TY - THES A1 - Veh, Georg T1 - Outburst floods from moraine-dammed lakes in the Himalayas T1 - Ausbruchsfluten von moränen-gestauten Seen im Himalaya BT - detection, frequency, and hazard BT - Erkennung, Häufigkeit, und Gefährdung N2 - The Himalayas are a region that is most dependent, but also frequently prone to hazards from changing meltwater resources. This mountain belt hosts the highest mountain peaks on earth, has the largest reserve of ice outside the polar regions, and is home to a rapidly growing population in recent decades. One source of hazard has attracted scientific research in particular in the past two decades: glacial lake outburst floods (GLOFs) occurred rarely, but mostly with fatal and catastrophic consequences for downstream communities and infrastructure. Such GLOFs can suddenly release several million cubic meters of water from naturally impounded meltwater lakes. Glacial lakes have grown in number and size by ongoing glacial mass losses in the Himalayas. Theory holds that enhanced meltwater production may increase GLOF frequency, but has never been tested so far. The key challenge to test this notion are the high altitudes of >4000 m, at which lakes occur, making field work impractical. Moreover, flood waves can attenuate rapidly in mountain channels downstream, so that many GLOFs have likely gone unnoticed in past decades. Our knowledge on GLOFs is hence likely biased towards larger, destructive cases, which challenges a detailed quantification of their frequency and their response to atmospheric warming. Robustly quantifying the magnitude and frequency of GLOFs is essential for risk assessment and management along mountain rivers, not least to implement their return periods in building design codes. Motivated by this limited knowledge of GLOF frequency and hazard, I developed an algorithm that efficiently detects GLOFs from satellite images. In essence, this algorithm classifies land cover in 30 years (~1988–2017) of continuously recorded Landsat images over the Himalayas, and calculates likelihoods for rapidly shrinking water bodies in the stack of land cover images. I visually assessed such detected tell-tale sites for sediment fans in the river channel downstream, a second key diagnostic of GLOFs. Rigorous tests and validation with known cases from roughly 10% of the Himalayas suggested that this algorithm is robust against frequent image noise, and hence capable to identify previously unknown GLOFs. Extending the search radius to the entire Himalayan mountain range revealed some 22 newly detected GLOFs. I thus more than doubled the existing GLOF count from 16 previously known cases since 1988, and found a dominant cluster of GLOFs in the Central and Eastern Himalayas (Bhutan and Eastern Nepal), compared to the rarer affected ranges in the North. Yet, the total of 38 GLOFs showed no change in the annual frequency, so that the activity of GLOFs per unit glacial lake area has decreased in the past 30 years. I discussed possible drivers for this finding, but left a further attribution to distinct GLOF-triggering mechanisms open to future research. This updated GLOF frequency was the key input for assessing GLOF hazard for the entire Himalayan mountain belt and several subregions. I used standard definitions in flood hydrology, describing hazard as the annual exceedance probability of a given flood peak discharge [m3 s-1] or larger at the breach location. I coupled the empirical frequency of GLOFs per region to simulations of physically plausible peak discharges from all existing ~5,000 lakes in the Himalayas. Using an extreme-value model, I could hence calculate flood return periods. I found that the contemporary 100-year GLOF discharge (the flood level that is reached or exceeded on average once in 100 years) is 20,600+2,200/–2,300 m3 s-1 for the entire Himalayas. Given the spatial and temporal distribution of historic GLOFs, contemporary GLOF hazard is highest in the Eastern Himalayas, and lower for regions with rarer GLOF abundance. I also calculated GLOF hazard for some 9,500 overdeepenings, which could expose and fill with water, if all Himalayan glaciers have melted eventually. Assuming that the current GLOF rate remains unchanged, the 100-year GLOF discharge could double (41,700+5,500/–4,700 m3 s-1), while the regional GLOF hazard may increase largest in the Karakoram. To conclude, these three stages–from GLOF detection, to analysing their frequency and estimating regional GLOF hazard–provide a framework for modern GLOF hazard assessment. Given the rapidly growing population, infrastructure, and hydropower projects in the Himalayas, this thesis assists in quantifying the purely climate-driven contribution to hazard and risk from GLOFs. N2 - In kaum einer anderen Region treten Abhängigkeit, Nutzen und Gefährdung von Gletscher- und Schneeschmelze so deutlich zu Tage wie im Himalaya. Naturgefahren sind hier allgegenwärtig, wobei eine die Wissenschaftler in den vergangen zwei Jahrzehnten besonders beschäftigte: Ausbrüche von Gletscherseen traten in der Vergangenheit zwar selten, aber meist mit katastrophalen Konsequenzen für die darunterliegenden Berggemeinden auf. Gletscherseeausbrüche (englisches Akronym GLOFs – glacial lake outburst floods) beschreiben den plötzlichen Ausfluss von teils mehreren Millionen Kubikmetern Wasser aus natürlich gedämmten Schmelzwasserseen. Anhaltender Gletscherrückgang in vergangenen Jahrzehnten schuf mehrere tausend Hochgebirgsseen, mit ununterbrochenem Wachstum in Anzahl und Fläche, was den Schluss auf ein möglicherweise vermehrtes Auftreten von GLOFs nahelegte. Diese suggerierte Zunahme von GLOFs konnte jedoch bisher weder getestet noch bestätigt werden, vor allem weil Seen überwiegend jenseits von 4,000 m üNN entstehen, was Feldstudien dort erschwert. Unser Wissen über GLOFs ist daher möglicherweise zu größeren, schadensreichen Ereignissen verschoben, wodurch ihre aktuelle Frequenz, und letztlich auch ihr Zusammenhang mit dem Klimawandel, nur schwer quantifizierbar sind. Mit welcher Wiederkehrrate GLOFs auftreten ist nicht zuletzt entscheidend für Risikoanalyse und -management entlang von Flüssen. Um einer Unterschätzung der tatsächlichen GLOF-Aktivität entgegenzuwirken, entwickelte ich einen Algorithmus, der GLOFs automatisch aus Satellitenbildern detektiert. Der Algorithmus greift auf etwa 30 Jahre kontinuierlich aufgenommene Landsat-Bilder (~1988-2017) zu, und berechnet letztlich die Wahrscheinlichkeit, ob Wasserkörper rasch innerhalb dieser Bildzeitreihe geschrumpft sind. An solchen Stellen suchte ich nach Sedimentverlagerungen im Gerinne flussabwärts, was ein zweites Hauptkriterium für GLOFs ist. Tests und Validierung in etwa 10% des Himalayas bestätigten, dass die Methode robust gegenüber atmosphärischen Störeffekten ist. Mit dem Ziel bisher unbekannte GLOFs zu entdecken, wendete ich daher diesen Algorithmus auf den gesamten Himalaya an. Die Suche ergab 22 neu entdeckte GLOFs, was das bestehende Inventar von 16 bekannten GLOFs seit 1988 mehr als verdoppelte. Das aktualisierte räumliche Verbreitungsmuster bestätigte einmal mehr, dass GLOFs vermehrt im Zentral- und Osthimalaya (Bhutan und Ost-Nepal) auftraten, wohingegen im Norden deutlich weniger GLOFs stattfanden. Entgegen der häufigen Annahme stellte ich jedoch fest, dass die jährliche Häufigkeit von GLOFs in den letzten drei Jahrzehnten konstant blieb. Dadurch hat das Verhältnis von GLOFs pro Einheit See(-fläche) in diesem Zeitraum sogar abgenommen. Dieses räumlich aufgelöste GLOF-Inventar bot nun die Möglichkeit, das Gefährdungspotential durch GLOFs für den gesamten Himalaya und einzelne Regionen zu berechnen. Dafür verwendete ich die in der Hochwasseranalyse gebräuchliche Definition von Gefährdung, welche die jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeit einer gewissen Abflussmenge, in diesem Fall des Spitzenabflusses [m3 s-1] am Dammbruch, beschreibt. Das GLOF-Inventar liefert demnach die zeitliche Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von GLOFs, während Simulationen von möglichen Spitzenabflüssen für alle heute existierenden ~5,000 Seen im Himalaya die zu erwarteten Magnituden beisteuerten. Mit Extremwertstatistik lässt sich so die mittlere Wiederkehrzeit dieser Spitzenabflüsse errechnen. Ich fand heraus, dass der 100-jährliche Abfluss (die Flutmagnitude, die im Durchschnitt einmal in 100 Jahren erreicht oder überschritten wird) derzeit bei rund 20,600+2,200/–2,300 m³ s-1 für den gesamten Himalaya liegt. Entsprechend der heutigen räumlichen und zeitlichen