TY - THES A1 - Schröder, Sarah T1 - Modelling surface evolution coupled with tectonics T1 - Modellierung von Oberflächenprozessen gekoppelt mit Tektonik BT - A case study for the Pamir BT - Eine Fallstudie zum Pamir N2 - This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west. N2 - Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung, berechnet durch einen neuen Verteilungs-Algorithmus, verbessert die Modellierung von Flusssystemen. Flüsse sind dabei repräsentiert durch eine unterschiedliche Anzahl an Zellen orthogonal zur Fließrichtung. Ihre Breite wird nach empirischen Gesetzen ermittelt. Die präsentierten Anwendungen dienen der Studie des Pamirgebirges. Zunächst werden die Modellparameter anhand von Einschneidungs- und Erosionsraten sowie Sedimentdurchflüssen kalibriert. Ein digitales Höhenmodell dient als Anfangstopographie und zur Extraktion von Flussprofilen. Laterale Einschneidung zeigt eine deutliche Verbesserung zu bisher vorhandenen Modellen. Sie ermöglicht die Erhaltung der Flussbreite und zeigt hohe Einschneidungsraten in engen Flusspassagen. Modelle von Flussanzapfungen in einem System paralleler Verwerfungen bestätigen die Wichtigkeit von lateraler Einschneidung für Flussanzapfungsmodelle, die Hangerosion einbeziehen. Während die Modelle eine geringe Wahrscheinlichkeit von Flussanzapfungen mit hohem Ablenkungswinkel zeigen, belegen sie auch, dass deren (allgemeine) Wahrscheinlichkeit direkt von der Hebungsrate der Verwerfungen abhängt. Die Erodibilität beschleunigt lediglich die Geschwindigkeit von Flussanzapfungen. Ein Modell, das die Codes SLIM 3D und DANSER koppelt, dokumentiert die vielseitige Verwendbarkeit des neuen Codes: Es zeigt einen geringen Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Lithosphärendeformation, während die Sedimentationsroutine erheblich auf spröde Oberflächendeformationen einwirkt. Das Modell legt nahe, dass Sedimentation ein zwischen zwei entstehenden Gebirgen gelegenes Becken weitet. Außerdem weitet sich der südlich von der interkontinentalen Kollisionszone gelegene Teil des Gebirge-Models ebenfalls durch Sedimentation. KW - erosion KW - coupling KW - SEC KW - surface evolution KW - thermo-mechanics KW - surface processes KW - DANSER KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - tectonics KW - modelling KW - modeling KW - numerical model KW - simulation KW - surface KW - fluvial incision KW - hillslope diffusion KW - finite differences KW - finite elements KW - Eulerian grid KW - DANSER KW - DANSER KW - Erosion KW - Modellierung KW - Tektonik KW - Koppelung KW - SEC KW - numerische Modellierung KW - Oberflächenprozesse KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - Tiefendeformation KW - Software KW - Simulation KW - Oberfläche KW - fluviale Einschneidung KW - Hangerosion KW - finite Differenzen KW - finite Elemente KW - Eulerische Gitter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385 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 - Munz, Matthias T1 - Water flow and heat transport modelling at the interface between river and aquifer T1 - Wasserfluss- und Wärmetransportmodellierung an der Schnittstelle zwischen Fluss und Grundwasserleiter N2 - The functioning of the surface water-groundwater interface as buffer, filter and reactive zone is important for water quality, ecological health and resilience of streams and riparian ecosystems. Solute and heat exchange across this interface is driven by the advection of water. Characterizing the flow conditions in the streambed is challenging as flow patterns are often complex and multidimensional, driven by surface hydraulic gradients and groundwater discharge. This thesis presents the results of an integrated approach of studies, ranging from the acquisition of field data, the development of analytical and numerical approaches to analyse vertical temperature profiles to the detailed, fully-integrated 3D numerical modelling of water and heat flux at the reach scale. All techniques were applied in order to characterize exchange flux between stream and groundwater, hyporheic flow paths and temperature patterns. The study was conducted at a reach-scale section of the lowland Selke River, characterized by distinctive pool riffle sequences and fluvial islands and gravel bars. Continuous time series of hydraulic heads and temperatures were measured at different depths in the river bank, the hyporheic zone and within the river. The analyses of the measured diurnal temperature variation in riverbed sediments provided detailed information about the exchange flux between river and groundwater. Beyond the one-dimensional vertical water flow in the riverbed sediment, hyporheic and parafluvial flow patterns were identified. Subsurface flow direction and magnitude around fluvial islands and gravel bars at the study site strongly depended on the position around the geomorphological structures and on the river stage. Horizontal water flux in the streambed substantially impacted temperature patterns in the streambed. At locations with substantial horizontal fluxes the penetration depths of daily temperature fluctuations was reduced in comparison to purely vertical exchange conditions. The calibrated and validated 3D fully-integrated model of reach-scale water and heat fluxes across the river-groundwater interface was able to accurately represent the real system. The magnitude and variations of the simulated temperatures matched the observed ones, with an average mean absolute error of 0.7 °C and an average Nash Sutcliffe Efficiency of 0.87. The simulation results showed that the water and heat exchange at the surface water-groundwater interface is highly variable in space and time with zones of daily temperature oscillations penetrating deep into the sediment and spots of daily constant temperature following the average groundwater temperature. The average hyporheic flow path temperature was found to strongly correlate with the flow path residence time (flow path length) and the temperature gradient between river and groundwater. Despite the complexity of these processes, the simulation results allowed the derivation of a general empirical relationship between the hyporheic residence times and temperature patterns. The presented results improve our understanding of the complex spatial and temporal dynamics of water flux and thermal processes within the shallow streambed. Understanding these links provides a general basis from which to assess hyporheic temperature conditions in river reaches. N2 - Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst. Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser. Die Arbeit besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten. Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Entwicklung und Bewertung von analytischen und numerischen Methoden zur Bestimmung der horizontalen Strömungsrichtung und Austauschraten unter Verwendung von kontinuierlich gemessenen Temperaturzeitreihen entlang vertikaler Profile im gesättigten Sediment. Flussbetttemperaturen können relativ einfach und kostengünstig entlang eines Flussabschnittes in verschiedenen Tiefen und unterschiedlichsten Flussbettsedimenten (organisch, sandig bis grob kiesig) gemessen werden. Die Hauptverwendung solcher Temperaturprofile ist bisher auf die analytische Quantifizierung vertikaler Austauschraten limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, der eine punktuelle Ermittlung der horizontalen Strömungs-komponente, basierend auf der Veränderung der täglichen Temperaturamplitude mit zunehmender Tiefe, ermöglicht. Weiterhin wurde ein inverser, numerischer Ansatz entwickelt, der die ein-dimensionale Wärmetransportgleichung numerisch löst und mittels inverser Optimierungsalgorithmen die simulierten Temperaturen bestmöglich an die gemessenen Flussbetttemperaturen anpasst. Diese Methode ermöglicht die automatische, zeitlich variable Quantifizierung vertikaler Austauschraten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie eine einfache Unsicherheitsbetrachtung aufgrund der zugrunde liegenden Parameterunsicherheiten. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der entwickelten Methoden und der Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmodelles entlang eines Flussabschnittes der Selke. Numerische Strömungs- und Stofftransportmodelle ermöglichen die gekoppelte Simulation von Fließprozessen im offenen Gerinne und im darunter liegenden porösen Medium. Die Parametrisierung des Modells erfolgte anhand empirischer Daten die im Untersuchungsgebiet detailliert erhoben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen gebietsspezifische Gegebenheiten auf, ermöglichten darüber hinaus jedoch auch die Beschreibung allgemeiner Muster und Zusammenhänge welche die Wasserfluss- und Wärmetransportprozesse an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen. So zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass maßgeblich die natürlich vorhandenen Flussbettstrukturen die Austauschraten und die Strömungsrichtung zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen und somit den hyporheischen Austausch bestimmen. Wichtige Einflussfaktoren auf die untersuchten Austauschprozesse waren die Lage im Gerinne relativ zur Flussbettstruktur und der vorherrschende Wasserstand (Abfluss). Bedingt durch den Wasser- und Wärmeaustausch prägten sich im Untersuchungsgebiet Bereiche aus in denen die täglichen Temperaturschwingungen tief in das Sediment eindringen (Anstrombereich der Flussbettstrukturen), als auch Bereiche in denen relativ konstante Temperaturen, nahe der Grundwassertemperatur, vorherrschten. Die durchschnittliche Temperatur in der hyporheischen Zone wurde durch die saisonalen Temperaturschwankungen im Oberflächenwasser dominiert, wobei die Temperaturen entlang einzelner Fließpfade stark von der Verweilzeit des Oberflächen- oder Grundwassers im gesättigten Sediment und dem Temperaturgradienten zwischen Fluss und Grundwasser abhängig waren. Trotz der Komplexität dieser Zusammenhänge, ermöglichten die Simulationsergebnisse die Ableitung einer allgemeinen empirischen Beziehung zwischen den hyporheischen Verweilzeiten und Temperaturmustern. Sowohl die Verweilzeiten als auch die Temperatur im gesättigten Sediment haben einen entscheiden Einfluss auf biogeochemische Prozesse in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser und sind somit von besonderer Bedeutung für die Wasserqualität von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. KW - surface water-groundwater interaction KW - Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktion KW - hyporheic zone KW - hyporheische Zone KW - numerical modeling KW - numerische Modellierung KW - heat transport KW - Wärmetransport KW - temperature KW - Temperatur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404319 ER - TY - THES A1 - Mulyukova, Elvira T1 - Stability of the large low shear velocity provinces T1 - Stabilität der basalen Melange im untersten Erdmantel BT - numerical modeling of thermochemical mantle convection BT - numerische Modellierung thermochemischer Mantelkonvektion N2 - We study segregation of the subducted oceanic crust (OC) at the core mantle boundary and its ability to accumulate and form large thermochemical piles (such as the seismically observed Large Low Shear Velocity Provinces - LLSVPs). Our high-resolution numerical simulations suggest that the longevity of LLSVPs for up to three billion years, and possibly longer, can be ensured by a balance in the rate of segregation of high-density OC-material to the CMB, and the rate of its entrainment away from the CMB by mantle upwellings. For a range of parameters tested in this study, a large-scale compositional anomaly forms at the CMB, similar in shape and size to the LLSVPs. Neutrally buoyant thermochemical piles formed by mechanical stirring - where thermally induced negative density anomaly is balanced by the presence of a fraction of dense anomalous material - best resemble the geometry of LLSVPs. Such neutrally buoyant piles tend to emerge and survive for at least 3Gyr in simulations with quite different parameters. We conclude that for a plausible range of values of density anomaly of OC material in the lower mantle - it is likely that it segregates to the CMB, gets mechanically mixed with the ambient material, and forms neutrally buoyant large scale compositional anomalies similar in shape to the LLSVPs. We have