TY  - THES
A1  - Stolle, Amelie
T1  - Catastrophic Sediment Pulses in the Pokhara Valley, Nepal
T1  - Katastrophale Sediment Ablagerungen im Pokhara Tal, Nepal
N2  - Fluvial terraces, floodplains, and alluvial fans are the main landforms to store sediments and to decouple hillslopes from eroding mountain rivers. Such low-relief landforms are also preferred locations for humans to settle in otherwise steep and poorly accessible terrain. Abundant water and sediment as essential sources for buildings and infrastructure make these areas amenable places to live at. Yet valley floors are also prone to rare and catastrophic sedimentation that can overload river systems by abruptly increasing the volume of sediment supply, thus causing massive floodplain aggradation, lateral channel instability, and increased flooding. Some valley-fill sediments should thus record these catastrophic sediment pulses, allowing insights into their timing, magnitude, and consequences.
This thesis pursues this theme and focuses on a prominent ~150 km2 valley fill in the Pokhara Valley just south of the Annapurna Massif in central Nepal. The Pokhara Valley is conspicuously broad and gentle compared to the surrounding dissected mountain terrain,
and is filled with locally more than 70 m of clastic debris. The area’s main river, Seti Khola, descends from the Annapurna Sabche Cirque at 3500-4500 m asl down to 900 m asl where it incises into this valley fill. Humans began to settle on this extensive
fan surface in the 1750’s when the Trans-Himalayan trade route connected the Higher Himalayas, passing Pokhara city, with the subtropical lowlands of the Terai. High and unstable river terraces and steep gorges undermined by fast flowing rivers with highly seasonal (monsoon-driven) discharge, a high earthquake risk, and a growing population make the Pokhara Valley an ideal place to study the recent geological and geomorphic history of its sediments and the implication for natural hazard appraisals.
The objective of this thesis is to quantify the timing, the sedimentologic and geomorphic processes as well as the fluvial response to a series of strong sediment pulses. I report
diagnostic sedimentary archives, lithofacies of the fan terraces, their geochemical provenance, radiocarbon-age dating and the stratigraphic relationship between them. All these various and independent lines of evidence show consistently that multiple sediment pulses filled the Pokhara Valley in medieval times, most likely in connection with, if not triggered by, strong seismic ground shaking. The geomorphic and sedimentary evidence is
consistent with catastrophic fluvial aggradation tied to the timing of three medieval Himalayan earthquakes in ~1100, 1255, and 1344 AD. Sediment provenance and calibrated radiocarbon-age data are the key to distinguish three individual sediment pulses, as these are not evident from their sedimentology alone. I explore various measures of adjustment and fluvial response of the river system following these massive aggradation pulses. By using proxies such as net volumetric erosion, incision and erosion rates, clast provenance on active river banks, geomorphic markers such as re-exhumed tree trunks in growth position, and knickpoint locations in tributary valleys, I estimate the response of the river network in the Pokhara Valley to earthquake disturbance over several centuries. Estimates of the removed volumes since catastrophic valley filling began, require average net sediment
yields of up to 4200 t km−2 yr−1 since, rates that are consistent with those reported for Himalayan rivers. The lithological composition of active channel-bed load differs from that of local bedrock material, confirming that rivers have adjusted 30-50% depending on data of different tributary catchments, locally incising with rates of 160-220 mm yr−1. In many tributaries to the Seti Khola, most of the contemporary river loads come from a Higher Himalayan source, thus excluding local hillslopes as sources. This imbalance in sediment provenance emphasizes how the medieval sediment pulses must have rapidly traversed up to 70 km downstream to invade the downstream reaches of the tributaries
up to 8 km upstream, thereby blocking the local drainage and thus reinforcing, or locally creating new, floodplain lakes still visible in the landscape today.
Understanding the formation, origin, mechanism and geomorphic processes of this valley fill is crucial to understand the landscape evolution and response to catastrophic sediment pulses. Several earthquake-triggered long-runout rock-ice avalanches or catastrophic dam burst in the Higher Himalayas are the only plausible mechanisms to explain both the geomorphic and sedimentary legacy that I document here. In any case, the Pokhara Valley was most likely hit by a cascade of extremely rare processes over some two centuries starting in the early 11th century. Nowhere in the Himalayas do we find valley fills of
comparable size and equally well documented depositional history, making the Pokhara Valley one of the most extensively dated valley fill in the Himalayas to date. Judging from the growing record of historic Himalayan earthquakes in Nepal that were traced and
dated in fault trenches, this thesis shows that sedimentary archives can be used to directly aid reconstructions and predictions of both earthquake triggers and impacts from a sedimentary-response perspective. The knowledge about the timing, evolution, and response of the Pokhara Valley and its river system to earthquake triggered sediment pulses is important to address the seismic and geomorphic risk for the city of Pokhara. This
thesis demonstrates how geomorphic evidence on catastrophic valley infill can help to independently verify paleoseismological fault-trench records and may initiate re-thinking on post-seismic hazard assessments in active mountain regions.
N2  - Der Transport von Sedimenten in Flüssen ist wichtig, um Landschaftsformen in Gebirgsregionen entstehen zu lassen. Eine erhöhte, plötzliche Sedimentzufuhr, beispielsweise durch Massenbewegungen ausgelöst, kann ein Flusssystem schnell aus dem Gleichgewicht bringen. Innerhalb kurzer Zeit transportiertes Sediment wird häufig an Überschwemmungsflächen abgelagert, was zu instabilen Flussverläufen, erhöhtem Sedimentabtrag und vermehrten Überschwemmungen führen kann. Talverfüllungen, Schwemmmfächer, Flussterrassen und Überschwemmungsebenen sind in diesem Zusammenhang die am häufigsten vorkommenden Landschaftsformen, um große Materialvolumen zu speichern. Weil Wasser und Sediment als Baustoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen, sind sie bevorzugte Siedlungsflächen.
Diese Dissertation untersucht in drei Studien die Entstehung, geomorphologische und sedimentologische Prozesse, sowie die Anpassung des Flusssystems auf einen erhöhten Sedimenteintrag des heute mit Sedimenten verfüllten Pokhara Tals im zentralen Himalaya. Die Stadt Pokhara liegt am Fuße des bis zu 8000 m hohen Annapurna Massivs auf einem ~150 km2 großen, aus klastischen Sedimentablagerungen bestehender Fächer. Das Tal ist von bis zu 70 m hohen Terrassen gekennzeichnen und auffallend flach im Vergleich zur umliegenden Topographie. Der Seti Khola entwässert das Annapurna Massiv in einer Höhe von 3500-5000 m ü.N.N. und erreicht nach kurzer Distanz den Pokhara Fächer. Erste Bewohner siedelten sich in den 1750er Jahren an als die frühere Handelsroute den Hohen Himalaya mit dem subtropischen Tiefland (Terai) verbunden hat. Seither wächst die Stadt stetig und ist heute, nach Kathmandu, die zweitgrößte Stadt Nepals.
Durch die Nähe der geologischen Hauptstörung zwischen dem Hohen Himalaya und dem tiefer liegenden Vorderen Himalaya herrscht ein hohes Erdbebenrisiko im Pokhara Tal. Die Kombination aus hohen Terrassen und tiefen, von schnell fließenden Flüssen ausgespülten
Schluchten, machen das Tal zu einem geeigneten Ort, um die kaum untersuchte geologische und geomorphologische Geschichte der in diesem Tal abgelagernten Sedimente zu erforschen. Um Landschaftsveränderungen und -entwicklungen zu verstehen sowie die
Reaktion des Flussnetzes auf erhöhte Sedimentzufuhr zu überblicken, ist es unabdingbar, den Ursprung des Materials, die sedimentologischen Prozesse und mögliche Auslöser der Talverfüllung zu analysieren.
Daten und Proben aus dem Gelände, die später im Labor datiert, ausgewertet, mit sedimentologischen Aufzeichnungen kombiniert und durch fernerkundliche Methoden ergänzt und analysiert wurden, bilden die Basis der Ergebnisse dieser Dissertation. Da solche
massiven, in sehr kurzer Zeit abgelagerten Sedimente auf eine katastrophale Entstehung hindeuten, spielt auch der zeitliche Aspekt eine wichtige Rolle.
erschiedene Beweise zeigen, dass mindestens drei Sedimentereignisse das Pokhara Tal verfüllt haben. Ich dokumentiere ein aufschlussreiches Sedimentarchiv, Sedimentabfolgen geochemische Provenienz, Radiokarbonalter und die stratigraphische Beziehung zwischen diesen Ergebnissen. Diese unabhängig voneinander gewonnen Ergebnisse zeigen, dass geomorphologische und sedimentologische Beweise mit den Altersdatierungen konsistent sind und wir mit diesen Untersuchungen die abgelagerten Geröllmassen mit historischen Starkbeben in Verbindung bringen können (~1100, 1255, 1344 AD). Provenienz in Kombination mit den Altersdatierungen lassen uns wiederum die drei Ereignisse in ihren Mächtigkeit unterscheiden und individuel das Volumen bestimmen. Messungen zur Anpassung des
Flusssystems ergeben, dass das System noch stark von seinem Gleichgewicht abweicht, da erst 30-70% des über kurze Zeit abgelagerten Materials aus dem Flussbett ausgeräumt wurden. Hierfür benutzte Marker sind unter Anderem volumetrische Berechnungen, Erosionsund Einschneideraten der Flüsse, Bäume in ihrer Wachstumsposition zur Altersdatierung und Stufen im Längsgerinneprofil der Seitenflüsse. Das bis heute abgetragene Volumen ergibt Sedimentaustragsraten von bis zu 4200 t km−2 yr−1 am Fuß des Fächers. Die lithologische Zusammensetzung aktiver Flussbänke in Seitentälern zeigt, dass Material der Formation gegenüber lokalem Grundgestein immer noch dominiert. Dieses lithologische Ungleichgewicht verdeutlicht, wie schnell Sedimentmassen in drei Ereignissen über 70 km talabwärts und bis zu 8 km flussaufwärts (in die Seitentäler) abgelagert wurden. Lokale Einschneideraten in die Pokhara Formation liegen zwischen 0.16-0.22 m yr−1 und weisen auf einen sich schnell verändernden Flussverlauf hin.
Um die Landschaftsentwicklung nach solch massiven Sedimentablagerungen analysieren zu können, müssen die Sedimentologie, die geomorphologischen Prozesse, der Ursprung und
die Mechanismen der Talverfüllung verstanden und als Basiswissen vorausgesetzt werden. Aus den gewonnen Resultaten schließen wir, dass das Pokhara Tal von mehreren katastrophal aufeinanderfolgenden Naturereignissen in einem Zeitraum von ~200 Jahren seit dem 12. Jahrhundert heimgesucht wurde. Nirgendwo im Himalaya finden wir vergleichbare Talverfüllungen, weder in ihrer Größe, noch in dieser detailliert aufgenommenen geomorphologischen
Geschichte und sedimentologischen Aufzeichnungen. Das Pokhara Tals ist damit eine der am besten datierten Talverfüllungen des gesamten Himalaya. Diese Arbeit zeigt, dass in sedimentären Archiven - unabhängig von der Paleoseismologie - historische Starkbeben datiert und erkannt werden können. So hilft das Wissen über den zeitlichen Verlauf der Talverfüllung, die Entwicklung des Fächers und die Anpassung des Flusssystems in Zukunft Entscheidungen zu treffen, die das geomorphologische Risiko für die Stadt Pokhara vermindern und gleichzeitig bauliche Maßnahmen besser an die lokalen Risikofaktoren angepasst werden können.
