global warming changes the intensity, frequency, and duration of flood hazards, undermining existing protection measures. Meanwhile, settlements in attractive yet hazardous flood-prone areas have led to a higher degree of population exposure. Finally, the vulnerability to displacement is altered by demographic and social change, shifting economic power, urbanization, and technological development. These risk components have been investigated intensively in the context of loss of life and economic damage, however, only little is known about the risk of displacement under global change. This thesis aims to improve our understanding of flood-induced displacement risk under global climate change and socio-economic change. This objective is tackled by addressing the following three research questions. First, by focusing on the choice of input data, how well can a global flood modeling chain reproduce flood hazards of historic events that lead to displacement? Second, what are the socio-economic characteristics that shape the vulnerability to displacement? Finally, to what degree has climate change potentially contributed to recent flood-induced displacement events? To answer the first question, a global flood modeling chain is evaluated by comparing simulated flood extent with satellite-derived inundation information for eight major flood events. A focus is set on the sensitivity to different combinations of the underlying climate reanalysis datasets and global hydrological models which serve as an input for the global hydraulic model. An evaluation scheme of performance scores shows that simulated flood extent is mostly overestimated without the consideration of flood protection and only for a few events dependent on the choice of global hydrological models. Results are more sensitive to the underlying climate forcing, with two datasets differing substantially from a third one. In contrast, the incorporation of flood protection standards results in an underestimation of flood extent, pointing to potential deficiencies in the protection level estimates or the flood frequency distribution within the modeling chain. Following the analysis of a physical flood hazard model, the socio-economic drivers of vulnerability to displacement are investigated in the next step. For this purpose, a satellite- based, global collection of flood footprints is linked with two disaster inventories to match societal impacts with the corresponding flood hazard. For each event the number of affected population, assets, and critical infrastructure, as well as socio-economic indicators are computed. The resulting datasets are made publicly available and contain 335 displacement events and 695 mortality/damage events. Based on this new data product, event-specific displacement vulnerabilities are determined and multiple (national) dependencies with the socio-economic predictors are derived. The results suggest that economic prosperity only partially shapes vulnerability to displacement; urbanization, infant mortality rate, the share of elderly, population density and critical infrastructure exhibit a stronger functional relationship, suggesting that higher levels of development are generally associated with lower vulnerability. Besides examining the contextual drivers of vulnerability, the role of climate change in the context of human displacement is also being explored. An impact attribution approach is applied on the example of Cyclone Idai and associated extreme coastal flooding in Mozambique. A combination of coastal flood modeling and satellite imagery is used to construct factual and counterfactual flood events. This storyline-type attribution method allows investigating the isolated or combined effects of sea level rise and the intensification of cyclone wind speeds on coastal flooding. The results suggest that displacement risk has increased by 3.1 to 3.5% due to the total effects of climate change on coastal flooding, with the effects of increasing wind speed being the dominant factor. In conclusion, this thesis highlights the potentials and challenges of modeling flood- induced displacement risk. While this work explores the sensitivity of global flood modeling to the choice of input data, new questions arise on how to effectively improve the reproduction of flood return periods and the representation of protection levels. It is also demonstrated that disentangling displacement vulnerabilities is feasible, with the results providing useful information for risk assessments, effective humanitarian aid, and disaster relief. The impact attribution study is a first step in assessing the effects of global warming on displacement risk, leading to new research challenges, e.g., coupling fluvial and coastal flood models or the attribution of other hazard types and displacement events. This thesis is one of the first to address flood-induced displacement risk from a global perspective. The findings motivate for further development of the global flood modeling chain to improve our understanding of displacement vulnerability and the effects of global warming. N2 - Durch extreme Überschwemmungen werden jedes Jahr durchschnittlich 12 Millionen Menschen vertrieben. Vor allem marginalisierte Bevölkerungsgruppen in Ländern mit niedrigem Einkommen sind stark gefährdet, aber auch Industrieländer sind anfällig für Vertreibungen und die damit verbundenen gesellschaftlichen Auswirkungen. Das Risiko der Vertreibung ergibt sich aus einer komplexen Wechselwirkung zwischen der Hochwassergefahr, der Exposition der in den Überschwemmungsgebieten lebenden Bevölkerung und der sozioökonomischen Vulnerabilität. Die fortschreitende globale Erderwärmung verändert die Intensität, Häufigkeit und Dauer von Hochwassergefahren und untergräbt die bestehenden Schutzmaßnahmen. Gleichzeitig hat die Besiedlung attraktiver, aber gefährdeter Überschwemmungsgebiete zu einem höheren Maß an Exposition der Bevölkerung geführt. Schließlich wird die Vulnerabilität für Vertreibungen durch den demografischen und sozialen Wandel, die Verlagerung der Wirtschaftskräfte, die Urbanisierung und die technologische Entwicklung verändert. Diese Risikokomponenten wurden im Zusammenhang mit dem Verlust von Menschenleben und wirtschaftlichen Schäden intensiv untersucht, über das Risiko der Vertreibung im Rahmen des globalen Wandels ist jedoch nur wenig bekannt. Diese Arbeit zielt darauf ab, unser Verständnis des durch Überschwemmungen verursachten Vertreibungsrisikos unter dem Einfluss des globalen Klimawandels und des sozioökonomischen Wandels zu verbessern. Dieses Ziel wird durch die Beantwortung der folgenden drei Forschungsfragen erreicht. Erstens: Wie gut kann eine globale Hochwassermodellierungskette die Hochwassergefahren historischer Ereignisse, die zu Vertreibung geführt haben, reproduzieren, wobei ein Fokus auf die Wahl der Eingangsdaten gelegt wird? Zweitens: Welches sind die sozioökonomischen Merkmale, die die Vulnerabilität für Vertreibung beeinflussen? Und schließlich, inwieweit hat der Klimawandel möglicherweise zu den jüngsten hochwasserbedingten Vertreibungsereignissen beigetragen? Zur Beantwortung der ersten Frage wird eine globale Hochwassermodellierungskette durch den Vergleich der simulierten Überschwemmungsfläche mit satellitengestützten Überschwemmungsdaten für acht große Hochwasserereignisse überprüft. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Sensitivität gegenüber verschiedenen Kombinationen der zugrunde liegenden Klimareanalysedatensätzen und globalen hydrologischen Modellen, die als Input für das globale Hydraulikmodell dienen. Ein Bewertungsschema von Leistungsindikatoren zeigt, dass die simulierte Überschwemmungsfläche ohne Berücksichtigung des Hochwasserschutzes meist überschätzt wird und nur bei wenigen Ereignissen von der Wahl der globalen hydrologischen Modelle abhängt. Die Ergebnisse sind empfindlicher gegenüber dem zugrunde liegenden Climate Forcing, wobei sich zwei Datensätze erheblich von einem dritten unterscheiden. Im Gegensatz dazu führt die Einbeziehung von Hochwasserschutznormen zu einer Unterschätzung der Überschwemmungsfläche, was auf mögliche Mängel bei der Schätzung des Schutzniveaus oder der Hochwasserhäufigkeitsverteilung innerhalb der Modellierungskette hinweist. Nach der Analyse des physikalischen Hochwassergefahrenmodells werden in einem nächsten Schritt die sozioökonomischen Triebkräfte für die Vulnerabilität für Vertreibungen untersucht. Zu diesem Zweck wird eine satellitengestützte, globale Sammlung von Hochwasseüberschwemmungsflächen mit zwei Katastrophendatenbänken verknüpft, um die gesellschaftlichen Auswirkungen mit der entsprechenden Hochwassergefahr zusammenzuführen. Für jedes Ereignis werden die Anzahl der betroffenen Menschen, Vermögenswerte und kritischen Infrastrukturen sowie sozioökonomische Indikatoren berechnet. Die daraus resultierenden Datensätze werden öffentlich zugänglich gemacht und enthalten 335 Vertreibungsereignisse und 695 Todesopfer-/Schadensereignisse. Auf der Grundlage dieses neuen Datenprodukts werden ereignisspezifische Vertreibungsvulnerabilitäten bestimmt und vielfältige (nationale) Abhängigkeiten mit den sozioökonomischen Prädiktoren abgeleitet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wirtschaftlicher Wohlstand nur teilweise die Anfälligkeit für Vertreibungen beeinflusst; Urbanisierung, Kindersterblichkeitsrate, der Anteil älterer Menschen, Bevölkerungsdichte und kritische Infrastrukturen weisen eine stärkere funktionale Beziehung auf, was den Schluss zulässt, dass ein höheres Entwicklungsniveau im Allgemeinen mit einer geringeren Vulnerabilität verbunden ist. Neben der Untersuchung der kontextabhängigen Faktoren der Vulnerabilität wird auch die Rolle des Klimawandels im Zusammenhang mit der Vertreibung von Menschen untersucht. Am Beispiel des Zyklons Idai und den damit verbundenen extremen Küstenüberschwemmungen in Mosambik wird ein Ansatz zur Attribution der Auswirkungen angewandt. Eine Kombination aus Küstenüberflutungsmodellierung und Satellitenbildern wird verwendet, um faktische und kontrafaktische Überschwemmungsereignisse zu konstruieren. Diese Storyline-artige Attributionsmethode ermöglicht die Untersuchung der isolierten oder kombinierten Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs und der Intensivierung der Windgeschwindigkeiten von Zyklonen auf die Küstenüberflutung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vertreibungsrisiko durch die Gesamtwirkung des Klimawandels auf Küstenüberschwemmungen um 3,1 bis 3,5 % gestiegen ist, wobei die Auswirkungen der zunehmenden Windgeschwindigkeit der dominierende Faktor sind. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Potentiale und Herausforderungen der Modellierung von hochwasserbedingten Vertreibungsrisiken auf. Während diese Arbeit die Sensitivität der globalen Hochwassermodellierung in Bezug auf die Wahl der Eingabedaten untersucht, ergeben sich neue Fragen, wie die Reproduktion von Wiederkehrintervallen und die Darstellung von Schutzniveaus effektiv verbessert werden kann. Die Ergebnisse liefern nützliche Informationen für Risikobewertungen, effektive humanitäre Hilfe und Katastrophenhilfe. Die Studie zur Auswirkungs-Attribution ist ein erster Schritt zur Bewertung der Effekte der globalen Erwärmung auf das Vertreibungsrisiko und führt zu neuen Forschungsherausforderungen, z. B. zur Kopplung von Fluss- und Küstenhochwassermodellen oder zur Untersuchung anderer Gefahrenarten. Diese Arbeit ist eine der ersten, die das durch Überschwemmungen verursachte Vertreibungsrisiko aus einer globalen Perspektive heraus betrachtet. Die Ergebnisse motivieren dazu, die globale Hochwassermodellierungskette weiterzuentwickeln, um unser Verständnis der Vertreibungsvulnerabilität und der Auswirkungen der globalen Erderwärmung zu vertiefen. KW - displacement KW - flooding KW - remote sensing KW - vulnerability KW - global flood model KW - Vertreibung KW - Überschwemmungen KW - Fernerkundung KW - Vulnerabilität KW - globales Überschwemmungsmodell Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-609293 ER - TY - THES A1 - Kudriavtseva, Anna T1 - Interactions between tectonics, climate, and surface processes in the Kyrgyz Tian Shan N2 - During the Cenozoic, global cooling and uplift of the Tian Shan, Pamir, and Tibetan plateau modified atmospheric circulation and reduced moisture supply to Central Asia. These changes led to aridification in the region during the Neogene. Afterwards, Quaternary glaciations led to modification of the landscape and runoff. In the Issyk-Kul basin of the Kyrgyz Tian Shan, the sedimentary sequences reflect the development of the adjacent ranges and local climatic conditions. In this work, I reconstruct the late Miocene – early Pleistocene depositional environment, climate, and lake development in the Issyk-Kul basin using facies analyses and stable δ18O and δ13C isotopic records from sedimentary sections dated by magnetostratigraphy and 26Al/10Be isochron burial dating. Also, I present 10Be-derived millennial-scale modern and paleo-denudation rates from across the Kyrgyz Tian Shan and long-term exhumation rates calculated from published thermochronology data. This allows me to examine spatial and temporal changes in surface processes in the Kyrgyz Tian Shan. In the Issyk-Kul basin, the style of fluvial deposition changed at ca. 7 Ma, and aridification in the basin commenced concurrently, as shown by magnetostratigraphy and the δ18O and δ13C data. Lake formation commenced on the southern side of the basin at ca. 5 Ma, followed by a ca. 2 Ma local depositional hiatus. 26Al/10Be isochron burial dating and paleocurrent analysis show that the Kungey range to the north of the basin grew eastward, leading to a change from fluvial-alluvial deposits to proximal alluvial fan conglomerates at 5-4 Ma in the easternmost part of the basin. This transition occurred at 2.6-2.8 Ma on the southern side of the basin, synchronously with the intensification of the Northern Hemisphere glaciation. The paleo-denudation rates from 2.7-2.0 Ma are as low as long-term exhumation rates, and only the millennial-scale denudation rates record an acceleration of denudation. This work concludes that the growth of the ranges to the north of the basin led to creation of the topographic barrier at ca. 7 Ma and a subsequent aridification in the Issyk-Kul basin. Increased subsidence and local tectonically-induced river system reorganization on the southern side of the basin enabled lake formation at ca. 5 Ma, while growth of the Kungey range blocked westward-draining rivers and led to sediment starvation and lake expansion. Denudational response of the Kyrgyz Tian Shan landscape is delayed due to aridity and only substantial cooling during the late Quaternary glacial cycles led to notable acceleration of denudation. Currently, increased glacier reduction and runoff controls a more rapid denudation of the northern slope of the Terskey range compared to other ranges of the Kyrgyz Tian Shan. N2 - Während des Känozoikums veränderten die globale Abkühlung und die Hebung des Tian Shan, des Pamir und des tibetischen Plateaus die atmosphärische Zirkulation und verringerten die Feuchtigkeitszufuhr nach Zentralasien. Diese Veränderungen führten während des Neogens zur Aridifizierung der Region. Danach führten die Vergletscherungen des Quartärs zu einer Veränderung der Landschaft und des Abflusses. Im Issyk-Kul-Becken des kirgisischen Tian Shan spiegeln die Sedimentabfolgen die Entwicklung der angrenzenden Gebirgszüge und die lokalen klimatischen Bedingungen wider. In dieser Arbeit rekonstruiere ich die spätmiozäne bis frühpleistozäne Ablagerungsumgebung, das Klima und die Entwicklung der Seen im Issyk-Kul-Becken anhand von Faziesanalysen und stabilen δ18O- und δ13C-Isotopenaufzeichnungen aus Sedimentabschnitten, die durch Magnetostratigraphie und 26Al/10Be-Isochron-Bestattungsdaten datiert wurden. Außerdem präsentiere ich 10Be-abgeleitete moderne und paläo-Denudationsraten aus dem kirgisischen Tian Shan und langfristige Exhumierungsraten, die aus veröffentlichten thermochronologischen Daten berechnet wurden. So kann ich räumliche und zeitliche Veränderungen der Oberflächenprozesse im kirgisischen Tian Shan untersuchen. Im Issyk-Kul-Becken änderte sich der Stil der fluvialen Ablagerung bei ca. 7 Ma. Wie die Magnetostratigraphie und die δ18O- und δ13C-Daten zeigen, setzte gleichzeitig die Aridifizierung des Beckens ein. Die Bildung von Seen begann an der Südseite des Beckens bei ca. 5 Ma, gefolgt von einer lokalen Ablagerungspause von ca. 2 Ma. 26Al/10Be-Isochron-Vergrabungsdatierungen und Paläostromanalysen zeigen, dass das Kungey-Gebirge im Norden des Beckens nach Osten wuchs, was zu einem Übergang von fluvial-alluvialen Ablagerungen zu proximalen alluvialen Fächerkonglomeraten bei 5-4 Ma im östlichsten Teil des Beckens führte. Dieser Übergang vollzog sich um 2,6-2,8 Ma auf der Südseite des Beckens, zeitgleich mit der Intensivierung der Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre. Die Paläo-Denudationsraten von 2,7-2,0 Ma sind so niedrig wie die langfristigen Exhumierungsraten, und nur die Denudationsraten auf der Jahrtausendskala zeigen eine Beschleunigung der Denudation. Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das Wachstum der Gebirgsketten im Norden des Beckens zur Entstehung der topografischen Barriere bei ca. 7 Ma und einer anschließenden Aridifizierung im Issyk-Kul-Becken führte. Eine verstärkte Absenkung und eine lokale tektonisch bedingte Umstrukturierung des Flusssystems auf der Südseite des Beckens ermöglichte die Bildung von Seen bei ca. 5 Ma, während das Wachstum des Kungey-Gebirges die nach Westen abfließenden Flüsse blockierte und zu einer Verknappung der Sedimente und einer Ausdehnung der Seen führte. Die Denudationsreaktion der kirgisischen Tian Shan-Landschaft verzögerte sich aufgrund der Trockenheit, und erst die erhebliche Abkühlung während der Gletscherzyklen des späten Quartärs führte zu einer merklichen Beschleunigung der Denudation. Gegenwärtig wird die Denudation des Nordhangs des Terskey-Gebirges im Vergleich zu anderen Gebirgszügen der kirgisischen Tian Shan durch den verstärkten Gletscherrückgang und den Abfluss beschleunigt. KW - Central Asia KW - δ18O and δ13C stable isotopes KW - 26Al/10Be cosmogenic radionuclides KW - magnetostratigraphy KW - Cenozoic aridification KW - denudation rates KW - Tian Shan KW - Zentralasien KW - δ18O and δ13C stabile Isotope KW - 26Al/10Be kosmogene Radionuklide KW - Magnetostratigraphie KW - Känozoische Aridifizierung KW - Denudationsraten KW - Tian Shan Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603728 ER - TY - THES A1 - Reich, Marvin T1 - Advances in hydrogravimetry T1 - Weiterentwicklung der Hydrogravimetrie BT - terrestrial gravimeters as field tools for hydrological applications BT - terrestrische Gravimeter als Messgeräte für hydrologische Anwendungen N2 - The interest of the hydrological community in the gravimetric method has steadily increased within the last decade. This is reflected by numerous studies from many different groups with a broad range of approaches and foci. Many of those are traditionally rather hydrology-oriented groups who recognized gravimetry as a potential added value for their hydrological investigations. While this resulted in a variety of interesting and useful findings, contributing to extend the respective knowledge and confirming the methodological potential, on the other hand, many interesting and unresolved questions emerged. This thesis manifests efforts, analyses and solutions carried out in this regard. Addressing and evaluating many of those unresolved questions, the research contributes to advancing hydrogravimetry, the combination of gravimetric and hydrological methods, in showing how gravimeters are a highly useful tool for applied hydrological field research. In the first part of the thesis, traditional setups of stationary terrestrial superconducting gravimeters are addressed. They are commonly installed within a dedicated building, the impermeable structure of which shields the underlying soil from natural exchange of water masses (infiltration, evapotranspiration, groundwater recharge). As gravimeters are most sensitive to mass changes directly beneath the meter, this could impede their suitability for local hydrological process investigations, especially for near-surface water storage changes (WSC). By studying temporal local hydrological dynamics at a dedicated site equipped with traditional hydrological measurement devices, both below and next to the building, the impact of these absent natural dynamics on the gravity observations were quantified. A comprehensive analysis with both a data-based and model-based approach led to the development of an alternative method for dealing with this limitation. Based on determinable parameters, this approach can be transferred to a broad range of measurement sites where gravimeters are deployed in similar structures. Furthermore, the extensive considerations on this topic enabled a more profound understanding of this so called umbrella effect. The second part of the thesis is a pilot study about the field deployment of a superconducting gravimeter. A newly developed field enclosure for this gravimeter was tested in an outdoor installation adjacent to the building used to investigate the umbrella effect. Analyzing and comparing the gravity observations from both indoor and outdoor gravimeters showed performance with respect to noise and stable environmental conditions was equivalent while the sensitivity to near-surface WSC was highly increased for the field deployed instrument. Furthermore it was demonstrated that the latter setup showed gravity changes independent of the depth where mass changes occurred, given their sufficiently wide horizontal extent. As a consequence, the field setup suits monitoring of WSC for both short and longer time periods much better. Based on a coupled data-modeling approach, its gravity time series was successfully used to infer and quantify local water budget components (evapotranspiration, lateral subsurface discharge) on the daily to annual time scale. The third part of the thesis applies data from a gravimeter field deployment for applied hydrological process investigations. To this end, again at the same site, a sprinkling experiment was conducted in a 15 x 15 m area around the gravimeter. A simple hydro-gravimetric model was developed for calculating the gravity response resulting from water redistribution in the subsurface. It was found that, from a theoretical point of view, different subsurface water distribution processes (macro pore flow, preferential flow, wetting front advancement, bypass flow and perched water table rise) lead to a characteristic shape of their resulting gravity response curve. Although by using this approach it was possible to identify a dominating subsurface water distribution process for this site, some clear limitations stood out. Despite the advantage for field installations that gravimetry is a non-invasive and integral method, the problem of non-uniqueness could only be overcome by additional measurements (soil moisture, electric resistivity tomography) within a joint evaluation. Furthermore, the simple hydrological model was efficient for theoretical considerations but lacked the capability to resolve some heterogeneous spatial structures of water distribution up to a needed scale. Nevertheless, this unique setup for plot to small scale hydrological process research underlines the high potential of gravimetery and the benefit of a field deployment. The fourth and last part is dedicated to the evaluation of potential uncertainties arising from the processing of gravity observations. The gravimeter senses all mass variations in an integral way, with the gravitational attraction being directly proportional to the magnitude of the change and inversely proportional to the square of the distance of the change. Consequently, all gravity effects (for example, tides, atmosphere, non-tidal ocean loading, polar motion, global hydrology and local hydrology) are included in an aggregated manner. To isolate the signal components of interest for a particular investigation, all non-desired effects have to be removed from the observations. This process is called reduction. The large-scale effects (tides, atmosphere, non-tidal ocean loading and global hydrology) cannot be measured directly and global model data is used to describe and quantify each effect. Within the reduction process, model errors and uncertainties propagate into the residual, the result of the reduction. The focus of this part of the thesis is quantifying the resulting, propagated uncertainty for each individual correction. Different superconducting gravimeter installations were evaluated with respect to their topography, distance to the ocean and the climate regime. Furthermore, different time periods of aggregated gravity observation data were assessed, ranging from 1 hour up to 12 months. It was found that uncertainties were highest for a frequency of 6 months and smallest for hourly frequencies. Distance to the ocean influences the uncertainty of the non-tidal ocean loading component, while geographical latitude affects uncertainties of the global hydrological component. It is important to highlight that the resulting correction-induced uncertainties in the residual have the potential to mask the signal of interest, depending on the signal magnitude and its frequency. These findings can be used to assess the value of gravity data across a range of applications and geographic settings. In an overarching synthesis all results and findings are discussed with a general focus on their added value for bringing hydrogravimetric field research to a new level. The conceptual and applied methodological benefits for hydrological studies are highlighted. Within an outlook for future setups and study designs, it was once again shown what enormous potential is offered by gravimeters as hydrological field tools. N2 - Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann. Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von traditionellen hydrologischen Messinstrumenten um das Gebäude herum diese verhinderten natürlichen Prozesse beschreiben kann. Darauf folgend wird anhand eines erfolgreich getesteten Aufbaus eines Gravimeters außerhalb von einem Gebäude, also direkt im Gelände, demonstriert, was solch eine Außeninstallation für einen großen Vorteil für die hydrologische Feldforschung mit sich bringt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass dieser alternative Aufbau keinerlei Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Qualität, Rauschen oder Beherrschbarkeit von Umwelteinflüssen mit sich bringt, sondern vor allem die Empfindlichkeit für Messungen von Wassermassenänderungen in Oberflächennähe stark verbessert. Anhand eines Beregnungsexperiments auf der Fläche um dieses im Gelände installierten Gravimeters werden die Vorzüge der gravimetrischen Methode für die hydrologische Prozessforschung aufgezeigt. Verschiedene mögliche Ausbreitungen des verregneten Wassers im Untergrund können mittels dieser Methode charakterisiert und identifiziert werden. Im letzten Teil wird das Problem von Unsicherheiten besprochen, die aus der notwendigen Datenbearbeitung resultieren. Um die gravimetrischen Beobachtungen auf die Anteile zu reduzieren, die innerhalb einer Studie betrachtet werden sollen, müssen alle Komponenten die das Gravimeter misst, die aber die hydrologische Interpretation stören, beseitigt werden. Dabei handelt es sich vor allem um globale Komponenten wie Gezeiten, Luftdruckschwankungen, Gezeiten-unabhängige Meeresströmungen und globale Hydrologie. Es wird untersucht, welche Unsicherheiten bei deren Korrektur auftreten, wenn verschiedene Zeitintervalle von zu beobachtenden hydrologischen Signalen vorherrschen. Alle gewonnenen Resultate und Erfahrungen werden in einer gesamtheitlichen Betrachtung dahingehend diskutiert, wie die hydrogravimetrische Methode aufgrund dieser neuen Erkenntnisse verbessert und vorangebracht werden konnte. KW - hydrology KW - gravimetry KW - hydrogravimetry KW - fieldwork KW - hydrological modelling KW - geophysical methods KW - Feldarbeit KW - geophysikalische Methoden KW - Gravimetrie KW - Hydrogravimetrie KW - hydrologische Modellierung KW - Hydrologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604794 ER - TY - THES A1 - Pons, Michaël T1 - The Nature of the tectonic shortening in Central Andes T1 - Die Beschaffenheit der tektonischen Verkürzung in den Zentralanden N2 - The Andean Cordillera is a mountain range located at the western South American margin and is part of the Eastern- Circum-Pacific orogenic Belt. The ~7000 km long mountain range is one of the longest on Earth and hosts the second largest orogenic plateau in the world, the Altiplano-Puna plateau. The Andes are known as a non-collisional subduction-type orogen which developed as a result of the interaction between the subducted oceanic Nazca plate and the South American continental plate. The different Andean segments exhibit along-strike variations of morphotectonic provinces characterized by different elevations, volcanic activity, deformation styles, crustal thickness, shortening magnitude and oceanic plate geometry. Most of the present-day elevation can be explained by crustal shortening in the last ~50 Ma, with the shortening magnitude decreasing from ~300 km in the central (15°S-30°S) segment to less than half that in the southern part (30°S-40°S). Several factors were proposed that might control the magnitude and acceleration of shortening of the Central Andes in the last 15 Ma. One important factor is likely the slab geometry. At 27-33°S, the slab dips horizontally at ~100 km depth due to the subduction of the buoyant Juan Fernandez Ridge, forming the Pampean flat-slab. This horizontal subduction is thought to influence the thermo-mechanical state of the Sierras Pampeanas foreland, for instance, by strengthening the lithosphere and promoting the thick-skinned propagation of deformation to the east, resulting in the uplift of the Sierras Pampeanas basement blocks. The flat-slab has migrated southwards from the Altiplano latitude at ~30 Ma to its present-day position and the processes and consequences associated to its passage on the contemporaneous acceleration of the shortening rate in Central Andes remain unclear. Although the passage of the flat-slab could offer an explanation to the acceleration of the shortening, the timing does not explain the two pulses of shortening at about 15 Ma and 4 Ma that are suggested from geological observations. I hypothesize that deformation in the Central Andes is controlled by a complex interaction between the subduction dynamics of the Nazca plate and the dynamic strengthening and weakening of the South American plate due to several upper plate processes. To test this hypothesis, a detailed investigation into the role of the flat-slab, the structural inheritance of the continental plate, and the subduction dynamics in the Andes is needed. Therefore, I have built two classes of numerical thermo-mechanical models: (i) The first class of models are a series of generic E-W-oriented high-resolution 2D subduction models thatinclude flat subduction in order to investigate the role of the subduction dynamics on the temporal variability of the shortening rate in the Central Andes at Altiplano latitudes (~21°S). The shortening rate from the models was then validated with the observed tectonic shortening rate in the Central Andes. (ii) The second class of models are a series of 3D data-driven models of the present-day Pampean flat-slab configuration and the Sierras Pampeanas (26-42°S). The models aim to investigate the relative contribution of the present-day flat subduction and inherited structures in the continental lithosphere on the strain localization. Both model classes were built using the advanced finite element geodynamic code ASPECT. The first main finding of this work is to suggest that the temporal variability of shortening in the Central Andes is primarily controlled by the subduction dynamics of the Nazca plate while it penetrates into the mantle transition zone. These dynamics depends on the westward velocity of the South American plate that provides the main crustal shortening force to the Andes and forces the trench to retreat. When the subducting plate reaches the lower mantle, it buckles on it-self until the forced trench retreat causes the slab to steepen in the upper mantle in contrast with the classical slab-anchoring model. The steepening of the slab hinders the trench causing it to resist the advancing South American plate, resulting in the pulsatile shortening. This buckling and steepening subduction regime could have been initiated because of the overall decrease in the westwards velocity of the South American plate. In addition, the passage of the flat-slab is required to promote the shortening of the continental plate because flat subduction scrapes the mantle lithosphere, thus weakening the continental plate. This process contributes to the efficient shortening when the trench is hindered, followed by mantle lithosphere delamination at ~20 Ma. Finally, the underthrusting of the Brazilian cratonic shield beneath the orogen occurs at ~11 Ma due to the mechanical weakening of the thick sediments covered the shield margin, and due to the decreasing resistance of the weakened lithosphere of the orogen. The second main finding of this work is to suggest that the cold flat-slab strengthens the overriding continental lithosphere and prevents strain localization. Therefore, the deformation is transmitted to the eastern front of the flat-slab segment by the shear stress operating at the subduction interface, thus the flat-slab acts like an indenter that “bulldozes” the mantle-keel of the continental lithosphere. The offset in the propagation of deformation to the east between the flat and steeper slab segments in the south causes the formation of a transpressive dextral shear zone. Here, inherited faults of past tectonic events are reactivated and further localize the deformation in an en-echelon strike-slip shear zone, through a mechanism that I refer to as “flat-slab conveyor”. Specifically, the shallowing of the flat-slab causes the lateral deformation, which explains the timing of multiple geological events preceding the arrival of the flat-slab at 33°S. These include the onset of the compression and of the transition between thin to thick-skinned deformation styles resulting from the crustal contraction of the crust in the Sierras Pampeanas some 10 and 6 Myr before the Juan Fernandez Ridge collision at that latitude, respectively. N2 - Die Andenkordillere ist ein Gebirgszug am westlichen Rand Südamerikas und Teil des östlichen zirkumpazifischen Gebirgsgürtels. Der ~7000 km lange Gebirgszug ist einer der längsten der Erde und beherbergt mit dem Altiplano-Puna-Plateau das zweitgrößte orogenetische Plateau der Welt. Die Anden sind als nicht-kollisionsbedingtes Subduktionsgebirge bekannt, das durch die Wechselwirkung zwischen der subduzierten ozeanischen Nazca-Platte und der südamerikanischen Kontinentalplatte entstanden ist. Entlang des Höhenzugs der Anden lassen sich Segmente unterschiedlicher morphotektonischer Provinzen ausmachen, die durch Variationen in topographischer Höhe, vulkanischer Aktivität, Deformationsform, Krustendicke, Krustenverkürzung und ozeanischer Plattengeometrie gekennzeichnet sind. Der größte Teil der heutigen Hebung lässt sich durch die Krustenverkürzung der letzten 50 Mio. Jahre erklären, wobei das Ausmaß der Verkürzung von ca. 300 km im zentralen Segment (15°S-30°S) auf weniger als die Hälfte im südlichen Teil (30°S-40°S) abnimmt. Es wurden mehrere Faktoren vorgeschlagen, die das Ausmaß und die Beschleunigung der Verkürzung der zentralen Anden in den letzten 15 Mio. Jahren beeinflusst haben könnten. Ein wichtiger Faktor ist wahrscheinlich die Plattengeometrie. Durch die Subduktion des Juan-Fernandez-Rückens und dessen hohe Auftriebskraft fällt die Platte bei 27-33°S in ~100 km Tiefe horizontal ein und bildet den pampeanischen flat-slab. Es wird angenommen, dass die horizontale Subduktion den thermomechanischen Zustand des Sierras-Pampeanas-Vorlandes beeinflusst, indem sie beispielsweise die Lithosphäre stärkt und die dickschalige Verlagerung der Deformation nach Osten sowie die Hebung der kristallinen Basis der Sierras-Pampeanas fördert. Vor etwa 30 Mio. Jahren verschob sich der flat-slab von der geographischen Breite des Altiplano zu seiner heutigen Position nach Süden. Die mit der Positionsverlagerung verbundenen Prozesse und Folgen für die gleichzeitige Beschleunigung der Verkürzungsraten in den zentralen Anden sind noch immer unklar. Obwohl die Passage des flat-slab eine Erklärung für dafür sein könnte, erklärt ihr Zeitpunkt nicht die beiden aus der Geologie abgeleiteten Verkürzungsimpulse vor etwa 15 und 4 Mio. Jahren. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Deformation in den zentralen Anden durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Subduktionsdynamik der Nazca-Platte und der dynamischen Materialschwächung der südamerikanischen Platte aufgrund einer Reihe von Prozessen in der oberen Platte gesteuert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, ist eine detaillierte Untersuchung der Rolle des flat-slab, sowie der strukturellen Vererbung der Kontinentalplatte und der Subduktionsdynamik in den Anden erforderlich. Daher habe ich zwei Klassen von numerischen thermomechanischen Modellen erstellt: (i) Die erste Klasse von Modellen umfasst eine Reihe von generischen E-W-orientierten 2D-Subduktionsmodellen mit hoher Auflösung. Diese beinhalten subhorizontalen Subduktion um die Rolle der Subduktionsdynamik auf die zeitliche Variabilität der Verkürzungsrate in den zentralen Anden auf dem Altiplano (~21°S) zu untersuchen. Die modellierte Verkürzungsrate wurde mit der beobachteten tektonischen Verkürzungsrate in den zentralen Anden validiert. (ii) Die zweite Klasse von Modellen besteht aus einer Reihe von datengesteuerten 3D-Modellen der heutigen pampeanischen flat-slab-Konfiguration und der Sierras Pampeanas (26-42°S). Diese Modelle zielen darauf ab, den relativen Beitrag der heutigen subhorizontalen Subduktion und der ererbten Strukturen in der kontinentalen Lithosphäre zur Dehnungslokalisierung zu untersuchen. Beide Modellklassen wurden mit Hilfe des fortschrittlichen geodynamischen Finite-Elemente-Codes ASPECT erstellt. Das erste Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass zeitliche Änderungen der Verkürzung in den Zentralanden in erster Linie durch die Subduktionsdynamik der Nazca-Platte gesteuert werden, während diese in die Mantelübergangszone eindringt. Die Dynamik hängt von der westwärts gerichteten Geschwindigkeit der südamerikanischen Platte ab, die die Hauptantriebskraft für die Krustenverkürzung in den Anden darstellt und den Subduktionsgraben zum Zurückziehen zwingt. Wenn die subduzierende Platte den unteren Erdmantel erreicht, wölbt sie sich auf, bis der erzwungene Rückzug des Grabens dazu führt, dass auch die Platte im oberen Erdmantel steiler wird. Die aufgesteilte Platte behindert wiederum den Graben, der sich der vorrückenden südamerikanischen Platte widersetzt, was eine pulsierende Verkürzung zur Folge hat. Dieses Subduktionsregime, bestehend aus Aufwölbung und Aufsteilung, könnte durch die allgemeine westwärts gerichtete Geschwindigkeitsabnahme der südamerikanischen Platte ausgelöst worden sein. Der Durchgang des flat-slab ist zudem eine notwendige Bedingung, um die Verkürzung der Kontinentalplatte voran zu treiben, da subhorizontale Subduktion Teile der Mantellithosphäre abträgt und so die Kontinentalplatte schwächt. Dieser Prozess trägt somit zur effizienten Verkürzung bei während der Graben behindert wird und ist gefolgt von der Ablösung der Mantellithosphäre vor etwa 20 Mio. Jahren. Das Subduzieren des brasilianischen kratonischen Schildes unter das Orogen erfolgte schließlich vor etwa 11 Mio. Jahren aufgrund der mechanischen Schwächung der dicken Sedimentschicht, die den Schildrand bedeckte, sowie wegen des abnehmenden Widerstands der geschwächten Gebirgslithosphäre. Das zweite Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass der kalte flat-slab die darüber liegende kontinentale Lithosphäre stärkt und damit verhindert, dass sich Verformungen lokalisieren können. Daher wird die Deformation durch die an der Subduktionsfläche wirkende Scherspannung auf die östliche Front des flat-slab-Segments übertragen. Der flat-slab wirkt wie ein Eindringling, der die unter mantle-keel bekannte Anhäufung von abgelöstem Mantelmaterial beiseite schiebt. Der Versatz in der ostwärts gerichteten Deformationsausbreitung der flachen und der steileren Plattensegmenten im Süden führt zur Bildung einer transpressiven dextralen Scherungszone. Hier werden ererbte Verwerfungen vergangener tektonischer Ereignisse reaktiviert und helfen bei der Lokalisierung neuer Deformation in einer en-echelon-artigen Scherungszone. Dies geschieht durch einen Mechanismus, den ich als "flat-slab-Conveyor" bezeichne. Das laterale Zusammenschieben wird besonders durch das Flacherwerden des flat-slab beeinflusst, welches den Zeitpunkt mehrerer geologischer Ereignisse erklärt, die der Ankunft des flat-slab bei 33°S vorangehen. Dazu gehören der Beginn der Kompression und der Übergang von dünn- zu dickschaliger Deformation, die sich aus der Krustenkontraktion in den Sierras Pampeanas etwa 10 bzw. 6 Mio. Jahre vor der Kollision mit dem Juan-Fernandez-Rücken auf diesem Breitengrad ergaben. KW - Andes KW - Orogen KW - tectonics KW - Subduction KW - Deformation KW - Shortening KW - Flat subduction KW - Geodynamics KW - Altiplano KW - Puna KW - Sierras Pampeanas KW - Foreland KW - Altiplano KW - Anden KW - Deformation KW - Flache Subduktion KW - Vorland KW - Geodynamik KW - Orogen KW - Puna KW - Verkürzung KW - Sierras Pampeanas KW - Subduktion KW - Tektonik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600892 ER - TY - THES A1 - Illien, Luc T1 - Time-dependent properties of the shallow subsurface BT - groundwater and earthquake damage dynamics from seismic interferometry N2 - The shallow Earth’s layers are at the interplay of many physical processes: some being driven by atmospheric forcing (precipitation, temperature...) whereas others take their origins at depth, for instance ground shaking due to seismic activity. These forcings cause the subsurface to continuously change its mechanical properties, therefore modulating the strength of the surface geomaterials and hydrological fluxes. Because our societies settle and rely on the layers hosting these time-dependent properties, constraining the hydro-mechanical dynamics of the shallow subsurface is crucial for our future geographical development. One way to investigate the ever-changing physical changes occurring under our feet is through the inference of seismic velocity changes from ambient noise, a technique called seismic interferometry. In this dissertation, I use this method to monitor the evolution of groundwater storage and damage induced by earthquakes. Two research lines are investigated that comprise the key controls of groundwater recharge in steep landscapes and the predictability and duration of the transient physical properties due to earthquake ground shaking. These two types of dynamics modulate each other and influence the velocity changes in ways that are challenging to disentangle. A part of my doctoral research also addresses this interaction. Seismic data from a range of field settings spanning several climatic conditions (wet to arid climate) in various seismic-prone areas are considered. I constrain the obtained seismic velocity time-series using simple physical models, independent dataset, geophysical tools and nonlinear analysis. Additionally, a methodological development is proposed to improve the time-resolution of passive seismic monitoring. N2 - Die oberflächennahen Erdschichten sind ein Zusammenspiel vieler physikalischer Prozesse: Einige werden durch atmosphärische Einflüsse (Niederschlag, Temperatur...) angetrieben, während andere ihren Ursprung im Untergrund haben, beispielsweise Bodenerschütterungen aufgrund seismischer Aktivität. Diese Kräfte führen zu sich ständig ändernden mechanische Eigenschaften des Untergrunds, und damit auch Änderungen der Festigkeit der Geomaterialien der Oberfläche, sowie der Wasserflüsse. Als Gesellschaft leben wir auf der Erdoberfläche, und sind auf diese zeitabhängigen Eigenschaften angewiesen. Für unsere zukünftige, geographische Entwicklung ist es daher essentiell, die hydromechanischen Dynamiken des flachen Untergrunds zu verstehen. Eine Möglichkeit, die sich stetig ändernden physikalischen Eigenschaften unter unseren Füßen zu untersuchen, ist die Ableitung seismischer Geschwindigkeitsänderungen aus dem Umgebungslärm, mit Hilfe einer Technik namens seismische Interferometrie. In dieser Dissertation verwende ich diese Methode, um die Entwicklung der Grundwasserspeicherung, sowie durch Erdbeben verursachte Schäden zu untersuchen. Es werden zwei Forschungslinien untersucht, diese umfassen die Hauptkontrollen der Grundwasserneubildung in steilen Landschaften und die Vorhersagbarkeit und Dauer der transienten physikalischen Eigenschaften aufgrund von Erdbebenerschütterungen. Beide Dynamiken beeinflussen sich gegenseitig, sowie die Geschwindigkeitsänderungen im Untergrund in einer Weise, die schwer zu entschlüsseln ist. Ein Teil dieser Doktorarbeit behandelt daher auch diese Wechselwirkung. Wir verwenden seismische Daten, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (feuchtes bis trockenes Klima) in mehreren, seismisch gefährdeten Gebieten erhoben wurden. Die gewonnenen seismischen Geschwindigkeitszeitreihen werden mit Hilfe einfacher, physikalischer Modelle, unabhängiger Datensätze, geophysikalischer Instrumente und nichtlinearer Analysen untersucht. Darüber hinaus wird eine methodische Entwicklung vorgeschlagen, um die zeitliche Auflösung des passiven, seismischen Monitorings zu verbessern. KW - seismology KW - seismic noise KW - mountain hydrology KW - earthquake damage KW - geomechanics KW - geophysics KW - Erdbebenschäden KW - Geomechanik KW - Geophysik KW - Gebirgshydrologie KW - seismisches Rauschen KW - Seismologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599367 ER - TY - THES A1 - Libon, Lélia T1 - Stability of magnesite in the Earth lower mantle: insight from high-pressure and high-temperature experiments N2 - Carbonates carried in subducting slabs may play a major role in sourcing and storing carbon in the deep Earth’s interior. Current estimates indicate that between 40 to 66 million tons of carbon per year enter subduction zones, but it is uncertain how much of it reaches the lower mantle. It appears that most of this carbon might be extracted from subducting slabs at the mantle wedge and only a limited amount continues deeper and eventually reaches the deep mantle. However, estimations on deeply subducted carbon broadly range from 0.0001 to 52 million tons of carbon per year. This disparity is primarily due to the limited understanding of the survival of carbonate minerals during their transport to deep mantle conditions. Indeed, carbon has very low solubility in mantle silicates, therefore it is expected to be stored primarily in accessory phases such as carbonates. Among those carbonates, magnesite (MgCO3), as a single phase, is the most stable under all mantle conditions. However, experimental investigation on the stability of magnesite in contact with SiO2 at lower mantle conditions suggests that magnesite is stable only along a cold subducted slab geotherm. Furthermore, our understanding of magnesite’s stability when interacting with more complex mantle silicate phases remains incomplete. In the first part of this dissertation, laser-heated diamond anvil cells and multi-anvil apparatus experiments were performed to investigate the stability of magnesite in contact with iron-bearing mantle silicates. Sub-solidus reactions, melting, decarbonation and diamond formation were examined from shallow to mid-lower mantle conditions (25 to 68 GPa; 1300 to 2000 K). Multi-anvil experiments at 25 GPa show the formation of carbonate-rich melt, bridgmanite, and stishovite with melting occurring at a temperature corresponding to all geotherms except the coldest one. In situ X-ray diffraction, in laser-heating diamond anvil cells experiments, shows crystallization of bridgmanite and stishovite but no melt phase was detected in situ at high temperatures. To detect decarbonation phases such as diamond, Raman spectroscopy was used. Crystallization of diamonds is observed as a sub-solidus process even at temperatures relevant and lower than the coldest slab geotherm (1350 K at 33 GPa). Data obtained from this work suggest that magnesite is unstable in contact with the surrounding peridotite mantle in the upper-most lower mantle. The presence of magnesite instead induces melting under oxidized conditions and/or foster diamond formation under more reduced conditions, at depths ∼700 km. Consequently, carbonates will be removed from the carbonate-rich slabs at shallow lower mantle conditions, where subducted slabs can stagnate. Therefore, the transport of carbonate to deeper depths will be restricted, supporting the presence of a barrier for carbon subduction at the top of the lower mantle. Moreover, the reduction of magnesite, forming diamonds provides additional evidence that super-deep diamond crystallization is related to the reduction of carbonates or carbonated-rich melt. The second part of this dissertation presents the development of a portable laser-heating system optimized for X-ray emission spectroscopy (XES) or nuclear inelastic scattering (NIS) spectroscopy with signal collection at near 90◦. The laser-heated diamond anvil cell is the only static pressure device that can replicate the pressure and temperatures of the Earth’s lower mantle and core. The high temperatures are reached by using high-powered lasers focused on the sample contained between the diamond anvils. Moreover, diamonds’ transparency to X-rays enables in situ X-ray spectroscopy measurements that can probe the sample under high-temperature and high-pressure conditions. Therefore, the development of portable laser-heating systems has linked high-pressure and temperature research with high-resolution X-ray spectroscopy techniques to synchrotron beamlines that do not have a dedicated, permanent, laser-heating system. A general description of the system is provided, as well as details on the use of a parabolic mirror as a reflective imaging objective for on-axis laser heating and radiospectrometric temperature measurements with zero attenuation of incoming X-rays. The parabolic mirror improves the accuracy of temperature measurements free from chromatic aberrations in a wide spectral range and its perforation permits in situ X-rays measurement at synchrotron facilities. The parabolic mirror is a well-suited alternative to refractive objectives in laser heating systems, which will facilitate future applications in the use of CO2 lasers. N2 - Karbonate, die von subduzierenden Platten mitgeführt werden, könnten eine wichtige Rolle bei der Transport und Speicherung von Kohlenstoff im tiefen Erdinneren spielen. Aktuellen Schätzungen zufolge gelangen pro Jahr zwischen 40 und 66 Millionen Tonnen Kohlenstoff über Subduktionszonen ins Erdinnere, aber es ist unbekannt, wie viel davon den unteren Erdmantel erreicht. Es gibt Hinweise darauf, dass der größte Teil dieses Kohlenstoffs aus den subduzierenden Platten am Mantelkeil extrahiert wird und nur eine begrenzte Menge den tiefen Erdmantel erreicht. Die Schätzungen über tief subduzierten Kohlenstoff reichen von 0,0001 bis 52 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Diese Diskrepanz ist in erster Linie auf das begrenzte Wissen über die Stabilität von Karbonatmineralen während ihres Transports in den tiefen Erdmantel zurückzuführen. In der Tat hat Kohlenstoff eine sehr geringe Löslichkeit in Mantelsilikaten, daher wird erwartet, dass er hauptsächlich in akzessorischen Phasen wie Karbonaten gespeichert wird. Unter diesen Karbonaten nur Magnesit (MgCO3) ist unter allen Mantelbedingungen stabil. Experimentelle Untersuchungen über die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit SiO2 bei niedrigeren Mantelbedingungen legen jedoch nahe, dass Magnesit nur entlang einer kalten subduzierten Plattengeotherme stabil ist. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente unter Verwendung der laserbeheizten Diamantstempelzellen und Vielstempel-Pressen durchgeführt, um die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit eisenhaltigen Mantelsilikaten bei Bedingungen im unteren Mantel zu untersuchen. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Daten legen nahe, dass Magnesit im Kontakt mit dem umgebenden Peridotitmantel im oberen Teil des unteren Mantel instabil ist. Das Vorhandensein von Magnesit induziert stattdessen das Schmelzen unter oxidierten Bedingungen und/oder fördert die Bildung von Diamanten unter reduzierten Bedingungen in einer Tiefe von ~700 km. Infolgedessen werden die Karbonate aus den Platten entfernt und nicht in größere Tiefen transportiert, was für das Vorhandensein einer Barriere für die Kohlenstoffsubduktion an der Spitze des unteren Mantels spricht. Darüber hinaus liefert die Reduktion von Magnesit, aus der Diamanten entstehen, einen zusätzlichen Beweis dafür, dass die Kristallisation von Diamanten in großer Tiefe mit der Reduktion von Karbonaten oder karbonatreicher Schmelze zusammenhängt. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Entwicklung eines portabel Laserheizsystems vorgestellt, das für die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und die Spektroskopie mit nuklearer inelastischer Streuung (NIS) optimiert ist. Das Signal kann hierbei aus einer Diamantstempelzellein einem Winkel von nahezu 90◦ gesammelt werden. Die laserbeheizte Diamantstempelzelle ist das einzige statische Druckgerät, das den Druck und die Temperaturen des unteren Erdmantels und des Erdkerns erzeugenkann. Die hohen Temperaturen werden durch den Einsatz von Hochleistungslasern erreicht, die auf die Probe gerichtet sind, welche sich zwischen den Diamantstempeln befindet. Darüber hinaus ermöglicht die Transparenz von Diamanten im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung in-situ röntgenspektroskopische Messungen, mit denen die Probe unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen untersucht werden kann. Um hierbei ausreichende Intensitäten im ausgehenden Signal zu erreichen, wurde das portabel Laserheizsystem für den Einsatz an Synchrotronanlagen konzipiert, die über keine eigenen Laserheizanlagen für Diamantstempelzellen verfügen. Beschrieben wird der allgemeine Aufbau des Systems. Außerdem werden Einzelheiten der Verwendung eines Parabolspiegels als reflektivem abbildenden Objektivs für die Laserheizung dargelegt. Der Parabolspiegel ist eine gut geeignete Alternative zu refraktiven Objektiven in Laserheizsystemen und wird künftige Anwendungen beim Einsatz von CO2-Lasern erleichtern. KW - deep carbon KW - magnesite KW - laser heating KW - diamond anvil cells KW - lower mantle KW - carbonate stability KW - Karbonat-Stabilität KW - tiefer Kohlenstoff KW - Diamantstempelzellen KW - Laserheizsystem KW - unterer Mantel KW - Magnesit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604616 ER - TY - THES A1 - Li, Zhen T1 - Formation of Sub-Permafrost Methane Hydrate Reproduced by Numerical Modeling BT - Insights from LArge-scale Reservoir Simulator (LARS) to Mallik Site, Canadian Arctic N2 - Natural gas hydrates are ice-like crystalline compounds containing water cavities that trap natural gas molecules like methane (CH4), which is a potent greenhouse gas with high energy density. The Mallik site at the Mackenzie Delta in the Canadian Arctic contains a large volume of technically recoverable CH4 hydrate beneath the base of the permafrost. Understanding how the sub-permafrost hydrate is distributed can aid in searching for the ideal locations for deploying CH4 production wells to develop the hydrate as a cleaner alternative to crude oil or coal. Globally, atmospheric warming driving permafrost thaw results in sub-permafrost hydrate dissociation, releasing CH4 into the atmosphere to intensify global warming. It is therefore crucial to evaluate the potential risk of hydrate dissociation due to permafrost degradation. To quantitatively predict hydrate distribution and volume in complex sub-permafrost environments, a numerical framework was developed to simulate sub-permafrost hydrate formation by coupling the equilibrium CH4-hydrate formation approach with a fluid flow and transport simulator (TRANSPORTSE). In addition, integrating the equations of state describing ice melting and forming with TRANSPORTSE enabled this framework to simulate the permafrost evolution during the sub-permafrost hydrate formation. A modified sub-permafrost hydrate formation mechanism for the Mallik site is presented in this study. According to this mechanism, the CH4-rich fluids have been vertically transported since the Late Pleistocene from deep overpressurized zones via geologic fault networks to form the observed hydrate deposits in the Kugmallit–Mackenzie Bay Sequences. The established numerical framework was verified by a benchmark of hydrate formation via dissolved methane. Model calibration was performed based on laboratory data measured during a multi-stage hydrate formation experiment undertaken in the LArge scale Reservoir Simulator (LARS). As the temporal and spatial evolution of simulated and observed hydrate saturation matched well, the LARS model was therefore validated. This laboratory-scale model was then upscaled to a field-scale 2D model generated from a seismic transect across the Mallik site. The simulation confirmed the feasibility of the introduced sub-permafrost hydrate formation mechanism by demonstrating consistency with field observations. The 2D model was extended to the first 3D model of the Mallik site by using well-logs and seismic profiles, to investigate the geologic controls on the spatial hydrate distribution. An assessment of this simulation revealed the hydraulic contribution of each geological element, including relevant fault networks and sedimentary sequences. Based on the simulation results, the observed heterogeneous distribution of sub-permafrost hydrate resulted from the combined factors of the source-gas generation rate, subsurface temperature, and the permeability of geologic elements. Analysis of the results revealed that the Mallik permafrost was heated by 0.8–1.3 °C, induced by the global temperature increase of 0.44 °C and accelerated by Arctic amplification from the early 1970s to the mid-2000s. This study presents a numerical framework that can be applied to study the formation of the permafrost-hydrate system from laboratory to field scales, across timescales ranging from hours to millions of years. Overall, these simulations deepen the knowledge about the dominant factors controlling the spatial hydrate distribution in sub-permafrost environments with heterogeneous geologic elements. The framework can support improving the design of hydrate formation experiments and provide valuable contributions to future industrial hydrate exploration and exploitation activities. N2 - Gashydrate sind eisähnliche kristalline Verbindungen, die Moleküle wie Methan (CH4) in Hohlräumen einschließen. Die Mallik-Lagerstätte im Mackenzie-Delta in der kanadischen Arktis enthält ein großes Volumen an technisch förderbarem CH4-Hydrat unter dem Permafrostboden. Das Verständnis, wie die Hydrate verteilt sind, kann bei der Suche nach idealen Standorten für Förderbohrungen zu ihrer Erschließung als saubere Alternative zu Erdöl oder Kohle helfen. Weltweit führt die Erwärmung der Atmosphäre zum Auftauen des Permafrosts und zur Zersetzung der Hydrate, wodurch CH4 in die Atmosphäre freigesetzt und die globale Erwärmung verstärkt wird. Es ist also entscheidend, das potenzielle Risiko der Hydratauflösung aufgrund der Permafrostdegradation zu bewerten. Um die Verteilung und das Volumen von Hydraten in komplexen Sub-Permafrost Umgebungen quantitativ vorherzusagen, wurde ein numerischer Ansatz zur Simulation entwickelt. Hierzu wurde der Gleichgewichtsansatz für die CH4-Hydratbildung mit einem Strömungs- und Transportsimulator (TRANSPORTSE) kombiniert. Die zusätzliche Integrierung der Zustandsgleichungen, die das Schmelzen und die Bildung von Eis beschreiben, ermöglichte die Simulation der Permafrostentwicklung während der Hydratbildung. Für den Standort Mallik wird ein modifizierter Bildungsmechanismus in dieser Studie beschrieben. Demzufolge wurden die CH4-reichen Fluide seit dem späten Pleistozän aus tiefen Überdruckszonen vertikal über geologische Verwerfungssysteme transportiert, und haben die Hydratvorkommen gebildet. Der numerische Ansatz wurde anhand eines Benchmarks zur Hydratbildung verifiziert. Messdaten eines mehrstufigen Hydratbildungsexperiments im LArge scale Reservoir Simulator (LARS) dienten zur Kalibrierung. Basierend auf der guten Übereinstimmung zwischen der simulierten und beobachteten Hydratsättigung, wurde das LARS-Modell validiert. Im Anschluss erfolgte die Übertragung auf ein 2D-Modell im Feldmaßstab, das mithilfe einer seismischen Transekte durch den Mallik-Standort erstellt wurde. Die Übereinstimmung mit den Feldbeobachtungen bestätigte den beschriebenen Mechanismus zur Hydratbildung unterhalb des Permafrosts. Das 2D-Modell wurde basierend auf Bohrlochprotokollen und seismischen Profilen zum ersten 3D-Modell des Mallik-Standorts erweitert, um die geologischen Einflüsse auf die Hydratverteilung zu untersuchen. Die Auswertung verdeutlichte den Beitrag jedes geologischen Elements zum hydraulischen System, einschließlich relevanter Verwerfungssysteme und sedimentärer Abfolgen. Die beobachtete heterogene räumliche Verteilung der Hydrate ist auf die Gasproduktionsrate der Quelle, die Untergrundtemperatur und die Durchlässigkeit der geologischen Einheiten zurückzuführen. Die Analyse der Ergebnisse ergab, dass der Mallik-Permafrost um 0,8–1,3 °C erwärmt wurde, was durch den globalen Temperaturanstieg von 0,44 °C verursacht und durch die sogenannte polare Verstärkung seit Anfang der 1970er bis Mitte der 2000er Jahre beschleunigt wurde. Der in dieser Studie entwickelte numerische Ansatz zur Bildung von Permafrost-Hydrat-Systemen kann vom Labor- bis zum Feldmaßstab und über Zeitskalen von Stunden bis zu Millionen von Jahren angewendet werden. Mit den Simulationen konnten die dominierenden Faktoren identifiziert werden, welche die räumliche Hydratverteilung in Umgebungen mit heterogenen geologischen Strukturen steuern. Der Ansatz kann die Planung von Hydratbildungsexperimenten verbessern und einen wertvollen Beitrag für zukünftige industrielle Hydraterkundungen- und -erschließungen leisten. T2 - Bildung von Sub-Permafrost-Methanhydraten dargestellt durch numerische Modellierung: Erkenntnisse aus dem LArge-sclae Reservoir Simulator (LARS), angewandt auf den Mallik-Standort, Kanadische Arktis KW - methane hydrate KW - geologic fault KW - numerical simulation KW - hydrate formation KW - climate change KW - Mackenzie Delta KW - Mackenzie-Delta KW - Klimawandel KW - geologische Verwerfung KW - Hydratbildung KW - Methanhydrat KW - numerische Simulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603302 ER - TY - THES A1 - Olivotos, Spyros-Christos T1 - Reconstructing the Landscape Evolution of South Central Africa by Surface Exposure Dating of Waterfalls N2 - The East African Rift System (EARS) is a significant example of active tectonics, which provides opportunities to examine the stages of continental faulting and landscape evolution. The southwest extension of the EARS is one of the most significant examples of active tectonics nowadays, however, seismotectonic research in the area has been scarce, despite the fundamental importance of neotectonics. Our first study area is located between the Northern Province of Zambia and the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. Lakes Mweru and Mweru Wantipa are part of the southwest extension of the EARS. Fault analysis reveals that, since the Miocene, movements along the active Mweru-Mweru Wantipa Fault System (MMFS) have been largely responsible for the reorganization of the landscape and the drainage patterns across the southwestern branch of the EARS. To investigate the spatial and temporal patterns