TY - THES A1 - Spallanzani, Roberta T1 - Li and B in ascending magmas: an experimental study on their mobility and isotopic fractionation T1 - Li und B in aufsteigenden Magmen: eine experimentelle Studie über ihre Mobilität und Isotopenfraktionierung N2 - This research study focuses on the behaviour of Li and B during magmatic ascent, and decompression-driven degassing related to volcanic systems. The main objective of this dissertation is to determine whether it is possible to use the diffusion properties of the two trace elements as a tool to trace magmatic ascent rate. With this objective, diffusion-couple and decompression experiments have been performed in order to study Li and B mobility in intra-melt conditions first, and then in an evolving system during decompression-driven degassing. Synthetic glasses were prepared with rhyolitic composition and an initial water content of 4.2 wt%, and all the experiments were performed using an internally heated pressure vessel, in order to ensure a precise control on the experimental parameters such as temperature and pressure. Diffusion-couple experiments were performed with a fix pressure 300 MPa. The temperature was varied in the range of 700-1250 °C with durations between 0 seconds and 24 hours. The diffusion-couple results show that Li diffusivity is very fast and starts already at very low temperature. Significant isotopic fractionation occurs due to the faster mobility of 6Li compared to 7Li. Boron diffusion is also accelerated by the presence of water, but the results of the isotopic ratios are unclear, and further investigation would be necessary to well constrain the isotopic fractionation process of boron in hydrous silicate melts. The isotopic ratios results show that boron isotopic fractionation might be affected by the speciation of boron in the silicate melt structure, as 10B and 11B tend to have tetrahedral and trigonal coordination, respectively. Several decompression experiments were performed at 900 °C and 1000 °C, with pressures going from 300 MPa to 71-77 MPa and durations of 30 minutes, two, five and ten hours, in order to trigger water exsolution and the formation of vesicles in the sample. Textural observations and the calculation of the bubble number density confirmed that the bubble size and distribution after decompression is directly proportional to the decompression rate. The overall SIMS results of Li and B show that the two trace elements tend to progressively decrease their concentration with decreasing decompression rates. This is explained because for longer decompression times, the diffusion of Li and B into the bubbles has more time to progress and the melt continuously loses volatiles as the bubbles expand their volumes. For fast decompression, Li and B results show a concentration increase with a δ7Li and δ11B decrease close to the bubble interface, related to the sudden formation of the gas bubble, and the occurrence of a diffusion process in the opposite direction, from the bubble meniscus to the unaltered melt. When the bubble growth becomes dominant and Li and B start to exsolve into the gas phase, the silicate melt close to the bubble gets depleted in Li and B, because of a stronger diffusion of the trace elements into the bubble. Our data are being applied to different models, aiming to combine the dynamics of bubble nucleation and growth with the evolution of trace elements concentration and isotopic ratios. Here, first considerations on these models will be presented, giving concluding remarks on this research study. All in all, the final remarks constitute a good starting point for further investigations. These results are a promising base to continue to study this process, and Li and B can indeed show clear dependences on decompression-related magma ascent rates in volcanic systems. N2 - Diese Forschungsstudie konzentriert sich auf das Verhalten von Li und B während des magmatischen Aufstiegs und der Druckentlastungsbedingten Entgasung im Zusammenhang mit vulkanischen Systemen. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, festzustellen, ob es möglich ist, die Diffusionseigenschaften der beiden Spurenelemente als Instrument zur Verfolgung der magmatischen Aufstiegsgeschwindigkeit zu nutzen. Unter Verwendung von synthetischen Gläsern mit rhyolitischer Zusammensetzung und einem Wassergehalt von 4,2 Gew.-% wurden Diffusionspaar- und Druckentlastungsexperimente durchgeführt, um die Mobilität von Li und B zunächst in der Schmelze und dann in einem sich entwickelnden System während der Druckentlastungsgetriebenen Entgasung zu untersuchen. Diffusionspaar wurden mit einem festen Druck von 300 MPa durchgeführt. Die Temperatur wurde im Bereich von 700-1250 °C variiert, wobei die Dauer zwischen 0 Sekunden und 24 Stunden lag. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diffusionsfähigkeit von Li sehr schnell ist und bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Eine Isotopenfraktionierung findet aufgrund der schnelleren Mobilität von 6Li im Vergleich zu 7Li statt. Die Diffusion von Bor wird durch die Anwesenheit von Wasser ebenfalls beschleunigt, bleibt aber langsamer als die von Li. Die Ergebnisse der Isotopenverhältnisse zeigen, dass die Bor-Isotopenfraktionierung durch die Speziation von Bor in der Silikatschmelze beeinflusst werden könnte, da 10B und 11B tendenziell eine tetraedrische bzw. trigonale Koordination aufweisen. Druckentlastungsversuche wurden bei 900 °C und 1000 °C mit Drücken von 300 MPa bis 71-77 MPa und einer Dauer von 30 Minuten, zwei, fünf und zehn Stunden durchgeführt, um die Wasserauflösung und die Bildung von Gasblasen in der Probe auszulösen. Texturbeobachtungen und die Berechnung der Blasenanzahldichte bestätigten, dass die Blasengröße und -verteilung nach der Druckentlastung direkt proportional zur Druckentlastungsrate ist. Generell zeigen die SIMS-Analysergebnisse von Li und B, dass die Konzentration der beiden Spurenelemente mit abnehmender Druckentlastungsgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei längeren Druckentlastungszeiten mehr Zeit für die Diffusion von Li und B in die Blasen zur Verfügung steht und die Schmelze kontinuierlich flüchtige Bestandteile verliert, während die Blasen ihr Volumen ausdehnen. Bei schnellen Druckentlastungen zeigen die Li- und B-Ergebnisse einen Konzentrationsanstieg mit einer δ7Li- und δ11B-Abnahme in der Nähe der Blasengrenzfläche, was mit der plötzlichen Bildung der Glasbläser und dem Auftreten eines Diffusionsprozesses in der entgegengesetzten Richtung, vom Blasenmeniskus zur unveränderten Schmelze, zusammenhängt. Wenn das Blasenwachstum dominiert und Li und B in die Gasphase übergehen, verarmt die Silikat Schmelze in der Nähe der Blase an Li und B, da die Spurenelemente stärker in die Blase diffundieren. Unsere Daten werden auf verschiedene Modelle angewandt, die darauf abzielen, die Dynamik der Blasenkernbildung und des Blasenwachstums mit der Entwicklung der Spurenelementkonzentration und des Isotopenverhältnisses zu kombinieren. Hier werden erste Überlegungen zu diesen Modellen vorgestellt und abschließende Bemerkungen zu dieser Forschungsstudie gemacht. Diese Ergebnisse sind eine vielversprechende Grundlage für die weitere Untersuchung von Li und B, um dekompressionsbedingte Magma-Aufstiegsraten in vulkanischen Systemen zu ermitteln. KW - magma degassing KW - diffusion KW - stable isotopes KW - isotopic fractionation KW - Diffusion KW - Isotopenfraktionierung KW - Magma-Entgasung KW - stabile Isotope Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560619 ER - TY - THES A1 - Farkas, Marton Pal T1 - Hydraulic fracturing in hard rock – numerical studies from laboratory to reservoir scale T1 - Hydraulische Brüche in Hartgestein - Numerische Studien vom Labor- bis zum Reservoirmaßstab N2 - Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled? In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2). In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3). The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on far-field stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydro-mechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges. N2 - Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden? In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1). Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2). In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3). Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h. bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen. KW - hydraulic fracturing KW - enhanced geothermal system KW - stress measurement KW - numerical modelling KW - hydraulische Risserzeugung KW - petrothermales System (EGS) KW - Spannungsmessung KW - numerische Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549343 ER - TY - THES A1 - Steding, Svenja T1 - Geochemical and Hydraulic Modeling of Cavernous Structures in Potash Seams T1 - Geochemische und hydraulische Modellierung kavernöser Strukturen in Kaliflözen N2 - Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures. N2 - Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden. KW - reactive transport KW - reaktiver Transport KW - salt rock KW - Salzgestein KW - water rock interactions KW - Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen KW - density-driven flow KW - dichtegetriebene Strömung KW - PHREEQC Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548182 ER - TY - THES A1 - Richter, Maximilian Jacob Enzo Amandus T1 - Continental rift dynamics across the scales T1 - Dynamiken kontinentaler Grabenbrüche über die Skalen BT - numerical modelling of localisation processes BT - numerische Modellierung von Lokalisations-Prozessen N2 - Localisation of deformation is a ubiquitous feature in continental rift dynamics and observed across drastically different time and length scales. This thesis comprises one experimental and two numerical modelling studies investigating strain localisation in (1) a ductile shear zone induced by a material heterogeneity and (2) in an active continental rift setting. The studies are related by the fact that the weakening mechanisms on the crystallographic and grain size scale enable bulk rock weakening, which fundamentally enables the formation of shear zones, continental rifts and hence plate tectonics. Aiming to investigate the controlling mechanisms on initiation and evolution of a shear zone, the torsion experiments of the experimental study were conducted in a Patterson type apparatus with strong Carrara marble cylinders with a weak, planar Solnhofen limestone inclusion. Using state-of-the-art numerical modelling software, the torsion experiments were simulated to answer questions regarding localisation procedure like stress distribution or the impact of rheological weakening. 2D numerical models were also employed to integrate geophysical and geological data to explain characteristic tectonic evolution of the Southern and Central Kenya Rift. Key elements of the numerical tools are a randomized initial strain distribution and the usage of strain softening. During the torsion experiments, deformation begins to localise at the limestone inclusion tips in a process zone, which propagates into the marble matrix with increasing deformation until a ductile shear zone is established. Minor indicators for coexisting brittle deformation are found close to the inclusion tip and presumed to slightly facilitate strain localisation besides the dominant ductile deformation processes. The 2D numerical model of the torsion experiment successfully predicts local stress concentration and strain rate amplification ahead of the inclusion in first order agreement with the experimental results. A simple linear parametrization of strain weaking enables high accuracy reproduction of phenomenological aspects of the observed weakening. The torsion experiments suggest that loading conditions do not affect strain localisation during high temperature deformation of multiphase material with high viscosity contrasts. A numerical simulation can provide a way of analysing the process zone evolution virtually and extend the examinable frame. Furthermore, the nested structure and anastomosing shape of an ultramylonite band was mimicked with an additional second softening step. Rheological weakening is necessary to establish a shear zone in a strong matrix around a weak inclusion and for ultramylonite formation. Such strain weakening laws are also incorporated into the numerical models of the Southern and Central Kenya Rift that capture the characteristic tectonic evolution. A three-stage early rift evolution is suggested that starts with (1) the accommodation of strain by a single border fault and flexure of the hanging-wall crust, after which (2) faulting in the hanging-wall and the basin centre increases before (3) the early-stage asymmetry is lost and basinward localisation of deformation occurs. Along-strike variability of rifts can be produced by modifying the initial random noise distribution. In summary, the three studies address selected aspects of the broad range of mechanisms and processes that fundamentally enable the deformation of rock and govern the localisation patterns across the scales. In addition to the aforementioned results, the first and second manuscripts combined, demonstrate a procedure to find new or improve on existing numerical formulations for specific rheologies and their dynamic weakening. These formulations are essential in addressing rock deformation from the grain to the global scale. As