KW  - geomorphology
KW  - geohazards
KW  - Himalaya
KW  - radiocarbon age dating
KW  - Geomorphologie
KW  - Naturgefahren
KW  - Himalaya
KW  - Radiokarbondatierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413341
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TY  - THES
A1  - Schmidt, Lena Katharina
T1  - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes
N2  - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties.
Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes.
Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest.
The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors.
The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5.
The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology.
This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments.
N2  - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern.
Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind.
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet.
Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb
von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen.
Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden.
Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie.
Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden.
KW  - suspended sediment
KW  - glacier melt
KW  - climate change
KW  - natural hazards
KW  - hydrology
KW  - geomorphology
KW  - Klimawandel
KW  - Geomorphologie
KW  - Gletscherschmelze
KW  - Hydrologie
KW  - Naturgefahren
KW  - suspendiertes Sediment
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302
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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
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TY  - THES
A1  - Purinton, Benjamin
T1  - Remote sensing applications to earth surface processes in the Eastern Central Andes
T1  - Fernerkundungsanwendungen für Erdoberflächenprozesse in den östlichen Zentralanden
N2  - Geomorphology seeks to characterize the forms, rates, and magnitudes of sediment and water transport that sculpt landscapes. This is generally referred to as earth surface processes, which incorporates the influence of biologic (e.g., vegetation), climatic (e.g., rainfall), and tectonic (e.g., mountain uplift) factors in dictating the transport of water and eroded material. In mountains, high relief and steep slopes combine with strong gradients in rainfall and vegetation to create dynamic expressions of earth surface processes. This same rugged topography presents challenges in data collection and process measurement, where traditional techniques involving detailed observations or physical sampling are difficult to apply at the scale of entire catchments. Herein lies the utility of remote sensing. Remote sensing is defined as any measurement that does not disturb the natural environment, typically via acquisition of images in the visible- to radio-wavelength range of the electromagnetic spectrum. Remote sensing is an especially attractive option for measuring earth surface processes, because large areal measurements can be acquired at much lower cost and effort than traditional methods. These measurements cover not only topographic form, but also climatic and environmental metrics, which are all intertwined in the study of earth surface processes. This dissertation uses remote sensing data ranging from handheld camera-based photo surveying to spaceborne satellite observations to measure the expressions, rates, and magnitudes of earth surface processes in high-mountain catchments of the Eastern Central Andes in Northwest Argentina. This work probes the limits and caveats of remote sensing data and techniques applied to geomorphic research questions, and presents important progress at this disciplinary intersection.
N2  - Die Geomorphologie versucht die Art, Geschwindigkeit und Ausmaße des Sediment- und Wassertransports zu charakterisieren welche zur Formung der Landschaften beitragen. Diese werden im Allgemeinen als Erdoberflächenprozesse bezeichnet, welche den Einfluss biologischer (z.B. Vegetation), klimatischer (z.B. Niederschlag) und tektonischer (z.B. Gebirgshebung) Faktoren auf den Transport von Wasser und das erodierte Material beschreiben. Im Hochgebirge entsteht eine dynamische Wechselwirkung zwischen hohen Reliefs und steilen Hängen und infolge dessen starke Regen- und Vegetationsgradienten. Die gleiche raue Topographie stellt wiederum eine Herausforderung bei der Datenerfassung und Prozessmessung dar, da hier herkömmliche Techniken zur detaillierten Beobachtung oder physikalischen Probenahmen im Maßstab ganzer Einzugsgebiete an ihre Grenzen stoßen. Hier zeigt sich der Nutzen der Fernerkundung. Fernerkundung ist definiert als Messung, welche die natürliche Umgebung nicht stört, typischerweise durch Aufnahme von Bildern im sichtbaren bis Radio-Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Fernerkundung ist eine besonders vorteilhafte Option für die Messung von Erdoberflächenprozessen, da großflächige Messungen mit wesentlich geringerem Aufwand als bei herkömmlichen Methoden durchgeführt werden können. Diese Messungen ermöglichen nicht nur das Erfassen der topografischen Form, sondern auch das der Klima- und Umwelteinflüsse, die wiederum bei der Untersuchung von Erdoberflächenprozessen miteinander verknüpft sind. In dieser Dissertation werden Fernerkundungsdaten verwendet, die von kamerabasierten Handaufnahmen bis zu weltraumgestützten Satellitenbeobachtungen reichen, um die Auswirkungen, Geschwindigkeiten und das Ausmaß von Erdoberflächenprozessen in hochgebirgigen Einzugsgebieten der östlichen Zentralanden im Nordwesten Argentiniens zu messen. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten und Grenzen von Fernerkundungsdaten und -techniken, die auf geomorphologische Forschungsfragen angewendet werden und präsentiert wichtige Fortschritte an diesem disziplinären Schnittpunkt.
KW  - Fernerkundung
KW  - remote sensing
KW  - Geomorphologie
KW  - geomorphology
KW  - Anden
KW  - Andes
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445926
ER  - 
TY  - THES
A1  - Olen, Stephanie M.
T1  - Understanding Himalayan denudation at the catchment and orogen scale
T1  - Verständnis von Denudation auf regionalem und orogenem Maßstab im Himalaja
N2  - Understanding the rates and processes of denudation is key to unraveling the dynamic processes that shape active orogens. This includes decoding the roles of tectonic and climate-driven processes in the long-term evolution of high- mountain landscapes in regions with pronounced tectonic activity and steep climatic and surface-process gradients. Well-constrained denudation rates can be used to address a wide range of geologic problems. In steady-state landscapes, denudation rates are argued to be proportional to tectonic or isostatic uplift rates and provide valuable insight into the tectonic regimes underlying surface denudation. The use of denudation rates based on terrestrial cosmogenic nuclide (TCN) such as 10Beryllium has become a widely-used method to quantify catchment-mean denudation rates. Because such measurements are averaged over timescales of 102 to 105 years, they are not as susceptible to stochastic changes as shorter-term denudation rate estimates (e.g., from suspended sediment measurements) and are therefore considered more reliable for a comparison to long-term processes that operate on geologic timescales. However, the impact of various climatic, biotic, and surface processes on 10Be concentrations and the resultant denudation rates remains unclear and is subject to ongoing discussion. In this thesis, I explore the interaction of climate, the biosphere, topography, and geology in forcing and modulating denudation rates on catchment to orogen scales.
There are many processes in highly dynamic active orogens that may effect 10Be concentrations in modern river sands and therefore impact 10Be-derived denudation rates. The calculation of denudation rates from 10Be concentrations, however, requires a suite of simplifying assumptions that may not be valid or applicable in many orogens. I investigate how these processes affect 10Be concentrations in the Arun Valley of Eastern Nepal using 34 new 10Be measurements from the main stem Arun River and its tributaries. The Arun Valley is characterized by steep gradients in climate and topography, with elevations ranging from <100 m asl in the foreland basin to >8,000 asl in the high sectors to the north. This is coupled with a five-fold increase in mean annual rainfall across strike of the orogen. Denudation rates from tributary samples increase toward the core of the orogen, from <0.2 to >5 mm/yr from the Lesser to Higher Himalaya. Very high denudation rates (>2 mm/yr), however, are likely the result of 10Be TCN dilution by surface and climatic processes, such as large landsliding and glaciation, and thus may not be representative of long-term denudation rates. Mainstem Arun denudation rates increase downstream from ~0.2 mm/yr at the border with Tibet to 0.91 mm/yr at its outlet into the Sapt Kosi. However, the downstream 10Be concentrations may not be representative of the entire upstream catchment. Instead, I document evidence for downstream fining of grains from the Tibetan Plateau, resulting in an order-of-magnitude apparent decrease in the measured 10Be concentration.
In the Arun Valley and across the Himalaya, topography, climate, and vegetation are strongly interrelated. The observed increase in denudation rates at the transition from the Lesser to Higher Himalaya corresponds to abrupt increases in elevation, hillslope gradient, and mean annual rainfall. Thus, across strike (N-S), it is difficult to decipher the potential impacts of climate and vegetation cover on denudation rates. To further evaluate these relationships I instead took advantage of an along-strike west-to-east increase of mean annual rainfall and vegetation density in the Himalaya. An analysis of 136 published 10Be denudation rates from along strike of the revealed that median denudation rates do not vary considerably along strike of the Himalaya, ~1500 km E-W. However, the range of denudation rates generally decreases from west to east, with more variable denudation rates in the northwestern regions of the orogen than in the eastern regions. This denudation rate variability decreases as vegetation density increases (R=- 0.90), and increases proportionately to the annual seasonality of vegetation (R=0.99). Moreover, rainfall and vegetation modulate the relationship between topographic steepness and denudation rates such that in the wet, densely vegetated regions of the Himalaya, topography responds more linearly to changes in denudation rates than in dry, sparsely vegetated regions, where the response of topographic steepness to denudation rates is highly nonlinear. Understanding the relationships between denudation rates, topography, and climate is also critical for interpreting sedimentary archives. However, there is a lack of understanding of how terrestrial organic matter is transported out of orogens and into sedimentary archives. Plant wax lipid biomarkers derived from terrestrial and marine sedimentary records are commonly used as paleo- hydrologic proxy to help elucidate these problems. I address the issue of how to interpret the biomarker record by using the plant wax isotopic composition of modern suspended and riverbank organic matter to identify and quantify organic matter source regions in the Arun Valley. Topographic and geomorphic analysis, provided by the 10Be catchment-mean denudation rates, reveals that a combination of topographic steepness (as a proxy for denudation) and vegetation density is required to capture organic matter sourcing in the Arun River.
My studies highlight the importance of a rigorous and careful interpretation of denudation rates in tectonically active orogens that are furthermore characterized by strong climatic and biotic gradients. Unambiguous information about these issues is critical for correctly decoding and interpreting the possible tectonic and climatic forces that drive erosion and denudation, and the manifestation of the erosion products in sedimentary archives.