of fluvial-lacustrine landscape development, we determined in-situ cosmogenic 10Be and 26Al in a total of twenty-six quartzitic bedrock samples that were collected from knickpoints across the Mporokoso Plateau (south of Lake Mweru) and the eastern part of the Kundelungu Plateau (north of Lake Mweru). Samples from the Mporokoso Plateau and close to the MMFS provide evidence of temporary burial. By contrast, surfaces located far from the MMFS appear to have remained uncovered since their initial exposure as they show consistent 10Be and 26Al exposure ages ranging up to ~830 ka. Reconciliation of the observed burial patterns with morphotectonic and stratigraphic analysis reveals the existence of an extensive paleo-lake during the Pleistocene. Through hypsometric analyses of the dated knickpoints, the potential maximum water level of the paleo-lake is constrained to ~1200 m asl (present lake lavel: 917 m asl). High denudation rates (up to ~40 mm ka-1) along the eastern Kundelungu Plateau suggest that footwall uplift, resulting from normal faulting, caused river incision, possibly controlling paleo-lake drainage. The lake level was reduced gradually reaching its current level at ~350 ka. Parallel to the MMFS in the north, the Upemba Fault System (UFS) extends across the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. This part of our research is focused on the geomorphological behavior of the Kiubo Waterfalls. The waterfalls are the currently active knickpoint of the Lufira River, which flows into the Upemba Depression. Eleven bedrock samples along the Lufira River and its tributary stream, Luvilombo River, were collected. In-situ cosmogenic 10Be and 26Al were used in order to constrain the K constant of the Stream Power Law equation. Constraining the K constant allowed us to calculate the knickpoint retreat rate of the Kiubo Waterfalls at ~0.096 m a-1. Combining the calculated retreat rate of the knickpoint with DNA sequencing from fish populations, we managed to present extrapolation models and estimate the location of the onset of the Kiubo Waterfalls, revealing its connection to the seismicity of the UFS. N2 - Die südwestliche Ausdehnung des Ostafrikanischen Grabenbruchsystems (East African Rift System, EARS) ist eines der bedeutendsten Beispiele aktiver Tektonik heutzutage, welches die Möglichkeit bietet, die Phasen der kontinentalen Verwerfung und der Landschaftsentwicklung zu untersuchen. Allerdings ist seismotektonische Forschung in diesem Gebiet trotz der fundamentalen Bedeutung der Neotektonik nur in geringem Umfang durchgeführt worden. Unser erstes Untersuchungsgebiet befindet sich zwischen der Nordprovinz Sambias und der Provinz Katanga im südöstlichen Teil der Demokratischen Republik Kongo. Die Seen Mweru und Mweru Wantipa sind Teil der südwestlichen Ausdehnung des EARS. Verwerfungsanalysen zeigen, dass seit dem Miozän Bewegungen entlang des aktiven Mweru–Mweru-Wantipa-Verwerfungssystems (MMFS) maßgeblich für die Reorganisation der Landschaft und der Entwässerungsmuster im südwestlichen Zweig des EARS verantwortlich sind. Um die räumlichen und zeitlichen Muster der fluvial-lakustrischen Landschaftsentwicklung zu untersuchen, haben wir in-situ kosmogenes 10Be und 26Al in insgesamt sechsundzwanzig Quarzit-Grundgesteinsproben bestimmt, die vorwiegend von Knickpunkten auf dem Mporokoso-Plateau (südlich des Mweru-Sees) und dem östlichen Teil des Kundelungu-Plateaus (nördlich des Mweru-Sees) gesammelt wurden. Proben vom Mporokoso-Plateau aus der Nähe des MMFS liefern Hinweise auf eine temporäre Bedeckung. Im Gegensatz dazu scheinen Oberflächen, die weit vom MMFS entfernt liegen, seit ihrer ersten Freilegung unbedeckt geblieben zu sein, da sie konsistente 10Be- und 26Al-Freilegungsalter bis zu ~830 ka aufweisen. Der Abgleich der beobachteten Bedeckungsmuster mit morphotektonischen und stratigraphischen Analysen zeigt die Existenz eines ausgedehnten Paläosees während des Pleistozäns. Durch hypsometrische Analysen der datierten Knickpunkte wird der potentielle maximale Wasserstand des Paläosees auf ~1200 m (heutige Seehöhe: 917 m) eingegrenzt. Hohe Denudationsraten (bis zu ~40 mm ka-1) entlang des östlichen Kundelungu-Plateaus deuten darauf hin, dass die durch normale Verwerfungen hervorgerufene Hebung des Fußes einen Flusseinschnitt verursachte, der möglicherweise die Entwässerung des Paläosees kontrollierte. Der Seespiegel wurde allmählich abgesenkt und erreichte sein heutiges Niveau bei ~350 ka. Parallel zum MMFS im Norden erstreckt sich das Upemba-Verwerfungssystem (UFS) über die südöstliche Katanga-Provinz der Demokratischen Republik Kongo. Dort konzentriert sich unsere Forschung auf das geomorphologische Verhalten der Kiubo-Wasserfälle. Diese Fälle sind der derzeit aktive Knickpunkt des Lufira-Flusses, der in die Upemba-Senke mündet. Elf Gesteinsproben entlang des Lufira-Flusses und seines Nebenflusses, des Luvilombo-Flusses, wurden gesammelt. In-situ kosmogenes 10Be und 26Al wurden verwendet, um die K-Konstante der „Strom-Power-Law“-Gleichung einzuschränken. Die Eingrenzung der K-Konstante ermöglichte uns die Berechnung der Rückzugsrate der Kiubo-Wasserfälle auf ~0,096 m a-1. Durch die Kombination der berechneten Rückzugsrate des Knickpunkts mit der DNA-Sequenzierung von Fischpopulationen konnten wir Extrapolationsmodelle formulieren und den Entstehungsort der Kiubo-Wasserfälle abschätzen. Diese Abschätzung legt einen Zusammenhang mit der Seismizität der UFS nahe. T2 - Rekonstruktion der Landschaftsentwicklung im südlichen Zentralafrika durch Datierung der Oberflächenexposition von Wasserfällen KW - Quaternary KW - paleo-lake Mweru KW - East African Rift System KW - Knickpoint KW - Geochronology KW - Cosmogenic nuclides KW - Landscape Evolution KW - Neotectonics KW - Knickpoint retreat KW - Stream Power Law KW - Kosmogene Nuklide KW - Ostafrikanisches Grabensystem KW - Geochronologie KW - Knickpunkt KW - Knickpunkt-Rückzug KW - Landschaftsentwicklung KW - Neotektonik KW - Quartär KW - Paläo-See Mweru Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601699 ER - TY - THES A1 - Rembe, Johannes T1 - Hercynian to Eocimmerian evolution of the North Pamir in Central Asia T1 - Herzynische bis früh-kimmerische Entwicklung des Nordpamirs in Zentralasien N2 - The North Pamir, part of the India-Asia collision zone, essentially formed during the late Paleozoic to late Triassic–early Jurassic. Coeval to the subduction of the Turkestan ocean—during the Carboniferous Hercynian orogeny in the Tien Shan—a portion of the Paleo-Tethys ocean subducted northward and lead to the formation and obduction of a volcanic arc. This Carboniferous North Pamir arc is of Andean style in the western Darvaz segment and trends towards an intraoceanic arc in the eastern, Oytag segment. A suite of arc-volcanic rocks and intercalated, marine sediments together with intruded voluminous plagiogranites (trondhjemite and tonalite) and granodiorites was uplifted and eroded during the Permian, as demonstrated by widespread sedimentary unconformities. Today it constitutes a major portion of the North Pamir. In this work, the first comprehensive Uranium-Lead (U-Pb) laser-ablation inductively-coupled-plasma mass-spectrometry (LA-ICP-MS) radiometric age data are presented along with geochemical data from the volcanic and plutonic rocks of the North Pamir volcanic arc. Zircon U-Pb data indicate a major intrusive phase between 340 and 320 Ma. The magmatic rocks show an arc-signature, with more primitive signatures in the Oytag segment compared to the Darvaz segment. Volcanic rocks in the Chinese North Pamir were indirectly dated by determining the age of ocean floor alteration. We investigate calcite filled vesicles and show that oxidative sea water and the basaltic host rock are major trace element sources. The age of ocean floor alteration, within a range of 25 Ma, constrains the extrusion age of the volcanic rocks. In the Chinese Pamir, arc-volcanic basalts have been dated to the Visean-Serpukhovian boundary. This relates the North Pamir volcanic arc to coeval units in the Tien Shan. Our findings further question the idea of a continuous Tarim-Tajik continent in the Paleozoic. From the Permian (Guadalupian) on, a progressive sea-retreat led to continental conditions in the northeastern Pamir. Large parts of Central Asia were affected by transcurrent tectonics, while subduction of the Paleo-Tethys went on south of the accreted North Pamir arc, likely forming an accretionary wedge, representing an early stage of the later Karakul-Mazar tectonic unit. Graben systems dissected the Permian carbonate platforms, that formed on top of the uplifted Carboniferous arc in the central and western North Pamir. A continental graben formed in the eastern North Pamir. Zircon U-Pb dating suggest initiation of volcanic activity at ~260 Ma. Extensional tectonics prevailed throughout the Triassic, forming the Hindukush-North Pamir rift system. New geochemistry and zircon U-Pb data tie volcanic rocks, found in the Chinese Pamir, to coeval arc-related plutonic rocks found within the Karakul-Mazar arc-accretionary complex. The sedimentary environment in the continental North Pamir rift evolved from an alluvial plain, lake dominated environment in the Guadalupian to a coarser-clastic, alluvial, braided river dominated in the Triassic. Volcanic activity terminated in the early Jurassic. We conducted Potassium-Argon (K-Ar) fine-fraction dating on the Shala Tala thrust fault, a major structure juxtaposing Paleozoic marine units of lower greenschist to amphibolite facies conditions against continental Permian deposits. Fault slip under epizonal conditions is dated to 204.8 ± 3.7 Ma (2σ), implying Rhaetian nappe emplacement. This pinpoints the Central–North Pamir collision, since the Shala Tala thrust was a back-thrust at that time. N2 - Der Nordpamir, ein Teil der Kollisionszone zwischen Indien und Asien, bildete sich im Wesentlichen zwischen dem oberen Paläozoikum und der Trias–Jura Grenze. Zeitgleich mit der Subduktion des Turkestan-Ozeans—während der herzynischen Orogenese im heutigen Tien-Shan-Gebirge—subduzierte ein Teil der Paläotethys. Dies führte im Verlauf des Karbons zur Bildung und im Perm zur Obduktion eines Vulkan- bzw. Inselbogens. Dieser karbonische Vulkanbogen des Nordpamirs kann in einen westlichen Teil mit andinem Aufbau (Darvaz-Segment) und einen intraozeanischen östlichen Teil (Oytag-Segment) eingeteilt werden. Eine Abfolge aus Vulkaniten und zwischengeschalteten, marinen Sedimenten, zusammen mit in diese Folge intrudierten Plagiograniten (Trondhjemit und Tonalit) sowie Granodioriten, wurde während des Perms gehoben und erodiert. Dies wird durch weit verbreitete Sedimentationslücken im Nord Pamir belegt. In dieser Arbeit werden erstmals umfassende Uran-Blei Isotopen (U-Pb) Altersdaten (basierend auf Laserablation mit induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektroskopie) und geochemische Daten der Vulkanite und Plutonite des karbonischen Vulkanbogens des Nordpamirs präsentiert. Die U-Pb Zirkonalter zeigen für die Plutonite eine Hauptintrusionsphase zwischen 340 Ma und 320 Ma. Sowohl die untersuchten Vulkanite als auch die Plutonite zeigen eine Inselbogensignatur. Dabei weisen die Magmatite des östlichen Oytag-Segmentes primitivere geochemische Eigenschaften als gleichalte Gesteine des Darvaz-Segmentes auf. Um das Alter der kaum datierten mafischen Vulkanite des Inselbogens genauer eingrenzen zu können, wurden während der Ozeanbodenmetamorphose gebildete Kalzite untersucht. Ausgehend von der Annahme, dass die in Hohlräumen der Basalte ausgebildeten Sekundärminerale in einem Zeitraum von etwa 25 Ma nach dem Austreten der Vulkanite entstehen, weisen diese auf ein viséisches bis serpukhovische Alter hin. Oxidatives Meerwasser und das basaltische Umgebungsgestein sind dabei Quellen der in den Kalziten eingebauten Spurenelemente. Die Untersuchungsergebnisse stellen eine geodynamische Beziehung des Vulkanbogens des Nordpamirs mit gleichalten Inselbogenkomplexen des Tien-Shan her. Des Weiteren stellen sie die Kontinuität kontinentaler Kruste zwischen Tarim und Karakum-Kraton im Paläozoikum in Frage. Ab dem Perm setzte ein fortschreitender Rückzug des Meeres in der Region ein. Dies führte zu Erosion und kontinentalen Ablagerungsbedingungen im nordöstlichen Pamir spätestens ab dem Guadalupium (oberes Mittelperm). Das tektonische Regime Zentralasiens wurde im Perm durch Transversalverschiebungen und damit einhergehender Transpressions- und Transtensionstektonik bestimmt. Gleichzeitig dauerte die Subduktion der Paleotethys in Richtung Norden an. Dabei bildete sich schon im Perm ein Akkretionskeil—ein frühes Stadium des kimmerisch geprägten Karakul-Mazar Komplexes. Während des Perms zerschnitten Grabenstrukturen Teile der Karbonatplattform im zentralen und westlichen Nordpamir und formten ein kontinentales Grabensystem im nordöstlichen Pamir. Neue U-Pb Altersuntersuchungen an Zirkonen zeigen ein Einsetzen vulkanischer Aktivität vor etwa 260 Ma. Dehnungstektonik war auch während der Trias vorherrschend. Infolgedessen entwickelte sich das Hindukusch-Nordpamir-Rift-System. Zirkon U-Pb Altersdaten und Gesamtgesteinsgeochemie der triassischen Vulkanite der Riftbeckenablagerungen im Chinesischen Nordpamir stellen einen engen Zusammenhang zu zeitgleich intrudierenden, triassischen Plutoniten des Karakul-Mazar Akkretionskeils her. Das Ablagerungsmilieu des untersuchten Abschnitts des kontinentalen Beckens war im Guadalupium durch Schwemmebenen und Seen bestimmt. Es entwickelte sich zu einem von gröber-klastischen Schwemmfächern dominierten Ablagerungsraum während der Trias. Die vulkanische Aktivität endete während des Trias-Jura Übergangs. Kalium-Argon (K-Ar) Altersdatierungen an Ton-Feinfraktionen einer großen Deckenüberschiebung (Shala-Tala-Überschiebung) belegen eine teilweise Schließung des nordöstlichen Hindukusch-Nordpamir-Riftbeckens in der ausgehenden Trias. Entlang der Shala-Tala-Überschiebung werden Paleozoische, marine Sedimentgesteine der unteren Grünschiefer- bis Amphibolitfazies gegen anchizonale, kontinentale Ablagerungen des Perms versetzt. Überschiebungsbewegungen unter epizonalen Bedingungen werden auf 204.8 ± 3.7 Ma (2σ) datiert. Dies gibt einen genauen Zeitmarker für die Kollision von Zentral und Nord Pamir, da sich ab diesem Zeitpunkt große Rücküberschiebungen bilden konnten. KW - geochronology KW - geochemistry KW - Pamir KW - Cimmerian orogeny KW - Hercynian orogeny KW - Central Asia KW - Zentralasien KW - kimmerische Orogenese KW - herzynische Orogenese KW - Pamir KW - Geochemie KW - Geochronologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-597510 ER - TY - THES A1 - Ribacki, Enrico T1 - Intra-granitic pegmatites of the Las Chacras-Potrerillos batholith, Argentina Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Gómez Zapata, Juan Camilo T1 - Towards unifying approaches in exposure modelling for scenario-based multi-hazard risk assessments N2 - This cumulative thesis presents a stepwise investigation of the exposure modelling process for risk assessment due to natural hazards while highlighting its, to date, not much-discussed importance and associated uncertainties. Although “exposure” refers to a very broad concept of everything (and everyone) that is susceptible to damage, in this thesis it is narrowed down to the modelling of large-area residential building stocks. Classical building exposure models for risk applications have been constructed fully relying on unverified expert elicitation over data sources (e.g., outdated census datasets), and hence have been implicitly assumed to be static in time and in space. Moreover, their spatial representation has also typically been simplified by geographically aggregating the inferred composition onto coarse administrative units whose boundaries do not always capture the spatial variability of the hazard intensities required for accurate risk assessments. These two shortcomings and the related epistemic uncertainties embedded within exposure models are tackled in the first three chapters of the thesis. The exposure composition of large-area residential building stocks is studied on the scope of scenario-based earthquake loss models. Then, the proposal of optimal spatial aggregation areas of exposure models for various hazard-related vulnerabilities is presented, focusing on ground-shaking and tsunami risks. Subsequently, once the experience is gained in the study of the composition and spatial aggregation of exposure for various hazards, this thesis moves towards a multi-hazard context while addressing cumulative damage and losses due to consecutive hazard scenarios. This is achieved by proposing a novel method to account for the pre-existing damage descriptions on building portfolios as a key input to account for scenario-based multi-risk assessment. Finally, this thesis shows how the integration of the aforementioned elements can be used in risk communication practices. This is done through a modular architecture based on the exploration of quantitative risk scenarios that are contrasted with social risk perceptions of the directly exposed communities to natural hazards. In Chapter 1, a Bayesian approach is proposed to update the prior assumptions on such composition (i.e., proportions per building typology). This is achieved by integrating high-quality real observations and then capturing the intrinsic probabilistic nature of the exposure model. Such observations are accounted as real evidence from both: field inspections (Chapter 2) and freely available data sources to update existing (but outdated) exposure models (Chapter 3). In these two chapters, earthquake scenarios with parametrised ground motion fields were transversally used to investigate the role of such epistemic uncertainties related to the exposure composition through sensitivity analyses. Parametrised scenarios of seismic ground shaking were the hazard input utilised to study the physical vulnerability of building portfolios. The second issue that was investigated, which refers to the spatial aggregation of building exposure models, was investigated within two decoupled vulnerability contexts: due to seismic ground shaking through the integration of remote sensing techniques (Chapter 3); and within a multi-hazard context by integrating the occurrence of associated tsunamis (Chapter 4). Therein, a careful selection of the spatial aggregation entities while pursuing computational efficiency and accuracy in the risk estimates due to such independent hazard scenarios (i.e., earthquake and tsunami) are discussed. Therefore, in this thesis, the physical vulnerability of large-area building portfolios due to tsunamis is considered through two main frames: considering and disregarding the interaction at the vulnerability level, through consecutive and decoupled hazard scenarios respectively, which were then contrasted. Contrary to Chapter 4, where no cumulative damages are addressed, in Chapter 5, data and approaches, which were already generated in former sections, are integrated with a novel modular method to ultimately study the likely interactions at the vulnerability level on building portfolios. This is tested by evaluating cumulative damages and losses after earthquakes with increasing magnitude followed by their respective tsunamis. Such a novel method is grounded on the possibility of re-using existing fragility models within a probabilistic framework. The same approach is followed in Chapter 6 to forecast the likely cumulative damages to be experienced by a building stock located in a volcanic multi-hazard setting (ash-fall and lahars). In that section, special focus was made on the manner the forecasted loss metrics are communicated to locally exposed communities. Co-existing quantitative scientific approaches (i.e., comprehensive exposure models; explorative risk scenarios involving single and multiple hazards) and semi-qualitative social risk perception (i.e., level of understanding that the exposed communities have about their own risk) were jointly considered. Such an integration ultimately allowed this thesis to also contribute to enhancing preparedness, science divulgation at the local level as well as technology transfer initiatives. Finally, a synthesis of this thesis along with some perspectives for improvement and future work are presented. N2 - Diese kumulative Diplomarbeit stellt eine schrittweise Untersuchung des Expositionsmodellierungsprozesses für die Risikobewertung durch Naturgefahren dar und weist auf seine bisher wenig diskutierte Bedeutung und die damit verbundenen Unsicherheiten hin. Obwohl sich „Exposition“ auf einen sehr weiten Begriff von allem (und jedem) bezieht, der für Schäden anfällig ist, wird er in dieser Arbeit auf die Modellierung von großräumigen Wohngebäudebeständen eingeengt. Klassische Gebäudeexpositionsmodelle für Risikoanwendungen wurden vollständig auf der Grundlage unbestätigter Expertenerhebungen über Datenquellen (z. B. veraltete Volkszählungsdatensätze) erstellt und wurden daher implizit als zeitlich und räumlich statisch angenommen. Darüber hinaus wurde ihre räumliche Darstellung typischerweise auch vereinfacht, indem die abgeleitete Zusammensetzung geografisch auf grobe Verwaltungseinheiten aggregiert wurde, deren Grenzen nicht immer die räumliche Variabilität der Gefahrenintensitäten erfassen, die für genaue Risikobewertungen erforderlich sind. Diese beiden Mängel und die damit verbundenen epistemischen Unsicherheiten, die in Expositionsmodellen eingebettet sind, werden in den ersten drei Kapiteln der Dissertation verfolgt. Die Exposure-Zusammensetzung von großflächigen Wohngebäudebeständen wird im Rahmen szenariobasierter Erdbebenschadenmodelle untersucht. Anschließend wird der Vorschlag optimaler räumlicher Aggregationsbereiche von Expositionsmodellen für verschiedene gefahrenbezogene Anfälligkeiten präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf Bodenerschütterungs- und Tsunami-Risiken liegt. Anschließend, sobald die Erfahrung in der Untersuchung der Zusammensetzung und räumlichen Aggregation der Exposition für verschiedene Gefahren gesammelt wurde, bewegt sich diese Arbeit in Richtung eines Kontextes mit mehreren Gefahren, während sie sich mit kumulativen Schäden und Verlusten aufgrund aufeinanderfolgender Gefahrenszenarien befasst. Dies wird erreicht, indem eine neuartige Methode vorgeschlagen wird, um die bereits bestehenden Schadensbeschreibungen an Gebäudeportfolios als Schlüsseleingabe für die Berücksichtigung einer szenariobasierten Multi-Risiko-Bewertung zu berücksichtigen. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie die Integration der oben genannten Elemente in der Risikokommunikation genutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine modulare Architektur, die auf der Untersuchung quantitativer Risikoszenarien basiert, die mit der sozialen Risikowahrnehmung der direkt von Naturgefahren betroffenen Gemeinschaften kontrastiert werden. In Kapitel 1 wird ein bayesianischer Ansatz vorgeschlagen, um die früheren Annahmen zu einer solchen Zusammensetzung (d. h. Anteile pro Gebäudetypologie) zu aktualisieren. Dies wird erreicht, indem hochwertige reale Beobachtungen integriert und dann die intrinsische Wahrscheinlichkeitsnatur des Expositionsmodells erfasst wird. Solche Beobachtungen werden sowohl aus Feldbegehungen (Kapitel 2) als auch aus frei verfügbaren Datenquellen zur Aktualisierung bestehender (aber veralteter) Expositionsmodelle (Kapitel 3) als echte Beweise gewertet. In diesen beiden Kapiteln wurden Erdbebenszenarien mit parametrisierten Bodenbewegungsfeldern transversal verwendet, um die Rolle solcher epistemischen Unsicherheiten in Bezug auf die Expositionszusammensetzung durch Sensitivitätsanalysen zu untersuchen. Parametrisierte Szenarien seismischer Bodenerschütterungen waren der Gefahreneingang, der verwendet wurde, um die physische Anfälligkeit von Gebäudeportfolios zu untersuchen. Das zweite untersuchte Problem, das sich auf die räumliche Aggregation von Gebäudeexpositionsmodellen bezieht, wurde in zwei entkoppelten Vulnerabilitätskontexten untersucht: durch seismische Bodenerschütterungen durch die Integration von Fernerkundungstechniken (Kapitel 3); und innerhalb eines Multi-Hazard-Kontextes durch Einbeziehung des Auftretens assoziierter Tsunamis (Kapitel 4). Darin wird eine sorgfältige Auswahl der räumlichen Aggregationseinheiten bei gleichzeitigem Streben nach Recheneffizienz und Genauigkeit bei den Risikoschätzungen aufgrund solcher unabhängiger Gefahrenszenarien (d. h. Erdbeben und Tsunami) diskutiert. Daher wird in dieser Arbeit die physische Vulnerabilität von großen Gebäudeportfolios durch Tsunamis durch zwei Hauptrahmen betrachtet: Berücksichtigung und Nichtberücksichtigung der Wechselwirkung auf der Vulnerabilitätsebene, durch aufeinanderfolgende bzw. entkoppelte Gefahrenszenarien, die dann gegenübergestellt wurden. Im Gegensatz zu Kapitel 4, wo keine kumulativen Schäden angesprochen werden, werden in Kapitel 5 Daten und Ansätze, die bereits in früheren Abschnitten generiert wurden, mit einer neuartigen modularen Methode integriert, um letztendlich die wahrscheinlichen Wechselwirkungen auf der Schwachstellenebene beim Aufbau von Portfolios zu untersuchen. Dies wird getestet, indem kumulative Schäden und Verluste nach Erdbeben mit zunehmender Magnitude gefolgt von den jeweiligen Tsunamis bewertet werden. Eine solche neuartige Methode basiert auf der Möglichkeit, bestehende Fragilitätsmodelle innerhalb eines probabilistischen Rahmens wiederzuverwenden. Derselbe Ansatz wird in Kapitel 6 verfolgt, um die wahrscheinlichen kumulativen Schäden zu prognostizieren, denen ein Gebäudebestand ausgesetzt sein wird, der sich in einer vulkanischen Umgebung mit mehreren Gefahren (Aschefall und Lahare) befindet. In diesem Abschnitt wurde besonderes Augenmerk auf die Art und Weise gelegt, wie die prognostizierten Verlustmetriken an lokal exponierte Gemeinden kommuniziert werden. Koexistierende quantitative wissenschaftliche Ansätze (d. h. umfassende Expositionsmodelle; explorative Risikoszenarien mit Einzel- und Mehrfachgefahren) und semiqualitative soziale Risikowahrnehmung (d. h. Grad des Verständnisses, das die exponierten Gemeinschaften über ihr eigenes Risiko haben) wurden gemeinsam berücksichtigt. Eine solche Integration ermöglichte es dieser Arbeit schließlich auch, zur Verbesserung der Bereitschaft, der wissenschaftlichen Verbreitung auf lokaler Ebene sowie zu Technologietransferinitiativen beizutragen. Abschließend wird eine Zusammenfassung dieser These zusammen mit einigen Perspektiven für Verbesserungen und zukünftige Arbeiten präsentiert. KW - exposure KW - multi-hazard KW - risk analysis KW - risk communication KW - uncertainty analysis KW - tsunami risk KW - spatial aggregation KW - seismic risk KW - Expositionsmodellen KW - Multi-Hazard KW - Risikoanalyse KW - Risikokommunikation KW - seismisches Risiko KW - räumliche Aggregation KW - Tsunami-Risiko KW - Unsicherheitsanalyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586140 ER - TY - THES A1 - Zuhr, Alexandra T1 - Proxy signal formation in palaeoclimate archives T1 - Proxy-Signalbildung in Paläoklimaarchiven BT - a characterisation of climate signal deposition and modification in marine sediments and polar ice BT - eine Charakterisierung der Ablagerung und Veränderung von Klimasignalen in Meeressedimenten und Polarem Ei N2 - Throughout the last ~3 million years, the Earth's climate system was characterised by cycles of glacial and interglacial periods. The current warm period, the Holocene, is comparably stable and stands out from this long-term cyclicality. However, since the industrial revolution, the climate has been increasingly affected by a human-induced increase in greenhouse gas concentrations. While instrumental observations are used to describe changes over the past ~200 years, indirect observations via proxy data are the main source of information beyond this instrumental era. These data are indicators of past climatic conditions, stored in palaeoclimate archives around the Earth. The proxy signal is affected by processes independent of the prevailing climatic conditions. In particular, for sedimentary archives such as marine sediments and polar ice sheets, material may be redistributed during or after the initial deposition and subsequent formation of the archive. This leads to noise in the records challenging reliable reconstructions on local or short time scales. This dissertation characterises the initial deposition of the climatic signal and quantifies the resulting archive-internal heterogeneity and its influence on the observed proxy signal to improve the representativity and interpretation of climate reconstructions from marine sediments and ice cores. To this end, the horizontal and vertical variation in radiocarbon content of a box-core from the South China Sea is investigated. The three-dimensional resolution is used to quantify the true uncertainty in radiocarbon age estimates from planktonic foraminifera with an extensive sampling scheme, including different sample volumes and replicated measurements of batches of small and large numbers of specimen. An assessment on the variability stemming from sediment mixing by benthic organisms reveals strong internal heterogeneity. Hence, sediment mixing leads to substantial time uncertainty of proxy-based reconstructions with error terms two to five times larger than previously assumed. A second three-dimensional analysis of the upper snowpack provides insights into the heterogeneous signal deposition and imprint in snow and firn. A new study design which combines a structure-from-motion photogrammetry approach with two-dimensional isotopic data is performed at a study site in the accumulation zone of the Greenland Ice Sheet. The photogrammetry method reveals an intermittent character of snowfall, a layer-wise snow deposition with substantial contributions by wind-driven erosion and redistribution to the final spatially variable accumulation and illustrated the evolution of stratigraphic noise at the surface. The isotopic data show the preservation of stratigraphic noise within the upper firn column, leading to a spatially variable climate signal imprint and heterogeneous layer thicknesses. Additional post-depositional modifications due to snow-air exchange are also investigated, but without a conclusive quantification of the contribution to the final isotopic signature. Finally, this characterisation and quantification of the complex signal formation in marine sediments and polar ice contributes to a better understanding of the signal content in proxy data which is needed to assess the natural climate variability during the Holocene. N2 - Während der letzten ~3 Millionen Jahre war das Klimasystem der Erde durch Zyklen von Glazialen und Interglazialen gekennzeichnet. Die aktuelle Warmperiode, das Holozän, ist vergleichsweise stabil und hebt sich von dieser langen Zyklizität ab. Seit der industriellen Revolution wird das Klima jedoch zunehmend durch einen vom Menschen verursachten Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen beeinflusst. Während instrumentelle Beobachtungen die Veränderungen der letzten ~200 Jahre beschreiben können, liefern Proxydaten die meisten klimatischen Informationen für den Zeitraum vor diesen Beobachtungen. Proxies zeichnen vergangene Klimabedingungen auf und sind in Paläoklimaarchiven rund um die Erde gespeichert. Das Proxysignal wird durch eine Vielzahl an Prozessen beeinflusst, die unabhängig von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen sind. Insbesondere bei sedimentären Archiven wie Meeressedimenten und Eisschilden kann es während oder nach der Ablagerung zu einer Umverteilung des Materials und einer Änderung des Signals kommen. Dies führt zu nicht-klimatischen Unsicherheiten in den Daten, was zuverlässige Rekonstruktionen auf lokalen oder kurzen zeitlichen Skalen erschwert. Diese Dissertation charakterisiert die Ablagerung des Klimasignals und quantifiziert die daraus resultierende archiv-interne Heterogenität und ihren Einfluss auf das beobachtete Proxysignal, um die Repräsentativität und Interpretation von Klimarekonstruktionen aus marinen Sedimenten und Eiskernen zu verbessern. Zu diesem Zweck wird die horizontale und vertikale Variabilität des Radiokarbongehalts in einem Sedimentkern aus dem Südchinesischen Meer untersucht. Die dreidimensionale Auflösung des Kastenbohrers wird genutzt, um die tatsächliche Unsicherheit in Alterabschätzung von planktonische Foraminiferen mittels der Radiokarbonmethode zu quantifizieren. Mit Hilfe von verschiedene Probenvolumina und wiederholten Messungen von kleinen und großen Anzahlen an Lebewesen wird eine Quantifizierung der Variabilität, die auf die Durchmischung des Sediments durch benthische Organismen zurückzuführen ist, durchgeführt. Die Durchmischung der Sedimente verursacht eine starke interne Heterogenität, was zu Fehlertermen, die zwei bis fünf Mal größer sind als bisher angenommen, und einer erheblichen zeitlichen Unsicherheit von Rekonstruktionen basierend auf Proxydaten führt. Eine zweite dreidimensionale Analyse liefert Einblicke in die heterogene Signalablagerung in Schnee und Firn. Hierzu wird ein neues Studiendesign in der Akkumulationszone des grönländischen Eisschilds angewandt, wobei ein Structure-from-Motion Photogrammetrie Ansatz mit zweidimensionalen Isotopendaten kombiniert wird. Die photogrammetrische Methode zeigt, dass die Akkumulation von Schnee sehr variable ist. Die Entwicklung der Schneeablagerung an der Oberfläche erfolgt primär schichtweise mit erheblichen Veränderungen durch eine windgestriebene Erosion und Umverteilung des Schnees. Diese Dynamik führt zu einer räumlich variablen Akkumulation und sratigraphischem Rauschens an der Oberfläche. Die heterogene Akkumulation bestimmt die räumliche Ablagerung der klimatischen Informationen, die in der Isotopenzusammensetzung des Schness enthalten ist. Stratigraphische Rauschen der Oberfläche bleibt in der oberen Firnsäule erhalten, was zu einem räumlich variablen Signaleindruck führt. Weiterhin werden zusätzliche Veränderungen nach der Ablagerung durch Austauschprozesse zwischen dem Schnee und der Atmosphäre untersucht, jedoch ohne eine schlüssige Quantifizierung dieses Beitrags zur endgültigen Isotopensignatur. Die Charakterisierung und Quantifizierung der komplexen und heterogenen Signalbildung in marinen Sedimenten und Gletschereis verbessert letztlich das Verständnis des Signalgehalts in Proxydaten und trägt dazu bei, die natürliche Klimavariabilität des Holozäns besser abzuschätzen. KW - polar ice KW - marine sediments KW - palaeoclimatology KW - signal formation KW - climatolgoy KW - Klimatologie KW - Meeressedimente KW - Paläoklimatologie KW - polares Eis KW - Signalbildung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582864 ER - TY - THES A1 - Tella, Timothy Oluwatobi T1 - Exploring the roles of sediment production by Photozoan and Heterozoan biotas on the evolution of carbonate system geometries through forward modelling T1 - Untersuchung der Rolle der Sedimentproduktion durch Photozoen- und Heterozoenbiotope bei der Entwicklung der Geometrie von Karbonatsystemen durch Vorwärtsmodellierung BT - examples from Mallorca and Menorca N2 - The role of biogenic carbonate producers in the evolution of the geometries of carbonate systems has been the subject of numerous research projects. Attempts to classify modern and ancient carbonate systems by their biotic components have led to the discrimination of biogenic carbonate producers broadly into Photozoans, which are characterised by an affinity for warm tropical waters and high dependence on light penetration, and Heterozoans which are generally associated with both cool water environments and nutrient-rich settings with little to no light penetration. These broad categories of carbonate sediment producers have also been recognised to dominate in specific carbonate systems. Photozoans are commonly dominant in flat-topped platforms with steep margins, while Heterozoans generally dominate carbonate ramps. However, comparatively little is known on how these two main groups of carbonate producers interact in the same system and impact depositional geometries responding to changes in environmental conditions such as sea level fluctuation, antecedent slope, sediment transport processes, etc. This thesis presents numerical models to investigate the evolution of Miocene carbonate systems in the Mediterranean from two shallow marine domains: 1) a Miocene flat-topped platform dominated by Photozoans, with a significant component of Hetrozoans in the slope and 2) a Heterozoan distally steepened ramp, with seagrass-influenced (Photozoan) inner ramp. The overarching aim of the three articles comprising this cumulative thesis is to provide a numerical study of the role of Photozoans and Heterozoans in the evolution of carbonate system geometries and how these biotas respond to changes in environmental conditions. This aim was achieved using stratigraphic forward modelling, which provides an approach to quantitatively integrate multi-scale datasets to reconstruct sedimentary processes and products during the evolution of a sedimentary system. In a Photozoan-dominated carbonate system, such as the Miocene Llucmajor platform in Western Mediterranean, stratigraphic forward modelling dovetailed with a robust set of sensitivity tests reveal how the geometry of the carbonate system is determined by the complex interaction of Heterozoan and Photozoan biotas in response to variable conditions of sea level fluctuation, substrate configuration, sediment transport processes and the dominance of Photozoan over Heterozoan production. This study provides an enhanced understanding of the different carbonate systems that are possible under different ecological and hydrodynamic conditions. The research also gives insight into the roles of different biotic associations in the evolution of carbonate geometries through time and space. The results further show that the main driver of platform progradation in a Llucmajor-type system is the lowstand production of Heterozoan sediments, which form the necessary substratum for Photozoan production. In Heterozoan systems, sediment production is mainly characterised by high transport deposits, that are prone to redistribution by waves and gravity, thereby precluding the development of steep margins. However, in the Menorca ramp, the occurrence of sediment trapping by seagrass led to the evolution of distal slope steepening. We investigated, through numerical modelling, how such a seagrass-influenced ramp responds to the frequency and amplitude of sea level changes, variable carbonate production between the euphotic and oligophotic zone, and changes in the configuration of the paleoslope. The study reinforces some previous hypotheses and presents alternative scenarios to the established concepts of high-transport ramp evolution. The results of sensitivity experiments show that steep slopes are favoured in ramps that develop in high-frequency sea level fluctuation with amplitudes between 20 m and 40 m. We also show that ramp profiles are significantly impacted by the paleoslope inclination, such that an optimal antecedent slope of about 0.15 degrees is required for the Menorca distally steepened ramp to develop. The third part presents an experimental case to argue for the existence of a Photozoan sediment threshold required for the development of steep margins in carbonate platforms. This was carried out by developing sensitivity tests on the forward models of the flat-topped (Llucmajor) platform and the distally steepened (Menorca) platform. The results show that models with Photozoan sediment proportion below a threshold of about 40% are incapable of forming steep slopes. The study also demonstrates that though it is possible to develop steep margins by seagrass sediment trapping, such slopes can only be stabilized by the appropriate sediment fabric and/or microbial binding. In the Photozoan-dominated system, the magnitude of slope steepness depends on the proportion of Photozoan sediments in the system. Therefore, this study presents a novel tool for characterizing carbonate systems based on their biogenic components. N2 - Die Rolle von biogenen Karbonatproduzenten bei der Ausbildung der Geometrien von Karbonatablagerungen war bereits Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten. Bisherige Versuche, moderne und alte Karbonatsysteme anhand ihrer biotischen Komponenten zu klassifizieren, führten dazu, dass biogene Karbonatproduzenten generell unterschieden werden in Photozoen, welche sich durch eine starke Neigung zu warmen, tropischen Gewässern und eine hohe Abhängigkeit von der Lichtdurchflutung auszeichnen, und in Heterozoen, die im Allgemeinen mit kühlen Wasserumgebungen mit wenig bis gar keiner Lichtdurchflutung assoziiert werden. Dabei wurde auch festgestellt, dass diese beiden Haupttypen von Karbonatproduzenten in bestimmten Karbonatsystemen dominierend sind. Photozoen sind in der Regel auf Karbonatplattformen mit flachem Oberbereich und steilen Rändern vorherrschend, während Heterozoen generell in Karbonatrampen dominieren. Allerdings herrscht immer noch große Unkenntnis darüber, wie diese Karbonatsysteme und ihre Geometrien auf Veränderungen der Umweltbedingungen, wie z. B. Schwankungen des Meeresspiegels, vorherige Geometrien der Karbonatablagerungen, Prozesse des Sedimenttransports, usw., reagieren. In dieser Dissertation werden numerische Modelle vorgestellt, mit Hilfe derer die Entwicklung miozäner Karbonatsysteme im Mittelmeerraum anhand des Beispiels zweier Flachwasserbereiche untersucht werden: 1) eine miozäne Plattform mit flachem Oberbereich, die von Photozoen dominiert wird, und 2) eine von Seegras beeinflusste und distal steil abfallende Rampe die von Heterozoen dominiert wird. Das übergeordnete Ziel der drei wissenschaftlichen Publikationen, aus denen diese kumulative Dissertation aufgebaut ist, beinhaltet die numerische Analyse der Rolle von Photozoen und Heterozoen bei der Entwicklung der Geometrien von Karbonatsystem, und die anschließende Auswertung, wie diese Biotope auf Veränderungen der Umweltbedingungen reagieren. Dies wurde mit Hilfe der stratigraphischen Vorwärtsmodellierung realisiert, welche einen methodologischen Ansatz zur quantitativen Integration von Datensätzen unterschiedlichster Größenordnungen bietet, um sedimentäre Prozesse und deren Produkte im Laufe der Entwicklung eines Sedimentsystems zu rekonstruieren. In einem von Photozoen dominierten Karbonatsystem, wie das der miozänen Llucmajor-Plattform im westlichen Mittelmeerraum, zeigt die stratigraphische Vorwärtsmodellierung in Übereinstimmung mit belastbaren Daten, die aus einer umfangreichen Reihe von Sensitivitätstests gewonnen wurden, wie die Geometrie des untersuchten Karbonatsystems durch die komplexe Interaktion von photozoischen und heterozoischen Biotopen als Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen wie Meeresspiegelschwankungen, Struktur des Substrates, Prozesse der Sedimentation und die Dominanz von Photozoen gegenüber Heterozoen bestimmt wird. Diese Analyse führt zu einem erweiterten Verständnis über den Aufbau und die Entwicklung der verschiedenen Arten von Karbonatsystemen, die unter den jeweiligen ökologischen und hydrodynamischen Umgebungsbedingungen potenziell möglich sind. Zusätzlich bieten die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsergebnisse neue Einblicke über die Rolle der verschiedenen biologischen Vergesellschaftungen bei der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Geometrie eines karbonatischen Flachwasserablagerungsraums. Außerdem konnte bewiesen werden, dass der Hauptfaktor, der für die Progradation einer Plattform des Llucmajortypus verantwortlich ist, die Karbonatproduktion durch Heterozoen während der ´lowstand´- Phase ist, wodurch sich das Substrat bildet, welches für die Karbonatproduktion durch Photozoen notwendig ist. In heterozoischen Systemen ist die Sedimentproduktion vor allem durch Prozesse mit hoher Transportdynamik gekennzeichnet, und unterliegt einer Sedimentumverteilung, die durch Wellenbewegungen und gravitative Prozesse ausgelöst wird, wodurch das Ausbilden steiler Plattformränder verhindert wird. In der Karbonatrampe von Menorca jedoch führte das Vorkommen von Sedimentablagerungen, die durch Seegras stabilisiert wurden, zur Versteilerung des distalen Bereichs der Karbonatrampe. Mit Hilfe numerischer Modelle wurde untersucht, wie eine solche von Seegras beeinflusste Rampe auf die Frequenz und Amplitude von Meeresspiegelschwankungen, auf die unterschiedlich ausgeprägte Karbonatproduktion innerhalb der euphotischen und der oligophotischen Zone, sowie auf Veränderungen in der Struktur der vorherigen Geometrie der Rampe, reagiert. Das Ergebnis dieser Analyse untermauert einige der früheren Hypothesen, bietet aber auch alternative Szenarien zu den bereits etablierten Konzepten der Entstehung und Entwicklung von Karbonatrampen, welche durch eine hohe Transportdynamik gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse der „Sensitivitätsanalysen“ zeigen, dass sich in einer Karbonatrampe bevorzugt steilere distalere Bereiche ausbilden, wenn die Entwicklung der Rampe durch hochfrequente Meeresspiegelschwankungen mit einer Amplitude zwischen 20 m bis 40 m geprägt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das Profil einer Rampe stark von der ursprünglichen Hangneigung beeinflusst wird, und ein optimaler Neigungswinkel des vorherigen Hanges von ungefähr 0.15 Grad benötigt wird, damit eine Rampe, wie die des Menorcatypus die im distalen Bereich steiler wird, sich ausbilden kann. Im dritten Teil der Dissertation wird ein experimentelles Fallbeispiel vorgestellt, welches Hinweise auf das Vorhandensein eines spezifischen Schwellenwerts innerhalb der photozoischen Karbonatproduktion liefert, der essenziell für die Entwicklung von steilen Plattformrändern ist. Zu diesem Zweck wurden Sensibilitätstests für die Vorwärtsmodelle der Plattform mit flacher Topografie des oberen Bereiches (Llucmajor) und der im distalen Bereich steiler werdenden Plattform (Menorca) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Modelle, die einen Anteil an von Photozoen produzierten Sedimenten aufweisen, der unter einem Schwellenwert von etwa 40 % liegt, nicht in der Lage sind, steile Plattformränder auszubilden. Diese Analyse beweist auch, dass es grundsätzlich möglich ist, steile Plattformränder durch die Stabilisierung durch Seegras, welches Sediment einfängt und aufnimmt, aufzubauen. Voraussetzung dafür ist allerdings das Vorhandensein einer geeigneten internen Sedimenttextur und/oder der Verfestigung der Sedimente durch mikrobielle Aktivität. In Systemen, die durch Photozoen dominiert werden, hängt die Größe des Hangneigungswinkel stark vom Anteil des innerhalb des Systems photozoisch produzierten Sediments ab. In dieser Arbeit wird deshalb eine neue Herangehensweise zur Charakterisierung von Karbonatsystemen eingeführt, die auf deren Inhalt an biogenen Komponenten beruht. KW - carbonate KW - sedimentology KW - stratigraphic forward modelling KW - Photozoan KW - Heterozoan KW - carbonate platforms KW - carbonate ramps KW - Distally steepened ramps KW - distal steil ansteigende Rampen KW - Heterozoikum KW - Photozoikum KW - Karbonat KW - Karbonatplattformen KW - Karbonatrampen KW - Sedimentologie KW - stratigraphische Vorwärtsmodellierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582257 ER - TY - THES A1 - Arboleda Zapata, Mauricio T1 - Adapted inversion strategies for electrical resistivity data to explore layered near-surface environments N2 - The electrical resistivity tomography (ERT) method is widely used to investigate geological, geotechnical, and hydrogeological problems in inland and aquatic environments (i.e., lakes, rivers, and seas). The objective of the ERT method is to obtain reliable resistivity models of the subsurface that can be interpreted in terms of the subsurface structure and petrophysical properties. The reliability of the resulting resistivity models depends not only on the quality of the acquired data, but also on the employed inversion strategy. Inversion of ERT data results in multiple solutions that explain the measured data equally well. Typical inversion approaches rely on different deterministic (local) strategies that consider different smoothing and damping strategies to stabilize the inversion. However, such strategies suffer from the trade-off of smearing possible sharp subsurface interfaces separating layers with resistivity contrasts of up to several orders of magnitude. When prior information (e.g., from outcrops, boreholes, or other geophysical surveys) suggests sharp resistivity variations, it might be advantageous to adapt the parameterization and inversion strategies to obtain more stable and geologically reliable model solutions. Adaptations to traditional local inversions, for example, by using different structural and/or geostatistical constraints, may help to retrieve sharper model solutions. In addition, layer-based model parameterization in combination with local or global inversion approaches can be used to obtain models with sharp boundaries. In this thesis, I study three typical layered near-surface environments in which prior information is used to adapt 2D inversion strategies to favor layered model solutions. In cooperation with the coauthors of Chapters 2-4, I consider two general strategies. Our first approach uses a layer-based model parameterization and a well-established global inversion strategy to generate ensembles of model solutions and assess uncertainties related to the non-uniqueness of the inverse problem. We apply this method to invert ERT data sets collected in an inland coastal area of northern France (Chapter~2) and offshore of two Arctic regions (Chapter~3). Our second approach consists of using geostatistical regularizations with different correlation lengths. We apply this strategy to a more complex subsurface scenario on a local intermountain alluvial fan in southwestern Germany (Chapter~4). Overall, our inversion approaches allow us to obtain resistivity models that agree with the general geological understanding of the studied field sites. These strategies are rather general and can be applied to various geological environments where a layered subsurface structure is expected. The flexibility of our strategies allows adaptations to invert other kinds of geophysical data sets such as seismic refraction or electromagnetic induction methods, and could be considered for joint inversion approaches. N2 - Die ERT-Methode (Electrical Resistivity Tomography) wird häufig zur Untersuchung geologischer, geotechnischer und hydrogeologischer Probleme im Binnenland und in Gewässern wie beispielsweise Seen, Flüssen oder dem Meer eingesetzt. Das Ziel der ERT-Methode ist es, zuverlässige Widerstandsmodelle des Untergrunds zu erhalten, die in Bezug auf die Struktur des Untergrundes und dessen petrophysikalischer Eigenschaften interpretiert werden können. Die Zuverlässigkeit der resultierenden Widerstandsmodelle hängt nicht nur von der Qualität der erfassten Daten ab, sondern auch von der angewendeten Inversionsstrategie. Die Inversion von ERT-Daten führt zu mehreren Lösungen, die die gemessenen Daten gleich gut erklären. Typische Inversionsansätze basieren auf verschiedenen deterministischen (lokalen) Strategien, die verschiedene Glättungs- und Dämpfungsstrategien berücksichtigen, um die Inversion zu stabilisieren. Diese Strategien haben jedoch den Nachteil, möglicherweise auftretende scharfe Grenzflächen zu verwischen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen der Untergrund durch Schichten mit scharfen Grenzflächen gekennzeichnet ist, die Schichten mit hohem Widerstandskontrast (z. B. bis zu mehreren Größenordnungen) voneinander trennen. Wenn Vorwissen (z. B. aus Aufschlüssen, Bohrungen oder anderen geophysikalischen Untersuchungen) auf scharfe Widerstandsvariationen hindeutet, kann es von Vorteil sein, die Parametrisierungs- und Inversionsstrategien anzupassen, um stabilere und geologisch zuverlässige Modelllösungen zu erhalten. Anpassungen traditioneller lokaler Inversionen, beispielweise durch die Verwendung verschiedener struktureller und/oder geostatistischer Bedingungen, können helfen, schärfere Modelllösungen zu erhalten. Zusätzlich kann eine schichtbasierte Modellparametrisierung in Kombination mit lokalen oder globalen Inversionsansätzen verwendet werden, um Modelle mit scharfen Grenzen zu erhalten. In dieser Arbeit habe ich drei typische geschichtete oberflächennahe Umgebungen untersucht, in denen Vorabinformationen verwendet werden, um 2D-Inversionsstrategien so anzupassen, dass geschichtete Untergrundlösungen bevorzugt werden. In Zusammenarbeit mit den Co-Autoren der Kapitel 2-4 habe ich zwei allgemeine Strategien in Betracht gezogen. Unser erster Ansatz verwendet eine schichtbasierte Modellparametrisierung und eine gut etablierte globale Inversionsstrategie. Diese Strategie erzeugt Ensembles von Modelllösungen mithilfe derer die Unsicherheiten im Zusammenhang der Nicht-Eindeutigkeit des inversen Problems bewertet werden können. Wir wenden diese Methode an, um ERT-Datensätze zu invertieren, die in einem Binnenküstengebiet in Nordfrankreich (Kapitel 2) und vor der Küste zweier arktischer Regionen (Kapitel 3) gesammelt wurden. Unser zweiter Ansatz besteht darin, geostatistische Regularisierungen mit unterschiedlichen Korrelationslängen zu verwenden. Wir wenden diese Strategie auf ein komplexeres Untergrundszenario an, das sich auf einen lokalen Schwemmfächer in einem Mittelgebirge im Südwesten Deutshclands umfasst (Kapitel 4). Insgesamt ermöglichen uns unsere Inversionsansätze, Widerstandsmodelle zu erhalten, die mit dem allgemeinen geologischen Verständnis der untersuchten Feldstandorte übereinstimmen. Diese Strategien sind allgemeingültig und können in verschiedenen geologischen Umgebungen angewandt werden, in denen eine geschichtete Struktur des Untergrunds zu erwarten ist. Zudem erlaubt es die Flexibilität unserer Strategien, dass diese an die Inversion anderer geophysikalischer Datensätze wie seismischer Refraktionsmessungen oder elektromagentischer Induktionsverfahren angepasst werden können. Außerdem könnten solche Strategien für gemeinsame Inversionsansätze in Betracht gezogen werden. KW - Near-surface geophysics KW - Electrical resistivity tomography KW - Non-uniqueness KW - Global inversion KW - Particle swarm optimization KW - Ensemble analysis KW - Oberflächennahe Geophysik KW - Tomographie des elektrischen Widerstands KW - Nicht-Einmaligkeit KW - Globale Inversion KW - Partikelschwarm-Optimierung KW - Ensemble-Analyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581357 ER - TY - THES A1 - Klein, Konstantin Paul T1 - Remote Sensing of Suspended Sediment Dynamics in the Arctic Nearshore Zone T1 - Sedimentdynamiken im arktischen Nahküstenbereich analysiert mit Fernerkundungsdaten N2 - The Arctic nearshore zone plays a key role in the carbon cycle. Organic-rich sediments get eroded off permafrost affected coastlines and can be directly transferred to the nearshore zone. Permafrost in the Arctic stores a high amount of organic matter and is vulnerable to thermo-erosion, which is expected to increase due to climate change. This will likely result in higher sediment loads in nearshore waters and has the potential to alter local ecosystems by limiting light transmission into the water column, thus limiting primary production to the top-most part of it, and increasing nutrient export from coastal erosion. Greater organic matter input could result in the release of greenhouse gases to the atmosphere. Climate change also acts upon the fluvial system, leading to greater discharge to the nearshore zone. It leads to decreasing sea-ice cover as well, which will both increase wave energy and lengthen the open-water season. Yet, knowledge on these processes and the resulting impact on the nearshore zone is scarce, because access to and instrument deployment in the nearshore zone is challenging. Remote sensing can alleviate these issues in providing rapid data delivery in otherwise non-accessible areas. However, the waters in the Arctic nearshore zone are optically complex, with multiple influencing factors, such as organic rich suspended sediments, colored dissolved organic matter (cDOM), and phytoplankton. The goal of this dissertation was to use remotely sensed imagery to monitor processes related to turbidity caused by suspended sediments in the Arctic nearshore zone. In-situ measurements of water-leaving reflectance and surface water turbidity were used to calibrate a semi-empirical algorithm which relates turbidity from satellite imagery. Based on this algorithm and ancillary ocean and climate variables, the mechanisms underpinning nearshore turbidity in the Arctic were identified at a resolution not achieved before. The calibration of the Arctic Nearshore Turbidity Algorithm (ANTA) was based on in-situ measurements from the coastal and inner-shelf waters around Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) in the western Canadian Arctic from the summer seasons 2018 and 2019. It performed better than existing algorithms, developed for global applications, in relating turbidity from remotely sensed imagery. These existing algorithms were lacking validation data from permafrost affected waters, and were thus not able to reflect the complexity of Arctic nearshore waters. The ANTA has a higher sensitivity towards the lowest turbidity values, which is an asset for identifying sediment pathways in the nearshore zone. Its transferability to areas beyond HIQ was successfully demonstrated using turbidity measurements matching satellite image recordings from Adventfjorden, Svalbard. The ANTA is a powerful tool that provides robust turbidity estimations in a variety of Arctic nearshore environments. Drivers of nearshore turbidity in the Arctic were analyzed by combining ANTA results from the summer season 2019 from HIQ with ocean and climate variables obtained from the weather station at HIQ, the ERA5 reanalysis database, and the Mackenzie River discharge. ERA5 reanalysis data were obtained as domain averages over the Canadian Beaufort Shelf. Nearshore turbidity was linearly correlated to wind speed, significant wave height and wave period. Interestingly, nearshore turbidity was only correlated to wind speed at the shelf, but not to the in-situ measurements from the weather station at HIQ. This shows that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, gets influenced by the weather conditions multiple kilometers away, rather than in its direct vicinity. The large influence of wave energy on nearshore turbidity indicates that freshly eroded material off the coast is a major contributor to the nearshore sediment load. This contrasts results from the temperate and tropical oceans, where tides and currents are the major drivers of nearshore turbidity. The Mackenzie River discharge was not identified as a driver of nearshore turbidity in 2019, however, the analysis of 30 years of Landsat archive imagery from 1986 to 2016 suggests a direct link between the prevailing wind direction, which heavily influences the Mackenzie River plume extent, and nearshore turbidity around HIQ. This discrepancy could be caused by the abnormal discharge behavior of the Mackenzie River in 2019. This dissertation has substantially advanced the understanding of suspended sediment processes in the Arctic nearshore zone and provided new monitoring tools for future studies. The presented results will help to understand the role of the Arctic nearshore zone in the carbon cycle under a changing climate. N2 - Der arktische Nahküstenbereich spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Küsten, die Permafrostböden aufweisen, sind sehr anfällig für Thermoerosion, wodurch Sediment und unzersetzte, organische Überreste in den Arktischen Ozean gelangen können. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass Thermoerosion in Zukunft größere Erosionsraten hervorrufen wird. Permafrostböden enthalten große Mengen organischer Überreste, die nach dem Auftauen von Mikroorganismen zersetzt werden, wodurch Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen können. Erhöhte Sedimentmengen in den Küstengewässern verhindert außerdem das Eindringen elektromagnetischer Strahlung in die Wassersäule, wodurch die auf Photosynthese basierte Primärproduktion in tieferen Wasserschichten stark reduziert wird. Durch den Klimawandel transportieren Flüsse in der Arktis mehr Frischwasser und Sediment in die Nahküstenbereiche, und erhöhte Temperaturen verringern die Meereisausdehnung. All diese Prozesse können das Ökosystem des arktischen Nahküstenbereiches nachhaltig verändern, allerdings ist das Verständnis von Interaktionen untereinander und deren Resultate begrenzt, da sich die Datensammlung in arktischen Nahküstenbereichen sehr herausfordernd gestaltet. Fernerkundungsmethoden bieten die Möglichkeit der vergleichsweise unkomplizierten Datenaufnahme nur schwer erreichbarer Regionen wie dem arktischen Nahküstenbereich. Arktische Küstengewässer sind allerdings optisch komplex, und Wasserinhaltsstoffe wie Sediment, organische Überreste, gelöstes Material und Plankton erschweren genaue Analysen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Satellitenbilder zu analysieren und Sedimentdynamiken zu identifizieren, die die Wassertrübung beeinflussen. In einem empirischen Algorithmus wird die von der Wasseroberfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung genutzt, um die Wassertrübung zu berechnen. Zusammen mit einer Sammlung von Wetterdaten und anderen Umwelteinflüssen wurden Mechanismen identifiziert, die die Wassertrübung arktischer Küstengewässer beeinflussen. Die Kalibrierung des Algorithmus zur Berechnung der Wassertrübung (ANTA) wurde mit Messungen aus den Küstengewässern in der Nähe von Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) auf dem Kanadischen Beaufortschelf durchgeführt. Seine Anwendung führt verglichen mit bereits existierenden Algorithmen zu besseren Ergebnissen, die für den weltweiten Gebrauch vorgesehen sind. Für die Kalibrierung dieser Algorithmen wurden keine Messungen arktischer Nahküstenbereiche genutzt, wodurch die optische Komplexität nur unzureichend wiedergegeben werden kann. Der ANTA ist besser geeignet, um Transportwege von Sediment an der Wasseroberfläche zu identifizieren, weil nahezu klare Gewässer mit höherer Genauigkeit klassifiziert werden. Messungen aus dem Adventfjord in Spitzbergen zeigen, dass der ANTA auch außerhalb der Kanadischen Beaufortsee akkurate Ergebnisse produziert, was ihn zu einem wichtigen Werkzeug zukünftiger Untersuchungen arktischer Nahküstenbereiche macht. Um Prozesse zu identifizieren, die die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern beeinflussen, wurden ANTA-Ergebnisse aus dem Sommer 2019 von HIQ, Messungen der Wetterstation auf HIQ, Wetter- und Klimamodellierungen des Kanadischen Beaufortschelfes und Abflussdaten des Mackenzie genutzt. Die Wassertrübung korreliert linear mit der Windgeschwindigkeit, der Wellenhöhe und der Wellenperiodendauer. Es ist beachtenswert, dass die Wassertrübung nur mit der Windgeschwindigkeit auf dem Beaufortschelf, nicht aber mit der Windgeschwindigkeit auf HIQ korreliert. Dies zeigt, dass weit entfernte Prozesse großen Einfluss auf die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern haben können, obwohl die Wassertrübung selber nur ein kleines Gebiet beeinflusst. Der große Einfluss von Wellenenergie aus die Wassertrübung unterstreicht sowohl die Wirksamkeit von Erosion als auch, dass kürzlich erodiertes Sediment einen erheblichen Anteil der Sedimentfracht im Nahküstenbereich ausmacht. Dies unterscheidet den Arktischen Ozean von den gemäßigten und tropischen Ozeanen, wo Gezeiten und Strömungen die größten Einflüsse auf die Wassertrübung im Nahküstenbereich sind. Die vom Mackenzie transportierten Sedimente haben keinen Einfluss auf die Wassertrübung um HIQ im Sommer 2019, allerdings zeigt die Analyse des dreißigjährigen Bildarchives der Landsat-Satelliten, dass die Windrichtung, welche maßgeblichen Einfluss auf die Verteilung der transportierten Sedimente nimmt, ein wichtiger Faktor sein kann. Diese Diskrepanz könnte jedoch auch dem untypischen Abflussverhalten des Mackenzie im Jahr 2019 geschuldet sein. Diese Dissertation hat maßgeblichen Anteil am derzeitigen Verständnis der Prozesse im dynamischen Nahküstenbereich des Arktischen Ozeans. Die vorgestellten Methoden und erlangten Ergebnisse werden helfen, in zukünftigen Studien die Rolle des arktischen Nahküstenbereiches im Kohlenstoffkreislauf zu analysieren und quantifizieren. KW - ocean color remote sensing KW - Arctic nearhore zone KW - turbidity modelling KW - arktischer Nahküstenbereich KW - Gewässerfernerkundung KW - Modellierung der Wassertrübung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576032 ER - TY - THES A1 - Patyniak, Magda T1 - Seismotectonic segmentation, paleoearthquakes and style of deformation along the Northern Pamir thrust system, South Kyrgyzstan T1 - Seismotektonische Segmentierung, Paläoerdbeben und Art der Deformation entlang des nördlichen Pamir-Überschiebungssystems, Südkirgisistan N2 - The Pamir Frontal Thrust (PFT) located in the Trans Alai range in Central Asia is the principal active fault of the intracontinental India-Eurasia convergence zone and constitutes the northernmost boundary of the Pamir orogen at the NW edge of this collision zone. Frequent seismic activity and ongoing crustal shortening reflect the northward propagation of the Pamir into the intermontane Alai Valley. Quaternary deposits are being deformed and uplifted by the advancing thrust front of the Trans Alai range. The Alai Valley separates the Pamir range front from the Tien Shan mountains in the north; the Alai Valley is the vestige of a formerly contiguous basin that linked the Tadjik Depression in the west with the Tarim Basin in the east. GNSS measurements across the Central Pamir document a shortening rate of ~25 mm/yr, with a dramatic decrease of ~10-15 mm over a short distance across the northernmost Trans Alai range. This suggests that almost half of the shortening in the greater Pamir – Tien Shan collision zone is absorbed along the PFT. The short-term (geodetic) and long-term (geologic) shortening rates across the northern Pamir appear to be at odds with an apparent slip-rate discrepancy along the frontal fault system of the Pamir. Moreover, the present-day seismicity and historical records have not revealed great Mw > 7 earthquakes that might be expected with such a significant slip accommodation. In contrast, recent and historic earthquakes exhibit complex rupture patterns within and across seismotectonic segments bounding the Pamir mountain front, challenging our understanding of fault interaction and the seismogenic potential of this area, and leaving the relationships between seismicity and the geometry of the thrust front not well understood. In this dissertation I employ different approaches to assess the seismogenic behavior along the PFT. Firstly, I provide paleoseismic data from five trenches across the central PFT segment (cPFT) and compute a segment-wide earthquake chronology over the past 16 kyr. This novel dataset provides important insights into the recurrence, magnitude, and rupture extent of past earthquakes along the cPFT. I interpret five, possibly six paleoearthquakes that have ruptured the Pamir mountain front since ∼7 ka and 16 ka, respectively. My results indicate that at least three major earthquakes ruptured the full-segment length and possibly crossed segment boundaries with a recurrence interval of ∼1.9 kyr and potential magnitudes of up to Mw 7.4. Importantly, I did not find evidence for great (i.e., Mw ≥8) earthquakes. Secondly, I combine my paleoseimic results with morphometric analyses to establish a segment-wide distribution of the cumulative vertical separation along offset fluvial terraces and I model a long-term slip rate for the cPFT. My investigations reveal discrepancies between the extents of slip and rupture during apparent partial segment ruptures in the western half of the cPFT. Combined with significantly higher fault scarp offsets in this sector of the cPFT, the observations indicate a more mature fault section with a potential for future fault linkage. I estimate an average rate of horizontal motion for the cPFT of 4.1 ± 1.5 mm/yr during the past ∼5 kyr, which does not fully match the GNSS-derived present-day shortening rate of ∼10 mm/yr. This suggests a complex distribution of strain accumulation and potential slip partitioning between the cPFT and additional faults and folds within the Pamir that may be associated with a partially locked regional décollement. The third part of the thesis provides new insights regarding the surface rupture of the 2008 Mw 6.6 Nura earthquake that ruptured along the eastern PFT sector. I explore this rupture in the context of its structural complexity by combining extensive field observations with high-resolution digital surface models. I provide a map of the rupture extent, net slip measurements, and updated regional geological observations. Based on this data I propose a tectonic model in this area associated with secondary flexural-slip faulting along steeply dipping bedding of folded Paleogene sedimentary strata that is related to deformation along a deeper blind thrust. Here, the strain release seems to be transferred from the PFT towards older inherited basement structures within the area of advanced Pamir-Tien Shan collision zone. The extensive research of my dissertation results in a paleoseismic database of the past 16 ~kyr, which contributes to the understanding of the seismogenic behavior of the PFT, but also to that of segmented thrust-fault systems in active collisional settings. My observations underscore the importance of combining different methodological approaches in the geosciences, especially in structurally complex tectonic settings like the northern Pamir. Discrepancy between GNSS-derived present-day deformation rates and those from different geological archives in the central part, as well as the widespread distribution of the deformation due to earthquake triggered strain transfer in the eastern part reveals the complexity of this collision zone and calls for future studies involving multi-temporal and interdisciplinary approaches. N2 - Die Pamir-Frontüberschiebung (PFT) des Trans-Alai-Gebirges in Zentralasien ist die wichtigste aktive Verwerfung der intrakontinentalen indisch-eurasischen Konvergenzzone und bildet die nördlichste Grenze des Pamir-Orogens am NW-Rand dieser Kollisionszone. Die intensive Seismizität und die fortschreitende Krustenverkürzung spiegeln die nach Norden gerichtete Verlagerung des Pamir in das intermontane Alai-Tal wider. Quartäre Ablagerungen werden durch die vorstoßende Überschiebungsfront des Trans-Alai-Gebirges sukzessive deformiert und angehoben. Das Alai-Tal trennt das Pamir-Gebirge vom Südrand des Tien Shan-Gebirges und verkörpert die Überreste eines ehemals zusammenhängenden Beckens, welches früher die Tadjik-Senke im Westen mit dem Tarim-Becken im Osten verband. GNSS-Messungen südlich der PFT im Bereich des Zentralpamirs dokumentieren eine Verkürzungsrate von 25 mm/Jahr, welche über eine kurze Strecke zur nördlichen Front des Trans-Alai-Gebirges hin drastisch um 10-15 mm abnimmt. Dies lässt darauf schließen, dass fast die Hälfte der Einengung entlang der PFT absorbiert wird, welche sich in der Kollisionszone zwischen dem Pamir und dem Tien Shan befindet. Eine offensichtliche Abweichung zwischen den kurzfristigen (geodätischen) und langfristigen (geologischen) Verkürzungsraten im nördlichen Pamir weist auf eine Diskrepanz in den Versatzraten entlang des nördlichen frontalen Verwerfungssystems hin. Darüber hinaus weisen weder die heutige Seismizität noch die historischen Aufzeichnungen auf große Erdbeben der Stärke Mw > 7 hin, wie sie bei einer solch signifikanten Verschiebung zu erwarten wären. Stattdessen zeigen rezente und historische Erdbeben komplexe Bruchmuster innerhalb und quer zu seismotektonisch definierten Segmenten, die die Pamir-Gebirgsfront begrenzen, was unser Verständnis der Verwerfungsinteraktion und des seismogenen Potenzials dieses Gebiets herausfordert. Die Wechselwirkungen zwischen Seismizität und der Geometrie der Überschiebungsfront sind somit nicht gut verstanden. In dieser Dissertation verwende ich verschiedene Verfahren, um das seismogene Verhalten entlang der PFT zu bestimmen. Dazu werden zunächst paläoseismische Daten aus fünf Schürfgräben entlang des zentralen Segmentes der PFT (cPFT) erhoben und eine segmentweite Erdbebenchronologie zusammengestellt. Dieser neue Datensatz liefert wichtige Erkenntnisse über die Häufigkeit, die Stärke und das Bruchausmaß vergangener Erdbeben entlang der cPFT. Darauf basierend wurden fünf bzw. sechs Paläoerdbeben interpretiert, die sich entlang der nördlichen Pamir-Gebirgsfront in den letzten ∼7 ka bzw. ~16 ka ereigneten. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass davon mindestens drei große Erdbeben die gesamte Länge des zentralen Segments durchbrochen haben und der Bruch möglicherweise sogar die Segmentgrenzen überschritten hat, mit einem Wiederholungsintervall von ∼1,9 kyr und potenziellen Magnituden von bis zu Mw 7,4. Entscheidend an dieser Stelle ist, dass ich keine Hinweise auf sehr große (d.h. Mw ≥ 8) Erdbeben gefunden habe. Meine paläoseismischen Ergebnisse werden anschließend mit morphometrischen Analysen entlang des zentralen PFT-Segmentes verknüpft, um eine segmentweite Verteilung der kumulativ versetzten Geländestufe entlang fluvialer Terrassen zu ermitteln. Aus dieser Verteilung wird eine langzeitliche Versatzrate für die cPFT modelliert. In der westlichen Hälfte der cPFT zeigen meine Untersuchungen deutliche Unstimmigkeiten zwischen dem Versatz und der Ausdehnung des Oberflächenbruchs auf. In Anbetracht der deutlich höheren Geländestufen im westlichen Bereich deuten die Beobachtungen auf einen reiferen Verwerfungsabschnitt hin. Somit besteht Potenzial für zukünftige Verbindung der Segmente und potenziell stärke Erdbeben. Mit meinen Daten konnte ich eine mittlere horizontale Bewegungsrate von 4,1 ± 1,5 mm/Jahr während der letzten ∼5 kyr für die cPFT ermitteln, welche nicht vollständig mit der von GNSS abgeleiteten heutigen Verkürzungsrate von ∼10 mm/Jahr übereinstimmt. Dies deutet auf eine komplexe Verteilung des Spannungsaufbaus und eine potenzielle Aufteilung dieser Spannungen zwischen der cPFT und den übrigen Verwerfungen und Falten innerhalb des Pamirs hin, welche möglicherweise mit einem teilweise blockierten regionalen Décollement einhergehen. Der letzte Teil der Arbeit liefert neue Erkenntnisse über den Oberflächenbruch des Nura-Erdbebens der Stärke 6,6 (Mw) aus dem Jahr 2008, das sich entlang der östlichen PFT ereignete. Ich untersuche diesen Bruch im Hinblick auf seine strukturelle Komplexität, indem ich umfangreiche Feldbeobachtungen mit hochauflösenden digitalen Oberflächenmodellen verknüpfe. Ich erstelle eine Karte der Bruchausdehnung, des gemessenen Gesamtversatzes und aktualisiere regionale geologische Beobachtungen. Auf der Grundlage dieser Daten entwickle ich für dieses Gebiet Szenarien für ein tektonisches Modell, das mit Biegegleitfalten in mesozoischen und känozoischen Sedimentschichten im Zusammenhang steht. Ich zeige, dass diese Formen mit älteren, kumulativ versetzten seismogenen Strukturen übereinzustimmen scheinen und auf eine wiederkehrende, langfristige Deformationsgeschichte entlang dieses Sektors der nördlichen Pamir-Gebirgsfront hinweisen. Die umfangreichen Forschungsarbeiten meiner Dissertation resultieren in einer paleoseismischen Datenbasis der letzten ~16,000 Jahre, welche zum Verständnis des seismogenen Verhaltens der PFT, aber auch zu dem von segmentierten Überschiebungssystemen in aktiven Kollisionsgebieten beitragen. Meine Beobachtungen unterstreichen, wie wichtig die Kombination verschiedener methodischer Ansätze in den Geowissenschaften ist, insbesondere in strukturell komplexen tektonischen Gebieten wie dem nördlichen Pamir. Die Diskrepanz zwischen den von GNSS abgeleiteten heutigen Deformationsraten und denen aus verschiedenen geologischen Archiven im zentralen Teil, und die weite Verbreitung der Deformation durch erdbebenbedingten Dehnungstransfer im östlichen Teil offenbart die Komplexität dieser Kollisionszone und erfordert künftige Studien mit multitemporalen und interdisziplinären Ansätzen. KW - paleoseismology KW - Paleoseismologie KW - Neotektonik KW - Strukturgeologie KW - quartäre Geochronologie KW - Zentral Asien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577141 ER - TY - THES A1 - Siegmund, Nicole T1 - Wind driven soil particle uptake Quantifying drivers of wind erosion across the particle size spectrum T1 - Partikelaufwirbelung durch Wind - Über die Quantifizierung von Winderosion über das ganze Partikel-Größenspektrum N2 - Among the multitude of geomorphological processes, aeolian shaping processes are of special character, Pedogenic dust is one of the most important sources of atmospheric aerosols and therefore regarded as a key player for atmospheric processes. Soil dust emissions, being complex in composition and properties, influence atmospheric processes and air quality and has impacts on other ecosystems. In this because even though their immediate impact can be considered low (exceptions exist), their constant and large-scale force makes them a powerful player in the earth system. dissertation, we unravel a novel scientific understanding of this complex system based on a holistic dataset acquired during a series of field experiments on arable land in La Pampa, Argentina. The field experiments as well as the generated data provide information about topography, various soil parameters, the atmospheric dynamics in the very lower atmosphere (4m height) as well as measurements regarding aeolian particle movement across a wide range of particle size classes between 0.2μm up to the coarse sand. The investigations focus on three topics: (a) the effects of low-scale landscape structures on aeolian transport processes of the coarse particle fraction, (b) the horizontal and vertical fluxes of the very fine particles and (c) the impact of wind gusts on particle emissions. Among other considerations presented in this thesis, it could in particular be shown, that even though the small-scale topology does have a clear impact on erosion and deposition patterns, also physical soil parameters need to be taken into account for a robust statistical modelling of the latter. Furthermore, specifically the vertical fluxes of particulate matter have different characteristics for the particle size classes. Finally, a novel statistical measure was introduced to quantify the impact of wind gusts on the particle uptake and its application on the provided data set. The aforementioned measure shows significantly increased particle concentrations during points in time defined as gust event. With its holistic approach, this thesis further contributes to the fundamental understanding of how atmosphere and pedosphere are intertwined and affect each other. N2 - Unter der Vielzahl geomorphologischer Prozesse nehmen äolische Formgebungsprozesse eine besondere Stellung ein, denn obwohl ihre unmittelbaren Auswirkungen als gering einzuschätzen sind (Ausnahmen existieren), sind sie aufgrund ihrer konstanten und großen Kraft ein mächtiger Akteur im Erdsystem. Pedogener Staub ist eine der wichtigsten Quellen atmosphärischer Aerosole und kann daher als Schlüsselfaktor für atmosphärische Prozesse angesehen werden. Bodenstaubemissionen, die in Zusammensetzung und Eigenschaften komplex sind, beeinflussen atmosphärische Prozesse und Luftqualität und haben Auswirkungen auf andere Ökosysteme. Um zum wissenschaftlichen Verständnis dieses komplexen Systems beizutragen, dokumentiert diese Arbeit eine Reihe von Veröffentlichungen, die alle auf einem ganzheitlichen Datensatz basieren, die während einer Reihe von Feldexperimenten auf Ackerland in La Pampa, Argentinien, gewonnen wurden. Die Feldexperimente sowie die generierten Daten liefern Informationen über Topographie, verschiedene Bodenparameter, die atmosphärische Dynamik in der unteren Atmosphäre (4 m Höhe) sowie Messungen zur äolischen Partikelbewegung über einen weiten Bereich von Partikelgrößenklassen zwischen 0,2μm und groben Sand. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf drei Themen: Die Auswirkungen kleinräumiger Landschaftsstrukturen auf äolische Transportprozesse der groben Partikelfraktion, die horizontalen und vertikalen Strömungen der sehr feinen Partikel und der Einfluss von Windböen auf die Partikelemissionen. Neben anderen in dieser Arbeit vorgestellten Überlegungen konnte insbesondere gezeigt werden, dass, obwohl die kleinräumige Topologie einen deutlichen Einfluss auf Erosions- und Ablagerungsmuster hat, auch physikalische Bodenparameter für eine robuste statistische Modellierung berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus weisen speziell die vertikalen Feinstaubflüsse unterschiedliche Eigenschaften für die Partikelgrößenklassen auf. Schließlich wurde ein neuartiges statistisches Maß eingeführt, um den Einfluss von Windböen auf die Partikelkonzentration der Luft zu quantifizieren, und seine Anwendung auf den bereitgestellten Datensatz zeigt signifikant erhöhte Partikelkonzentrationen zu Zeitpunkten, die als Böen definiert wurden. Mit ihrem ganzheitlichen Ansatz trägt diese Arbeit weiter zum grundlegenden Verständnis bei, wie Atmosphäre und Pedosphäre miteinander verflochten sind und sich gegenseitig beeinflussen. KW - Winderosion KW - winderosion KW - PM10, PM2, PM1 KW - Horizontal flux KW - horizontaler Fluss KW - Vertical flux KW - vertikaler Fluss KW - Argentina KW - Argentinien KW - wind gusts KW - Windböen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574897 ER - TY - THES A1 - Dokht Dolatabadi Esfahani, Reza T1 - Time-dependent monitoring of near-surface and ground motion modelling: developing new data processing approaches based on Music Information Retrieval (MIR) strategies N2 - Seismology, like many scientific fields, e.g., music information retrieval and speech signal pro- cessing, is experiencing exponential growth in the amount of data acquired by modern seismo- logical networks. In this thesis, I take advantage of the opportunities offered by "big data" and by the methods developed in the areas of music information retrieval and machine learning to predict better the ground motion generated by earthquakes and to study the properties of the surface layers of the Earth. In order to better predict seismic ground motions, I propose two approaches based on unsupervised deep learning methods, an autoencoder network and Generative Adversarial Networks. The autoencoder technique explores a massive amount of ground motion data, evaluates the required parameters, and generates synthetic ground motion data in the Fourier amplitude spectra (FAS) domain. This method is tested on two synthetic datasets and one real dataset. The application on the real dataset shows that the substantial information contained within the FAS data can be encoded to a four to the five-dimensional manifold. Consequently, only a few independent parameters are required for efficient ground motion prediction. I also propose a method based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN) for simulating ground motion records in the time-frequency and time domains. CGAN generates the time-frequency domains based on the parameters: magnitude, distance, and shear wave velocities to 30 m depth (VS30). After generating the amplitude of the time-frequency domains using the CGAN model, instead of classical conventional methods that assume the amplitude spectra with a random phase spectrum, the phase of the time-frequency domains is recovered by minimizing the observed and reconstructed spectrograms. In the second part of this dissertation, I propose two methods for the monitoring and characterization of near-surface materials and site effect analyses. I implement an autocorrelation function and an interferometry method to monitor the velocity changes of near-surface materials resulting from the Kumamoto earthquake sequence (Japan, 2016). The observed seismic velocity changes during the strong shaking are due to the non-linear response of the near-surface materials. The results show that the velocity changes lasted for about two months after the Kumamoto mainshock. Furthermore, I used the velocity changes to evaluate the in-situ strain-stress relationship. I also propose a method for assessing the site proxy "VS30" using non-invasive analysis. In the proposed method, a dispersion curve of surface waves is inverted to estimate the shear wave velocity of the subsurface. This method is based on the Dix-like linear operators, which relate the shear wave velocity to the phase velocity. The proposed method is fast, efficient, and stable. All of the methods presented in this work can be used for processing "big data" in seismology and for the analysis of weak and strong ground motion data, to predict ground shaking, and to analyze site responses by considering potential time dependencies and nonlinearities. KW - ground motion modeling KW - machine learning KW - near-surface monitoring KW - imaging KW - generative model KW - surface wave Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567671 ER - TY - THES A1 - Schuster, Valerian T1 - Mechanical and hydraulic properties of Opalinus Clay T1 - Mechanische und hydraulische Eigenschaften von Opalinuston BT - influence of compositional heterogeneity and thermodynamic boundary conditions BT - Einfluss von kompositorischer Heterogenität und thermodynamischen Randbedingungen N2 - Deep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties. Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents the results of deformation experiments performed on intact and artificially fractured specimens of the quartz-rich, sandy and clay-rich, shaly facies of OPA. The experiments focus on the influence of mineralogical composition on the deformation behavior as well as the reactivation and sealing properties of pre-existing faults and fractures at different boundary conditions (e.g., pressure, temperature, strain rate). The anisotropic mechanical properties of the sandy facies of OPA are presented in the first section, which were determined from triaxial deformation experiments using dried and resaturated samples loaded at 0°, 45° and 90° to the bedding plane orientation. A Paterson-type deformation apparatus was used that allowed to investigate how the deformation behavior is influenced by the variation of confining pressure (50 – 100 MPa), temperature (25 – 200 °C), and strain rate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1). Constant strain rate experiments revealed brittle to semi-brittle deformation behavior of the sandy facies at the applied conditions. Deformation behavior showed a strong dependence on confining pressure, degree of water saturation as well as bedding orientation, whereas the variation of temperature and strain rate had no significant effect on deformation. Furthermore, the sandy facies displays higher strength and stiffness compared to the clay-rich shaly facies deformed at similar conditions by Nüesch (1991). From the obtained results it can be concluded that cataclastic mechanisms dominate the short-term deformation behavior of dried samples from both facies up to elevated pressure (<200 MPa) and temperature (<200 °C) conditions. The second part presents triaxial deformation tests that were performed to investigate how structural discontinuities affect the deformation behavior of OPA and how the reactivation of preexisting faults is influenced by mineral composition and confining pressure. To this end, dried cylindrical samples of the sandy and shaly facies of OPA were used, which contained a saw-cut fracture oriented at 30° to the long axis. After hydrostatic pre-compaction at 50 MPa, constant strain rate deformation tests were performed at confining pressures of 5, 20 or 35 MPa. With increasing confinement, a gradual transition from brittle, highly localized fault slip including a stress drop at fault reactivation to semi-brittle deformation behavior, characterized by increasing delocalization and non-linear strain hardening without dynamic fault reactivation, can be observed. Brittle localization was limited by the confining pressure at which the fault strength exceeded the matrix yield strength, above which strain partitioning between localized fault slip and distributed matrix deformation occurred. The sandy facies displayed a slightly higher friction coefficient (≈0.48) compared to the shaly facies (≈0.4). In addition, slide-hold-slide tests were conducted, revealing negative or negligible frictional strengthening, which suggests stable creep and long-term weakness of faults in both facies of OPA. The conducted experiments demonstrate that dilatant brittle fault reactivation in OPA may be favored at high overconsolidation ratios and shallow depths, increasing the risk of seismic hazard and the creation of fluid pathways. The final section illustrates how the sealing capacity of fractures in OPA is affected by mineral composition. Triaxial flow-through experiments using Argon-gas were performed with dried samples from the sandy and shaly facies of OPA containing a roughened, artificial fracture. Slate, graywacke, quartzite, natural fault gouge, and granite samples were also tested to highlight the influence of normal stress, mineralogy and diagenesis on the sustainability of fracture transmissivity. With increasing normal stress, a non-linear decrease of fracture transmissivity can be observed that resulted in a permanent reduction of transmissivity after stress release. The transmissivity of rocks with a high portion of strong minerals (e.g., quartz) and high unconfined compressive strength was less sensitive to stress changes. In accordance with this, the sandy facies of OPA displayed a higher initial transmissivity that was less sensitive to stress changes compared to the shaly facies. However, transmissivity of rigid slate was less sensitive to stress changes than the sandy facies of OPA, although the slate is characterized by a higher phyllosilicate content. This demonstrates that in addition to mineral composition, other factors such as the degree of metamorphism, cementation and consolidation have to be considered when evaluating the sealing capacity of phyllosilicate-rich rocks. The results of this thesis highlighted the role of confining pressure on the failure behavior of intact and artificially fractured OPA. Although the quartz-rich sandy facies may be considered as being more favorable for underground constructions due to its higher shear strength and stiffness than the shaly facies, the results indicate that when fractures develop in the sandy facies, they are more conductive and remain more permeable compared to fractures in the clay-dominated shaly facies at a given stress. The results may provide the basis for constitutive models to predict the integrity and evolution of a future repository. Clearly, the influence of composition and consolidation, e.g., by geological burial and uplift, on the mechanical sealing behavior of OPA highlights the need for a detailed site-specific material characterization for a future repository. N2 - Geologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eine verbesserte Beurteilung des wirksamen Einschlusses sowie der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers in OPA ermöglichen. Vor diesem Hintergrund präsentiert diese Arbeit die Ergebnisse von triaxialen Verformungsexperimenten, die an intakten und künstlich gestörten Proben der quarzreichen, sandigen sowie tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden sind. Ein besonderer Fokus ist hierbei auf den Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung auf das Verformungsverhalten sowie die Reaktivierungs- und Abdichtungseigenschaften von bereits bestehenden Scherzonen und Rissen bei unterschiedlichen Randbedingungen (z. B. Druck, Temperatur, Dehnungsrate) gelegt worden. Im ersten Abschnitt werden die anisotropen mechanischen Eigenschaften der sandigen Fazies von OPA vorgestellt. Hierfür sind triaxiale Verformungsexperimente an getrockneten und wassergesättigten Proben durchgeführt worden, die in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur relativ zur vorhandenen Schichtung belastet worden sind. Mittels einer Paterson Gasdruckapparatur ist der Einfluss von Mantelspannung (50 – 100 MPa), Temperatur (25 – 200 °C) und Verformungsrate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1) auf das Deformationsverhalten untersucht worden. Die Experimente zeigen ein sprödes bis halbsprödes Verformungsverhalten der sandigen Fazies, wobei ein deutlicher Einfluss von Manteldruck, Wassersättigung sowie Schichtungsorientierung festgestellt werden konnte. Im Gegensatz dazu zeigt die Änderung von Temperatur und Verformungsrate keinen signifikanten Einfluss auf das Deformationsverhalten und die Festigkeitseigenschaften der sandigen Fazies. Verglichen mit der tonigen Fazies (Nüesch 1991) weist die sandige Fazies des OPA eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das kurzfristige Verformungsverhalten getrockneter Proben beider Faziestypen bis zu erhöhten Druck- (<200 MPa) und Temperaturbedingungen (<200 °C) von kataklastischen Deformationsmechanismen dominiert wird. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse von triaxialen Deformationsexperimenten beschrieben, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss von bereits bestehenden Störungen auf das Verformungsverhalten von OPA zu untersuchen und wie die Reaktivierung von Scherflächen durch die Mineralzusammensetzung und den Manteldruck beeinflusst wird. Dazu sind getrocknete zylindrische Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA verwendet worden, die zuvor in einem Winkel von 30° zur Längsachse halbiert worden sind. Nach einer hydrostatischen Vorkonsolidierung bei 50 MPa Druck, sind die Proben bei einer konstanten axialen Verformungsrate und Mantelspannungen von 5, 20 und 35 MPa deformiert worden. Bei niedriger Mantelspannung wird die Reaktivierung der Scherfläche durch einen Spannungsabfall eingeleitet, wobei weitere Verformung durch stark lokalisierte Scherung aufgenommen wird. Mit zunehmender Mantelspannung kann ein Übergang zu halbsprödem Verformungsverhalten beobachtet werden, das durch einen zunehmenden Anteil von Matrixdeformation ohne dynamische Verwerfungsreaktivierung gekennzeichnet ist. Dabei weist die sandige Fazies einen höheren Reibungskoeffizienten (≈0,48) als die tonige Fazies (≈0,4) auf. Die Experimente zeigen, dass spröde Reaktivierung der Scherfläche bis zu einer Mantelspannung erfolgt, ab der die Scherfestigkeit der künstlichen Störung die Fließspannung der Matrix übersteigt. Entsprechend beginnt mit weiter ansteigender Mantelspannung die Partitionierung von Deformation in Scherung und Matrixverformung. Relaxations- und Wiederbelastungstests (Slide-Hold-Slide) zeigen negative bzw. vernachlässigbare Reibungsverheilung auf, was auf eine geringe Wiederverfestigung und folglich aseismisches Kriechen als Langzeitverhalten von Scherzonen in OPA hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass die spröde Reaktivierung von Scherzonen in OPA durch eine starke Überkonsolidierung und in geringen Tiefen begünstigt werden kann, was das Risiko von Seismizität und die Bildung hydraulischer Fließwege erhöht. Der letzte Abschnitt veranschaulicht, wie die Transmissivität von Rissen in OPA von der wirkenden Normalspannung und Mineralzusammensetzung beeinflusst wird. Hierfür sind triaxiale Durchströmungsexperimente an getrockneten Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden, die eine künstlich angeraute Rissfläche enthielten. Um den Einfluss von Normalspannung, Mineralogie und Diagenese auf die hydraulische Rissverschließung zu untersuchen, sind darüber hinaus auch Risse in Schiefer, Grauwacke, Quarzit, Proben aus natürlichen Störungszonen und Granit getestet worden. Mit zunehmender Normalspannung konnte eine nichtlineare Abnahme der Risstransmissivität beobachtet werden, die nach Entlastung zu einer irreversiblen Reduktion der Transmissivität führt. Die Transmissivität von Gesteinen, die durch einen hohen Anteil mechanisch fester Minerale (z.B. Quarz) sowie einer hohen einaxialen Druckfestigkeit charakterisiert werden, reagieren robuster auf Spannungsänderungen. Dementsprechend zeigt die sandige Fazies von OPA im Vergleich zur tonigen Fazies eine höhere initale Risstransmissivität, die weniger empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Obwohl die sandige Fazies im Vergleich zu der untersuchten Schieferprobe einen niedrigeren Schichtsilikatgehalt aufweist, reagiert die Risstransmissivität des Schiefers deutlich geringer auf Spannungsänderungen. Aus den Experimenten kann abgeleitet werden, dass für die Bewertung der hydraulischen Rissverschließung in schichtsilikatreichen Gesteinen neben der mineralischen Zusammensetzung weitere Faktoren, wie der Grad der Metamorphose sowie Zementierung und Konsolidierung, berücksichtigt werden müssen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichten die Rolle der Mantelspannung auf das Deformationsverhalten von intaktem und künstlich gestörten OPA. Obwohl die quarzreiche sandige Fazies von OPA aufgrund ihrer höheren Scherfestigkeit und Steifigkeit als günstiger für die Konstruktion von Untertagebauwerken angesehen werden kann, weisen die präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften mit einer Verringerung der hydraulischen Abdichtungskapazität verbunden sind, d.h. wenn sich Risse in der sandigen Fazies entwickeln, sind diese hydraulisch leitfähiger und bleiben durchlässiger im Vergleich zu Rissen in der tonigen Fazies bei einer gegebenen Spannung. Die Ergebnisse können die Grundlage für die Entwicklung konstitutiver Modelle bilden, die zur Einschätzung der Integrität eines zukünftigen Endlagers herangezogen werden können. Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Konsolidierung auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von OPA zeigen die Notwendigkeit einer detaillierten, standortspezifischen Materialcharakterisierung für ein zukünftiges Endlager. KW - Opalinus Clay KW - triaxial deformation experiments KW - microstructural deformation mechanisms KW - fault reactivation KW - fracture transmissivity KW - Opalinuston KW - Reaktivierung von Störungszonen KW - Risstransmissivität KW - Mikrostrukturelle KW - Deformationsmechanismen KW - triaxiale Deformationsexperimente Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566786 ER - TY - THES A1 - Jongejans, Loeka Laura T1 - Organic matter stored in ice-rich permafrost T1 - Ablagerung von organischem Kohlenstoff in eisreichem Permafrost BT - future permafrost thaw and greenhouse gas release BT - zukünftige Permafrosttauen und Treibhausgasemissionen N2 - The Arctic is changing rapidly and permafrost is thawing. Especially ice-rich permafrost, such as the late Pleistocene Yedoma, is vulnerable to rapid and deep thaw processes such as surface subsidence after the melting of ground ice. Due to permafrost thaw, the permafrost carbon pool is becoming increasingly accessible to microbes, leading to increased greenhouse gas emissions, which enhances the climate warming. The assessment of the molecular structure and biodegradability of permafrost organic matter (OM) is highly needed. My research revolves around the question “how does permafrost thaw affect its OM storage?” More specifically, I assessed (1) how molecular biomarkers can be applied to characterize permafrost OM, (2) greenhouse gas production rates from thawing permafrost, and (3) the quality of OM of frozen and (previously) thawed sediments. I studied deep (max. 55 m) Yedoma and thawed Yedoma permafrost sediments from Yakutia (Sakha Republic). I analyzed sediment cores taken below thermokarst lakes on the Bykovsky Peninsula (southeast of the Lena Delta) and in the Yukechi Alas (Central Yakutia), and headwall samples from the permafrost cliff Sobo-Sise (Lena Delta) and the retrogressive thaw slump Batagay (Yana Uplands). I measured biomarker concentrations of all sediment samples. Furthermore, I carried out incubation experiments to quantify greenhouse gas production in thawing permafrost. I showed that the biomarker proxies are useful to assess the source of the OM and to distinguish between OM derived from terrestrial higher plants, aquatic plants and microbial activity. In addition, I showed that some proxies help to assess the degree of degradation of permafrost OM, especially when combined with sedimentological data in a multi-proxy approach. The OM of Yedoma is generally better preserved than that of thawed Yedoma sediments. The greenhouse gas production was highest in the permafrost sediments that thawed for the first time, meaning that the frozen Yedoma sediments contained most labile OM. Furthermore, I showed that the methanogenic communities had established in the recently thawed sediments, but not yet in the still-frozen sediments. My research provided the first molecular biomarker distributions and organic carbon turnover data as well as insights in the state and processes in deep frozen and thawed Yedoma sediments. These findings show the relevance of studying OM in deep permafrost sediments. N2 - Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Erde, was zum tauen des dortigen Permafrosts führt. Eisreicher Permafrost, wie der spätpleistozäne Yedoma, ist besonders anfällig für schnelle und tiefe Auftauprozesse infolge von Absenkungen der Oberfläche nach dem Schmelzen des Grundeises. Durch das Auftauen des Permafrosts wird der im Permafrost gespeicherte Kohlenstoff für Mikroben zunehmend zugänglich, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt und die Klimaerwärmung verstärkt. Die Untersuchung der molekularen Struktur und der biologischen Abbaubarkeit von organischem Material (OM) im Permafrost ist dringend erforderlich. In meiner Forschung geht es um die zentrale Frage inwieweit das Auftauen des Permafrost die Speicherfähigkeit von OM beeinflusst. Insbesondere untersuchte ich (1) wie molekulare Biomarker bei der Charakterisierung von Permafrost-OM verwendet werden können, (2) Treibhausgasproduktionsraten in auftauendem Permafrost und (3) die Qualität von OM in gefrorenen und (vorher) aufgetauten Sedimenten. Dazu habe ich tiefe (bis zu 55 m) Yedoma und aufgetaute Yedoma Permafrostsedimente aus Jakutien (Republik Sacha) untersucht. Es wurden Sedimentkerne unter Thermokarstseen auf der Bykovsky-Halbinsel (südöstlich des Lenadeltas) und im Yukechi-Alas (Zentraljakutien) entnommen, und deren Biomarkerkonzentrationen gemessen. Desweiteren wurden Bodenproben von der Permafrostklippe Sobo-Sise (Lenadelta) und der Taurutschung Batagai (Jana-Hochland) genommen und untersucht. Darüber hinaus habe ich Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Treibhausgasproduktion in auftauenden Permafrost zu quantifizieren. Ich habe gezeigt, dass Biomarker-Proxies nützlich sind, um die Quelle des OM zu ermitteln und zwischen OM aus Landpflanzen, Wasserpflanzen und mikrobieller Aktivität zu unterscheiden. Außerdem sind einige Proxies hilfreich, den Abbaugrad von Permafrost-OM zu beurteilen. Dies trifft insbesondere in Kombination mit sedimentologischen Daten in einem Multi-Proxy-Ansatz. Ich zeigte dass der OM von Yedoma im Allgemeinen besser erhalten ist als der von aufgetauten Yedoma-Sedimenten. Die Treibhausgasproduktion in den erstmalig auftauenden Permafrostsedimenten war am höchsten. Dies bedeutet, dass die gefrorenen Yedoma-Sedimente das meiste labile OM enthielten. Außerdem zeigte ich, dass sich die methanproduzierenden Gemeinschaften in den frisch aufgetauten Sedimenten etabliert hatten, jedoch nicht in den noch gefrorenen Sedimenten. Meiner Forschung hat die ersten molekularen Biomarkerverteilungen und Kohlenstoffumsatzdaten geliefert und Einsichten in den Zustand und Prozesse von gefrorenen und aufgetauten Yedoma-Sedimenten geschaffen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Relevanz der Untersuchung von OM in tiefen Permafrostsedimenten. N2 - Het Noordpoolgebied verandert snel en permafrost ontdooit. Met name ijsrijke permafrost, zoals Yedoma uit het laat Pleistoceen, is gevoelig voor snelle en diepe dooiprocessen als gevolg van bodemdaling na het smelten van bodemijs. Door het ontdooien van permafrost wordt het permafrostkoolstofreservoir beter toegankelijk voor microben, wat tot verhoogde broeikasgasemissies leidt en de klimaatopwarming versterkt. Het is van groot belang om de moleculaire structuur en de biologische afbreekbaarheid van organisch materiaal (OM) in permafrost vast te leggen. Mijn onderzoek draait om de vraag "hoe beinvloedt permafrostdooi de OM-opslag?" Specifiek heb ik onderzocht (1) hoe moleculaire biomarkers kunnen worden gebruikt om permafrost-OM te karakteriseren, (2) wat broeikasgasproductiesnelheden in ontdooiende permafrost zijn en (3) wat de kwaliteit is van het OM in bevroren en (eerder) ontdooide sedimenten. Ik heb diepe (max. 55 m) Yedoma en ontdooide Yedoma permafrostsedimenten uit Jakoetië (republiek Sacha) onderzocht. Sedimentkernen zijn genomen onder thermokarstmeren op het Bykovsky schiereiland (ten zuidoosten van de Lenadelta) en in de Yukechi Alas (centraal Jakoetië). Ook zijn bodemmonsters genomen van de permafrostklif Sobo-Sise (Lenadelta) en de zogenaamde thaw slump Batagai (Jana-hoogvlakte). In alle monsters heb ik de biomarkerconcentraties gemeten. Ook heb ik incubatie-experimenten uitgevoerd om de broeikasgasproductie in ontdooiende permafrost te kwantificeren. Mijn onderzoek wijst uit dat de biomarkerproxies nuttig zijn bij het vaststellen van de bron van het OM en om onderscheid te kunnen maken tussen OM van landplanten, waterplanten en OM afkomstig van microbiële activiteit. Daarnaast heb ik aangetoond dat sommige proxies nuttig zijn om de mate van degradatie van het OM vast te stellen, vooral in combinatie met sedimentologische data in een multi-proxy-benadering. Het blijkt dat het OM in Yedoma over het algemeen beter bewaard gebleven is dan het OM in ontdooide Yedoma-sedimenten. De broeikasgasproductie bleek het hoogst in de voor het eerst ontdooide permafrostsedimenten, wat betekent dat de bevroren Yedoma-sedimenten het meeste labiele OM bevatten. Bovendien heb ik aangetoond dat de methaan-producerende gemeenschappen zich wel in de recentelijk ontdooide sedimenten hebben gevestigd, maar nog niet in de nog bevroren sedimenten. Mijn onderzoek heeft de eerste moleculaire biomarker- en koolstofomzetdata en inzichten opgeleverd in de toestand en processen van diepe, bevroren en ontdooide Yedoma-sedimenten. Deze resultaten tonen de relevantie van het bestuderen van OM in diepe permafrostsedimenten. KW - permafrost sediments KW - organic matter KW - molecular biomarkers KW - anaerobic incubation experiments KW - Russian Arctic KW - Permafrostsedimente KW - organisches Material KW - molekulare Biomarker KW - anaerobe Inkubationensexperimente KW - russische Arktis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564911 ER - TY - THES A1 - Spallanzani, Roberta T1 - Li and B in ascending magmas: an experimental study on their mobility and isotopic fractionation T1 - Li und B in aufsteigenden Magmen: eine experimentelle Studie über ihre Mobilität und Isotopenfraktionierung N2 - This research study focuses on the behaviour of Li and B during magmatic ascent, and decompression-driven degassing related to volcanic systems. The main objective of this dissertation is to determine whether it is possible to use the diffusion properties of the two trace elements as a tool to trace magmatic ascent rate. With this objective, diffusion-couple and decompression experiments have been performed in order to study Li and B mobility in intra-melt conditions first, and then in an evolving system during decompression-driven degassing. Synthetic glasses were prepared with rhyolitic composition and an initial water content of 4.2 wt%, and all the experiments were performed using an internally heated pressure vessel, in order to ensure a precise control on the experimental parameters such as temperature and pressure. Diffusion-couple experiments were performed with a fix pressure 300 MPa. The temperature was varied in the range of 700-1250 °C with durations between 0 seconds and 24 hours. The diffusion-couple results show that Li diffusivity is very fast and starts already at very low temperature. Significant isotopic fractionation occurs due to the faster mobility of 6Li compared to 7Li. Boron diffusion is also accelerated by the presence of water, but the results of the isotopic ratios are unclear, and further investigation would be necessary to well constrain the isotopic fractionation process of boron in hydrous silicate melts. The isotopic ratios results show that boron isotopic fractionation might be affected by the speciation of boron in the silicate melt structure, as 10B and 11B tend to have tetrahedral and trigonal coordination, respectively. Several decompression experiments were performed at 900 °C and 1000 °C, with pressures going from 300 MPa to 71-77 MPa and durations of 30 minutes, two, five and ten hours, in order to trigger water exsolution and the formation of vesicles in the sample. Textural observations and the calculation of the bubble number density confirmed that the bubble size and distribution after decompression is directly proportional to the decompression rate. The overall SIMS results of Li and B show that the two trace elements tend to progressively decrease their concentration with decreasing decompression rates. This is explained because for longer decompression times, the diffusion of Li and B into the bubbles has more time to progress and the melt continuously loses volatiles as the bubbles expand their volumes. For fast decompression, Li and B results show a concentration increase with a δ7Li and δ11B decrease close to the bubble interface, related to the sudden formation of the gas bubble, and the occurrence of a diffusion process in the opposite direction, from the bubble meniscus to the unaltered melt. When the bubble growth becomes dominant and Li and B start to exsolve into the gas phase, the silicate melt close to the bubble gets depleted in Li and B, because of a stronger diffusion of the trace elements into the bubble. Our data are being applied to different models, aiming to combine the dynamics of bubble nucleation and growth with the evolution of trace elements concentration and isotopic ratios. Here, first considerations on these models will be presented, giving concluding remarks on this research study. All in all, the final remarks constitute a good starting point for further investigations. These results are a promising base to continue to study this process, and Li and B can indeed show clear dependences on decompression-related magma ascent rates in volcanic systems. N2 - Diese Forschungsstudie konzentriert sich auf das Verhalten von Li und B während des magmatischen Aufstiegs und der Druckentlastungsbedingten Entgasung im Zusammenhang mit vulkanischen Systemen. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, festzustellen, ob es möglich ist, die Diffusionseigenschaften der beiden Spurenelemente als Instrument zur Verfolgung der magmatischen Aufstiegsgeschwindigkeit zu nutzen. Unter Verwendung von synthetischen Gläsern mit rhyolitischer Zusammensetzung und einem Wassergehalt von 4,2 Gew.-% wurden Diffusionspaar- und Druckentlastungsexperimente durchgeführt, um die Mobilität von Li und B zunächst in der Schmelze und dann in einem sich entwickelnden System während der Druckentlastungsgetriebenen Entgasung zu untersuchen. Diffusionspaar wurden mit einem festen Druck von 300 MPa durchgeführt. Die Temperatur wurde im Bereich von 700-1250 °C variiert, wobei die Dauer zwischen 0 Sekunden und 24 Stunden lag. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diffusionsfähigkeit von Li sehr schnell ist und bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Eine Isotopenfraktionierung findet aufgrund der schnelleren Mobilität von 6Li im Vergleich zu 7Li statt. Die Diffusion von Bor wird durch die Anwesenheit von Wasser ebenfalls beschleunigt, bleibt aber langsamer als die von Li. Die Ergebnisse der Isotopenverhältnisse zeigen, dass die Bor-Isotopenfraktionierung durch die Speziation von Bor in der Silikatschmelze beeinflusst werden könnte, da 10B und 11B tendenziell eine tetraedrische bzw. trigonale Koordination aufweisen. Druckentlastungsversuche wurden bei 900 °C und 1000 °C mit Drücken von 300 MPa bis 71-77 MPa und einer Dauer von 30 Minuten, zwei, fünf und zehn Stunden durchgeführt, um die Wasserauflösung und die Bildung von Gasblasen in der Probe auszulösen. Texturbeobachtungen und die Berechnung der Blasenanzahldichte bestätigten, dass die Blasengröße und -verteilung nach der Druckentlastung direkt proportional zur Druckentlastungsrate ist. Generell zeigen die SIMS-Analysergebnisse von Li und B, dass die Konzentration der beiden Spurenelemente mit abnehmender Druckentlastungsgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei längeren Druckentlastungszeiten mehr Zeit für die Diffusion von Li und B in die Blasen zur Verfügung steht und die Schmelze kontinuierlich flüchtige Bestandteile verliert, während die Blasen ihr Volumen ausdehnen. Bei schnellen Druckentlastungen zeigen die Li- und B-Ergebnisse einen Konzentrationsanstieg mit einer δ7Li- und δ11B-Abnahme in der Nähe der Blasengrenzfläche, was mit der plötzlichen Bildung der Glasbläser und dem Auftreten eines Diffusionsprozesses in der entgegengesetzten Richtung, vom Blasenmeniskus zur unveränderten Schmelze, zusammenhängt. Wenn das Blasenwachstum dominiert und Li und B in die Gasphase übergehen, verarmt die Silikat Schmelze in der Nähe der Blase an Li und B, da die Spurenelemente stärker in die Blase diffundieren. Unsere Daten werden auf verschiedene Modelle angewandt, die darauf abzielen, die Dynamik der Blasenkernbildung und des Blasenwachstums mit der Entwicklung der Spurenelementkonzentration und des Isotopenverhältnisses zu kombinieren. Hier werden erste Überlegungen zu diesen Modellen vorgestellt und abschließende Bemerkungen zu dieser Forschungsstudie gemacht. Diese Ergebnisse sind eine vielversprechende Grundlage für die weitere Untersuchung von Li und B, um dekompressionsbedingte Magma-Aufstiegsraten in vulkanischen Systemen zu ermitteln. KW - magma degassing KW - diffusion KW - stable isotopes KW - isotopic fractionation KW - Diffusion KW - Isotopenfraktionierung KW - Magma-Entgasung KW - stabile Isotope Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560619 ER - TY - THES A1 - Tranter, Morgan Alan T1 - Numerical quantification of barite reservoir scaling and the resulting injectivity loss in geothermal systems N2 - Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system. The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (< 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency. N2 - Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (< 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz. KW - geothermal energy KW - formation damage KW - reactive transport KW - radial flow KW - barite KW - Geothermie KW - radiale Strömung KW - Baryt KW - reaktiver Transport KW - Formationsschaden Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561139 ER - TY - THES A1 - Schönfeldt, Elisabeth T1 - Giant landslides in Patagonia, Argentina Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Müller, Daniela T1 - Abrupt climate changes and extreme events in two different varved lake sediment records T1 - Abrupte Klimaveränderungen und Extremevents in Sedimentprofilen zweier verschiedener warvierter Seen N2 - Different lake systems might reflect different climate elements of climate changes, while the responses of lake systems are also divers, and are not completely understood so far. Therefore, a comparison of lakes in different climate zones, during the high-amplitude and abrupt climate fluctuations of the Last Glacial to Holocene transition provides an exceptional opportunity to investigate distinct natural lake system responses to different abrupt climate changes. The aim of this doctoral thesis was to reconstruct climatic and environmental fluctuations down to (sub-) annual resolution from two different lake systems during the Last Glacial-Interglacial transition (~17 and 11 ka). Lake Gościąż, situated in the temperate central Poland, developed in the Allerød after recession of the Last Glacial ice sheets. The Dead Sea is located in the Levant (eastern Mediterranean) within a steep gradient from sub-humid to hyper-arid climate, and formed in the mid-Miocene. Despite their differences in sedimentation processes, both lakes form annual laminations (varves), which are crucial for studies of abrupt climate fluctuations. This doctoral thesis was carried out within the DFG project PALEX-II (Paleohydrology and Extreme Floods from the Dead Sea ICDP Core) that investigates extreme hydro-meteorological events in the ICDP core in relation to climate changes, and ICLEA (Virtual Institute of Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses) that intends to better the understanding of climate dynamics and landscape evolutions in north-central Europe since the Last Glacial. Further, it contributes to the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change and Humans) Research Theme 3 “Extreme events across temporal and spatial scales” that investigates extreme events using climate data, paleo-records and model-based simulations. The three main aims were to (1) establish robust chronologies of the lakes, (2) investigate how major and abrupt climate changes affect the lake systems, and (3) to compare the responses of the two varved lakes to these hemispheric-scale climate changes. Robust chronologies are a prerequisite for high-resolved climate and environmental reconstructions, as well as for archive comparisons. Thus, addressing the first aim, the novel chronology of Lake Gościąż was established by microscopic varve counting and Bayesian age-depth modelling in Bacon for a non-varved section, and was corroborated by independent age constrains from 137Cs activity concentration measurements, AMS radiocarbon dating and pollen analysis. The varve chronology reaches from the late Allerød until AD 2015, revealing more Holocene varves than a previous study of Lake Gościąż suggested. Varve formation throughout the complete Younger Dryas (YD) even allowed the identification of annually- to decadal-resolved leads and lags in proxy responses at the YD transitions. The lateglacial chronology of the Dead Sea (DS) was thus far mainly based on radiocarbon and U/Th-dating. In the unique ICDP core from the deep lake centre, continuous search for cryptotephra has been carried out in lateglacial sediments between two prominent gypsum deposits – the Upper and Additional Gypsum Units (UGU and AGU, respectively). Two cryptotephras were identified with glass analyses that correlate with tephra deposits from the Süphan and Nemrut volcanoes indicating that the AGU is ~1000 years younger than previously assumed, shifting it into the YD, and the underlying varved interval into the Bølling/Allerød, contradicting previous assumptions. Using microfacies analyses, stable isotopes and temperature reconstructions, the second aim was achieved at Lake Gościąż. The YD lake system was dynamic, characterized by higher aquatic bioproductivity, more re-suspended material and less anoxia than during the Allerød and Early Holocene, mainly influenced by stronger water circulation and catchment erosion due to stronger westerly winds and less lake sheltering. Cooling at the YD onset was ~100 years longer than the final warming, while environmental proxies lagged the onset of cooling by ~90 years, but occurred contemporaneously during the termination of the YD. Chironomid-based temperature reconstructions support recent studies indicating mild YD summer temperatures. Such a comparison of annually-resolved proxy responses to both abrupt YD transitions is rare, because most European lake archives do not preserve varves during the YD. To accomplish the second aim at the DS, microfacies analyses were performed between the UGU (~17 ka) and Holocene onset (~11 ka) in shallow- (Masada) and deep-water (ICDP core) environments. This time interval is marked by a huge but fluctuating lake level drop and therefore the complete transition into the Holocene is only recorded in the deep-basin ICDP core. In this thesis, this transition was investigated for the first time continuously and in detail. The final two pronounced lake level drops recorded by deposition of the UGU and AGU, were interrupted by one millennium of relative depositional stability and a positive water budget as recorded by aragonite varve deposition interrupted by only a few event layers. Further, intercalation of aragonite varves between the gypsum beds of the UGU and AGU shows that these generally dry intervals were also marked by decadal- to centennial-long rises in lake level. While continuous aragonite varves indicate decadal-long stable phases, the occurrence of thicker and more frequent event layers suggests general more instability during the gypsum units. These results suggest a pattern of complex and variable hydroclimate at different time scales during the Lateglacial at the DS. The third aim was accomplished based on the individual studies above that jointly provide an integrated picture of different lake responses to different climate elements of hemispheric-scale abrupt climate changes during the Last Glacial-Interglacial transition. In general, climatically-driven facies changes are more dramatic in the DS than at Lake Gościąż. Further, Lake Gościąż is characterized by continuous varve formation nearly throughout the complete profile, whereas the DS record is widely characterized by extreme event layers, hampering the establishment of a continuous varve chronology. The lateglacial sedimentation in Lake Gościąż is mainly influenced by westerly winds and minor by changes in catchment vegetation, whereas the DS is primarily influenced by changes in winter precipitation, which are caused by temperature variations in the Mediterranean. Interestingly, sedimentation in both archives is more stable during the Bølling/Allerød and more dynamic during the YD, even when sedimentation processes are different. In summary, this doctoral thesis presents seasonally-resolved records from two lake archives during the Lateglacial (ca 17-11 ka) to investigate the impact of abrupt climate changes in different lake systems. New age constrains from the identification of volcanic glass shards in the lateglacial sediments of the DS allowed the first lithology-based interpretation of the YD in the DS record and its comparison to Lake Gościąż. This highlights the importance of the construction of a robust chronology, and provides a first step for synchronization of the DS with other eastern Mediterranean archives. Further, climate reconstructions from the lake sediments showed variability on different time scales in the different archives, i.e. decadal- to millennial fluctuations in the lateglacial DS, and even annual variations and sub-decadal leads and lags in proxy responses during the rapid YD transitions in Lake Gościąż. This showed the importance of a comparison of different lake archives to better understand the regional and local impacts of hemispheric-scale climate variability. An unprecedented example is demonstrated here of how different lake systems show different lake responses and also react to different climate elements of abrupt climate changes. This further highlights the importance of the understanding of the respective lake system for climate reconstructions. N2 - Verschiedene Seesysteme können unterschiedliche Klimaelemente während Klimaveränderungen wiederspiegeln und auch diverse Seesystemreaktionen aufweisen, wobei letztere bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Ein Vergleich von Seesystemen in verschiedenen Klimazonen während der hoch-amplituden und abrupten Klimaveränderung innerhalb des Übergangs vom Letzten Glazial zum Holozän, ermöglicht die Untersuchung deutlicher natürlicher Seesystemreaktionen in Bezug zu abrupten Klimaänderungen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Rekonstruktion von Klima- und Umweltschwankungen von zwei verschiedenen Seesystemen während des Letzten Glazial-Interglazial-Übergangs (~17.000-11.000 BP) bis hinunter zu saisonaler Auflösung. Der Gościąż See liegt in der gemäßigten Klimazone in Zentralpolen und entwickelte sich im Allerød nach dem Rückgang der Eisschilde des letzten Glazials. Das Tote Meer liegt in der Levante (östlicher Mittelmeerraum) innerhalb eines steilen Gradienten von subhumidem zu hyperaridem Klima und entstand im mittleren Miozän. Trotz ihrer unterschiedlichen Sedimentationsprozesse bilden beide Seen jährliche Laminierungen (Warven) aus. Dies ist essentiell für Studien abrupter Klimaveränderungen. Diese Doktorarbeit wurde innerhalb des DFG-Projektes PALEX-II (Paläohydrologie und Sturzfluten vom ICDP-Kern des Toten Meeres) und ICELA (Virtuelles Institut zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse) durchgeführt. PALEX-II untersucht hydrometeorologische Extremereignisse im ICDP-Kern in Bezug zu Klimaveränderungen, während ICLEA beabsichtig das Verständnis von Klimadynamiken und Landschaftsevolution in Nord- und Zentraleuropa seit dem letzten Glazial zu verbessern. Zudem, trägt diese Doktorarbeit auch zum Forschungsthema 3 „Extremevents auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen“ der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionale Klimaänderungen und Mensch) bei, das basierend auf Klimadaten, Paläoarchiven und modelbasierten Simulationen Extremevents untersucht. Robuste Chronologien sind Voraussetzung für hochaufgelöste Klima- und Umweltstudien, sowie für den Vergleich von Archiven. Um das erste Ziel zu erreichen, wurde für den Gościąż See mithilfe von mikroskopischer Warvenzählung und einer bayesschen Alters-Tiefen-Modellierung eine neue Chronologie erstellt. Diese wurde durch unabhängige Altersinformationen von 137Cs Konzentrationsmessungen, AMS Radiokarbondatierung und Pollenanalyse bestätigt. Die Warvenchronologie beginnt im späten Allerød und endet AD 2015. Sie offenbart mehr Warven im Holozän als in einer früheren Studie vom Gościąż See gezeigt wurde. Warvenbildung durch die gesamte Jüngere Dryaszeit (JD) hindurch ermöglicht sogar die Identifizierung von jährlich bis dekadisch aufgelösten Abfolgen in Proxyreaktion während der Übergangszonen der JD. Die spätglaziale Chronologie des Toten Meeres basierte bisher auf Radiokarbon- und U/Th-Datierungen. In den spätglazialen Sedimenten des einzigartigen ICDP-Kern vom tiefen Seezentrum wurde zwischen zwei markanten Gipseinheiten – den Oberen und Zusätzlichen Gipseinheiten (UGU bzw. AGU) – kontinuierlich nach Kryptotephra gesucht. Gläser zweier Kryptotephren korrelieren mit Aschenablagerungen der Süphan und Nemrut Vulkane. Dies deutet darauf hin, dass die AGU ~1000 Jahre jünger ist als bisher angenommen, was sie komplett in die JD verlagert und das darunterliegende warvierte Intervall in das Bølling/Allerød. Diese Ergebnisse widersprechen bisherigen Annahmen. Unter Verwendung von Mikrofaziesanalysen, stabiler Isotope und Temperaturrekonstruktionen, wurde das zweite Ziel am Gościąż See erreicht. Das Seesystem war während der JD dynamisch und durch höhere aquatische Bioproduktivität, Resuspension und geringere anoxische Bedingungen als das Allerød und frühe Holozän gekennzeichnet. Dies wurde hauptsächlich durch eine verstärkte Wasserzirkulation und Erosion im Einzugsgebiet hervorgerufen, die wiederum durch stärkere Westwinde und geringeren Schutz vor Wind im Einzugsgebiet verursacht wurden. Die Abkühlung am Beginn der JD war etwa 100 Jahre länger als die finale Erwärmung an ihrem Ende, während die Umweltproxies ca. 90 Jahre nach Beginn der Abkühlung, aber gleichzeitig mit der Erwärmung auftraten. Auf Chironomiden basierende Temperatur-rekonstruktionen unterstützen neueste Studien, die milde Sommertemperaturen während der JD anzeigen. Da die meisten europäischen Seearchive keine Warven während der JD erhalten, ist ein solcher Vergleich von jährlich aufgelösten Proxyreaktionen während beiden JD Übergangszonen sehr selten. Um das zweite Ziel auch am Toten Meer zu realisieren, wurden Mikrofaziesanalysen zwischen der UGU (~17.000 BP) und dem Beginn des Holozäns (~11.000 BP) in Sedimenten aus dem Flachwasserbereich (Masada) und aus dem tiefen Becken (ICDP-Kern) durchgeführt. In diesem Intervall sinkt der Seespiegel gewaltig ab, wobei er von Schwankungen betroffen ist. Daher ist der komplette Übergang in das Holozän nur im ICDP-Kern enthalten, der im tiefen Becken gezogen wurde. In dieser Doktorarbeit wurde dieser Übergang zum ersten Mal kontinuierlich und im Detail untersucht. Während der beiden finalen Seespiegelabfälle wurden