developed an efficient FEM code with dynamically adaptive time and space resolution, and marker-in-cell methodology. This enabled us to model thermochemical mantle convection at realistically high convective vigor, strong thermally induced viscosity variations, and long term evolution of compositional fields. N2 - Es wird allgemein akzeptiert, dass Mantelkonvektion - das langsame Fließen der Mantelgesteine, das mutmaßlich ein wichtiger Antrieb der Plattentektonik ist - von Dichteunterschieden verursacht wird, die thermischen aber auch chemischen Ursprungs sind. Es fehlen aber Kenntnisse über die thermochemischen Prozesse im Erdinneren, vor allem wegen Schwierigkeiten bei der Beobachtung. Eines der zuverlässigsten Resultate von tomographischen Beobachtungen ist die Existenz von zwei Haufen einer basalen Melange (BAM, LLSVP auf Englisch), die sich auf gegenüber liegenden Seiten in 3000 km Tiefe am Boden des Mantels unter Afrika bzw dem Pazifik befinden. Die niedrige Scherwellengeschwindigkeit in der BAM scheint eine thermischen (heiß) sowie einen chemischen (Material mit hoher Dichte) Ursprung zu haben. Aufgrund von plattentektonischen Rekonstruktionen wird angenommen dass die BAM langlebig und stabil sind, und dass sie von überwiegend von ihren Rändern hochquellenden Manteldiapiren beprobt werden. Die Hauptfrage meiner Doktorarbeit ist, wie solche großen chemischen Speicher wie die BAM sich bilden und über hunderte von Millionen Jahren überleben können, ohne dass sie von der Mantelkonvektion zerstört werden. Was sind die physikalischen Eigenschaften des BAM-Materials, z.B. Dichte, die dazu beitragen? Ich benutze numerische Modellierung um zu erforschen, wie sich eine dichte Bodenschicht bildet und wie die Mantelkonvektion Material daraus mitnimmt. Mein Ziel ist, die langfristige thermochemische Entwicklung des Erdmantels zu verstehen, insbesondere die Rolle der Dichteheterogeintäten Viskosität im untersten Mantel. KW - earth's mantle KW - thermochemical mantle convection KW - numerical modeling KW - Erdmantel KW - thermochemischer Mantelkonvektion KW - numerische Modellierung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82228 ER - TY - THES A1 - Muldashev, Iskander T1 - Modeling of the great earthquake seismic cycles T1 - Modellierung der seismischen Zyklen von Mega-Erdbeben N2 - The timing and location of the two largest earthquakes of the 21st century (Sumatra, 2004 and Tohoku 2011, events) greatly surprised the scientific community, indicating that the deformation processes that precede and follow great megathrust earthquakes remain enigmatic. During these phases before and after the earthquake a combination of multi-scale complex processes are acting simultaneously: Stresses built up by long-term tectonic motions are modified by sudden jerky deformations during earthquakes, before being restored by multiple ensuing relaxation processes. This thesis details a cross-scale thermomechanical model developed with the aim of simulating the entire subduction process from earthquake (1 minute) to million years’ time scale, excluding only rupture propagation. The model employs elasticity, non-linear transient viscous rheology, and rate-and-state friction. It generates spontaneous earthquake sequences, and, by using an adaptive time-step algorithm, recreates the deformation process as observed naturally over single and multiple seismic cycles. The model is thoroughly tested by comparing results to those from known high- resolution solutions of generic modeling setups widely used in modeling of rupture propagation. It is demonstrated, that while not modeling rupture propagation explicitly, the modeling procedure correctly recognizes the appearance of instability (earthquake) and correctly simulates the cumulative slip at a fault during great earthquake by means of a quasi-dynamic approximation. A set of 2D models is used to study the effects of non-linear transient rheology on the postseismic processes following great earthquakes. Our models predict that the viscosity in the mantle wedge drops by 3 to 4 orders of magnitude during a great earthquake with magnitude above 9. This drop in viscosity results in spatial scales and timings of the relaxation processes following the earthquakes that are significantly different to previous estimates. These models replicate centuries long seismic cycles exhibited by the greatest earthquakes (like the Great Chile 1960 Earthquake) and are consistent with the major features of postseismic surface displacements recorded after the Great Tohoku Earthquake. The 2D models are also applied to study key factors controlling maximum magnitudes of earthquakes in subduction zones. Even though methods of instrumentally observing earthquakes at subduction zones have rapidly improved in recent decades, the characteristic recurrence interval of giant earthquakes (Mw>8.5) is much larger than the currently available observational record and therefore the necessary conditions for giant earthquakes are not clear. Statistical studies have recognized the importance of the slab shape and its surface roughness, state of the strain of the upper plate and thickness of sediments filling the trenches. In this thesis we attempt to explain these observations and to identify key controlling parameters. We test a set of 2D models representing great earthquake seismic cycles at known subduction zones with various known geometries, megathrust friction coefficients, and convergence rates implemented. We found that low-angle subduction (large effect) and thick sediments in the subduction channel (smaller effect) are the fundamental necessary conditions for generating giant earthquakes, while the change of subduction velocity from 10 to 3.5 cm/yr has a lower effect. Modeling results also suggest that having thick sediments in the subduction channel causes low static friction, resulting in neutral or slightly compressive deformation in the overriding plate for low-angle subduction zones. These modeling results agree well with observations for the largest earthquakes. The model predicts the largest possible earthquakes for subduction zones of given dipping angles. The predicted maximum magnitudes exactly threshold