N2  - Schlüssel im Verständnis der dynamischen Prozesse in aktiven Orogenen ist die Kenntnis der Abtragungsraten und -prozesse. Eine breite Auswahl geologischer Fragen können mit well-constrained Abtragungsraten erörtert werden. Sind Landschaften im Gleichgewicht so sind die Denudationsraten proportional zu den tektonischen und isostatischen Hebungsraten und geben somit wichtige Hinweise über die tektonischen Eigenschaften der Region. Eine weit verbreitete und etablierte Methode zur Bestimmung mittlerer Denudationsraten eines bestimmten Einzugsgebietes ist Beryllium-10, ein terrestrisches kosmogenes Nuklid (10Be TCN). 10Be TCN Messungen stellen durchschnittliche Abtragungsraten über einen Zeitraum von 10^2 – 10^5 Jahren dar und sind daher weniger verletzlich gegenüber stochastischen Änderungen wie Erosionsraten, die über einen kurzen Zeitraum ermittelt werden z.B. in Suspension. Sie sind daher zuverlässig einsetzbar um langfristige Prozesse zu vergleichen. Allerdings ist unklar welche Einfluss verschiedene klimatische, biologische oder erdoberflächen Prozesse auf die 10Be Konzentration ausüben und somit auch auf die resultierenden Abtragungsraten. In dieser Doktorarbeit, setze ich mich mit dem Zwischenspiel von Klima, Biosphäre, Topographie und Geologie auseinander und dem Einfluss, den sie auf Abtragungsraten ausüben sowohl auf regionalem wie auch auf orogenem Maßstab. In hoch dynamischen aktiven Gebirgen gibt es viele Prozesse, welche die 10Be Konzentration in heutigen Flusssanden beeinflussen und damit auch die, mittels 10Be berechneten, Abtragungsraten. Um diese Raten mittels 10Be Konzentrationen zu berechnen benötigen wir einige vereinfachende Annahmen, die möglicherweise in anderen Regionen keine Gültigkeit haben. Ich untersuche den Einfluss dieser Prozesse auf die 10Be Konzentration. Dazu haben wir im Arun Tal im Osten Nepals 34 neue 10Be Konzentrationen des Arun Flusses und seinen Zuflüssen untersucht. Charakteristisch für das Arun Tal sind die steilen Gradienten im Klima mit einem fünffachen Anstieg des mittleren jährlichen Regenfalls über das Orogens, und in der Topographie mit Höhen von weniger als 100 m über Meer im Vorlandbecken bis über 8000 m über Meer im Gebirge. Die Abtragungsraten der Proben der Zuflüsse nehmen gegen das Zentrum des Gebirges von weniger <0.2 zu mehr als >5 mm/yr zu d.h. ansteigend vom Lesser zum Higher Himalaya. Sehr hohe Denudationsraten (> 2mm/yr) können durch erdoberflächen und klimatische Prozesse verwässert werden z. B. grosse Erdrutsche und Vergletscherungen, und sind daher nicht unbedingt repräsentativ für langzeitliche Abtragungsraten. Im Arun nehmen die Raten des Hauptflusses flussabwärts von 0.2 mm/yr im Bereich der Grenze zu Tibet auf 0.91 mm/yr am Ausfluss in Sapt Kosi zu. Es ist möglich, dass diese 10Be Konzentrationen nicht das vollständige flussauswärtsliegende Einzugsgebiet repräsentieren. Stattdessen lege ich dar wie sich die Korngrösse ab dem tibetischen Plateau verfeinert und dazu führt, dass die 10Be Konzentrationen offenkundig im Bereich einer Grössenordnung abnehmen. Im Arun Tal und sowie über den ganzen Himalaja sind Topographie, Klima und Vegetation sehr stark miteinander verbunden. Das Ansteigen der Denudationsraten im Übergang vom Lesser zum Higher Himalaya stimmt mit dem abrupten Ansteigen der Höhe, des Hangneigungsgradienten und des mittleren jährlichen Regenfalles überein. Es ist schwierig die möglichen Einflüssen von Klima und der Vegetationsdichte auf die Abtragungsraten über das Orogen hinweg (N-S) zu entziffern. Stattdessen, nutzen wir den Vorteil der, von West nach Ost, parallel zum Himalaja verlaufenden, Zunahme des mittleren jährlichen Regenfalles und der Vegetationsdichte. Eine Analyse 136 publizierter 10Be TCN Abtragungsraten entlang des Gebirges, zeigt dass die im Streichen liegenden mittleren Denudationsraten (ca. 1500 km Ost-West) nicht deutlich variieren. Generell sinkt die Wertebereich der Denudationsraten vom Westen gegen Osten, wobei in den nordwestlichen Regionen des Himalajas variablere Abtragungsraten vorherrschen als in den östlichen Regionen. Diese Vielfalt in den Denudationsraten sinkt mit steigender Vegetationsdichte (R=-0.90) und steigt proportional zur (jährlichen) Saisonalität der Vegetation (R=0.99). Vielmehr noch wird das Verhältnis zwischen der topographischen Steilheit und den Abtragungsraten durch Regen und Vegetation beeinflusst z. B. in feuchten Gebieten mit starker Vegetation reagiert die Topographie linearer auf Wechsel in den Abtragungsraten als in trockenen, kaum bewachsenen Regionen, wo die Reaktion der topographischen Steilheit auf die Denudationsraten äusserst nicht-linear ist. Das Verständnis der Beziehung zwischen Erosion, Topographie und Klima ist auch entscheidend für die Interpretation von Sedimentarchiven. Unser Wissen über die Repräsentativität von terrestrisches organisches Material, abgelagert in z.B. Flussdeltas, für die Einzugsgebiete der entsprechenden Flüsse, ist nach wie vor nur vage. Dennoch sind Blattwachse höherer Landpflanzen, extrahiert aus terrestrischen und marinen Sedimenten, ein häufig verwendeter paläohydrologischer Proxy. Im Rahmen dieser Arbeit nutzen wir die Isotopenzusammensetzung von Pflanzenwachsen aus Suspensionsmaterial und aus Flusssedimenten als Herkunftsmarker und zur Quantifizierung des organischen Materials im Arun Tal. Die Analyse von Vegetationsdichte und Regenverteilung in Kombination mit Abtragungsraten des Einzugsgebietes, welche durch die mittleren 10Be-Erosionsraten gestützt werden, zeigen, dass das Vorhandensein dichter Vegetation ein zwar notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium für hohen OM-Export ist. Vielmehr können wir zeigen, dass nur eine Kombination aus dichter Vegetationsdecke und Erosion zu hohem OM-Export führt. Für die Interpretation entspechender Archive bedeutet das, dass sie im Wesentlichen jene Bereiche des Einzugsgebietes repräsentieren, welche durch hohe Pflanzendichte und starke Erosion charakterisiert sind. Diese Studien belegen wie wichtig es ist die Abtragungsraten in aktiven Gebirgen umfassend zu verstehen. Für die Interpretation kann dieses Verständnis der möglichen tektonischen und klimatischen Gewalten, welche Erosion und Abtragung steuern, und auch das Verständnis der Sedimentarchive aus den Gebirgen stammend, entscheidend sein.
KW  - geology
KW  - geomorphology
KW  - Himalaya
KW  - Geologie
KW  - Geomorphologie
KW  - Himalaja
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91423
ER  - 
TY  - THES
A1  - Munack, Henry
T1  - From phantom blocks to denudational noise
BT  - downwearing of the Himalaya-Tibet orogen from a multi-scale perspective
BT  - die Abtragung des Himalaya-Tibet Orogens aus multiskaliger Perspektive
N2  - Knowing the rates and mechanisms of geomorphic process that shape the Earth’s surface is crucial to understand landscape evolution. Modern methods for estimating denudation rates enable us to quantitatively express and compare processes of landscape downwearing that can be traced through time and space—from the seemingly intact, though intensely shattered, phantom blocks of the catastrophically fragmented basal facies of giant rockslides up to denudational noise in orogen-wide data sets averaging over several millennia. This great variety of spatiotemporal scales of denudation rates is both boon and bane of geomorphic process rates. Indeed, processes of landscape downwearing can be traced far back in time, helping us to understand the Earth’s evolution. Yet, this benefit may turn into a drawback due to scaling issues if these rates are to be compared across different observation timescales.
This thesis investigates the mechanisms, patterns and rates of landscape downwearing across the Himalaya-Tibet orogen.
Accounting for the spatiotemporal variability of denudation processes, this thesis addresses landscape downwearing on three distinctly different spatial scales, starting off at the local scale of individual hillslopes where considerable amounts of debris are generated from rock instantaneously: Rocksliding in active mountains is a major impetus of landscape downwearing. Study I provides a systematic overview of the internal sedimentology of giant rockslide deposits and thus meets the challenge of distinguishing them from macroscopically and microscopically similar glacial deposits, tectonic fault-zone breccias, and impact breccias. This distinction is important to avoid erroneous or misleading deduction of paleoclimatic or tectonic implications. -> Grain size analysis shows that rockslide-derived micro-breccia closely resemble those from meteorite impact or tectonic faults. -> Frictionite may occur more frequently that previously assumed. -> Mössbauer-spectroscopy derived results indicate basal rock melting in the absence of water, involving short-term temperatures of >1500°C.
Zooming out, Study II tracks the fate of these sediments, using the example of the upper Indus River, NW India. There we use river sand samples from the Indus and its tributaries to estimate basin-averaged denudation rates along a ~320-km reach across the Tibetan Plateau margin, to answer the question whether incision into the western Tibetan Plateau margin is currently active or not. -> We find an about one-order-of-magnitude upstream decay—from 110 to 10 mm kyr^-1—of cosmogenic Be-10-derived basin-wide denudation rates across the morphological knickpoint that marks the transition from the Transhimalayan ranges to the Tibetan Plateau. This trend is corroborated by independent bulk petrographic and heavy mineral analysis of the same samples. -> From the observation that tributary-derived basin-wide denudation rates do not increase markedly until ~150–200 km downstream of the topographic plateau margin we conclude that incision into the Tibetan Plateau is inactive. -> Comparing our postglacial Be-10-derived denudation rates to long-term (>10^6 yr) estimates from low-temperature thermochronometry, ranging from 100 to 750 mm kyr^-1, points to an order- of-magnitude decay of rates of landscape downwearing towards present. We infer that denudation rates must have been higher in the Quaternary, probably promoted by the interplay of glacial and interglacial stages.
Our investigation of regional denudation patterns in the upper Indus finally is an integral part of Study III that synthesizes denudation of the Himalaya-Tibet orogen. In order to identify general and time-invariant predictors for Be-10-derived denudation rates we analyze tectonic, climatic and topographic metrics from an inventory of 297 drainage basins from various parts of the orogen. Aiming to get insight to the full response distributions of denudation rate to tectonic, climatic and topographic candidate predictors, we apply quantile regression instead of ordinary least squares regression, which has been standard analysis tool in previous studies that looked for denudation rate predictors. -> We use principal component analysis to reduce our set of 26 candidate predictors, ending up with just three out of these: Aridity Index, topographic steepness index, and precipitation of the coldest quarter of the year. -> Topographic steepness index proves to perform best during additive quantile regression. Our consequent prediction of denudation rates on the basin scale involves prediction errors that remain between 5 and 10 mm kyr^-1. -> We conclude that while topographic metrics such as river-channel steepness and slope gradient—being representative on timescales that our cosmogenic Be-10-derived denudation rates integrate over—generally appear to be more suited as predictors than climatic and tectonic metrics based on decadal records.
N2  - Die Kenntnis von Raten und Mechanismen geomorphologischer Prozesse, die die Erdoberfläche gestalten, ist entscheidend für das Verständnis von quartärer Landschaftsgeschichte. Denudationsraten sind dabei das Mittel zur Quantifizierung und zum Vergleich von Oberflächenabtrag; hinweg über zeitliche und räumliche Größenordnungen – von den optisch unversehrten, jedoch durchgehend zerrütteten “Phantom Blocks” der basalen Fazies katastrophaler Bergstürze bis hin zum “Denudational Noise”, dem durchaus informativen Rauschen in Datensätzen, die über ganze Orogene und tausende Jahre von Landschaftsgeschichte integrieren. Diese große räumlich-zeitliche Variabilität von Denudationsprozessen ist Chance und Herausforderung zugleich. Zum einen können Denudationsprozesse weit in der Zeit zurückverfolgt werden, was hilft, Landschaftsgeschichte nachzuvollziehen. Andererseits hat es sich gezeigt, dass geomorphologische Prozessraten mit dem Zeitraum ihrer Beobachtung skalieren, was einen Vergleich über zeitliche Größenordnungen hinweg erschwert.