Verteilung von GLOFs ist die Gefährdung im Osthimalaya am höchsten und in Regionen mit wenig dokumentierten GLOFs vergleichsweise niedrig. Für ein Szenario, in dem der gesamte Himalaya in Zukunft eisfrei sein könnte, errechnete ich zudem das Gefährdungspotential von ~9,500 Übertiefungen unterhalb der heutigen Gletschern, die sich nach deren Abschmelzen mit Wasser füllen könnten. Angenommen, dass die zukünftige GLOF-Rate der heutigen entspricht, könnte der 100-jährliche Abfluss sich mehr als verdoppeln (41,700+5,500/–4,700 m3 s-1), wobei der stärkste regionale Anstieg für den Karakorum zu erwarten wäre. Zusammenfassend formen diese drei Schritte–von der Detektion von GLOFs, über die Bestimmung derer Frequenz, bis zur regionalen Abschätzung von Spitzenabflüssen–das Grundgerüst, das ein moderner Ansatz zur Gefahrenabschätzung von GLOFs benötigt. Angesichts einer wachsenden Exposition von Bevölkerung, Infrastruktur und Wasserkraftanlagen liefert diese Arbeit einen entscheidenden Beitrag, den Anteil des Klimawandels in der Gefährdung und Risiko durch GLOFs zu quantifizieren. KW - GLOF KW - frequency KW - Landsat KW - satellite images KW - classification KW - magnitude KW - Himalaya KW - Karakoram KW - climate change KW - atmospheric warming KW - glacial lakes KW - glaciers KW - meltwater KW - natural hazard KW - GLOF KW - Gletscherseeasubruch KW - Häufigkeit KW - Landsat KW - Satellitenbilder KW - Klassifikation KW - Magnitude KW - Himalaya KW - Karakorum KW - Klimawandel KW - atmosphärische Erwärmung KW - Gletscherseen KW - Gletscher KW - Schmelzwasser KW - Naturgefahr Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436071 ER - TY - THES A1 - Mey, Jürgen T1 - Intermontane valley fills T1 - Intermontane Talverfüllungen BT - recorders of climate, tectonics and landscape evolution BT - Zeugen von Klima, Tektonik und Landschaftsentwicklung N2 - Sedimentary valley fills are a widespread characteristic of mountain belts around the world. They transiently store material over time spans ranging from thousands to millions of years and therefore play an important role in modulating the sediment flux from the orogen to the foreland and to oceanic depocenters. In most cases, their formation can be attributed to specific fluvial conditions, which are closely related to climatic and tectonic processes. Hence, valley-fill deposits constitute valuable archives that offer fundamental insight into landscape evolution, and their study may help to assess the impact of future climate change on sediment dynamics. In this thesis I analyzed intermontane valley-fill deposits to constrain different aspects of the climatic and tectonic history of mountain belts over multiple timescales. First, I developed a method to estimate the thickness distribution of valley fills using artificial neural networks (ANNs). Based on the assumption of geometrical similarity between exposed and buried parts of the landscape, this novel and highly automated technique allows reconstructing fill thickness and bedrock topography on the scale of catchments to entire mountain belts. Second, I used the new method for estimating the spatial distribution of post-glacial sediments that are stored in the entire European Alps. A comparison with data from exploratory drillings and from geophysical surveys revealed that the model reproduces the measurements with a root mean squared error (RMSE) of 70m and a coefficient of determination (R2) of 0.81. I used the derived sediment thickness estimates in combination with a model of the Last Glacial Maximum (LGM) icecap to infer the lithospheric response to deglaciation, erosion and deposition, and deduce their relative contribution to the present-day rock-uplift rate. For a range of different lithospheric and upper mantle-material properties, the results suggest that the long-wavelength uplift signal can be explained by glacial isostatic adjustment with a small erosional contribution and a substantial but localized tectonic component exceeding 50% in parts of the Eastern Alps and in the Swiss Rhône Valley. Furthermore, this study reveals the particular importance of deconvolving the potential components of rock uplift when interpreting recent movements along active orogens and how this can be used to constrain physical