magnitudes of all known giant earthquakes of 20th and 21st centuries. The clear limitation of most of the models developed in the thesis is their 2D nature. Development of 3D models with comparable resolution and complexity will require significant advances in numerical techniques. Nevertheless, we conducted a series of low-resolution 3D models to study the interaction between two large asperities at a subduction interface separated by an aseismic gap of varying width. The novelty of the model is that it considers behavior of the asperities during multiple seismic cycles. As expected, models show that an aseismic gap with a narrow width could not prevent rupture propagation from one asperity to another, and that rupture always crosses the entire model. When the gap becomes too wide, asperities do not interact anymore and rupture independently. However, an interesting mode of interaction was observed in the model with an intermediate width of the aseismic gap: In this model the asperities began to stably rupture in anti-phase following multiple seismic cycles. These 3D modeling results, while insightful, must be considered preliminary because of the limitations in resolution. The technique developed in this thesis for cross-scale modeling of seismic cycles can be used to study the effects of multiple seismic cycles on the long-term deformation of the upper plate. The technique can be also extended to the case of continental transform faults and for the advanced 3D modeling of specific subduction zones. This will require further development of numerical techniques and adaptation of the existing advanced highly scalable parallel codes like LAMEM and ASPECT. N2 - Zeitpunkt und Ort der zwei größten Erdbeben des 21. Jahrhunderts (Sumatra 2004 und Tohoku 2011) überraschten die wissenschaftliche Gemeinschaft, da sie darauf hindeuten, dass die einem Megathrust-Erdbeben vorangehenden und folgenden Deformationsprozesse weiterhin rästelhaft bleiben. Ein Problem ist die komplexe Art der Subduktionsprozesse auf unterschiedlichen Skalen. Spannungen werden durch langzeitliche, tektonische Bewegungen aufgebaut, von plötzlicher, ruckartiger Deformation während Erdbeben modifiziert und anschließend durch verschiedene Entspannungsprozesse wiederhergestellt. In dieser Arbeit wird ein skalen-übergreifendes thermomechanisches Modell entwickelt mit dem Ziel den vollständigen Subduktionsprozess von kleiner Skala (Minuten, z.B. Erdbeben) bis zu Millionen Jahren zu simulieren. Dabei bleibt nur das dynamische Prozess der unberücksichtigt. Das Modell nutzt Elastizität, nicht-lineare transient viskose Rheologie und „rate-and-state“ Reibungsgesetz. Es erzeugt spontane Erdbeben-Sequenzen und stellt durch das Nutzen eines adaptiven Zeitschritt Algorithmus den Deformationsprozess nach, wie er in der Natur während einzelner und mehrerer seismischer Zyklen beobachtet wird. Anhand der 2D-Modell Reihe werden die Effekte der nicht-linearen transient (viskosen) Rheologie auf postseismische Prozesse nach großen Erdbeben untersucht. Die Modelle sagen eine Verringerung der Mantelkeil-Viskosität um 3 bis 4 Größenordnungen während der großen Erdbeben (Mw > 9) vorher. Im Gegensatz zur momentanen Meinung, ergeben sich andere räumliche und zeitliche Verteilungen des Entspannungsprozesses nach großen Erdbeben. Jahrhunderte lange seismische Zyklen, wie zum Beispiel das große Erdbeben in Chile 1960, werden reproduziert und stimmen mit den Hauptmerkmalen der postseismischen Oberflächenverschiebungen überein, die nach dem großen Tohoku Erdbeben aufgezeichnet wurden. Mithilfe der 2D-Modelle werden außerdem Schlüsselfaktoren untersucht, die die maximale Magnitude von Erdbeben bestimmen. Obwohl die instrumentellen Methoden zur Beobachtung von Erdbeben in Subduktionszonen in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert wurden, kann das Auftreten der größten Erdbeben (Mw > 8.5) und die dafür vorrauszusetzenden Bedingungen nicht genau bestimmt werden, da die charackeristische Zeit für ein Wiederauftreten deutlich größer als der Beobachtungszeitraum ist. Wir versuchen in dieser Arbeit diese Beobachtungen zu erklären und die kontrollierenden Schlüsselfaktoren zu bestimmen. Eine 2D-Modell Reihe mit großen, seismischen Erdbebenzyklen untersucht unterschiedliche Geometrien von Subduktionszonen sowie Reibungskoeffizieten an der Subduktions Platten-Grenzoberfläche und Konvergenzraten. Subduktion mit geringem Winkel (großer Effekt) und mächtige Sedimente im Subduktionskanal (kleiner Effekt) sind grundlegend notwendige Bedingungen für riesige Erdbeben, während eine Änderung des Reibungsparameters nur geringe Auswirkungen hat. Die Modellierungsergebnisse sind in viiÜbereinstimmung mit den Beobachtungen von den größten Erdbeben. Die maximale vohergesagte Magnituden liegen an der oberen Grenze alle historische Beben der 20. und 21. Jahrhunderden. Die größte Einschränkung der entwickelten Modelle ist ihre 2-dimensionale Natur. Um die Interaktion zwischen zwei großen Unebenheiten („asperities“) auf der Subduktions Platten-Grenzoberfläche, die von einer aseismischen Lücke („gap“) voneinander getrennt sind, zu untersuchen, wurde eine 3D-Modell Reihe mit geringer Auflösung durchgeführt. Neu an diesem Modell ist, dass das Verhalten der Unebenheiten während mehrerer seismischer Zyklen berücksichtigt wird. Wie erwartet zeigt das Modell, dass eine schmale, aseismische Lücke ein Propagieren von Brüchen von einer Unebenheit zur nächsten nicht verhindern kann und diese Brüche das gesamte Modell durchkreuzen. Wird die Lücke zu groß interagieren die Unebenheiten nicht mehr miteinander und brechen unabhängig voneinander. Allerdings wurde in dem Modell mit mittlerer Breite der aseismischen Lücke eine interessante Art von Interaktion beobachtet: Nach einigen seismischen Zyklen beginnen die Unebenheiten kontinuerlich und zwar in Gegen-Phasen zu brechen. Diese Ergebnisse sind andeutend, aber können aufgrund der geringen Auflösung des Models nur als vorläufig angesehen werden und erfordern weitere Bestätigung mit hoch-auflösenden Modellen. KW - earthquake modeling KW - seismic cycle modeling KW - subduction KW - numerical modeling KW - Erdbeben Modellierung KW - Modellierung des