within the third study of this thesis, where geodynamic controls on the evolution of a rift were examined and acquired by the integration of geological and geophysical data into a numerical model. N2 - Die Lokalisierung von Deformation ist ein allgegenwärtiges Merkmal in der Dynamik von Grabenbrüchen bzw. Riftzonen und wird über verschiedene Zeit- und Längenskalen beobachtet. Diese Arbeit umfasst eine experimentelle und zwei numerische Studien zur Untersuchung der Lokalisierung von Deformation in (1) einer durch eine Materialheterogenität induzierten duktilen Scherzone und (2) in einem aktiven Kontinentalgraben. Die Studien verbindet, dass die Schwächungsmechanismen auf der kristallographischen Skala und der Korngrößenskala eine Enthärtung eines Gesteinkörpers ermöglicht, was im Wesentlichen die Bildung von Scherzonen, Grabenbrüchen und damit Plattentektonik ermöglicht. Um die Kontrollmechanismen für die Initiierung und Entwicklung einer Scherzone zu untersuchen, wurden die Torsionsexperimente der experimentellen Studie in einem Patterson-Gerät an starken Carrara-Marmorzylinder mit einer schwachen, planaren Solnhofen-Kalksteineinschluss durchgeführt. Mit modernster numerischer Modellierungssoftware wurden die Torsionsexperimente simuliert, um weitere Fragen zum Lokalisierungsablauf wie die Verteilung der Spannung oder den Einfluss rheologischer Schwächung zu beantworten. Numerische 2D-Modelle wurden auch verwendet, um geophysikalische und geologische Daten zu kombinieren, um die charakteristische tektonische Entwicklung des südlichen und zentralen Kenia-Rifts zu erklären. Schlüsselelemente der verwendeten numerischen Werkzeuge sind eine randomisierte Anfangsverteilung des Strain und der Einsatz von Strain basierter Enthärtung. Während der Torsionsversuche lokalisiert die Deformation zunächst an den Kalksteineinschlussspitzen in einer Prozesszone, die sich mit zunehmender Deformation in die Marmormatrix ausbreitet bis sich eine duktile Scherzone einstellt. Neben den dominierenden duktilen Verformungsprozessen werden geringfügige Indikatoren für eine koexistierende spröde Verformung nahe der Einschlussspitzen gefunden und es wird angenommen, dass diese die Lokalisierung der Deformation geringfügig erleichtern. In erster Ordnung sagt das numerische 2D-Modell des Torsionsexperiments erfolgreich lokale Spannungskonzentration und Strainratenverstärkung vor der Inklusion in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorher. Eine einfache lineare Parametrisierung der Enthärtung durch Strain ermöglicht eine genaue Reproduktion phänomenologischer Aspekte der beobachteten Schwächung. Die Torsionsexperimente legen nahe, dass die Randbedingungen die Lokalisierung des Strain während der Hochtemperaturverformung von Mehrphasenmaterial mit hohen Viskositätskontrasten nicht beeinflussen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die Entwicklung der Prozesszone virtuell zu analysieren und den Untersuchungsrahmen zu erweitern. Darüber hinaus wurde die verschachtelte Struktur und anastomosierende Form eines Ultramylonitbandes mit einem zusätzlichen zweiten Enthärtungsschritt nachgeahmt. Die rheologische Schwächung ist notwendig, um eine Scherzone in einer starken Matrix um einen schwachen Einschluss herum und für die Ultramylonitbildung zu etablieren. Solche Schwächungsgesetze, die auf Strain basieren, fließen auch in die numerischen Modelle des südlichen und zentralen Kenia-Rifts ein, die die charakteristische tektonische Entwicklung erfassen. Es wird eine dreistufige frühe Riftentwicklung vorgeschlagen, die mit (1) der Anpassung von Spannungen durch eine einzelne Grenzstörung und Biegung der hangenden Kruste beginnt, wonach (2) die Verwerfung im Hangenden und im Beckenzentrum zunimmt, bevor (3) die Asymmetrie des Frühstadiums verloren geht und es zu einer beckenseitigen Deformationslokalisierung kommt. Die Variabilität von Rissen entlang des Rifts kann durch Modifizieren der anfänglichen zufälligen Rauschverteilung erzeugt werden. Zusammenfassend befassen sich die drei Studien mit ausgewählten Aspekten der breiten Palette von Mechanismen und Prozessen, die die Deformation von Gestein grundlegend ermöglichen und die Lokalisierungsmuster über die Skalen bestimmen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen demonstrieren das erste und zweite Manuskript in Kombination ein Verfahren, um neue oder bestehende numerische Formulierungen für spezifische Rheologien und deren dynamische Schwächung zu finden oder zu verbessern. Diese Formulierungen sind essenziell, um Gesteinsverformung von der Korngrößen bis zur globalen Skala zu untersuchen. Wie in der dritten Studie dieser Dissertation, in der geodynamische Kontrollen auf die Entwicklung eines Grabenbruchs durch die Integration geologischer und geophysikalischer Daten in ein numerisches Modell untersucht und erfasst wurden. KW - Strain Localisation KW - Continental Rifts KW - Torsion Experiments KW - Geodynamic Modelling KW - 2D Numerical Modelling KW - Lokalisierung von Deformation KW - Grabenbrüche KW - Geodynamische Modellierung KW - Torsionsexperimente KW - Numerische 2D Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550606 ER - TY - THES A1 - Hennig, Theresa T1 - Uranium migration in the Opalinus Clay quantified on the host rock scale with reactive transport simulations T1 - Uranmigration im Opalinuston quantifiziert für die Wirtsgesteinsskala mit reaktiven Transportsimulationen N2 - Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (>100 m). Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale. Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients. The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 > hydrogeology > mineralogy. The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m. N2 - Zum Schutz von Mensch und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen abgebrannter Brennelemente, wird weltweit die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen favorisiert. Daher ist das Rückhaltevermögen potenzieller Wirtsgesteine gegenüber Radionukliden ein wichtiges Kriterium. Sicherheitsbewertungen basieren auf der Quantifizierung der Migration mit numerischen Simulationen, da Experimente die erforderlichen zeitlichen (1 Ma) und räumlichen Skalen (>100 m) nicht abdecken können. Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala. Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden. Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 > Hydrogeologie > Mineralogie. Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen. KW - uranium KW - Opalinus Clay KW - PHREEQC KW - diffusion KW - sorption KW - nuclear waste disposal KW - reactive transport simulation KW - host rock scale KW - Opalinuston KW - PHREEQC KW - Diffusion KW - Wirtsgesteinsskala KW - Endlagerung nuklearer Abfälle KW - reaktive Transportsimulation KW - Sorption KW - Uran Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552700 ER - TY - THES A1 - Schönfeldt, Elisabeth T1 - Giant landslides in Patagonia, Argentina Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Klein, Konstantin Paul T1 - Remote Sensing of Suspended Sediment Dynamics in the Arctic Nearshore Zone T1 - Sedimentdynamiken im arktischen Nahküstenbereich analysiert mit Fernerkundungsdaten N2 - The Arctic nearshore zone plays a key role in the carbon cycle. Organic-rich sediments get eroded off permafrost affected coastlines and can be directly transferred to the nearshore zone. Permafrost in the Arctic stores a high amount of organic matter and is vulnerable to thermo-erosion, which is expected to increase due to climate change. This will likely result in higher sediment loads in nearshore waters and has the potential to alter local ecosystems by limiting light transmission into the water column, thus limiting primary production to the top-most part of it, and increasing nutrient export from coastal erosion. Greater organic matter input could result in the release of greenhouse gases to the atmosphere. Climate change also acts upon the fluvial system, leading to greater discharge to the nearshore zone. It leads to decreasing sea-ice cover as well, which will both increase wave energy and lengthen the open-water season. Yet, knowledge on these processes and the resulting impact on the nearshore zone is scarce, because access to and instrument deployment in the nearshore zone is challenging. Remote sensing can alleviate these issues in providing rapid data delivery in otherwise non-accessible areas. However, the waters in the Arctic nearshore zone are optically complex, with multiple influencing factors, such as organic rich suspended sediments, colored dissolved organic matter (cDOM), and phytoplankton. The goal of this dissertation was to use remotely sensed imagery to monitor processes related to turbidity caused by suspended sediments in the Arctic nearshore zone. In-situ measurements of water-leaving reflectance and surface water turbidity were used to calibrate a semi-empirical algorithm which relates turbidity from satellite imagery. Based on this algorithm and ancillary ocean and climate variables, the mechanisms underpinning nearshore turbidity in the Arctic were identified at a resolution not achieved before. The calibration of the Arctic Nearshore Turbidity Algorithm (ANTA) was based on in-situ measurements from the coastal and inner-shelf waters around Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) in the western Canadian Arctic from the summer seasons 2018 and 2019. It performed better than existing algorithms, developed for global applications, in relating turbidity from remotely sensed imagery. These existing algorithms were lacking validation data from permafrost affected waters, and were thus not able to reflect the complexity of Arctic nearshore waters. The ANTA has a higher sensitivity towards the lowest turbidity values, which is an asset for identifying sediment pathways in the nearshore zone. Its transferability to areas beyond HIQ was successfully demonstrated using turbidity measurements matching satellite image recordings from Adventfjorden, Svalbard. The ANTA is a powerful tool that provides robust turbidity estimations in a variety of Arctic nearshore environments. Drivers of nearshore turbidity in the Arctic were analyzed by combining ANTA results from the summer season 2019 from HIQ with ocean and climate variables obtained from the weather station at HIQ, the ERA5 reanalysis database, and the Mackenzie River discharge. ERA5 reanalysis data were obtained as domain averages over the Canadian Beaufort Shelf. Nearshore turbidity was linearly correlated to wind speed, significant wave height and wave period. Interestingly, nearshore turbidity was only correlated to wind speed at the shelf, but not to the in-situ measurements from the weather station at HIQ. This shows that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, gets influenced by the weather conditions multiple kilometers away, rather than in its direct vicinity. The large influence of wave energy on nearshore turbidity indicates that freshly eroded material off the coast is a major contributor to the nearshore sediment load. This contrasts results from the temperate and tropical oceans, where tides and currents are the major drivers of nearshore turbidity. The Mackenzie River discharge was not identified as a driver of nearshore turbidity in 2019, however, the analysis of 30 years of Landsat archive imagery from 1986 to 2016 suggests a direct link between the prevailing wind direction, which heavily influences the Mackenzie River plume extent, and nearshore turbidity around HIQ. This discrepancy could be caused by the abnormal discharge behavior of the Mackenzie River in 2019. This dissertation has substantially advanced the understanding of suspended sediment processes in the Arctic nearshore zone and provided new monitoring tools for future studies. The presented results will help to understand the role of the Arctic nearshore zone in the carbon cycle under a changing climate. N2 - Der arktische Nahküstenbereich spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Küsten, die Permafrostböden aufweisen, sind sehr anfällig für Thermoerosion, wodurch Sediment und unzersetzte, organische Überreste in den Arktischen Ozean gelangen können. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass Thermoerosion in Zukunft größere Erosionsraten hervorrufen wird. Permafrostböden enthalten große Mengen organischer Überreste, die nach dem Auftauen von Mikroorganismen zersetzt werden, wodurch Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen können. Erhöhte Sedimentmengen in den Küstengewässern verhindert außerdem das Eindringen elektromagnetischer Strahlung in die Wassersäule, wodurch die auf Photosynthese basierte Primärproduktion in tieferen Wasserschichten stark reduziert wird. Durch den Klimawandel transportieren Flüsse in der Arktis mehr Frischwasser und Sediment in die Nahküstenbereiche, und erhöhte Temperaturen verringern die Meereisausdehnung. All diese Prozesse können das Ökosystem des arktischen Nahküstenbereiches nachhaltig verändern, allerdings ist das Verständnis von Interaktionen untereinander und deren Resultate begrenzt, da sich die Datensammlung in arktischen Nahküstenbereichen sehr herausfordernd gestaltet. Fernerkundungsmethoden bieten die Möglichkeit der vergleichsweise unkomplizierten Datenaufnahme nur schwer erreichbarer Regionen wie dem arktischen Nahküstenbereich. Arktische Küstengewässer sind allerdings optisch komplex, und Wasserinhaltsstoffe wie Sediment, organische Überreste, gelöstes Material und Plankton erschweren genaue Analysen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Satellitenbilder zu analysieren und Sedimentdynamiken zu identifizieren, die die Wassertrübung beeinflussen. In einem empirischen Algorithmus wird die von der Wasseroberfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung genutzt, um die Wassertrübung zu berechnen. Zusammen mit einer Sammlung von Wetterdaten und anderen Umwelteinflüssen wurden Mechanismen identifiziert, die die Wassertrübung arktischer Küstengewässer beeinflussen. Die Kalibrierung des Algorithmus zur Berechnung der Wassertrübung (ANTA) wurde mit Messungen aus den Küstengewässern in der Nähe von Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) auf dem Kanadischen Beaufortschelf durchgeführt. Seine Anwendung führt verglichen mit bereits existierenden Algorithmen zu besseren Ergebnissen, die für den weltweiten Gebrauch vorgesehen sind. Für die Kalibrierung dieser Algorithmen wurden keine Messungen arktischer Nahküstenbereiche genutzt, wodurch die optische Komplexität nur unzureichend wiedergegeben werden kann. Der ANTA ist besser geeignet, um Transportwege von Sediment an der Wasseroberfläche zu identifizieren, weil nahezu klare Gewässer mit höherer Genauigkeit klassifiziert werden. Messungen aus dem Adventfjord in Spitzbergen zeigen, dass der ANTA auch außerhalb der Kanadischen Beaufortsee akkurate Ergebnisse produziert, was ihn zu einem wichtigen Werkzeug zukünftiger Untersuchungen arktischer Nahküstenbereiche macht. Um Prozesse zu identifizieren, die die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern beeinflussen, wurden ANTA-Ergebnisse aus dem Sommer 2019 von HIQ, Messungen der Wetterstation auf HIQ, Wetter- und Klimamodellierungen des Kanadischen Beaufortschelfes und Abflussdaten des Mackenzie genutzt. Die Wassertrübung korreliert linear mit der Windgeschwindigkeit, der Wellenhöhe und der Wellenperiodendauer. Es ist beachtenswert, dass die Wassertrübung nur mit der Windgeschwindigkeit auf dem Beaufortschelf, nicht aber mit der Windgeschwindigkeit auf HIQ korreliert. Dies zeigt, dass weit entfernte Prozesse großen Einfluss auf die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern haben können, obwohl die Wassertrübung selber nur ein kleines Gebiet beeinflusst. Der große Einfluss von Wellenenergie aus die Wassertrübung unterstreicht sowohl die Wirksamkeit von Erosion als auch, dass kürzlich erodiertes Sediment einen erheblichen Anteil der Sedimentfracht im Nahküstenbereich ausmacht. Dies unterscheidet den Arktischen Ozean von den gemäßigten und tropischen Ozeanen, wo Gezeiten und Strömungen die größten Einflüsse auf die Wassertrübung im Nahküstenbereich sind. Die vom Mackenzie transportierten Sedimente haben keinen Einfluss auf die Wassertrübung um HIQ im Sommer 2019, allerdings zeigt die Analyse des dreißigjährigen Bildarchives der Landsat-Satelliten, dass die Windrichtung, welche maßgeblichen Einfluss auf die Verteilung der transportierten Sedimente nimmt, ein wichtiger Faktor sein kann. Diese Diskrepanz könnte jedoch auch dem untypischen Abflussverhalten des Mackenzie im Jahr 2019 geschuldet sein. Diese Dissertation hat maßgeblichen Anteil am derzeitigen Verständnis der Prozesse im dynamischen Nahküstenbereich des Arktischen Ozeans. Die vorgestellten Methoden und erlangten Ergebnisse werden helfen, in zukünftigen Studien die Rolle des arktischen Nahküstenbereiches im Kohlenstoffkreislauf zu analysieren und quantifizieren. KW - ocean color remote sensing KW - Arctic nearhore zone KW - turbidity modelling KW - arktischer Nahküstenbereich KW - Gewässerfernerkundung KW - Modellierung der Wassertrübung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576032 ER - TY - THES A1 - Schuster, Valerian T1 - Mechanical and hydraulic properties of Opalinus Clay T1 - Mechanische und hydraulische Eigenschaften von Opalinuston BT - influence of compositional heterogeneity and thermodynamic boundary conditions BT - Einfluss von kompositorischer Heterogenität und thermodynamischen Randbedingungen N2 - Deep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties. Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents the results of deformation experiments performed on intact and artificially fractured specimens of the quartz-rich, sandy and clay-rich, shaly facies of OPA. The experiments focus on the influence of mineralogical composition on the deformation behavior as well as the reactivation and sealing properties of pre-existing faults and fractures at different boundary conditions (e.g., pressure, temperature, strain rate). The anisotropic mechanical properties of the sandy facies of OPA are presented in the first section, which were determined from triaxial deformation experiments using dried and resaturated samples loaded at 0°, 45° and 90° to the bedding plane orientation. A Paterson-type deformation apparatus was used that allowed to investigate how the deformation behavior is influenced by the variation of confining pressure (50 – 100 MPa), temperature (25 – 200 °C), and strain rate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1). Constant strain rate experiments revealed brittle to semi-brittle deformation behavior of the sandy facies at the applied conditions. Deformation behavior showed a strong dependence on confining pressure, degree of water saturation as well as bedding orientation, whereas the variation of temperature and strain rate had no significant effect on deformation. Furthermore, the sandy facies displays higher strength and stiffness compared to the clay-rich shaly facies deformed at similar conditions by Nüesch (1991). From the obtained results it can be concluded that cataclastic mechanisms dominate the short-term deformation behavior of dried samples from both facies up to elevated pressure (<200 MPa) and temperature (<200 °C) conditions. The second part presents triaxial deformation tests that were performed to investigate how structural discontinuities affect the deformation behavior of OPA and how the reactivation of preexisting faults is influenced by mineral composition and confining pressure. To this end, dried cylindrical samples of the sandy and shaly facies of OPA were used, which contained a saw-cut fracture oriented at 30° to the long axis. After hydrostatic pre-compaction at 50 MPa, constant strain rate deformation tests were performed at confining pressures of 5, 20 or 35 MPa. With increasing confinement, a gradual transition from brittle, highly localized fault slip including a stress drop at fault reactivation to semi-brittle deformation behavior, characterized by increasing delocalization and non-linear strain hardening without dynamic fault reactivation, can be observed. Brittle localization was limited by the confining pressure at which the fault strength exceeded the matrix yield strength, above which strain partitioning between localized fault slip and distributed matrix deformation occurred. The sandy facies displayed a slightly higher friction coefficient (≈0.48) compared to the shaly facies (≈0.4). In addition, slide-hold-slide tests were conducted, revealing negative or negligible frictional strengthening, which suggests stable creep and long-term weakness of faults in both facies of OPA. The conducted experiments demonstrate that dilatant brittle fault reactivation in OPA may be favored at high overconsolidation ratios and shallow depths, increasing the risk of seismic hazard and the creation of fluid pathways. The final section illustrates how the sealing capacity of fractures in OPA is affected by mineral composition. Triaxial flow-through experiments using Argon-gas were performed with dried samples from the sandy and shaly facies of OPA containing a roughened, artificial fracture. Slate, graywacke, quartzite, natural fault gouge, and granite samples were also tested to highlight the influence of normal stress, mineralogy and diagenesis on the sustainability of fracture transmissivity. With increasing normal stress, a non-linear decrease of fracture transmissivity can be observed that resulted in a permanent reduction of transmissivity after stress release. The transmissivity of rocks with a high portion of strong minerals (e.g., quartz) and high unconfined compressive strength was less sensitive to stress changes. In accordance with this, the sandy facies of OPA displayed a higher initial transmissivity that was less sensitive to stress changes compared to the shaly facies. However, transmissivity of rigid slate was less sensitive to stress changes than the sandy facies of OPA, although the slate is characterized by a higher phyllosilicate content. This demonstrates that in addition to mineral composition, other factors such as the degree of metamorphism, cementation and consolidation have to be considered when evaluating the sealing capacity of phyllosilicate-rich rocks. The results of this thesis highlighted the role of confining pressure on the failure behavior of intact and artificially fractured OPA. Although the quartz-rich sandy facies may be considered as being more favorable for underground constructions due to its higher shear strength and stiffness than the shaly facies, the results indicate that when fractures develop in the sandy facies, they are more conductive and remain more permeable compared to fractures in the clay-dominated shaly facies at a given stress. The results may provide the basis for constitutive models to predict the integrity and evolution of a future repository. Clearly, the influence of composition and consolidation, e.g., by geological burial and uplift, on the mechanical sealing behavior of OPA highlights the need for a detailed site-specific material characterization for a future repository. N2 - Geologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eine verbesserte Beurteilung des wirksamen Einschlusses sowie der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers in OPA ermöglichen. Vor diesem Hintergrund präsentiert diese Arbeit die Ergebnisse von triaxialen Verformungsexperimenten, die an intakten und künstlich gestörten Proben der quarzreichen, sandigen sowie tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden sind. Ein besonderer Fokus ist hierbei auf den Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung auf das Verformungsverhalten sowie die Reaktivierungs- und Abdichtungseigenschaften von bereits bestehenden Scherzonen und Rissen bei unterschiedlichen Randbedingungen (z. B. Druck, Temperatur, Dehnungsrate) gelegt worden. Im ersten Abschnitt werden die anisotropen mechanischen Eigenschaften der sandigen Fazies von OPA vorgestellt. Hierfür sind triaxiale Verformungsexperimente an getrockneten und wassergesättigten Proben durchgeführt worden, die in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur relativ zur vorhandenen Schichtung belastet worden sind. Mittels einer Paterson Gasdruckapparatur ist der Einfluss von Mantelspannung (50 – 100 MPa), Temperatur (25 – 200 °C) und Verformungsrate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1) auf das Deformationsverhalten untersucht worden. Die Experimente zeigen ein sprödes bis halbsprödes Verformungsverhalten der sandigen Fazies, wobei ein deutlicher Einfluss von Manteldruck, Wassersättigung sowie Schichtungsorientierung festgestellt werden konnte. Im Gegensatz dazu zeigt die Änderung von Temperatur und Verformungsrate keinen signifikanten Einfluss auf das Deformationsverhalten und die Festigkeitseigenschaften der sandigen Fazies. Verglichen mit der tonigen Fazies (Nüesch 1991) weist die sandige Fazies des OPA eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das kurzfristige Verformungsverhalten getrockneter Proben beider Faziestypen bis zu erhöhten Druck- (<200 MPa) und Temperaturbedingungen (<200 °C) von kataklastischen Deformationsmechanismen dominiert wird. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse von triaxialen Deformationsexperimenten beschrieben, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss von bereits bestehenden Störungen auf das Verformungsverhalten von OPA zu untersuchen und wie die Reaktivierung von Scherflächen durch die Mineralzusammensetzung und den Manteldruck beeinflusst wird. Dazu sind getrocknete zylindrische Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA verwendet worden, die zuvor in einem Winkel von 30° zur Längsachse halbiert worden sind. Nach einer hydrostatischen Vorkonsolidierung bei 50 MPa Druck, sind die Proben bei einer konstanten axialen Verformungsrate und Mantelspannungen von 5, 20 und 35 MPa deformiert worden. Bei niedriger Mantelspannung wird die Reaktivierung der Scherfläche durch einen Spannungsabfall eingeleitet, wobei weitere Verformung durch stark lokalisierte Scherung aufgenommen wird. Mit zunehmender Mantelspannung kann ein Übergang zu halbsprödem Verformungsverhalten beobachtet werden, das durch einen zunehmenden Anteil von Matrixdeformation ohne dynamische Verwerfungsreaktivierung gekennzeichnet ist. Dabei weist die sandige Fazies einen höheren Reibungskoeffizienten (≈0,48) als die tonige Fazies (≈0,4) auf. Die Experimente zeigen, dass spröde Reaktivierung der Scherfläche bis zu einer Mantelspannung erfolgt, ab der die Scherfestigkeit der künstlichen Störung die Fließspannung der Matrix übersteigt. Entsprechend beginnt mit weiter ansteigender Mantelspannung die Partitionierung von Deformation in Scherung und Matrixverformung. Relaxations- und Wiederbelastungstests (Slide-Hold-Slide) zeigen negative bzw. vernachlässigbare Reibungsverheilung auf, was auf eine geringe Wiederverfestigung und folglich aseismisches Kriechen als Langzeitverhalten von Scherzonen in OPA hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass die spröde Reaktivierung von Scherzonen in OPA durch eine starke Überkonsolidierung und in geringen Tiefen begünstigt werden kann, was das Risiko von Seismizität und die Bildung hydraulischer Fließwege erhöht. Der letzte Abschnitt veranschaulicht, wie die Transmissivität von Rissen in OPA von der wirkenden Normalspannung und Mineralzusammensetzung beeinflusst wird. Hierfür sind triaxiale Durchströmungsexperimente an getrockneten Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden, die eine künstlich angeraute Rissfläche enthielten. Um den Einfluss von Normalspannung, Mineralogie und Diagenese auf die hydraulische Rissverschließung zu untersuchen, sind darüber hinaus auch Risse in Schiefer, Grauwacke, Quarzit, Proben aus natürlichen Störungszonen und Granit getestet worden. Mit zunehmender Normalspannung konnte eine nichtlineare Abnahme der Risstransmissivität beobachtet werden, die nach Entlastung zu einer irreversiblen Reduktion der Transmissivität führt. Die Transmissivität von Gesteinen, die durch einen hohen Anteil mechanisch fester Minerale (z.B. Quarz) sowie einer hohen einaxialen Druckfestigkeit charakterisiert werden, reagieren robuster auf Spannungsänderungen. Dementsprechend zeigt die sandige Fazies von OPA im Vergleich zur tonigen Fazies eine höhere initale Risstransmissivität, die weniger empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Obwohl die sandige Fazies im Vergleich zu der untersuchten Schieferprobe einen niedrigeren Schichtsilikatgehalt aufweist, reagiert die Risstransmissivität des Schiefers deutlich geringer auf Spannungsänderungen. Aus den Experimenten kann abgeleitet werden, dass für die Bewertung der hydraulischen Rissverschließung in schichtsilikatreichen Gesteinen neben der mineralischen Zusammensetzung weitere Faktoren, wie der Grad der Metamorphose sowie Zementierung und Konsolidierung, berücksichtigt werden müssen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichten die Rolle der Mantelspannung auf das Deformationsverhalten von intaktem und künstlich gestörten OPA. Obwohl die quarzreiche sandige Fazies von OPA aufgrund ihrer höheren Scherfestigkeit und Steifigkeit als günstiger für die Konstruktion von Untertagebauwerken angesehen werden kann, weisen die präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften mit einer Verringerung der hydraulischen Abdichtungskapazität verbunden sind, d.h. wenn sich Risse in der sandigen Fazies entwickeln, sind diese hydraulisch leitfähiger und bleiben durchlässiger im Vergleich zu Rissen in der tonigen Fazies bei einer gegebenen Spannung. Die Ergebnisse können die Grundlage für die Entwicklung konstitutiver Modelle bilden, die zur Einschätzung der Integrität eines zukünftigen Endlagers herangezogen werden können. Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Konsolidierung auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von OPA zeigen die Notwendigkeit einer detaillierten, standortspezifischen Materialcharakterisierung für ein zukünftiges Endlager. KW - Opalinus Clay KW - triaxial deformation experiments KW - microstructural deformation mechanisms KW - fault reactivation KW - fracture transmissivity KW - Opalinuston KW - Reaktivierung von Störungszonen KW - Risstransmissivität KW - Mikrostrukturelle KW - Deformationsmechanismen KW - triaxiale Deformationsexperimente Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566786 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Piceda, Constanza T1 - Thermomechanical state of the southern Central Andes T1 - Thermomechanischer Zustand der südlichen Zentral Anden BT - implications for active deformation patterns in the transition from flat to steep subduction BT - Implikationen für aktive Deformationsmuster beim Übergang von flacher zu steiler Subduktion N2 - The Andes are a ~7000 km long N-S trending mountain range developed along the South American western continental margin. Driven by the subduction of the oceanic Nazca plate beneath the continental South American plate, the formation of the northern and central parts of the orogen is a type case for a non-collisional orogeny. In the southern Central Andes (SCA, 29°S-39°S), the oceanic plate changes the subduction angle between 33°S and 35°S from almost horizontal (< 5° dip) in the north to a steeper angle (~30° dip) in the south. This sector of the Andes also displays remarkable along- and across- strike variations of the tectonic deformation patterns. These include a systematic decrease of topographic elevation, of crustal shortening and foreland and orogenic width, as well as an alternation of the foreland deformation style between thick-skinned and thin-skinned recorded along- and across the strike of the subduction zone. Moreover, the SCA are a very seismically active region. The continental plate is characterized by a relatively shallow seismicity (< 30 km depth) which is mainly focussed at the transition from the orogen to the lowland areas of the foreland and the forearc; in contrast, deeper seismicity occurs below the interiors of the northern foreland. Additionally, frequent seismicity is also recorded in the shallow parts of the oceanic plate and in a sector of the flat slab segment between 31°S and 33°S. The observed spatial heterogeneity in tectonic and seismic deformation in the SCA has been attributed to multiple causes, including variations in sediment thickness, the presence of inherited structures and changes in the subduction angle of the oceanic slab. However, there is no study that inquired the relationship between the long-term rheological configuration of the SCA and the spatial deformation patterns. Moreover, the effects of the density and thickness configuration of the continental plate and of variations in the slab dip angle in the rheological state of the lithosphere have been not thoroughly investigated yet. Since rheology depends on composition, pressure and temperature, a detailed characterization of the compositional, structural and thermal fields of the lithosphere is needed. Therefore, by using multiple geophysical approaches and data sources, I constructed the following 3D models of the SCA lithosphere: (i) a seismically-constrained structural and density model that was tested against the gravity field; (ii) a thermal model integrating the conversion of mantle shear-wave velocities to temperature with steady-state conductive calculations in the uppermost lithosphere (< 50 km depth), validated by temperature and heat-flow measurements; and (iii) a rheological model of the long-term lithospheric strength using as input the previously-generated models. The results of this dissertation indicate that the present-day thermal and rheological fields of the SCA are controlled by different mechanisms at different depths. At shallow depths (< 50 km), the thermomechanical field is modulated by the heterogeneous composition of the continental lithosphere. The overprint of the oceanic slab is detectable where the oceanic plate is shallow (< 85 km depth) and the radiogenic crust is thin, resulting in overall lower temperatures and higher strength compared to regions where the slab is steep and the radiogenic crust is thick. At depths > 50 km, largest temperatures variations occur where the descending slab is detected, which implies that the deep thermal field is mainly affected by the slab dip geometry. The outcomes of this thesis suggests that long-term thermomechanical state of the lithosphere influences the spatial distribution of seismic deformation. Most of the seismicity within the continental plate occurs above the modelled transition from brittle to ductile conditions. Additionally, there is a spatial correlation between the location of these events and the transition from the mechanically strong domains of the forearc and foreland to the weak domain of the orogen. In contrast, seismicity within the oceanic plate is also detected where long-term ductile conditions are expected. I therefore analysed the possible influence of additional mechanisms triggering these earthquakes, including the compaction of sediments in the subduction interface and dehydration reactions in the slab. To that aim, I carried out a qualitative analysis of the state of hydration in the mantle using the ratio between compressional- and shear-wave velocity (vp/vs ratio) from a previous seismic tomography. The results from this analysis indicate that the majority of the seismicity spatially correlates with hydrated areas of the slab and overlying continental mantle, with the exception of the cluster within the flat slab segment. In this region, earthquakes are likely triggered by flexural processes where the slab changes from a flat to a steep subduction angle. First-order variations in the observed tectonic patterns also seem to be influenced by the thermomechanical configuration of the lithosphere. The mechanically strong domains of the forearc and foreland, due to their resistance to deformation, display smaller amounts of shortening than the relatively weak orogenic domain. In addition, the structural and thermomechanical characteristics modelled in this dissertation confirm previous analyses from geodynamic models pointing to the control of the observed heterogeneities in the orogen and foreland deformation style. These characteristics include the lithospheric and crustal thickness, the presence of weak sediments and the variations in gravitational potential energy. Specific conditions occur in the cold and strong northern foreland, which is characterized by active seismicity and thick-skinned structures, although the modelled crustal strength exceeds the typical values of externally-applied tectonic stresses. The additional mechanisms that could explain the strain localization in a region that should resist deformation are: (i) increased tectonic forces coming from the steepening of the slab and (ii) enhanced weakening along inherited structures from pre-Andean deformation events. Finally, the thermomechanical conditions of this sector of the foreland could be a key factor influencing the preservation of the flat subduction angle at these latitudes of the SCA. N2 - Die Anden sind eine ~7000 km lange N-S-verlaufende Hochgebirgskette, die entlang des westlichen südamerikanischen Kontinentalrandes entstanden ist. Aufgrund der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter die kontinentale südamerikanische Platte ist die Bildung des nördlichen und zentralen Teils des Gebirges typisch für eine nicht-kollisionale Orogenese. In den südlichen Zentralanden (SZA, 29-39° S) verändert sich der Subduktionswinkel der ozeanischen Platte zwischen 33 ° S und 35 ° S von fast horizontal (< 5° Einfallen) im Norden zu einem steileren Winkel (~ 30 ° Einfallen) im Süden. Begleitet wird dieser Trend von systematischen, Süd-gerichteten Abnahmen der topographischen Erhebung, der Krusteneinengung und der Vorland- und Orogenbreite, sowie von Variationen im Deformationsstil des Vorlandes, wo die Einengung des Deckgebirges in unterschiedlichem Maße von einer entsprechenden Deformation des Grundgebirges begleitet wird. . Darüber hinaus sind die SZA eine seismisch sehr aktive Region. Die Kontinentalplatte zeichnet sich durch eine relativ flache Seismizität (< 30 km Tiefe) aus, die sich hauptsächlich auf die Übergänge vom Orogen zu den Vorlandbereichen konzentriert; im Gegensatz dazu tritt tiefere Seismizität in den zentralen Bereichen des nördlichen Vorlandes auf. Darüber hinaus ist häufig auftretende Seismizität auch in den flachen Teilen der ozeanischen Platte und im Plattensegment mit flach einfallender Subduktion zwischen 31 ° S und 33 ° S festzustellen. Die beobachtete räumliche Heterogenität der tektonischen und seismischen Deformation in den SZA wurde auf mehrere Ursachen zurückgeführt, darunter Schwankungen der Sedimentmächtigkeit, das Vorhandensein vererbter Strukturen und Veränderungen des Subduktionswinkels der ozeanischen Platte. Es gibt jedoch bislang keine Studie, die den Zusammenhang zwischen der langfristigen rheologischen Konfiguration der SZA und den räumlichen Deformationsmustern untersucht hat. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Dichte- und Mächtigkeitsvariationen in der kontinentalen Oberplatte und der verschiedenen Subduktionswinkel auf den rheologischen Zustand der Lithosphäre noch nicht grundlegend untersucht. Da die Rheologie von der Gesteinsart, dem Druck und der Temperatur abhängt, ist eine detaillierte Charakterisierung der Zusammensetzung, Struktur und des thermischen Feldes der Lithosphäre erforderlich. Daher habe ich unter Verwendung kombinierter Modellierungsansätze und geophysikalischer Daten die folgenden 3D Modelle für die Lithosphäre der SZA konstruiert: (i) ein auf seismischen Daten basierendes Struktur- und Dichtemodell, das anhand des beobachteten Schwerefeldes validiert wurde; (ii) ein thermisches Modell, das die Umwandlung von Mantelscherwellengeschwindigkeiten in Temperaturen mit Berechnungen des konduktiven Wärmetransports für stationäre Bedingungen in der obersten Lithosphäre (<50 km Tiefe) integriert und durch Temperatur- und Wärmeflussmessungen validiert wurde; und (iii) ein rheologisches Modell der langfristig bedingten Lithosphärenfestigkeit, das auf den zuvor erzeugten Modellen gründet. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die thermischen und rheologischen Bedingungen in den heutigen SZA durch verschiedene Mechanismen in unterschiedlichen Tiefen gesteuert werden. In flachen Tiefen (< 50 km) wird das thermomechanische Feld durch die heterogene Zusammensetzung der kontinentalen Lithosphäre differenziert. Eine Überprägung durch die ozeanische Platte ist dort nachweisbar, wo die ozeanische Platte flach (< 85 km tief) und die radiogene Kruste dünn ist, was insgesamt zu niedrigeren Temperaturen und einer höheren Festigkeit im Vergleich zu Bereichen führt, in denen die Platte steil einfällt und die radiogene Kruste dick ist. In Tiefen > 50 km treten die größten Temperaturschwankungen dort auf, wo die subduzierten Platte nachgewiesen wurde, was bedeutet, dass das tiefe thermische Feld den Subduktionswinkel gesteuert wird. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit legen nahe, dass der langfristige thermomechanische Zustand der Lithosphäre die räumliche Verteilung rezenter Seismizität beeinflusst. Der größte Anteil innerhalb der Kontinentalplatte registrierter Erdbebentätigkeit tritt oberhalb des modellierten Übergangs von spröden zu duktilen Bedingungen auf. Außerdem besteht eine räumliche Korrelation zwischen Erdbebenclustern und den Übergängen von den mechanisch rigideren Vorlandbereichen (Forearc und Foreland) zum mechanisch schwächeren Orogen. Demgegenüber wird vermehrte Seismizität innerhalb der ozeanischen Platte auch dort nachgewiesen, wo entsprechend der Modellierung langfristig duktile Bedingungen erwartet werden. Ich habe daher den möglichen Einfluss zusätzlicher Mechanismen untersucht, die ein Auslösen dieser Erdbeben begünstigen könnten, darunter die Kompaktion von Sedimenten an der Subduktionsgrenzfläche und Dehydrationsreaktionen innerhalb der Platte. Dazu habe ich eine qualitative Analyse des Hydratationszustandes des Mantels unter Verwendung des Verhältnisses zwischen Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit (Vp/Vs-Verhältnis aus einemseismischen Tomographiemodell) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass der Großteil der Seismizität räumlich mit hydratisierten Bereichen in der subduzierten Platte und im darüber liegenden kontinentalen Mantel korreliert, mit Ausnahme eines Erdbebenclusters, das innerhalb des flachen Plattensegments auftritt. In diesem Bereich wechselt die subduzierte Platte von einem flachen in einen steilen Subduktionswinkel und Erdbeben werden wahrscheinlich durch Biegevorgänge in der Platte ausgelöst. Auch die wichtigsten Variationen in den beobachteten tektonischen Mustern scheinen durch die thermomechanische Konfiguration der Lithosphäre beeinflusst zu sein. Die mechanisch starken Bereiche von Forearc und Foreland zeigen aufgrund ihrer Verformungsbeständigkeit geringere Verkürzungsraten als der relativ schwache Bereich des Orogens. Darüber hinaus bestätigen die in dieser Dissertation modellierten strukturellen und thermomechanischen Eigenschaften der Lithosphäre auch frühere Analysen geodynamischer Simulationen, denen zufolge der Deformationsstil im Orogen- und Vorlandbereich jeweils von Variationen in der Lithosphären- und Krustendicke, im Vorhandensein schwacher Sedimente und in der gravitativen potentiellen Energie kontrolliert wird. Eine Sonderstellung nimmt der nordöstliche Vorlandbereich der SZA ein, wo eine verstärkte Seismizität und eine das Deck-und Grundgebirge erfassende Deformation zu beobachten sind, obwohl die modellierte Krustenfestigkeit dort Werte übersteigt, die für die in diesem Gebiet anzunehmenden tektonischen Spannungen typisch wären. . Mechanismen zur Lokalisierung verstärkter Deformation in einem Gebiet beitragen können, das nach den vorliegenden Modellen einer tektonischen Verformung widerstehen sollte, sind: (i) erhöhte tektonische Kräfte durch ein steileres Abtauchen der Platte und (ii) Schwächezonen in der Kruste, die auf prä-andine Deformationsereignisse zurückgehen. Schließlich könnten die thermomechanischen Bedingungen in diesem Teil des Vorlands einchlüsselfaktor für die Erhaltung des flachen Subduktionswinkels in diesen Breiten der SZA sein. KW - Andes KW - Anden KW - subduction KW - Subduktion KW - lithosphere KW - Lithosphäre KW - earthquakes KW - Erdbeben KW - modelling KW - Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549275 ER - TY - THES A1 - Patyniak, Magda T1 - Seismotectonic segmentation, paleoearthquakes and style of deformation along the Northern Pamir thrust system, South Kyrgyzstan T1 - Seismotektonische Segmentierung, Paläoerdbeben und Art der Deformation entlang des nördlichen Pamir-Überschiebungssystems, Südkirgisistan N2 - The Pamir Frontal Thrust (PFT) located in the Trans Alai range in Central Asia is the principal active fault of the intracontinental India-Eurasia convergence zone and constitutes the northernmost boundary of the Pamir orogen at the NW edge of this collision zone. Frequent seismic activity and ongoing crustal shortening reflect the northward propagation of the Pamir into the intermontane Alai Valley. Quaternary deposits are being deformed and uplifted by the advancing thrust front of the Trans Alai range. The Alai Valley separates the Pamir range front from the Tien Shan mountains in the north; the Alai Valley is the vestige of a formerly contiguous basin that linked the Tadjik Depression in the west with the Tarim Basin in the east. GNSS measurements across the Central Pamir document a shortening rate of ~25 mm/yr, with a dramatic decrease of ~10-15 mm over a short distance across the northernmost Trans Alai range. This suggests that almost half of the shortening in the greater Pamir – Tien Shan collision zone is absorbed along the PFT. The short-term (geodetic) and long-term (geologic) shortening rates across the northern Pamir appear to be at odds with an apparent slip-rate discrepancy along the frontal fault system of the Pamir. Moreover, the present-day seismicity and historical records have not revealed great Mw > 7 earthquakes that might be expected with such a significant slip accommodation. In contrast, recent and historic earthquakes exhibit complex rupture patterns within and across seismotectonic segments bounding the Pamir mountain front, challenging our understanding of fault interaction and the seismogenic potential of this area, and leaving the relationships between seismicity and the geometry of the thrust front not well understood. In this dissertation I employ different approaches to assess the seismogenic behavior along the PFT. Firstly, I provide paleoseismic data from five trenches across the central PFT segment (cPFT) and compute a segment-wide earthquake chronology over the past 16 kyr. This novel dataset provides important insights into the recurrence, magnitude, and rupture extent of past earthquakes along the cPFT. I interpret five, possibly six paleoearthquakes that have ruptured the Pamir mountain front since ∼7 ka and 16 ka, respectively. My results indicate that at least three major earthquakes ruptured the full-segment length and possibly crossed segment boundaries with a recurrence interval of ∼1.9 kyr and potential magnitudes of up to Mw 7.4. Importantly, I did not find evidence for great (i.e., Mw ≥8) earthquakes. Secondly, I combine my paleoseimic results with morphometric analyses to establish a segment-wide distribution of the cumulative vertical separation along offset fluvial terraces and I model a long-term slip rate for the cPFT. My investigations reveal discrepancies between the extents of slip and rupture during apparent partial segment ruptures in the western half of the cPFT. Combined with significantly higher fault scarp offsets in this sector of the cPFT, the observations indicate a more mature fault section with a potential for future fault linkage. I estimate an average rate of horizontal motion for the cPFT of 4.1 ± 1.5 mm/yr during the past ∼5 kyr, which does not fully match the GNSS-derived present-day shortening rate of ∼10 mm/yr. This suggests a complex distribution of strain accumulation and potential slip partitioning between the cPFT and additional faults and folds within the Pamir that may be associated with a partially locked regional décollement. The third part of the thesis provides new insights regarding the surface rupture of the 2008 Mw 6.6 Nura earthquake that ruptured along the eastern PFT sector. I explore this rupture in the context of its structural complexity by combining extensive field observations with high-resolution digital surface models. I provide a map of the rupture extent, net slip measurements, and updated regional geological observations. Based on this data I propose a tectonic model in this area associated with secondary flexural-slip faulting along steeply dipping bedding of folded Paleogene sedimentary strata that is related to deformation along a deeper blind thrust. Here, the strain release seems to be transferred from the PFT towards older inherited basement structures within the area of advanced Pamir-Tien Shan collision zone. The extensive research of my dissertation results in a paleoseismic database of the past 16 ~kyr, which contributes to the understanding of the seismogenic behavior of the PFT, but also to that of segmented thrust-fault systems in active collisional settings. My observations underscore the importance of combining different methodological approaches in the geosciences, especially in structurally complex tectonic settings like the northern Pamir. Discrepancy between GNSS-derived present-day deformation rates and those from different geological archives in the central part, as well as the widespread distribution of the deformation due to earthquake triggered strain transfer in the eastern part reveals the complexity of this collision zone and calls for future studies involving multi-temporal and interdisciplinary approaches. N2 - Die Pamir-Frontüberschiebung (PFT) des Trans-Alai-Gebirges in Zentralasien ist die wichtigste aktive Verwerfung der intrakontinentalen indisch-eurasischen Konvergenzzone und bildet die nördlichste Grenze des Pamir-Orogens am NW-Rand dieser Kollisionszone. Die intensive Seismizität und die fortschreitende Krustenverkürzung spiegeln die nach Norden gerichtete Verlagerung des Pamir in das intermontane Alai-Tal wider. Quartäre Ablagerungen werden durch die vorstoßende Überschiebungsfront des Trans-Alai-Gebirges sukzessive deformiert und angehoben. Das Alai-Tal trennt das Pamir-Gebirge vom Südrand des Tien Shan-Gebirges und verkörpert die Überreste eines ehemals zusammenhängenden Beckens, welches früher die Tadjik-Senke im Westen mit dem Tarim-Becken im Osten verband. GNSS-Messungen südlich der PFT im Bereich des Zentralpamirs dokumentieren eine Verkürzungsrate von 25 mm/Jahr, welche über eine kurze Strecke zur nördlichen Front des Trans-Alai-Gebirges hin drastisch um 10-15 mm abnimmt. Dies lässt darauf schließen, dass fast die Hälfte der Einengung entlang der PFT absorbiert wird, welche sich in der Kollisionszone zwischen dem Pamir und dem Tien Shan befindet. Eine offensichtliche Abweichung zwischen den kurzfristigen (geodätischen) und langfristigen (geologischen) Verkürzungsraten im nördlichen Pamir weist auf eine Diskrepanz in den Versatzraten entlang des nördlichen frontalen Verwerfungssystems hin. Darüber hinaus weisen weder die heutige Seismizität noch die historischen Aufzeichnungen auf große Erdbeben der Stärke Mw > 7 hin, wie sie bei einer solch signifikanten Verschiebung zu erwarten wären. Stattdessen zeigen rezente und historische Erdbeben komplexe Bruchmuster innerhalb und quer zu seismotektonisch definierten Segmenten, die die Pamir-Gebirgsfront begrenzen, was unser Verständnis der Verwerfungsinteraktion und des seismogenen Potenzials dieses Gebiets herausfordert. Die Wechselwirkungen zwischen Seismizität und der Geometrie der Überschiebungsfront sind somit nicht gut verstanden. In dieser Dissertation verwende ich verschiedene Verfahren, um das seismogene Verhalten entlang der PFT zu bestimmen. Dazu werden zunächst paläoseismische Daten aus fünf Schürfgräben entlang des zentralen Segmentes der PFT (cPFT) erhoben und eine segmentweite Erdbebenchronologie zusammengestellt. Dieser neue Datensatz liefert wichtige Erkenntnisse über die Häufigkeit, die Stärke und das Bruchausmaß vergangener Erdbeben entlang der cPFT. Darauf basierend wurden fünf bzw. sechs Paläoerdbeben interpretiert, die sich entlang der nördlichen Pamir-Gebirgsfront in den letzten ∼7 ka bzw. ~16 ka ereigneten. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass davon mindestens drei große Erdbeben die gesamte Länge des zentralen Segments durchbrochen haben und der Bruch möglicherweise sogar die Segmentgrenzen überschritten hat, mit einem Wiederholungsintervall von ∼1,9 kyr und potenziellen Magnituden von bis zu Mw 7,4. Entscheidend an dieser Stelle ist, dass ich keine Hinweise auf sehr große (d.h. Mw ≥ 8) Erdbeben gefunden habe. Meine paläoseismischen Ergebnisse werden anschließend mit morphometrischen Analysen entlang des zentralen PFT-Segmentes verknüpft, um eine segmentweite Verteilung der kumulativ versetzten Geländestufe entlang fluvialer Terrassen zu ermitteln. Aus dieser Verteilung wird eine langzeitliche Versatzrate für die cPFT modelliert. In der westlichen Hälfte der cPFT zeigen meine Untersuchungen deutliche Unstimmigkeiten zwischen dem Versatz und der Ausdehnung des Oberflächenbruchs auf. In Anbetracht der deutlich höheren Geländestufen im westlichen Bereich deuten die Beobachtungen auf einen reiferen Verwerfungsabschnitt hin. Somit besteht Potenzial für zukünftige Verbindung der Segmente und potenziell stärke Erdbeben. Mit meinen Daten konnte ich eine mittlere horizontale Bewegungsrate von 4,1 ± 1,5 mm/Jahr während der letzten ∼5 kyr für die cPFT ermitteln, welche nicht vollständig mit der von GNSS abgeleiteten heutigen Verkürzungsrate von ∼10 mm/Jahr übereinstimmt. Dies deutet auf eine komplexe Verteilung des Spannungsaufbaus und eine potenzielle Aufteilung dieser Spannungen zwischen der cPFT und den übrigen Verwerfungen und Falten innerhalb des Pamirs hin, welche möglicherweise mit einem teilweise blockierten regionalen Décollement einhergehen. Der letzte Teil der Arbeit liefert neue Erkenntnisse über den Oberflächenbruch des Nura-Erdbebens der Stärke 6,6 (Mw) aus dem Jahr 2008, das sich entlang der östlichen PFT ereignete. Ich untersuche diesen Bruch im Hinblick auf seine strukturelle Komplexität, indem ich umfangreiche Feldbeobachtungen mit hochauflösenden digitalen Oberflächenmodellen verknüpfe. Ich erstelle eine Karte der Bruchausdehnung, des gemessenen Gesamtversatzes und aktualisiere regionale geologische Beobachtungen. Auf der Grundlage dieser Daten entwickle ich für dieses Gebiet Szenarien für ein tektonisches Modell, das mit Biegegleitfalten in mesozoischen und känozoischen Sedimentschichten im Zusammenhang steht. Ich zeige, dass diese Formen mit älteren, kumulativ versetzten seismogenen Strukturen übereinzustimmen scheinen und auf eine wiederkehrende, langfristige Deformationsgeschichte entlang dieses Sektors der nördlichen Pamir-Gebirgsfront hinweisen. Die umfangreichen Forschungsarbeiten meiner Dissertation resultieren in einer paleoseismischen Datenbasis der letzten ~16,000 Jahre, welche zum Verständnis des seismogenen Verhaltens der PFT, aber auch zu dem von segmentierten Überschiebungssystemen in aktiven Kollisionsgebieten beitragen. Meine Beobachtungen unterstreichen, wie wichtig die Kombination verschiedener methodischer Ansätze in den Geowissenschaften ist, insbesondere in strukturell komplexen tektonischen Gebieten wie dem nördlichen Pamir. Die Diskrepanz zwischen den von GNSS abgeleiteten heutigen Deformationsraten und denen aus verschiedenen geologischen Archiven im zentralen Teil, und die weite Verbreitung der Deformation durch erdbebenbedingten Dehnungstransfer im östlichen Teil offenbart die Komplexität dieser Kollisionszone und erfordert künftige Studien mit multitemporalen und interdisziplinären Ansätzen. KW - paleoseismology KW - Paleoseismologie KW - Neotektonik KW - Strukturgeologie KW - quartäre Geochronologie KW - Zentral Asien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577141 ER - TY - THES A1 - Brill, Fabio Alexander T1 - Applications of machine learning and open geospatial data in flood risk modelling N2 - Der technologische Fortschritt erlaubt es, zunehmend komplexe Vorhersagemodelle auf Basis immer größerer Datensätze zu produzieren. Für das Risikomanagement von Naturgefahren sind eine Vielzahl von Modellen als Entscheidungsgrundlage notwendig, z.B. in der Auswertung von Beobachtungsdaten, für die Vorhersage von Gefahrenszenarien, oder zur statistischen Abschätzung der zu erwartenden Schäden. Es stellt sich also die Frage, inwiefern moderne Modellierungsansätze wie das maschinelle Lernen oder Data-Mining in diesem Themenbereich sinnvoll eingesetzt werden können. Zusätzlich ist im Hinblick auf die Datenverfügbarkeit und -zugänglichkeit ein Trend zur Öffnung (open data) zu beobachten. Thema dieser Arbeit ist daher, die Möglichkeiten und Grenzen des maschinellen Lernens und frei verfügbarer Geodaten auf dem Gebiet der Hochwasserrisikomodellierung im weiteren Sinne zu untersuchen. Da dieses übergeordnete Thema sehr breit ist, werden einzelne relevante Aspekte herausgearbeitet und detailliert betrachtet. Eine prominente Datenquelle im Bereich Hochwasser ist die satellitenbasierte Kartierung von Überflutungsflächen, die z.B. über den Copernicus Service der Europäischen Union frei zur Verfügung gestellt werden. Große Hoffnungen werden in der wissenschaftlichen Literatur in diese Produkte gesetzt, sowohl für die akute Unterstützung der Einsatzkräfte im Katastrophenfall, als auch in der Modellierung mittels hydrodynamischer Modelle oder zur Schadensabschätzung. Daher wurde ein Fokus in dieser Arbeit auf die Untersuchung dieser Flutmasken gelegt. Aus der Beobachtung, dass die Qualität dieser Produkte in bewaldeten und urbanen Gebieten unzureichend ist, wurde ein Verfahren zur nachträglichenVerbesserung mittels maschinellem Lernen entwickelt. Das Verfahren basiert auf einem Klassifikationsalgorithmus der nur Trainingsdaten von einer vorherzusagenden Klasse benötigt, im konkreten Fall also Daten von Überflutungsflächen, nicht jedoch von der negativen Klasse (trockene Gebiete). Die Anwendung für Hurricane Harvey in Houston zeigt großes Potenzial der Methode, abhängig von der Qualität der ursprünglichen Flutmaske. Anschließend wird anhand einer prozessbasierten Modellkette untersucht, welchen Einfluss implementierte physikalische Prozessdetails auf das vorhergesagte statistische Risiko haben. Es wird anschaulich gezeigt, was eine Risikostudie basierend auf etablierten Modellen leisten kann. Solche Modellketten sind allerdings bereits für Flusshochwasser sehr komplex, und für zusammengesetzte oder kaskadierende Ereignisse mit Starkregen, Sturzfluten, und weiteren Prozessen, kaum vorhanden. Im vierten Kapitel dieser Arbeit wird daher getestet, ob maschinelles Lernen auf Basis von vollständigen Schadensdaten einen direkteren Weg zur Schadensmodellierung ermöglicht, der die explizite Konzeption einer solchen Modellkette umgeht. Dazu wird ein staatlich erhobener Datensatz der geschädigten Gebäude während des schweren El Niño Ereignisses 2017 in Peru verwendet. In diesem Kontext werden auch die Möglichkeiten des Data-Mining zur Extraktion von Prozessverständnis ausgelotet. Es kann gezeigt werden, dass diverse frei verfügbare Geodaten nützliche Informationen für die Gefahren- und Schadensmodellierung von komplexen Flutereignissen liefern, z.B. satellitenbasierte Regenmessungen, topographische und hydrographische Information, kartierte Siedlungsflächen, sowie Indikatoren aus Spektraldaten. Zudem zeigen sich Erkenntnisse zu den Schädigungsprozessen, die im Wesentlichen mit den vorherigen Erwartungen in Einklang stehen. Die maximale Regenintensität wirkt beispielsweise in Städten und steilen Schluchten stärker schädigend, während die Niederschlagssumme in tiefliegenden Flussgebieten und bewaldeten Regionen als aussagekräftiger befunden wurde. Ländliche Gebiete in Peru weisen in der präsentierten Studie eine höhere Vulnerabilität als die Stadtgebiete auf. Jedoch werden auch die grundsätzlichen Grenzen der Methodik und die Abhängigkeit von spezifischen Datensätzen and Algorithmen offenkundig. In der übergreifenden Diskussion werden schließlich die verschiedenen Methoden – prozessbasierte Modellierung, prädiktives maschinelles Lernen, und Data-Mining – mit Blick auf die Gesamtfragestellungen evaluiert. Im Bereich der Gefahrenbeobachtung scheint eine Fokussierung auf neue Algorithmen sinnvoll. Im Bereich der Gefahrenmodellierung, insbesondere für Flusshochwasser, wird eher die Verbesserung von physikalischen Modellen, oder die Integration von prozessbasierten und statistischen Verfahren angeraten. In der Schadensmodellierung fehlen nach wie vor die großen repräsentativen Datensätze, die für eine breite Anwendung von maschinellem Lernen Voraussetzung ist. Daher ist die Verbesserung der Datengrundlage im Bereich der Schäden derzeit als wichtiger einzustufen als die Auswahl der Algorithmen. N2 - Technological progress allows for producing ever more complex predictive models on the basis of increasingly big datasets. For risk management of natural hazards, a multitude of models is needed as basis for decision-making, e.g. in the evaluation of observational data, for the prediction of hazard scenarios, or for statistical estimates of expected damage. The question arises, how modern modelling approaches like machine learning or data-mining can be meaningfully deployed in this thematic field. In addition, with respect to data availability and accessibility, the trend is towards open data. Topic of this thesis is therefore to investigate the possibilities and limitations of machine learning and open geospatial data in the field of flood risk modelling in the broad sense. As this overarching topic is broad in scope, individual relevant aspects are identified and inspected in detail. A prominent data source in the flood context is satellite-based mapping of inundated areas, for example made openly available by the Copernicus service of the European Union. Great expectations are directed towards these products in scientific literature, both for acute support of relief forces during emergency response action, and for modelling via hydrodynamic models or for damage estimation. Therefore, a focus of this work was set on evaluating these flood masks. From the observation that the quality of these products is insufficient in forested and built-up areas, a procedure for subsequent improvement via machine learning was developed. This procedure is based on a classification algorithm that only requires training data from a particular class to be predicted, in this specific case data of flooded areas, but not of the negative class (dry areas). The application for hurricane Harvey in Houston shows the high potential of this method, which depends on the quality of the initial flood mask. Next, it is investigated how much the predicted statistical risk from a process-based model chain is dependent on implemented physical process details. Thereby it is demonstrated what a risk study based on established models can deliver. Even for fluvial flooding, such model chains are already quite complex, though, and are hardly available for compound or cascading events comprising torrential rainfall, flash floods, and other processes. In the fourth chapter of this thesis it is therefore tested whether machine learning based on comprehensive damage data can offer a more direct path towards damage modelling, that avoids explicit conception of such a model chain. For that purpose, a state-collected dataset of damaged buildings from the severe El Niño event 2017 in Peru is used. In this context, the possibilities of data-mining for extracting process knowledge are explored as well. It can be shown that various openly available geodata sources contain useful information for flood hazard and damage modelling for complex events, e.g. satellite-based rainfall measurements, topographic and hydrographic information, mapped settlement areas, as well as indicators from spectral data. Further, insights on damaging processes are discovered, which mainly are in line with prior expectations. The maximum intensity of rainfall, for example, acts stronger in cities and steep canyons, while the sum of rain was found more informative in low-lying river catchments and forested areas. Rural areas of Peru exhibited higher vulnerability in the presented study compared to urban areas. However, the general limitations of the methods and the dependence on specific datasets and algorithms also become obvious. In the overarching discussion, the different methods – process-based modelling, predictive machine learning, and data-mining – are evaluated with respect to the overall research questions. In the case of hazard observation it seems that a focus on novel algorithms makes sense for future research. In the subtopic of hazard modelling, especially for river floods, the improvement of physical models and the integration of process-based and statistical procedures is suggested. For damage modelling the large and representative datasets necessary for the broad application of machine learning are still lacking. Therefore, the improvement of the data basis in the field of damage is currently regarded as more important than the selection of algorithms. KW - flood risk KW - machine learning KW - open data KW - damage modelling KW - data-mining KW - Schadensmodellierung KW - Data-Mining KW - Hochwasserrisiko KW - maschinelles Lernen KW - offene Daten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555943 ER - TY - THES A1 - Jongejans, Loeka Laura T1 - Organic matter stored in ice-rich permafrost T1 - Ablagerung von organischem Kohlenstoff in eisreichem Permafrost BT - future permafrost thaw and greenhouse gas release BT - zukünftige Permafrosttauen und Treibhausgasemissionen N2 - The Arctic is changing rapidly and permafrost is thawing. Especially ice-rich permafrost, such as the late Pleistocene Yedoma, is vulnerable to rapid and deep thaw processes such as surface subsidence after the melting of ground ice. Due to permafrost thaw, the permafrost carbon pool is becoming increasingly accessible to microbes, leading to increased greenhouse gas emissions, which enhances the climate warming. The assessment of the molecular structure and biodegradability of permafrost organic matter (OM) is highly needed. My research revolves around the question “how does permafrost thaw affect its OM storage?” More specifically, I assessed (1) how molecular biomarkers can be applied to characterize permafrost OM, (2) greenhouse gas production rates from thawing permafrost, and (3) the quality of OM of frozen and (previously) thawed sediments. I studied deep (max. 55 m) Yedoma and thawed Yedoma permafrost sediments from Yakutia (Sakha Republic). I analyzed sediment cores taken below thermokarst lakes on the Bykovsky Peninsula (southeast of the Lena Delta) and in the