Diese Dissertation untersucht in drei Studien die Mechanismen, Muster und Raten von Denudation im Himalaja-Tibet Orogen.
Der räumlichen (und zeitlichen) Variabilität von Denudationsprozessen folgend beginnt diese Arbeit dort, wo bedeutende Mengen von Festgestein schlagartig in erodierbaren Schutt umgewandelt werden: Bergstürze sind ein Hauptantrieb der Abtragung von aktiven Gebirgen. Studie I systematisiert die interne Sedimentologie gigantischer Bergsturzablagerungen. Sie adressiert damit Herausforderungen durch die makro- und mikroskopische Ähnlichkeit von Bergsturzablagerungen mit glazialen Ablagerungen, tektonischen Störungsbrekkzien und Impaktbrekkzien. Ziel einer solchen Systematisierung ist die Vermeidung fehlerhafter paläoklimatischer oder -tektonischer Interpretationen. -> Bergsturzbrekkzien sind auf mikroskopischer Ebene nicht von tektonischen oder Impaktbrekkzien unterscheidbar. -> Friktionit könnte weit häufiger vorkommen, als bisher angenommen. -> Mössbauer-Spektroskopie deutet auf Temperaturen ≥ 1500° C sowie die Abwesenheit von Wasser als Schmiermittel hin.
Auf der mesoskaligen Ebene von Einzugsgebieten verfolgt Studie II, am Beispiel des oberen Indus in NW Indien den Weg dieser Sedimente, denn sie geben Auskunft über beckenweite Denudationsraten, sowie Pfade und Muster des Sedimenttransports am westlichen Tibetplateaurand. Diese Informationen sollen helfen, die Mechanismen der Einschneidung großer Flüsse in das Tibetplateau, sowie den gegenwärtigen erosionalen Status des Plateaurandes zu verstehen. -> Die beckenweiten Denudationsraten in den Tributären des Indus nehmen stromabwärts – und damit über den morphologischen Tibetplateaurand hinweg – von 10 auf 110 mm kyr^-1 zu. Dieser Trend wird durch unabhängige Petrographie- und Schwermineralanalysen aus denselben Proben nachgezeichnet. -> Es zeigt sich allerdings, dass der morphologische Plateaurand und der hierfür erwartbare Anstieg der Denudationsraten um ~150–200 km versetzt sind. Hieraus schließen wir, dass der westliche Rand des Tibetischen Plateaus rezent nicht maßgeblich erodiert wird. -> Ein Vergleich unserer postglazialen Denudationsraten von kosmogenem Be-10 mit Langzeit- (>10^6 yr)-Thermochronometriedaten von 100 bis 750 mm kyr^-1 deutet auf einen spätquartären Rückgang von Denudationsraten im Transhimalaya hin. Folglich muss es früher während des Quartärs Zeiten höherer erosionaler Effizienz gegeben haben.
Studie III fokussiert schließlich, in einer Analyse beckenweiter Be-10-Denudationsraten, auf Denudationsmuster und -mechanismen für das gesamte Himalaja-Tibet Orogen. Auf der Suche nach zeit-invarianten tektonischen, klimatischen oder topographischen Prädiktoren für Denudationsraten wird ein Datensatz von 297 orogenweit verteilten Einzugsgebieten untersucht. Um Einblicke in die gesamte Response-Verteilung zwischen Denudationsrate und Prädiktor zu erhalten nutzen wir – anstelle der in diesem Zusammenhang vielbenutzten Methode der kleinsten Quadrate – Quantil-Regression. -> Dafür reduzieren wir einen Satz von 26 möglichen Prädiktoren, unter Nutzung der Hauptkomponentenanalyse, auf drei Prädiktoren: Ariditätsindex, topographischer Steilheitsindex und Niederschlag des kältesten Quartals. -> Die additive Quantil-Regression dieser drei Prädiktoren zeigt, dass der Steilheitsindex die besten Ergebnisse im Sinne einer zeit-invarianten Beziehung zwischen Denudationsrate und Prädiktoren liefert. -> Zusammenfassend zeigt sich, dass topographisch basierte Prädiktoren geeigneter für die Vorhersage von kosmogenen beckenweiten Denudationsraten sind als klimatische oder tektonische Prädiktoren. Wir erklären dieses Resultat mit den jeweils über Jahrtausende integrierenden Maßzahlen für Topographie und kosmogenen Denudationsraten, und der daraus folgenden Inkompatibilität der kosmogenen Denudationsraten mit den tektonischen und klimatischen Prädiktoren, die lediglich auf Jahrzehnten von Messungen beruhen.
T2  - Von Phantomblöcken zu Denudationsrauschen
KW  - geomorphology
KW  - quaternary
KW  - denudation
KW  - Himalaya-Tibet orogen
KW  - cosmogenic nuclides
KW  - rockslide
KW  - Geomorphologie
KW  - Quartär
KW  - Denudation
KW  - Himalaya-Tibet Orogen
KW  - kosmogene Nuklide
KW  - Bergsturz
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72629
ER  - 
TY  - THES
A1  - Luna, Lisa Victoria
T1  - Rainfall-triggered landslides: conditions, prediction, and warning
N2  - Rainfall-triggered landslides are a globally occurring hazard that cause several thousand fatalities per year on average and lead to economic damages by destroying buildings and infrastructure and blocking transportation networks. For people living and governing in susceptible areas, knowing not only where, but also when landslides are most probable is key to inform strategies to reduce risk, requiring reliable assessments of weather-related landslide hazard and adequate warning.  Taking proper action during high hazard periods, such as moving to higher levels of houses, closing roads and rail networks, and evacuating neighborhoods, can save lives.  Nevertheless, many regions of the world with high landslide risk currently lack dedicated, operational landslide early warning systems.
The mounting availability of temporal landslide inventory data in some regions has increasingly enabled data-driven approaches to estimate landslide hazard on the basis of rainfall conditions.  In other areas, however, such data remains scarce, calling for appropriate statistical methods to estimate hazard with limited data.  The overarching motivation for this dissertation is to further our ability to predict rainfall-triggered landslides in time in order to expand and improve warning.  To this end, I applied Bayesian inference to probabilistically quantify and predict landslide activity as a function of rainfall conditions at spatial scales ranging from a small coastal town, to metropolitan areas worldwide, to a multi-state region, and temporal scales from hourly to seasonal.  This thesis is composed of three studies. 
In the first study, I contributed to developing and validating statistical models for an online landslide warning dashboard for the small town of Sitka, Alaska, USA.  We used logistic and Poisson regressions to estimate daily landslide probability and counts from an inventory of only five reported landslide events and 18 years of hourly precipitation measurements at the Sitka airport.  Drawing on community input, we established two warning thresholds for implementation in the dashboard, which uses observed rainfall and US National Weather Service forecasts to provide real-time estimates of landslide hazard.
In the second study, I estimated rainfall intensity-duration thresholds for shallow landsliding for 26 cities worldwide and a global threshold for urban landslides.  I found that landslides in urban areas occurred at rainfall intensities that were lower than previously reported global thresholds, and that 31% of urban landslides were triggered during moderate rainfall events.  However, landslides in cities with widely varying climates and topographies were triggered above similar critical rainfall intensities: thresholds for 77% of cities were indistinguishable from the global threshold, suggesting that urbanization may harmonize thresholds between cities, overprinting natural variability.  I provide a baseline threshold that could be considered for warning in cities with limited landslide inventory data.
In the third study, I investigated seasonal landslide response to annual precipitation patterns in the Pacific Northwest region, USA by using Bayesian multi-level models to combine data from five heterogeneous landslide inventories that cover different areas and time periods.  I quantitatively confirmed a distinctly seasonal pattern of landsliding and found that peak landslide activity lags the annual precipitation peak.  In February, at the height of the landslide season, landslide intensity for a given amount of monthly rainfall is up to ten times higher than at the season onset in November, underlining the importance of antecedent seasonal hillslope conditions.  
Together, these studies contributed actionable, objective information for landslide early warning and examples for the application of Bayesian methods to probabilistically quantify landslide hazard from inventory and rainfall data.
N2  - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche sind eine weltweit auftretende Gefahr, die im Durchschnitt mehrere tausend Todesopfer pro Jahr fordern und zu wirtschaftlichen Schäden führen, indem sie Gebäude und Infrastrukturen zerstören und Verkehrsnetze blockieren.  Für Bewohner, sowie lokale Regierungen in potentiell gefährdeten Gebieten, ist es entscheidend zu wissen, nicht nur wo, sondern auch wann Erdrutsche am wahrscheinlichsten sind, um Strategien zur Verringerung des Risikos zu entwickeln. Dies erfordert zuverlässige Bewertungen der wetterbedingten Erdrutschgefahr und eine angemessene Warnung.  Angemessene Maßnahmen während Hochrisikoperioden, wie der Umzug in höhere Etagen, die Sperrung von Straßen und Schienennetzen, sowie die Evakuierung von Wohngebieten, können Leben retten. In vielen Regionen mit hohem Erdrutschrisiko gibt es jedoch derzeit keine spezifischen, einsatzfähigen Frühwarnsysteme für Erdrutsche.
In einigen Regionen ermöglichte die zunehmende Verfügbarkeit von zeitlich-aufgelösten Erdrutschdaten datengestützte Ansätze zur Abschätzung der Erdrutschgefahr auf Grundlage von Niederschlagsbedingungen.  In anderen Gebieten sind solche Daten jedoch nach wie vor spärlich, sodass geeignete statistische Methoden erforderlich sind, um die Gefährdung trotz einer begrenzten Datenmenge abzuschätzen.  Die übergreifende Motivation für diese Dissertation besteht darin, unsere Fähigkeit zur rechtzeitigen Vorhersage von niederschlagsbedingten Erdrutschen zu verbessern, um Frühwarnsysteme zu erweitern und optimieren.  Zu diesem Zweck habe ich Bayes'sche Inferenz angewandt, um die Erdrutschaktivität in Abhängigkeit von den Niederschlagsbedingungen probabilistisch zu quantifizieren und vorherzusagen.  Meine Studien decken dabei sowohl eine breite räumliche Skala, welche von einer lokalen bis regionalen Betrachtung reicht, als auch eine von stündlich bis saisonal reichende zeitliche Skala ab. Diese Dissertation setzt sich aus drei Studien zusammen. 
In der ersten Studie habe ich zur Entwicklung und Validierung statistischer Modelle für ein Online-Dashboard zur Erdrutschwarnung in der Kleinstadt Sitka, Alaska, USA, beigetragen.  Wir verwendeten logistische und Poisson-Regressionen zur Einschätzung der täglichen Erdrutschwahrscheinlichkeit und der Anzahl der Erdrutsche auf Grundlage von nur fünf dokumentierten Erdrutschereignissen und 18 Jahren stündlicher Niederschlagsmessungen am Flughafen von Sitka.  Basierend auf Hinweisen aus der Bevölkerung legten wir zwei Warnschwellenwerte für die Umsetzung des Dashboards fest, welches wiederum beobachtete Niederschläge und Vorhersagen des US-amerikanischen Wetterdienstes (US National Weather Service) nutzt, um Echtzeiteinschätzungen der Erdrutschgefahr zu liefern.