properties of the Earth’s interior. In a third study, I used the ANN approach to estimate the sediment thickness of alluviated reaches of the Yarlung Tsangpo River, upstream of the rapidly uplifting Namche Barwa massif. This allowed my colleagues and me to reconstruct the ancient river profile of the Yarlung Tsangpo, and to show that in the past, the river had already been deeply incised into the eastern margin of the Tibetan Plateau. Dating of basal sediments from drill cores that reached the paleo-river bed to 2–2.5 Ma are consistent with mineral cooling ages from the Namche Barwa massif, which indicate initiation of rapid uplift at ~4 Ma. Hence, formation of the Tsangpo gorge and aggradation of the voluminous valley fill was most probably a consequence of rapid uplift of the Namche Barwa massif and thus tectonic activity. The fourth and last study focuses on the interaction of fluvial and glacial processes at the southeastern edge of the Karakoram. Paleo-ice-extent indicators and remnants of a more than 400-m-thick fluvio-lacustrine valley fill point to blockage of the Shyok River, a main tributary of the upper Indus, by the Siachen Glacier, which is the largest glacier in the Karakoram Range. Field observations and 10Be exposure dating attest to a period of recurring lake formation and outburst flooding during the penultimate glaciation prior to ~110 ka. The interaction of Rivers and Glaciers all along the Karakorum is considered a key factor in landscape evolution and presumably promoted headward erosion of the Indus-Shyok drainage system into the western margin of the Tibetan Plateau. The results of this thesis highlight the strong influence of glaciation and tectonics on valley-fill formation and how this has affected the evolution of different mountain belts. In the Alps valley-fill deposition influenced the magnitude and pattern of rock uplift since ice retreat approximately 17,000 years ago. Conversely, the analyzed valley fills in the Himalaya are much older and reflect environmental conditions that prevailed at ~110 ka and ~2.5 Ma, respectively. Thus, the newly developed method has proven useful for inferring the role of sedimentary valley-fill deposits in landscape evolution on timescales ranging from 1,000 to 10,000,000 years. N2 - Sedimentäre Talverfüllungen sind ein häufiges Merkmal von Gebirgen auf der ganzen Welt. Sie speichern Abtragungsprodukte über Zeiträume von Tausenden bis Millionen von Jahren und beeinflussen den Sedimenttransport vom Gebirge in das Vorland und in die ozeanischen Becken. Die Bildung solcher Sedimentspeicher geht oft auf Zustände im fluvialen System zurück, welche mit bestimmten klimatischen und tektonischen Prozessen in Verbindung gebracht werden können. Talverfüllungen stellen daher wertvolle Archive dar, die über fundamentale Zusammenhänge in der Landschaftsgenese Aufschluss geben und deren Untersuchung dazu beiträgt, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Sedimentdynamik im Gebirge zu prognostizieren. In dieser Arbeit untersuchte ich intermontane Talverfüllungen, um die klimatische und tektonische Geschichte von Gebirgszügen über mehrere Zeitskalen hinweg zu ermitteln. Zuerst entwickelte ich eine Methode zur Abschätzung von Sedimentmächtigkeiten mit Hilfe von künstlichen neuralen Netzen, die auf der Annahme basiert, dass sich die zugeschütteten und die freiliegenden Bereiche der Landschaft geometrisch ähneln. Diese neuartige und hochautomatisierte Methode macht es möglich, Sedimentmächtigkeiten und Untergrundtopographien für einzelne Einzugsgebiete bis hin zu ganzen Gebirgen abzuschätzen. Als zweites benutzte ich die neue Methode, um die Mächtigkeitsverteilung der postglazialen Sedimentspeicher in den Europäischen Alpen zu rekonstruieren. Ein Vergleich mit Daten aus Bohrlochmessungen und geophysikalischen Explorationen zeigte, dass das Modell die gemessenen Mächtigkeiten mit einem quadratischen Mittelwert des Fehlers (RMSE) von 70m und einem Bestimmtheitsmaß (R2) von 0.81 reproduziert. Ich verwendete diese Sedimentverteilung in Kombination mit einem Modell der alpinen Eiskappe des letzten glazialen Maximums (LGM), um die Reaktion der Lithosphäre auf Abschmelzen, Erosion und Ablagerung zu berechnen und deren Beiträge zur derzeitigen Gesteinshebung