die UGU und AGU abgelagert. Zwischen den beiden Gipseinheiten zeugen jedoch Aragonitwarven und nur wenige Extremevents von sedimentärer Stabilität und einem positiven Wasserbudget für beinahe ein Jahrtausend. Selbst innerhalb der UGU und AGU deutet die Ablagerung von Aragonitwarven zwischen Gipslagen auf Dekaden bis Jahrhunderte andauernde Anstiege im Seespiegel hin, was zeigt, dass UGU und AGU nicht kontinuierlich von Trockenheit gekennzeichnet waren. Die kontinuierliche Bildung von Aragonitwarven zeigt hier stabile Phasen über Dekaden, wohingegen mächtigere und häufigere Extremevents generell auf eine erhöhte Instabilität während der Gipseinheiten hindeuten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein komplexes und variables Hydroklima auf unterschiedlichen Zeitskalen während des Spätglazials am Toten Meer operierte. Das dritte Ziel wurde basierend auf den individuellen Studien erreicht, die zusammen ein ganzheitliches Bild zu verschiedenen Seesystemreaktionen liefern, die während des Übergangs vom letzten Glazial zum Holozän durch diverse Klimaelemente während abrupter Klimaveränderungen mit hemisphärischen Ausmaßen beeinflusst sind. Grundsätzlich sind die durch Klimaänderungen ausgelösten Faziesänderungen ausgeprägter am Toten Meer als im Gościąż See. Zudem ist der Gościąż See beinahe durchgängig warviert, während die Sedimente des Toten Meeres weithin durch Ablagerungen von Extremevents geprägt sind, welche die Konstruktion einer kontinuierlichen Warvenchronologie verhindern. Die spätglaziale Sedimentation im Gościąż See ist hauptsächlich durch Westwinde beeinflusst und untergeordnet auch durch Vegetationsänderungen im Einzugsgebiet. Im Gegensatz dazu ist die spätglaziale Sedimentation im Toten Meer überwiegend von Schwankungen im Niederschlag während des Winters beeinflusst. Diese wiederum werden durch Temperaturschwankungen im Mittelmeer verursacht. Obwohl die Sedimentationsprozesse so verschieden sind, ist die Sedimentation interessanterweise in beiden Archiven stabiler im Bølling/Allerød und dynamischer in der JD. Kurz zusammengefasst, präsentiert diese Doktorarbeit saisonal-aufgelöste Sedimentprofile zweier Seearchive während des Spätglazials (ca. 17.000-11.000 BP), um die Auswirkungen abrupter Klimaveränderungen in verschiedenen Seesystemen zu untersuchen. Neue Altersinformationen anhand der Identifizierung von vulkanischen Aschen in den spätglazialen Sedimenten des Toten Meeres erlaubten die erste Lithologie-basierte Interpretation der JD im Sedimentprofil des Toten Meeres und den Vergleich mit dem Gościąż See. Dies hebt die Bedeutung der Erstellung einer robusten Chronologie hervor und liefert einen ersten Schritt für die Synchronisierung des Toten Meeres mit anderen Archiven im östlichen Mittelmeerraum. Des Weiteren haben die Klimarekonstruktionen anhand der Seesedimente Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen in den Archiven gezeigt. Diese umfassen dekadische bis tausendjährige Schwankungen im Toten Meer und sogar jährliche und sub-dekadische Schwankungen in Proxys während der rapiden Übergangszonen der JD im Gościąż See. Dies zeigt wie bedeutend es ist verschiedene Seearchive zu vergleichen um die regionalen und lokalen Auswirkungen von hemisphärischen Klimaschwankungen besser zu verstehen. Hier wurde eine beispiellose Fallstudie gezeigt, die die diversen Reaktionen unterschiedlicher Seen beleuchtet und aufzeigt wie diese von verschiedenen Klimaelementen abrupter Klimaveränderungen beeinflusst werden können. Dies hebt auch hervor, wie bedeutsam es für Klimarekonstruktionen ist das jeweilige Seesystem zu verstehen. KW - paleoclimatology KW - Paläoklimatologie KW - varved lake sediments KW - warvierte Seesedimente KW - extreme events KW - Extremereignisse KW - lake system responses KW - Seesystemreaktionen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558331 ER - TY - THES A1 - Pan, Mengdi T1 - Systematic studies on the thermodynamic properties of gas hydrates and their formation/dissociation/transformation behaviors T1 - Systematische Untersuchungen zu den thermodynamischen Eigenschaften von Gashydraten und ihrem Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsverhalten N2 - Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming. N2 - Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten. KW - gas hydrates KW - Raman spectroscopy KW - thermodynamic and kinetic properties KW - Gashydrate KW - Raman-Spektroskopie KW - thermodynamische und kinetische Eigenschaften Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554760 ER - TY - THES A1 - Brill, Fabio Alexander T1 - Applications of machine learning and open geospatial data in flood risk modelling N2 - Der technologische Fortschritt erlaubt es, zunehmend komplexe Vorhersagemodelle auf Basis immer größerer Datensätze zu produzieren. Für das Risikomanagement von Naturgefahren sind eine Vielzahl von Modellen als Entscheidungsgrundlage notwendig, z.B. in der Auswertung von Beobachtungsdaten, für die Vorhersage von Gefahrenszenarien, oder zur statistischen Abschätzung der zu erwartenden Schäden. Es stellt sich also die Frage, inwiefern moderne Modellierungsansätze wie das maschinelle Lernen oder Data-Mining in diesem Themenbereich sinnvoll eingesetzt werden können. Zusätzlich ist im Hinblick auf die Datenverfügbarkeit und -zugänglichkeit ein Trend zur Öffnung (open data) zu beobachten. Thema dieser Arbeit ist daher, die Möglichkeiten und Grenzen des maschinellen Lernens und frei verfügbarer Geodaten auf dem Gebiet der Hochwasserrisikomodellierung im weiteren Sinne zu untersuchen. Da dieses übergeordnete Thema sehr breit ist, werden einzelne relevante Aspekte herausgearbeitet und detailliert betrachtet. Eine prominente Datenquelle im Bereich Hochwasser ist die satellitenbasierte Kartierung von Überflutungsflächen, die z.B. über den Copernicus Service der Europäischen Union frei zur Verfügung gestellt werden. Große Hoffnungen werden in der wissenschaftlichen Literatur in diese Produkte gesetzt, sowohl für die akute Unterstützung der Einsatzkräfte im Katastrophenfall, als auch in der Modellierung mittels hydrodynamischer Modelle oder zur Schadensabschätzung. Daher wurde ein Fokus in dieser Arbeit auf die Untersuchung dieser Flutmasken gelegt. Aus der Beobachtung, dass die Qualität dieser Produkte in bewaldeten und urbanen Gebieten unzureichend ist, wurde ein Verfahren zur nachträglichenVerbesserung mittels maschinellem Lernen entwickelt. Das Verfahren basiert auf einem Klassifikationsalgorithmus der nur Trainingsdaten von einer vorherzusagenden Klasse benötigt, im konkreten Fall also Daten von Überflutungsflächen, nicht jedoch von der negativen Klasse (trockene Gebiete). Die Anwendung für Hurricane Harvey in Houston zeigt großes Potenzial der Methode, abhängig von der Qualität der ursprünglichen Flutmaske. Anschließend wird anhand einer prozessbasierten Modellkette untersucht, welchen Einfluss implementierte physikalische Prozessdetails auf das vorhergesagte statistische Risiko haben. Es wird anschaulich gezeigt, was eine Risikostudie basierend auf etablierten Modellen leisten kann. Solche Modellketten sind allerdings bereits für Flusshochwasser sehr komplex, und für zusammengesetzte oder kaskadierende Ereignisse mit Starkregen, Sturzfluten, und weiteren Prozessen, kaum vorhanden. Im vierten Kapitel dieser Arbeit wird daher getestet, ob maschinelles Lernen auf Basis von vollständigen Schadensdaten einen direkteren Weg zur Schadensmodellierung ermöglicht, der die explizite Konzeption einer solchen Modellkette umgeht. Dazu wird ein staatlich erhobener Datensatz der geschädigten Gebäude während des schweren El Niño Ereignisses 2017 in Peru verwendet. In diesem Kontext werden auch die Möglichkeiten des Data-Mining zur Extraktion von Prozessverständnis ausgelotet. Es kann gezeigt werden, dass diverse frei verfügbare Geodaten nützliche Informationen für die Gefahren- und Schadensmodellierung von komplexen Flutereignissen liefern, z.B. satellitenbasierte Regenmessungen, topographische und hydrographische Information, kartierte Siedlungsflächen, sowie Indikatoren aus Spektraldaten. Zudem zeigen sich Erkenntnisse zu den Schädigungsprozessen, die im Wesentlichen mit den vorherigen Erwartungen in Einklang stehen. Die maximale Regenintensität wirkt beispielsweise in Städten und steilen Schluchten stärker schädigend, während die Niederschlagssumme in tiefliegenden Flussgebieten und bewaldeten Regionen als aussagekräftiger befunden wurde. Ländliche Gebiete in Peru weisen in der präsentierten Studie eine höhere Vulnerabilität als die Stadtgebiete auf. Jedoch werden auch die grundsätzlichen Grenzen der Methodik und die Abhängigkeit von spezifischen Datensätzen and Algorithmen offenkundig. In der übergreifenden Diskussion werden schließlich die verschiedenen Methoden – prozessbasierte Modellierung, prädiktives maschinelles Lernen, und Data-Mining – mit Blick auf die Gesamtfragestellungen evaluiert. Im Bereich der Gefahrenbeobachtung scheint eine Fokussierung auf neue Algorithmen sinnvoll. Im Bereich der Gefahrenmodellierung, insbesondere für Flusshochwasser, wird eher die Verbesserung von physikalischen Modellen, oder die Integration von prozessbasierten und statistischen Verfahren angeraten. In der Schadensmodellierung fehlen nach wie vor die großen repräsentativen Datensätze, die für eine breite Anwendung von maschinellem Lernen Voraussetzung ist. Daher ist die Verbesserung der Datengrundlage im Bereich der Schäden derzeit als wichtiger einzustufen als die Auswahl der Algorithmen. N2 - Technological progress allows for producing ever more complex predictive models on the basis of increasingly big datasets. For risk management of natural hazards, a multitude of models is needed as basis for decision-making, e.g. in the evaluation of observational data, for the prediction of hazard scenarios, or for statistical estimates of expected damage. The question arises, how modern modelling approaches like machine learning or data-mining can be meaningfully deployed in this thematic field. In addition, with respect to data availability and accessibility, the trend is towards open data. Topic of this thesis is therefore to investigate the possibilities and limitations of machine learning and open geospatial data in the field of flood risk modelling in the broad sense. As this overarching topic is broad in scope, individual relevant aspects are identified and inspected in detail. A prominent data source in the flood context is satellite-based mapping of inundated areas, for example made openly available by the Copernicus service of the European Union. Great expectations are directed towards these products in scientific literature, both for acute support of relief forces during emergency response action, and for modelling via hydrodynamic models or for damage estimation. Therefore, a focus of this work was set on evaluating these flood masks. From the observation that the quality of these products is insufficient in forested and built-up areas, a procedure for subsequent improvement via machine learning was developed. This procedure is based on a classification algorithm that only requires training data from a particular class to be predicted, in this specific case data of flooded areas, but not of the negative class (dry areas). The application for hurricane Harvey in Houston shows the high potential of this method, which depends on the quality of the initial flood mask. Next, it is investigated how much the predicted statistical risk from a process-based model chain is dependent on implemented physical process details. Thereby it is demonstrated what a risk study based on established models can deliver. Even for fluvial flooding, such model chains are already quite complex, though, and are hardly available for compound or cascading events comprising torrential rainfall, flash floods, and other processes. In the fourth chapter of this thesis it is therefore tested whether machine learning based on comprehensive damage data can offer a more direct path towards damage modelling, that avoids explicit conception of such a model chain. For that purpose, a state-collected dataset of damaged buildings from the severe El Niño event 2017 in Peru is used. In this context, the possibilities of data-mining for extracting process knowledge are explored as well. It can be shown that various openly available geodata sources contain useful information for flood hazard and damage modelling for complex events, e.g. satellite-based rainfall measurements, topographic and hydrographic information, mapped settlement areas, as well as indicators from spectral data. Further, insights on damaging processes are discovered, which mainly are in line with prior expectations. The maximum intensity of rainfall, for example, acts stronger in cities and steep canyons, while the sum of rain was found more informative in low-lying river catchments and forested areas. Rural areas of Peru exhibited higher vulnerability in the presented study compared to urban areas. However, the general limitations of the methods and the dependence on specific datasets and algorithms also become obvious. In the overarching discussion, the different methods – process-based modelling, predictive machine learning, and data-mining – are evaluated with respect to the overall research questions. In the case of hazard observation it seems that a focus on novel algorithms makes sense for future research. In the subtopic of hazard modelling, especially for river floods, the improvement of physical models and the integration of process-based and statistical procedures is suggested. For damage modelling the large and representative datasets necessary for the broad application of machine learning are still lacking. Therefore, the improvement of the data basis in the field of damage is currently regarded as more important than the selection of algorithms. KW - flood risk KW - machine learning KW - open data KW - damage modelling KW - data-mining KW - Schadensmodellierung KW - Data-Mining KW - Hochwasserrisiko KW - maschinelles Lernen KW - offene Daten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555943 ER - TY - THES A1 - Niemz, Peter T1 - Imaging and modeling of hydraulic fractures in crystalline rock via induced seismic activity T1 - Charakterisierung und Modellierung hydraulischer Brüche in Kristallingestein mit Hilfe induzierter Seismizität N2 - Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1). An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broad-band seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding. To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3). N2 - Hydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mit unterschiedlichen Injektionsstrategien durchgeführt. Die detaillierte Auswertung der Bruch-Experimente in dieser Dissertation zielt darauf ab, die Nutzbarkeit von hydraulischen Stimulationen (hydraulic fracturing, HF) in EGS zu untersuchen und das Verständnis von Bruchprozessen sowie der hydromechanischen Beziehung zur induzierten Seismizität zu verbessern. Um die Schallemissionsaktivität (acoustic emissions, AE), die durch 11 piezoelektrische AE-Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet wurde, zu extrahieren und zu charakterisieren, wurde ein halbautomatischer, wellenformbasierter Detektions-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsworkflow entwickelt. Mit Hilfe des resultierenden Katalogs von 20000 AEs wurde das Bruchwachstum detailliert kartiert und charakterisiert. Das Experiment mit der neuartigen, zyklischen Injektionsstrategie (HF3) weist einen geringeren seismischen Fußabdruck auf als die Standard-Injektionsstrategie. HF3 induzierte weniger AEs und eine kleinere Maximalmagnitude. Außerdem hatte das Experiment einen signifikant höheren b-Wert, was einer verringerten Anzahl von großen AEs relativ zur Anzahl der kleineren AEs entspricht. Darüber hinaus zeigte HF3 eine erhöhte Komplexität im Bruchmuster mit mehreren Brüchen bzw. einem Netzwerk von Brüchen. Im Gegensatz dazu entwickelten die Standard-Injektionen einzelne, ebene Bruchzonen (Publikation 1). Zusätzlich zu den induzierten AEs wurden transiente, langperiodische Signale auf den horizontalen Komponenten von zwei Breitband-Seismometern, die wenige Meter von den Brüchen installiert waren, ausgewertet. Diese Signale wurden als Neigungssignale interpretiert und mit modellierten Neigungssignalen verglichen. Der Vergleich zeigt unabhängig, dass hydraulische Brüche geöffnet wurden und bestätigt, dass die AE-basierte Analyse die Bruchgeometrie verlässlich kartieren kann. Die gemeinsame Betrachtung von AEs und Neigungssignalen offenbart verschiedene Phasen des Bruchprozesses: das (wiederholte) Öffnen des Bruches, das Bruchwachstum und das weitere Wachsen des Bruches nach dem Ende der Injektion. Außerdem liefert die Analyse Hinweise auf die Reaktivierung einer natürlichen Bruchzone in einem der Experimente (Publikation 2). Eine neuentwickelte und hier präsentierte Wellenform-Ähnlichkeitsanalyse, die Informationen des gesamten Sensornetzwerkes nutzt und zum ersten Mal auf einen umfangreichen AE-Katalog angewendet wurde, unterstützt diese Interpretation. Um zu validieren, ob die verringerte Seismizität während der zyklischen Injektion auf der Meter-Skala (Bergwerk) auf andere Maßstäbe übertragbar ist, wurden Energie-Budgets für Injektionsexperimente aus zuvor durchgeführten Laborversuchen und aus einem Tiefengeothermie-Projekt berechnet. Über alle drei Skalen hinweg zeigen die zyklischen Injektionen einen verringerten seismischen Fußabdruck mit kleineren Maximalmagnituden, größeren b-Werte und einem kleineren Verhältnis von seismisch-abgestrahlter zu injizierter Energie (Publikation 3). KW - induced seismicity KW - hydraulic fracturing KW - enhanced geothermal systems (EGS) KW - injection KW - deformation KW - acoustic emissions KW - fracture growth KW - injection scheme KW - basement rock KW - Schallemissionen KW - Grundgestein KW - Deformation KW - verbesserte geothermische Systeme KW - Bruchausbreitung KW - hydraulisches Aufbrechen KW - Induzierte Seismizität KW - Injektion KW - Injektionsschema Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556593 ER - TY - THES A1 - Richter, Maximilian Jacob Enzo Amandus T1 - Continental rift dynamics across the scales T1 - Dynamiken kontinentaler Grabenbrüche über die Skalen BT - numerical modelling of localisation processes BT - numerische Modellierung von Lokalisations-Prozessen N2 - Localisation of deformation is a ubiquitous feature in continental rift dynamics and observed across drastically different time and length scales. This thesis comprises one experimental and two numerical modelling studies investigating strain localisation in (1) a ductile shear zone induced by a material heterogeneity and (2) in an active continental rift setting. The studies are related by the fact that the weakening mechanisms on the crystallographic and grain size scale enable bulk rock weakening, which fundamentally enables the formation of shear zones, continental rifts and hence plate tectonics. Aiming to investigate the controlling mechanisms on initiation and evolution of a shear zone, the torsion experiments of the experimental study were conducted in a Patterson type apparatus with strong Carrara marble cylinders with a weak, planar Solnhofen limestone inclusion. Using state-of-the-art numerical modelling software, the torsion experiments were simulated to answer questions regarding localisation procedure like stress distribution or the impact of rheological weakening. 2D numerical models were also employed to integrate geophysical and geological data to explain characteristic tectonic evolution of the Southern and Central Kenya Rift. Key elements of the numerical tools are a randomized initial strain distribution and the usage of strain softening. During the torsion experiments, deformation begins to localise at the limestone inclusion tips in a process zone, which propagates into the marble matrix with increasing deformation until a ductile shear zone is established. Minor indicators for coexisting brittle deformation are found close to the inclusion tip and presumed to slightly facilitate strain localisation besides the dominant ductile deformation processes. The 2D numerical model of the torsion experiment successfully predicts local stress concentration and strain rate amplification ahead of the inclusion in first order agreement with the experimental results. A simple linear parametrization of strain weaking enables high accuracy reproduction of phenomenological aspects of the observed weakening. The torsion experiments suggest that loading conditions do not affect strain localisation during high temperature deformation of multiphase material with high viscosity contrasts. A numerical simulation can provide a way of analysing the process zone evolution virtually and extend the examinable frame. Furthermore, the nested structure and anastomosing shape of an ultramylonite band was mimicked with an additional second softening step. Rheological weakening is necessary to establish a shear zone in a strong matrix around a weak inclusion and for ultramylonite formation. Such strain weakening laws are also incorporated into the numerical models of the Southern and Central Kenya Rift that capture the characteristic tectonic evolution. A three-stage early rift evolution is suggested that starts with (1) the accommodation of strain by a single border fault and flexure of the hanging-wall crust, after which (2) faulting in the hanging-wall and the basin centre increases before (3) the early-stage asymmetry is lost and basinward localisation of deformation occurs. Along-strike variability of rifts can be produced by modifying the initial random noise distribution. In summary, the three studies address selected aspects of the broad range of mechanisms and processes that fundamentally enable the deformation of rock and govern the localisation patterns across the scales. In addition to the aforementioned results, the first and second manuscripts combined, demonstrate a procedure to find new or improve on existing numerical formulations for specific rheologies and their dynamic weakening. These formulations are essential in addressing rock deformation from the grain to the global scale. As within the third study of this thesis, where geodynamic controls on the evolution of a rift were examined and acquired by the integration of geological and geophysical data into a numerical model. N2 - Die Lokalisierung von Deformation ist ein allgegenwärtiges Merkmal in der Dynamik von Grabenbrüchen bzw. Riftzonen und wird über verschiedene Zeit- und Längenskalen beobachtet. Diese Arbeit umfasst eine experimentelle und zwei numerische Studien zur Untersuchung der Lokalisierung von Deformation in (1) einer durch eine Materialheterogenität induzierten duktilen Scherzone und (2) in einem aktiven Kontinentalgraben. Die Studien verbindet, dass die Schwächungsmechanismen auf der kristallographischen Skala und der Korngrößenskala eine Enthärtung eines Gesteinkörpers ermöglicht, was im Wesentlichen die Bildung von Scherzonen, Grabenbrüchen und damit Plattentektonik ermöglicht. Um die Kontrollmechanismen für die Initiierung und Entwicklung einer Scherzone zu untersuchen, wurden die Torsionsexperimente der experimentellen Studie in einem Patterson-Gerät an starken Carrara-Marmorzylinder mit einer schwachen, planaren Solnhofen-Kalksteineinschluss durchgeführt. Mit modernster numerischer Modellierungssoftware wurden die Torsionsexperimente simuliert, um weitere Fragen zum Lokalisierungsablauf wie die Verteilung der Spannung oder den Einfluss rheologischer Schwächung zu beantworten. Numerische 2D-Modelle wurden auch verwendet, um geophysikalische und geologische Daten zu kombinieren, um die charakteristische tektonische Entwicklung des südlichen und zentralen Kenia-Rifts zu erklären. Schlüsselelemente der verwendeten numerischen Werkzeuge sind eine randomisierte Anfangsverteilung des Strain und der Einsatz von Strain basierter Enthärtung. Während der Torsionsversuche lokalisiert die Deformation zunächst an den Kalksteineinschlussspitzen in einer Prozesszone, die sich mit zunehmender Deformation in die Marmormatrix ausbreitet bis sich eine duktile Scherzone einstellt. Neben den dominierenden duktilen Verformungsprozessen werden geringfügige Indikatoren für eine koexistierende spröde Verformung nahe der Einschlussspitzen gefunden und es wird angenommen, dass diese die Lokalisierung der Deformation geringfügig erleichtern. In erster Ordnung sagt das numerische 2D-Modell des Torsionsexperiments erfolgreich lokale Spannungskonzentration und Strainratenverstärkung vor der Inklusion in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorher. Eine einfache lineare Parametrisierung der Enthärtung durch Strain ermöglicht eine genaue Reproduktion phänomenologischer Aspekte der beobachteten Schwächung. Die Torsionsexperimente legen nahe, dass die Randbedingungen die Lokalisierung des Strain während der Hochtemperaturverformung von Mehrphasenmaterial mit hohen Viskositätskontrasten nicht beeinflussen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die Entwicklung der Prozesszone virtuell zu analysieren und den Untersuchungsrahmen zu erweitern. Darüber hinaus wurde die verschachtelte Struktur und anastomosierende Form eines Ultramylonitbandes mit einem zusätzlichen zweiten Enthärtungsschritt nachgeahmt. Die rheologische Schwächung ist notwendig, um eine Scherzone in einer starken Matrix um einen schwachen Einschluss herum und für die Ultramylonitbildung zu etablieren. Solche Schwächungsgesetze, die auf Strain basieren, fließen auch in die numerischen Modelle des südlichen und zentralen Kenia-Rifts ein, die die charakteristische tektonische Entwicklung erfassen. Es wird eine dreistufige frühe Riftentwicklung vorgeschlagen, die mit (1) der Anpassung von Spannungen durch eine einzelne Grenzstörung und Biegung der hangenden Kruste beginnt, wonach (2) die Verwerfung im Hangenden und im Beckenzentrum zunimmt, bevor (3) die Asymmetrie des Frühstadiums verloren geht und es zu einer beckenseitigen Deformationslokalisierung kommt. Die Variabilität von Rissen entlang des Rifts kann durch Modifizieren der anfänglichen zufälligen Rauschverteilung erzeugt werden. Zusammenfassend befassen sich die drei Studien mit ausgewählten Aspekten der breiten Palette von Mechanismen und Prozessen, die die Deformation von Gestein grundlegend ermöglichen und die Lokalisierungsmuster über die Skalen bestimmen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen demonstrieren das erste und zweite Manuskript in Kombination ein Verfahren, um neue oder bestehende numerische Formulierungen für spezifische Rheologien und deren dynamische Schwächung zu finden oder zu verbessern. Diese Formulierungen sind essenziell, um Gesteinsverformung von der Korngrößen bis zur globalen Skala zu untersuchen. Wie in der dritten Studie dieser Dissertation, in der geodynamische Kontrollen auf die Entwicklung eines Grabenbruchs durch die Integration geologischer und geophysikalischer Daten in ein numerisches Modell untersucht und erfasst wurden. KW - Strain Localisation KW - Continental Rifts KW - Torsion Experiments KW - Geodynamic Modelling KW - 2D Numerical Modelling KW - Lokalisierung von Deformation KW - Grabenbrüche KW - Geodynamische Modellierung KW - Torsionsexperimente KW - Numerische 2D Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550606 ER - TY - THES A1 - Hennig, Theresa T1 - Uranium migration in the Opalinus Clay quantified on the host rock scale with reactive transport simulations T1 - Uranmigration im Opalinuston quantifiziert für die Wirtsgesteinsskala mit reaktiven Transportsimulationen N2 - Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (>100 m). Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale. Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients. The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 > hydrogeology > mineralogy. The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m. N2 - Zum Schutz von Mensch und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen abgebrannter Brennelemente, wird weltweit die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen favorisiert. Daher ist das Rückhaltevermögen potenzieller Wirtsgesteine gegenüber Radionukliden ein wichtiges Kriterium. Sicherheitsbewertungen basieren auf der Quantifizierung der Migration mit numerischen Simulationen, da Experimente die erforderlichen zeitlichen (1 Ma) und räumlichen Skalen (>100 m) nicht abdecken können. Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala. Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden. Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 > Hydrogeologie > Mineralogie. Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen. KW - uranium KW - Opalinus Clay KW - PHREEQC KW - diffusion KW - sorption KW - nuclear waste disposal KW - reactive transport simulation KW - host rock scale KW - Opalinuston KW - PHREEQC KW - Diffusion KW - Wirtsgesteinsskala KW - Endlagerung nuklearer Abfälle KW - reaktive Transportsimulation KW - Sorption KW - Uran Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552700 ER - TY - THES A1 - Farkas, Marton Pal T1 - Hydraulic fracturing in hard rock – numerical studies from laboratory to reservoir scale T1 - Hydraulische Brüche in Hartgestein - Numerische Studien vom Labor- bis zum Reservoirmaßstab N2 - Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled? In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2). In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3). The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on far-field stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydro-mechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges. N2 - Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden? In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1). Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2). In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3). Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h. bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen. KW - hydraulic fracturing KW - enhanced geothermal system KW - stress measurement KW - numerical modelling KW - hydraulische Risserzeugung KW - petrothermales System (EGS) KW - Spannungsmessung KW - numerische Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549343 ER - TY - THES A1 - Forster, Florian T1 - Continuous microgravity monitoring of the Þeistareykir geothermal field (North Iceland) N2 - In my doctoral thesis, I examine continuous gravity measurements for monitoring of the geothermal site at Þeistareykir in North Iceland. With the help of high-precision superconducting gravity meters (iGravs), I investigate underground mass changes that are caused by operation of the geothermal power plant (i.e. by extraction of hot water and reinjection of cold water). The overall goal of this research project is to make a statement about the sustainable use of the geothermal reservoir, from which also the Icelandic energy supplier and power plant operator Landsvirkjun should benefit. As a first step, for investigating the performance and measurement stability of the gravity meters, in summer 2017, I performed comparative measurements at the gravimetric observatory J9 in Strasbourg. From the three-month gravity time series, I examined calibration, noise and drift behaviour of the iGravs in comparison to stable long-term time series of the observatory superconducting gravity meters. After preparatory work in Iceland (setup of gravity stations, additional measuring equipment and infrastructure, discussions with Landsvirkjun and meetings with the Icelandic partner institute ISOR), gravity monitoring at Þeistareykir was started in December 2017. With the help of the iGrav records of the initial 18 months after start of measurements, I carried out the same investigations (on calibration, noise and drift behaviour) as in J9 to understand how the transport of the superconducting gravity meters to Iceland may influence instrumental parameters. In the further course of this work, I focus on modelling and reduction of local gravity contributions at Þeistareykir. These comprise additional mass changes due to rain, snowfall and vertical surface displacements that superimpose onto the geothermal signal of the gravity measurements. For this purpose, I used data sets from additional monitoring sensors that are installed at each gravity station and adapted scripts for hydro-gravitational modelling. The third part of my thesis targets geothermal signals in the gravity measurements. Together with my PhD colleague Nolwenn Portier from France, I carried out additional gravity measurements with a Scintrex CG5 gravity meter at 26 measuring points within the geothermal field in the summers of 2017, 2018 and 2019. These annual time-lapse gravity measurements are intended to increase the spatial coverage of gravity data from the three continuous monitoring stations to the entire geothermal field. The combination of CG5 and iGrav observations, as well as annual reference measurements with an FG5 absolute gravity meter represent the hybrid gravimetric monitoring method for Þeistareykir. Comparison of the gravimetric data to local borehole measurements (of groundwater levels, geothermal extraction and injection rates) is used to relate the observed gravity changes to the actually extracted (and reinjected) geothermal fluids. An approach to explain the observed gravity signals by means of forward modelling of the geothermal production rate is presented at the end of the third (hybrid gravimetric) study. Further modelling with the help of the processed gravity data is planned by Landsvirkjun. In addition, the experience from time-lapse and continuous gravity monitoring will be used for future gravity measurements at the Krafla geothermal field 22 km south-east of Þeistareykir. N2 - In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit kontinuierlichen Schweremessungen zum Monitoring des geothermisch genutzten Standorts Þeistareykir in Nordisland. Unter Verwendung von hochpräzisen Supraleitgravimetern (iGravs) untersuche ich unterirdische Massenveränderungen, die durch den Betrieb des isländischen Erdwärmekraftwerks (d.h. durch die Entnahme von Heißwasser und Rückinjektion von Kaltwasser) hervorgerufen werden. Als übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes soll eine Aussage zur nachhaltigen Nutzung des geothermischen Reservoirs gemacht werden, von der auch der isländische Energieversorger und Kraftwerksbetreiber Landsvirkjun profitieren soll. Als ersten Schritt, zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Messstabilität der Gravimeter, begleitete ich im Sommer 2017 Vergleichsmessungen in dem gravimetrischen Observatorium J9 in Straßburg. Aus den dreimonatigen Messzeitreihen untersuchte ich Kalibration, Rausch- und Driftverhalten der iGravs im Vergleich zu den betriebssicher laufenden Observatoriums-Supraleitgravimetern. Nach vorbereitender Arbeit in Island (Aufbau der Gravimeter-Stationen und zusätzlicher Messeinrichtung, Einrichtung der Infrastruktur, Gespräche mit Landsvirkjun und Treffen mit isländischen Partnerinstitut ISOR) startete ich mit meinen Kollegen im Dezember 2017 das Gravimeter-Monitoring in Þeistareykir. Anhand der iGrav-Aufzeichnungen der ersten 18 Monaten nach Messbeginn führte ich die gleichen Untersuchungen (zu Kalibration, Rausch- und Driftverhalten) wie in J9 durch, um zu verstehen inwieweit der Transport der Supraleitgravimeter nach Island die Geräteeigenschaften beeinflusst hat. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit beschäftige ich mich verstärkt mit der Modellierung und Korrektur von oberflächennahen Schwereeffekten in Þeistareykir. Dies umfasst zusätzliche Massenbewegungen durch Regen, Schneefall oder vulkanisch-tektonische Bodenbewegungen, die das geothermische Signal in den Gravimeter-Messungen überlagern. Als Hilfsmittel verwende ich die Datensätze der zusätzlich an jeder Gravimeter-Station eingerichteten Messsensorik und von mir angepasste Modellierungsskripte meiner Gravimetrie-Kollegen. Als dritten Punkt meiner Dissertation untersuche ich die geothermischen Signale in den Gravimeter-Messungen. Gemeinsam mit meiner PhD-Kollegin Nolwenn Portier aus Frankreich führte ich in den Sommern 2017, 2018 und 2019 zusätzliche Schweremessungen mit einem Scintrex CG5 Gravimeter an 26 im Geothermie-Feld verteilten Messpunkten durch. Diese jährlich begrenzten Schweredaten dienen der Verbesserung der räumlichen Auflösung unserer kontinuierlichen iGrav-Messungen. Die kombinierten Ergebnisse beider Messmethoden (der CG5 und iGrav Gravimeter), sowie jährlich im Messgebiet durchgeführter Referenz-Messungen mit einem FG5 Absolut-Gravimeter, komplettieren das hybridgravimetrische Monitoring am Messstandort Þeistareykir. Die abschließende Gegenüberstellung der gravimetrischen Daten mit lokalen Bohrlochmessungen (von Grundwasserpegeln, geothermischen Extraktions- und Injektions-Raten) des Kraftwerksbetreibers, ermöglicht einen direkten Vergleich der beobachteten Schwereveränderungen mit den tatsächlich geförderten geothermischen Fluiden. Ein Ansatz zur Erklärung des beobachteten Schweresignals mittels Vorwärtsmodellierung der geförderten geothermischen Förderrate wird im Abschluss der dritten (hybridgravimetrischen) Studie vorgestellt. Weitere Modellierungen unter Verwendung der aufbereiteten gravimetrischen Messdaten sind durch den Kraftwerksbetreibers von Þeistareykir geplant. Außerdem sollen die gesammelten Erfahrungen des gravimetrischen Messnetzes und Monitorings in Þeistareykir zur Durchführung weiterer gravimetrischer Messungen an dem 22 km südöstlich gelegenem Geothermiefeld Krafla genutzt werden. T2 - Kontinuierliche Schweremessungen zum Monitoring des Geothermalfeldes Þeistareykir (Nordisland) KW - Superconducting gravimetry KW - Geothermal monitoring KW - Time series analysis KW - Þeistareykir Iceland KW - Geothermisches Monitoring KW - Supraleit-Gravimetrie KW - Zeitreihenanalyse KW - Þeistareykir Island Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548517 ER - TY - THES A1 - Neuharth, Derek T1 - Evolution of divergent and strike-slip boundaries in response to surface processes T1 - Die Entwicklung divergenter und transversaler Plattengrenzen unter dem Einfluss von Erdoberflächenprozessen N2 - Plate tectonics describes the movement of rigid plates at the surface of the Earth as well as their complex deformation at three types of plate boundaries: 1) divergent boundaries such as rift zones and mid-ocean ridges, 2) strike-slip boundaries where plates grind past each other, such as the San Andreas Fault, and 3) convergent boundaries that form large mountain ranges like the Andes. The generally narrow deformation zones that bound the plates exhibit complex strain patterns that evolve through time. During this evolution, plate boundary deformation is driven by tectonic forces arising from Earth’s deep interior and from within the lithosphere, but also by surface processes, which erode topographic highs and deposit the resulting sediment into regions of low elevation. Through the combination of these factors, the surface of the Earth evolves in a highly dynamic way with several feedback mechanisms. At divergent boundaries, for example, tensional stresses thin the lithosphere, forcing uplift and subsequent erosion of rift flanks, which creates a sediment source. Meanwhile, the rift center subsides and becomes a topographic low where sediments accumulate. This mass transfer from foot- to hanging wall plays an important role during rifting, as it prolongs the activity of individual normal faults. When rifting continues, continents are eventually split apart, exhuming Earth’s mantle and creating new oceanic crust. Because of the complex interplay between deep tectonic forces that shape plate boundaries and mass redistribution at the Earth’s surface, it is vital to understand feedbacks between the two domains and how they shape our planet. In this study I aim to provide insight on two primary questions: 1) How do divergent and strike-slip plate boundaries evolve? 2) How is this evolution, on a large temporal scale and a smaller structural scale, affected by the alteration of the surface through erosion and deposition? This is done in three chapters that examine the evolution of divergent and strike-slip plate boundaries using numerical models. Chapter 2 takes a detailed look at the evolution of rift systems using two-dimensional models. Specifically, I extract faults from a range of rift models and correlate them through time to examine how fault networks evolve in space and time. By implementing a two-way coupling between the geodynamic code ASPECT and landscape evolution code FastScape, I investigate how the fault network and rift evolution are influenced by the system’s erosional efficiency, which represents many factors like lithology or climate. In Chapter 3, I examine rift evolution from a three-dimensional perspective. In this chapter I study linkage modes for offset rifts to determine when fast-rotating plate-boundary structures known as continental microplates form. Chapter 4 uses the two-way numerical coupling between tectonics and landscape evolution to investigate how a strike-slip boundary responds to large sediment loads, and whether this is sufficient to form an entirely new type of flexural strike-slip basin. N2 - Plattentektonik beschreibt die Bewegung starrer tektonischer Platten an der Erdoberfläche sowie deren komplexe Deformation an drei Arten von Plattengrenzen: 1) divergenten Grenzen wie Grabenbrüchen und mittelozeanische Rücken, 2) transversalen Grenzen, an denen Platten gegeneinander verschoben werden, wie die San-Andreas-Verwerfung, und 3) konvergenten Grenzen, die große Gebirgszüge wie die Anden bilden. Diese schmalen Deformationszonen, die Platten begrenzen, weisen meist komplexe Dehnungsmuster auf, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Während dieser Entwicklung wird die Verformung der Plattengrenzen durch tektonische Kräfte aus dem tiefen Erdinneren und der Lithosphäre, aber auch durch Oberflächenprozesse, welche topografische Erhebungen erodieren und die daraus resultierenden Sedimente in tiefer gelegenen Gebieten ablagern, angetrieben. Durch das Zusammenwirken und die Rückkopplung dieser Faktoren entwickelt sich die Erdoberfläche in einer extrem dynamischen Art und Weise. An divergenten Grenzen beispielsweise dünnen Zugspannungen die Lithosphäre aus, was zu einer Hebung und anschließenden Erosion der Flanken eines Grabenbruchs führt, wobei wiederum Sedimente freigesetzt werden. Währenddessen sinkt das Zentrum des Grabens ab und wird zu einer topografischen Senke, in der sich Sedimente ablagern. Diese Massenumverteilung vom Fuß zum Hang einer Verwerfung spielt eine wichtige Rolle, da er die Aktivität einzelner Verwerfungen verlängert. Durch anhaltende Divergenz werden Kontinente schließlich auseinandergerissen, wodurch der Erdmantel an die Erdoberfläche gefördert und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen tektonischen Kräften aus dem tiefen Erdinneren und der Massenumverteilung an der Erdoberfläche ist es von entscheidender Bedeutung, die Rückkopplungen zwischen diesen beiden Bereichen zu verstehen. In dieser Studie möchte ich Einblicke zu zwei Hauptfragen geben: 1) Wie entwickeln sich divergierende Plattengrenzen? 2) Wie wird diese Entwicklung auf einer großen zeitlichen und einer kleinen strukturellen Skala durch die Veränderung der Oberfläche durch Erosion und Sedimentation beeinflusst? In drei Kapiteln untersuche ich die Entwicklung von divergenten und streichenden Plattengrenzen anhand numerischer Modelle. In Kapitel 2 wird die Entwicklung von Grabenbrüchen anhand zweidimensionaler Modelle im Detail erforscht. Dabei extrahiere ich Verwerfungen aus einer Reihe von Modellen und korreliere sie über die Zeit, um zu untersuchen, wie sich Verwerfungsnetzwerke räumlich und zeitlich entwickeln. Durch die bidirektionale Kopplung des Geodynamik-Codes ASPECT und des Erdoberflächen-Codes FastScape untersuche ich, wie diese Verwerfungsnetzwerk und der Grabenbruch im Allgemeinen durch die Erosionseffizienz des Systems, welche viele Faktoren wie Lithologie oder Klima abbildet, beeinflusst werden. In Kapitel 3 untersuche ich die Entwicklung eines Grabenbruchs aus einer dreidimensionalen Perspektive. In diesem Kapitel analysiere ich wie sich gegeneinander versetzte Grabenbrüche verbinden und wann sich dabei schnell rotierende kontinentale Mikroplatten bilden. In Kapitel 4 nutze ich die entwickelte bidirektionale Kopplung zwischen Geodynamik und Erdoberflächenprozessen, um zu verstehen, wie transversale Plattengrenzen auf Sedimentlasten reagieren und ob die ausreicht, um einen völlig neue Art von Sedimentbecken in dieser Umgebung zu formen. KW - geodynamics KW - numerical modelling KW - rift KW - strike-slip KW - surface processes KW - microplate KW - FastScape KW - ASPECT KW - ASPECT KW - FastScape KW - Geodynamik KW - Mikroplatte KW - numerische Modellierung KW - Rift KW - Blattverschiebung KW - Oberflächenprozesse Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549403 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Piceda, Constanza T1 - Thermomechanical state of the southern Central Andes T1 - Thermomechanischer Zustand der südlichen Zentral Anden BT - implications for active deformation patterns in the transition from flat to steep subduction BT - Implikationen für aktive Deformationsmuster beim Übergang von flacher zu steiler Subduktion N2 - The Andes are a ~7000 km long N-S trending mountain range developed along the South American western continental margin. Driven by the subduction of the oceanic Nazca plate beneath the continental South American plate, the formation of the northern and central parts of the orogen is a type case for a non-collisional orogeny. In the southern Central Andes (SCA, 29°S-39°S), the oceanic plate changes the subduction angle between 33°S and 35°S from almost horizontal (< 5° dip) in the north to a steeper angle (~30° dip) in the south. This sector of the Andes also displays remarkable along- and across- strike variations of the tectonic deformation patterns. These include a systematic decrease of topographic elevation, of crustal shortening and foreland and orogenic width, as well as an alternation of the foreland deformation style between thick-skinned and thin-skinned recorded along- and across the strike of the subduction zone. Moreover, the SCA are a very seismically active region. The continental plate is characterized by a relatively shallow seismicity (< 30 km depth) which is mainly focussed at the transition from the orogen to the lowland areas of the foreland and the forearc; in contrast, deeper seismicity occurs below the interiors of the northern foreland. Additionally, frequent seismicity is also recorded in the shallow parts of the oceanic plate and in a sector of the flat slab segment between 31°S and 33°S. The observed spatial heterogeneity in tectonic and seismic deformation in the SCA has been attributed to multiple causes, including variations in sediment thickness, the presence of inherited structures and changes in the subduction angle of the oceanic slab. However, there is no study that inquired the relationship between the long-term rheological configuration of the SCA and the spatial deformation patterns. Moreover, the effects of the density and thickness configuration of the continental plate and of variations in the slab dip angle in the rheological state of the lithosphere have been not thoroughly investigated yet. Since rheology depends on composition, pressure and temperature, a detailed characterization of the compositional, structural and thermal fields of the lithosphere is needed. Therefore, by using multiple geophysical approaches and data sources, I constructed the following 3D models of the SCA lithosphere: (i) a seismically-constrained structural and density model that was tested against the gravity field; (ii) a thermal model integrating the conversion of mantle shear-wave velocities to temperature with steady-state conductive calculations in the uppermost lithosphere (< 50 km depth), validated by temperature and heat-flow measurements; and (iii) a rheological model of the long-term lithospheric strength using as input the previously-generated models. The results of this dissertation indicate that the present-day thermal and rheological fields of the SCA are controlled by different mechanisms at different depths. At shallow depths (< 50 km), the thermomechanical field is modulated by the heterogeneous composition of the continental lithosphere. The overprint of the oceanic slab is detectable where the oceanic plate is shallow (< 85 km depth) and the radiogenic crust is thin, resulting in overall lower temperatures and higher strength compared to regions where the slab is steep and the radiogenic crust is thick. At depths > 50 km, largest temperatures variations occur where the descending slab is detected, which implies that the deep thermal field is mainly affected by the slab dip geometry. The outcomes of this thesis suggests that long-term thermomechanical state of the lithosphere influences the spatial distribution of seismic deformation. Most of the seismicity within the continental plate occurs above the modelled transition from brittle to ductile conditions. Additionally, there is a spatial correlation between the location of these events and the transition from the mechanically strong domains of the forearc and foreland to the weak domain of the orogen. In contrast, seismicity within the oceanic plate is also detected where long-term ductile conditions are expected. I therefore analysed the possible influence of additional mechanisms triggering these earthquakes, including the compaction of sediments in the subduction interface and dehydration reactions in the slab. To that aim, I carried out a qualitative analysis of the state of hydration in the mantle using the ratio between compressional- and shear-wave velocity (vp/vs ratio) from a previous seismic tomography. The results from this analysis indicate that the majority of the seismicity spatially correlates with hydrated areas of the slab and overlying continental mantle, with the exception of the cluster within the flat slab segment. In this region, earthquakes are likely triggered by flexural processes where the slab changes from a flat to a steep subduction angle. First-order variations in the observed tectonic patterns also seem to be influenced by the thermomechanical configuration of the lithosphere. The mechanically strong domains of the forearc and foreland, due to their resistance to deformation, display smaller amounts of shortening than the relatively weak orogenic domain. In addition, the structural and thermomechanical characteristics modelled in this dissertation confirm previous analyses from geodynamic models pointing to the control of the observed heterogeneities in the orogen and foreland deformation style. These characteristics include the lithospheric and crustal thickness, the presence of weak sediments and the variations in gravitational potential energy. Specific conditions occur in the cold and strong northern foreland, which is characterized by active seismicity and thick-skinned structures, although the modelled crustal strength exceeds the typical values of externally-applied tectonic stresses. The additional mechanisms that could explain the strain localization in a region that should resist deformation are: (i) increased tectonic forces coming from the steepening of the slab and (ii) enhanced weakening along inherited structures from pre-Andean deformation events. Finally, the thermomechanical conditions of this sector of the foreland could be a key factor influencing the preservation of the flat subduction angle at these latitudes of the SCA. N2 - Die Anden sind eine ~7000 km lange N-S-verlaufende Hochgebirgskette, die entlang des westlichen südamerikanischen Kontinentalrandes entstanden ist. Aufgrund der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter die kontinentale südamerikanische Platte ist die Bildung des nördlichen und zentralen Teils des Gebirges typisch für eine nicht-kollisionale Orogenese. In den südlichen Zentralanden (SZA, 29-39° S) verändert sich der Subduktionswinkel der ozeanischen Platte zwischen 33 ° S und 35 ° S von fast horizontal (< 5° Einfallen) im Norden zu einem steileren Winkel (~ 30 ° Einfallen) im Süden. Begleitet wird dieser Trend von systematischen, Süd-gerichteten Abnahmen der topographischen Erhebung, der Krusteneinengung und der Vorland- und Orogenbreite, sowie von Variationen im Deformationsstil des Vorlandes, wo die Einengung des Deckgebirges in unterschiedlichem Maße von einer entsprechenden Deformation des Grundgebirges begleitet wird. . Darüber hinaus sind die SZA eine seismisch sehr aktive Region. Die Kontinentalplatte zeichnet sich durch eine relativ flache Seismizität (< 30 km Tiefe) aus, die sich hauptsächlich auf die Übergänge vom Orogen zu den Vorlandbereichen konzentriert; im Gegensatz dazu tritt tiefere Seismizität in den zentralen Bereichen des nördlichen Vorlandes auf. Darüber hinaus ist häufig auftretende Seismizität auch in den flachen Teilen der ozeanischen Platte und im Plattensegment mit flach einfallender Subduktion zwischen 31 ° S und 33 ° S festzustellen. Die beobachtete räumliche Heterogenität der tektonischen und seismischen Deformation in den SZA wurde auf mehrere Ursachen zurückgeführt, darunter Schwankungen der Sedimentmächtigkeit, das Vorhandensein vererbter Strukturen und Veränderungen des Subduktionswinkels der ozeanischen Platte. Es gibt jedoch bislang keine Studie, die den Zusammenhang zwischen der langfristigen rheologischen Konfiguration der SZA und den räumlichen Deformationsmustern untersucht hat. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Dichte- und Mächtigkeitsvariationen in der kontinentalen Oberplatte und der verschiedenen Subduktionswinkel auf den rheologischen Zustand der Lithosphäre noch nicht grundlegend untersucht. Da die Rheologie von der Gesteinsart, dem Druck und der Temperatur abhängt, ist eine detaillierte Charakterisierung der Zusammensetzung, Struktur und des thermischen Feldes der Lithosphäre erforderlich. Daher habe ich unter Verwendung kombinierter Modellierungsansätze und geophysikalischer Daten die folgenden 3D Modelle für die Lithosphäre der SZA konstruiert: (i) ein auf seismischen Daten basierendes Struktur- und Dichtemodell, das anhand des beobachteten Schwerefeldes validiert wurde; (ii) ein thermisches Modell, das die Umwandlung von Mantelscherwellengeschwindigkeiten in Temperaturen mit Berechnungen des konduktiven Wärmetransports für stationäre Bedingungen in der obersten Lithosphäre (<50 km Tiefe) integriert und durch Temperatur- und Wärmeflussmessungen validiert wurde; und (iii) ein rheologisches Modell der langfristig bedingten Lithosphärenfestigkeit, das auf den zuvor erzeugten Modellen gründet. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die thermischen und rheologischen Bedingungen in den heutigen SZA durch verschiedene Mechanismen in unterschiedlichen Tiefen gesteuert werden. In flachen Tiefen (< 50 km) wird das thermomechanische Feld durch die heterogene Zusammensetzung der kontinentalen Lithosphäre differenziert. Eine Überprägung durch die ozeanische Platte ist dort nachweisbar, wo die ozeanische Platte flach (< 85 km tief) und die radiogene Kruste dünn ist, was insgesamt zu niedrigeren Temperaturen und einer höheren Festigkeit im Vergleich zu Bereichen führt, in denen die Platte steil einfällt und die radiogene Kruste dick ist. In Tiefen > 50 km treten die größten Temperaturschwankungen dort auf, wo die subduzierten Platte nachgewiesen wurde, was bedeutet, dass das tiefe thermische Feld den Subduktionswinkel gesteuert wird. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit legen nahe, dass der langfristige thermomechanische Zustand der Lithosphäre die räumliche Verteilung rezenter Seismizität beeinflusst. Der größte Anteil innerhalb der Kontinentalplatte registrierter Erdbebentätigkeit tritt oberhalb des modellierten Übergangs von spröden zu duktilen Bedingungen auf. Außerdem besteht eine räumliche Korrelation zwischen Erdbebenclustern und den Übergängen von den mechanisch rigideren Vorlandbereichen (Forearc und Foreland) zum mechanisch schwächeren Orogen. Demgegenüber wird vermehrte Seismizität innerhalb der ozeanischen Platte auch dort nachgewiesen, wo entsprechend der Modellierung langfristig duktile Bedingungen erwartet werden. Ich habe daher den möglichen Einfluss zusätzlicher Mechanismen untersucht, die ein Auslösen dieser Erdbeben begünstigen könnten, darunter die Kompaktion von Sedimenten an der Subduktionsgrenzfläche und Dehydrationsreaktionen innerhalb der Platte. Dazu habe ich eine qualitative Analyse des Hydratationszustandes des Mantels unter Verwendung des Verhältnisses zwischen Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit (Vp/Vs-Verhältnis aus einemseismischen Tomographiemodell) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass der Großteil der Seismizität räumlich mit hydratisierten Bereichen in der subduzierten Platte und im darüber liegenden kontinentalen Mantel korreliert, mit Ausnahme eines Erdbebenclusters, das innerhalb des flachen Plattensegments auftritt. In diesem Bereich wechselt die subduzierte Platte von einem flachen in einen steilen Subduktionswinkel und Erdbeben werden wahrscheinlich durch Biegevorgänge in der Platte ausgelöst. Auch die wichtigsten Variationen in den beobachteten tektonischen Mustern scheinen durch die thermomechanische Konfiguration der Lithosphäre beeinflusst zu sein. Die mechanisch starken Bereiche von Forearc und Foreland zeigen aufgrund ihrer Verformungsbeständigkeit geringere Verkürzungsraten als der relativ schwache Bereich des Orogens. Darüber hinaus bestätigen die in dieser Dissertation modellierten strukturellen und thermomechanischen Eigenschaften der Lithosphäre auch frühere Analysen geodynamischer Simulationen, denen zufolge der Deformationsstil im Orogen- und Vorlandbereich jeweils von Variationen in der Lithosphären- und Krustendicke, im Vorhandensein schwacher Sedimente und in der gravitativen potentiellen Energie kontrolliert wird. Eine Sonderstellung nimmt der nordöstliche Vorlandbereich der SZA ein, wo eine verstärkte Seismizität und eine das Deck-und Grundgebirge erfassende Deformation zu beobachten sind, obwohl die modellierte Krustenfestigkeit dort Werte übersteigt, die für die in diesem Gebiet anzunehmenden tektonischen Spannungen typisch wären. . Mechanismen zur Lokalisierung verstärkter Deformation in einem Gebiet beitragen können, das nach den vorliegenden Modellen einer tektonischen Verformung widerstehen sollte, sind: (i) erhöhte tektonische Kräfte durch ein steileres Abtauchen der Platte und (ii) Schwächezonen in der Kruste, die auf prä-andine Deformationsereignisse zurückgehen. Schließlich könnten die thermomechanischen Bedingungen in diesem Teil des Vorlands einchlüsselfaktor für die Erhaltung des flachen Subduktionswinkels in diesen Breiten der SZA sein. KW - Andes KW - Anden KW - subduction KW - Subduktion KW - lithosphere KW - Lithosphäre KW - earthquakes KW - Erdbeben KW - modelling KW - Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549275 ER - TY - THES A1 - Steding, Svenja T1 - Geochemical and Hydraulic Modeling of Cavernous Structures in Potash Seams T1 - Geochemische und hydraulische Modellierung kavernöser Strukturen in Kaliflözen N2 - Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures. N2 - Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden. KW - reactive transport KW - reaktiver Transport KW - salt rock KW - Salzgestein KW - water rock interactions KW - Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen KW - density-driven flow KW - dichtegetriebene Strömung KW - PHREEQC Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548182 ER - TY - THES A1 - Zhao, Xueru T1 - Palaeoclimate and palaeoenvironment evolution from the last glacial maximum into the early holocene (23-8 ka BP) derived from Lago Grande di Monticchio sediment record (S Italy) Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Jentsch, Anna T1 - Soil gas analytics in geothermal exploration and monitoring T1 - Bodengasanalytik für die Exploration und Überwachung von geothermischen Ressourcen N2 - Major challenges during geothermal exploration and exploitation include the structural-geological characterization of the geothermal system and the application of sustainable monitoring concepts to explain changes in a geothermal reservoir during production and/or reinjection of fluids. In the absence of sufficiently permeable reservoir rocks, faults and fracture networks are preferred drilling targets because they can facilitate the migration of hot and/or cold fluids. In volcanic-geothermal systems considerable amounts of gas emissions can be released at the earth surface, often related to these fluid-releasing structures. In this thesis, I developed and evaluated different methodological approaches and measurement concepts to determine the spatial and temporal variation of several soil gas parameters to understand the structural control on fluid flow. In order to validate their potential as innovative geothermal exploration and monitoring tools, these methodological approaches were applied to three different volcanic-geothermal systems. At each site an individual survey design was developed regarding the site-specific questions. The first study presents results of the combined measurement of CO2 flux, ground temperatures, and the analysis of isotope ratios (δ13CCO2, 3He/4He) across the main production area of the Los Humeros geothermal field, to identify locations with a connection to its supercritical (T > 374◦C and P > 221 bar) geothermal reservoir. The results of the systematic and large-scale (25 x 200 m) CO2 flux scouting survey proved to be a fast and flexible way to identify areas of anomalous degassing. Subsequent sampling with high resolution surveys revealed the actual extent and heterogenous pattern of anomalous degassing areas. They have been related to the internal fault hydraulic architecture and allowed to assess favourable structural settings for fluid flow such as fault intersections. Finally, areas of unknown structurally controlled permeability with a connection to the superhot geothermal reservoir have been determined, which represent promising targets for future geothermal exploration and development. In the second study, I introduce a novel monitoring approach by examining the variation of CO2 flux to monitor changes in the reservoir induced by fluid reinjection. For that reason, an automated, multi-chamber CO2 flux system was deployed across the damage zone of a major normal fault crossing the Los Humeros geothermal field. Based on the results of the CO2 flux scouting survey, a suitable site was selected that had a connection to the geothermal reservoir, as identified by hydrothermal CO2 degassing and hot ground temperatures (> 50 °C). The results revealed a response of gas emissions to changes in reinjection rates within 24 h, proving an active hydraulic communication between the geothermal reservoir and the earth surface. This is a promising monitoring strategy that provides nearly real-time and in-situ data about changes in the reservoir and allows to timely react to unwanted changes (e.g., pressure decline, seismicity). The third study presents results from the Aluto geothermal field in Ethiopia where an area-wide and multi-parameter analysis, consisting of measurements of CO2 flux, 222Rn, and 220Rn activity concentrations and ground temperatures was conducted to detect hidden permeable structures. 