In der zweiten Studie habe ich Schwellenwerte für die Niederschlagsintensität und -dauer für Erdrutsche in 26 Städten weltweit, sowie einen globalen Schwellenwert für urbane Erdrutsche ermittelt.  Dabei stellte ich fest, dass Erdrutsche in urbanen Gebieten bei Niederschlagsintensitäten auftreten, die unter den zuvor gemeldeten globalen Schwellenwerten liegen, und dass 31 % der Erdrutsche in Städten durch moderate Niederschlagsereignisse ausgelöst wurden.  Erdrutsche in Städten mit sehr unterschiedlichen klimatischen und topografischen Bedingungen wurden jedoch bei vergleichbaren kritischen Niederschlagsintensitäten ausgelöst: Für 77 % der Städte unterschieden sich die lokalen Schwellenwerte nicht von den globalen Schwellenwerten, was darauf hindeutet, dass eine zunehmende Urbanisierung die Schwellenwerte zwischen Städten angleicht und natürliche Schwankungen überlagern kann.  Ich habe einen Basisschwellenwert festgelegt, der für die Warnung in Städten mit begrenzten Erdrutschdaten in Betracht gezogen werden könnte.
In der dritten Studie untersuchte ich saisonale Reaktionen von Erdrutschen auf jährliche Niederschlagsmuster im pazifischen Nordwesten der USA.  Dafür verwendete ich Bayes'sche Mehrebenenmodelle, um Daten aus fünf heterogenen Erdrutschinventaren zu kombinieren, welche unterschiedliche Gebiete und Zeiträume abdecken.  Ich fand heraus, dass Erdrutsche deutlich saisonabhängig sind und dass der Höhepunkt der Erdrutschaktivität mit einem zeitlichen Versatz auf den jährlichen Niederschlagsspitzenwert folgt.  Im Februar, auf dem Höhepunkt der Erdrutschsaison, ist die Erdrutschintensität bei einer gegebenen monatlichen Niederschlagsmenge bis zu zehnmal höher als zu Beginn der Saison im November. Dies unterstreicht die Bedeutung von vorherigen saisonalen Hangbedingungen.  
Zusammengefasst liefern die in dieser Dissertation vorgestellten Studien umsetzbare, objektive Informationen für die Frühwarnung vor Erdrutschen und Beispiele für die Anwendung von Bayes'schen Methoden zur probabilistischen Quantifizierung der Erdrutschgefahr mittels Bestands- und Niederschlagsdaten.
T2  - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche: Bedingungen, Vorhersage und Warnung
KW  - landslide
KW  - natural hazards
KW  - Bayesian statistics
KW  - early warning
KW  - geomorphology
KW  - Bayessche Statistik
KW  - Erdrutsch
KW  - Naturgefahren
KW  - Frühwarnung
KW  - Geomorphologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600927
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jara Muñoz, Julius
T1  - Quantifying forearc deformation patterns using coastal geomorphic markers
T1  - Quantifizierung von Deformationsmustern mit Hilfe von Kustengeomorphologischen Markern
BT  - A comprehensive study of marine terraces along the 2010 Maule earthquake (M8.8) rupture zone
N2  - Rapidly uplifting coastlines are frequently associated with convergent tectonic boundaries, like subduction zones, which are repeatedly breached by giant megathrust earthquakes. The coastal relief along tectonically active realms is shaped by the effect of sea-level variations and heterogeneous patterns of permanent tectonic deformation, which are accumulated through several cycles of megathrust earthquakes. However, the correlation between earthquake deformation patterns and the sustained long-term segmentation of forearcs, particularly in Chile, remains poorly understood. Furthermore, the methods used to estimate permanent deformation from geomorphic markers, like marine terraces, have remained qualitative and are based on unrepeatable methods. This contrasts with the increasing resolution of digital elevation models, such as Light Detection and Ranging (LiDAR) and high-resolution bathymetric surveys.
Throughout this thesis I study permanent deformation in a holistic manner: from the methods to assess deformation rates, to the processes involved in its accumulation. My research focuses particularly on two aspects: Developing methodologies to assess permanent deformation using marine terraces, and comparing permanent deformation with seismic cycle deformation patterns under different spatial scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Two methods are developed to determine deformation rates from wave-built and wave-cut terraces respectively. I selected an archetypal example of a wave-built terrace at Santa Maria Island studying its stratigraphy and recognizing sequences of reoccupation events tied with eleven radiocarbon sample ages (14C ages). I developed a method to link patterns of reoccupation with sea-level proxies by iterating relative sea level curves for a range of uplift rates. I find the best fit between relative sea-level and the stratigraphic patterns for an uplift rate of 1.5 +- 0.3 m/ka.
A Graphical User Interface named TerraceM® was developed in Matlab®. This novel software tool determines shoreline angles in wave-cut terraces under different geomorphic scenarios. To validate the methods, I select test sites in areas of available high-resolution LiDAR topography along the Maule earthquake rupture zone and in California, USA. The software allows determining the 3D location of the shoreline angle, which is a proxy for the estimation of permanent deformation rates. The method is based on linear interpolations to define the paleo platform and cliff on swath profiles. The shoreline angle is then located by intersecting these interpolations. The
accuracy and precision of TerraceM® was tested by comparing its results with previous assessments, and through an experiment with students in a computer lab setting at the University
of Potsdam.
I combined the methods developed to analyze wave-built and wave-cut terraces to assess regional patterns of permanent deformation along the (2010) Maule earthquake rupture. Wave-built terraces are tied using 12 Infra Red Stimulated luminescence ages (IRSL ages) and shoreline angles in wave-cut terraces are estimated from 170 aligned swath profiles. The comparison of coseismic slip, interseismic coupling, and permanent deformation, leads to three areas of high permanent uplift, terrace warping, and sharp fault offsets. These three areas correlate with regions of high slip and low coupling, as well as with the spatial limit of at least eight historical megathrust ruptures (M8-9.5). I propose that the zones of upwarping at Arauco and Topocalma reflect changes in frictional properties of the megathrust, which result in discrete boundaries for the propagation of mega earthquakes.
To explore the application of geomorphic markers and quantitative morphology in offshore areas I performed a local study of patterns of permanent deformation inferred from hitherto unrecognized drowned shorelines at the Arauco Bay, at the southern part of the (2010) Maule earthquake rupture zone. A multidisciplinary approach, including morphometry, sedimentology, paleontology, 3D morphoscopy, and a landscape Evolution Model is used to recognize, map, and assess local rates and patterns of permanent deformation in submarine environments. Permanent deformation patterns are then reproduced using elastic models to assess deformation rates of an active submarine splay fault defined as Santa Maria Fault System. The best fit suggests a reverse structure with a slip rate of 3.7 m/ka for the last 30 ka. The register of land level changes during the earthquake cycle at Santa Maria Island suggest that most of the deformation may be accrued through splay fault reactivation during mega earthquakes, like the (2010) Maule event. Considering a recurrence time of 150 to 200 years, as determined from historical and geological observations, slip between 0.3 and 0.7 m per event would be required to account for the 3.7 m/ka millennial slip rate. However, if the SMFS slips only every ~1000 years, representing a few megathrust earthquakes, then a slip of ~3.5 m per event would be required to account for the long- term rate. Such event would be equivalent to a magnitude ~6.7 earthquake capable to generate a local tsunami.
The results of this thesis provide novel and fundamental information regarding the amount of permanent deformation accrued in the crust, and the mechanisms responsible for this accumulation at millennial time-scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Furthermore, the results of this thesis highlight the application of quantitative geomorphology and the use of repeatable methods to determine permanent deformation, improve the accuracy of marine terrace assessments, and estimates of vertical deformation rates in tectonically active coastal areas. This is vital information for adequate coastal-hazard assessments and to anticipate realistic earthquake and tsunami scenarios.
N2  - Küstenregionen, die von schnellen Hebungsraten gekennzeichnet sind, werden häufig mit konvergierenden Plattengrenzen assoziiert, beispielsweise mit Subduktionszonen, die wiederholt von Mega-Erdbeben betroffen sind. Das Küstenrelief tektonisch aktiver Gebiete formt sich durch die Effekte von Meeresspiegelschwankungen und die heterogenen Muster der permanenten tektonischen Deformation, die im Zuge von mehreren Erdbebenzyklen entstand. Jedoch die Korrelation zwischen den Deformationsmustern von Erdbeben und der langfristig anhaltenden Segmentation der ‚Forearcs’ ist noch wenig erforscht, insbesondere in Chile. Darüber hinaus sind die Methoden zur Schätzung der permanenten Deformation geomorphologischer Marker, wie beispielsweise mariner Terrassen, lediglich qualitativ oder basieren nicht auf wiederholbaren Messungen. Dies steht im Kontrast zu der mittlerweile höheren Auflösung verfügbarer digitaler Geländemodelle, die z.B. mit LiDAR (Light Detection and Ranging) oder durch hochauflösende bathymetrische Studien gewonnen werden.
Im Rahmen dieser Dissertation wird die permanente Deformation einer ganzheitlichen Betrachtung unterzogen, die von den zu Grunde liegenden Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten bis hin zu den involvierten Prozessen bei deren Akkumulation reicht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf zwei Aspekte gerichtet: Einerseits die Entwicklung von Methoden zur Messung permanenter Deformation anhand von marinen Terrassen, und andererseits der Vergleich zwischen permanenter Deformation und Deformationsmustern des seismischen Zyklus anhand unterschiedlicher räumlicher Ausmaße entlang der Bruchzone des M8.8 Maule (2010) Erdbebens entstanden. Es werden zwei Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten von ’wave-built’ und ‘wave-cut’ Terrassen entwickelt.
Ein archetypischer Beispiel einer ‘wave-built’ Terrasse wird auf der Insel Santa Maria untersucht. Durch die detaillierte Studie der Sedimentabfolge, werden wiederkehrende Ereignisse der Reaktivierung der Terrasse identifiziert, die anhand von Messungen an Kohlenstoffisotopen (C14- Datierung) von 11 Proben zeitlich eingegrenzt werden. Es wird eine Methode entwickelt, um solche Reaktivierungsmuster mit Meeresspiegelindikatoren in Verbindung zu bringen, wobei die relativen Meeresspiegelkurven mit einer Reihe von Hebungsraten korreliert werden. Die beste Korrelation zwischen Meeresspiegelschwankungen und dem stratigrafischen Muster wird unter Berücksichtigung einer Hebungsrate von 1.5 ± 0.3 m/ka erreicht.
Unter Verwendung der Software Matlab® wird die grafische Benutzeroberfläche TerraceM® entwickelt. Diese neue Methode erlaubt die Bestimmung von Küstenwinkels in ‘wave-cut’ Terrassen in verschiedenen geomorphischen Szenarien. Zur Validierung der Methoden werden Regionen entlang der Bruchzone des Maule-Erdbebens und in Kalifornien ausgewählt, für die hochauflösende LiDAR-Daten der Topografie zur Verfügung stehen. Die Software ermöglicht es, den 3D Standort des Küstenwinkels zu bestimmen, der als Proxy für die Schätzung permanenter Deformationsraten fungiert. Dabei nutzt die Methode lineare Interpolation um die Paleo Plattform und die Klippen mit Swath Profilen zu definieren. Im Anschluss wird der Küstenwinkel durch die Überschneidung dieser Interpolationen lokalisiert. Die Genauigkeit und Robustheit von „TerraceM“ wird durch den Vergleich der Ergebnisse mit denen vorangegangener Untersuchungen überprüft.