seismischen Zyklus KW - Subduktion KW - numerische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398926 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 - Korges, Maximilian T1 - Constraining the hydrology of intrusion-related ore deposits with fluid inclusions and numerical modeling T1 - Bestimmung der Hydrologie von Erzlagerstätten an Intrusionen mit Flüssigkeitseinschlüssen und numerischer Modellierung N2 - Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids. N2 - Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft. KW - fluid inclusions KW - numerical modeling KW - Flüssigkeitseinschlüsse KW - numerische Modellierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434843 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 - Dannberg, Juliane T1 - Dynamics of mantle plumes T1 - Dynamik von Mantelplumes BT - linking scales and coupling physics BT - gekoppelte und skalenübergreifende Modelle N2 - Mantle plumes are a link between different scales in the Earth’s mantle: They are an important part of large-scale mantle convection, transporting material and heat from the core-mantle boundary to the surface, but also affect processes on a smaller scale, such as melt generation and transport and surface magmatism. When they reach the base of the lithosphere, they cause massive magmatism associated with the generation of large igneous provinces, and they can be related to mass extinction events (Wignall, 2001) and continental breakup (White and McKenzie, 1989). Thus, mantle plumes have been the subject of many previous numerical modelling studies (e.g. Farnetani and Richards, 1995; d’Acremont et al., 2003; Lin and van Keken, 2005; Sobolev et al., 2011; Ballmer et al., 2013). However, complex mechanisms, such as the development and implications of chemical heterogeneities in plumes, their interaction with mid-ocean ridges and global mantle flow, and melt ascent from the source region to the surface are still not very well understood; and disagreements between observations and the predictions of classical plume models have led to a challenge of the plume concept in general (Czamanske et al., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Hence, there is a need for more sophisticated models that can explain the underlying physics, assess which properties and processes are important, explain how they cause the observations visible at the Earth’s surface and provide a link between the different scales. In this work, integrated plume models are developed that investigate the effect of dense recycled oceanic crust on the development of mantle plumes, plume–ridge interaction under the influence of global mantle flow and melting and melt migration in form of two-phase flow. The presented analysis of these models leads to a new, updated picture of mantle plumes: Models considering a realistic depth-dependent density of recycled oceanic crust and peridotitic mantle material show that plumes with excess temperatures of up to 300 K can transport up to 15% of recycled oceanic crust through the whole mantle. However, due to the high density of recycled crust, plumes can only advance to the base of the lithosphere directly if they have high excess temperatures, high plume volumes and the lowermost mantle is subadiabatic, or plumes rise from the top or edges of thermo-chemical piles. They might only cause minor surface uplift, and instead of the classical head–tail structure, these low-buoyancy plumes are predicted to be broad features in the lower mantle with much less pronounced plume heads. They can form a variety of shapes and regimes, including primary plumes directly advancing to the base of the lithosphere, stagnating plumes, secondary plumes rising from the core–mantle boundary or a pool of eclogitic material in the upper mantle and failing plumes. In the upper mantle, plumes are tilted and deflected by global mantle flow, and the shape, size and stability of the melting region is influenced by the distance from nearby plate boundaries, the speed of the overlying plate and the movement of the plume tail arriving from the lower mantle. Furthermore, the structure of the lithosphere controls where hot material is accumulated and melt is generated. In addition to melting in the plume tail at the plume arrival position, hot plume material flows upwards towards opening rifts, towards mid-ocean ridges and towards other regions of thinner lithosphere, where it produces additional melt due to decompression. This leads to the generation of either broad ridges of thickened magmatic crust or the separation into multiple thinner lines of sea mount chains at the surface. Once melt is generated within the plume, it influences its dynamics, lowering the viscosity and density, and while it rises the melt volume is increased up to 20% due to decompression. Melt has the tendency to accumulate at the top of the plume head, forming diapirs and initiating small-scale convection when the plume reaches the base of the lithosphere. Together with the introduced unstable, high-density material produced by freezing of melt, this provides an efficient mechanism to thin the lithosphere above plume heads. In summary, this thesis shows that mantle plumes are more complex than previously considered, and linking the scales and coupling the physics of different processes occurring in mantle plumes can provide insights into how mantle plumes are influenced by chemical heterogeneities, interact with the lithosphere and global mantle flow, and are affected by melting and melt migration. Including these complexities in geodynamic models shows that plumes can also have broad plume tails, might produce only negligible surface uplift, can generate one or several volcanic island chains in interaction with a mid–ocean ridge, and can magmatically thin the lithosphere. N2 - Mantelplumes verbinden Prozesse auf verschiedenen Skalen im Erdmantel: Sie sind ein wichtiger Teil der globalen Mantelkonvektion, sie transportieren Material und Wärmeenergie von der Kern-Mantel-Grenze zur Erdoberfläche, aber beeinflussen auch kleinskaligere Prozesse wie Schmelzbildung und -transport und die damit verbundenen magmatischen Ereignisse. Wenn Plumes die Unterseite