222Rn and 220Rn activity concentrations are evaluated as a complementary soil gas parameter to CO2 flux, to investigate their potential to understand tectono-volcanic degassing. The combined measurement of all parameters enabled to develop soil gas fingerprints, a novel visualization approach. Depending on the magnitude of gas emissions and their migration velocities the study area was divided in volcanic (heat), tectonic (structures), and volcano-tectonic dominated areas. Based on these concepts, volcano-tectonic dominated areas, where hot hydrothermal fluids migrate along permeable faults, present the most promising targets for future geothermal exploration and development in this geothermal field. Two of these areas have been identified in the south and south-east which have not yet been targeted for geothermal exploitation. Furthermore, two unknown areas of structural related permeability could be identified by 222Rn and 220Rn activity concentrations. Eventually, the fourth study presents a novel measurement approach to detect structural controlled CO2 degassing, in Ngapouri geothermal area, New Zealand. For the first time, the tunable diode laser (TDL) method was applied in a low-degassing geothermal area, to evaluate its potential as a geothermal exploration method. Although the sampling approach is based on profile measurements, which leads to low spatial resolution, the results showed a link between known/inferred faults and increased CO2 concentrations. Thus, the TDL method proved to be a successful in the determination of structural related permeability, also in areas where no obvious geothermal activity is present. Once an area of anomalous CO2 concentrations has been identified, it can be easily complemented by CO2 flux grid measurements to determine the extent and orientation of the degassing segment. With the results of this work, I was able to demonstrate the applicability of systematic and area-wide soil gas measurements for geothermal exploration and monitoring purposes. In particular, the combination of different soil gases using different measurement networks enables the identification and characterization of fluid-bearing structures and has not yet been used and/or tested as standard practice. The different studies present efficient and cost-effective workflows and demonstrate a hands-on approach to a successful and sustainable exploration and monitoring of geothermal resources. This minimizes the resource risk during geothermal project development. Finally, to advance the understanding of the complex structure and dynamics of geothermal systems, a combination of comprehensive and cutting-edge geological, geochemical, and geophysical exploration methods is essential. N2 - Zu den großen Herausforderungen bei der Erkundung und Nutzung geothermischer Ressourcen, gehören die strukturgeologische Charakterisierung eines geothermischen Systems sowie die Anwendung nachhaltiger Überwachungskonzepte, um Veränderungen im geothermischen Reservoir während der Förderung und/oder Injektion von Fluiden zu verstehen. Bei unzureichender Permeabilität des Reservoirgesteins stellen Verwerfungen und Kluftnetzwerke bevorzugte Bohrziele dar, da sie potentielle Wegsamkeiten für heiße und/oder kalte Fluide sind. Entlang dieser fluidführenden Strukturen können in vulkanisch-geothermischen Systemen auch erhebliche Mengen an Gasemissionen an der Erdoberfläche freigesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene methodische Ansätze und Messkonzepte entwickelt und getestet, um die räumliche und zeitliche Variation verschiedener Bodengasparameter zu bestimmen und diese im Kontext struktureller Permeabilitäten zu interpretieren. Um das Potential der Bodengasanalytik als innovative geothermische Explorations- und Überwachungsmethode zu validieren, wurden die methodischen Ansätze auf drei verschiedene vulkanisch-geothermische Systeme angewendet. Diesbezüglich wurde für jeden Standort ein individueller Messansatz hinsichtlich der bekannten strukturgeologischen Merkmale und standortspezifischen Fragestellung entwickelt. Die erste Studie präsentiert Ergebnisse aus der kombinierten Messung des CO2-Flusses, der Bodentemperatur und der Analyse von Isotopenverhältnissen (δ13CCO2, 3He/4He), welche systematisch und flächendeckend in der geothermischen Produktionszone des Geothermalfeldes Los Humeros, Mexiko, gemessen wurden. Ziel war es, Bereiche mit einer Verbindung zum überkritischen (T > 374◦C and P > 221 bar) und bisher noch ungenutzten geothermischen Reservoir zu identifizieren. Das mit großem Punktabstand und systematisch generierte Messnetz (25 x 200 m) für die Bestimmung des CO2-Flusses erwies sich als schnelle und flexible Anwendung zur Identifizierung von Gebieten mit anomaler CO2-Entgasung. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde anschließend mit geringeren Messabständen die genaue Ausdehnung und das heterogene Muster der anomalen Entgasungsgebiete aufgelöst. Dadurch war es möglich, die Entgasungsmuster mit der internen strukturgeologischen Heterogenität einzelner Störungssegmente in Verbindung zu bringen, wodurch Bereiche, die den Gasfluss besonders begünstigen, wie z.B. Störungsschnittpunkte, ermittelt werden konnten. Schließlich wurden vorher unbekannte, geothermisch interessante Bereiche, die eine erhöhte strukturelle Permeabilität aufweisen und eine Verbindung zum überkritischen Reservoir darstellen, identifiziert. Diese Bereiche gelten als besonders vielversprechend für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung des Geothermalfeldes. In der zweiten Studie wird ein neuartiger Überwachungsansatz vorgestellt, bei dem kontinuierlich der CO2-Fluss gemessen wurde, um Veränderungen im Reservoir zu überwachen, die durch die Reinjektion von kaltem Thermalwasser verursacht werden. Zu diesem Zweck wurde ein automatisiertes Mehrkammer-CO2-Flusssystem innerhalb der Bruchzone einer Hauptstörung aufgebaut. Die Grundlage eines geeigneten Standortes wurde durch die Ergebnisse der CO2-Explorationsuntersuchungen gegeben. Es war von großer Wichtigkeit, dass der Standort eine Verbindung zum geothermischen Reservoir aufweist, erkennbar an hydrothermaler CO2-Entgasung und heißen Bodentemperaturen (> 50 °C). Die Ergebnisse zeigten ein Sinken der Gasemissionen als Reaktion auf Änderungen der Reinjektionsraten innerhalb von 24 h, was auf eine aktive hydraulische Kommunikation zwischen dem geothermischen Reservoir und der Erdoberfläche hinweist. Dies ist ein vielversprechende Methode, da nahezu in Echtzeit und in situ Daten über Veränderungen im Reservoir angezeigt werden und eine rechtzeitige Reaktion auf unerwünschte Veränderungen (z.B. Druckabfall, Seismizität) möglich ist. Die dritte Studie präsentiert Ergebnisse aus dem Aluto-Geothermiefeld in Äthiopien, bei dem eine flächendeckende, Multiparameter-Analyse, bestehend aus CO2-Fluss, 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen und Bodentemperaturen durchgeführt wurde, um verborgene fluidführende Strukturen zu erkennen. Die 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen wurden als ergänzende Bodengasparameter zum CO2-Fluss verwendet, um ihr Potenzial als zusätzliche Explorationsparameter zu bewerten. Die kombinierte Messung aller Parameter ermöglichte die Entwicklung von Bodengas Fingerabdrücken – ein neuartiger Visualisierungsansatz. Dadurch lässt sich in Abhängigkeit von der Menge an Gasemissionen und deren Fließgeschwindigkeiten das Untersuchungsgebiet in vulkanisch (Wärme), tektonisch (Strukturen) und vulkanischtektonisch dominierte Gebiete unterteilen. Basierend auf diesem Konzept stellen vulkanischtektonisch dominierte Gebiete die vielversprechendsten Ziele für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung an diesem Standort dar, da hier heiße hydrothermale Fluide entlang durchlässiger Strukturen migrieren. Zwei solche, bisher nicht berücksichtigte Gebiete wurden im Süden und Südosten identifiziert. Darüber hinaus konnten zwei bisher unbekannte Gebiete mit strukturell bedingter Durchlässigkeit anhand der Aktivitätskonzentrationen von 222Rn und 220Rn identifiziert werden. Schließlich wird in der vierten Studie ein neuartiger Messansatz zum Nachweis der strukturbedingten CO2-Entgasung im geothermischen Gebiet Ngapouri, Neuseeland, vorgestellt. Zum ersten Mal wurde die Tunable-Diode-Laser-Methode (TDL) in einem geothermischen Gebiet mit geringer Entgasung angewandt, um ihr Potenzial als geothermische Explorationsmethode zu bewerten. Obwohl der Messansatz auf Profilmessungen basiert, was zu einer geringen räumlichen Auflösung führt, zeigen die Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen bekannten und unbekannten Störungen sowie erhöhten CO2-Konzentrationen. Somit erwies sich die TDL-Methode bei der Bestimmung der strukturbedingten Permeabilität auch in solchen Gebieten als erfolgreich, in denen keine offensichtliche geothermische Aktivität vorhanden ist. Mit systematischen und kleinskaligen CO2-Fluss-Messungen, kann anschließend die räumliche Auflösung der Abschnitte eines Profils mit erhöhten CO2-Konzentrationen, verfeinert werden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnte ich die Anwendbarkeit systematischer und flächendeckender Bodengasmessungen für geothermische Explorations- und Überwachungszwecke nachweisen. Die Kombination von verschiedenen Bodengasen und deren Messung anhand verschiedener Messnetze ermöglicht die genaue Identifizierung und Charakterisierung fluidführender Strukturen und wurde bisher noch nicht standardmäßig eingesetzt und/oder erprobt. Mit den Ergebnissen der jeweiligen Studien werden effiziente und kostengünstige Arbeitsabläufe dargelegt, die einen praxisorientierten Ansatz zeigen, der zu einer erfolgreichen und nachhaltigen Exploration und Überwachung geothermischer Ressourcen beitragen kann. Letztlich wird somit das Ressourcenrisiko bei der geothermischen Projektentwicklung minimiert. Um das Verständnis der komplexen Struktur und Dynamik geothermischer Systeme voranzutreiben, ist schließlich eine Kombination aus innovativen und flächendeckenden geologischen, geochemischen und geophysikalischen Methoden unerlässlich. KW - geothermal exploration KW - gas geochemistry KW - structural geology KW - geothermal monitoring KW - Gasgeochemie KW - geothermische Exploration KW - geothermische Überwachung KW - Strukturgeologie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-544039 ER - TY - THES A1 - Hébert, Raphaёl T1 - Investigation of vegetation and terrestrial climate variablity during the holocene BT - bridging the gap from annual to millennial timescales Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Riedl, Simon T1 - Active tectonics in the Kenya Rift T1 - Aktive Tektonik im Keniarift BT - implications for continental rifting and paleodrainage systems BT - Erkenntnisse über kontinentale Riftzonen und Paläogewässersysteme N2 - Magmatische und tektonisch aktive Grabenzonen (Rifts) stellen die Vorstufen entstehender Plattengrenzen dar. Diese sich spreizenden tektonischen Provinzen zeichnen sich durch allgegenwärtige Abschiebungen aus, und die räumliche Verteilung, die Geometrie, und das Alter dieser Abschiebungen lässt Rückschlüsse auf die räumlichen und zeitlichen Zusammenhänge zwischen tektonischer Deformation, Magmatismus und langwelliger Krustendeformation in Rifts zu. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Störungsaktivität im Kenia-Rift des känozoischen Ostafrikanischen Grabensystems im Zeitraum zwischen dem mittleren Pleistozän und dem Holozän. Um die frühen Stadien der Entstehung kontinentaler Plattengrenzen zu untersuchen, wird in dieser Arbeit eine zeitlich gemittelte minimale Extensionsrate für den inneren Graben des Nördlichen Kenia-Rifts (NKR) für die letzten 0,5 Mio Jahre abgeleitet. Die Analyse beruht auf Messungen mit Hilfe des digitalen TanDEM-X-Höhenmodells, um die Abschiebungen entlang der vulkanisch-tektonischen Achse des inneren Grabens des NKR zu kartieren und deren Versatzbeträge zu bestimmen. Mithilfe von vorhandenen Geochronologiedaten der deformierten vulkanischen Einheiten sowie in dieser Arbeit erstellten ⁴⁰Ar/³⁹Ar-Datierungen werden zeitlich gemittelte Extensionsraten berechnet. Die Auswertungen zeigen, dass im inneren Graben des NKR die langfristige Extensionsrate für mittelpleistozäne bis rezente Störungen Mindestwerte von 1,0 bis 1,6 mm yr⁻¹ aufweist und lokal allerdings auch Werte bis zu 2,0 mm yr⁻¹ existieren. In Anbetracht der nahezu inaktiven Randstörungen des NKR zeigt sich somit, dass sich die Extension auf die Region der aktiven vulkanisch-tektonischen Achse im inneren Graben konzentriert und somit ein fortgeschrittenes Stadium kontinentaler Extensionsprozesse im NKR vorliegt. In dieser Arbeit wird diese räumlich fokussierte Extension zudem im Rahmen einer Störungsanalyse der jüngsten vulkanischen Erscheinungen des Kenia-Rifts betrachtet. Die Arbeit analysiert mithilfe von Geländekartierungen und eines auf Luftbildern basierenden Geländemodells die Störungscharakteristika der etwa 36 tausend Jahre alten Menengai-Kaldera und der umliegenden Gebiete im zentralen Kenia-Rift. Im Allgemeinen sind die holozänen Störungen innerhalb des Rifts reine, NNO-streichende Abschiebungen, die somit das gegenwärtige tektonische Spannungsfeld wiederspiegeln; innerhalb der Menengai-Kaldera sind die jungen Strukturen jedoch von andauernder magmatischer Aktivität und von Aufdomung überprägt. Die Kaldera befindet sich im Zentrum eines sich aktiv dehnenden Riftsegments und zusammen mit den anderen quartären Vulkanen des Kenia-Rifts lassen sich diese Bereiche als Kernpunkte der extensionalen Störungsaktivität verstehen, die letztlich zu einer weiter entwickelten Phase magmengestützter Kontinentalseparation führen werden. Die bereits seit dem Tertiär andauernde Störungsaktivität im Kenia-Rift führt zur Zergliederung der größeren Rift-Senken in kleinere Segmente und beeinflusst die Sedimentologie und die Hydrologie dieser Riftbecken. Gegenwärtig sind die meisten, durch Störungen begrenzten Becken des Kenia-Rifts hydrologisch isoliert, sie waren aber während feuchter Klimaphasen hydrologisch miteinander verbunden; in dieser Arbeit untersuche ich deshalb auch diese hydrologische Verbindung der Rift-Becken für die Zeit der Afrikanischen Feuchteperiode des frühen Holozäns. Mithilfe der Analyse von digitalen Geländemodellen, unter Berücksichtigung von geomorphologischen Anzeigern für Seespiegelhochstände, Radiokarbondatierungen und einer Übersicht über Fossiliendaten konnten zwei kaskadierende Flusssysteme aus diesen Daten abgeleitet werden: eine Flusskaskade in Richtung Süden und eine in Richtung Norden. Beide Kaskaden haben die derzeit isolierten Becken während des frühen Holozäns durch überlaufende Seen und eingeschnittene Schluchten miteinander verbunden. Diese hydrologische Verbindung führte zu der Ausbreitung aquatischer Fauna entlang des Rifts, und gleichzeitig stellte die Wasserscheide zwischen den beiden Flusssystemen den einzigen terrestrischen Ausbreitungskorridor dar, der eine Überquerung des Kenia-Rifts ermöglichte. Diese tektonisch-geomorphologische Rekonstruktion erklärt die heute isolierten Vorkommen nilotischer Fischarten in den Riftseen Kenias sowie die isolierten Vorkommen Guineo-Congolischer Säugetiere in Wäldern östlich des Kenia-Rifts, die sich über die Wasserscheide im Kenia-Rift ausbreiten konnten. Auf längeren Zeitskalen sind solche Phasen hydrologischer Verbindung und Phasen der Isolation wiederholt aufgetreten und zeigen sich in wechselnden paläoökologischen Indikatoren in Sedimentbohrkernen. Hier stelle ich einen Sedimentbohrkern aus dem Koora-Becken des Südlichen Kenia-Rifts vor, der einen Datensatz der Paläo-Umweltbedingungen der letzten 1 Million Jahre beinhaltet. Dieser Datensatz zeigt, dass etwa vor 400 tausend Jahren die zuvor relativ stabilen Umweltbedingungen zum Erliegen kamen und tektonische, hydrologische und ökologische Veränderungen dazu führten, dass die Wasserverfügbarkeit, die Grasland-Vergesellschaftungen und die Bedeckung durch Baumvegetation zunehmend stärkeren und häufigeren Schwankungen unterlagen. Diese großen Veränderungen fallen zeitlich mit Phasen zusammen, in denen das südliche Becken des Kenia-Rifts von vulkanischer und tektonischer Aktivität besonders betroffen war. Die vorliegende Arbeit zeigt deshalb deutlich, inwiefern die tektonischen und geomorphologischen Gegebenheiten im Zuge einer zeitlich langanhaltenden Extension die Hydrologie, die Paläo-Umweltbedingungen sowie die Biodiversität einer Riftzone beeinflussen können. N2 - Magmatic continental rifts often constitute the earliest stage of nascent plate boundaries. These extensional tectonic provinces are characterized by ubiquitous normal faulting and volcanic activity; the spatial pattern, the geometry, and the age of these normal faults can help to unravel the spatiotemporal relationships between extensional deformation, magmatism, and long-wavelength crustal deformation of continental rift provinces. This study focuses on the active faulting in the Kenya Rift of the Cenozoic East African Rift System (EARS) with a focus on the mid-Pleistocene to the present-day. To examine the early stages of continental break-up in the EARS, this thesis presents a time-averaged minimum extension rate for the inner graben of the Northern Kenya Rift (NKR) for the last 0.5 m.y. Using the TanDEM-X digital elevation model, fault-scarp geometries and associated throws are determined across the volcano-tectonic axis of the inner graben of the NKR. By integrating existing geochronology of faulted units with new ⁴⁰Ar/³⁹Ar radioisotopic dates, time-averaged extension rates are calculated. This study reveals that in the inner graben of the NKR, the long-term extension rate based on mid-Pleistocene to recent brittle deformation has minimum values of 1.0 to 1.6 mm yr⁻¹, locally with values up to 2.0 mm yr⁻¹. In light of virtually inactive border faults of the NKR, we show that extension is focused in the region of the active volcano-tectonic axis in the inner graben, thus highlighting the maturing of continental rifting in the NKR. The phenomenon of focused extension is further investigated with a structural analysis of the youngest volcanic manifestations of the Kenya Rift, their relationship with extensional structures, and their overprint by Holocene faulting. In this context I analyzed the fault characteristics at the ~36 ka old Menengai Caldera and adjacent areas in the Central Kenya Rift using detailed field mapping and a structure-from-motion-based DEM generated from UAV data. In general, the Holocene intra-rift normal faults are dip-slip faults which strike NNE and thus reflect the present-day tectonic stress field; however, inside Menengai caldera persistent magmatic activity and magmatic resurgence overprints these young structures significantly. The caldera is located at the center of an actively extending rift segment and this and the other volcanic edifices of the Kenya Rift may constitute nucleation points of faulting an magmatic extensional processes that ultimately lead into a future stage of magma-assisted rifting. When viewed at the scale of the entire Kenya Rift the protracted normal faulting in this region compartmentalizes the larger rift depressions, and influences the sedimentology and the hydrology of the intra-rift basins at a scale of less than 100 km. In the present day, most of the fault-bounded sub-basins of the Kenya Rift are hydrologically isolated due to this combination of faulting and magmatic activity that has generated efficient hydrological barriers that maintain these basins as semi-independent geomorphic entities. This isolation, however, was overcome during wetter climatic conditions during the past when the basins were transiently connected. I therefore also investigated the hydrological connectivity of the rift basins during the African Humid Period of the early Holocene, when climate was wetter. With the help of DEM analysis, lake-highstand indicators, radiocarbon dating, and a review of the fossil record, two lake-river-cascades could be identified: one directed southward, and one directed northward. Both cascades connected presently isolated rift basins during the early Holocene via spillovers of lakes and incised river gorges. This hydrological connection fostered the dispersal of aquatic faunas along the rift, and in addition, the water divide between the two river systems represented the only terrestrial dispersal corridor across the Kenya Rift. The reconstruction explains isolated distributions of Nilotic fish species in Kenya Rift lakes and of Guineo-Congolian mammal species in forests east of the Kenya Rift. On longer timescales, repeated episodes of connectivity and isolation must have occurred. To address this problem I participated in research to analyze a sediment drill core from the Koora basin of the Southern Kenya Rift, which provides a paleo-environmental record of the last 1 Ma. Based on this record it can be concluded that at ~400 ka relatively stable environmental conditions were disrupted by tectonic, hydrological, and ecological changes, resulting in increasingly large and frequent fluctuations in water availability, grassland communities, and woody plant cover. The major environmental shifts reflected in the drill core data coincide with phases where volcano-tectonic activity affected the basin. This thesis therefore shows how protracted extensional tectonic processes and the resulting geomorphologic conditions can affect the hydrology, the paleo-environment and the biodiversity of extensional zones in Kenya and elsewhere. KW - Tektonik KW - tectonics KW - Ostafrikanisches Rift KW - East African Rift KW - Biodiversität KW - biodiversity KW - Paläoökologie KW - paleoecology KW - Kenia KW - Kenya Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538552 ER - TY - THES A1 - Arnous, Ahmad T1 - Paleosismología y neotectónica del antepaís fragmentado en el extremo sureste del Sistema Santa Bárbara, Noroeste Argentino T1 - Paleoseismology and neotectonics of the broken foreland in the extreme southeast of the Santa Bárbara System, Northwest Argentina N2 - This thesis constitutes a multidisciplinary study of the central sector of the Santa Bárbara System geological province, the tectonically active broken foreland of the central Andes of north-western Argentina. The study is based on a tectono-geomorphic characterization combined with a variety of geophysical and structural studies. The principal focus was on the faulted piedmont regions of the Sierra de La Candelaria and, to a lesser degree, the extreme south of the intermontane Metán basin. The study region is located in the border area between the provinces of Salta and Tucumán. The main objective was to characterize and analyze evidence of Quaternary tectonic activity in the region, in order to increase the available information on neotectonic structures and their seismogenic potential. To this end, several methods were applied and integrated, such as the interpretation of seismic reflection lines, the creation of structural sections and kinematic modeling, as well as near-surface geophysical methods, in order to explore the geometry of faults observed at the surface and to assess the behavior of potential blind faults. In a first step, a geomorphic and structural survey of the study area was carried out using LANDSAT and SENTINEL 2 multispectral satellite images, which allowed to recognize different levels of Quaternary alluvial fans and fluvial terraces that are important strain markers in the field. In a second step, different morphometric indexes were determined from digital elevation models (DEM) and combined with field observations; it was possible to identify evidence of tectonic deformation related to four neotectonic faults. In a third step, three structures (Arias, El Quemado and Copo Quile faults) were selected for more detailed studies involving Electrical Resistive Tomography (ERT) and Seismic Refraction Tomography (SRT). This part of the study enabled me to define the geometry of faults at depth, helped to infer geometric and kinematic characteristics, and confirmed the extent of recent deformation. The Arias and El Quemado faults were interpreted as reverse faults related to layer-parallel, flexuralslip faulting, while the Copo Quile fault was interpreted as a blind reverse fault. Subsequently, a joint interpretation of seismic reflection lines and well-logs from the Choromoro and Metán basins was carried out, to decipher the principal structures and their influence on the deformation of the different sedimentary units in the intermontane basins. The obtained information was integrated into a kinematic model. This model suggests that the recent deformation is driven by a blind, deep-seated reverse fault, located under the Sierra de La Candelaria and Cantero anticline. The corresponding shortening involves the sedimentary strata of the Salta and Orán groups in the adjacent basins, which was accommodated by faults that moved along stratal boundaries, thus bending and folding the Quaternary deposits at the surface. The kinematic model enabled identifying the approximate location of the important detachment horizons that control the overall crustal deformation style in this region. The shallowest detachment horizon is located at 4 km depth and controls deformation in a thin-skinned manner. In addition, the horizon of the thick-skinned style of deformation was identified at 21 km depth. Finally, from the integration of all the results obtained, the seismogenic potential of the faults in the study area was evaluated. The first-order faults that control deformation in the area are responsible for the large earthquakes. While, Quaternary flexural-slip faults affecting only the sedimentary cover are secondary structures that accommodate deformation and were activated very low magnitude earthquakes and/or aseismic movements. In conclusion, the results of this study allow to demonstrate that the regional fault system of intrabasinal faults in the Santa Bárbara System constitutes a potential seismogenic source in the region, where numerous towns and extensive civilian infrastructure are located. In addition, the derived kinematic model requires the existence of numerous blind structures. Only for a small number of these their presence can be unambiguously detected at the surface by geomorphic analysis, which emphasizes the need of conducting this type of studies in tectonically active regions such as the Santa Bárbara System. N2 - En el presente trabajo se realizó una investigación multidisciplinaria combinando métodos de geomorfología tectónica con estudios geofisicos y estructurales, focalizados principalmente en la caracterización neotectónica de ambos faldeos de la sierra de La Candelaria y del extremo sur de la cuenca de Metán. La zona de estudio se encuentra ubicada en la región limítrofe entre las provincias de Salta y Tucumán y pertenece a la provincia geológica del Sistema Santa Bárbara. El principal objetivo consistió en contextualizar las evidencias de actividad tectónica cuaternaria de la región mediante la propuesta de un modelo estructural novedoso, con el propósito de incrementar la información disponible sobre estructuras neotectónicas y su potencial sismogénico. Con este fin, se aplicaron e integraron diversas técnicas tales como la interpretación de líneas sísmicas de reflexión, construcción de secciones estructurales balanceadas, y métodos geofísicos someros, para constatar el comportamiento en profundidad tanto de las estructuras geológicas identificadas en superficie como de las posibles fallas ciegas corticales involucradas. En primer lugar, se realizó un relevamiento regional del área de estudio empleando imágenes satelitales multiespectrales LANDSAT y SENTINEL 2, que permitieron reconocer diferentes niveles de abanicos aluviales y terrazas fluviales cuaternarios. Mediante la determinación de diferentes indicadores morfométricos en modelos de elevación digital (MED), junto con observaciones de campo, fue posible identificar evidencias de deformación sobre dichos niveles cuaternarios que han sido relacionadas genéticamente con cuatro fallas neotectónicas. Tres de ellas (fallas Arias, El Quemado y Copo Quile) fueron seleccionadas para efectuar estudios de mayor detalle por medio de la aplicación de métodos de geofísica somera (tomografía eléctrica resistiva (ERT) y tomografía sísmica de refracción Sísmica (SRT)), que permitieron corroborar su existencia en profundidad, realizar inferencias geométricas y cinemáticas, y estimar la magnitud de la deformación reciente. Las fallas Arias y El Quemado fueron interpretadas como fallas inversas relacionadas con deslizamiento flexural interstratal, mientras que la falla Copo Quile se interpretó como una falla inversa ciega de bajo ángulo.También se realizó una interpretación conjunta de líneas sísmicas de reflexión y pozos exploratorios pertenecientes a áreas hidrocarburíferas de las cuencas de Choromoro y Metán con el fin de contextualizar las principales estructuras reconocidas en el marco estratigráfico y tectónico regional. Toda la información fue integrada en una sección estructural balanceada mediante técnicas de modelado cinemático. Dicho modelo permite inferir que la deformación cuaternaria reconocida está relacionada al desplazamiento del basamento a lo largo de un corrimiento ciego, responsable del levantamiento de la sierra de La Candelaria y el cerr Cantero. Asimismo, el modelo cinemático permite interpretar la ubicación aproximada de los principales niveles de despegue que controlan el estilo de deformación. El nivel de despegue más somero, que controla la deformación de la cobertura sedimentaria se encuentra a 4 km de profundidad, a 21 km se estima la presencia de otra zona de cizalla subhorizontal dentro del basamento. Finalmente, a partir de la integración de todos los resultados obtenidos, se evaluó el potencial sismogénico de las fallas en la zona de estudio. Las fallas de primer orden que controlan la deformación en la zona son las responsables de los grandes terremotos. Mientras, las fallas Cuaternarias flexodeslizantes e inversas afectan solamente a la cobertura sedimentaria y serían estructuras de segundo orden que acomodan la deformación y fueron activadas durante el cuaternario con movimientos asísmicos y/o sísmicos de muy baja magnitud. Estos resultados permiten inferir que el corrimiento La Candelaria constituye una fuente sismogénica potencial de importancia para la región, donde se ubican numerosas poblaciones y obras civiles de envergadura. Por otra parte, la sección estructural balanceada implica la presencia de otras fallas ciegas de distinto orden de magnitud que podrían ser posibles fuentes sismogénicas profundas adicionales, marcando la necesidad de continuar con el desarrollo de este tipo de estudios en esta región tectónicamente activa. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurde eine interdisziplinäre Untersuchung im nordwestargentinischen Vorland ausgeführt, in der eine morphotektonische Charakterisierung mit geophysikalischen und strukturgeologischen Methoden kombiniert wurde. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Piedmontbereich der Sierra de la Candelaria sowie im südlichen Teil des intermontanen Metán-Beckens. Diese Region liegt in der Grenzregion zwischen den Provinzen Salta und Tucumán, inmitten der morphotektonischen Provinz des Sistema Santa Bárbara, einem Teilgebiet des zerbrochenen andinen Vorlandes in NW-Argentinien. Diese Forschungsarbeit legt das Hauptaugenmerk auf die Analyse von Manifestationen tektonischer Aktivität während des Quartärs, um die vorhandene Datenlage zu neotektonischen Strukturen und ihrem Gefährdungspotential bezüglich zukünftiger Erdbeben zu verbessern. Auf dieser Grundlage wurde eine Studie konzipiert, in der verschiedene methodische Ansätze angewendet wurden, wie zum Beispiel aus den Bereichen der Tektonischen Geomorphologie, Strukturgeologie und Geophysik. Die Nutzung diverser Methoden beinhaltete u.a. die Interpretation reflexionseismischer Daten, die Erstellung eines kinematischen Modells und die Anwendung oberflächennaher Geophysik-Untersuchungen. Mithilfe dieses interdisziplinären Ansatzes sollte auch die Beschaffenheit der zuvor identifizierten geologischen Strukturen im tieferen Untergrund bewertet werden, die mitunter keinerlei erkennbaren geomorphologischen Auswirkungen ihrer Aktivität an der Erdoberfläche zeigen (z.B. blinde Überschiebungen). Zunächst wurde eine fernerkundliche Untersuchung auf Grundlage multispektraler Satellitenaufnahmen (z.B. LANDSAT, SENTINEL 2) ausgeführt, wodurch eine große Bandbreite an Schwemmfächern und Flussterrassen ausfindig gemacht werden konnte, die als mögliche Deformationshorizonte verwendet werden können. Dieser Ansatz wurde mit Hilfe der Analyse verschiedener morphometrischer Indikatoren auf Basis digitaler Geländemodelle (DEMs) und Geländerarbeiten vor Ort komplettiert. Daraus ergab sich eine detaillierte Liste von 14 Störungen, von denen einige Hinweise auf Deformation der Erdoberfläche während des Quartärs lieferten und die auf verschiedene Mechanismen im Untergrund zurückzuführen sind. Detaillierte Untersuchungen wurden anschließend an drei ausgewählten Störungen mit Hilfe von Methoden der Oberflächennahen Geophysik durchgeführt. Dabei konnten die Methoden der Angewandten Geoelektrik und der Seismischen Refraktion die Existenz junger Strukturen im Untergrund verifizieren. Die Strukturen im westlichen Piedmont der Sierra de la Candelaria, in erster Linie die Arias und El Quemado-Störungen, wurden im Kontext der lagenparallelen Biegegleitfaltung interpretiert, während die Copo Quile-Störung auf der Ostseite als blinde Aufschiebung interpretiert werden kann. Anschließend wurde eine gemeinsame Bewertung der zur Verfügung stehenden seismischen Reflexions- und Bohrlochdaten aus den Metán und Choromoro-Becken vorgenommen, um die geologischen Hauptstrukturen sowie ihren Einfluss bei der Deformation auf die umliegenden Sedimenteinheiten in den Becken zu erkunden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Erstellung eines kinematischen Modells ein. Dieses Modell zeigt, dass die Deformation des Candelaria-Blockes durch eine tiefliegende, blinde Struktur unter der Sierra de la Candelaria und cerro Cantero angetrieben wird. Die damit verbundene Deformation der sedimentären Einheiten der über den Sockelgesteinen liegenden tertiären Gesteinen der Salta und Orán sedimentabflogen wurde durch Störungen entlang der internen Schichtgrenzen ermöglicht, deren Bewegung wiederum die quartären Ablagerungen an der Erdoberfläche verbogen und aufschoben. Das kinematische Modell ermöglichte außerdem, die Tiefenlage der hierfür notwendigen Abscherhorizonte abzuschätzen. Der flachste Abscherhorizont in 4 km Tiefe befindet sich in den leicht deformierbaren Sedimenteinheiten, wohingegen zwei weitere Absherhorizonte in 21 km Tiefe in den Sockelgesteinen existieren. Aus der Integration aller gewonnenen Ergebnisse wurde schließlich das seismogene Potenzial der Störungen im Untersuchungsgebiet bewertet. Die Verwerfungen erster Ordnung, die die Verformung in dem Gebiet kontrollieren, sind für die großen Erdbeben verantwortlich. In der Zwischenzeit wirken sich die quartären störungen und nur auf die Sedimenthülle aus und sind demnach Strukturen zweiter Ordnung, die Verformung aufnehmen und während des Quartärs mit Erdbeben sehr geringer Stärke und / oder aseismischen Bewegungen aktiviert wurden. Aus den gewonnenen Resultaten ist das hohe seismogene Potential (die Möglichkeit Erdbeben zu generieren) des identifizierten Störungsinventars erkennbar, in einer Region, die durch eine Vielzahl an Städten und wichtige Infrastruktur gekennzeichnet ist. Zusätzlich bestätigt das kinematische Modell die Existenz mehrerer blinder Aufschiebungen, von denen nur eine geringe Anzahl an der Erdoberfläche mittels morphotektonischer Analysen zweifelsfrei ableitbar ist. Diese Befunde unterstreichen die Notwendigkeit zur weiteren Durchführung ähnlicher Studien in dieser tektonisch aktiven Region. KW - neotectonics KW - shallow geophysics KW - structural modelling KW - seismic interpretation KW - seismotectonic KW - Neotektonik KW - oberflächennahe Geophysík KW - Strukturmodellierung KW - seismische Interpretation KW - Seismotektonik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535274 ER - TY - THES A1 - Figueroa Villegas, Sara T1 - Paleolagos cuaternarios como marcadores neotectónicos, Valle de Cafayate, Cordillera Oriental (no de Argentina) T1 - Quaternary paleolakes as indicators of neotectonic activity, Cafayate valley, Eastern Cordillera (NW Argentina) T1 - Quartäre Paläoseen als Indikatoren für tektonische Aktivität, Cafayate-Tal, Ostkordillere (NW Argentinien) N2 - The eastern flank of the southern Central Andes in north-western Argentina (NWA) is characterized by fault‐bounded mountain ranges arranged in a thick-skinned active contractional orogen with a non-systematic spatiotemporal pattern of tectonic activity. This pattern is represented by instrumentally recorded crustal seismic activity as well as the distribution of Quaternary deformation phenomena along the Eastern Cordillera and the Santa Bárbara System morphotectonic provinces, creating a wide (> 200km) deformation zone that lacks a clear deformation front. The study of the neotectonic activity in this region has become more detailed over the past years and has involved morphotectonic analysis, remote sensing, geodesy, and field-based structural studies. Lacustrine deposits in the intermontane basins of the Eastern Cordillera that are exposed in areas associated with Quaternary faulting - due to their original horizontality of the fine-grained layers, are excellent strain markers to assess neotectonic activity. I analyzed lacustrine deposits that outcrop in the central area of the Calchaquí valleys (Cafayate sector) to understand how deformation is accommodated in one of the largest intermontane basins of the tectonically active orogen. The strike of the Quaternary structures in the studied area is parallel to subparallel to the valley-bounding faults. With the stratigraphic, morphotectonic and structural study of the lacustrine deposits, I identified a minimum of five deformation episodes that affected the Quaternary stratigraphic section. Based on this I present Late Pleistocene minimum and maximum shortening rates for the central Calchaquí intermontane valley that range between 0,19-4,47 mm/yr, respectively. The rates presented are based on balanced geological cross sections and geochronological ages obtained in this study as well as compilations from previously published studies. In order to compare the local shortening results at regional and different temporal scales, I additionally compiled Global Positioning System data from northwest Argentina to generate a surface-velocitiy profile. The results reveal a gradual decrease in horizontal surface velocities from the Eastern Cordillera toward the foreland, indicating tectonic activity in the interior of the orogen, which is recorded by seismic activity and the wide distribution of Quaternary faults and folds. In addition to the neotectonic investigation carried out in the study area, the stratigraphic analysis of the lacustrine deposits allowed to have a better understanding of the Quaternary basin evolution of the central area of the Calchaquí valleys. At least seven distinct lacustrine deposits could be identified that correspond to an impoundment of the fluvial system and ensuing base-level changes, resulting in successive aggradation and subsequent erosion events. Together with a hydrological model previously published for the study area, the maximum elevations that the paleolakes reached were furthermore reviewed and compared with regional paleoclimate data to allow local climatic inferences. The results of this thesis are a significant contribution to our understanding of the Quaternary tectonic and the stratigraphic evolution of the central sector of the Calchaquí valleys. Furthermore, the integration of local structural and geochronological data with regional structural and geodetic observations contributes to our knowledge of the deformation dynamics of the thick-skinned orogenic wedge of northwest Argentina. N2 - Die Ostflanke der tektonisch aktiven südlichen Zentralanden von Nordwestargentinien (NWA) ist durch störungsgebundene Bergketten, intermontane Becken und einen unsystematischen räumlich-zeitlichen Deformationsstil mit steil einfallenden Aufschiebungen in den Sockelgesteinen charakterisiert. Dieser Deformationsstil spiegelt sich durch durch seismische Aktivität sowie durch die Verteilung quartärer Deformationsstrukturen entlang der Cordillera Oriental und im fragmentierten Vorland der morphotektonischen Proviz des sog. Santa Bárbara Systems wider; hier existiert eine über 200km breite Deformationsfront. Die Erforschung neotektonischer Aktivität in der Region wurde in den letzten Jahren durch verschiedene methodische Ansätze durchgefüht; hierzu gehören die Morphotektonik, Fernerkundung, Geodäsie und strukturgeologische Feldstudien. Lakustrine Sedimente in den intermontanen Becken der Ostkordillere, die vor allem in Bereichen aufgeschlossen sind, die mit quartären Verwerfungen assoziiert sind, stellen aufgrund ihrer ursprünglichen Horizontalität der feinkörnigen Schichten ausgezeichnete Deformationsmarkerhorizonte dar, die sich zur Beurteilung der neotektonischen Aktivität ausgezeichnet eignen. In dieser Studie analysiere ich lakustrine Ablagerungen, die im zentralen Bereich des Calchaquí-Tals in der Nähe der Stadt Cafayate aufgeschlossen sind, um zu verstehen, wie die tektonische Einengung in einem der größten intermontanen Becken des tektonisch aktiven Orogens aufgenommen wird. Das Streichen der quartären Strukturen im Arbeitsgebiet ist parallel bis subparallel zu den Randstörungen des Tals. Durch stratigrafische, morphotektonische und strukturelle Erforschung mit Hilfe der lakustrinen Ablagerungen konnte ich mindestens fünf Deformationsepisoden identifizieren, die die quartärea Ablagerungen beeinflussen. Hier stelle ich spätpleistozäne minimale und maximale Einengungssraten mit Werten zwischen 0,19-2,8 und 0,21-4,47 mm/Jahr vor. Die Einengungssraten wurden anhand bilanzierter geologischer Profile und geochronologischer Datierungen bestimmt und beruhen auf eigenen sowie aus der Literatur zusammgestellten Geochronologiedaten. Um lokale Einengungsraten im regionalen Maßstab auf unterschiedlichen Zeitskalen vergleichen zu können, habe ich auch Daten des Global Positioning System aus Nordwestargentinien zusammengestellt, die ein Profil der gemessenen Oberflächengeschwindigkeit darstellen. Die Ergebnisse zeigen eine graduelle Abnahme horizontaler Oberflächengeschwindigkeiten von der Cordillera Oriental in Richtung des Vorlandes und deuten auf tektonische Aktivität im inneren des Orogens – eine Beobachtung, die mit registrierte registrierter seismischer Aktivität und der Verteilung quartärer Deformationsstrukturen einhergeht. Zusätzlich zu den neotektonischen Untersuchungen im Studiengebiet haben die stratigrafischen Studien der lakustrinen Ablagerungen zu einem besseren Verständnis der quartären Beckenevolution der Zentralregion des Calchaquí Tales beigetragen. Dadurch wurden mindestens sieben voneinander unterschiedliche lakustrine Ablagerungsereignisse mit einhergehenden Abdämmungen und Änderungen des Vorfluterniveaus identifiziert, was sowohl sukzessive Aggradation als auch subsequente Erosion zur Folge hatte. Der maximale Wasserstand, den die Paläoseen erreichten, wurde im Kontext eines veröffentlichten hydrologischen Modells sowie mit paläoklimatischen regionalen Proxies verglichen, um Schlussfolgerungen zur Entwicklung des lokalen Klimas machen zu können. Die Ergebnisse der vorgelegten Arbeit leisten einen erheblichen Beitrag zur tektonischen und sedimentologischen Evolution der Zentralregion der Valles Calchaquiés. Des Weiteren hilft die Integrierung lokaler in regionaler Daten die Deformationsdynamiken des orogonen Keils in den Sockelgesteinen von Nordwestargentinien zu verstehen. N2 - El flanco oriental de los Andes Centrales en el noroeste argentino es una zona caracterizada por serranías limitadas por fallas inversas que conforman un orógeno de piel gruesa activo con un patrón espacio-temporal no sistemático de deformación contraccional. Este patrón queda representado tanto por la dispersión de la actividad sísmica cortical como de la localización de las estructuras cuaternarias a través de la Cordillera Oriental y el Sistema de Santa Bárbara, configurando un frente orogénico difuso de más de 200 km de extensión. El estudio de la actividad neotectónica en esta región ha tomado más relevancia en los últimos años, mediante la aplicación de herramientas variadas, incluyendo técnicas de geomorfología tectónica, herramientas de teledetección, geodesia y estudios de campo convencionales. Los depósitos lacustres han demostrado ser, en numerosos ejemplos, excelentes marcadores de la actividad tectónica, dadas la horizontalidad original de sus capas y la susceptibilidad a los cambios del entorno. Es por ello que en este trabajo se analizaron los depósitos lacustres que afloran en el sector central de los valles Calchaquíes (región de Cafayate), para comprender cómo se acomoda la deformación cuaternaria en una de las cuencas intermontanas de la cuña orogénica activa. El rumbo de las estructuras cuaternarias en el área de estudio es subparalelo al de las fallas que exhuman los cordones serranos circundantes. A partir del estudio estratigráfico, morfotectónico y estructural de los depósitos lacustres, se identificó un mínimo de cinco episodios de deformación afectando a la columna estratigráfica cuaternaria. Integrando perfiles estructurales balanceados con edades obtenidas en este trabajo y recopiladas de la bibliografía, se calcularon para el Pleistoceno mediotardío, tasas mínimas y máximas de acortamiento que varían entre 0,19-2,80 y 0,21-4,47 mm/a, respectivamente. Para comparar estos resultados con mediciones de la tectónica activa a escala regional se recopilaron datos de estaciones geodésicas del noroeste argentino, con los cuales se elaboró un perfil de velocidades horizontales. El perfil obtenido muestra un decrecimiento gradual de los vectores hacia el este, indicando actividad interna del orógeno en congruencia con los registros de actividad sísmica y compilación regional de las estructuras cuaternarias. Además de la caracterización neotectónica de este sector de la Cordillera Oriental, el análisis estratigráfico de los depósitos lacustres ha permitido refinar la evolución geológica del sector central de los valles Calchaquíes durante el Cuaternario. De esta manera se han identificado al menos siete episodios de inundación lacustre relacionados con la desconexión del sistema fluvial con su nivel de base, dando lugar a sucesivos eventos de agradación y erosión. Las cotas máximas alcanzadas por los paleolagos, en conjunto con un modelo hidrológico previamente publicado para esta región, permitieron asimismo efectuar una comparación con el registro paleoclimático regional. Los resultados de esta tesis representan un aporte significativo al conocimiento de la evolución tectónica y estratigráfica del sector central de los valles Calchaquíes durante el Cuaternario. Por otra parte, su integración a escala regional contribuye a comprender mejor la dinámica de la deformación en la cuña orogénica de piel gruesa del noroeste argentino. KW - Quaternary deformation KW - Shortening rates KW - Intramontane basin KW - Deformación cuaternaria KW - Tasas de acortamiento KW - Cuenca intramontana KW - Quartäre Deformation KW - Einengungsraten KW - Intramontanes Becken Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-531742 ER - TY - THES A1 - van der Veen, Iris T1 - Defining moisture sources and (palaeo)environmental conditions using isotope geochemistry in the NW Himalaya N2 - Anthropogenic climate change alters the hydrological cycle. While certain areas experience more intense precipitation events, others will experience droughts and increased evaporation, affecting water storage in long-term reservoirs, groundwater, snow, and glaciers. High elevation environments are especially vulnerable to climate change, which will impact the water supply for people living downstream. The Himalaya has been identified as a particularly vulnerable system, with nearly one billion people depending on the runoff in this system as their main water resource. As such, a more refined understanding of spatial and temporal changes in the water cycle in high altitude systems is essential to assess variations in water budgets under different climate change scenarios. However, not only anthropogenic influences have an impact on the hydrological cycle, but changes to the hydrological cycle can occur over geological timescales, which are connected to the interplay between orogenic uplift and climate change. However, their temporal evolution and causes are often difficult to constrain. Using proxies that reflect hydrological changes with an increase in elevation, we can unravel the history of orogenic uplift in mountain ranges and its effect on the climate. In this thesis, stable isotope ratios (expressed as δ2H and δ18O values) of meteoric waters and organic material are combined as tracers of atmospheric and hydrologic processes with remote sensing products to better understand water sources in the Himalayas. In addition, the record of modern climatological conditions based on the compound specific stable isotopes of leaf waxes (δ2Hwax) and brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) in modern soils in four Himalayan river catchments was assessed as proxies of the paleoclimate and (paleo-) elevation. Ultimately, hydrological variations over geological timescales were examined using δ13C and δ18O values of soil carbonates and bulk organic matter originating from sedimentological sections from the pre-Siwalik and Siwalik groups to track the response of vegetation and monsoon intensity and seasonality on a timescale of 20 Myr. I find that Rayleigh distillation, with an ISM moisture source, mainly controls the isotopic composition of surface waters in the studied Himalayan catchments. An increase in d-excess in the spring, verified by remote sensing data products, shows the significant impact of runoff from snow-covered and glaciated areas on the surface water isotopic values in the timeseries. In addition, I show that biomarker records such as brGDGTs and δ2Hwax have the potential to record (paleo-) elevation by yielding a significant correlation with the temperature and surface water δ2H values, respectively, as well as with elevation. Comparing the elevation inferred from both brGDGT and δ2Hwax, large differences were found in arid sections of the elevation transects due to an additional effect of evapotranspiration on δ2Hwax. A combined study of these proxies can improve paleoelevation estimates and provide recommendations based on the results found in this study. Ultimately, I infer that the expansion of C4 vegetation between 20 and 1 Myr was not solely dependent on atmospheric pCO2, but also on regional changes in aridity and seasonality from to the stable isotopic signature of the two sedimentary sections in the Himalaya (east and west). This thesis shows that the stable isotope chemistry of surface waters can be applied as a tool to monitor the changing Himalayan water budget under projected increasing temperatures. Minimizing the uncertainties associated with the paleo-elevation reconstructions were assessed by the combination of organic proxies (δ2Hwax and brGDGTs) in Himalayan soil. Stable isotope ratios in bulk soil and soil carbonates showed the evolution of vegetation influenced by the monsoon during the late Miocene, proving that these proxies can be used to record monsoon intensity, seasonality, and the response of vegetation. In conclusion, the use of organic proxies and stable isotope chemistry in the Himalayas has proven to successfully record changes in climate with increasing elevation. The combination of δ2Hwax and brGDGTs as a new proxy provides a more refined understanding of (paleo-)elevation and the influence of climate. N2 - Die Auswirkungen des menschgemachten Klimawandels wirken sich auch auf den Wasserkreislauf aus. Während manche Regionen höhere Niederschlagsmengen zu erwarten haben, werden andere mit stärkeren und häufigeren Trockenperioden zu konfrontiert sein. Diese Veränderungen haben einen unmittelbaren Einfluss auf Evaporation, Langzeit-Wasserreservoire, Grundwasserbildung, Schneefall und Gletscher. Da Gebirge und Hochplateaus überdurchschnittlich von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen sind, ist die Wasserversorgung der Menschen entlang der dort entspringenden Flüsse gefährdet. Insbesondere der Himalaya gilt als instabile Region, dessen Abflüsse die Wasserversorgung von annähernd einer Milliarde Menschen gewährleisten. Um zu erwartende Veränderungen des Wasserbudgets in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Klimawandelszenarien abschätzen zu können, ist ein detaillierteres Verständnis des Wasserkreislaufs in Hochgebirgen und -plateaus erforderlich. Neben dem globalen Klimawandel gibt es weitere Faktoren, die sich auf den Wasserkreislauf auswirken. Das Wechselspiel zwischen Gebirgsbildung und klimatischen Bedingungen beeinflusst den Wasserkreislauf auf geologischen Zeitskalen. Entsprechende Veränderungen und ihre Auswirkungen lassen sich jedoch nur eingeschränkt bestimmen. Mittels geeigneter Proxies für höhenbedingte Änderungen der Hydrologie lassen sich der Orogeneseverlauf sowie dessen klimatische Auswirkungen allerdings genauer rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Verhältnisse stabiler Isotope (als δ2H und δ18O ausgedrückt) von meteorischen Wassern sowie von organischem Material mit Methoden der Satellitenfernerkundung als Indikator für atmosphärische und hydrologische Prozesse kombiniert, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Wasserquellen des Himalaya zu erlangen. Darüber hinaus wurde der Link zwischen modernen klimatischen Bedingungen und verbindungsspezifischen stabilen Isotopen von Blattwachsen (δ2Hwax) sowie von brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) rezenter Bodenproben aus den Einzugsgebieten vierer Flüsse des Himalaya hergestellt, um sie als Paläo-Klima- und Paläo-Höhenproxy verwenden zu können. Zu guter Letzt wurden hydrologische Veränderungen auf einer Zeitskala von 20 Mio. Jahren anhand von δ13C- and δ18O-Werten von Bodencarbonat und organischem Material aus Sedimentschnitten der pre-Siwalik und Siwalik-Einheiten nachvollzogen. Die Erkenntnisse dieser tragen zu einer deutlich genaueren Rekonstruktion von Vegetationsänderungen und der Entwicklung der Monsun-Intensität sowie -Saisonalität bei. Die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser der untersuchten Flüsse wird hauptsächlich durch Rayleigh-Destillation der im Wesentlichen vom Indischen Sommer Monsun eingetragenen Feuchtigkeit bestimmt. Der durch Satellitenfernerkundungsdaten bestätigte Anstieg des Deuterium-Exzesses (d-excess) im Frühjahr verdeutlicht den signifikanten Einfluss von Schnee- und Gletscherschmelze, der auch in Zeitreihen von Oberflächenwasserproben erkennbar ist. Sowohl brGDGT als auch δ2Hwax können potentiell die absolute Höhe zum Zeitpunkt ihrer Synthese abbilden, da sie stark mit der Lufttemperatur, bzw. mit Oberflächenwasser δ2H und somit indirekt auch mit der Höhe korreliert sind. Im direkten Vergleich der mittels brGDGT und δ2Hwax rekonstruierten Höhen ergaben sich insbesondere in ariden Teilen der Höhenprofile große Unterschiede. Diese sind hauptsächlich auf verstärkte Evapotranspiration und deren Auswirkung auf Pflanzenwasser und -wachse zurückzuführen. Basierend auf den Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit können weitere vergleichende Untersuchungen beider Proxies genauere Paläo-Höhenstudien ermöglichen. Diese Arbeit zeigt, dass die Isotopie von Oberflächenwassern genutzt werden kann, um den sich ändernden Wasserhaushalt des Himalya im Kontext voraussichtlich weiter ansteigender Temperaturen zu beobachten. Unsicherheiten bei der Rekonstruktion von Paläo-Höhen konnten durch eine vergleichende Analyse zweier organischer Proxies (δ2Hwax and brGDGTs) aus Paläo-Bodenproben des Himalayas minimiert werden. Verhältnisse stabiler Isotope von Blattwachsen aus diesen Bodenproben spiegeln die Entwicklung der Vegetation unter dem Einfluss des Monsuns im späten Miozän wider. Zusammenfassend wurde erfolgreich gezeigt, dass organische Proxies und stabile Isotope höhenabhängige Änderungen des Klimas im Himalaya aufzeichnen können. Die Kombination von δ2Hwax and brGDGTs als neuer Proxy ermöglicht eine deutlich differenziertere Betrachtung von rekonstruierten Paläo-Höhen sowie Paläo-Klima. KW - stable isotope KW - Himalaya KW - n-alkanes KW - d-excess KW - biomarker KW - paleohydrology KW - GDGT KW - GDGT KW - Himalaya KW - Biomarker KW - Deuterium Exzesses KW - n-alkane KW - Paläohydrologie KW - stabilen Isotopen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-514397 ER - TY - THES A1 - Liu, Sisi T1 - The history of plant diversity change and community assemply a high-altitude and high-latitude ecosystems inferred from sedimentary (ancient) DNA and pollen Y1 - 2021 ER - TY - 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 - 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 - 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 - Barrionuevo, Matías T1 - The role of the upper plate in the Andean tectonic evolution (33-36°S): insights from structural geology and numerical modeling T1 - El rol de la placa superior en la evolución tectónica andina (33-36°S): aportes desde la geología estructural y el modelado numérico T1 - Die Rolle der oberen Platte in der tektonischen Entwicklung der Anden (33-36°S): Erkenntnisse aus der Strukturgeologie und der numerischen Modellierung N2 - Los Andes Centrales del Sur (33-36°S) son un gran laboratorio para el estudio de los procesos de deformación orogénica, donde las condiciones de borde, como la geometría de la placa subductada, imponen un importante control sobre la deformación andina. Por otro lado, la Placa Sudamericana presenta una serie de heterogeneidades que también imparten un control sobre el modo de deformación. El objetivo de esta tesis es probar el control de este último factor sobre la construcción del sistema orogénico andino. A partir de la integración de la información superficial y de subsuelo en el área sur (34°-36°S), se estudió la evolución de la deformación andina sobre el segmento de subducción normal. Se desarrolló un modelo estructural que evalúa el estado de esfuerzos desde el Mioceno hasta la actualidad, el rol de estructuras previas y su influencia en la migración de fluidos. Con estos datos y publicaciones previas de la zona norte del área de estudio (33°-34ºS), se realizó un modelado numérico geodinámico para probar la hipótesis del papel de las heterogeneidades de la placa superior en la evolución andina. Se utilizaron dos códigos (LAPEX-2D y ASPECT) basados en elementos finitos/diferencias finitas, que simulan el comportamiento de materiales con reologías elastoviscoplásticas bajo deformación. Los resultados del modelado sugieren que la deformación contraccional de la placa superior está significativamente controlada por la resistencia de la litósfera, que está definida por la composición de la corteza superior e inferior y por la proporción del manto litosférico, que a su vez está definida por eventos tectónicos previos. Estos eventos previos también definieron la composición de la corteza y su geometría, que es otro factor que controla la localización de la deformación. Con una composición de corteza inferior más félsica, la deformación sigue un modo de cizalla pura mientras que las composiciones más máficas provocan un modo de deformación tipo cizalla simple. Por otro lado, observamos que el espesor inicial de la litósfera controla la localización de la deformación, donde zonas con litósfera más fina es propensa a concentrar la deformación. Un límite litósfera-astenósfera asimétrico, como resultado del flujo de la cuña mantélica tiende a generar despegues vergentes al E. N2 - The Southern Central Andes (33°-36°S) are an excellent natural laboratory to study orogenic deformation processes, where boundary conditions, such as the geometry of the subducted plate, impose an important control on the evolution of the orogen. On the other hand, the South American plate presents a series of heterogeneities that additionally impart control on the mode of deformation. This thesis aims to test the control of this last factor over the construction of the Cenozoic Andean orogenic system. From the integration of surface and subsurface information in the southern area (34-36°S), the evolution of Andean deformation over the steeply dipping subduction segment was studied. A structural model was developed evaluating the stress state from the Miocene to the present-day and its influence in the migration of magmatic fluids and hydrocarbons. Based on these data, together with the data generated by other researchers in the northern zone of the study area (33-34°S), geodynamic numerical modeling was performed to test the hypothesis of the decisive role of upper-plate heterogeneities in the Andean evolution. Geodynamic codes (LAPEX-2D and ASPECT) which simulate the behavior of materials with elasto-visco-plastic rheologies under deformation, were used. The model results suggest that upper-plate contractional deformation is significantly controlled by the strength of the lithosphere, which is defined by the composition of the upper and lower crust, and by the proportion of lithospheric mantle, which in turn is determined by previous tectonic events. In addition, the previous regional tectono-magmatic events also defined the composition of the crust and its geometry, which is another factor that controls the localization of deformation. Accordingly, with more felsic lower crustal composition, the deformation follows a pure-shear mode, while more mafic compositions induce a simple-shear deformation mode. On the other hand, it was observed that initial lithospheric thickness may fundamentally control the location of deformation, with zones characterized by thin lithosphere are prone to concentrate it. Finally, it was found that an asymmetric lithosphere-astenosphere boundary resulting from corner flow in the mantle wedge of the eastward-directed subduction zone tends to generate east-vergent detachments. N2 - Die südlichen Zentralanden (33°-36°S) sind eine ausgezeichnete, natürliche Forschungsumgebung zur Untersuchung gebirgsbildender Deformationsprozesse, in der Randbedingungen, wie die Geometrie der subduzierten Platte, einen starken Einfluss auf die Evolution des Gebirges besitzen. Anderseits sind die Deformationsmechanismen geprägt von der Heterogenität der Südamerikanischen Platte. In dieser Arbeit wird die Bedeutung dieses Mechanismus für die Herausbildung der Anden während des Känozoikums untersucht. Im südlichen Teil (34-36°S), in dem die subduzierte Platte in einem steileren Winkel in den Erdmantel absinkt, wird die Entwicklung der Andendeformation mithilfe von oberflächlich aufgezeichneten und in tiefere Erdschichten reichenden Daten untersucht. Das darauf aufbauende Strukturmodell ermöglicht die Abschätzung der tektonischen Spannungen vom Miozän bis in die Neuzeit und den Einfluss der Bewegungen von magmatischen Fluiden, sowie Kohlenwasserstoffen. Auf Grundlage dieser Daten und solcher, die von Wissenschaftlern im nördlichen Bereich des Untersuchungsgebietes (33-34°S) erfasst wurden, wurde eine geodynamische, numerische Modellierung durchgeführt, um die Hypothese des Einflusses der Heterogenität der oberen Platten auf die Gebirgsbildung der Anden zu überprüfen. Die genutzte geodynamische Softwares (LAPEX-2D und ASPECT) simulieren das Verhalten von elasto-viskoplastischen Materialien, wenn diese unter Spannung stehen. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass die Kontraktionsprozesse hauptsächlich durch die Stärke der Lithosphäre beeinflusst werden. Diese Kenngröße wird aus der Zusammensetzung von Ober- und Unterkruste und dem Anteil des lithosphärischen Mantels, der durch vorhergehende tektonische Vorgänge überprägt ist, bestimmt. Diese räumlich begrenzten tektono-magmatischen Events definieren ebenfalls die Zusammensetzung und die Geometrie der Erdkruste, welche einen großen Einfluss auf das räumliche Auftreten von Deformationsprozessen hat. Eine eher felsische Unterkruste führt vorrangig zu pure-shear, während eine eher mafisch zusammengesetzte Unterkruste primär zu einem Deformationsmechanismus führt, der simple-shear genannt wird. Weiterhing wurde beobachtet, dass die Dicke der Lithosphäre vor der Deformation einen fundamentalen Einfluss auf die räumliche Eingrenzung von Deformation hat, wobei Regionen mit einer dünnen Lithosphärenschicht verstärkt Deformation aufweisen. Eine asymmetrische Grenzschicht zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre ist das Resultat von Fließprozessen im Erdmantel, im Keil zwischen der obenliegenden Platte und der sich ostwärts absinkenden Subduktionszone, und verstärkt die Herausbildung von nach Osten gerichteten Abscherungen in der Erdkruste. KW - structural geology KW - tectonics KW - subduction KW - geodynamic modeling KW - geodynamische Modellierung KW - Strukturgeologie KW - Subduktion KW - Tektonik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515909 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 - 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 - 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 - 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 - Angelopoulos, Michael T1 - Mechanisms of sub-aquatic permafrost evolution in Arctic coastal environments BT - field observations and modelling of submerged ice-rich permafrost deposits and thermokarst lagoons in northeastern Siberia N2 - Subsea permafrost is perennially cryotic earth material that lies offshore. Most submarine permafrost is relict terrestrial permafrost beneath the Arctic shelf seas, was inundated after the last glaciation, and has been warming and thawing ever since. It is a reservoir and confining layer for gas hydrates and has the potential to release greenhouse gases and affect global climate change. Furthermore, subsea permafrost thaw destabilizes coastal infrastructure. While numerous studies focus on its distribution and rate of thaw over glacial timescales, these studies have not been brought together and examined in their entirety to assess rates of thaw beneath the Arctic Ocean. In addition, there is still a large gap in our understanding of sub-aquatic permafrost processes on finer spatial and temporal scales. The degradation rate of subsea permafrost is influenced by the initial conditions upon submergence. Terrestrial permafrost that has already undergone warming, partial thawing or loss of ground ice may react differently to inundation by seawater compared to previously undisturbed ice-rich permafrost. Heat conduction models are sufficient to model the thaw of thick subsea permafrost from the bottom, but few studies have included salt diffusion for top-down chemical degradation in shallow waters characterized by mean annual cryotic conditions on the seabed. Simulating salt transport is critical for assessing degradation rates for recently inundated permafrost, which may accelerate in response to warming shelf waters, a lengthening open water season, and faster coastal erosion rates. In the nearshore zone, degradation rates are also controlled by seasonal processes like bedfast ice, brine injection, seasonal freezing under floating ice conditions and warm freshwater discharge from large rivers. The interplay of all these variables is complex and needs further research. To fill this knowledge gap, this thesis investigates sub-aquatic permafrost along the southern coast of the Bykovsky Peninsula in eastern Siberia. Sediment cores and ground temperature profiles were collected at a freshwater thermokarst lake and two thermokarst lagoons in 2017. At this site, the coastline is retreating, and seawater is inundating various types of permafrost: sections of ice-rich Pleistocene permafrost (Yedoma) cliffs at the coastline alternate with lagoons and lower elevation previously thawed and refrozen permafrost basins (Alases). Electrical resistivity surveys with floating electrodes were carried out to map ice-bearing permafrost and taliks (unfrozen zones in the permafrost, usually formed beneath lakes) along the diverse coastline and in the lagoons. Combined with the borehole data, the electrical resistivity results permit estimation of contemporary ice-bearing permafrost characteristics, distribution, and occasionally, thickness. To conceptualize possible geomorphological and marine evolutionary pathways to the formation of the observed layering, numerical models were applied. The developed model incorporates salt diffusion and seasonal dynamics at the seabed, including bedfast ice. Even along coastlines with mean annual non-cryotic boundary conditions like the Bykovsky Peninsula, the modelling results show that salt diffusion minimizes seasonal freezing of the seabed, leading to faster degradation rates compared to models without salt diffusion. Seasonal processes are also important for thermokarst lake to lagoon transitions because lagoons can generate cold hypersaline conditions underneath the ice cover. My research suggests that ice-bearing permafrost can form in a coastal lagoon environment, even under floating ice. Alas basins, however, may degrade more than twice as fast as Yedoma permafrost in the first several decades of inundation. In addition to a lower ice content compared to Yedoma permafrost, Alas basins may be pre-conditioned with salt from adjacent lagoons. Considering the widespread distribution of thermokarst in the Arctic, its integration into geophysical models and offshore surveys is important to quantify and understand subsea permafrost degradation and aggradation. Through numerical modelling, fieldwork, and a circum-Arctic review of subsea permafrost literature, this thesis provides new insights into sub-aquatic permafrost evolution in saline coastal environments. KW - permafrost KW - subsea KW - submarine KW - thermokarst KW - lagoons KW - salt diffusion KW - electrical resistivity Y1 - 2020 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 - TY - THES A1 - Holm, Stine T1 - Methanogenic communities and metaplasmidome-encoded functions in permafrost environments exposed to thaw N2 - This thesis investigates how the permafrost microbiota responds to global warming. In detail, the constraints behind methane production in thawing permafrost were linked to methanogenic activity, abundance and composition. Furthermore, this thesis offers new insights into microbial adaptions to the changing environmental conditions during global warming. This was assesed by investigating the potential ecological relevant functions encoded by plasmid DNA within the permafrost microbiota. Permafrost of both interglacial and glacial origin spanning the Holocene to the late Pleistocene, including Eemian, were studied during long-term thaw incubations. Furthermore, several permafrost cores of different stratigraphy, soil type and vegetation cover were used to target the main constraints behind methane production during short-term thaw simulations. Short- and long-term incubations simulating thaw with and without the addition of substrate were combined with activity measurements, amplicon and metagenomic sequencing of permanently frozen and seasonally thawed active layer. Combined, it allowed to address the following questions. i) What constraints methane production when permafrost thaws and how is this linked to methanogenic activity, abundance and composition? ii) How does the methanogenic community composition change during long-term thawing conditions? iii) Which potential ecological relevant functions are encoded by plasmid DNA in active layer soils? The major outcomes of this thesis are as follows. i) Methane production from permafrost after long-term thaw simulation was found to be constrained mainly by the abundance of methanogens and the archaeal community composition. Deposits formed during periods of warmer temperatures and increased precipitation, (here represented by deposits from the Late Pleistocene of both interstadial and interglacial periods) were found to respond strongest to thawing conditions and to contain an archaeal community dominated by methanogenic archaea (40% and 100% of all detected archaea). Methanogenic population size and carbon density were identified as main predictors for potential methane production in thawing permafrost in short-term incubations when substrate was sufficiently available. ii) Besides determining the methanogenic activity after long-term thaw, the paleoenvironmental conditions were also found to influence the response of the methanogenic community composition. Substantial shifts within methanogenic community structure and a drop in diversity were observed in deposits formed during warmer periods, but not in deposits from stadials, when colder and drier conditions occurred. Overall, a shift towards a dominance of hydrogenotrophic methanogens was observed in all samples, except for the oldest interglacial deposits from the Eemian, which displayed a potential dominance of acetoclastic methanogens. The Eemian, which is discussed to serve as an analogue to current climate conditions, contained highly active methanogenic communities. However, all potential limitation of methane production after permafrost thaw, it means methanogenic community structure, methanogenic population size, and substrate pool might be overcome after permafrost had thawed on the long-term. iii) Enrichments with soil from the seasonally thawed active layer revealed that its plasmid DNA (‘metaplasmidome’) carries stress-response genes. In particular it encoded antibiotic resistance genes, heavy metal resistance genes, cold shock proteins and genes encoding UV-protection. Those are functions that are directly involved in the adaptation of microbial communities to stresses in polar environments. It was further found that metaplasmidomes from the Siberian active layer originate mainly from Gammaproteobacteria. By applying enrichment cultures followed by plasmid DNA extraction it was possible to obtain a higher average contigs length and significantly higher recovery of plasmid sequences than from extracting plasmid sequences from metagenomes. The approach of analyzing ‘metaplasmidomes’ established in this thesis is therefore suitable for studying the ecological role of plasmids in polar environments in general. This thesis emphasizes that including microbial community dynamics have the potential to improve permafrost-carbon projections. Microbially mediated methane release from permafrost environments may significantly impact future climate change. This thesis identified drivers of methanogenic composition, abundance and activity in thawing permafrost landscapes. Finally, this thesis underlines the importance to study how the current warming Arctic affects microbial communities in order to gain more insight into microbial response and adaptation strategies. N2 - Diese Dissertation untersucht die Reaktion der Permafrost-Mikrobiota auf die globale Erwärmung. Im Detail wurden mögliche Faktoren, die die Methanproduktion in tauendem Permafrost einschränken, im Zusammenhang methanogener Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung untersucht. Darüber hinaus bietet diese Dissertation neue Einblicke in mikrobielle Anpassungen an die sich ändernden Umweltbedingungen während der globalen Erwärmung. Dies wurde durch Untersuchung der potenziell ökologisch relevanten Funktionen bewertet, die von Plasmid-DNA innerhalb der Permafrost-Mikrobiota codiert werden. Permafrost, der seinen Ursprung in den Interglazialen und Glazialen aus dem Holozän bis zum späten Pleistozän, einschließlich des Eem, hat, wurde in Langzeit-Tau-Inkubationen untersucht. Darüber hinaus wurden mehrere Permafrostkerne mit unterschiedlicher Stratigraphie, Vegetationsbedeckung und unterschiedlichem Bodentyp verwendet, um die Faktoren, die die Methanproduktion während kurzfristiger Auftausimulationen bestimmen, zu ermitteln. Kurz- und Langzeitinkubationen, die das Auftauen mit und ohne Zugabe von Substrat in Kombination mit Aktivitätsmessungen, Amplikon- und Metagenom-Sequenzierung von permanent gefrorenem und saisonal aufgetautem Boden simulieren, ermöglichten die Beantwortung folgender Fragen: i) Welche Faktoren hemmen die Methanproduktion beim Auftauen des Permafrosts und wie hängt dies mit der Aktivität, Abundanz und Zusammensetzung methanogener Organismen zusammen? ii) Wie verändert sich die Gemeinschaftszusammensetzung methanogener Organismen unter langfristigen Auftaubedingungen? iii) Welche potenziell ökologisch relevanten Funktionen werden von Plasmid-DNA in saisonal getauten Böden kodiert? Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden. i) Die Methanproduktion in langfristig getautem Permafrost wird hauptsächlich durch die Anzahl der methanogenen Archaeen und ihrem Anteil innerhalb der Archaeen bestimmt. Ablagerungen, die in wärmeren Perioden mit erhöhtem Niederschlag gebildet wurden, reagierten am stärksten auf das Tauen und enthielten eine von Methanogenen dominierte Archaeen-Gemeinschaft. In Kurzzeitinkubationen mit ausreichender Verfügbarkeit von Substrat wurden die Populationsgröße der methanogenen Organismen und die Kohlenstoffdichte als Hauptprädiktoren für die potenzielle Methanproduktion beim Auftauen von Permafrost identifiziert. ii) Auch die paläoökologischen Bedingungen beeinflussen die Reaktion der methanogenen Gemeinschaft und Aktivität, wenn Permafrost taut. Es wurden erhebliche Verschiebungen innerhalb der Gemeinschaftsstruktur und ein Rückgang der Diversität in Ablagerungen beobachtet, die in wärmeren Perioden gebildet wurden, jedoch nicht bei Ablagerungen aus kälteren und trockeneren Perioden. Insgesamt wurde in allen Proben eine Verschiebung hin zu einer Dominanz von hydrogenotrophen Methanogenen beobachtet, mit Ausnahme der ältesten interglazialen Ablagerungen aus dem Eem, die eine potenzielle Dominanz von acetoklastischen Methanogenen aufwiesen. Das Eem, das als Analogon zu den aktuellen Klimabedingungen diskutiert wird, enthielt hochaktive methanogene Gemeinschaften. iii) Anreicherungen aus Boden der saisonalen Auftauschicht zeigten, dass die enthaltene Plasmid-DNA („Metaplasmidom“) Stress-Reaktions-Gene trägt. Insbesondere codierte die Plasmid-DNA Antibiotikaresistenzgene, Schwermetallresistenzgene, Kälteschock-proteine und Gene, für den UV-Schutz, also Funktionen, die direkt an der Anpassung mikrobieller Gemeinschaften an Stress in polaren Umgebungen beteiligt sind. Weiterhin stammten die Metaplasmidome der saisonalen Auftauschicht Sibiriens hauptsächlich von Gammaproteobakterien. Durch die Anreicherung von Kulturen, gefolgt von einer Extraktion der Plasmid-DNA, war es möglich, eine höhere durchschnittliche Contig-Länge und eine signifikant höhere Wiederherstellung von Plasmidsequenzen zu erhalten als durch Extrahieren von Plasmidsequenzen aus Metagenomen. Der in dieser Arbeit etablierte Ansatz zur Analyse von „Metaplasmidomen“ ist ein geeigneter Ansatz zur Untersuchung der ökologischen Rolle von Plasmiden in polaren Regionen insgesamt. Diese Dissertation hebt hervor, wie wichtig es ist, die Abundanz, Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft in Permafrost-Kohlenstoff-Projektionen einzubeziehen, und zwar nicht nur, da die mikrobiell vermittelte Methanfreisetzung aus Permafrostablagerungen das Potenzial hat, den zukünftigen Klimawandel erheblich zu beeinflussen. Vielmehr wurden in dieser Arbeit Abhängigkeiten methanogener Gemeinschaftsstrukturen, Abundanz und Aktivität identifiziert. Abschließend verdeutlicht diese Arbeit, wie wichtig es ist zu untersuchen, wie sich die derzeitige Erwärmung der Arktis auf mikrobielle Gemeinschaften auswirkt, um Einblicke in mikrobielle Reaktions- und Anpassungsstrategien zu erhalten. KW - methanogenic archaea KW - methane KW - glacial and interglacial permafrost KW - Permafrost carbon feedback KW - carbon density KW - Siberia KW - Herschel Island Qikiqtaruk KW - active layer KW - plasmidome KW - stress-tolerance genes Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Meijer, Niels T1 - Asian dust, monsoons and westerlies during the Eocene N2 - The East Asian monsoons characterize the modern-day Asian climate, yet their geological history and driving mechanisms remain controversial. The southeasterly summer monsoon provides moisture, whereas the northwesterly winter monsoon sweeps up dust from the arid Asian interior to form the Chinese Loess Plateau. The onset of this loess accumulation, and therefore of the monsoons, was thought to be 8 million years ago (Ma). However, in recent years these loess records have been extended further back in time to the Eocene (56-34 Ma), a period characterized by significant changes in both the regional geography and global climate. Yet the extent to which these reconfigurations drive atmospheric circulation and whether the loess-like deposits are monsoonal remains debated. In this thesis, I study the terrestrial deposits of the Xining Basin previously identified as Eocene loess, to derive the paleoenvironmental evolution of the region and identify the geological processes that have shaped the Asian climate. I review dust deposits in the geological record and conclude that these are commonly represented by a mix of both windblown and water-laid sediments, in contrast to the pure windblown material known as loess. Yet by using a combination of quartz surface morphologies, provenance characteristics and distinguishing grain-size distributions, windblown dust can be identified and quantified in a variety of settings. This has important implications for tracking aridification and dust-fluxes throughout the geological record. Past reversals of Earth’s magnetic field are recorded in the deposits of the Xining Basin and I use these together with a dated volcanic ash layer to accurately constrain the age to the Eocene period. A combination of pollen assemblages, low dust abundances and other geochemical data indicates that the early Eocene was relatively humid suggesting an intensified summer monsoon due to the warmer greenhouse climate at this time. A subsequent shift from predominantly freshwater to salt lakes reflects a long-term aridification trend possibly driven by global cooling and the continuous uplift of the Tibetan Plateau. Superimposed on this aridification are wetter intervals reflected in more abundant lake deposits which correlate with highstands of the inland proto-Paratethys Sea. This sea covered the Eurasian continent and thereby provided additional moisture to the winter-time westerlies during the middle to late Eocene. The long-term aridification culminated in an abrupt shift at 40 Ma reflected by the onset of windblown dust, an increase in steppe-desert pollen, the occurrence of high-latitude orbital cycles and northwesterly winds identified in deflated salt deposits. Together, these indicate the onset of a Siberian high atmospheric pressure system driving the East Asian winter monsoon as well as dust storms and was triggered by a major sea retreat from the Asian interior. These results therefore show that the proto-Paratethys Sea, though less well recognized than the Tibetan Plateau and global climate, has been a major driver in setting up the modern-day climate in Asia. N2 - Die ostasiatischen Monsune prägen das heutige asiatische Klima, doch ihr geologischer Ursprung und ihre Antriebsmechanismen sind nach wie vor umstritten. Der südöstliche Sommermonsun bringt Feuchtigkeit, während der nordwestliche Wintermonsun Staub aus dem trockenen asiatischen Inland aufwirbelt und das chinesische Lössplateau bildet. Der Ursprung dieses Lösses und damit des Monsuns wurde vor 8 Millionen Jahren vermutet (Ma). In den letzten Jahren sind diese Lößablagerungen jedoch weiter in das Eozän (56-34 Ma) zurückverlegt worden, einer Periode, die durch bedeutende Änderungen sowohl in der regionalen Geographie als auch im globalen Klima gekennzeichnet ist. Inwieweit diese Rekonfigurationen die atmosphärische Zirkulation antrieben und ob es sich bei den lößartigen Sedimenten um monsunartige Ablagerungen handelt, bleibt jedoch umstritten. In dieser Dissertation untersuche ich die terrestrischen Ablagerungen des Xining-Beckens, die zuvor als Löss aus dem Eozän identifiziert wurden, um die paläo-umweltbedingte Entwicklung der Region abzuleiten und die geologischen Prozesse zu identifizieren, die das asiatische Klima geprägt haben. Ich überprüfe die Staubablagerungen im geologischen Archiv und komme zu dem Schluss, dass diese durch eine Mischung aus windgetriebenen und wassergelagerten Sedimenten dargestellt werden, im Gegensatz zu dem rein windgetriebenen Material, das als Löß bekannt ist. Doch durch die Verwendung einer Kombination der oberflächenmorphologien von Quartz, Herkunftsmerkmalen und unterscheidenden Korngrößenverteilungen kann windgetriebener Staub in einer Vielzahl von Umgebungen identifiziert und quantifiziert werden. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Nachverfolgung der Aridifizierung und der Staubflüsse in dem gesamten geologischen Archiv. Frühere Umkehrungen des Erdmagnetfeldes werden in den Ablagerungen des Xining-Beckens aufgezeichnet und ich verwende diese zusammen mit einer datierten vulkanischen Ascheschicht, um das Alter genau auf die Eozän-Periode einzugrenzen. Eine Kombination aus Pollenansammlungen, geringen Staubhäufigkeiten und anderen geochemischen Daten deutet darauf hin, dass das frühe Eozän relativ feucht war, was auf einen verstärkten Sommermonsun aufgrund des wärmeren Treibhausklimas zu dieser Zeit hinweist. Eine anschließende Verschiebung von überwiegend Süßwasser zu Salzseen spiegelt einen langfristigen Aridifizierungstrend wider, der möglicherweise durch die globale Abkühlung und die kontinuierliche Hebung des Tibetischen Plateaus angetrieben wurde. Überlagert wird diese Aridifizierung von feuchteren Intervallen, die durch eine Zunahme in Seeablagerungen gekennzeichnet werden und mit den Hochständen des inländischen proto-Paratethys-Meeres korrelieren. Dieses Meer bedeckte den eurasischen Kontinent und versorgte dadurch die winterlichen Westwinde mit zusätzlicher Feuchtigkeit im mittleren bis späten Eozän. T2 - Asiatischer Staub, Monsune und Westwind während des Eozäns KW - Paleoclimatology KW - Asia KW - Eocene KW - Stratigraphy KW - Asien KW - Stratigrafie KW - Monsoon KW - Monsun KW - Paläoklimatologie KW - Eozän Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-488687 ER - TY - THES A1 - Wang, Xia T1 - Reef ecosystem recovery following the Middle Permian (Capitanian) mass extinction T1 - Die Erholung des Ökosystems von Riffen nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium BT - a multi-scale analysis from South China BT - eine skalenübergreifende Analyse aus Südchina N2 - To find out the future of nowadays reef ecosystem turnover under the environmental stresses such as global warming and ocean acidification, analogue studies from the geologic past are needed. As a critical time of reef ecosystem innovation, the Permian-Triassic transition witnessed the most severe demise of Phanerozoic reef builders, and the establishment of modern style symbiotic relationships within the reef-building organisms. Being the initial stage of this transition, the Middle Permian (Capitanian) mass extinction coursed a reef eclipse in the early Late Permian, which lead to a gap of understanding in the post-extinction Wuchiapingian reef ecosystem, shortly before the radiation of Changhsingian reefs. Here, this thesis presents detailed biostratigraphic, sedimentological, and palaeoecological studies of the Wuchiapingian reef recovery following the Middle Permian (Capitanian) mass extinction, on the only recorded Wuchiapingian reef setting, outcropping in South China at the Tieqiao section. Conodont biostratigraphic zonations were revised from the Early Permian Artinskian to the Late Permian Wuchiapingian in the Tieqiao section. Twenty main and seven subordinate conodont zones are determined at Tieqiao section including two conodont zone below and above the Tieqiao reef complex. The age of Tieqiao reef was constrained as early to middle Wuchiapingian. After constraining the reef age, detailed two-dimensional outcrop mapping combined with lithofacies study were carried out on the Wuchiapingian Tieqiao Section to investigate the reef growth pattern stratigraphically as well as the lateral changes of reef geometry on the outcrop scale. Semi-quantitative studies of the reef-building organisms were used to find out their evolution pattern within the reef recovery. Six reef growth cycles were determined within six transgressive-regressive cycles in the Tieqiao section. The reefs developed within the upper part of each regressive phase and were dominated by different biotas. The timing of initial reef recovery after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction was updated to the Clarkina leveni conodont zone, which is earlier than previous understanding. Metazoans such as sponges were not the major components of the Wuchiapingian reefs until the 5th and 6th cycles. So, the recovery of metazoan reef ecosystem after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction was obviously delayed. In addition, although the importance of metazoan reef builders such as sponges did increase following the recovery process, encrusting organisms such as Archaeolithoporella and Tubiphytes, combined with microbial carbonate precipitation, still played significant roles to the reef building process and reef recovery after the mass extinction. Based on the results from outcrop mapping and sedimentological studies, quantitative composition analysis of the Tieqiao reef complex were applied on selected thin sections to further investigate the functioning of reef building components and the reef evolution after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction. Data sets of skeletal grains and whole rock components were analyzed. The results show eleven biocommunity clusters/eight rock composition clusters dominated by different skeletal grains/rock components. Sponges, Archaeolithoporella and Tubiphytes were the most ecologically important components within the Wuchiapingian Tieqiao reef, while the clotted micrites and syndepositional cements are the additional important rock components for reef cores. The sponges were important within the whole reef recovery. Tubiphytes were broadly distributed in different environments and played a key-role in the initial reef communities. Archaeolithoporella concentrated in the shallower part of reef cycles (i.e., the upper part of reef core) and was functionally significant for the enlargement of reef volume. In general, the reef recovery after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction has some similarities with the reef recovery following the end-Permian mass extinction. It shows a delayed recovery of metazoan reefs and a stepwise recovery pattern that was controlled by both ecological and environmental factors. The importance of encrusting organisms and microbial carbonates are also similar to most of the other post-extinction reef ecosystems. These findings can be instructive to extend our understanding of the reef ecosystem evolution under environmental perturbation or stresses. N2 - Um die zukünftige Entwicklung der aktuell sehr dramatischen Änderungen des Ökosystems von Riffen vorherzusagen, welche durch Umweltbelastungen wie die globale Erwärmung und die zunehmende Versauerung der Ozeane verursacht wird, müssen analoge Beispiele aus der geologischen Vergangenheit genauer unter die Lupe genommen werden. Als eine wichtige Zeit der Neugestaltung von Riffsystemen beinhaltet der Übergang vom Perm in die Trias den wohl einschneidendsten Rückgang von phanerozoischen Riffbildnern, und die dauerhafte Festsetzung von modernen symbiotischen Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen riffbildenden Organismen. Zu Beginn dieses Übergangs und nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium fand eine langsame Erholung der Riffe im Wuchiapingium statt, welche sich vor der Radiation der Riffe im Changhsingium bildeten, deren Ursache aber immer noch nicht vollends verstanden wurde. In dieser Arbeit wird eine detaillierte biostratigraphische, sedimentologische und paläoökologische Untersuchung der Rifferholung im Wuchiapingium nach dem mittelpermischen Massenaussterben vorgestellt. Dies wird an den einzigen jemals in Südchina dokumentierten Riffsedimenten aus dieser Zeit im sogenannten Tieqiao-Riffkomplex durchgeführt. Biostratigraphische Einteilungen anhand von Konodonten zwischen dem frühpermischen Artinskium bis zum spätpermischen Wuchiapingium im Tieqiao-Riffkomplex wurden überarbeitet. Zwanzig Haupt- und sieben untergeordnete Konodontenzonen wurden definiert, wobei sich zwei Zonen oberhalb und unterhalb des Riffkomplexes befinden. Das Alter des Tieqiao-Riffkomplexes wurde dabei auf das frühe bis mittlere Wuchiapingium festgelegt. Nachdem das Alter des Tieqiao-Riffes bestimmt wurde, führte die zweidimensionale Kartierung des Aufschluss sowie die detaillierte Untersuchung der Lithofazies zu einem besseren Verständnis des stratigraphischen Riffwachstums und der lateralen Änderung der Riffmorphologie im Aufschlussmaßstab. Eine semiquantitative Analyse der riffbildenden Organismen wurde angewandt, um deren Entwicklungsmuster während der Erholungsphase des Riffes zu verstehen. Sechs Wachstumszyklen der Riffe innerhalb von sechs regressiven Zyklen der Tieqiao wurden dabei bestimmt. Die Riffe entwickelten sich überwiegend im oberen Teil der regressiven Phase und wurden von unterschiedlichsten Arten dominiert. Der Zeitpunkt der initialen Erholung der Riffe nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium wurde auf die Clarkina leveni Konodontenzone aktualisiert, also älter als bisher angenommen. Metazoen wie Schwämme waren bis zum 5. und 6. Zyklus nicht die Hauptbildner des Riffes. Folglich war die Erholung des metazoischen Riff-Ökosystems nach dem mittelpermischen Massenaussterben verzögert. Auch wenn die Wichtigkeit von metazoischen Riffbildnern während des Erholungsprozesses zunahm, spielten enkrustierende Organismen wie Archaeolithoporella und Tubiphytes zusammen mit mikrobiellen Mikriten immer noch eine signifikante Rolle im Prozess der Rifferholung und des -aufbaus. Anhand der Resultate der Kartierung und der sedimentologischen Untersuchung wurden quantitative Analysen der einzelnen Bestandteile an Dünnschliffen ausgeführt. Dies ermöglichte die weiterführende Untersuchung der riffbildenden Bestandteile und die Entwicklung des Riffes nach dem mittelpermischen Massenaussterben. Dafür wurden Daten der einzelnen fossilen Bestandteile und des gesamten Gesteins analysiert. Dabei wurden elf Fossilvergesellschaftungen identifiziert, welche jede von unterschiedlichen fossilen Bestandteilen dominiert wurde. Schwämme, Archaeolithoporella und Tubiphytes waren die ökologisch wichtigsten Komponenten im Tieqiao-Riff, während mikrobielle Mikrite und syndepositionale Zemente zusätzliche Bausteine der Riffe darstellen. Schwämme waren dabei besonders wichtig für die Rifferholung. Tubiphytes war in den verschiedenen Ablagerungsräumen weit verbreitet und spielte eine Hauptrolle in den ersten Riffzyklen. Archaeolithoporella dagegen konzentrierte sich in den flacheren Bereichen des Riffzyklus (d.h. im oberen Teil des Riffes) und war maßgeblich daran beteiligt, das Riffvolumen zu erweitern. Grundsätzlich besitzt die Erholung der Riffe nach dem mittelpermischen Massenaussterben große Ähnlichkeit mit der die dem Massenaussterben an der Perm-Trias Grenze folgte. Typisch dafür ist eine verzögerte Erholung der metazoischen Riffe und ein Muster der schrittweisen Erholung, die ihrerseits durch ökologische und umweltbedingte Faktoren kontrolliert wird. Die Wichtigkeit von enkrustierenden Organismen und mikrobiellen Karbonaten sind ebenfalls vergleichbar zu den meisten anderen Riffsystemen, die sich nach einem Massenaussterben entwickelten. Diese Ergebnisse sind äußerst wichtig um unser Wissen über die Entwicklung von Riffsystemen nach Massenaussterben zu erweitern. KW - mass extinction KW - reef KW - Permian KW - Wuchiapingian KW - Archaeolithoporella KW - Massenaussterben KW - Riff KW - Perm KW - Wuchiapingium KW - Archaeolithoporella Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487502 ER - TY - THES A1 - Zorn, Edgar Ulrich T1 - Monitoring lava dome growth and deformation with photogrammetric methods and modelling N2 - Lava domes are severely hazardous, mound-shaped extrusions of highly viscous lava and commonly erupt at many active stratovolcanoes around the world. Due to gradual growth and flank oversteepening, such lava domes regularly experience partial or full collapses, resulting in destructive and far-reaching pyroclastic density currents. They are also associated with cyclic explosive activity as the complex interplay of cooling, degassing, and solidification of dome lavas regularly causes gas pressurizations on the dome or the underlying volcano conduit. Lava dome extrusions can last from days to decades, further highlighting the need for accurate and reliable monitoring data. This thesis aims to improve our understanding of lava dome processes and to contribute to the monitoring and prediction of hazards posed by these domes. The recent rise and sophistication of photogrammetric techniques allows for the extraction of observational data in unprecedented detail and creates ideal tools for accomplishing this purpose. Here, I study natural lava dome extrusions as well as laboratory-based analogue models of lava dome extrusions and employ photogrammetric monitoring by Structure-from-Motion (SfM) and Particle-Image-Velocimetry (PIV) techniques. I primarily use aerial photography data obtained by helicopter, airplanes, Unoccupied Aircraft Systems (UAS) or ground-based timelapse cameras. Firstly, by combining a long time-series of overflight data at Volcán de Colima, México, with seismic and satellite radar data, I construct a detailed timeline of lava dome and crater evolution. Using numerical model, the impact of the extrusion on dome morphology and loading stress is further evaluated and an impact on the growth direction is identified, bearing important implications for the location of collapse hazards. Secondly, sequential overflight surveys at the Santiaguito lava dome, Guatemala, reveal surface motion data in high detail. I quantify the growth of the lava dome and the movement of a lava flow, showing complex motions that occur on different timescales and I provide insight into rock properties relevant for hazard assessment inferred purely by photogrammetric processing of remote sensing data. Lastly, I recreate artificial lava dome and spine growth using analogue modelling under controlled conditions, providing new insights into lava extrusion processes and structures as well as the conditions in which they form. These findings demonstrate the capabilities of photogrammetric data analyses to successfully monitor lava dome growth and evolution while highlighting the advantages of complementary modelling methods to explain the observed phenomena. The results presented herein further bear important new insights and implications for the hazards posed by lava domes. N2 - Lavadome sind kuppelförmige Aufstauungen aus zähflüssiger Lava und bilden sich häufig bei Eruptionen an aktiven Stratovulkanen. Sie stellen dabei oft eine erhebliche Gefahr für Menschen und Infrastruktur dar, weil Lavadome instabil werden können und bei einem Kollaps pyroklastische Ströme (auch Glutlawinen) erzeugen können. Diese können innerhalb von Minuten weite Flächen verwüsten, daher ist die Überwachung von Lavadomen und deren Wachstum mit genauen und zuverlässigen Daten von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Bewegungen von Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden (Vermessungen anhand von Fotos) und mit Modellierungen in drei Teilstudien getestet und untersucht. Dazu wurden Daten sowohl an Lavadomen von Vulkanen in Mexiko und Guatemala als auch mittels künstlich erzeugter Dome im Labor erhoben. Hierbei wurden insbesondere das Structure-from-Motion-Verfahren, bei dem mithilfe einer Serie von Luftaufnahmen ein hochauflösendes 3D-Modell des Lavadoms und des Vulkans erstellt wird, und das Particle-Image-Velocimetry-Verfahren, bei dem aus einer Zeitreihe von Fotos kleinste Bewegungen detailliert gemessen werden können, verwendet. In der ersten Teilstudie wird aus einer Kombination von Überflugsbildern, Radardaten eines Satelliten, und seismischen Daten eine detaillierte Zeitreihe des Lavadom-Wachstums und der Kraterentwickelung am Volcán de Colima, Méxiko, erstellt. Anschließend werden die dabei erfassten Richtungen des Domwachstums mit numerischen Modellen auf Basis der fotogrammetrischen 3D-Modelle simuliert, welche zeigen, dass sich lokale Änderungen der Topografie auf die Wachstumsrichtung auswirken können. In der zweiten Teilstudie werden Drohnen in verschiedenen Zeitintervallen über einen Lavadom am Santa Maria Vulkan, Guatemala, geflogen. Die Überflugsdaten zeigen dabei Bewegungen sowohl an einem Lavastrom als auch ein Anschwellen des Doms mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ferner können die Daten genutzt werden um Oberflächentemperatur und die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Lava zu vermessen, welche für die Gefahrenanalyse eine wichtige Rolle spielen. In der dritten Teilstudie werden künstliche Dom-Modelle mithilfe von Sand-Gips-Gemischen erzeugt. Diese können sowohl den Aufbau und Morphologie als auch die internen Strukturen von Lavadomen simulieren und anhand von Zeitraffer-Aufnahmen im Detail nachstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Fotogrammetrie und Modellierungen geeignete Mittel sind um Lavadome sowie deren Entstehungsprozesse und Gefahren zu verfolgen und neue Erkenntnisse zu gewinnen. T2 - Überwachung von Wachstum und Deformation an Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden und Modellierungen KW - Lava dome KW - Lavadom KW - Photogrammetry KW - Fotogrammetrie KW - Volcano KW - Vulkan KW - Analogue Model KW - Analogmodell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483600 ER - TY - THES A1 - Kaya, Mustafa T1 - Cretaceous-Paleogene evolution of the proto-Paratethys Sea in Central Asia BT - mechanisms and paleoenvironmental impacts BT - Mechanismen und paläoökologische Auswirkungen N2 - Unlike today’s prevailing terrestrial features, the geologic past of Central Asia witnessed marine environments and conditions as well. A vast, shallow sea, known as proto-Paratethys, extended across Eurasia from the Mediterranean Tethys to the Tarim Basin in western China during Cretaceous to Paleogene times. This sea formed about 160 million years ago (during Jurassic times) when the waters of the Tethys Ocean flooded into Eurasia. It drastically retreated to the west and became isolated as the Paratethys during the Late Eocene-Oligocene (ca. 34 Ma). Having well-constrained timing and paleogeography for the Cretaceous-Paleogene proto-Paratethys sea incursions in Central Asia is essential to properly understand and distinguish the controlling mechanisms and their link to Asian paleoenvironmental and paleoclimatic change. The Cretaceous-Paleogene tectonic evolution of the Pamir and Tibet and their far-field effects play a significant role on the sedimentological and structural evolution of the Central Asian basins and on the evolution of the proto-Paratethys sea fluctuations as well. Comparing the records of the sea incursions to the tectonic and eustatic events has paramount importance to reveal the controlling mechanisms behind the sea incursions. However, due to inaccuracies in the dating of rocks (mostly continental rocks and marine rocks with benthic microfossils providing low-resolution biostratigraphic constraints) and conflicting results, there has been no consensus on the timing of the sea incursions and interpretation of their records has been in question. Here, we present a new chronostratigraphic framework based on biostratigraphy and magnetostratigraphy as well as a detailed paleoenvironmental analysis for the Cretaceous and Paleogene proto-Paratethys Sea incursions in the Tajik and Tarim basins, in Central Asia. This enables us to identify the major drivers of marine fluctuations and their potential consequences on regional and global climate, particularly Asian aridification and the global carbon cycle perturbations such as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). To estimate the paleogeographic evolution of the proto-Paratethys Sea, the refined age constraints and detailed paleoenvironmental interpretations are combined with successive paleogeographic maps. Regional coastlines and depositional environments during the Cretaceous-Paleogene sea advances and retreats were drawn based on the results of this thesis and integrated with existing literature to generate new paleogeographic maps. Before its final westward retreat in the Eocene, a total of six Cretaceous and Paleogene major sea incursions have been distinguished from the sedimentary records of the Tajik and Tarim basins in Central Asia. All have been studied and documented here. We identify the presence of marine conditions already in the Early Cretaceous in the western Tajik Basin, followed by the Cenomanian (ca. 100 Ma) and Santonian (ca. 86 Ma) major marine incursions far into the eastern Tajik and Tarim basins separated by a Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) regression. Basin-wide tectonic subsidence analyses imply that the Early Cretaceous invasion of the sea into the Tajik Basin is related to increased Pamir tectonism (at ca. 130 – 90 Ma) in a retro-arc basin setting inferred to be linked to collision and subduction. This tectonic event mainly governed the Cenomanian (ca. 100 Ma) sea incursion in conjunction with a coeval global eustatic high resulting in the maximum geographic extent of the sea. The following Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) major regression, driven by eustasy, coincides with a sharp slowdown in tectonic subsidence related to a regime change in Pamir tectonism from compression to extension. The Santonian (ca. 86 Ma) major sea incursion was more likely controlled dominantly by eustasy as also evidenced by the coeval fluctuations in the west Siberian Basin. During the early Maastrichtian, the global Late Cretaceous cooling is inferred from the disappearance of mollusk-rich limestones and the dominance of bryozoan-rich and echinoderm-rich limestones in the Tajik Basin documenting the first evidence for the Late Cretaceous cooling event in Central Asia. Following the last Cretaceous sea incursion, a major regional restriction event, marked by the exceptionally thick (≤ 400 m) shelf evaporites is assigned a Danian-Selandian age (ca. 63-59 Ma). This is followed by the largest recorded proto-Paratethys sea incursion with a transgression estimated as early Thanetian (ca. 59-57 Ma) and a regression within the Ypresian (ca. 53-52 Ma). The transgression of the next incursion is now constrained as early Lutetian (ca. 47-46 Ma), whereas its regression is constrained as late Lutetian (ca. 41 Ma) and is associated with a drastic increase in both tectonic subsidence and basin infilling. The age of the final and least pronounced sea incursion restricted to the westernmost margin of the Tarim Basin is assigned as Bartonian–Priabonian (ca. 39.7-36.7 Ma). We interpret the long-term westward retreat of the proto-Paratethys Sea starting at ca. 41 Ma to be associated with far-field tectonic effects of the Indo-Asia collision and Pamir/Tibetan plateau uplift. Short-term eustatic sea level transgressions are superimposed on this long-term regression and seem coeval with the transgression events in the other northern Peri-Tethyan sedimentary provinces for the 1st and 2nd Paleogene sea incursions. However, the last Paleogene sea incursion is interpreted as related to tectonism. The transgressive and regressive intervals of the proto-Paratethys Sea correlate well with the reported humid and arid phases, respectively in the Qaidam and Xining basins, thus demonstrating the role of the proto-Paratethys Sea as an important moisture source for the Asian interior and its regression as a contributor to Asian aridification. We lastly study the mechanics, relative contribution and preservation efficiency of ancient epicontinental seas as carbon sinks with new and existing data, using organic rich (sapropel) deposits dated to the PETM from the extensive epicontinental proto-Paratethys and West Siberian seas. We estimate ca. 1390±230 Gt organic C burial, a substantial amount compared to previously estimated global total excess organic C burial (ca. 1700-2900 Gt) is focused in the proto-Paratethys and West Siberian seas alone. We also speculate that enhanced organic carbon burial later over much of the proto-Paratethys (and later Paratethys) basin (during the deposition of the Kuma Formation and Maikop series, repectively) may have majorly contributed to drawdown of atmospheric carbon dioxide before and during the EOT cooling and glaciation of Antarctica. For past periods with smaller epicontinental seas, the effectiveness of this negative carbon cycle feedback was arguably diminished, and the same likely applies to the present-day. N2 - Im Gegensatz zu den heute vorherrschenden kontinentalen Bedingungen war die geologische Vergangenheit Zentralasiens auch Zeuge marin dominierter Phasen. Ein riesiges Schelfmeer, bekannt als Proto-Paratethys, erstreckte sich während der Kreidezeit bis zum Paläogen über Eurasien - von der Tethys im Mittelmeer bis zum Tarimbecken im Westen Chinas. Dieses Meer bildete sich vor etwa 160 Millionen Jahren während der Jurazeit, als das Wasser des Tethys-Ozeans nach Eurasien strömte. Es zog sich drastisch nach Westen zurück und wurde während des späten Eozän-Oligozäns (ca. 34 Ma) als Paratethys isoliert. Eine gut eingegrenzte zeitliche Einordnung und Paläogeographische Charakterisierung für die kretazisch-paläogenen proto-Paratethys-Meerestransgressionen in Zentralasien ist unerlässlich, um die Kontrollmechanismen und ihre Verbindung mit den paläoökologischen und paläoklimatischen Veränderungen in Asien richtig zu verstehen und zu unterscheiden. Die kreidezeitlich-paläogene tektonische Entwicklung des Pamir und Tibets und ihre Fernfeldeffekte spielen eine bedeutende Rolle für die Entwicklung der zentralasiatischen Becken und der proto-paläozoischen Meeresschwankungen. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Datierung der Gesteine und widersprüchlichen Ergebnissen gab es jedoch bislang keinen Konsens über den Zeitpunkt der Meerestransgressionen. Die Interpretation der dabei abgelagerten Sedimentfolgen wurde in Frage gestellt. Hier präsentieren wir eine neue, zeitliche Einordung auf Grundlage von Biostratigraphie und Magnetostratigraphie sowie eine detaillierte Paläoumweltanalyse für die Transgressionen des kreidezeitlichen und paläogenen proto-Paratethys-Meeres im tadschikischen und Tarimbecken in Zentralasien. Dies ermöglicht es uns, die wichtigsten Triebkräfte der marinen Fluktuationen und ihre möglichen Auswirkungen auf das regionale und globale Klima zu identifizieren - insbesondere die asiatische Aridifizierung und die Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs etwa während des paläozän-eozänen thermischen Maximums (PETM). Beckenweite tektonische Senkungsanalysen deuten darauf hin, dass die frühkretazische Transgressionsphase im Tadschikischen Becken mit einer Intensivierung der Kollisionstektonik im Pamir (zwischen ca. 130 und 90 Ma) und der damit verbundenen Bildung eines Retro-Arc-Beckens in Zusammenhang stehen. Die globale Abkühlung der Spätkreide wird aus dem Verschwinden von molluskenreichen Kalksteinen und der Dominanz von bryozoen- und echinodermenreichen Kalksteinen im Tadschikischen Becken abgeleitet. Dies liefert den ersten Nachweis für das Abkühlungsereignis der Spätkreide in Zentralasien. Wir interpretieren die langfristige paläogene Regression des Proto-Paratethys-Meeres Richtung Westen ab ca. 41 Ma mit den tektonischen Fernfeldeffekten der indo-asiatischen Kollision und der Hebung des Pamir/Tibetischen Plateaus. Die transgressiven und regressiven Intervalle der proto-Paratethys-See korrelieren gut mit den bekannten feuchten und ariden Phasen im Qaidam- bzw. Xining-Becken, was die Rolle der proto-Paratethys-See als wichtige Feuchtigkeitsquelle für das asiatische Binnenland und ihren Rückzug als Mitverursacher der asiatischen Aridifizierung verdeutlicht. Schließlich untersuchen wir die Wirkungsfaktoren, den relativen Beitrag und die Erhaltungseffizienz alter epikontinentaler Meere als Kohlenstoffsenken mit neuen und bestehenden Daten. Dabei verwenden wir organik-reiche Ablagerungen aus den ausgedehnten epikontinentalen Proto-Paratethys- und westsibirischen Meeren, die auf das PETM datiert sind. Wir schätzen eine Einlagerung von ca. 1390±230 Gt organischer Kohlenstoffverbindungen. Das stellt eine beachtliche Menge, verglichen mit der zuvor geschätzten globalen Gesamtmenge an überschüssiger organischer Kohlenstoffeinlagerung (ca. 1700-2900 Gt) dar, welche sich allein auf die Proto-Paratethys und die westsibirischen Meere konzentriert. Für vergangene und zukünftige Perioden mit kleineren epikontinentalen Meeren würde die Wirksamkeit dieser negativen Rückkopplung des Kohlenstoffkreislaufs wohl abnehmen. T2 - Kreidezeit - Paläogene Entwicklung des Proto-Paratethys-Meeres in Zentralasien KW - Geology KW - Paleoclimatology KW - Sedimentology KW - Stratigraphy KW - Paleogeography KW - Geologie KW - Paläoklimatologie KW - Sedimentologie KW - Stratigraphie KW - Paläogeographie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483295 ER - TY - THES A1 - Biedermann, Nicole T1 - Carbonate-silicate reactions at conditions of the Earth’s mantle and the role of carbonates as possible trace-element carriers N2 - Carbonates play a key role in the chemistry and dynamics of our planet. They are directly connected to the CO2 budget of our atmosphere and have a great impact on the deep carbon cycle. Moreover, recent studies have shown that carbonates are stable along the geothermal gradient down to Earth's lower mantle conditions, changing their crystal structure and related properties. Subducted carbonates may also react with silicates to form new phases. These reactions will redistribute elements, such as calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe) and carbon in the form of carbon dioxide (CO2), but also trace elements, that are carried by the carbonates. The trace elements of most interest are strontium (Sr) and rare earth elements (REE) which have been found to be important constituents in the composition of the primitive lower mantle and in mineral inclusions found in super-deep diamonds. However, the stability of carbonates in presence of mantle silicates at relevant temperatures is far from being well understood. Related to this, very little is known about distribution processes of trace elements between carbonates and mantle silicates. To shed light on these processes, we studied reactions between Sr- and REE-containing CaCO3 and Mg/Fe-bearing silicates of the system (Mg,Fe)2SiO4 - (Mg,Fe)SiO3 at high pressure and high temperature using synchrotron radiation based μ-X-ray diffraction (μ-XRD) and μ-X-ray fluorescence (μ-XRF) with μm-resolution in a laser-heated diamond anvil cell. X-ray diffraction is used to derive the structural changes of the phase reactions whereas X-ray fluorescence gives information on the chemical changes in the sample. In-situ experiments at high pressure and high temperature were performed at beamline P02.2 at PETRA III (Hamburg, Germany) and at beamline ID27 at ESRF (Grenoble, France). In addition to μ-XRD and μ-XRF, ex-situ measurements were made on the recovered sample material using transmission electron microscopy (TEM) and provided further insights into the reaction kinetics of carbonate-silicate reactions. Our investigations show that CaCO3 is unstable in presence of mantle silicates above 1700 K and a reaction takes place in which magnesite plus CaSiO3-perovskite are formed. In addition, we observed that a high content of iron in the carbonate-silicate system favours dolomite formation during the reaction. The subduction of natural carbonates with significant amounts of Sr leads to a comprehensive investigation of the stability not only of CaCO3 phases in contact with mantle silicates but also of SrCO3 (and of Sr-bearing CaCO3). We found that SrCO3 reacts with (Mg,Fe)SiO3-perovskite to form magnesite and gained evidence for the formation of SrSiO3-perovskite. To complement our study on the stability of SrCO3 at conditions of the Earth's lower mantle, we performed powder X-ray diffraction and single crystal X-ray diffraction experiments at ambient temperature and up to 49 GPa. We observed a transformation from SrCO3-I into a new high-pressure phase SrCO3-II at around 26 GPa with Pmmn crystal structure and a bulk modulus of 103(10) GPa. This information is essential to fully understand the phase behaviour and stability of carbonates in the Earth's lower mantle and to elucidate the possibility of introducing Sr into mantle silicates by carbonate-silicate reactions. Simultaneous recording of μ-XRD and μ-XRF in the μm-range over the heated areas provides spatial information not only about phase reactions but also on the elemental redistribution during the reactions. A comparison of the spatial intensity distribution of the XRF signal before and after heating indicates a change in the elemental distribution of Sr and an increase in Sr-concentration was found around the newly formed SrSiO3-perovskite. With the help of additional TEM analyses on the quenched sample material the elemental redistribution was studied at a sub-micrometer scale. Contrary to expectations from combined μ-XRD and μ-XRF measurements, we found that La and Eu were not incorporated into the silicate phases, instead they tend to form either isolated oxide phases (e.g. Eu2O3, La2O3) or hydroxyl-bastnäsite (La(CO3)(OH)). In addition, we observed the transformation from (Mg,Fe)SiO3-perovskite to low-pressure clinoenstatite during pressure release. The monoclinic structure (P21/c) of this phase allows the incorporation of Ca as shown by additional EDX analyses and, to a minor extent, Sr too. Based on our experiments, we can conclude that a detection of the trace elements in-situ at high pressure and high temperature remains challenging. However, our first findings imply that silicates may incorporate the trace elements provided by the carbonates and indicate that carbonates may have a major effect on the trace element contents of mantle phases. N2 - Karbonate spielen eine wesentliche Rolle in der Chemie und Dynamik unseres Planeten. Sie stehen im direkten Zusammenhang mit dem CO2-Haushalt unserer Atmosphäre und dem tiefen, erdinneren Kohlenstoff-Kreislauf. Darüber hinaus haben jüngste Studien gezeigt, dass subduzierte Karbonate entlang des geothermischen Gradienten bis hinunter zu unteren Erdmantelbedingungen stabil sind, wobei sich ihre Kristallstruktur und die damit verbundenen Eigenschaften ändern. Ebenso können subduzierte Karbonate mit Mantelsilikaten reagieren. Diese Reaktionen führen zu einer Umverteilung von Elementen, welche von den subduzierten Karbonaten hinunter in die Tiefen der Erde transportiert werden. Die Elemente, um die es sich hauptsächlich handelt, sind dabei Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Aber auch Spurenelemente, wie beispielsweise Strontium (Sr) und Seltene Erdelemente (REE), können über Karbonate in den unteren Erdmantelbereich gelangen. Die Stabilität der Karbonate in Gegenwart von Mantelsilikaten bei relevanten Erdmantelbedingungen ist jedoch bei Weitem nicht bekannt. Ebenso ist nur sehr wenig über die Verteilungsprozesse von Spurenelementen zwischen Karbonaten und Mantelsilikaten bekannt. Um diese Prozesse zu beleuchten, wurden Reaktionen zwischen Sr- und REE-haltigem CaCO3 und Mg/Fe-haltigen Silikaten aus dem System (Mg,Fe)2SiO4 - (Mg,Fe)SiO3 unter hohem Druck und hoher Temperatur mit μm-aufgelöster Röntgenbeugung (μ-XRD) und Röntgenfluoreszenz (μ-XRF) in einer lasergeheizten Diamantstempelzelle durchgeführt. Dabei wird Röntgenbeugung verwendet, um die strukturellen Änderungen der Phasenreaktionen abzuleiten, während Röntgenfluoreszenz Informationen über die chemischen Änderungen in der Probe liefert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass sowohl SrCO3 als auch CaCO3 in Gegenwart von Mantelsilikaten bei über 1700 K instabil sind und eine Reaktion stattfindet, bei der Magnesit und CaSiO3-Perowskit bzw. SrSiO3-Perowskit gebildet werden. Ein Vergleich der räumlichen Intensitätsverteilungen von XRF Signalen vor und nach dem Heizen zeigt eine Änderung in der Elementverteilung von Sr und eine Zunahme der Sr-Konzentration um den neugebildeten SrSiO3-Perowskit. Zusätzliche Aufnahmen am zurückgewonnenen, abgeschreckten Probenmaterial mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) lieferten weitere Erkenntnisse zur Reaktionskinetik. Entgegen den Erwartungen eines Einbaus der Seltenen Erdelemente in die neugebildeten Mantelsilikate, haben wir aus kombinierten μ-XRD-, μ-XRF- und TEM-Messungen festgestellt, dass La und Eu entweder isolierte Oxidphasen (Eu2O3, La2O3) oder Hydroxyl-Bastnäsit (La(CO3)(OH)) bilden. Zusätzlich war zu beobachten, dass (Mg,Fe)SiO3-Perowskit sich während der Druckentlastung in Clinoenstatit umgewandelt hat. Die monokline Struktur dieser Phase ermöglicht den Einbau von Ca und, im geringerem Maße, Sr, wie durch zusätzliche EDX-Analysen gezeigt wurde. Ergänzend zu unserer Studie führten wir Pulver-Röntgenbeugung in Kombination mit Einkristall-Röntgenbeugung bei Umgebungstemperatur und bis zu 49 GPa am Endglied Strontianit (SrCO3) durch. Wir beobachteten eine Umwandlung von SrCO3-I in eine neue Hochdruckphase SrCO3-II bei etwa 26 GPa mit Pmmn-Kristallstruktur und einem Kompressionsmodul von 103(10) GPa. Solche Informationen sind sehr wichtig, da sie Aufschlüsse sowohl über das Phasenverhalten als auch über die Stabilität von Karbonaten in Gegenwart von Mantelsilikaten geben und helfen, sie vollständig zu verstehen. Basierend auf den Erkenntnissen aus unseren Experimenten können wir schließen, dass ein Nachweis von Spurenelementen in-situ unter hohem Druck und hoher Temperatur eine Herausforderung bleibt. Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Silikate die Spurenelemente, welche von den Karbonaten transportiert werden, aufnehmen können und demzufolge Karbonate einen wesentlichen Einfluss auf den Spurenelementgehalt von Mantelphasen haben. T2 - Karbonat-Silikat-Reaktionen bei Erdmantelbedingungen und die Rolle der Karbonate als mögliche Spurenelementträger KW - laser-heated Diamond Anvil Cell KW - Carbonate-Silicate reactions KW - Earth's mantle KW - Karbonat-Silikat-Reaktionen KW - Erdmantel KW - laser-geheizte Diamantstempelzelle Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482772 ER - TY - THES A1 - Menges, Johanna T1 - Organic Carbon Storage, Transfer and Transformation in the Himalaya BT - insights from the Kali Gandaki Valley in Central Nepal N2 - The transfer of particulate organic carbon from continents to the ocean is an important component of the global carbon cycle. Transfer to and burial of photosynthetically fixed biospheric organic carbon in marine sediments can effectively sequester atmospheric carbon dioxide over geological timescales. The exhumation and erosion of fossil organic carbon contained in sedimentary rocks, i.e. petrogenic carbon, can result in remineralization, releasing carbon to the atmosphere. In contrast, eroded petrogenic organic carbon that gets transferred back to the ocean and reburied does not affect atmospheric carbon content. Mountain ranges play a key role in this transfer since they can source vast amounts of sediment including particulate organic carbon. Globally, the export of both, biospheric and petrogenic organic carbon has been linked to sediment export. Additionally, short transfer times from mountains to the ocean and high sediment concentrations have been shown to increase the likelihood of organic carbon burial. While the importance of mountain ranges in the organic carbon cycle is now widely recognized, the processes acting within mountain ranges to influence the storage, cycling and mobilization of organic carbon, as well as carbon fluxes from mountain ranges remain poorly constrained. In this thesis, I employ different methods to assess the nature and fate of particulate organic carbon in mountain belts, ranging from the molecular to regional landscape scale. These studies are located along the Trans-Himalayan Kali Gandaki River in Central Nepal. This river traverses all major geological and climatic zones of the Himalaya, from the dry northern Tibetan plateau to the high-relief, monsoon dominated steep High Himalaya and the lower relief and abundant vegetation of the Lesser Himalayan region. First, I document how biospheric organic matter has accumulated during the Holocene in the headwaters of the Kali Gandaki River valley, by combining compound specific isotope measurements with different dating methods and grain size data, and investigate the stability of this organic carbon reservoir on millennial timescales. I show, that around 1.6 ka an eco-geomorphic tipping point occurred leading to a destabilization of the landscape resulting in today’s high erosion rates and the excavation of the aged organic carbon reservoir. This study highlights the climatic and geomorphic controls on biospheric organic carbon storage and release from mountain ranges. Second, I systematically investigate the spatial variation of particulate organic carbon fluxes across the Himalaya along the Kali Gandaki River, using bulk stable and radioactive isotopes combined with a new Bayesian modeling approach. The detailed dataset allows the distinction of aged and modern biospheric organic carbon as well as petrogenic organic carbon across the Himalayan mountain range and the investigation of the role of climatic and geomorphic factors in their riverine export. The data suggest a decoupling of the particulate organic carbon from the sediment yield along the Kali Gandaki River, partially driven by climatic and geomorphic processes. In contrast to the suspended sediment, a large part of the particulate organic carbon exported by the river originates from the Tibetan part of the catchment and is dominated by petrogenic organic carbon derived from Jurassic shales with only minor contributions of modern and aged biospheric organic carbon. These findings emphasize the importance of organic carbon source distribution and erosion mechanisms in determining the organic carbon export from mountain ranges. In a third step, I explore the potential of ultra-high resolution mass spectrometry for particulate organic carbon transport studies. I have generated a novel and unprecedented high-resolution molecular dataset, which contains up to 103 molecular formulas of the lipid fraction of particulate organic matter for modern and aged biospheric carbon, petrogenic organic carbon and river sediments. First, I test if this dataset can be used to better resolve different organic carbon sources and to identify new geochemical tracers. Using multivariate statistics, I identify up to 10² characteristic molecular formulas for the major organic carbon sources in the upper part of the Kali Gandaki catchment, and trace their transfer from the surrounding landscape into the river sediment. Second, I test the potential of the molecular dataset to trace molecular transformations along source-to-sink pathways. I identify changes in molecular metrics derived from the dataset, which are characteristic of transformation processes during incorporation of litter into soil, the aging of soil material, and the mobilization of the organic carbon into the river. These two studies demonstrate that high-resolution molecular datasets open a promising analytical window on particulate organic carbon and can provide novel insights into the composition, sourcing and transformation of riverine particulate organic carbon. Collectively, these studies advance our understanding of the processes contributing to the storage and mobilization of organic carbon in the Central Himalaya, the mountain belt that dominates global erosional fluxes. They do so by identifying the major sources of particulate organic carbon to the Trans-Himalayan Kali Gandaki River, by elucidating their sensitivity to climate and geomorphic processes, and by identifying some of the transformations of this material on the molecular scale. As a result, the thesis demonstrates that the amount and composition of organic carbon routed from mountain belts is a function of the dynamic interactions of geologic, biologic, geomorphic and climatic processes within the mountain belt. This understanding will ultimately help in answering whether the build-up and erosion of mountain ranges over geological time represents a net carbon source or sink to the atmosphere. Beyond this, the thesis contributes to our technical ability to characterize organic matter and attribute it to sources by scoping the potential of high-end molecular analysis. KW - organic carbon cycle KW - biomarker KW - isotopes KW - Himalaya KW - rivers Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Friese, André T1 - Biogeochemistry of ferruginous sediments of Lake Towuti, Sulawesi, Indonesia N2 - Ferruginous conditions were a prominent feature of the oceans throughout the Precambrian Eons and thus throughout much of Earth’s history. Organic matter mineralization and diagenesis within the ferruginous sediments that deposited from Earth’s early oceans likely played a key role in global biogeochemical cycling. Knowledge of organic matter mineralization in ferruginous sediments, however, remains almost entirely conceptual, as modern analogue environments are extremely rare and largely unstudied, to date. Lake Towuti on the island of Sulawesi, Indonesia is such an analogue environment and the purpose of this PhD project was to investigate the rates and pathways of organic matter mineralization in its ferruginous sediments. Lake Towuti is the largest tectonic lake in Southeast Asia and is hosted in the mafic and ultramafic rocks of the East Sulawesi Ophiolite. It has a maximum water depth of 203 m and is weakly thermally stratified. A well-oygenated surface layer extends to 70 m depth, while waters below 130 m are persistently anoxic. Intensive weathering of the ultramafic catchment feeds the lake with large amounts of iron(oxy)hydroxides while the runoff contains only little sulfate, leading to sulfate-poor (< 20 µM) lake water and anoxic ferruginous conditions below 130 m. Such conditions are analogous to the ferruginous water columns that persisted throughout much of the Archean and Proterozoic eons. Short (< 35 cm) sediment cores were collected from different water depths corresponding to different bottom water redox conditions. Also, a drilling campaign of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) retrieved a 114 m long sediment core dedicated for geomicrobiological investigations from a water depth of 153 m, well below the depth of oxygen penetration at the time of sampling. Samples collected from these sediment cores form the fundament of this thesis and were used to perform a suite of biogeochemical and microbiological analyses. Geomirobiological investigations depend on uncontaminated samples. However, exploration of subsurface environments relies on drilling, which requires the use of a drilling fluid. Drilling fluid infiltration during drilling can not be avoided. Thus, in order to trace contamination of the sediment core and to identify uncontaminated samples for further analyses a simple and inexpensive technique for assessing contamination during drilling operations was developed and applied during the ICDP drilling campaign. This approach uses an aqeous fluorescent pigment dispersion commonly used in the paint industry as a particulate tracer. It has the same physical properties as conventionally used particulate tracers. However, the price is nearly four orders of magnitude lower solving the main problem of particulate tracer approaches. The approach requires only a minimum of equipment and allows for a rapid contamination assessment potentially even directly on site, while the senstitivity is in the range of already established approaches. Contaminated samples in the drill core were identified and not included for further geomicrobiological investigations. Biogeochemical analyses of short sediment cores showed that Lake Towutis sediments are strongly depleted in electron acceptors commonly used in microbial organic matter mineralization (i.e. oxygen, nitrate, sulfate). Still, the sediments harbor high microbial cell densities, which are a function of redox conditions of Lake Towuti’s bottom water. In shallow water depths bottom water oxygenation leads to a higher input of labile organic matter and electron acceptors like sulfate and iron, which promotes a higher microbial abundance. Microbial analyses showed that a versatile microbial community with a potential to perform metabolisms related to iron and sulfate reduction, fermentation as well as methanogenesis inhabits Lake Towuti’s surface sediments. Biogeochemical investigations of the upper 12 m of the 114 m sediment core showed that Lake Towuti’s sediment is extremely rich in iron with total concentrations up to 2500 µmol cm-3 (20 wt. %), which makes it the natural sedimentary environment with the highest total iron concentrations studied to date. In the complete or near absence of oxygen, nitrate and sulfate, organic matter mineralization in ferruginous sediments would be expected to proceed anaerobically via the energetically most favorable terminal electron acceptors available - in this case ferric iron. Astonishingly, however, methanogenesis is the dominant (>85 %) organic matter mineralization process in Lake Towuti’s sediment. Reactive ferric iron known to be available for microbial iron reduction is highly abundant throughout the upper 12 m and thus remained stable for at least 60.000 years. The produced methane is not oxidized anaerobically and diffuses out of the sediment into the water column. The proclivity towards methanogenesis, in these very iron-rich modern sediments, implies that methanogenesis may have played a more important role in organic matter mineralization thoughout the Precambrian than previously thought and thus could have been a key contributor to Earth’s early climate dynamics. Over the whole sequence of the 114 m long sediment core siderites were identified and characterized using high-resolution microscopic and spectroscopic imaging together with microchemical and geochemical analyses. The data show early diagenetic growth of siderite crystals as a response to sedimentary organic matter mineralization. Microchemical zoning was identified in all siderite crystals. Siderite thus likely forms during diagenesis through growth on primary existing phases and the mineralogical and chemical features of these siderites are a function of changes in redox conditions of the pore water and sediment over time. Identification of microchemical zoning in ancient siderites deposited in the Precambrian may thus also be used to infer siderite growth histories in ancient sedimentary rocks including sedimentary iron formations. N2 - Während des Präkambriums und damit während des Großteils der Erdgeschichte, zeichneten sich die Ozeane durch ihren hohen Eisengehalt aus. Sowohl die Remineralisierung von organischem Material, als auch die Diagenese in den Sedimenten, die in den frühen Ozeanen der Erde abgelagert wurden, hatte höchstwahrscheinlich bedeutende Auswirkungen auf die globalen biogeochemischen Stoffkreisläufe. Unser Verständnis des Abbaus von organischem Material in eisenhaltigen Sedimenten ist jedoch sehr begrenzt, da moderne Analogsysteme extrem selten sind und bis heute nicht erforscht wurden. Der Towutisee auf der Insel Sulawesi in Indonesien ist ein solches modernes Analogsystem und Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Raten und Pfade des Abbaus von organischem Material in den modernen eisenhaltigen Sedimenten des Towutisees zu erforschen. Der Towutisee ist der größte tektonische See in Südostasien und ist von mafischen und ultramafischen Gesteinen des Ost-Sulawesi-Ophioliten umgeben. Er hat eine maximale Wassertiefe von 203 m und ist schwach thermisch stratifiziert. Bis zu einer Tiefe von 70 m herrschen oxische Bedingungen, während die Wassersäule unterhalb von 130 m permanent anoxisch ist. Intensive Verwitterungsprozesse des ultramafischen Einzugsgebietes führen zu einem hohen Eintrag von Eisen(oxy)hydroxiden, während der Oberflächenabfluss nur wenig Sulfat enthält. Die Konzentrationen von Sulfat in der Wassersäule sind daher außergewöhnlich gering (< 20µM). Diese physikochemischen Verhältnisse sind analog zu denen der Ozeane des Archaikums und des Proterozoikums. Kurze (< 35 cm) Sedimentkerne wurden von verschiedenen Wassertiefen und unterschiedlichen Redox-Bedingungen des Bodenwassers entnommen. Darüber hinaus, wurde, im Zuge einer Bohrkampagne des International Continental Scientific Drilling Programs (ICDP) am Towutisee, ein 114 m langer Sedimentkern aus einer Wassertiefe von 153m, also deutlich unterhalb des Sauerstoffgradienten, erbohrt. Dieser war ausschließlich für geomikrobiologische Probenahmen und Untersuchungen vorgesehen. Die Proben, die aus diesen Sedimentkernen entnommen wurden, bilden das Fundament dieser Doktorarbeit und wurden für biogeochemische und mikrobiologische Untersuchungen verwendet. Unkontaminierte Proben sind für geomikrobiologische Untersuchungen unabdingbar. Das Erforschen von Gebieten unterhalb der Oberfläche ist jedoch auf Bohrungen angewiesen, welche wiederum den Einsatz einer Bohrspülung erfordern. Leider ist es unvermeidlich, dass diese im Zuge des Bohrprozesses in den erbohrten Sedimentkern eindringen. Die einzige Möglichkeit unkontaminierte Proben zu gewinnen ist es daher, den Grad der Kontamination des Bohrkerns nachzuverfolgen und unkontaminierte Proben für weitere Analysen zu identifizieren. Dazu wurde im Zuge dieser Doktorarbeit eine einfache und kostengünstige Methode zur Kontaminationskontrolle während Bohroperationen entwickelt und während der ICDP Bohrkampagne auf dem Towutisee angewandt. Als Tracer kam eine Farbe zum Einsatz, deren physikalische Eigenschaften denen von partikulären Tracern ähnelt. Der Preis dieser Farbe ist im Vergleich zu bisher verwendeten partikulären Tracern, jedoch vier Größenordnungen geringer und löst damit das Hauptproblem dieser Tracer. Die Methode benötigt nur ein Mindestmaß an Equipment und ermöglicht eine schnelle Identifizierung von Kontaminationen, möglicherweise sogar vor Ort. Die Sensitivität der Methode ist im Bereich von etablierten Kontaminationskontrollen. Kontaminierte Proben des erbohrten Sedimentkerns wurden mit dieser Methode identifiziert und nicht für weitere geomikrobiologische Untersuchungen verwendet. Biogeochemische Analysen der Kurzkerne zeigen, dass die Sedimente des Towutisees sehr arm an Elektronenakzeptoren sind, die für den mikrobiellen Abbau von organischem Material verwendet werden (d.h. Sauerstoff, Nitrat und Sulfat). Nichtsdestotrotz zeichnen sich die Sedimente des Towutisees durch hohe Zellzahlen aus, die von den Redox-Bedingungen des Bodenwassers abhängig sind. In niedrigen Wassertiefen führt oxygeniertes Bodenwasser zu einem erhöhten Eintrag von labilem organischen Material sowie Elektronenakzeptoren wie Eisen und Sulfat, wodurch hohe Zellzahlen resultieren. Mikrobiologische Analysen zeigen, dass die Sedimente des Towutisees durch eine vielseitige, mikrobielle Gemeinschaft bevölkert werden, die in der Lage ist, Stoffwechsel, wie Eisenreduktion, Sulfatreduktion, Fermentation sowie Methanogenese auszuführen. Biogeochemische Untersuchungen der oberen 12 m des 114 m langen Sedimentkerns zeigen, dass die Sedimente des Towutisees mit 2500 µM cm-3 extrem hohe Eisengehalte (20 Gew. %) aufweisen und damit das eisenreichste natürliche sedimentäre System sind, welches bisher erforscht wurde. Nach unserem bisherigen Verständnis über biogeochemische Stoffkreisläufe sollte, in Abwesenheit von Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat, organisches Material über den energetisch günstigsten verfügbaren Elektronenakzeptoren abgebaut werden – in dem Fall Eisen (III). Erstaunlicherweise jedoch, ist Methanogenese der dominante (> 85 %) Remineralisierungsprozess in den Sedimenten des Towutisees. Mikrobiell theoretisch verfügbares reaktives Eisen (III) hingegen bleibt stabil über die oberen 12 m des Sedimentkerns und damit über mehr als 60.000 Jahre. Produziertes Methan wird nicht anaerob oxidiert und diffundiert aus dem Sediment in die Wassersäule. Die Dominanz von Methanogenese in diesen eisenreichen Sedimenten impliziert, dass dieser Prozess im Präkambrium vermutlich eine viel bedeutendere Rolle in der Remineralisierung von organischem Material eingenommen hat, als bisher angenommen. Methan, als bedeutendes Treibhausgas, war demnach möglicherweise ein wichtiger Regulator des Klimas in der frühen Erdgeschichte. T2 - Biogeochemie eisenreicher Sedimente des Lake Towuti, Sulawesi, Indonesien KW - Geomicrobiology KW - Biogeochemistry KW - Organic matter mineralization KW - Early Earth KW - Contamination Control KW - Biogeochemie KW - Kontaminationskontrolle KW - Frühe Erdgeschichte KW - Geomikrobiologie KW - Mikrobieller Abbau von organischen Material Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475355 ER - TY - THES A1 - Milewski, Robert T1 - Potential of optical remote sensing for the analysis of salt pan environments N2 - Salt pans also termed playas are common landscape features of hydrologically closed basins in arid and semiarid zones, where evaporation significantly exceeds the local precipitation. The analysis and monitoring of salt pan environments is important for the evaluation of current and future impact of these landscape features. Locally, salt pans have importance for the ecosystem, wildlife and human health, and through dust emissions they influence the climate on regional and global scales. Increasing economic exploitation of these environments in the last years, e.g. by brine extraction for raw materials, as well as climate change severely affect the water, material and energy balance of these systems. Optical remote sensing has the potential to characterise salt pan environments and to increase the understanding of processes in playa basins, as well as to assess wider impacts and feedbacks that exist between climate forcing and human intervention in their regions. Remote sensing techniques can provide information for extensive regions on a high temporal basis compared to traditional field samples and ground observations. Specifically, for salt pans that are often challenging to study because of their large size, remote location, and limited accessibility due to missing infrastructure and ephemeral flooding. Furthermore, the availability of current and upcoming hyperspectral remote sensing data opened the opportunity for the analyses of the complex reflectance signatures that relate to the mineralogical mixtures found in the salt pan sediments. However, these new advances in sensor technology, as well as increased data availability currently have not been fully explored for the study of salt pan environments. The potential of new sensors needs to be assessed and state of the art methods need to be adapted and improved to provide reliable information for in depth analysis of processes and characterisation of the recent condition, as well as to support long-term monitoring and to evaluate environmental impacts of changing climate and anthropogenic activity. This thesis provides an assessment of the capabilities of optical remote sensing for the study of salt pan environments that combines the information of hyperspectral data with the increased temporal coverage of multispectral observations for a more complete understanding of spatial and temporal complexity of salt pan environments using the Omongwa salt pan located in the south-west Kalahari as a test site. In particular, hyperspectral data are used for unmixing of the mineralogical surface composition, spectral feature-based modelling for quantification of main crust components, as well as time-series based classification of multispectral data for the assessment of the long-term dynamic and the analysis of the seasonal process regime. The results show that the surface of the Omongwa pan can be categorized into three major crust types based on diagnostic absorption features and mineralogical ground truth data. The mineralogical crust types can be related to different zones of surface dynamic as well as pan morphology that influences brine flow during the pan inundation and desiccation cycles. Using current hyperspectral imagery, as well as simulated data of upcoming sensors, robust quantification of the gypsum component could be derived. For the test site the results further indicate that the crust dynamic is mainly driven by flooding events in the wet season, but it is also influenced by temperature and aeolian activity in the dry season. Overall, the scientific outcomes show that optical remote sensing can provide a wide range of information helpful for the study of salt pan environments. The thesis also highlights that remote sensing approaches are most relevant, when they are adapted to the specific site conditions and research scenario and that upcoming sensors will increase the potential for mineralogical, sedimentological and geomorphological analysis, and will improve the monitoring capabilities with increased data availability. N2 - Salzpfannen, auch Playas genannt, sind häufige Landschaftsformen endorheischer Becken in ariden und semi-ariden Zonen, in denen die Evaporation den lokalen Niederschlag deutlich übersteigt. Die Analyse und das Monitoring von Salzpfannen sind wichtig für die Bewertung des aktuellen und zukünftigen Wandels dieser Systeme. Salzpfannen haben große Bedeutung für das lokale Ökosystem, für die Gesundheit von Mensch und Tier, und durch ihre Staubemissionen können sie das Klima auf regionaler und globaler Ebene beeinflussen. Die zunehmende industrielle Nutzung dieser Räume in den letzten Jahren, z.B. durch Soleförderung zur Rohstoffgewinnung, sowie der Klimawandel haben erhebliche Auswirkungen auf ihre Wasser-, Stoff- und Energiebilanz. Die optische Fernerkundung bietet das Potenzial diese Landschaftsformen zu charakterisieren, Veränderungen zu erkennen und das Prozessverständnis zu fördern, sowie umfassende Auswirkungen und Rückkopplungen zwischen klimatischen und anthropogenen Einflüssen in diesen Regionen zu erkennen. Im Vergleich zu traditionellen Feldmethoden bietet der Einsatz von Fernerkundung eine Basis für großräumige und wiederholte Untersuchungen. Das gilt insbesondere für Salzpfannen, die aufgrund ihrer Größe, abgelegener Lage und durch begrenzte Zugänglichkeit, aufgrund fehlender Infrastruktur und episodischen Überschwemmungen, häufig schwer zu untersuchen sind. Darüber hinaus eröffnete die aktuelle und zukünftig gesteigerte Verfügbarkeit von hyperspektralen Fernerkundungsdaten die Möglichkeit zur detaillierten Analyse der Reflexionseigenschaften der komplexen Mineralogie und Sedimenteigenschaften von Salzpfannenoberflächen. Der Einsatz neuer Sensorik sowie die erhöhte Datenverfügbarkeit sind jedoch derzeit noch nicht ausreichend für die Untersuchung von Salzpfannen erforscht. Das Potenzial neuer Sensoren muss bewertet und die aktuelle Methodik angepasst und verbessert werden, um zuverlässige Informationen für die Charakterisierung und Analyse des aktuellen Zustands zu liefern, sowie eine langfristige Überwachung und Bewertung der Auswirkungen von Klimaveränderung und der anthropogenen Aktivität auf Salzpfannen und deren Regionen zu ermöglichen. Diese Arbeit bietet eine Bewertung des Potentials der optischen Fernerkundung für die Untersuchung von Salzpfannen. Der Fokus liegt insbesondere auf der kombinierten Nutzung der analytischer Stärke von hyperspektralen Daten mit der erhöhten zeitlichen Auflösung von multispektralen Beobachtungen, um ein gesteigertes Verständnis der räumlichen und zeitlichen Komplexität von Salzpfannen zu erreichen. Als Testgebiet hierfür dient die Omongwa Salzpfanne in der Süd-Westlichen Kalahari. Im Rahmen dieser Arbeit werden hyperspektrale Fernerkundungsdaten für die spektrale Entmischung der mineralogischen Oberflächenzusammensetzung und für die Quantifizierung mittels spektraler Parameter genutzt. Gleichzeitig ermöglicht die multitemporale Klassifikation von Multispektraldaten die Beurteilung der Langzeitdynamik und die Analyse des saisonalen Prozessgeschehens. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche der Omongwa-Salzpfanne in drei Hauptklassen, dominiert von verschiedenen Evaporitmineralen, eingeteilt werden kann, die aufgrund diagnostischen Absorptionsmerkmalen und durch die Analyse von in-situ Daten unterschieden werden können. Diese mineralogischen Hauptklassen korrelieren mit Zonen unterschiedlicher zeitlicher Dynamik, sowie mit dem morphologischen Aufbau der Salzpfanne, die die räumliche Verteilung von Oberflächenwasser während episodischer Flutungen und die Ausfällung von Salzen während der Trockenzeiten beeinflussen. Des Weiteren konnte auf Grundlage hyperspektralen Daten von aktuellen Sensoren, sowie anhand simulierten Daten von in Planung befindlicher Sensoren eine robuste Quantifizierung der Gipskomponente in den Oberflächensedimenten abgeleitet werden. Für das Untersuchungsgebiet deuten die Ergebnisse der Zeitreihenanalyse darauf hin, dass die Krustendynamik und Oberflächenmineralogie hauptsächlich durch die wiederkehrenden Überschwemmungsereignisse in der Regenzeit geprägt sind, aber auch durch die Temperatur und äolische Aktivität in der Trockenzeit beeinflusst wird. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die optische Fernerkundung großes Potenzial zur genaueren Erforschung von Salzpfannen bietet und detaillierte Informationen zu saisonalen und langzeitlichen Veränderungen liefern kann. Die Arbeit hebt auch hervor, dass der Einsatz von Fernerkundungsmethoden am erfolgreichsten ist, wenn sie an die lokalen Bedingungen und die Forschungsfrage angepasst werden. Der Ausblick zeigt, dass zukünftige Sensoren die Möglichkeiten für die Erforschung dieser Räume weiter erhöhen und ein systematisches Monitoring durch die größere Datenverfügbarkeit verbessert wird. T2 - Potential der Optischen Fernerkundung für die Analyse von Salzpfannen KW - Optische Fernerkundung KW - Hyperspektral KW - Salzpfanne KW - Playa KW - Sedimente KW - Optical remote sensing KW - Salt pan KW - Playa KW - sediments Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473732 ER - TY - THES A1 - Senftleben, Robin T1 - Earth's magnetic field over the last 1000 years N2 - To investigate the reliability and stability of spherical harmonic models based on archeo/-paleomagnetic data, 2000 Geomagnetic models were calculated. All models are based on the same data set but with randomized uncertainties. Comparison of these models to the geomagnetic field model gufm1 showed that large scale magnetic field structures up to spherical harmonic degree 4 are stable throughout all models. Through a ranking of all models by comparing the dipole coefficients to gufm1 more realistic uncertainty estimates were derived than the authors of the data provide. The derived uncertainty estimates were used in further modelling, which combines archeo/-paleomagnetic and historical data. The huge difference in data count, accuracy and coverage of these two very different data sources made it necessary to introduce a time dependent spatial damping, which was constructed to constrain the spatial complexity of the model. Finally 501 models were calculated by considering that each data point is a Gaussian random variable, whose mean is the original value and whose standard deviation is its uncertainty. The final model arhimag1k is calculated by taking the mean of the 501 sets of Gauss coefficients. arhimag1k fits different dependent and independent data sets well. It shows an early reverse flux patch at the core-mantle boundary between 1000 AD and 1200 AD at the location of the South Atlantic Anomaly today. Another interesting feature is a high latitude flux patch over Greenland between 1200 and 1400 AD. The dipole moment shows a constant behaviour between 1600 and 1840 AD. In the second part of the thesis 4 new paleointensities from 4 different flows of the island Fogo, which is part of Cape Verde, are presented. The data is fitted well by arhimag1k with the exception of the value at 1663 of 28.3 microtesla, which is approximately 10 microtesla lower than the model suggest. N2 - Um die Stabilität und Zuverlässigkeit von sphärisch harmonischen Erdmagnetfeldmodellen, die auf paleomagnetischen und archeomagnetischen Daten basieren zu untersuchen wurden 2000 Erdmagnetfeldmodelle berechnet. Jedes dieser Modelle berechnet sich aus Daten, die mit zufälligen Unsicherheiten in die Inversion eingehen. Ein Vergleich dieser Modelle zum historischen Erdmagnetfeldmodell gufm1 zeigt, dass großflächige magnetische Strukturen bis zum sphärischen harmonischen Grad 4 stabil in allen Modellen sind. Ein Ranking der 2000 Modelle wurde verwendet, um realistischere Fehlerabschätzungen der Daten zu bekommen, als die, die von den Autoren angebeben werden. Diese Fehlerabschätzungen werden für die weitere Modellierung benutzt, welche historische und paleo-/archeomagnetiche Daten kombiniert. Der große Unterschied in der Anzahl der Daten und der räumlichen Verteilung dieser sehr verschiedenen Datenquellen machte es notwendig, eine zeitabhängige räumliche Dämpfung einzuführen. Diese ist so konstruiert, dass die räumlich Komplexität des Modelles in einem bestimmten Zeitintervall festgelegt wird. 501 Modelle wurde berechnet, indem jeder Datenpunkt als gaußsche Zufallsvariable gesehen wird mit dem Originalwert als Mittelwert und die Fehlerabschätzung als Standardabweichung. Das finale Modell arhimag1k berechnet sich aus dem Mittelwert der Gaußkoeffizienten aller 501 Modelle. arhimag1k fittet verschiedene abhängige und unabhängige Datensätze gut. Es zeigt eine frühe Anomaly an der Kern-Mantel Grenze zwischen 1000 und 1200 AD an der Lokation, wo auch die heutige Südatlantische Anomaly liegt. Eine andere interessante Auffälligkeit ist eine starke radiale Magnetfeldkomponente an der Kern-Mantel Grenze zwischen 1200 und 1400 AD über Grönland. Das Dipolmoment zeigt ein konstantes Verhalten von 1600 bis 1840 AD. Im zweiten Teil der Arbeit werden 4 neue Paleointensitäten der Insel Fogo, welches Teil von Kap Verde ist, presentiert. Diese neuen Daten werden gut von dem Modell arhimag1k gefittet, außer der Wert von 1663 AD mit 28.3 mikrotesla , welcher etwa 10 mikrotesla niedriger ist, als das Modell zeigt. T2 - Erdmagnetfeld der letzten 1000 Jahre KW - Earth's magnetic field KW - archeomagnetism KW - paleomagnetism KW - modelling KW - spherical harmonics KW - Erdmagnetfeld KW - Archäomagnetismus KW - Paläomagnetismus KW - Modellierung KW - Kugelflächenfunktionen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473150 ER - TY - THES A1 - Borghini, Alessia T1 - Melt inclusions in mafic rocks as witnesses of metasomatism in the Bohemian Massif N2 - Orogenic peridotites represent portions of upper subcontinental mantle now incorporated in mountain belts. They often contain layers, lenses and irregular bodies of pyroxenite and eclogite. The origin of this heterogeneity and the nature of these layers is still debated but it is likely to involve processes such as transient melts coming from the crust or the mantle and segregating in magma conduits, crust-mantle interaction, upwelling of the asthenosphere and metasomatism. All these processes occur in the lithospheric mantle and are often related with the subduction of crustal rocks to mantle depths. In fact, during subduction, fluids and melts are released from the slab and can interact with the overlying mantle, making the study of deep melts in this environment crucial to understand mantle heterogeneity and crust-mantle interaction. The aim of this thesis is precisely to better constrain how such processes take place studying directly the melt trapped as primary inclusions in pyroxenites and eclogites. The Bohemian Massif, crystalline core of the Variscan belt, is targeted for these purposes because it contains orogenic peridotites with layers of pyroxenite and eclogite and other mafic rocks enclosed in felsic high pressure and ultra-high pressure crustal rocks. Within this Massif mafic rocks from two areas have been selected: the garnet clinopyroxenite in orogenic peridotite of the Granulitgebirge and the ultra-high pressure eclogite in the diamond-bearing gneisses of the Erzgebirge. In both areas primary melt inclusions were recognized in the garnet, ranging in size between 2-25 µm and with different degrees of crystallization, from glassy to polycrystalline. They have been investigated with Micro Raman spectroscopy and EDS mapping and the mineral assemblage is kumdykolite, phlogopite, quartz, kokchetavite, phase with a main Raman peak at 430 cm-1, phase with a main Raman peak at 412 cm-1, white mica and calcite with some variability in relative abundance depending on the case study. In the Granulitgebirge osumilite and pyroxene are also present, whereas calcite is one of the main phases in the Erzgebirge. The presence of glass and the mineral assemblage in the nanogranitoids suggest that they were former droplets of melt trapped in the garnet while it was growing. Glassy inclusions and re-homogenized nanogranitoids show a silicate melt that is granitic, hydrous, high in alkalis and weakly peraluminous. The melt is also enriched in both case studies in Cs, Pb, Rb, U, Th, Li and B suggesting the involvement of crustal component, i.e. white mica (main carrier of Cs, Pb, Rb, Li and B), and a fluid (Cs, Th and U) in the melt producing reaction. The whole rock in both cases mainly consists of garnet and clinopyroxene with, in Erzgebirge samples, the additional presence of quartz both in the matrix and as a polycrystalline inclusion in the garnet. The latter is interpreted as a quartz pseudomorph after coesite and occurs in the same microstructural position as the melt inclusions. Both rock types show a crustal and subduction zone signature with garnet and clinopyroxene in equilibrium. Melt was likely present during the metamorphic peak of the rock, as it occurs in garnet. Our data suggest that the processes most likely responsible for the formation of the investigated rocks in both areas is a metasomatic reaction between a melt produced in the crust and mafic layers formerly located in the mantle wedge for the Granulitgebirge and in the subducted continental crust itself in the Erzgebirge. Thus metasomatism in the first case took place in the mantle overlying the slab, whereas in the second case metasomatism took place in the continental crust that already contained, before subduction, mafic layers. Moreover, the presence of former coesite in the same microstructural position of the melt inclusions in the Erzgebirge garnets suggest that metasomatism took place at ultra-high pressure conditions. Summarizing, in this thesis we provide new insights into the geodynamic evolution of the Bohemian Massif based on the study of melt inclusions in garnet in two different mafic rock types, combining the direct microstructural and geochemical investigation of the inclusions with the whole-rock and mineral geochemistry. We report for the first time data, directly extracted from natural rocks, on the metasomatic melt responsible for the metasomatism of several areas of the Bohemian Massif. Besides the two locations here investigated, belonging to the Saxothuringian Zone, a signature similar to the investigated melt is clearly visible in pyroxenite and peridotite of the T-7 borehole (again Saxothuringian Zone) and the durbachite suite located in the Moldanubian Zone. N2 - Die Präsenz orogener Peridotite - metamorphosierte Bestanteile des Mantels -, die in Gebirgen auftreten, belegt, dass der Erdmantel an Kontinent-Kontinent-Kollisionen beteiligt sein kann. Solche orogenen Peridotite sind häufig heterogen, da sie Pyroxenit- und Eklogitlagen und Linsen enthalten, d.h. Hochdruckgesteine, die aus Granat und Klinopyroxen bestehen. Die meisten Prozesse, die für diese Heterogenität verantwortlich sind, involvieren Schmelzen, die durch den Mantel migrieren und dabei zu dessen Metasomatose oder zu der Anreicherung von Granat und Klinopyroxen in Adern und Kanälen führen. Ein weiterer Prozess kann auch das Recyceln subduzierter ozeanischer Kruste im Erdmantel sein. Im Allgemeinen finden all diese Prozesse während der Subduktion der Kruste in Manteltiefe statt. Unter diesen Bedingungen stehen die Krustengesteine im direkten Kontakt mit den Mantelgesteinen und die dabei freigesetzten Fluide oder Schmelzen können mit den Peridotiten wechselwirken. Letztere können anschließend von den Krustengesteinen aufgenommen und zur Erdoberfläche exhumiert werden, wo sie untersucht werden können. Diese Arbeit fokussiert sich vor allem auf die Untersuchung der Pyroxenit- und Eklogitbildung sowie auf die Wechselwirkung zwischen Schmelze und Gestein während der Subduktion der Kontinentalkruste in Manteltiefe. Dafür ist das Böhmische Massiv die ideale geologische Umgebung, da es erhebliche Mengen an Pyroxeniten und Eklogiten enthält, die sich in einigen Fällen in orogenen Peridotiten befinden, und die alle in einer ehemals tief subduziertern kontinentalern Kruste eingegliedert wurden. Um die Zielstellung zu erreichen, wurde die Schmelze mit einem neuartigen Ansatz untersucht, wobei diese hier direkt in primären Schmelzeinschlüssen, die im Granat eingeschlossenen sind, untersucht wird. Es wurden zwei Gebiete mit Pyroxeniten und Eklogiten, die Schmelzeinschlüsse enthalten, ausgewählt, ein Pyroxenit aus dem Granulitgebirge und ein Ultrahochdruck-Eklogit aus dem Erzgebirge (Sachsen, Deutschland). Die Einschlüsse bestehen aus einer granitischen, wasserhaltigen Schmelze krustaler Herkunft. Das Auftreten der im Granat unregelmäßig verteilten Einschlüsse bestätigt das Vorhandensein von Schmelze während der Peakmetamorphose. Da die Schmelzen in beiden Fällen ähnlich sind, schlussfolgern wir daraus, dass beide Gesteinsarten durch metasomatische Prozesse infolge der Wechselwirkung von silikatreicher Schmelze und mafischen Lagen gebildete wurden. Im Granulitgebirge ging die Schmelze eine Wechselwirkung mit mafischen Lagen im Mantel ein und erst später wurde der Wirtsperidotit einschließlich der neugebildeten Pyroxenit- und Eklogitlagen in die subduzierte Kruste eingebaut. Im Fall der Pyroxenite und Eklogite des Erzgebirges fand die Metasomatose stattdessen in der kontinentalen Kruste statt. Hier ging die Schmelze eine Wechselwirkung mit mafischen Lagen ein, die sich bereits vor der Subduktion in der Kruste befunden hatten. Im letzteren Fall belegt der Hinweis auf ehemaligen Coesit , d. h. auf ein Mineral, das Tiefen >95 km anzeigt, welches anwesend war während der Metasomatose, dass die Prozesse in größeren Tiefen stattfanden als im Granulitgebirge. T2 - Schmelzeinschlüsse in mafischen Gesteinen als Zeugen von Metasomatose im Böhmischen Massiv KW - Petrology KW - Petrologie KW - Metamorphism KW - Melt inclusions KW - Metasomatism KW - Metamorphose KW - Schmelzeinschlüsse KW - Metasomatose Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473639 ER - TY - THES A1 - Zeckra, Martin T1 - Seismological and seismotectonic analysis of the northwestern Argentine Central Andean foreland N2 - After a severe M W 5.7 earthquake on October 17, 2015 in El Galpón in the province of Salta NW Argentina, I installed a local seismological network around the estimated epicenter. The network covered an area characterized by inherited Cretaceous normal faults and neotectonic faults with unknown recurrence intervals, some of which may have been reactivated normal faults. The 13 three-component seismic stations recorded data continuously for 15 months. The 2015 earthquake took place in the Santa Bárbara System of the Andean foreland, at about 17km depth. This region is the easternmost morphostructural region of the central Andes. As a part of the broken foreland, it is bounded to the north by the Subandes fold-and-thrust belt and the Sierras Pampeanas to the south; to the east lies the Chaco-Paraná basin. A multi-stage morphotectonic evolution with thick-skinned basement uplift and coeval thin-skinned deformation in the intermontane basins is suggested for the study area. The release of stresses associated with the foreland deformation can result in strong earthquakes, as the study area is known for recurrent and historical, destructive earthquakes. The available continuous record reaches back in time, when the strongest event in 1692 (magnitude 7 or intensity IX) destroyed the city of Esteco. Destructive earthquakes and surface deformation are thus a hallmark of this part of the Andean foreland. With state-of-the-art Python packages (e.g. pyrocko, ObsPy), a semi-automatic approach is followed to analyze the collected continuous data of the seismological network. The resulting 1435 hypocenter locations consist of three different groups: 1.) local crustal earthquakes (nearly half of the events belong to this group), 2.) interplate activity, of regional distance in the slab of the Nazca-plate, and 3.) very deep earthquakes at about 600km depth. My major interest focused on the first event class. Those crustal events are partly aftershock events of the El Galpón earthquake and a second earthquake, in the south of the same fault. Further events can be considered as background seismicity of other faults within the study area. Strikingly, the seismogenic zone encompass the whole crust and propagates brittle deformation down, close to the Moho. From the collected seismological data, a local seismic velocity model is estimated, using VELEST. After the execution of various stability tests, the robust minimum 1D-velocity model implies guiding values for the composition of the local, subsurface structure of the crust. Afterwards, performing a hypocenter relocation enables the assignment of individual earthquakes to aftershock clusters or extended seismotectonic structures. This allows the mapping of previously unknown seismogenic faults. Finally, focal mechanisms are modeled for events with acurately located hypocenters, using the newly derived local velocity model. A compressive regime is attested by the majority of focal mechanisms, while the strike direction of the individual seismogenic structures is in agreement with the overall north – south orientation of the Central Andes, its mountain front, and individual mountain ranges in the southern Santa-Bárbara-System. N2 - Nach einem schweren Erdbeben der Magnitude M W 5.7 am 17. Oktober 2015 in El Galpón, in der Provinz Salta im Nordwesten Argentiniens, habe ich ein lokales seismologisches Netzwerk, um das vermutete Epizentrum herum, aufgebaut. Dabei haben 13 Stationen kontinuierlich für 15 Monate gemessen. Das Netzwerk wurde in einem Gebiet installiert, welches durch tektonische Störungen charakterisiert ist, die entweder in der Kreidezeit zunächst als Abschiebungen initiiert und später als Aufschiebungen reaktiviert wurden oder in der geologischen jüngeren Vergangenheit erst entstanden sind. Die Intervallzeiten zwischen zwei Erdbeben sind dabei häufig unbekannt. Das Erdbeben von 2015 trat im Santa-Barbara-System im Argentinischen Vorland, 17 km unter der Erdoberfläche auf. Diese Region ist die östlichste strukturgeologische Provinz der Zentralanden und dem broken-foreland-Typus zuzuordnen. Im Norden schließt sich der Bolivianische Faltengürtel (Sierras Subandinas) und im Süden die Sierras Pampeanas an; im Osten liegt das Chaco-Paraná Becken. Eine mehrstufige morphotektonische Entwicklung wird hier vermutet, bei der das Grundgebirge durch als thick-skinned bezeichnete Deformation herausgehoben wurde und die dazwischen liegenden Intermontanbecken gleichzeitig Deformation des Typs thin-skinned erfahren haben. Die plötzliche Spannungsfreisetzung, die mit dieser Vorlanddeformation einhergeht, kann zu starken Erdbeben führen. Das Untersuchungsgebiet ist für wiederkehrende und historische, zerstörerische Erdbeben bekannt. Der zur Verfügung stehenden Aufzeichnungen reichen bis in das Jahr 1692 zurück, als ein Erdbeben der Magnitude M 7 (oder Intensität IX) die Stadt Esteco zerstörte. Daher sind zerstörerische Erdbeben ein besonderes Kennzeichen in diesem Teil des Andenvorlands. Für die Analyse der im seismologischen Netzwerk aufgezeichneten kontinuierlichen Daten wurde ein semiautomatischer Ansatz verfolgt, der mittels hochmoderner Python-Bibliotheken informationstechnisch umgesetzt wurde. Die resultierenden 1435 Erdbeben bestehen aus drei verschiedenen Gruppen: 1.) lokale Erdbeben in der Erdkruste (die etwa die Hälfte aller Events ausmachen), 2.) weiter entfernte Interplattenaktivität, die durch die Subduktion der Nazca-Platte unter den Südamerikanischen Kontinent hervorgerufen wird und 3.) sehr tiefen Erdbeben in etwa 600 km Tiefe. Mein Hauptaugenmerk lag dabei auf der ersten Gruppe. Diese krustalen Ereignisse sind teilweise Nachbeben des El Galpón Erdbebens und eines weiteren Bebens, welches sich weiter im Süden an der gleichen Störung ereignete. Die restlichen Beben können der allgemeinen Hintergrundaktivität entlang weiterer Störungen im Untersuchungsgebiet zugeschrieben werden. Beachtenswert ist dabei der Umstand, dass die Erdbebenaktivität in der gesamten Kruste beobachtet werden kann und sich dadurch die Deformation bis a fast an den Erdmantel ausbreitet. Mit den gesammelten Daten kann, unter der Verwendung der VELEST Software, ein lokales seismisches Geschwindigkeitsmodell bestimmt werden. Nach der Durchführung verschiedener Stabilitätstests, können aus dem robusten eindimensionalen Modell Richtwerte für die Zusammensetzung und den Aufbau der Erdkruste gewonnen werden. Dieanschließende Relokalisierung von Erdbebenherden erlaubt die Zuordnung einzelner Erdbeben zu Erdbebenclustern oder ausgedehnten seismotektonischen Strukturen. Dadurch können sogar zuvor unbekannte seismogene Störungen kartiert werden. Schlussendlich, werden Herdflächenlösungen für Beben mit präzise lokalisierten Erdbebenherden und unter der Einbeziehung des neu bestimmten lokalen Geschwindigkeitsmodells modelliert. Der Großteil der resultierenden Lösungen bestätigt das vorherrschende kompressive Regime. Das Streichen der einzelnen seismogenen Strukturen stimmt größtenteils mit der allgemeinen Nord – Süd Ausrichtugn der Zentralanden, ihrer Gebirgsfront und den einzelnen Höhenzügen im Santa-Barbará-System überein. T2 - Seismologische und Seismotektonische Analyse des Vorlandsystems der nordwestargentinischen Zentralanden KW - Seismology KW - Seismotektonik KW - Geophysics KW - Andes KW - Geosciences KW - Argentina KW - Anden KW - Seismologie KW - Geophysik KW - Geowissenschaften KW - Argentinien Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473240 ER - TY - THES A1 - Nardini, Livia T1 - Influence of heterogeneities on the initiation of shear zones in the ductile regime N2 - The current thesis contains the results from two experimental and one modelling study focused on the topic of ductile strain localization in the presence of material heterogeneities. Localization of strain in the high temperature regime is a well known feature of rock deformation occurring in nature at different scales and in a variety of lithologies. Large scale shear zones at the roots of major crustal fault zones are considered responsible for the activity of plate tectonics on our planet. A large number of mechanisms are suggested to be associated with strain softening and nucleation of localization. Among these, the presence of material heterogeneities within homogeneous host rocks is frequently observed in field examples to trigger shear zone development. Despite a number of studies conducted on the topic, the mechanisms controlling initiation and evolution of localization are not fully understood yet. We investigated, experimentally and by means of numerical modelling, phenomenological and microphysical aspects of high temperature strain localization in a homogeneous body containing single and paired inclusions of weaker material. A monomineralic carbonate system composed of Carrara marble (homogeneous, strong matrix) and Solnhofen limestone (weak planar inclusions) is selected for our studies based on its versatility as an experimental material and on the frequent occurrence of carbonate rocks at the core of natural shear zones. To explore the influence of different loading conditions on heterogeneity-induced high temperature shear zones we conducted torsion experiments under constant twist (deformation) rate and constant torque (stress) conditions in a Paterson-type deformation apparatus on hollow cylinders of marble containing single planar inclusions of limestone. At the imposed experimental conditions (900 ◦C temperature and 400 MPa confining pressure) both materials deform plastically and the marble is ≈ 9 times stronger than the limestone. The viscosity contrast between the two materials induces a perturbation of the stress field within the marble matrix at the tip of the planar inclusion. Early on along the deformation path (at bulk shear strains ≈ 0.3), heterogeneous distribution of strain can be observed under both loading conditions and a small area of incipient strain localization is formed at the tip of the weak limestone inclusion. Strongly deformed grains, incipient dynamic recrystallization and a weak crystallographic preferred orientation characterize the marble within an area a few mm in front of the inclusion. As the bulk strain is increased (up to γ ≈ 1), the area of microstructural modification is expanded along the inclusion plane, the texture strengthens and grain size refinement by dynamic recrystallization becomes pervasive. Locally, evidences for coexisting brittle deformation are also observed regardless of the imposed loading conditions. A shear zone is effectively formed within the deforming Carrara marble, its geometry controlled by the plane containing the thin plate of limestone. Thorough microstructural and textural analysis, however, do not reveal substantial differences in the mechanisms or magnitude of strain localization at the different loading conditions. We conclude that, in the presence of material heterogeneities capable of inducing strain softening, the imposed loading conditions do not affect ductile localization in its nucleating and transient stages. As the ultimate goal of experimental rock deformation is the extrapolation of results to geologically relevant time and space scales, we developed 2D numerical models reproducing (and benchmarked to) our experimental results. Our cm-scaled models have been implemented with a first-order strain-dependent softening law to reproduce the effect of rheological weakening in the deforming material. We successfully reproduced the local stress concentration at the inclusion tips and the strain localization initiated in the marble matrix. The heterogeneous distribution of strain and its evolution with imposed bulk deformation (i.e. the shape and extent of the nucleating shear zone) are observed to depend on the degree of softening imposed to the deforming matrix. When a second (artificial) softening step is introduced at elevated bulk strains in the model, the formation of a secondary high strain layer is observed at the core of the initial shear zone, analogous to the development of ultramylonite bands in high strain natural shear zones. Our results do not only reproduce the nucleation and transient evolution of a heterogeneity-induced high temperature shear zone with high accuracy, but also confirm the importance of introducing reliable softening laws capable of mimicking strain weakening to numerical models of crustal scale ductile processes. Material heterogeneities inducing strain localization in the field are often consisting of brittle precursors (joints and fractures). More generally, the interaction of brittle and ductile deformation mechanisms and its effect on the localization of strain have been a key topic in the structural geology community for a long time. The positive feedback between (micro)fracturing and ductile strain localization is a well recognized effect in a number of field examples. We experimentally investigated the influence of brittle deformation on the initiation and evolution of high temperature shear zones in a strong matrix containing pairs of weak material heterogeneities. Our Carrara marble-Solnhofen limestone inclusions system was tested in triaxial compression under constant strain rate and high temperature (900 ◦C) conditions in a Paterson deformation apparatus. The inclusion pairs were arranged in non-overlapping step-over geometries of either compressional or extensional nature. Experimental runs were conducted at different confining pressures (30, 50, 100 and 300 MPa) to induce various amounts of brittle deformation within the marble matrix. At low confinement (30 and 50 MPa) abundant brittle deformation is observed in all configurations, but the spatial distribution of cracks is dependent on the kinematics of the step-over region: concentrated along the shearing plane between the inclusions in the extensional samples, or broadly distributed around the inclusions but outside the step-over region in the compressional configuration. Accordingly, brittle-assisted ductile processes tend to localize deformation along the inclusions plane in the extensional geometry or to distribute widely across large areas of the matrix in the compressional step-over. At pressures of 100 and 300 MPa fracturing is mostly suppressed in both configurations and strain is accommodated almost entirely by viscous creep. In extensional samples this leads to progressive de-localization with increasing confinement. Our results show that, while ductile localization of strain is indeed more efficient where assisted by brittle processes, these latter are only effective if themselves heterogeneously distributed, ultimately a function of the local stress perturbations. N2 - Die vorliegende Doktorarbeit umfasst Ergebnisse von zwei experimentellen und einer Modellierungsstudie. Diese befassen sich mit der Lokalisierung von duktilen Verformungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Materialeigenschaften. Die Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in unterschiedlichen Maßstäben und in einer Vielzahl von Lithologien ist ein bekanntes Merkmal der natürlichen Gesteinsdeformationen. So wird beispielsweise die Aktivität der Plattentektonik unseres Planeten durch weiträumige Scherzonen am Grund dieser Plattengrenzen verantwortlich gemacht. Dabei wird eine große Anzahl von Mechanismen mit der durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung und der Ausbildung der Lokalisierung in Verbindung gebracht. Dabei wird unter diesen Mechanismen das Vorhandensein von Materialheterogenitäten innerhalb eines Gesteins häufig als Auslöser für die Ausbildung von Scherzonen beobachtet. Obwohl bereits Studien zu diesem Thema durchgeführt wurden, sind die kontrollierenden Mechanismen, die für die Initiierung und Entwicklung der Lokalisierung zuständig sind, bis heute nicht vollumfänglich verstanden. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der vorgelegten Dissertation phänomenologische und mikrophysikalische Aspekte der Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in einem homogenen Gesteinskörper, der mit einfachen und gepaarten Inklusionen aus weicheren Material versehen wurde, experimentell und unter Hilfenahme von numerischen Modellen untersucht. Da Karbonatgesteine häufig am Ursprung natürlicher Scherzonen auftreten und diese für ihre Vielseitigkeit als Experimentiermaterial bekannt sind, wurde ein monomineralisches Karbonatsystem, bestehend aus Carrara Marmor (homogene, starke Matrix) und Solnhofen Kalkstein (schwache Inklusionen) als zu untersuchendes Probenmaterial für diese Studie gewählt. Um den Einfluss unterschiedlicher Deformationsbedingungen auf die, durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzonen im Hochtemperaturbereich zu untersuchen, wurden Torsionsexperimente bei konstanter Torsionsrate und konstantem Drehmoment in einer Paterson-Deformationsapparatur an hohlen Carrara Marmorzylindern mit einer ebenen Inklusion bestehend aus Kalkstein durchgeführt. Unter den vorgegebenen Randbedingungen (Temperatur = 900 ◦C, Manteldruck = 400 MPa) verformten sich beide Materialien plastisch, wobei die Festigkeit des Marmors in etwa dem neunfachen der Kalksteinfestigkeit entspricht. An der Spitze der ebenen Kalksteininklusion wird durch den Viskositätskontrast der beiden Materialien dadurch eine Störung des Spannungsfeldes in der Marmormatrix hervorgerufen. In der frühen Phase der Deformation (Scherverformung γ ≈ 0.3) kann eine heterogene Verteilung der Verformungen in der gesamten Probe bei beiden Experimenttypen beobachtet werden. Zusätzlich beginnt sich an der Spitze der schwächeren Kalksteininklusion ein Bereich mit lokaler Verformung in der Marmormatrix auszubilden. Dieser ist durch stark deformierte Mineralkörner, beginnende dynamische Rekristallisation und einer schwach ausgeprägten kristallographisch bevorzugten Ausrichtung innerhalb einer Fläche weniger Millimeter charakterisiert. Mit ansteigender Gesamtverformung (γ ≈ 1) erweitert sich die Fläche der mikrostrukturellen Modifikationen entlang der Inklusionsebene. Zusätzlich konnten eine verfestigte Textur und eine Verfeinerung der Korngröße aufgrund dynamischer Rekristallisation beobachtet werden. Lokale Anzeichen für eine gleichzeitige spröde Verformung konnten, unabhängig von den Deformationsbedingungen, ebenfalls festgestellt werden. Innerhalb des deformierten Marmors bildete sich eine Scherzone aus, deren Geometrie maßgeblich durch die Ebene der Kalksteininklusion kontrolliert wird. Sorgfältig durchgeführte mikrostrukturelle Analysen zeigten jedoch keine wesentlichen Unterschiede der Mechanismen oder dem Ausmaß der Lokalisierung der Verformung bei unterschiedlichen Deformationsbedingungen. Daraus lässt sich schließen, dass bei dem Vorhandensein von Materialheterogenitäten, welche eine verformungsbedingte Materialermüdung hervorrufen können, die verwendeten Deformationsbedingungen keinen Einfluss auf die Lokalisierung duktiler Deformation in ihrer Entstehung und übergangsphasen haben. Da für gewöhnlich die Durchführung von Deformationsexperimenten auf die Extrapolation der gewonnenen Ergebnisse auf geologische Zeiträume abzielt, wurden zwei- dimensionale numerische Modelle entwickelt, welche in der Lage sind die aufgenommenen experimentellen Daten zu reproduzieren und zu bewerten. Diese, auf dem Zentimetermaßstab skalierten Modelle wurden mit einem verformungsbasierten Ermüdungsgesetz erster Ordnung umgesetzt, um den Effekt der rheologischen Materialermüdung nachzubilden. Die lokale Spannungskonzentration an der Spitze der Inklusionen und die in der Marmormatrix initiierten Lokalisierung der Verformung konnten mit diesen Modellen erfolgreich reproduziert werden. Dabei wurde festgestellt, dass die heterogene Verteilung der Verformung und deren Entwicklung mit zunehmender Gesamtverformung (z.B. Form und Umfang der sich ausbildenden Scherzone) abhängig vom Grad der Ermüdung der deformierten Matrix ist. Analog zu der Entwicklung von Ultramylonitbändern in natürlichen Scherzonen mit hoher Verformung, konnte bei der Einführung eines zweites (künstlichen) Ermüdungsschritts bei erhöhter Gesamtverformung, die Ausbildung einer zweiten Schicht mit großer Verformung am Kern der initialen Scherzone beobachtet werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen der numerischen Simulationen wurde nicht nur die Ausbildung und transiente Entwicklung, der durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzone im Hochtemperaturbereich mit großer Genauigkeit reproduziert. Auch wurde die Wichtigkeit verlässliche Ermüdungsgesetze aufzustellen, die in der Lage sind die durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung im geologischen Maßstab unter Hinzunahme von numerischen Modellen nachzuahmen, bestätigt. Die durch Materialheterogenitäten hervorgerufene Lokalisierung von Verformungen in der Natur bestehen häufig aus spröden Vorläufern, wie beispielsweise Klüften und Rissen. Die Interaktion von spröden und duktilen Deformationsmechanismen im Allgemeinen und ihr Effekt auf die Lokalisierung von Verformungen sind seit langem Schlüsselthema auf dem Gebiet der Strukturgeologie. Die Kopplung von spröden Bruchprozessen mit der Lokalisierung duktiler Verformungen ist oft Gegenstand der Untersuchung in einer Vielzahl von Feldstudien. Daher wurde experimentell der Einfluss von spröder Deformation auf die Initiierung und Entwicklung von Hochtemperatur Scherzonen in einer starken Matrix mit schwächeren Materialheterogenitäten untersucht. Dafür wurden Carrara Marmor-Solnhofen Kalksteininklusions-Systeme unter triaxialen Bedingungen bei konstanter axialer Verformungsrate und hoher Temperatur (T = 900 ◦C) in einer PatersonApparatur deformiert. Dabei wurden die Inklusionen in einer übereinander liegenden, aber nicht überlappenden Geometrie so angeordnet, dass sich bei axialer Probendeformation entweder Kompression oder Dehnung in der Fläche zwischen den Inklusionen einstellt. Die Versuche wurden bei verschiedenen Manteldrücken (P = 30, 50, 100 und 300 MPa) durchgeführt, um unterschiedliche Beträge an spröder Deformation in der Marmormatrix hervorzurufen. Bei geringen Manteldrücken (P = 30 und 50 MPa) kann ein hoher Anteil an spröder Deformation in allen Probenkonfigurationen beobachtet werden. Allerdings ist die räumliche Verteilung der Risse abhängig von der Kinematik der sich übereinanderliegenden Inklusionen. Bei der Dehnungskonfiguration sind die Risse entlang der Scherfläche zwischen den Inklusionen konzentriert, während sie bei der Kompressionskonfiguration außer halb der Inklusionen weit verteilt sind. Dementsprechend neigen duktile, durch spröde unterstützte Prozesse Deformationen entlang der Inklusionsebene bei Dehnung zu lokalisieren oder sich über weite Fläche der Matrix bei Kompression zu verteilen. Bei Manteldrücken von 100 und 300 MPa ist die Risserzeugung in beiden Konfigurationen weitestgehend unterdrückt und die Verformung wird fast ausschließlich durch viskoses Kriechen akkommodiert. Mit ansteigendem Manteldruck führt das bei Proben der Dehnungskonfiguration zu fortschreitender De-Lokalisierung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lokalisierung von duktilen Verformungen effizienter ist, wenn diese durch spröde Bruchprozesse assistiert werden. Allerdings sind diese spröden Prozesse nur dann effektiv, wenn sie heterogen verteilt sind, was letztendlich eine Funktion der lokalen Spannungsstörungen ist. KW - localized deformation KW - shear zones KW - Carrara marble KW - high temperature rock deformation KW - brittle precursors KW - Carrara-marmor KW - Spröde Vorläufer KW - Hochtemperatur Gesteinsdeformtion KW - Lokalisierte Deformation KW - Scherzonen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446165 ER - TY - THES A1 - Ramezani Ziarani, Maryam T1 - Characterization of atmospheric processes related to hydro-meteorological extreme events over the south-central Andes N2 - The significant environmental and socioeconomic consequences of hydrometeorological extreme events, such as extreme rainfall, are constituted as a most important motivation for analyzing these events in the south-central Andes of NW Argentina. The steep topographic and climatic gradients and their interactions frequently lead to the formation of deep convective storms and consequently trigger extreme rainfall generation. In this dissertation, I focus on identifying the dominant climatic variables and atmospheric conditions and their spatiotemporal variability leading to deep convection and extreme rainfall in the south-central Andes. This dissertation first examines the significant contribution of temperature on atmospheric humidity (dew-point temperature, Td) and on convection (convective available potential energy, CAPE) for deep convective storms and hence, extreme rainfall along the topographic and climatic gradients. It was found that both climatic variables play an important role in extreme rainfall generation. However, their contributions differ depending on topographic and climatic sub-regions, as well as rainfall percentiles. Second, this dissertation explores if (near real-time) the measurements conducted by the Global Navigation Satellite System (GNSS) on integrated water vapor (IWV) provide reliable data for explaining atmospheric humidity. I argue that GNSS-IWV, in conjunction with other atmospheric stability parameters such as CAPE, is able to decipher the extreme rainfall in the eastern central Andes. In my work, I rely on a multivariable regression analysis described by a theoretical relationship and fitting function analysis. Third, this dissertation identifies the local impact of convection on extreme rainfall in the eastern Andes. Relying on a Principal Component Analysis (PCA) it was found that during the existence of moist and warm air, extreme rainfall is observed more often during local night hours. The analysis includes the mechanisms for this observation. Exploring the atmospheric conditions and climatic variables leading to extreme rainfall is one of the main findings of this dissertation. The conditions and variables are a prerequisite for understanding the dynamics of extreme rainfall and predicting these events in the eastern Andes. N2 - Die entscheidenden ökologischen und sozioökonomischen Folgen hydrometeorologischer Extremereignisse, wie z.B. extremer Niederschläge, stellen eine wichtige Motivation für die Analyse dieser Ereignisse in den südlich-zentralen Anden von NW Argentinien dar. Die steilen topographischen und klimatischen Gradienten und deren Wechselwirkungen führen häufig zu einer starken konvektiven Regenfallbildung und sind häufig auch die Auslöser von Starkniederschlägen. In dieser Dissertation konzentriere ich mich auf die Identifizierung der dominanten klimatischen Variablen und atmosphärischen Rahmenbedingungen und ihrer räumlich-zeitliche Variabilität, die zu starker Konvektion und extremen Niederschlägen in den südlich-zentralen Anden führt. Diese Dissertation untersucht zunächst den wichtigen Beitrag der Temperatur zur Luftfeuchtigkeit(Taupunkttemperatur, Td) und zur Konvektion (konvektive verfügbare potenzielle Energie, CAPE) für starke, konvektive Stürme und damit extreme Niederschläge entlang der topographischen und klimatischen Gradienten. Es wurde festgestellt, dass beide klimatischen Variablen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung extremer Niederschläge spielen. Ihr Beitrag hängt jedoch von den topographischen und klimatischen Teilregionen sowie den Niederschlagsperzentilen ab. Zweitens, auf der Grundlage einer multivariablen Regressionsanalyse, die durch eine theoretische Beziehungs- und Anpassungsfunktionsanalyse beschrieben wird, untersucht diese Arbeit, ob integrierter Wasserdampf (IWV) auf der Grundlage von GNSS (Global Navigation Satellite System) Messungen zuverlässige Daten sind, um die Luftfeuchtigkeit zu erklären. Das GNSS-IWV in Verbindung mit anderen atmosphärischen Stabilitätsparametern wie z.B. CAPE ist in der Lage, die extremen Niederschläge in den östlichen zentralen Anden zu entschlüsseln. Drittens, diese Dissertation identifiziert die lokalen Auswirkungen der Konvektion auf extreme Niederschläge in den östlichen Anden. Auf der Grundlage einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde festgestellt, dass die extremen Niederschläge häufiger während der lokalen Nachtstunden beobachtet werden, wenn feuchte und warme Luft vorhanden ist. Die Erforschung der atmosphärischen Rahmenbedingungen und klimatischen Variablen, die zu extremen Niederschlägen führen, ist eines der wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit. Sie ist Voraussetzung für das Verständnis der Dynamik von extremen Niederschlägen und wichtig für die Vorhersage dieser Ereignisse in den östlichen Anden. T2 - Charakterisierung der atmosphärischen Prozesse im Zusammenhang mit hydro-meteorologischen Extremereignissen über den süd-zentralen Anden KW - eastern south–central Andes KW - extreme rainfall KW - deep convection KW - östlich-südzentrale Anden KW - Extremniederschläge KW - starker Konvektion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471755 ER - TY - THES A1 - Pick, Leonie Johanna Lisa T1 - The centennial evolution of geomagnetic activity and its driving mechanisms N2 - This cumulative thesis is concerned with the evolution of geomagnetic activity since the beginning of the 20th century, that is, the time-dependent response of the geomagnetic field to solar forcing. The focus lies on the description of the magnetospheric response field at ground level, which is particularly sensitive to the ring current system, and an interpretation of its variability in terms of the solar wind driving. Thereby, this work contributes to a comprehensive understanding of long-term solar-terrestrial interactions. The common basis of the presented publications is formed by a reanalysis of vector magnetic field measurements from geomagnetic observatories located at low and middle geomagnetic latitudes. In the first two studies, new ring current targeting geomagnetic activity indices are derived, the Annual and Hourly Magnetospheric Currents indices (A/HMC). Compared to existing indices (e.g., the Dst index), they do not only extend the covered period by at least three solar cycles but also constitute a qualitative improvement concerning the absolute index level and the ~11-year solar cycle variability. The analysis of A/HMC shows that (a) the annual geomagnetic activity experiences an interval-dependent trend with an overall linear decline during 1900–2010 of ~5 % (b) the average trend-free activity level amounts to ~28 nT (c) the solar cycle related variability shows amplitudes of ~15–45 nT (d) the activity level for geomagnetically quiet conditions (Kp<2) lies slightly below 20 nT. The plausibility of the last three points is ensured by comparison to independent estimations either based on magnetic field measurements from LEO satellite missions (since the 1990s) or the modeling of geomagnetic activity from solar wind input (since the 1960s). An independent validation of the longterm trend is problematic mainly because the sensitivity of the locally measured geomagnetic activity depends on geomagnetic latitude. Consequently, A/HMC is neither directly comparable to global geomagnetic activity indices (e.g., the aa index) nor to the partly reconstructed open solar magnetic flux, which requires a homogeneous response of the ground-based measurements to the interplanetary magnetic field and the solar wind speed. The last study combines a consistent, HMC-based identification of geomagnetic storms from 1930–2015 with an analysis of the corresponding spatial (magnetic local time-dependent) disturbance patterns. Amongst others, the disturbances at dawn and dusk, particularly their evolution during the storm recovery phases, are shown to be indicative of the solar wind driving structure (Interplanetary Coronal Mass Ejections vs. Stream or Co-rotating Interaction Regions), which enables a backward-prediction of the storm driver classes. The results indicate that ICME-driven geomagnetic storms have decreased since 1930 which is consistent with the concurrent decrease of HMC. Out of the collection of compiled follow-up studies the inclusion of measurements from high-latitude geomagnetic observatories into the third study’s framework seems most promising at this point. N2 - Diese kumulative Arbeit behandelt die Entwicklung der geomagnetischen Aktivität seit Beginn des 20. Jahrhunderts, also die zeitabhängige Antwort des Erdmagnetfeldes auf das Einwirken der Sonne. Der Fokus liegt auf einer Beschreibung des in der Magnetosphäre begründeten, magnetischen Störfeldes auf der Erdoberfläche. Die Variabilität dieses Störfeldes reagiert besonders sensibel auf das Ringstromsystem und wird hinsichtlich des Sonnenantriebs interpretiert. Damit trägt diese Arbeit dazu bei, die langfristige solar-terrestrische Interaktion umfassend zu verstehen. Die gemeinsame Basis der vorgestellen Publikationen ist eine Reanalyse der vektoriellen Magnetfeldmessungen von geomagnetischen Observatorien, die auf niedrigen und mittleren geomagnetischen Breitengraden liegen. In den beiden ersten Studien werden neue, auf den Ringstrom spezialisierte, geomagntische Aktivitätsindizes hergeleitet, die „Annual/Hourly Magnetopsheric Currents“ (A/HMC) Indizes. Verglichen mit existierenden Indizes (z.B. dem Dst Index) verlängern sie nicht nur die abgedeckte Zeitspanne, sondern sie stellen auch eine qualitative Verbesserung bezüglich des absoluten Niveaus und der mit dem ca. 11-jährigen Sonnenzyklus einhergehenden Variabilität dar. Die Auswertung des A/HMC zeigt, dass (a) die jährliche geomagnetiche Aktivität einem intervallabhängigen Trend unterliegt mit einer linearen Abnahme von ca. 5 % im Zeitraum 1900-2010 (b) das durchschnittliche, Trend-befreite Aktivitätsniveau bei ca. 28 Nanotesla (nT) liegt (c) die mit dem Sonnenzyklus zusammenhängende Variabilität eine Amplitude zwischen 15 und 45 nT aufweist (d) das Aktivitätsniveau für geomagnetisch ruhige Konditionen (Kp < 2 nT) bei knapp unter 20 nT liegt. Die Plausibilität der letztgenannten drei Punkte lässt sich über einen Vergleich mit unabhängigen Abschätzungen sicherstellen. Entweder zieht man hierzu Magnetfeldmessungen von „Low-Earth-Orbit“ Satellitenmissionen (seit den 1990er-Jahren), oder eine Modellierung der geomagnetischen Aktivität mittels der Parameter des Sonnenwindes (seit den 1960er-Jahren) heran. Eine unabhängige Validierung des langfristigen Trends ist jedoch problematisch, hauptsächlich, weil die Sensitivität der lokalen geomagnetischen Aktivität vom Breitengrad abhängt. Folglich ist A/HMC weder mit globalen, geomagnetischen Aktivitätindizes (z.B. mit dem aa Index), noch mit dem teils rekonstruierten, „offenen“ solaren Magnetfluss direkt vergleichbar. Die dritte Studie kombiniert eine konsistente, HMC-basierte Identifikation geomagnetischer Stürme aus dem Zeitraum 1930-2015 mit einer Analyse der entsprechenden räumlichen Störungsmuster. Die Studie zeigt, dass insbesondere die Entwicklung der Magnetfeldstörungen zu Sonnenauf- und Sonnenuntergang während der Erholungsphase der Stürme statistisch unterschiedlich auf die Art des Sonnenwindantriebs (Koronale Massenauswürfe (KM) oder korotierende Wechselwirkungsregionen) reagieren. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Antriebsklassen von historischen geomagnetischen Stürmen. Die Ergebnisse zeigen, dass KM-getriebene Stürme seit 1930 abgenommen haben, was mit der einhergehenden Verringerung von HMC zusammenpasst. Aus der Sammlung möglicher Folgestudien erscheint es zum jetzigen Zeitpunkt am vielversprechendsten, Observatoriumsmessungen aus hohen Breiten im Rahmen der dritten Studie einzubeziehen. T2 - Die hundertjährige Entwicklung der geomagnetischen Aktivität und ihre Antriebsmechanismen KW - Geomagnetic activity KW - Geomagnetic index KW - Geomagnetic observatory KW - Space climate KW - Space weather KW - Geomagnetische Aktivität KW - Geomagnetischer Index KW - Geomagnetisches Observatorium KW - Weltraumklima KW - Weltraumwetter Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472754 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Zuluaga, Juan T1 - Electric and magnetic characteristics of equatorial plasma depletions T1 - Elektrische und magnetische Beschreibung von äquatorialen Plasma-Verarmungen BT - an observational assessment using the Swarm mission BT - eine empirische Beurteilung mit der Satellitenmission Swarm N2 - Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere. Although the climatological variability of their occurrence in terms of season, longitude, local time and solar flux is well-known, their day to day variability is not. The sparse observations from ground-based instruments like radars and the few simultaneous measurements of ionospheric parameters by space-based instruments have left gaps in the knowledge of EPDs essential to comprehend their variability. In this dissertation, I profited from the unique observations of the ESA’s Swarm constellation mission launched in November 2013 to tackle three issues that revealed novel and significant results on the current knowledge of EPDs. I used Swarm’s measurements of the electron density, magnetic, and electric fields to answer, (1.) what is the direction of propagation of the electromagnetic energy associated with EPDs?, (2.) what are the spatial and temporal characteristics of the electric currents (field-aligned and diamagnetic currents) related to EPDs, i.e., seasonal/geographical, and local time dependencies?, and (3.) under what conditions does the balance between magnetic and plasma pressure across EPDs occur? The results indicate that: (1.) The electromagnetic energy associated with EPDs presents a preference for interhemispheric flows; that is, the related Poynting flux directs from one magnetic hemisphere to the other and varies with longitude and season. (2.) The field-aligned currents at the edges of EPDs are interhemispheric. They generally close in the hemisphere with the highest Pedersen conductance. Such hemispherical preference presents a seasonal/longitudinal dependence. The diamagnetic currents increase or decrease the magnetic pressure inside EPDs. These two effects rely on variations of the plasma temperature inside the EPDs that depend on longitude and local time. (3.) EPDs present lower or higher plasma pressure than the ambient. For low-pressure EPDs the plasma pressure gradients are mostly dominated by variations of the plasma density so that variations of the temperature are negligible. High-pressure EPDs suggest significant temperature variations with magnitudes of approximately twice the ambient. Since their occurrence is more frequent in the vicinity of the South Atlantic magnetic anomaly, such high temperatures are suggested to be due to particle precipitation. In a broader context, this dissertation shows how dedicated satellite missions with high-resolution capabilities improve the specification of the low-latitude ionospheric electrodynamics and expand knowledge on EPDs which is valuable for current and future communication, navigation, and Earth-observing missions. The contributions of this investigation represent several ’firsts’ in the study of EPDs: (1.) The first observational evidence of interhemispheric electromagnetic energy flux and field-aligned currents. (2.) The first spatial and temporal characterization of EPDs based on their associated field-aligned and diamagnetic currents. (3.) The first evidence of high plasma pressure in regions of depleted plasma density in the ionosphere. These findings provide new insights that promise to advance our current knowledge of not only EPDs but the low-latitude post-sunset ionosphere environment. N2 - Der erdnahe Weltraum stellt eine bedeutende wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Insbesondere in niedrigeren magnetischen Breitengraden unterstützen die horizontale Geometrie des Magnetfelds und seine geschlossenen Feldlinien das Vorhandensein eines speziellen elektrischen Stromsystems, abrupte Änderungen der elektrischen Felder und das Auftreten von Plasmairregularitäten. Von besonderem Interesse sind regionale Unregelmäßigkeiten im Zusammenhang mit äquatorialen Plasma-Verarmungen (EPDs, Abkürzung aus dem Englischen für „equatorial plasma depletions”). Sie stören trans-ionosphärischer Funkwellen, welche zur Positionierung, Kommunikation und Erd-beobachtung eingesetzt werden. Die schnelle Entwicklung von Satellitenmissionen macht das Verständnis der erdnahen Weltraumphänomene zu einer Priorität, insbesondere derjenigen, welche die Weltraumtechnologie schädigen oder ihre Signale stören können. Die EPDs und die damit verbundenen Plasmairregularitäten sind seit Beginn des Weltraumzeitalters eines der am häufigsten untersuchten Phänomene. EPDs sind großflächigen Strukturen (d. h. zehn bis hundert Kilometer), die auf Spread F Ereignisse zurückgeführt werden können. Sie äußern sich als mit dem Hintergrund-Magnetfeld ausgerichtete Kanäle verarmter Plasmadichte, welche in niedrigen Breiten in der Ionophäre nach Sonnenuntergang auftreten. Obwohl die klimatologische Variabilität des Auftretens von EPDs bezüglich der Jahreszeit, geografischen Länge, Ortszeit und des Sonnenzyklus wohl bekannt sind, trifft dies nicht für ihre Tag-zu-Tag-Variabilität zu. Die spärlichen Beobachtungen von bodengestützten Instrumenten, wie Radargeräten, und die wenigen gleichzeitigen Messungen ionosphärischer Parameter von weltraumgestützten Instrumenten auf erdnahen Umlaufbahnen haben Wissenslücken hinterlassen, die für das Verständnis der Variabilität von EPDs essentiell sind. In dieser Dissertation habe ich von einzigartigen Beobachtungen der im November 2013 gestarteten ESA Satellitenkonstellationsmission „Swarm“ profitiert, um drei Probleme zu bearbeiten, die neue und signifikante Ergebnisse zum aktuellen Wissen über EPDs enthüllten. Ich habe Swarms Messungen der Elektronendichte, des magnetischen und des elektrischen Feldes verwendet, um Folgendes zu beantworten: (1.) In welche Richtung breitet sich die mit den EPDs verbundene elektromagnetische Energie aus? (2.) Was sind die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der elektrischen Ströme (feldgerichtete und diamagnetische Ströme) in Bezug auf EPDs, d. h. wie hängen sie von der geografischen Länge, Jahreszeit und Lokalzeit ab? (3.) Unter welchen Bedingungen findet der mit EPDs verbundene Ausgleich zwischen magnetischem Druck und Plasmadruck statt? Die Ergebnisse zeigen, dass: (1.) Die mit EPDs verbundene elektromagnetische Energie bevorzugt interhemisphärische Strömungen, das heißt, der zugehörige Poynting-Fluss strömt von einer magnetischen Hemisphäre zur anderen und die Strömungsrichtung variiert mit geografischer Länge und Jahreszeit. (2.) Die feldgerichteten Ströme an den Rändern von EPDs sind interhemisphärisch. Im Allgemeinen schließen sie sich in der Hemisphäre mit der höchsten Pedersen-Leitfähigkeit. Die derartige hemisphärische Präferenz zeigt eine Abhängigkeit bezüglich der Jahreszeit/geografischen Länge. Die diamagnetischen Ströme erhöhen oder verringern den magnetischen Druck innerhalb der EPDs. Diese beiden Effekte beruhen auf Variationen der Plasmatemperatur innerhalb der EPDs, die von der geografischen Länge und der Lokalzeit abhängt. (3.) EPDs weisen einen höheren oder niedrigeren Plasmadruck als ihre Umgebung auf. In Niederdruck-EPDs werden die Plasmadruckgradienten meist durch Variationen der Plasmadichte hervorgerufen, sodass Temperaturschwankungen vernachlässigbar sind. Hochdruck-EPDs deuten auf hohe innere Temperaturen hin, etwa das Zweifache der Umgebungstemperatur. Aufgrund ihres häufigeren Auftretens in der Nähe der Südatlantischen Magnetfeldanomalie wird vermutet, dass solche hohen Temperaturen auf den Einfall hochenergetischer Teilchen zurückzuführen sind. In einem breiteren Kontext zeigt diese Dissertation auf, wie spezielle Satellitenmissionen mit hohem Auflösungsvermögen die Spezifikation der ionoshärischen Elektrodynamik in niedrigen Breiten und das Verständnis von EPDs verbessern, was wertvoll für aktuelle und zukünfte Kommunikatoins-, Positionierungs- sowie Erdbeobachtungsmissionen ist. Die Beiträge dieser Arbeit stellen gleich mehrere "Premieren" in der EPD-Forschung dar: (1.) Der erste empirische Nachweis interhemisphärischer elektromagnetischer Energieflüsse und feldgerichteter Ströme. (2.) Die erste raum-zeitliche Beschreibung von EPDs auf der Grundlage ihrer assoziierten feldgerichteten und diamagnetischen Ströme. (3.) Der erste Nachweis hohen Plasmadrucks in Regionen verminderter Plasmadichte in der Ionosphäre. Diese Forschungsergebnisse liefern neue Erkenntnisse, die nicht nur unser derzeitiges Wissen über EPDs, sondern auch jenes über die ionosphärische Domaine in niedrigen Breiten nach Sonnenuntergang fördert. KW - equatorial plasma depletions KW - electric and magnetic fields KW - spread F KW - ionosphere KW - swarm mission KW - äquatorialen Plasma-Verarmungen KW - elektrische und magnetische Felder KW - Spread F KW - Ionosphäre KW - Satellitenmission Swarm Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445873 ER - TY - THES A1 - Schimpf, Stefan T1 - Herkunft und Ablagerungsmilieu quartärer Sedimente im Einzugsgebiet des Heihe, NW China N2 - Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen. N2 - The Central Asian natural space, as it presents itself today, is the result of a combination of many different factors over millions of years. However, in the current context of climate change it becoming obvious how strongly material fluxes can change in the short-term and thereby transform the face of the landscape. As a large long-term archive of different fluvial, lacustrine and aeolian sediments, the Gobi Desert in Inner Mongolia (China) represents a significant locality for the reconstruction of local and regional material flows as well as an important source for supra-regional dust transport due to erosion by aeolian processes. This, in connection with its location to the Tibetan Plateau, has moved the Gobi Desert into the focus of climate-historical basic research. Against this background, several German-Chinese expeditions to Ejina Basin (Inner Mongolia) and the Qilian Shan foreland were accomplished between 2011 and 2014. They were part of the BMBF joint program WTZ Central Asia - Monsoon Dynamics & Geo-Ecosystems (Grant No. 03G0814). In the course of these expeditions numerous surface samples from the entire catchment area of the Heihe (Black River) were collected for the determination of potential sediment sources. Additionally, two drillings in the interior of the Ejina Basin were conducted as a continuation of the existing drill-core D100 (see Wünnemann (2005)) and for gathering complementary information on landscape history and supra-regional sediment transfer. The goals of this doctoral thesis are a sedimentological-mineralogical characterization of the study area with regard to potential sediment sources and material fluxes of the Ejina Basin as well as the reconstruction of the sedimentation history of a 19 m sediment drill-core (GN100) drilled in the northern part of the basin. The main focus is on the clarification of the sediment provenance within the drill core as well as the designation of provenance signals and possible sediment sources or sediment transport paths. The methodological approach is based on a multi-proxy approach to characterize the clastic sedimentary facies using field observations, lithological-granulometric and mineralogical-geochemical analyses as well as statistical methods. For the mineralogical investigations of the sediments, a new scanning electron microscopic method for automated particle analysis was used and compared with traditional methods. The synoptic analysis of the granulometric, geochemical and mineralogical findings of the surface sediments result in a logical cascade model with recurring process areas and similar process signals. The results of the extensive granulometric analyses indicate decreasing grain sizes as the distance from the Qilian Shan increases and allow the identification of four textural signals: fluvial sands, dune sands, still water sediments and dusts. They can be used as the basis of interpretation for the grain size analyses of the drill core. This makes it possible to reconstruct the depositional history of the core sediments and to put them in an overall context in conjunction with own and literature-based datings. For the study area four depositional phases can be identified which date back until the time of the Last Glacial Maximum (LGM). During these depositional phases, various phases of activity and stability led to a continuous progradation and overprinting of the alluvial fan. A particularly active phase can be observed between 8 ka and 4 ka BP. During this period there seems to have been a significant increase in alluvial fan dynamics due to increasing fluvial activity. In the periods before and after mainly aeolian processes have led to an overprinting of the alluvial fan. Regarding the mineralogical provenance signals there is a great variability. This reflects the enormous geological heterogeneity of the study area, by which the spatial signals are not very pronounced. Nonetheless, within the catchment three larger areas can be declared which can be considered as possible sediment sources. These are the eastern and western foreland of the Qilian Shan mountains as wells as the Bei Shan in the west of the Ejina basin. They differ, in particular, from strongly diverging chlorite contents in the clay mineral and total mineral fraction. The eastern Qilian Shan foreland is characterized by significantly higher chlorite contents as the primary source for the sediments in the Ejina Basin. This is related to the greenschists, ophiolites and serpentinites in this area. Geochemically, the Cr/Rb-ratio in particular indicates a large variability within the catchment area. In this case its again the eastern Qilian Shan foreland which stands out from the rest of the study area with high values due to its high proportion of mafic rocks which are rich in chromites and spinels. Within the drill core sediments of GN100 the temporal but also the general variability of the sediment provenance according to the surface sediment results cannot be clearly traced. The mineralogical-sedimentological characteristics of the drilled clastic sediments exhibit meantime changes in sediment provenance. However, they are not as pronounced as the source signals within the surface sediments suggest. One reason seems to be the strong mixing of different sediments during transport. The combination of the particle size results with the results of the total and heavy mineralogy indicate that there must have been a phase in the meantime with predominantly aeolian processes.. These processes were connected with a sediment input from the Bei Shan mountains in the west. In addition to the increase in ultrastable heavy minerals such as zirconium and garnet and the decline of opaque heavy minerals, mainly present conditions point to this. The comparison of the traditional heavy mineral analysis (polarized light microscopy) with computer-controlled scanning electron microscopy (short: CCSEM) shows the clear advantage of the modern analysis method. Above all is the significant greater statistical significance of the counting results. In addition, this method can also be used to determine chemical varieties of some heavy minerals, which allows an even finer classification and more reliable conclusions about a possible sediment provenance. Furthermore, better statements can be made about the composition and the development process of the deposited sediments. This thesis shows that the sediment provenance within the study area as well as the ongoing processes partly depend strongly on local conditions. Therefore, the heterogeneity of the geology and the size of the catchment as well as the resulting complexity of the sediment genesis makes it very difficult to make exact assignments to clearly defined sediment sources. Nevertheless, the results indicate a primary input of fluvial clastic sediments of the Heihe coming from the Qilian Shan mountains. However, the findings also indicate the need to complement the study with adjacent study areas such as the Gobi Altai in the north or the Beishan in the west as well as a densification of the surface sampling for a better resolution of possible local sediment sources. KW - Heihe KW - Ejina Becken KW - Gaxun Nur KW - Schwerminerale KW - China KW - CCSEM KW - Herkunftsanalyse KW - Tonminerale KW - Heihe KW - Ejina Basin KW - Gaxun Nur KW - Heavy Minerals KW - China KW - CCSEM KW - Provenance Analysis KW - Clay Minerals Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Liu, Sibiao T1 - Controls of foreland-deformation patterns in the orogen-foreland shortening system N2 - The Andean Plateau (Altiplano-Puna Plateau) of the southern Central Andes is the second-highest orogenic plateau on our planet after Tibet. The Andean Plateau and its foreland exhibit a pronounced segmentation from north to south regarding the style and magnitude of deformation. In the Altiplano (northern segment), more than 300 km of tectonic shortening has been recorded, which started during the Eocene. A well-developed thin-skinned thrust wedge located at the eastern flank of the plateau (Subandes) indicates a simple-shear shortening mode. In contrast, the Puna (southern segment) records approximately half of the shortening of the Altiplano - and the shortening started later. The tectonic style in the Puna foreland switches to a thick-skinned mode, which is related to pure-shear shortening. In this study, carried out in the framework of the StRATEGy project, high-resolution 2D thermomechanical models were developed to systematically investigate controls of deformation patterns in the orogen-foreland pair. The 2D and 3D models were subsequently applied to study the evolution of foreland deformation and surface topography in the Altiplano-Puna Plateau. The models demonstrate that three principal factors control the foreland-deformation patterns: (i) strength differences in the upper lithosphere between the orogen and its foreland, rather than a strength difference in the entire lithosphere; (ii) gravitational potential energy of the orogen (GPE) controlled by crustal and lithospheric thicknesses, and (iii) the strength and thickness of foreland-basin sediments. The high-resolution 2D models are constrained by observations and successfully reproduce deformation structures and surface topography of different segments of the Altiplano-Puna plateau and its foreland. The developed 3D models confirm these results and suggest that a relatively high shortening rate in the Altiplano foreland (Subandean foreland fold-and-thrust belt) is due to simple-shear shortening facilitated by thick and mechanically weak sediments, a process which requires a much lower driving force than the pure-shear shortening deformation mode in the adjacent broken foreland of the Puna, where these thick sedimentary basin fills are absent. Lower shortening rate in the Puna foreland is likely accommodated in the forearc by the slab retreat. N2 - Das Andenplateau (Altiplano-Puna-Plateau) in den südlichen Zentralanden ist nach Tibet das zweithöchste orogene Plateau auf unserem Planeten. Dieses Plateau und sein Vorland weisen eine ausgeprägte Segmentierung von Nord nach Süd hinsichtlich Art und Ausmaß der Verformung auf. Im Altiplano (nördliches Segment) wird seit der im Eozän stattfindenden Deformation mehr als 300 km tektonische Verkürzung dokumentiert. Ein gut entwickelter sedimentärer Schubkeil bzw. Vorland-Überschiebungsgürtel (Subandin) an der Ostflanke des Plateaus (thin-skinned foreland deformation) deutet in dieser Region des Vorlandes auf Prozesse einfacher Scherung hin (simple-shear modus). Im Gegensatz dazu weist die Puna (südliches Plateausegment) ungefähr die Hälfte der Verkürzung des Altiplano auf - und die Verkürzung begann später. Außerdem geht der tektonische Stil im Puna-Vorland zu einem zerbrochenen Vorland mit Kristallinblöcken (thick-skinned foreland) über, der mit der Verkürzung durch reine Scherung (pure-shear modus) erklärt werden kann. In dieser Studie, die im Rahmen des StRATEGy-Projekts durchgeführt wurde, wurden hochauflösende thermomechanische 2D-Modelle entwickelt, um systematisch die Kontrolle von Verformungsmustern im Orogen-Vorland-Paar zu untersuchen. Die 2D- und 3D-Modelle wurden anschließend angewendet, um die Entwicklung der Vorlanddeformation und der Oberflächentopographie im Altiplano-Puna-Plateau zu verstehen. Die Modelle zeigen, dass drei Hauptfaktoren die Deformationsmuster des Vorlandes steuern: (i) Festigkeitsunterschiede in der oberen Lithosphäre zwischen dem Orogen und seinem Vorland - und nicht Festigkeitsunterschiede in der gesamten Lithosphäre; (ii) die gravitationsbezogene potentielle Energie des Orogens (GPE), die durch die Krusten- und Lithosphärenmächtigkeit gesteuert wird und (iii) die Festigkeit sowie Mächtigkeiten der Vorlandbeckensedimente. Die hochauflösenden 2D-Modelle sind auf tatsächliche Daten aus Beobachtungen beschränkt und reproduzieren erfolgreich Deformationsstrukturen sowie die topographischen Verhältnisse der verschiedenen Segmente des Altiplano-Puna-Plateaus und seines Vorlandes. Die entwickelten 3D-Modelle bestätigen diese Ergebnisse und legen nahe, dass die relativ hohe Verkürzungsrate im Altiplano-Vorland (Subandin) bei den vorhandenen mächtigen Sedimentabfolgen geringer mechanischer Festigkeit weniger Kraftaufwand erfordert als die Deformation des Puna-Vorlandes, wo diese Sedimente weitgehend fehlen. Die geringeren Verkürzungsbeträge im Puna-Vorland werden wahrscheinlich durch das Zurückweichen der Subduktionszone im Forearc-Bereich ausgeglichen. KW - geodynamics KW - numerical modeling KW - Central Andes KW - foreland deformation KW - geophysics KW - Geodynamik KW - numerische Modellierung KW - Zentralanden KW - Vorlanddeformation KW - Geophysik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445730 ER - TY - THES A1 - Karamzadeh Toularoud, Nasim T1 - Earthquake source and receiver array optimal configuration T1 - Optimale Konfiguration von Quell- und Empfängerarray für Erdbeben N2 - Seismic receiver arrays have variety of applications in seismology, particularly when the signal enhancement is a prerequisite to detect seismic events, and in situations where installing and maintaining sparse networks are impractical. This thesis has mainly focused on the development of a new approach for seismological source and receiver array design.The proposed approach deals with the array design task as an optimization problem. The criteria and prerequisite constraints in array design task are integrated in objective function definition and evaluation of a optimization process. Three cases are covered in this thesis: (1) a 2-D receiver array geometry optimization, (2) a 3-D source array optimization, and (3) an array application to monitor microseismic data, where the effect of different types of noise are evaluated. A flexible receiver array design framework implements a customizable scenario modelling and optimization scheme by making use of synthetic seismograms. Using synthetic seismograms to evaluate array performance makes it possible to consider additional constraints, e.g. land ownership, site-specific noise levels or characteristics of the seismic sources under investigation. The use of synthetic array beamforming as an array design criteria is suggested. The framework is customized by designing a 2-D small scale receiver array to monitor earthquake swarm activity in northwest Bohemia/ Vogtland in central Europe. Two sub-functions are defined to verify the accuracy of horizontal slowness estimation; one to suppress aliasing effects due to possible secondary lobes of synthetic array beamforming calculated in horizontal slowness space, and the other to reduce the event's mislocation caused by miscalculation of the horizontal slowness vector. Subsequently, a weighting technique is applied to combine the sub-functions into one single scalar objective function to use in the optimization process. The idea of optimal array is employed to design a 3-D source array, given a well-located catalog of events. The conditions to make source arrays are formulated in four objective functions and a weighted sum technique is used to combine them in one single scalar function. The criteria are: (1) accurate slowness vector estimation, (2) high waveform coherency, (3) low location error and (4) high energy of coda phases. The method is evaluated by two experiments, (1) a synthetic test using realistic synthetic seismograms, (2) using real seismograms, and for each case optimized SA elements are configured using the data from the Vogtland area. The location of a possible scatterer in the velocity model, that makes the converted/reflected phases, e.g. sp-phases, is retrieved by a grid search method using the optimized SA. The accuracy of the approach and the obtained results demonstrated that the method is applicable to study the crustal structure and the location of crustal scatterers when the strong converted phases are observed in the data and a well-located catalog is available. Small aperture arrays are employed in seismology for a variety of applications, ranging from pure event detection to monitor and study of microcosmic activities. The monitoring of microseismicity during temporary human activities is often difficult, as the signal-to-noise ratio is very low and noise is strongly increased during the operation. The combination of small aperture seismic arrays with shallow borehole sensors offers a solution. We tested this monitoring approach at two different sites, (1) accompanying a fracking experiment in sedimentary shale at 4~km depth, and (2) above a gas field under depletion. Arrays recordings are compared with recordings available from shallow borehole sensors and examples of detection and location performance of the array are given. The effect of different types of noise at array and borehole stations are compared and discussed. N2 - Seismische Arrays haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Seismologie, insbesondere wenn die Signalverbesserung eine Voraussetzung ist für die seismische Ereignisse erkennen, und in Situationen, in denen die Installation und Wartung spärlicher Netzwerke ist unpraktisch. Diese Arbeit hat sich vor allem auf die Entwicklung eines neuen Ansatzes für seismologische Quellen und Empfänger-Array-Design konzentriert. Der vorgeschlagene Ansatz beschäftigt sich mit der Array-Design-Aufgabe als Optimierungsproblem. Die notwendigen Kriterien und Randbedingungen, die für die seismologische Array-Design-Aufgabe wichtig sind, werden in die objektive Funktionsdefinition und Bewertung eines Optimierungsprozesses integriert. In dieser Arbeit werden drei Fälle behandelt. (1) eine 2-D-Empfänger-Array-Geometrieoptimierung, (2) eine 3D-Quellfeldoptimierung, und (3) eine Array-Anwendung zum Überwachen mikroseismischer Daten, wobei die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm werden bewertet. Ein flexibles Empfänger-Array-Design-Framework wird eingeführt, das ein anpassbares Szenario-Modellierungs- und Optimierungsschema unter Verwendung synthetischer Seismogramme implementiert. Die Verwendung synthetischer Seismogramme zur Bewertung der Array-Leistung ermöglicht es, zusätzliche Einschränkungen, wie z.B. Landbesitz, zu berücksichtigen, standortspezifische Lärmpegel oder Eigenschaften der seismischen Quellen unter Berücksichtigung von Untersuchung. Die Verwendung von synthetischem Array-Strahlformung als Array-Design-Kriterium wird vorgeschlagen. Das Array-Design-Framework wird durch die Entwicklung eines 2-D-Kleinempfänger-Arrays zur Überwachung der Erdbebenschwarmaktivität im Vogtland in Mitteleuropa angepasst. Es werden zwei Teilfunktionen definiert, um die Genauigkeit der horizontalen Langsamkeitsschätzung zu überprüfen. Eine zur Unterdrückung von Aliasing-Effekten aufgrund möglicher Nebenkeulen der synthetischen Strahlformung, berechnet im horizontalen Langsamkeitsraum, und zum anderen, um die Fehlstellung des Ereignisses durch eine Fehlberechnung des horizontalen Langsamkeitsvektors zu reduzieren. Anschliessend wird eine Gewichtungstechnik angewendet, um die Kombination von die Unterfunktionen zu einer einzigen skalaren Zielfunktion zusammenfassen, die in der Optimierungsprozess verwendet werden kann. Die Idee des Array Optimal Design wird verwendet, um ein 3-D Source Array zu entwerfen, das einen gut lokalisierten Katalog von Erdbebenereignissen enthält. Die Bedingungen für die Herstellung von Quellarrays werden in vier Zielfunktionen formuliert, und eine gewichtete Summentechnik wird verwendet, um sie in einer einzigen skalaren Funktion zu kombinieren. Die Kriterien sind: (1) genaue Langsamkeitsvektorschätzung, (2) hohe Wellenform-Kohärenz, (3) niedriger Ortsfehler und (4) bis hohe Energie der Coda-Phasen. Die Methode wird durch zwei Experimente bewertet, (1) ein synthetischer Test mit realistischen synthetischen Seismogrammen, (2) mit realen Seismogrammen und optimierte SA-Elemente werden für jeden Fall unter Verwendung der Daten aus dem Vogtland gefunden. Die Position eines möglichen Streuers im Geschwindigkeitsmodell, der die konvertierten/reflektierten Phasen, z.B. sp-Phasen, erzeugt, wird durch ein Rastersuchverfahren mit dem optimierten SA ermittelt. Die Genauigkeit des Ansatzes und die erhaltenen Ergebnisse sind überzeugend, dass die Methode anwendbar ist, um die Krustenstruktur und die Position von Krustalstreuern zu untersuchen, wenn die stark konvertierten Phasen in den Daten beobachtet werden und ein gut lokalisierter Katalog verfügbar ist. Die Überwachung der Mikroseismizität bei solchen temporären menschlichen Aktivitäten ist oft schwierig, da der Signal-Rausch-Verhältnis sehr niedrig ist und das Rauschen während des Betriebs stark erhöht wird. Die Kombination von seismischen Arrays mit kleiner Apertur und flachen Bohrlochsensoren bietet eine Lösung. Wir haben diesen Überwachungsansatz an zwei verschiedenen Standorten getestet. (1) Begleiten eines Fracking-Experiments in sedimentärem Schiefer in 4 km Tiefe und (2) über einem Gasfeld unter Erschöpfung. Die Aufzeichnungen von Arrays werden mit den Aufzeichnungen von flachen Bohrlochsensoren verglichen, und es werden Beispiele für die Detektions- und Standortleistung der Arrays gegeben. Die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm an Array- und Bohrlochstationen werden verglichen und diskutiert. KW - seismic array KW - earthquake source array KW - array design KW - optimal array configuration KW - source array optimal design KW - scatterer location KW - scattered phases KW - seismicity modelling KW - synthetic array beam power KW - Array-Entwurf KW - Erdbebenquellen-Array KW - optimale Array-Konfiguration KW - gestreute Phasen KW - Standort des Streuers KW - seismisches Array KW - Seismizitätsmodellierung KW - Quell-Array optimales Design KW - synthetische Array-Strahlleistung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459828 ER - TY - THES A1 - Nooshiri, Nima T1 - Improvement of routine seismic source parameter estimation based on regional and teleseismic recordings T1 - Verbesserung von Standard-Verfahren zur Abschätzung von seismischen Quellparametern auf regionalen und teleseismischen Distanzen N2 - Seismological agencies play an important role in seismological research and seismic hazard mitigation by providing source parameters of seismic events (location, magnitude, mechanism), and keeping these data accessible in the long term. The availability of catalogues of seismic source parameters is an important requirement for the evaluation and mitigation of seismic hazards, and the catalogues are particularly valuable to the research community as they provide fundamental long-term data in the geophysical sciences. This work is well motivated by the rising demand for developing more robust and efficient methods for routine source parameter estimation, and ultimately generation of reliable catalogues of seismic source parameters. Specifically, the aim of this work is to develop some methods to determine hypocentre location and temporal evolution of seismic sources based on regional and teleseismic observations more accurately, and investigate the potential of these methods to be integrated in near real-time processing. To achieve this, a location method that considers several events simultaneously and improves the relative location accuracy among nearby events has been provided. This method tries to reduce the biasing effects of the lateral velocity heterogeneities (or equivalently to compensate for limitations and inaccuracies in the assumed velocity model) by calculating a set of timing corrections for each seismic station. The systematic errors introduced into the locations by the inaccuracies in the assumed velocity structure can be corrected without explicitly solving for a velocity model. Application to sets of multiple earthquakes in complex tectonic environments with strongly heterogeneous structure such as subduction zones and plate boundary region demonstrate that this relocation process significantly improves the hypocentre locations compared to standard locations. To meet the computational demands of this location process, a new open-source software package has been developed that allows for efficient relocation of large-scale multiple seismic events using arrival time data. Upon that, a flexible location framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales. The latest version of the software distribution including source codes, a user guide, an example data set, and a change history, is freely available to the community. The developed relocation algorithm has been modified slightly and then its performance in a simulated near real-time processing has been evaluated. It has been demonstrated that applying the proposed technique significantly reduces the bias in routine locations and enhance the ability to locate the lower magnitude events using only regional arrival data. Finally, to return to emphasis on global seismic monitoring, an inversion framework has been developed to determine the seismic source time function through direct waveform fitting of teleseismic recordings. The inversion technique can be systematically applied to moderate- size seismic events and has the potential to be performed in near real-time applications. It is exemplified by application to an abnormal seismic event; the 2017 North Korean nuclear explosion. The presented work and application case studies in this dissertation represent the first step in an effort to establish a framework for automatic, routine generation of reliable catalogues of seismic event locations and source time functions. N2 - Seismologische Dienste spielen eine wichtige Rolle in der seismologischen Forschung und Gefährdungsanalyse, indem sie Quellparameter für seismische Ereignisse (Lokalisierung, Stärke, Mechanismus) bereitstellen und diese Daten langfristig verfügbar machen. Die Verfügbarkeit von Katalogen seismischer Quellparameter ist eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der seismischen Gefährdung und Minderung der Auswirkungen von Erdbeben. Die seismischen Kataloge sind für die Forschungsgemeinschaft besonders wertvoll, da sie grundlegende Hintergrundsdaten über lange Zeiträume liefern. Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die steigende Nachfrage nach der Entwicklung robusterer und effizienterer Methoden für die routinemäßige Schätzung von Quellparametern und schließlich die Verbesserung der Qualität und Quantität der seismischen Kataloge. Ziel dieser Arbeit ist es insbesondere Methoden zu entwickeln, um die Lokalisierung von Hypozentren und die zeitliche Entwicklung der Momentfreisetzung bei einem Erdbeben auf der Grundlage regionaler und teleseismischer Beobachtungen genauer zu bestimmen, und das Potenzial dieser Methoden für eine zeitnahe Verarbeitung zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lokalisierungsmethode bereitgestellt, die mehrere Ereignisse gleichzeitig berücksichtigt und die relative Genauigkeit der Hypozentren zwischen benachbarten Ereignissen verbessert. Dieses Verfahren versucht, die Verzerrungen durch Geschwindigkeits-heterogenitäten zu reduzieren, oder äquivalent Einschränkungen und Ungenauigkeiten in dem angenommenen Geschwindigkeitsmodell auszugleichen, indem richtungsabhängige Zeitkorrekturen für jede seismische Station berechnet werden. Die systematischen Fehler, die durch die Ungenauigkeiten in der angenommenen Geschwindigkeitsstruktur in die Lokalisierung projiziert werden, können korrigiert werden, ohne explizit nach einem Geschwindigkeitsmodell zu lösen. Die Anwendung auf Ensemble von Erdbeben in tektonischen Situationen mit stark heterogener, komplexer Struktur wie Subduktionszonen und Plattengrenzregionen zeigt, dass diese Relokalisierung die Hypozentren im Vergleich zu Standardlokalisierungen signifikant verbessert. Um den rechnerischen Anforderungen der Lokalisierung gerecht zu werden, wurde ein neues Open-Source-Softwarepaket entwickelt, das eine effiziente Relokalisierung einer großen Anzahl von Erdbeben unter Verwendung von Ankunftszeitdaten ermöglicht. Daraufhin wird ein flexibler Lokalisierungsrahmen bereitgestellt, der an verschiedene Fälle auf lokaler, regionaler und globaler Ebene angepasst werden kann. Die neueste Version der Software einschließlich Quellcodes, Benutzerhandbuch, Beispieldatensatz und Änderungsverlauf ist für die Öffentlichkeit frei verfügbar. Der entwickelte Relokalisierungs-Algorithmus wurde geringfügig verändert und anschließend seine Leistung in einem simulierten Echtzeit Prozess bewertet. Es zeigte sich, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Technik die Verzerrung der Hypozentren der Routineauswertung erheblich verringert und die Fähigkeit zum Lokalisieren der Ereignisse mit niedriger Magnitude unter Verwendung nur regionaler Ankunftsdaten verbessert. Um sich wieder auf die globale seismische Überwachung zu konzentrieren, wurde schließlich ein Inversionssystem entwickelt, um die Zeitfunktion der seismischen Quelle durch direkte Wellenformanpassung von teleseismischen Aufzeichnungen zu bestimmen. Die Inversionstechnik kann systematisch auf seismische Ereignisse mittlerer Größe angewendet werden und hat das Potenzial, in nahezu Echtzeitanwendungen ausgeführt zu werden. Dies wird beispielhaft durch die Anwendung auf ein abnormales seismisches Ereignis veranschaulicht: die nordkoreanische Atomexplosion 2017. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeits- und Anwendungsfallstudien stellen den ersten Schritt dar, um einen Rahmen für die automatische, routinemäßige Erzeugung zuverlässiger Kataloge von seismischen Ereignisorten und Quellzeitfunktion zu schaffen. KW - observational seismology KW - earthquake bulletin data KW - seismic event localization KW - seismic source-time function estimation KW - beobachtende Seismologie KW - Erdbebenkatalogdaten KW - seismische Ereignislokalisierung KW - Herdzeit Parameter Abschätzung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459462 ER - TY - THES A1 - Schuck, Bernhard T1 - Geomechanical and petrological characterisation of exposed slip zones, Alpine Fault, New Zealand T1 - Geomechanische und petrologische Charakterisierung aufgeschlossener Gleithorizonte, Alpine Fault, Neuseeland N2 - The Alpine Fault is a large, plate-bounding, strike-slip fault extending along the north-western edge of the Southern Alps, South Island, New Zealand. It regularly accommodates large (MW > 8) earthquakes and has a high statistical probability of failure in the near future, i.e., is late in its seismic cycle. This pending earthquake and associated co-seismic landslides are expected to cause severe infrastructural damage that would affect thousands of people, so it presents a substantial geohazard. The interdisciplinary study presented here aims to characterise the fault zone’s 4D (space and time) architecture, because this provides information about its rheological properties that will enable better assessment of the hazard the fault poses. The studies undertaken include field investigations of principal slip zone fault gouges exposed along strike of the fault, and subsequent laboratory analyses of these outcrop and additional borehole samples. These observations have provided new information on (I) characteristic microstructures down to the nanoscale that indicate which deformation mechanisms operated within the rocks, (II) mineralogical information that constrains the fault’s geomechanical behaviour and (III) geochemical compositional information that allows the influence of fluid- related alteration processes on material properties to be unraveled. Results show that along-strike variations of fault rock properties such as microstructures and mineralogical composition are minor and / or do not substantially influence fault zone architecture. They furthermore provide evidence that the architecture of the fault zone, particularly its fault core, is more complex than previously considered, and also more complex than expected for this sort of mature fault cutting quartzofeldspathic rocks. In particular our results strongly suggest that the fault has more than one principal slip zone, and that these form an anastomosing network extending into the basement below the cover of Quaternary sediments. The observations detailed in this thesis highlight that two major processes, (I) cataclasis and (II) authigenic mineral formation, are the major controls on the rheology of the Alpine Fault. The velocity-weakening behaviour of its fault gouge is favoured by abundant nanoparticles promoting powder lubrication and grain rolling rather than frictional sliding. Wall-rock fragmentation is accompanied by co-seismic, fluid-assisted dilatancy that is recorded by calcite cementation. This mineralisation, along with authigenic formation of phyllosilicates, quickly alters the petrophysical fault zone properties after each rupture, restoring fault competency. Dense networks of anastomosing and mutually cross-cutting calcite veins and intensively reworked gouge matrix demonstrate that strain repeatedly localised within the narrow fault gouge. Abundantly undeformed euhedral chlorite crystallites and calcite veins cross-cutting both fault gouge and gravels that overlie basement on the fault’s footwall provide evidence that the processes of authigenic phyllosilicate growth, fluid-assisted dilatancy and associated fault healing are processes active particularly close to the Earth’s surface in this fault zone. Exposed Alpine Fault rocks are subject to intense weathering as direct consequence of abundant orogenic rainfall associated with the fault’s location at the base of the Southern Alps. Furthermore, fault rock rheology is substantially affected by shallow-depth conditions such as the juxtaposition of competent hanging wall fault rocks on poorly consolidated footwall sediments. This means microstructural, mineralogical and geochemical properties of the exposed fault rocks may differ substantially from those at deeper levels, and thus are not characteristic of the majority of the fault rocks’ history. Examples are (I) frictionally weak smectites found within the fault gouges being artefacts formed at temperature conditions, and imparting petrophysical properties that are not typical for most of fault rocks of the Alpine Fault, (II) grain-scale dissolution resulting from subaerial weathering rather than deformation by pressure-solution processes and (III) fault gouge geometries being more complex than expected for deeper counterparts. The methodological approaches deployed in analyses of this, and other fault zones, and the major results of this study are finally discussed in order to contextualize slip zone investigations of fault zones and landslides. Like faults, landslides are major geohazards, which highlights the importance of characterising their geomechanical properties. Similarities between faults, especially those exposed to subaerial processes, and landslides, include mineralogical composition and geomechanical behaviour. Together, this ensures failure occurs predominantly by cataclastic processes, although aseismic creep promoted by weak phyllosilicates is not uncommon. Consequently, the multidisciplinary approach commonly used to investigate fault zones may contribute to increase the understanding of landslide faulting processes and the assessment of their hazard potential. N2 - Die Alpine Fault ist eine große Plattengrenze mit lateralem Versatz, die sich entlang des nordwestlichen Fußes der Südalpen, Südinsel Neuseeland, erstreckt. Regelmäßig ereignen sich große (MW > 8) Erdbeben und gegenwärtig befindet sich die Störung am Ende ihres Erdbebenzyklus, so dass ein baldiges Beben sehr wahrscheinlich ist. Die Alpine Fault stellt eine bedeutende Naturgefahr dar und so wird davon ausgegangen, dass tausende Menschen von dem anstehenden Erdbeben, ko-seismischen Hangrutschungen und den damit einhergehenden großen Schäden an der Infrastruktur betroffen sein werden. Daher zielt die hier vorgestellte interdisziplinäre Studie darauf ab, den Aufbau der Störungszone in 4D (räumlich und zeitlich) zu charakterisieren, weil dies Aufschluss über ihre rheologischen Eigenschaften liefert und damit einen Beitrag zur Einschätzung der von der Störung ausgehenden Gefahr leisten wird. Die durchgeführten Arbeiten umfassen Felduntersuchungen der entlang der Störung aufge- schlossenen Hauptscherzone und sich daran anschließende Laboruntersuchungen dieser Auf- schluss- und zusätzlicher Bohrlochproben. Diese geben Aufschluss über (I) charakteristis- che Mikrostrukturen bis in den Nanometerbereich, was erlaubt Deformationsmechanismen abzuleiten, (II) die Mineralogie und ihren Einfluss auf das geomechanische Verhalten und (III) die geochemische Zusammensetzung, die es ermöglicht, den Einfluss fluid-bezogener Alterationsprozesse auf Materialeigenschaften besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Variationen der Eigenschaften der Störungsgesteine, wie Mikrostrukturen und mineralogische Zusammensetzung, entlang der Störung nur untergeord- net auftreten und den Aufbau der Störungszone nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Darüber hinaus zeigen sie, dass der Aufbau der Störungszone, vor allem ihres Kerns, komplexer ist als bisher angenommen. Dies ist unerwartet für eine Störung in quartz- und feldspatreichem Gestein dieses Alters. Diese Sicht wird von Ergebnissen gestützt, die nahelegen, dass die Störung mehr als eine Hauptscherzone hat und dass diese ein anastomisierendes Netzwerk bilden, das sich bis in das Festgestein unterhalb der Deckschicht aus quartären Sedimenten erstreckt. Die Beobachtungen dieser Arbeit zeigen, dass zwei Prozesse, (I) Kataklase und (II) au- thigenes Mineralwachstum, den größten Einfluss auf die Rheologie der Alpine Fault haben. Das “velocity-weakening”-Verhalten der Hauptscherzonen und ihres Gesteinsmehls wird durch die große Anzahl von Nanopartikeln begünstigt, die das Rollen der Partikel zu Ungunsten von Gleitreibungsrutschen fördern. Die Zerstückelung des Umgebungsgesteins geht mit ko- seismischer, fluid-unterstützter Dilatanz einher, die die anschließende Zementierung durch Kalzit begünstigt. Diese, in Kombination mit authigenen Schichtsilikaten, stellt die petro- physikalischen Eigenschaften der Störungszone nach jedem Erdbeben schnell wieder her. Dichte Netzwerke anastomisierender und sich gegenseitig durchschlagender Kalzitadern und umfassend aufgearbeitetes Gesteinsmehl belegen, dass Verformung wiederholt in den dünnen Hauptscherbahnen lokalisiert wurde. Kalzitadern durschlagen sowohl das Gesteinsmehl der Hauptscherbahnen als auch das Geröll, das die oberflächennahe Sedimentabdeckung des Festgesteins im Liegenden darstellt. Dies und allgegenwärtige, undeformierte, euhedrale Chlorit-Kristalle belegen, dass authigenes Schichtsilikatwachstum, fluid-unterstütze Dilatanz und das damit einhergehende Heilen der Störung Prozesse sind, die auch nahe der Erdoberfläche wirken. Freigelegte Gesteine der Alpine Fault sind intensiver Verwitterung als direkter Folge des reichlich vorhandenen Steigungsregens, der sich aus der Lage der Störung am Fuß der Südalpen ergibt, ausgesetzt. Darüber hinaus wird die Rheologie der Störungsgesteine erheblich durch oberflächennahen Randbedingungen wie die Gegenüberstellung kompetenter Störungsgesteine des Hangenden mit wenig-konsolidierten Sedimenten des Liegenden beeinflusst. Dies hat zur Folge, dass sich mikrostrukturelle, mineralogische und geochemische Eigenschaften der freigelegten Störungsgesteine erheblich von denen in größeren Tiefen unterscheiden können und folglich nicht charakteristisch für den Großteil der Deformationsgeschichte sind. Beispiele hierfür sind (I) Smektitphasen in den Hauptscherzonen, die einen niedrigen Reibungskoeffizien- ten aufweisen, allerdings Artefakte von für die Mehrheit der Gesteine dieser Störung atypischer Temperaturen und petrophysikalischer Eigenschaften sind, (II) angelöste Minerale als Ergebnis oberflächennaher Verwitterung und nicht von Drucklösung und (III) ein interner Aufbau des Gesteinsmehls der Hauptscherbahnen, der komplexerer ist, als dies für das Äquivalent in größerer Tiefe zu erwarten wäre. Schließlich werden die Ergebnisse dieser Arbeit gemeinsam mit den Hauptbefunden und methodischen Ansätzen anderer Studien zu Störungszonen diskutiert und in Kontext zu Analysen von Scherzonen in Störungen und Hangrutschungen gestellt. Hangrutschungen sind, wie Störungen, bedeutende Naturgefahren, was die Notwendigkeit, ihre geomechanischen Eigenschaften zu charakterisieren, herausstreicht. Störungen, vor allem jene, die Ober- flächenprozessen ausgesetzt sind, und Hangrutschungen teilen viele Gemeinsamkeiten wie mineralogische Zusammensetzung und geomechanisches Verhalten, was vor allem zu Versagen mittels kataklastischer Mechanismen führt; allerdings ist aseismisches Kriechen, befördert durch Schichtsilikate mit niedrigem Reibungskoeffizienten, nicht ungewöhnlich. Folglich könnte der multidisziplinäre Ansatz, der in der Regel zur Untersuchung von Störungszonen herangezogen wird, dazu beitragen das Verständnis von Hangrutschungen zu verbessern und ihr Gefährdungspotential abzuschätzen. KW - Alpine Fault KW - fluid rock interaction KW - microstructures KW - fault healing KW - authigenic mineral formation KW - brittle deformation KW - fault zone architecture KW - strain localization KW - landslides KW - faults KW - mineral composition KW - deformation mechanisms KW - Alpine Fault KW - Fluid-Gesteins-Wechselwirkung KW - Mikrostrukturen KW - Fault Healing KW - authigene Mineralbildung KW - spröde Deformation KW - Störungszonenarchitektur KW - Lokalisierung von Verformung KW - Erdrutsche KW - Verwerfungen KW - Mineralzusammensetzung KW - Deformationsmechanismen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446129 ER - TY - THES A1 - Maerz, Sven T1 - Analyzing pore systems through comprehensive digital image analysis (DIA) T1 - Analyse von Porensystemen durch umfassende digitale Bildanalyse (DIA) BT - quantifying pore type geometry, detecting effective porosity and reconstructing pore system evolution BT - Quantifizierung der Geometrie von Porentypen, Erfassung der effektiven Porosität und Rekonstruktion der Porenraumentwicklung N2 - Carbonates tend to have complex pore systems which are often composed of distinct assemblages of genetically and geometrically different pore types at various scales (e.g., Melim et al., 2001; Lee et al., 2009; He et al., 2014; Dernaika & Sinclair, 2017; Zhang et al., 2017). Such carbonate-typical multimodal pore systems are the result of both primary depositional processes and multiple stages of postdepositional modifications, causing small-scale heterogeneities in pore system properties and leading to the co-occurrence of both effective and ineffective pore types. These intrinsic variations in pore type effectiveness are the main reason for the often low correlation between porosity and permeability in carbonate pore systems (e.g., Mazzullo 2004; Ehrenberg & Nadeau, 2005; Hollis et al., 2010; He et al., 2014; Rashid et al., 2015; Dernaika & Sinclair, 2017), as it is also true for the marginal lacustrine carbonates studied in this thesis. However, by extracting interconnected and thus effective pore types, and simultaneously excluding isolated and ineffective pores, the understanding and prediction of permeability for given porosity can be highly enhanced (e.g., Melim et al., 2001; Zhang et al., 2017). In this thesis, a step-by-step workflow based on digital image analysis (DIA) is presented and performed on 32 facies-representative samples of marginal lacustrine carbonates from the Middle Miocene Nördlinger Ries crater lake (Southern Germany), resulting in 77 mean values of pore type effectiveness which are based on 23,508 individual pore geometry data. By using pore shape factor γ (sensu Anselmetti et al., 1998) as a parameter to quantitatively describe pore shape complexity and therefore pore interconnectivity, the potential contribution (Kcontr.) of each pore type to total permeability (Ktotal) is calculated, and the most effective pore types are then identified. As a result, primary interpeloidal pores and secondary vugs are the most effective pore types in the studied marginal lacustrine succession, mainly due to their generally big size and complex shape, leading to an excellent interconnection between both pore types and consequently to the establishment of a highly effective pore network. Both pore types together compose the pore system of the peloidal grainstone facies. Therefore, this lithofacies type has been identified as the sedimentary facies with highest porosity-permeability properties in this marginal lacustrine succession. By applying the DIA-based method to 23 additional samples from the studied outcrop which all show extensive partial to complete cementation of preexisting pores, the impact of cementation on pore geometry and therefore on porosity and permeability is quantified. This results in a cementation reduction value for each relevant parameter which can then be used to enhance precision of predicting porosity and permeability within the studied succession. Furthermore, the concept of using pore shape complexity as a proxy parameter for pore system effectiveness is tested by applying an independent method (i.e., fluid flow simulation) to the dataset. DIA is then used once again to evaluate the outcome of fluid flow simulation. The results confirm the previous findings that interpeloidal pores and vugs together build up the most effective pore system in the Ries lake carbonates. Finally, the extraction of the interconnected (i.e., effective) pore network leads to an improved correlation between porosity and permeability within the studied carbonates. The step-by-step workflow described in this thesis provides a quantitative petrographic method to identify and extract effective porosity from the pore system, which is crucial for understanding how carbonate pore systems generate permeability. This thesis also demonstrates that pore shape complexity is the most important geometrical parameter controlling pore interconnection and consequently the formation of effective porosity. It further emphasizes that pore shape factor γ (sensu Anselmetti et al. 1998) is a very robust and scale-independent proxy parameter to quantify pore type effectiveness. Additionally, DIA proves to be an ideal tool to directly link porosity and permeability to their mutual origin: the rock fabric and associated pore structure. N2 - Der Porenraum eines Karbonatgesteins ist zumeist aus einer spezifischen Vergesellschaftung verschiedenster Porentypen aufgebaut, die eine unterschiedliche Herkunft aufweisen und zusätzlich in ihrer Form und Größe stark variieren können (e.g., Melim et al., 2001; Lee et al., 2009; He et al., 2014; Dernaika & Sinclair, 2017; Zhang et al., 2017). Diese für Karbonate typischen multimodalen Porensysteme entstehen sowohl durch primäre Ablagerungsprozesse, als auch durch mehrmalige Modifikation des Porenraumes nach Ablagerung des Sediments. Dies führt zu einer ungleichen Verteilung der Porenraumeigenschaften auf engstem Raum und das zeitgleiche Auftreten von effektiven und ineffektiven Poren. Diese immanenten Unterschiede in der Effektivität einzelner Porentypen sind der Hauptgrund für die häufig sehr niedrige Korellation zwischen Porosität und Permeabilität in Karbonaten (e.g., Mazzullo 2004; Ehrenberg & Nadeau, 2005; Hollis et al., 2010; He et al., 2014; Rashid et al., 2015; Dernaika & Sinclair, 2017). Durch die Extraktion von miteinander verbundenen und somit effektiven Porentypen jedoch kann das Verständnis und die Vorhersage der Permeabilität für einen gegeben Porositätswert stark verbessert werden (e.g., Melim et al., 2001; Zhang et al., 2017). Dazu wird in dieser Arbeit eine auf der digitalen Bildanalyse (DIA) beruhende Methode vorgestellt, mit der schrittweise die Effektivität von Poren aus den analysierten mittelmiozänen lakustrinen Karbonaten des Nördlinger Ries Kratersees (Süddeutschland) berechnet werden kann. Mithilfe des Porenformfaktors  (sensu Anselmetti et al., 1998), der als Parameter zur Quantifizierung der Interkonnektivität zwischen Poren dient, wird der potentiellen Beitrag an Permeabilität jedes Porentyps zur Gesamtpermeabilität bestimmt. Somit können die effektivsten Porentypen innerhalb der analysierten Karbonate identifiziert werden. Desweiteren wird die digitale Bildanalyse dazu benutzt, zementierte Porenräume zu extrahieren, um den Einfluss der Zementation auf die Porenraumeigenschaften zu quantifizieren. Durch eine unabhängige Methode (Fluid-Flow-Simulation), deren Ergebnisse wiederum mit der digitalen Bildanalyse ausgewertet werden, können die vorherigen Erkentnisse bestätigt werden: Interpeloidale Poren und Lösungsporen sind die beiden effektivsten Porentypen im Porenraum der Riesseekarbonate. Die Extraktion des miteinander verbundenen (d.h. effektiven) Porennetzwerkes führt schließlich zu einer erheblich verbesserten Korrelation zwischen Porosität und Permeabilität in den analysierten Karbonaten. Die in dieser Arbeit beschriebene Methode bietet ein quantitatives petrographisches Werkzeug, mit dessen Hilfe die effektive Porosität eines Porenraumes extrahiert werden kann. Dies führt zu einem besseren Verständnis darüber, wie Porensysteme von Karbonaten Permeabilität erzeugen. Diese Dissertation zeigt auch, dass die Formkomplexität von Poren einer der wichtigsten Parameter ist, der die Interkonnektivität zwischen einzelnen Poren und somit die Entstehung von effektiver Porosität steuert. Außerdem erweist sich die digitale Bildanalyse als ausgezeichnetes Werkzeug um die Porosität und Permeabilität direkt an ihren gemeinsamen Ursprung zu knüpfen: die Gesteinstextur und die damit assoziierte Porenstruktur. KW - digital image analysis KW - digitale Bildanalyse KW - effective porosity KW - effektive Porosität KW - carbonate pore types KW - Porentypen in Karbonate Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445880 ER -