Um regionale Muster permanenter Deformationen entlang der (2010) Maule Bruchzone zu untersuchen werden die Methoden für die ‚wave-built’ und ‚wave-cut’ Terrassen kombiniert.
 ‘Wave-built’ Terrassen werden mittels 12 Infrarot-Optisch-Stimulierten Lumineszenz (IRSL) Proben datiert, während die Küstenwinkel der ‘wave-cut’ Terrassen anhand von 170 abgestimmten SWATH-Profilen geschätzt wurden. Durch den Vergleich von co-seismischem Versatz, interseismischer Kopplung und permanenter Deformation ergaben sich drei Gebiete mit hoher permanenter Erhebung, Terrassenkrümmung und abruptem, störungsbedingtem Versatz. Diese drei Gebiete korrelieren mit Regionen von hohem Versatz und niedriger Kopplung, sowie mit der räumlichen Begrenzung der Bruchzonen von mindestens acht historischen Mega-Erdbeben. Es wird argumentiert, dass die ansteigenden Zonen bei Arauco und Topocalma Änderungen der Reibungseigenschaften von Mega-Erdbeben widerspiegeln, was diskrete Grenzen für die Ausbreitung von Mega-Erdbeben zur Folge hat.
Ein weiterer Beitrag dieser Dissertation ist die lokale Untersuchung permanenter Deformationsmuster von bislang unbekannten überflutete Küstenlinien in der Arauco-Bucht bei der Santa Maria Insel, die ebenfalls vom Maule Erdbeben betroffen wurde. Ein multidisziplinärer Ansatz wird verwendet, um lokale Muster permanenter Deformation in submarinen Umgebungen zu erkennen, abzubilden und zu untersuchen. Dabei kommen Morphometrie, Sedimentologie, Paläontologie, 3D Morphoskopie und ein Landschafts-Entwicklungs-Model zum Einsatz. Permanente Deformationsmuster werden anhand eines elastischen Models nachgebildet und bestimmen die Deformationsraten einer aktiven, submarinen Aussenstörung (‘splay fault’), die als Santa Maria Störungszone definiert wird und durch eine Versatzrate von 3.7 m/ka für die letzten 30 ka charakterisiert ist. Die Aufzeichnungen zu Veränderungen der Elevation der Erdoberfläche während des Santa Maria Erdbebenzyklus deuten darauf hin, dass der wesentliche Teil der Deformation auf die Reaktivierung einer ‘Splay Fault’ während Mega-Erdbeben (wie z.B. das Maule (2010) Erdbeben) zurückzuführen ist. Allerdings die Sismizität in geringer Tiefe, die während der letzten zehn Jahre vor dem Maule-Erdbeben registriert wurde, deutet auf vorübergehende Störungsaktivität in der interseismischen Phase hin.
Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern neuartige und fundamentale Daten bezüglich der Menge und Mechanismen der Akkumulierung permanenter Deformation in der Erdkruste über mehrere tausend Jahre hinweg in der Region des M8.8 Maule Erdbebens (2010). Die in dieser Dissertation präsentierten neuen Methoden zur Charakterisierung permanenter Deformation mithilfe von geomorpologischen Küstenmarkern bieten einen breiteren quantitativen Ansatz zur Interpretation aktiver Deformation dar und können somit zu einem besseren Verständnis der Geologie in tektonisch aktiven Küstengebieten beitragen.
N2  - Las regiones costeras tectónicamente activas están generalmente asociadas con zonas de subducción, las cuales son recurrentemente afectadas por megaterremotos de gran magnitud. El relieve costero es modelado por el efecto combinado de variaciones eustáticas y patrones de alzamiento tectónico heterogéneos, los cuales son acumulados luego de varios ciclos de megaterremotos. Sin embargo, la correlación entre los patrones de deformación asociados a megaterremotos y la persistente segmentación de las zonas de antearco, especialmente en Chile, no han sido aún entendidos del todo. Por otra parte, los métodos normalmente usados para estimar deformación permanente y basados en marcadores geomorfológicos, como las terrazas marinas, han permanecido basados en aproximaciones cualitativas y no repetibles. Esta situación es contrastante con el rápido avance de modelos de elevación digital de alta resolución como Light Detection and Ranging (LiDAR) y batimetrías de última generación.
A lo largo de esta tesis me enfoco en estudiar la deformación permanente desde un punto de vista holístico: Desde los métodos usados para medir deformación permanente, hasta el estudio de los procesos responsables de su acumulación en la corteza. Mi investigación se enfoca específicamente en dos aspectos: Desarrollar nuevos métodos para medir deformación permanente usando terrazas marinas y comparar la magnitud de la deformación permanente con diferentes escalas temporales de deformación registrada durante las distintas fases del ciclo sísmico a lo largo de la zona de ruptura del (M8.8) Terremoto Maule 2010. En esta tesis he desarrollado dos métodos para determinar tasas de deformación en terrazas marinas del tipo wave-built y wave-cut. Para el primero, me enfoco en estudiar un ejemplo arquetípico de terraza marina tipo wave-built en Isla Santa María, mapeando su estratigrafía en detalle y reconociendo patrones de eventos de reocupación datados mediante once edades de radiocarbono (14C). He desarrollado un método para vincular los patrones de reocupación con variaciones del nivel del mar mediante la iteración de curvas relativas del nivel del mar para un rango de tasas de alzamiento. El mejor ajuste entre nivel del mar relativo y los patrones estratigráficos señala una tasa de alzamiento de 1.5 ± 0.3 m/ka.
El segundo método es un software de interfaz gráfica llamado TerraceM® y desarrollado usando Matlab®. Esta novedosa herramienta permite determinar el shoreline-angle en terrazas del tipo wave-cut para diferentes escenarios geomorfológicos. Para validar estos métodos he seleccionado zonas de prueba con disponibilidad de topografía LiDAR a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010), en Chile, y en California, USA. TerraceM permite determinar la ubicación tridimensional del shoreline-angle, el cual es usado para calcular tasas de deformación permanente. El shoreline-angle es localizado mediante la intersección de interpolaciones lineales, las que son usadas para definir la paleo plataforma y el paleo acantilado en perfiles topográficos swath. La precisión y exactitud de las mediciones con TerraceM es testeada comprando los resultados con mapeos previos y mediante un experimento de respetabilidad con estudiantes en el laboratorio de computación de la Universidad de Potsdam.
He combinado los métodos creados anteriormente, para analizar terrazas del tipo wave-cut y wave-built, con el objetivo de medir la deformación permanente acumulada a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Las terrazas tipo wave-built fueron datadas usando doce edades de Luminiscencia Estimulada por Luz Infrarroja (IRSL), las terrazas wave-cut fueron estudiadas utilizando 170 perfiles swaths alineados. Mediante la comparación de deslizamiento co-sísmico, acople intersísmico y tasas de deformación permanente he detectado tres áreas de alto alzamiento tectónico, plegamiento de terrazas marinas y zonas desplazadas por fallas activas. Estas tres áreas coinciden con zonas de alto deslizamiento cosísmico y acople, y con el limite espacial de al menos ocho megaterremotos históricos (M8-9.5). Propongo que las zonas de plegamiento de terrazas marinas en Arauco y Topocalma reflejan cambios en fricción de la zona de interplaca, que da como resultado la formación de barreras discretas para la propagación de megaterremotos.
Con el objetivo de explorar la aplicación de geomorfología cuantitativa y marcadores geomorfológicos en ambientes submarinos, he desarrollado un estudio local de para determinar tasas de alzamiento tectónico utilizando líneas de costa sumergidas en el Golfo de Arauco, en la parte sur de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Utilizo una metodología multidisciplinaria que incluye: morfometría, sedimentología, paleontología, morfoscopía 3D y un modelo de evolución del relieve, con el objetivo de reconocer, cartografiar, y medir tasas y patrones de deformación permanente en ambientes submarinos. Luego, se utilizó un modelo elástico para reproducir los patrones de deformación permanente de una falla ramificada (splay- fault) definida como Sistema de Falla Santa María. El mejor modelo sugiere una estructura inversa con una tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka durante los últimos ~30 ka. El registro de cambios del nivel del terreno durante el ciclo sísmico en Isla Santa María sugiere que la mayor parte de la deformación es acumulada a través de la reactivación de fallas ramificadas durante megaterremotos como el Maule (2010). Si consideramos 150 a 200 años como tiempo de recurrencia de estos mega eventos, un deslizamiento de entre 0.3 y 0.7 metros por evento sería necesario para equilibrar la tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka. Sin embargo, si la falla se deslizara cada ~1000 años, sugiriendo que solo algunos terremotos podrían reactivarla, un deslizamiento de ~3.5 metros por evento serían necesarios para equilibrar la tasa de deslizamiento. Tal evento sería equivalente a un terremoto magnitud ~6.7 que sería capaz de producir un tsunami local.
Los resultados de esta tesis entregan información nueva y fundamental acerca de la cantidad de deformación permanente y los posibles mecanismos asociados a esta deformación a escala de miles de años a lo largo de la zona de ruptura del M8.8 Terremoto Maule (2010). Además, los resultados de esta tesis destacan la aplicación de métodos de geomorfología cuantitativa, incluyendo nuevas herramientas computacionales como TerraceM®, el cual ayudará a expandir el uso de la geomorfología cuantitativa y métodos repetibles, además de mejorar la precisión y exactitud de estimaciones de deformación permanente en zonas costeras. Esta información es imprescindible para una adecuada ponderación de riesgos geológicos en zonas costeras y para anticipar escenarios de terremotos y tsunamis realísticos.