der Lithosphäre erreichen, entstehen große Mengen partiell geschmolzenen Gesteins, was zu großräumigen Vulkaneruptionen sowie der Entstehung von Plateaubasaltprovinzen führt, und auch mit Massenaussterbeereignissen und dem Auseinanderbrechen von Kontinenten in Zusammenhang stehen kann. Aufgrund dieser erdgeschichtlichen Bedeutung wurde bereits eine große Anzahl an Studien über Plumes durchgeführt (z.B. Farnetani und Richards, 1995; d’Acremont u. a., 2003; Lin und van Keken, 2005; Sobolev u. a., 2011; Ballmer u. a., 2013). Trotzdem ist unser Verständnis komplexerer Vorgänge und Interaktionen in Plumes noch nicht vollständig: Beispiele sind die Entwicklung von chemisch heterogenen Plumes, der Einfluss dieses chemisch andersartigen Materials auf die Aufstiegsdynamik, die Wechselwirkung zwischen Plumes und mittelozeanischen Rücken sowie den globalen Konvektionsströmungen und das Aufsteigen von Schmelze von ihrer Entstehungsregion bis hin zur Erdoberfläche. Unterschiede zwischen Beobachtungen und den Aussagen klassischer Modelle werden als Argumente gegen das Plumekonzept insgesamt angeführt (Czamanske u. a., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Daher gibt es weiterhin einen Bedarf für ausgereiftere Modelle, welche die Skalen verschiedener Prozesse verbinden, den Einfluss dieser Prozesse sowie der Material- und Strömungseigenschaften berücksichtigen und quantifizieren, ihre Auswirkungen an der Erdoberfläche erklären und diese mit Beobachtungen vergleichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Plume-Modelle erstellt, welche den Einfluss dichter, recycelter ozeanischer Kruste auf die Entwicklung van Mantelplumes, die Interaktion von Plumes und mittelozeanischen Rücken und den Einfluss globaler Mantelkonvektion sowie Aufschmelzung und Schmelzaufstieg in Form von Zweiphasenströmung (“two-phase flow”) untersuchen. Die vorgestellte Analyse dieser Modelle ergibt ein neues, aktualisiertes Konzept von Mantelplumes: Wenn ein realistischer Dichteunterschied zwischen recycelter ozeanischer Kruste und peridotitischem Mantel angenommen wird, kann ein Plume bis zu 15% recyceltes Material durch den gesamten Mantel transportieren. Durch die hohe Dichte der recycelten Kruste können Plumes aber nur bis zur Lithosphäre aufsteigen, wenn ihre Temperatur und ihr Volumen hoch genug sind, und wenn die Temperatur im unteren Mantel subadiabatisch ist oder die Plumes von aufgewölbten thermo-chemischen “Piles” aufsteigen. Es ist durchaus möglich, dass diese Plumes nur eine geringe Hebung der Oberfläche verursachen, und anstatt der klassischen pilzförmigen Kopf-Tail-Struktur bilden sie breite Strukturen im unteren Mantel mit weitaus weniger ausgeprägtem Plumekopf. Dafür können sie in verschiedenen Formen und Regimes auftreten: Primäre Plumes, welche direkt von der Kern-Mantel-Grenze zur Lithosphäre aufsteigen, stagnierende Plumes, sekundäre Plumes von der Kernmantelgrenze oder einer Ansammlung eklogitischen Materials im oberen Mantel und scheiternde Plumes, die die Lithosphäre nicht erreichen. Im oberen Mantel werden Plumes durch globale Konvektion abgelenkt und geneigt, und die Form, Größe und Stabilität der Schmelzregion wird durch den Abstand zu nahen Plattengrenzen, der Geschwindigkeit der sich darüber bewegenden Platte und der Bewegung des aus dem unteren Mantel ankommenden Plume-Tails bestimmt. Weiterhin beeinflusst auch die Struktur der Lithosphäre wo sich warmes Material sammeln kann und Schmelze entsteht. Zusätzlich zur Aufschmelzung beim Erreichen der Untergrenze der Lithosphäre strömt heißes Plumematerial auch lateral und weiter nach oben zu sich öffnenden Rifts, zu mittelozeanischen Rücken sowie zu anderen Regionen dünnerer Lithosphäre, wo durch die Druckentlastung weitere Schmelze generiert wird. Diese führt an der Erdoberfläche zur Entwicklung von entweder breiten Rücken verdickter magmatischer Kruste oder der Aufteilung in mehrere ozeanischen Inselketten. Sobald Schmelze generiert wurde, beeinflusst diese auch die Dynamik des Plumes, indem sie Viskosität und Dichte verringert. Während des Plumeaufstiegs kann sich das Schmelzvolumen dabei durch die Dekompression um bis zu 20% vergrößern. Schmelze hat die Tendenz sich an der Oberseite des Plumes anzusammeln, wo sie Diapire formt und kleinräumige Konvektion auslöst, wenn der Plume die Lithosphäre erreicht. Zusammen mit dem dichten, instabilen Material, das entsteht, wenn die Schmelze wieder erstarrt, bildet dies einen effektiven Mechanismus zur Erosion der Lithosphäre durch Plume-Heads. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass Mantelplumes komplexer sind als bisher angenommen, und dass die Verbindung von Skalen und die Kombination verschiedener in Mantelplumes auftretender physikalischer Prozesse Erkenntnisse liefern kann, wie Mantelplumes durch chemische Heterogenität beeinflusst werden, wie sie mit mittelozeanischen Rücken und globaler Mantelkonvektion interagieren und wie sie durch Aufschmelzung und Schmelzmigraiton beeinflusst werden. Die Einbindung dieser Prozesse in geodynamische Modelle zeigt, dass Plumes breite Tails haben können, potentiell nur geringe Oberflächenhebung verursachen, in Interaktion mit einem mittelozeanischen Rücken eine oder mehrere vulkanische Inselketten erzeugen können und magmatisch die Lithosphäre erodieren können. KW - mantle plumes KW - numerical modelling KW - Mantelplumes KW - numerische Modellierung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91024 ER - TY - THES A1 - Codeco, Marta Sofia Ferreira T1 - Constraining the hydrology at Minas da Panasqueira W-Sn-Cu deposit, Portugal T1 - Bestimmung der Hydrologie der W-Sn-Cu Lagerstätte in der Miene Panasqueira, Portugal T1 - Considerações sobre a hidrologia do depósito de W-Sn-Cu da Panasqueira, Portugal N2 - This dissertation combines field and geochemical observations and analyses with numerical modeling to understand the formation of vein-hosted Sn-W ore in the Panasqueira deposit of Portugal, which is among the ten largest worldwide. The deposit is located above a granite body that is altered by magmatic-hydrothermal fluids in its upper part (greisen). These fluids are thought to be the source of metals, but that was still under debate. The goal