abzuleiten. Unter Berücksichtigung einer Reihe verschiedener Eigenschaften der Lithosphäre und des oberen Erdmantels zeigten die Resultate, dass das langwellige Hebungsmuster im Wesentlichen durch Glazialisostasie erklärt werden kann und dass die Entlastung durch Erosion eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus postulierte ich eine tektonische Komponente von über 50% in Teilen der Ostalpen und im Schweizer Rhône Tal. Die Studie verdeutlicht, dass die Entflechtung der Prozesse, die zur Gesteinshebung beitragen, eine entscheidende Rolle spielt bei der Interpretation rezenter Bewegungen entlang aktiver Orogene und bei der Abschätzung von physikalischen Eigenschaften des Erdinneren. Im dritten Teil berechnete ich die Mächtigkeitsverteilung der sedimentären Talverfüllung des Yarlung Tsangpo Tales oberhalb des Namche Barwa Massivs am östlichen Rand des Tibet Plateaus. Dies ermöglichte meinen Kollegen und mir das ehemalige Flusslängsprofil zu rekonstruieren und zu zeigen, dass sich der Yarlung Tsangpo in der Vergangenheit bereits tief in den östlichen Rand des Tibet Plateaus einschnitt. Die Basis der Sedimente wurde erbohrt und beprobt und deren Ablagerung auf 2–2.5 Ma datiert was konsistent mit Abkühlungsaltern von Mineralen des Namche Barwa Massivs ist, die auf den Beginn einer beschleunigten Hebung vor ~4 Ma hindeuten. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass die Bildung der Tsangpo Schlucht und die Aggradation der Talsedimente höchstwahrscheinlich in Folge der schnellen Hebung des Namche Barwa Massivs geschah, welche letztendlich auf tektonische Aktivität zurück geht. Der vierte und letzte Teil behandelt die Interaktion fluvialer und glazialer Prozesse am südöstlichen Rand des Karakorums. Indikatoren für die frühere Eisausdehnung und die Überreste einer bis zu 400m mächtigen fluvio-lakustrinen Talverfüllung weisen auf eine Blockade des Shyok, eines Hauptzuflusses es Oberen Indus, durch den Siachen Gletscher, den größten Gletscher des Karakorums, hin. Weitere Geländebefunde und Oberflächendatierungen mittels kosmogenem 10Be bezeugen, dass es während des vorletzten Glaziales zu einem mehrfachen Aufstauen des Shyok und damit assoziierten Seeausbrüchen gekommen ist. Das Zusammenwirken von Flüssen und Gletschern entlang des Karakorums war maßgeblich für die Landschaftsentwicklung und führte möglicherweise zum Einschneiden von Tälern in den westlichen Rand des Tibet Plateaus. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Vergletscherung und Tektonik bei der Bildung von intermontanen Sedimentspeichern und deren Einwirken auf die Entwicklung zweier Gebirge. In den Alpen beeinflusst die Ablagerung von Talfüllungen die Raten und das Muster der Gesteinshebung seit Rückzug des Eises vor ca. 17,000 Jahren. Demgegenüber sind die in dieser Arbeit betrachteten Talfüllungen des Himalayas weit älter und geben Aufschluss über die Umweltbedingungen vor jeweils 110 ka und 2.5 Ma. Es zeigt sich, dass die neue Methode zur Abschätzung von Mächtigkeiten und Volumina intermontaner Talverfüllungen dazu beiträgt, die Landschaftsentwicklung über Zeiträume von 1,000 bis 10,000,000 Jahren zu rekonstruieren. KW - intermontane valley fill KW - sediment thickness KW - bedrock elevation KW - artificial neural networks KW - sediment volume KW - landscape evolution KW - glacial isostatic adjustment KW - isostatic uplift KW - LGM KW - Ice model KW - European Alps KW - outburst floods KW - glacial incision KW - Tibetan Plateau KW - Shyok River KW - cosmogenic nuclides KW - exposure age dating KW - ice dam KW - Karakoram KW - Namche Barwa KW - Yarlung-Tsangpo Gorge KW - burial dating KW - tectonic uplift KW - syntaxis KW - intermontane Talverfüllungen KW - Sedimentmächtigkeit KW - Grundgesteinshöhe KW - künstliche neurale Netzwerke KW - Sedimentvolumen KW - Landschaftsentwicklung KW - Glazialisostasie KW - isostatische Hebung KW - LGM KW - Eismodell KW - Europäische Alpen KW - Seeausbrüche KW - glaziale Einschneidung KW - Tibet Plateau KW - Shyok Fluss KW - kosmogene Nuklide KW - Expositionsaltersdatierung KW - Eisdamm KW - Karakorum KW - Namche Barwa KW - Yarlung-Tsangpo Schlucht KW - Verschüttungsaltersdatierung KW - tektonische Hebung KW - Syntaxe Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103158 ER -