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KW  - Erdbeben
KW  - Geomorphologie
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KW  - Küstenlinien
KW  - Subduktionszone
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102652
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grosse, Guido
T1  - Characterisation and evolution of periglacial landscapes in Northern Siberia during the Late Quaternary : remote sensing and GIS studies
T1  - Charakterisierung und Evolution periglazialer Landschaften in Nordsibirien während des Spätquartärs : Fernerkundungs- und GIS-Studien
N2  - About 24 % of the land surface in the northern hemisphere are underlayed by permafrost in various states. Permafrost aggradation occurs under special environmental conditions with overall low annual precipitation rates and very low mean annual temperatures. Because the general permafrost occurrence is mainly driven by large-scale climatic conditions, the distribution of permafrost deposits can be considered as an important climate indicator. The region with the most extensive continuous permafrost is Siberia. In northeast Siberia, the ice- and organic-rich permafrost deposits of the Ice Complex are widely distributed. These deposits consist mostly of silty to fine-grained sandy sediments that were accumulated during the Late Pleistocene in an extensive plain on the then subaerial Laptev Sea shelf. One important precondition for the Ice Complex sedimentation was, that the Laptev Sea shelf was not glaciated during the Late Pleistocene, resulting in a mostly continuous accumulation of permafrost sediments for at least this period. This shelf landscape became inundated and eroded in large parts by the Holocene marine transgression after the Last Glacial Maximum. Remnants of this landscape are preserved only in the present day coastal areas. Because the Ice Complex deposits contain a wide variety of palaeo-environmental proxies, it is an excellent palaeo-climate archive for the Late Quaternary in the region. Furthermore, the ice-rich Ice Complex deposits are sensible to climatic change, i.e. climate warming. Because of the large-scale climatic changes at the transition from the Pleistocene to the Holocene, the Ice Complex was subject to extensive thermokarst processes since the Early Holocene. Permafrost deposits are not only an environmental indicator, but also an important climate factor. Tundra wetlands, which have developed in environments with aggrading permafrost, are considered a net sink for carbon, as organic matter is stored in peat or is syn-sedimentary frozen with permafrost aggradation. Contrary, the Holocene thermokarst development resulted in permafrost degradation and thus the release of formerly stored organic carbon. Modern tundra wetlands are also considered an important source for the climate-driving gas methane, originating mainly from microbial activity in the seasonal active layer. Most scenarios for future global climate development predict a strong warming trend especially in the Arctic. Consequently, for the understanding of how permafrost deposits will react and contribute to such scenarios, it is necessary to investigate and evaluate ice-rich permafrost deposits like the widespread Ice Complex as climate indicator and climate factor during the Late Quaternary. Such investigations are a pre-condition for the precise modelling of future developments in permafrost distribution and the influence of permafrost degradation on global climate. The focus of this work, which was conducted within the frame of the multi-disciplinary joint German-Russian research projects "Laptev Sea 2000" (1998-2002) and "Dynamics of Permafrost" (2003-2005), was twofold. First, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling techniques for the observation of periglacial landscapes in Northeast Siberia in their present state was evaluated and applied to key sites in the Laptev Sea coastal lowlands. The key sites were situated in the eastern Laptev Sea (Bykovsky Peninsula and Khorogor Valley) and the western Laptev Sea (Cape Mamontovy Klyk region). For this task, techniques using CORONA satellite imagery, Landsat-7 satellite imagery, and digital elevation models were developed for the mapping of periglacial structures, which are especially indicative of permafrost degradation. The major goals were to quantify the extent of permafrost degradation structures and their distribution in the investigated key areas, and to establish techniques, which can be used also for the investigation of other regions with thermokarst occurrence. Geographical information systems were employed for the mapping, the spatial analysis, and the enhancement of classification results by rule-based stratification. The results from the key sites show, that thermokarst, and related processes and structures, completely re-shaped the former accumulation plain to a strongly degraded landscape, which is characterised by extensive deep depressions and erosional remnants of the Late Pleistocene surface. As a results of this rapid process, which in large parts happened within a short period during the Early Holocene, the hydrological and sedimentological regime was completely changed on a large scale. These events resulted also in a release of large amounts of organic carbon. Thermokarst is now the major component in the modern periglacial landscapes in terms of spatial extent, but also in its influence on hydrology, sedimentation and the development of vegetation assemblages. Second, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling as a supplementary tool for palaeo-environmental reconstructions in the investigated regions were explored. For this task additionally a comprehensive cryolithological field database was developed for the Bykovsky Peninsula and the Khorogor Valley, which contains previously published data from boreholes, outcrops sections, subsurface samples, and subsurface samples, as well as additional own field data. The period covered by this database is mainly the Late Pleistocene and the Holocene, but also the basal deposits of the sedimentary sequence, interpreted as Pliocene to Early Pleistocene, are contained. Remote sensing was applied for the observation of periglacial strucures, which then were successfully related to distinct landscape development stages or time intervals in the investigation area. Terrain modelling was used for providing a general context of the landscape development. Finally, a scheme was developed describing mainly the Late Quaternary landscape evolution in this area. A major finding was the possibility of connecting periglacial surface structures to distinct landscape development stages, and thus use them as additional palaeo-environmental indicator together with other proxies for area-related palaeo-environmental reconstructions. In the landscape evolution scheme, i.e. of the genesis of the Late Pleistocene Ice Complex and the Holocene thermokarst development, some new aspects are presented in terms of sediment source and general sedimentation conditions. This findings apply also for other sites in the Laptev Sea region.
N2  - Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der multidisziplinären Deutsch-Russischen Verbundprojekte "Laptev See 2000" (1998-2002) und "Dynamik des Permafrost" (2003-2005) erstellt. Etwa 24 % der Landoberfläche der Erde sind von Permafrost unterlagert. Die ausgedehntesten Permafrostgebiete befinden sich heute in Sibirien. In Nordostsibirien, das während der letzten Eiszeit nicht von Inlandeismassen bedeckt bedeckt war, lagerten sich während dieser Zeit mächtige eisreiche Permafrostsedimente ab. Die durch den nacheiszeitlichen Meeresspiegelanstieg um ca. 120 Meter nur noch in den heutigen Küstengebieten erhaltenen Ablagerungen sind zum Teil hervorragende Paläoklimaarchive, die verschiedenste fossile organische Überreste der Eiszeitlichen Fauna und Flora konserviert haben. Aber auch die Sedimente und das enthalten Grundeis enthalten Klimainformationen z.B. die aus Mineralogie, Ablagerungsmilieu oder geochemischer und isotopenchemischer Zusammensetzung gewonnen werden können. Der hohe Eisgehalt in den Sedimenten führte mit Beginn der holozänen Warmzeit zur Bildung von Thermokarst und Thermo-Erosion, d.h. zu starken Zersetzungserscheinungen durch Auftauen und Erosion. Thermokarst beschreibt das Schmelzen des Grundeises und die gleichzeitig stattfindende tiefe Absenkung der betroffenen Landoberfläche. Thermokarst geht mit der Bildung von Thermokarstseen einher, deren Wasserkörper ein zusätzlicher Wärmespeicher ist und das Auftauen des darunter liegenden Permafrost verstärken kann. In Sibirien, aber auch anderen Regionen der Arktis, sind weite Gebiete von Thermokarst betroffen. Der Einfluss dieser klimabedingten großräumigen Landschaftsveränderungen in Permafrostgebieten auf den lokalen, regionalen und auch globalen Stoff- und Energiehaushalt ist bisher nur wenig untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Evolution von periglazialen Landschaften im nordsibirischen Laptevsee-Gebiet, die seit dem Beginn des Holozän von solchen klimatisch bedingten Veränderungen betroffen sind, und liefert damit ein Puzzleteil zum einen für die Rekonstruktion der Landschaft und Landschaftsentwicklung als auch Vorraussetzungen für das Verständnis der großräumig wirkenden geologischen und geomorphologischen Veränderungsprozesse. Die generellen Schwerpunkte, für die die vorliegende Arbeit Informationen liefert, sind die Charakterisierung von periglazialen Relief- und Oberflächentypen und die Bestimmung ihrer räumlichen Verbreitung, die Identifizierung und Quantifizierung einzelner geologischer und geomorphologischer Prozesse in diesen Landschaften, und die Rekonstruktion der Entwicklung periglazialer Landschaften im Spätquartär für Schlüsselgebiete im Küstengebiet der nordsibirischen Laptevsee. Um diese generellen Schwerpunkte zu erreichen, werden verschiedene Einzelziele in der Arbeit verfolgt: Die Entwicklung and Anwendung von Satellitenfernerkundungstechniken zur Analyse periglazialer Landschaften in Nordsibirien. Dazu werden hochauflösende Corona-Satellitendaten und multispektrale Landsat-7 Satellitendaten verwendet. Die Untersuchung von Satellitenbildern, mit dem Schwerpunkt auf Oberflächen, die von der Zersetzung des eisreichen Permafrosts betroffen sind Die Entwicklung von hochauflösenden digitalen Geländemodellen für die geomorphologische Analyse in zwei Schlüsselgebieten Die räumliche Untersuchung der gewonnenen Daten mit Hilfe von geographischen Informationssystemen, mit einem Schwerpunkt auf Form, Verteilung und Außmaß von holozänem Thermokarst Das Sammeln und Auswerten von Felddaten, mit Schwerpunkt auf Oberflächeneigenschaften periglazialer Landschaften und der Zusammensetzung der Permafrostablagerungen Die Anwendung der gewonnenen Daten zur Unterstützung, Verbesserung und Ausweitung der lokal gewonnenen Felddaten und Paläoumweltrekonstruktionen, sowie die datengestützte Entwicklung von Vorstellungen zur Landschaftsgenese Weite, Permafrost-dominierte Küstentiefländer der heutigen Laptevsee in Nordost-Sibirien sind durch die spätpleistozänen Ablagerungen des Eiskomplex aufgebaut. Diese zumeist schluffig bis mittelsandigen Ablagerungen sind durch einen sehr großen Eisgehalt in Form von verteiltem Grundeis und großer syngenetischer Eiskeile, sowie einem relativ hohen Anteil an organischen Resten gekennzeichnet. Mit Beginn der holozänen Klimaerwärmung kam es zur weitläufigen Bildung von Thermokarst.
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Periglazial
KW  - Periglazialgeomorphologie
KW  - Sibirien <Nord>
KW  - Fernerkundung
KW  - Optische Fernerkundung
KW  - Geomorphologie
KW  - Permafrost
KW  - Thermokarst
KW  - Sibirien
KW  - Klimawandel
KW  - Siberia
KW  - Global change
KW  - Geomorphology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5544
ER  - 
TY  - THES
A1  - Golly, Antonius
T1  - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream
T1  - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes
N2  - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. 

In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. 

The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work.
N2  - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar.
Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV).
KW  - Geomorphologie
KW  - geomorphology
KW  - Naturgefahren
KW  - natural hazards
KW  - Gebirgsbäche
KW  - mountain rivers
KW  - Geschiebetransport
KW  - bedload transport
KW  - Bachstufen
KW  - channel steps
KW  - Gerinne-Hang-Kopplung
KW  - channel-hillslope coupling
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bookhagen, Bodo
T1  - Late quaternary climate changes and landscape evolution in the Northwest Himalaya : geomorphologic processes in the Indian Summer Monsoon Domain
N2  - The India-Eurasia continental collision zone provides a spectacular example of active mountain building and climatic forcing. In order to quantify the critically important process of mass removal, I analyzed spatial and temporal precipitation patterns of the oscillating monsoon system and their geomorphic imprints. I processed passive microwave satellite data to derive high-resolution rainfall estimates for the last decade and identified an abnormal monsoon year in 2002. During this year, precipitation migrated far into the Sutlej Valley in the northwestern part of the Himalaya and reached regions behind orographic barriers that are normally arid. There, sediment flux, mean basin denudation rates, and channel-forming processes such as erosion by debris-flows increased significantly. Similarly, during the late Pleistocene and early Holocene, solar forcing increased the strength of the Indian summer monsoon for several millennia and presumably lead to analogous precipitation distribution as were observed during 2002. However, the persistent humid conditions in the steep, high-elevation parts of the Sutlej River resulted in deep-seated landsliding. Landslides were exceptionally large, mainly due to two processes that I infer for this time: At the onset of the intensified monsoon at 9.7 ka BP heavy rainfall and high river discharge removed material stored along the river, and lowered the baselevel. Second, enhanced discharge, sediment flux, and increased pore-water pressures along the hillslopes eventually lead to exceptionally large landslides that have not been observed in other periods. The excess sediments that were removed from the upstream parts of the Sutlej Valley were rapidly deposited in the low-gradient sectors of the lower Sutlej River. Timing of downcutting correlates with centennial-long weaker monsoon periods that were characterized by lower rainfall. I explain this relationship by taking sediment flux and rainfall dynamics into account: High sediment flux derived from the upstream parts of the Sutlej River during strong monsoon phases prevents fluvial incision due to oversaturation the fluvial sediment-transport capacity. In contrast, weaker monsoons result in a lower sediment flux that allows incision in the low-elevation parts of the Sutlej River.