of this study is to determine the composition and temperature of hydrothermal fluids at Panasqueira, and with that information to construct a numerical model of the hydrothermal system. The focus is on analysis of the minerals tourmaline and white mica, which formed during mineralization and are widespread throughout the deposit. Tourmaline occurs mainly in alteration zones around mineralized veins and is less abundant in the vein margins. White mica is more widespread. It is abundant in vein margins as well as alteration zones, and also occurs in the granite greisen. The laboratory work involved in-situ microanalysis of major- and trace elements in tourmaline and white mica, and boron-isotope analysis in both minerals by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The boron-isotope composition of tourmaline and white mica suggests a magmatic source. Comparison of hydrothermally-altered and unaltered rocks from drill cores shows that the ore metals (W, Sn, Cu, and Zn) and As, F, Li, Rb, and Cs were introduced during the alteration. Most of these elements are also enriched in tourmaline and mica, which confirms their potential value as exploration guides to Sn-W ores elsewhere. The thermal evolution of the hydrothermal system was estimated by B-isotope exchange thermometry and the Ti-in-quartz method. Both methods yielded similar temperatures for the early hydrothermal phase: 430° to 460°C for B-isotopes and 503° ± 24°C for Ti-in-quartz. Mineral pairs from a late fault zone yield significantly lower median temperatures of 250°C. The combined results of thermometry with variations in chemical and B-isotope composition of tourmaline and mica suggest that a similar magmatic-hydrothermal fluid was active at all stages of mineralization. Mineralization in the late stage shows the same B-isotope composition as in the main stage despite a ca. 250°C cooling, which supports a multiple injection model of magmatic-hydrothermal fluids. Two-dimensional numerical simulations of convection in a multiphase NaCl hydrothermal system were conducted: (a) in order to test a new approach (lower dimensional elements) for flow through fractures and faults and (b) in order to identify conditions for horizontal fluid flow as observed in the flat-lying veins at Panasqueira. The results show that fluid flow over an intrusion (heat and fluid source) develops a horizontal component if there is sufficient fracture connectivity. Late, steep fault zones have been identified in the deposit area, which locally contain low-temperature Zn-Pb mineralization. The model results confirm that the presence of subvertical faults with enhanced permeability play a crucial role in the ascent of magmatic fluids to the surface and the recharge of meteoric waters. Finally, our model results suggest that recharge of meteoric fluids and mixing processes may be important at later stages, while flow of magmatic fluids dominate the early stages of the hydrothermal fluid circulation. N2 - In dieser Dissertation werden Feldbeobachtungen und geochemische Analysen mit numerischer Modellierung kombiniert, um die Bildung von Sn-W-Cu- Mineralisation in der Erzlagerstätte Panasqueira in Portugal zu verstehen. Panasqueira gehört zu den 10 größten Sn-W Lagerstätten weltweit, sie befindet sich oberhalb eines Granitkörpers, der im oberen Bereich durch magmatisch-hydrothermale Fluide alteriert ist (Greisenbildung). Es wird postuliert, dass magmatisch Fluide die Quelle für Metalle sind, das wurde aber bislang nicht eindeutig bestätigt. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, die Zusammensetzung und Temperatur der hydrothermalen Fluide in Panasqueira zu bestimmen und mit diesen Informationen ein numerisches Modell des hydrothermalen Systems zu erstellen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Turmalin und Hellglimmer, welche bei der Mineralisation gebildet wurden und in der gesamten Lagerstätte weit verbreitet sind. Turmalin kommt hauptsächlich in Alterationszonen um die vererzten Quarzgänge vor, sowie weniger häufig im Randbereich der Gänge. Hellglimmer dagegen ist stärker verbreitet. Es kommt sowohl in Quarzgangrändern und Alterationszonen vor als auch im Greisenkörper. Die Laborarbeiten umfassten in-situ Mikroanalytik der Haupt- und Spurenelementgehalte von Turmalin und Hellglimmer sowie die Analyse der Bor-isotopen in beiden Mineralen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Die Bor-Isotopenzusammensetzung von Turmalin und Hellglimmer deuten auf eine magmatische Quelle hin. Der Vergleich von hydrothermal-überprägten mit unveränderten Gesteinsproben aus Bohrkernen zeigt, dass die Erzmetalle (W, Sn, Cu, Zn) sowie As, F, Li, Rb und Cs während der Alteration hinzugefügt wurden. Die meisten dieser Elemente sind auch in Turmalin und Glimmer angereichert, womit ihre Nützlichkeit als Explorationshilfe für Sn-W-Erze in anderen Gebieten bestätigt wird. Die thermische Entwicklung des Hydrothermalsystems wurde durch B-Isotopenaustausch-Thermometrie sowie durch die Ti-in-Quarz- Methode bestimmt. Beide Methoden ergaben für die frühe Hydrothermalphase ähnliche Temperaturen: 430° - 460°C für B-Isotope und 503° ± 24°C für Ti-in-Quarz. Mineral Paare aus einer späten Verwerfungszone ergaben deutlich niedrigere B-Isotopentemperaturen von durchschnittlich 250°C. Die Kombination der Thermometrie mit den chemischen und B-Isotopenvariationen in Turmalin und Glimmer deutet darauf hin, dass ein ähnliches magmatisch-hydrothermales Fluid in allen Mineralisierungsstufen beteiligt war. Die Mineralisierung im späten Stadium zeigt dieselbe B-Isotopenzusammensetzung wie die Hauptphase trotz der Abkühlung um ca. 250°C, was ein Mehrfachinjektionsmodell des magmatisch-hydrothermalen Fluids unterstützt. Zwei-dimensionale numerische Simulationen der Konvektion in einem mehrphasen NaCl System wurden durchgeführt um: a) eine neue Methode (lower dimensional elements) für hydrothermales Fließen durch Brüche und Störungszonen zu testen und b) die Voraussetzungen für die in Panasqueira dominierende horizontale Fluidbewegung in den flach liegenden Gängen zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Fluidströmungen immer dann eine starke horizontale Komponente haben wenn ausreichende Bruchverbindungen im Gestein vorhanden sind. Späte, steile Bruchzonen sind in der Umgebung der Lagerstätte identifiziert worden, welche lokal niedrig-temperierte Zn-Pb Mineralisierungen führen. Die Modellergebnisse bestätigen, dass das Vorhandensein subvertikaler Störungszonen mit höherer Permeabilität eine entscheidende Rolle für den Aufstieg magmatischer Fluide zur Oberfläche und das Eindringen von meteorischen Fluiden spielen. Schließlich schlagen unsere Simulationsergebnisse vor, dass das Eindringen meteorischer Fluide und Mischungsprozesse in späteren Phasen der hydrothermalen Zirkulation wichtig sind, während magmatische Fluide in frühen Phasen dominieren. N2 - O estudo apresentado na presente dissertação combina análises e observações campo e geoquímica (e.g. multi-elementar, mineral, isotópica) com modelação numérica por forma a compreender a evolução do sistema hidrotermal da Panasqueira e a formação dos filões sub-horizontais. O jazigo filoniano da Panasqueira, localizado em Portugal, encontra-se entre os dez maiores depósitos do tipo a nível mundial e é o maior produtor de W na União Europeia. O depósito desenvolveu-se a topo de um granito Varisco do tipo S, cuja cúpula se encontra greisenizada devido a circulação de fluidos de carácter magmato-hidrotermal. Pensa-se que estes fluidos sejam a fonte dos metais para a génese do jazigo, contudo esta questão tem constituído matéria de grande debate. Por forma, a compreender a evolução hidrotermal e construir um modelo numérico capaz de simular a hidrologia do sistema hidrotermal da Panasqueira, este trabalho envolveu a determinação da composição e temperatura dos fluidos hidrotermais. Para o efeito, este estudo concentrou-se na caracterização geoquímica e isotópica de turmalina e mica branca, as quais se formaram durante os processos iniciais de alteração hidrotermal e/ou mineralização, ocorrendo em diversos contextos. A turmalina ocorre essencialmente nos halos de alteração hidrotermal que encerram os veios mineralizados e está predominantemente associada aos estádios pré-mineralização. Em contraste, a mica branca ocorre em diversos contextos: greisen, filões (salbandas), e halos de alteração hidrotermal, estando associada quer aos estádios precoces, quer aos estádios principais de mineralização. O trabalho laboratorial envolveu análises in-situ de elementos maiores e traço em turmalina e mica, e análises isotópicas (isótopos de boro) em ambas as fases minerais através de espectrometria de massa por iões secundários (SIMS). As composições isotópicas da turmalina e mica branca sugerem uma fonte magmática para os fluidos hidrotermais. A comparação dos dados de litogeoquímica dos metassedimentos alterados e não alterados mostra que os metais (W, Sn, Cu e Zn), assim como em As, F, Li, Rb e Cs foram introduzidos durante o processo de alteração hidrotermal. Parte substancial destes elementos encontram-se também enriquecidos na mica e turmalina, o que confirma o seu potencial valor como vectores de prospecção mineral para os depósitos de W-Sn. A evolução térmica do sistema hidrotermal da Panasqueira foi estimada utilizando geotermómetros minerais. O geotermómetro do quartzo (Ti-in-quartz) indica temperaturas de 503° ± 24°C para a alteração precoce das rochas encaixantes, o que é consistente com as temperaturas médias de 430° a 460°C} obtidas através da geotermometria isotópica de boro em turmalina e mica branca nas salbandas micáceas. As zonas de falha estudadas através da utilização de pares-minerais indicam temperaturas médias substancialmente mais baixas (250°C). A combinação dos estudos de geotermometria mineral com as variações químicas e isotópicas obtidas para a turmalina e mica sugerem que um fluido magmático-hidrotermal relativamente homogéneo esteve activo durante todos os estádios de mineralização. Durante estádios tardios, a os fluidos mineralizantes possuem as mesmas composições isotópicas obtidas para os estádios principais, embora que registando um arrefecimento de ca. 250°C, o que suporta um modelo dinâmico com múltiplas injecções de fluidos magmático-hidrotermais. Simulações numéricas bidimensionais da convecção num sistema hidrotermal multifásico salino foram conduzidas: (i) para testar uma nova metodologia (“lower dimensional elements”) capaz de traduzir o fluxo de fluidos através de fracturas e falhas e, (ii) para identificar as condições do fluxo horizontal observado nos filões sub-horizontais da Panasqueira. Os resultados mostram que o escoamento dos fluidos em associação com uma intrusão (fonte de calor e fluidos) desenvolve uma componente horizontal, desde que haja conectividade suficiente. Falhas tardias inclinadas identificadas na área contem localmente mineralização de Zn e Pb de baixa temperatura. Os resultados dos modelos numéricos confirmam que a presença de falhas sub-verticais de permeabilidade acrescida tem um papel crucial na ascensão de fluidos magmáticos até a superfície e na infiltração de águas meteóricas. Por fim, os resultados das simulações sugerem que a infiltração de águas meteóricas e processos de mistura de fluidos possam ser importantes durantes os estádios tardios, enquanto os fluidos de carácter magmático dominam os estádios iniciais da circulação hidrotermal dos fluidos. KW - Panasqueira KW - tourmaline KW - muscovite KW - Boron isotopes KW - tungsten-tin deposits KW - magmatic-hydrothermal systems KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - numerical simulation KW - fluid flow KW - fracture-controlled KW - alteration geochemistry KW - Panasqueira KW - Turmalin KW - Muscovit KW - Bor-isotopen KW - Wofram-Zinn Lagerstätte KW - magmatisch-hydrothermale Systeme KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - numerische Modellierung KW - Fluid-strömungen KW - strukturelle Kontrolle KW - Alterationsgeochemie KW - Panasqueira KW - turmalina KW - muscovite KW - Isótopos de Boro KW - depósitos de volfrâmio-estanho KW - sistemas magmático-hidrotermais KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - simulações numéricas KW - fluxo de fluidos KW - controlo estrutural KW - geoquímica da alteração hidrotermal Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429752 ER -