N2  - Die Indisch-Eurasische Kontinentalkollision ist ein beeindruckendes Beispiel für weitreichenden, tektonisch kontrollierten klimatischen Einfluss. Um den Einfluss von klimatisch bedingter Erosion auf die Orogenese zu testen, habe ich erosive Oberflächenprozesse, Monsunvariationen und fluviatilen Massentransfer auf verschiedenen Zeitscheiben analysiert. Um genaue Niederschläge auf einem grossen Raum zu quantifizieren, habe ich durch Wettersatelliten aufgezeichnete passive Mikrowellendaten für die letzten zehn Jahre untersucht. Erstaunlicherweise variiert der Niederschlag nur wenig von Jahr zu Jahr und ein Großteil des Regens wird durch orographische Effekte gesteuert. Im Jahre 2002 allerdings, habe ich ein abnormal starkes Monsunjahr feststellen können. Zu dieser Zeit ist der Monsunniederschlag weiter in das Gebirge vorgedrungen und hat viele Massenbewegungen wie z.B. Schuttströme und Muren ausgelöst. Dabei verdoppelten sich die Erosionsraten im Einzugsgebiet. Ich zeige anhand von Satellitenbildern, aufgenommen vor und nach dem Monsun, dass sich hierbei vor allen Dingen kleine, neue Flußläufe entwickeln. In höher gelegenen, normalerweise trockenen Gebieten findet man auch Überreste von enormen Bergstürzen und dahinter aufgestauten Seen. Datierungen dieser geomorphologischen Phänomene zeigen, dass sie nur in zwei Phasen während der letzten 30.000 Jahre auftreten: Im späten Pleistozän vor rund 27.000 Jahren und im frühen Holozän vor 8000 Jahre. Diese Zeiten sind durch einen starken Monsun, der durch die Insolation kontrolliert wird, gekennzeichnet. Analog zur Niederschlagsverteilung im Jahre 2002 ist der Monsun aber nicht nur für ein Jahr, sondern mehrere hundert oder tausend Jahre lang kontinuierlich in die heute ariden Gebiete vorgedrungen. Der erhöhte Porenwasserdruck und die erstarkten Flüsse lösten dann durch laterale Unterschneidung große Bergstürze aus, die zu keiner anderen Zeit beobachtet wurden. Die temporären Becken in den Hochlagen, die durch Bergstürze entstanden sind, entstehen in Feuchtphasen und werden in schwächeren Monsunphasen von Flüssen abgetragen und verdeutlicht die komplexe Beziehung zwischen Klima und Massentransfer verdeutlicht.  ---- Anmerkung: Der Autor wurde 2005 mit dem 7. Publikationspreis des Leibniz-Kollegs Potsdam für Nachwuchswissenschaftler/innen in Naturwissenschaften ausgezeichnet.
T2  - Late quaternary climate changes and landscape evolution in the Northwest Himalaya : geomorphologic processes in the Indian Summer Monsoon Domain
KW  - Monsun
KW  - Himalaja
KW  - Klima
KW  - Indien
KW  - Bergstürze
KW  - Geomorphologie
KW  - Asian monsoon
KW  - Himalaya
KW  - climate
KW  - landslides
KW  - geomorphology
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001956
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bamberg, Marlene
T1  - Planetary mapping tools applied to floor-fractured craters on Mars
T1  - Planetare Analysewerkzeuge am Anwendungsgebiet von Kratern mit zerbrochenen Boeden auf dem Mars
N2  - Planetary research is often user-based and requires considerable skill, time, and effort. Unfortunately, self-defined boundary conditions, definitions, and rules are often not documented or not easy to comprehend due to the complexity of research. This makes a comparison to other studies, or an extension of the already existing research, complicated. Comparisons are often distorted, because results rely on different, not well defined, or even unknown boundary conditions. The purpose of this research is to develop a standardized analysis method for planetary surfaces, which is adaptable to several research topics. The method provides a consistent quality of results. This also includes achieving reliable and comparable results and reducing the time and effort of conducting such studies. A standardized analysis method is provided by automated analysis tools that focus on statistical parameters. Specific key parameters and boundary conditions are defined for the tool application. The analysis relies on a database in which all key parameters are stored. These databases can be easily updated and adapted to various research questions. This increases the flexibility, reproducibility, and comparability of the research. However, the quality of the database and reliability of definitions directly influence the results. To ensure a high quality of results, the rules and definitions need to be well defined and based on previously conducted case studies. The tools then produce parameters, which are obtained by defined geostatistical techniques (measurements, calculations, classifications). The idea of an automated statistical analysis is tested to proof benefits but also potential problems of this method. In this study, I adapt automated tools for floor-fractured craters (FFCs) on Mars. These impact craters show a variety of surface features, occurring in different Martian environments, and having different fracturing origins. They provide a complex morphological and geological field of application. 433 FFCs are classified by the analysis tools due to their fracturing process. Spatial data, environmental context, and crater interior data are analyzed to distinguish between the processes involved in floor fracturing. Related geologic processes, such as glacial and fluvial activity, are too similar to be separately classified by the automated tools. Glacial and fluvial fracturing processes are merged together for the classification. The automated tools provide probability values for each origin model. To guarantee the quality and reliability of the results, classification tools need to achieve an origin probability above 50 %. This analysis method shows that 15 % of the FFCs are fractured by intrusive volcanism, 20 % by tectonic activity, and 43 % by water & ice related processes. In total, 75 % of the FFCs are classified to an origin type. This can be explained by a combination of origin models, superposition or erosion of key parameters, or an unknown fracturing model. Those features have to be manually analyzed in detail. Another possibility would be the improvement of key parameters and rules for the classification. This research shows that it is possible to conduct an automated statistical analysis of morphologic and geologic features based on analysis tools. Analysis tools provide additional information to the user and are therefore considered assistance systems.
N2  - Planetenforschung umfasst oft zeitintensive Projekte, bei denen Expertise und Erfahrung eine wesentliche Rolle spielen. Auf Grund äusserst komplexer und sich selten wiederholender Forschungsfragen sind Annahmen, Definitionen und Regeln zur Lösung dieser Fragen nicht leicht nachvollziehbar oder aber nicht eindeutig dokumentiert. Ein Vergleich der Ergebnisse unterschiedlicher Forscher zum selben Thema oder eine Erweiterung der Forschungsfrage macht dies somit nur schwer möglich. Vergleiche liefern oftmals verzerrte Ergebnisse, da die Ausgangslage und Randbedingungen unterschiedlich definiert worden sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine Standardmethode zur Oberflächenanalyse zu entwickeln, die auf zahlreiche Untersuchungsfragen angewandt werden kann. Eine gleichbleibende Qualität der Ergebnisse muss durch diese Methode gewährleistet sein. Ein weiteres Ziel ist es, dass diese Methode ohne Vorwissen und Expertise angewandt werden kann und die Ergebnisse in kurzer Zeit vorliegen. Ausserdem müssen die Ergebnisse vergleichbar und nachvollziehbar sein. Automatisch operierende Analysewerkzeuge können die zahlreichen Anforderungen erfüllen und als Standardmethode dienen. Statistische Ergebnisse werden durch diese Methode erzielt. Die Werkzeuge basieren auf vordefinierten, geowissenschaftlichen Techniken und umfassen Messungen, Berechnungen und Klassifikationen der zu untersuchenden Oberflächenstrukturen. Für die Anwendung dieser Werkzeuge müssen Schlüsselstrukturen und Randbedingungen definiert werden. Des Weiteren benötigen die Werkzeuge eine Datenbank, in der alle Oberflächenstrukturen, aber auch Informationen zu den Randbedingungen gespeichert sind. Es ist mit geringem Aufwand möglich, Datenbanken zu aktualisieren und sie auf verschiedenste Fragestellungen zu adaptieren. Diese Tatsache steigert die Flexibilität, Reproduzierbarkeit und auch Vergleichbarkeit der Untersuchung. Die vordefinierten Randbedingungen und die Qualität der Datenbank haben jedoch auch direkten Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse. Um eine gleichbleibend hohe Qualität der Untersuchung zu gewährleisten muss sichergestellt werden, dass alle vordefinierten Bedingungen eindeutig sind und auf vorheriger Forschung basieren. Die automatisch operierenden Analysewerkzeuge müssen als mögliche Standardmethode getestet werden. Hierbei geht es darum Vorteile, aber auch Nachteile zu identifizieren und zu bewerten. In dieser Arbeit werden die Analysewerkzeuge auf einen bestimmten Einschlagskratertyp auf dem Mars angewandt. Krater mit zerbrochenen Kraterböden (Floor-Fractured Craters) sind in verschiedensten Regionen auf dem Mars zu finden, sie zeigen zahlreiche Oberflächenstrukturen und wurden durch unterschiedliche Prozesse geformt. All diese Fakten machen diesen Kratertyp zu einem interessanten und im geologischen und morphologischen Sinne sehr komplexen Anwendungsgebiet. 433 Krater sind durch die Werkzeuge analysiert und je nach Entstehungsprozess klassifiziert worden. Für diese Analyse sind Position der Krater, Art des Umfeldes und Strukturen im Kraterinneren ausschlaggebend. Die kombinierten Informationen geben somit Auskunft über die Prozesse, welche zum Zerbrechen des Kraterbodens geführt haben. Die entwickelten Analysewerkzeuge können geologische Prozesse, die sehr ähnlich zueinander sind, von einander abhängig sind und zusätzlich auch dieselben Oberflächenstrukturen formen, nicht eindeutig unterscheiden. Aus diesem Grund sind fluviale und glaziale Entstehungsprozesse für den untersuchten Kratertyp zusammengefasst. Die Analysewerkzeuge liefern Wahrscheinlichkeitswerte für drei mögliche Entstehungsarten. Um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern muss eine Wahrscheinlichkeit über 50 % erreicht werden. Die Werkzeuge zeigen, dass 15 % der Krater durch Vulkanismus, 20 % durch Tektonik und 43 % durch Wasser- und Eis-bedingte Prozesse gebildet wurden. Insgesamt kann für 75 % des untersuchten Kratertyps ein potentieller Entstehungsprozess zugeordnet werden. Für 25 % der Krater ist eine Klassifizierung nicht möglich. Dies kann durch eine Kombination von geologischen Prozessen, einer Überprägung von wichtigen Schlüsselstrukturen, oder eines bisher nicht berücksichtigten Prozesses erklärt werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass es möglich ist planetare Oberflächenstrukturen quantitativ durch automatisch operierende Analysewerkzeuge zu erfassen und hinsichtlich einer definierten Fragestellung zu klassifizieren. Zusätzliche Informationen können durch die entwickelten Werkzeuge erhalten werden, daher sind sie als Assistenzsystem zu betrachten.
KW  - Datenbank
KW  - Automatisierung
KW  - Klassifizierung
KW  - geologische Prozesse
KW  - Geomorphologie
KW  - database
KW  - automation
KW  - classification
KW  - geological processes
KW  - geomorphology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72104
ER  -