Yukechi Alas (Central Yakutia), and headwall samples from the permafrost cliff Sobo-Sise (Lena Delta) and the retrogressive thaw slump Batagay (Yana Uplands). I measured biomarker concentrations of all sediment samples. Furthermore, I carried out incubation experiments to quantify greenhouse gas production in thawing permafrost. I showed that the biomarker proxies are useful to assess the source of the OM and to distinguish between OM derived from terrestrial higher plants, aquatic plants and microbial activity. In addition, I showed that some proxies help to assess the degree of degradation of permafrost OM, especially when combined with sedimentological data in a multi-proxy approach. The OM of Yedoma is generally better preserved than that of thawed Yedoma sediments. The greenhouse gas production was highest in the permafrost sediments that thawed for the first time, meaning that the frozen Yedoma sediments contained most labile OM. Furthermore, I showed that the methanogenic communities had established in the recently thawed sediments, but not yet in the still-frozen sediments. My research provided the first molecular biomarker distributions and organic carbon turnover data as well as insights in the state and processes in deep frozen and thawed Yedoma sediments. These findings show the relevance of studying OM in deep permafrost sediments. N2 - Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Erde, was zum tauen des dortigen Permafrosts führt. Eisreicher Permafrost, wie der spätpleistozäne Yedoma, ist besonders anfällig für schnelle und tiefe Auftauprozesse infolge von Absenkungen der Oberfläche nach dem Schmelzen des Grundeises. Durch das Auftauen des Permafrosts wird der im Permafrost gespeicherte Kohlenstoff für Mikroben zunehmend zugänglich, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt und die Klimaerwärmung verstärkt. Die Untersuchung der molekularen Struktur und der biologischen Abbaubarkeit von organischem Material (OM) im Permafrost ist dringend erforderlich. In meiner Forschung geht es um die zentrale Frage inwieweit das Auftauen des Permafrost die Speicherfähigkeit von OM beeinflusst. Insbesondere untersuchte ich (1) wie molekulare Biomarker bei der Charakterisierung von Permafrost-OM verwendet werden können, (2) Treibhausgasproduktionsraten in auftauendem Permafrost und (3) die Qualität von OM in gefrorenen und (vorher) aufgetauten Sedimenten. Dazu habe ich tiefe (bis zu 55 m) Yedoma und aufgetaute Yedoma Permafrostsedimente aus Jakutien (Republik Sacha) untersucht. Es wurden Sedimentkerne unter Thermokarstseen auf der Bykovsky-Halbinsel (südöstlich des Lenadeltas) und im Yukechi-Alas (Zentraljakutien) entnommen, und deren Biomarkerkonzentrationen gemessen. Desweiteren wurden Bodenproben von der Permafrostklippe Sobo-Sise (Lenadelta) und der Taurutschung Batagai (Jana-Hochland) genommen und untersucht. Darüber hinaus habe ich Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Treibhausgasproduktion in auftauenden Permafrost zu quantifizieren. Ich habe gezeigt, dass Biomarker-Proxies nützlich sind, um die Quelle des OM zu ermitteln und zwischen OM aus Landpflanzen, Wasserpflanzen und mikrobieller Aktivität zu unterscheiden. Außerdem sind einige Proxies hilfreich, den Abbaugrad von Permafrost-OM zu beurteilen. Dies trifft insbesondere in Kombination mit sedimentologischen Daten in einem Multi-Proxy-Ansatz. Ich zeigte dass der OM von Yedoma im Allgemeinen besser erhalten ist als der von aufgetauten Yedoma-Sedimenten. Die Treibhausgasproduktion in den erstmalig auftauenden Permafrostsedimenten war am höchsten. Dies bedeutet, dass die gefrorenen Yedoma-Sedimente das meiste labile OM enthielten. Außerdem zeigte ich, dass sich die methanproduzierenden Gemeinschaften in den frisch aufgetauten Sedimenten etabliert hatten, jedoch nicht in den noch gefrorenen Sedimenten. Meiner Forschung hat die ersten molekularen Biomarkerverteilungen und Kohlenstoffumsatzdaten geliefert und Einsichten in den Zustand und Prozesse von gefrorenen und aufgetauten Yedoma-Sedimenten geschaffen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Relevanz der Untersuchung von OM in tiefen Permafrostsedimenten. N2 - Het Noordpoolgebied verandert snel en permafrost ontdooit. Met name ijsrijke permafrost, zoals Yedoma uit het laat Pleistoceen, is gevoelig voor snelle en diepe dooiprocessen als gevolg van bodemdaling na het smelten van bodemijs. Door het ontdooien van permafrost wordt het permafrostkoolstofreservoir beter toegankelijk voor microben, wat tot verhoogde broeikasgasemissies leidt en de klimaatopwarming versterkt. Het is van groot belang om de moleculaire structuur en de biologische afbreekbaarheid van organisch materiaal (OM) in permafrost vast te leggen. Mijn onderzoek draait om de vraag "hoe beinvloedt permafrostdooi de OM-opslag?" Specifiek heb ik onderzocht (1) hoe moleculaire biomarkers kunnen worden gebruikt om permafrost-OM te karakteriseren, (2) wat broeikasgasproductiesnelheden in ontdooiende permafrost zijn en (3) wat de kwaliteit is van het OM in bevroren en (eerder) ontdooide sedimenten. Ik heb diepe (max. 55 m) Yedoma en ontdooide Yedoma permafrostsedimenten uit Jakoetië (republiek Sacha) onderzocht. Sedimentkernen zijn genomen onder thermokarstmeren op het Bykovsky schiereiland (ten zuidoosten van de Lenadelta) en in de Yukechi Alas (centraal Jakoetië). Ook zijn bodemmonsters genomen van de permafrostklif Sobo-Sise (Lenadelta) en de zogenaamde thaw slump Batagai (Jana-hoogvlakte). In alle monsters heb ik de biomarkerconcentraties gemeten. Ook heb ik incubatie-experimenten uitgevoerd om de broeikasgasproductie in ontdooiende permafrost te kwantificeren. Mijn onderzoek wijst uit dat de biomarkerproxies nuttig zijn bij het vaststellen van de bron van het OM en om onderscheid te kunnen maken tussen OM van landplanten, waterplanten en OM afkomstig van microbiële activiteit. Daarnaast heb ik aangetoond dat sommige proxies nuttig zijn om de mate van degradatie van het OM vast te stellen, vooral in combinatie met sedimentologische data in een multi-proxy-benadering. Het blijkt dat het OM in Yedoma over het algemeen beter bewaard gebleven is dan het OM in ontdooide Yedoma-sedimenten. De broeikasgasproductie bleek het hoogst in de voor het eerst ontdooide permafrostsedimenten, wat betekent dat de bevroren Yedoma-sedimenten het meeste labiele OM bevatten. Bovendien heb ik aangetoond dat de methaan-producerende gemeenschappen zich wel in de recentelijk ontdooide sedimenten hebben gevestigd, maar nog niet in de nog bevroren sedimenten. Mijn onderzoek heeft de eerste moleculaire biomarker- en koolstofomzetdata en inzichten opgeleverd in de toestand en processen van diepe, bevroren en ontdooide Yedoma-sedimenten. Deze resultaten tonen de relevantie van het bestuderen van OM in diepe permafrostsedimenten. KW - permafrost sediments KW - organic matter KW - molecular biomarkers KW - anaerobic incubation experiments KW - Russian Arctic KW - Permafrostsedimente KW - organisches Material KW - molekulare Biomarker KW - anaerobe Inkubationensexperimente KW - russische Arktis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564911 ER - TY - THES A1 - Siegmund, Nicole T1 - Wind driven soil particle uptake Quantifying drivers of wind erosion across the particle size spectrum T1 - Partikelaufwirbelung durch Wind - Über die Quantifizierung von Winderosion über das ganze Partikel-Größenspektrum N2 - Among the multitude of geomorphological processes, aeolian shaping processes are of special character, Pedogenic dust is one of the most important sources of atmospheric aerosols and therefore regarded as a key player for atmospheric processes. Soil dust emissions, being complex in composition and properties, influence atmospheric processes and air quality and has impacts on other ecosystems. In this because even though their immediate impact can be considered low (exceptions exist), their constant and large-scale force makes them a powerful player in the earth system. dissertation, we unravel a novel scientific understanding of this complex system based on a holistic dataset acquired during a series of field experiments on arable land in La Pampa, Argentina. The field experiments as well as the generated data provide information about topography, various soil parameters, the atmospheric dynamics in the very lower atmosphere (4m height) as well as measurements regarding aeolian particle movement across a wide range of particle size classes between 0.2μm up to the coarse sand. The investigations focus on three topics: (a) the effects of low-scale landscape structures on aeolian transport processes of the coarse particle fraction, (b) the horizontal and vertical fluxes of the very fine particles and (c) the impact of wind gusts on particle emissions. Among other considerations presented in this thesis, it could in particular be shown, that even though the small-scale topology does have a clear impact on erosion and deposition patterns, also physical soil parameters need to be taken into account for a robust statistical modelling of the latter. Furthermore, specifically the vertical fluxes of particulate matter have different characteristics for the particle size classes. Finally, a novel statistical measure was introduced to quantify the impact of wind gusts on the particle uptake and its application on the provided data set. The aforementioned measure shows significantly increased particle concentrations during points in time defined as gust event. With its holistic approach, this thesis further contributes to the fundamental understanding of how atmosphere and pedosphere are intertwined and affect each other. N2 - Unter der Vielzahl geomorphologischer Prozesse nehmen äolische Formgebungsprozesse eine besondere Stellung ein, denn obwohl ihre unmittelbaren Auswirkungen als gering einzuschätzen sind (Ausnahmen existieren), sind sie aufgrund ihrer konstanten und großen Kraft ein mächtiger Akteur im Erdsystem. Pedogener Staub ist eine der wichtigsten Quellen atmosphärischer Aerosole und kann daher als Schlüsselfaktor für atmosphärische Prozesse angesehen werden. Bodenstaubemissionen, die in Zusammensetzung und Eigenschaften komplex sind, beeinflussen atmosphärische Prozesse und Luftqualität und haben Auswirkungen auf andere Ökosysteme. Um zum wissenschaftlichen Verständnis dieses komplexen Systems beizutragen, dokumentiert diese Arbeit eine Reihe von Veröffentlichungen, die alle auf einem ganzheitlichen Datensatz basieren, die während einer Reihe von Feldexperimenten auf Ackerland in La Pampa, Argentinien, gewonnen wurden. Die Feldexperimente sowie die generierten Daten liefern Informationen über Topographie, verschiedene Bodenparameter, die atmosphärische Dynamik in der unteren Atmosphäre (4 m Höhe) sowie Messungen zur äolischen Partikelbewegung über einen weiten Bereich von Partikelgrößenklassen zwischen 0,2μm und groben Sand. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf drei Themen: Die Auswirkungen kleinräumiger Landschaftsstrukturen auf äolische Transportprozesse der groben Partikelfraktion, die horizontalen und vertikalen Strömungen der sehr feinen Partikel und der Einfluss von Windböen auf die Partikelemissionen. Neben anderen in dieser Arbeit vorgestellten Überlegungen konnte insbesondere gezeigt werden, dass, obwohl die kleinräumige Topologie einen deutlichen Einfluss auf Erosions- und Ablagerungsmuster hat, auch physikalische Bodenparameter für eine robuste statistische Modellierung berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus weisen speziell die vertikalen Feinstaubflüsse unterschiedliche Eigenschaften für die Partikelgrößenklassen auf. Schließlich wurde ein neuartiges statistisches Maß eingeführt, um den Einfluss von Windböen auf die Partikelkonzentration der Luft zu quantifizieren, und seine Anwendung auf den bereitgestellten Datensatz zeigt signifikant erhöhte Partikelkonzentrationen zu Zeitpunkten, die als Böen definiert wurden. Mit ihrem ganzheitlichen Ansatz trägt diese Arbeit weiter zum grundlegenden Verständnis bei, wie Atmosphäre und Pedosphäre miteinander verflochten sind und sich gegenseitig beeinflussen. KW - Winderosion KW - winderosion KW - PM10, PM2, PM1 KW - Horizontal flux KW - horizontaler Fluss KW - Vertical flux KW - vertikaler Fluss KW - Argentina KW - Argentinien KW - wind gusts KW - Windböen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574897 ER - TY - THES A1 - Pan, Mengdi T1 - Systematic studies on the thermodynamic properties of gas hydrates and their formation/dissociation/transformation behaviors T1 - Systematische Untersuchungen zu den thermodynamischen Eigenschaften von Gashydraten und ihrem Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsverhalten N2 - Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming. N2 - Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten. KW - gas hydrates KW - Raman spectroscopy KW - thermodynamic and kinetic properties KW - Gashydrate KW - Raman-Spektroskopie KW - thermodynamische und kinetische Eigenschaften Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554760 ER - TY - THES A1 - Niemz, Peter T1 - Imaging and modeling of hydraulic fractures in crystalline rock via induced seismic activity T1 - Charakterisierung und Modellierung hydraulischer Brüche in Kristallingestein mit Hilfe induzierter Seismizität N2 - Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1). An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broad-band seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding. To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3). N2 - Hydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mit unterschiedlichen Injektionsstrategien durchgeführt. Die detaillierte Auswertung der Bruch-Experimente in dieser Dissertation zielt darauf ab, die Nutzbarkeit von hydraulischen Stimulationen (hydraulic fracturing, HF) in EGS zu untersuchen und das Verständnis von Bruchprozessen sowie der hydromechanischen Beziehung zur induzierten Seismizität zu verbessern. Um die Schallemissionsaktivität (acoustic emissions, AE), die durch 11 piezoelektrische AE-Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet wurde, zu extrahieren und zu charakterisieren, wurde ein halbautomatischer, wellenformbasierter Detektions-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsworkflow entwickelt. Mit Hilfe des resultierenden Katalogs von 20000 AEs wurde das Bruchwachstum detailliert kartiert und charakterisiert. Das Experiment mit der neuartigen, zyklischen Injektionsstrategie (HF3) weist einen geringeren seismischen Fußabdruck auf als die Standard-Injektionsstrategie. HF3 induzierte weniger AEs und eine kleinere Maximalmagnitude. Außerdem hatte das Experiment einen signifikant höheren b-Wert, was einer verringerten Anzahl von großen AEs relativ zur Anzahl der kleineren AEs entspricht. Darüber hinaus zeigte HF3 eine erhöhte Komplexität im Bruchmuster mit mehreren Brüchen bzw. einem Netzwerk von Brüchen. Im Gegensatz dazu entwickelten die Standard-Injektionen einzelne, ebene Bruchzonen (Publikation 1). Zusätzlich zu den induzierten AEs wurden transiente, langperiodische Signale auf den horizontalen Komponenten von zwei Breitband-Seismometern, die wenige Meter von den Brüchen installiert waren, ausgewertet. Diese Signale wurden als Neigungssignale interpretiert und mit modellierten Neigungssignalen verglichen. Der Vergleich zeigt unabhängig, dass hydraulische Brüche geöffnet wurden und bestätigt, dass die AE-basierte Analyse die Bruchgeometrie verlässlich kartieren kann. Die gemeinsame Betrachtung von AEs und Neigungssignalen offenbart verschiedene Phasen des Bruchprozesses: das (wiederholte) Öffnen des Bruches, das Bruchwachstum und das weitere Wachsen des Bruches nach dem Ende der Injektion. Außerdem liefert die Analyse Hinweise auf die Reaktivierung einer natürlichen Bruchzone in einem der Experimente (Publikation 2). Eine neuentwickelte und hier präsentierte Wellenform-Ähnlichkeitsanalyse, die Informationen des gesamten Sensornetzwerkes nutzt und zum ersten Mal auf einen umfangreichen AE-Katalog angewendet wurde, unterstützt diese Interpretation. Um zu validieren, ob die verringerte Seismizität während der zyklischen Injektion auf der Meter-Skala (Bergwerk) auf andere Maßstäbe übertragbar ist, wurden Energie-Budgets für Injektionsexperimente aus zuvor durchgeführten Laborversuchen und aus einem Tiefengeothermie-Projekt berechnet. Über alle drei Skalen hinweg zeigen die zyklischen Injektionen einen verringerten seismischen Fußabdruck mit kleineren Maximalmagnituden, größeren b-Werte und einem kleineren Verhältnis von seismisch-abgestrahlter zu injizierter Energie (Publikation 3). KW - induced seismicity KW - hydraulic fracturing KW - enhanced geothermal systems (EGS) KW - injection KW - deformation KW - acoustic emissions KW - fracture growth KW - injection scheme KW - basement rock KW - Schallemissionen KW - Grundgestein KW - Deformation KW - verbesserte geothermische Systeme KW - Bruchausbreitung KW - hydraulisches Aufbrechen KW - Induzierte Seismizität KW - Injektion KW - Injektionsschema Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556593 ER - TY - THES A1 - Esfahani, Reza Dokht Dolatabadi T1 - Time-dependent monitoring of near-surface and ground motion modelling: developing new data processing approaches based on Music Information Retrieval (MIR) strategies N2 - Seismology, like many scientific fields, e.g., music information retrieval and speech signal pro- cessing, is experiencing exponential growth in the amount of data acquired by modern seismo- logical networks. In this thesis, I take advantage of the opportunities offered by "big data" and by the methods developed in the areas of music information retrieval and machine learning to predict better the ground motion generated by earthquakes and to study the properties of the surface layers of the Earth. In order to better predict seismic ground motions, I propose two approaches based on unsupervised deep learning methods, an autoencoder network and Generative Adversarial Networks. The autoencoder technique explores a massive amount of ground motion data, evaluates the required parameters, and generates synthetic ground motion data in the Fourier amplitude spectra (FAS) domain. This method is tested on two synthetic datasets and one real dataset. The application on the real dataset shows that the substantial information contained within the FAS data can be encoded to a four to the five-dimensional manifold. Consequently, only a few independent parameters are required for efficient ground motion prediction. I also propose a method based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN) for simulating ground motion records in the time-frequency and time domains. CGAN generates the time-frequency domains based on the parameters: magnitude, distance, and shear wave velocities to 30 m depth (VS30). After generating the amplitude of the time-frequency domains using the CGAN model, instead of classical conventional methods that assume the amplitude spectra with a random phase spectrum, the phase of the time-frequency domains is recovered by minimizing the observed and reconstructed spectrograms. In the second part of this dissertation, I propose two methods for the monitoring and characterization of near-surface materials and site effect analyses. I implement an autocorrelation function and an interferometry method to monitor the velocity changes of near-surface materials resulting from the Kumamoto earthquake sequence (Japan, 2016). The observed seismic velocity changes during the strong shaking are due to the non-linear response of the near-surface materials. The results show that the velocity changes lasted for about two months after the Kumamoto mainshock. Furthermore, I used the velocity changes to evaluate the in-situ strain-stress relationship. I also propose a method for assessing the site proxy "VS30" using non-invasive analysis. In the proposed method, a dispersion curve of surface waves is inverted to estimate the shear wave velocity of the subsurface. This method is based on the Dix-like linear operators, which relate the shear wave velocity to the phase velocity. The proposed method is fast, efficient, and stable. All of the methods presented in this work can be used for processing "big data" in seismology and for the analysis of weak and strong ground motion data, to predict ground shaking, and to analyze site responses by considering potential time dependencies and nonlinearities. KW - ground motion modeling KW - machine learning KW - near-surface monitoring KW - imaging KW - generative model KW - surface wave Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567671 ER - TY - THES A1 - Tella, Timothy Oluwatobi T1 - Exploring the roles of sediment production by Photozoan and Heterozoan biotas on the evolution of carbonate system geometries through forward modelling T1 - Untersuchung der Rolle der Sedimentproduktion durch Photozoen- und Heterozoenbiotope bei der Entwicklung der Geometrie von Karbonatsystemen durch Vorwärtsmodellierung BT - examples from Mallorca and Menorca N2 - The role of biogenic carbonate producers in the evolution of the geometries of carbonate systems has been the subject of numerous research projects. Attempts to classify modern and ancient carbonate systems by their biotic components have led to the discrimination of biogenic carbonate producers broadly into Photozoans, which are characterised by an affinity for warm tropical waters and high dependence on light penetration, and Heterozoans which are generally associated with both cool water environments and nutrient-rich settings with little to no light penetration. These broad categories of carbonate sediment producers have also been recognised to dominate in specific carbonate systems. Photozoans are commonly dominant in flat-topped platforms with steep margins, while Heterozoans generally dominate carbonate ramps. However, comparatively little is known on how these two main groups of carbonate producers interact in the same system and impact depositional geometries responding to changes in environmental conditions such as sea level fluctuation, antecedent slope, sediment transport processes, etc. This thesis presents numerical models to investigate the evolution of Miocene carbonate systems in the Mediterranean from two shallow marine domains: 1) a Miocene flat-topped platform dominated by Photozoans, with a significant component of Hetrozoans in the slope and 2) a Heterozoan distally steepened ramp, with seagrass-influenced (Photozoan) inner ramp. The overarching aim of the three articles comprising this cumulative thesis is to provide a numerical study of the role of Photozoans and Heterozoans in the evolution of carbonate system geometries and how these biotas respond to changes in environmental conditions. This aim was achieved using stratigraphic forward modelling, which provides an approach to quantitatively integrate multi-scale datasets to reconstruct sedimentary processes and products during the evolution of a sedimentary system. In a Photozoan-dominated carbonate system, such as the Miocene Llucmajor platform in Western Mediterranean, stratigraphic forward modelling dovetailed with a robust set of sensitivity tests reveal how the geometry of the carbonate system is determined by the complex interaction of Heterozoan and Photozoan biotas in response to variable conditions of sea level fluctuation, substrate configuration, sediment transport processes and the dominance of Photozoan over Heterozoan production. This study provides an enhanced understanding of the different carbonate systems that are possible under different ecological and hydrodynamic conditions. The research also gives insight into the roles of different biotic associations in the evolution of carbonate geometries through time and space. The results further show that the main driver of platform progradation in a Llucmajor-type system is the lowstand production of Heterozoan sediments, which form the necessary substratum for Photozoan production. In Heterozoan systems, sediment production is mainly characterised by high transport deposits, that are prone to redistribution by waves and gravity, thereby precluding the development of steep margins. However, in the Menorca ramp, the occurrence of sediment trapping by seagrass led to the evolution of distal slope steepening. We investigated, through numerical modelling, how such a seagrass-influenced ramp responds to the frequency and amplitude of sea level changes, variable carbonate production between the euphotic and oligophotic zone, and changes in the configuration of the paleoslope. The study reinforces some previous hypotheses and presents alternative scenarios to the established concepts of high-transport ramp evolution. The results of sensitivity experiments show that steep slopes are favoured in ramps that develop in high-frequency sea level fluctuation with amplitudes between 20 m and 40 m. We also show that ramp profiles are significantly impacted by the paleoslope inclination, such that an optimal antecedent slope of about 0.15 degrees is required for the Menorca distally steepened ramp to develop. The third part presents an experimental case to argue for the existence of a Photozoan sediment threshold required for the development of steep margins in carbonate platforms. This was carried out by developing sensitivity tests on the forward models of the flat-topped (Llucmajor) platform and the distally steepened (Menorca) platform. The results show that models with Photozoan sediment proportion below a threshold of about 40% are incapable of forming steep slopes. The study also demonstrates that though it is possible to develop steep margins by seagrass sediment trapping, such slopes can only be stabilized by the appropriate sediment fabric and/or microbial binding. In the Photozoan-dominated system, the magnitude of slope steepness depends on the proportion of Photozoan sediments in the system. Therefore, this study presents a novel tool for characterizing carbonate systems based on their biogenic components. N2 - Die Rolle von biogenen Karbonatproduzenten bei der Ausbildung der Geometrien von Karbonatablagerungen war bereits Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten. Bisherige Versuche, moderne und alte Karbonatsysteme anhand ihrer biotischen Komponenten zu klassifizieren, führten dazu, dass biogene Karbonatproduzenten generell unterschieden werden in Photozoen, welche sich durch eine starke Neigung zu warmen, tropischen Gewässern und eine hohe Abhängigkeit von der Lichtdurchflutung auszeichnen, und in Heterozoen, die im Allgemeinen mit kühlen Wasserumgebungen mit wenig bis gar keiner Lichtdurchflutung assoziiert werden. Dabei wurde auch festgestellt, dass diese beiden Haupttypen von Karbonatproduzenten in bestimmten Karbonatsystemen dominierend sind. Photozoen sind in der Regel auf Karbonatplattformen mit flachem Oberbereich und steilen Rändern vorherrschend, während Heterozoen generell in Karbonatrampen dominieren. Allerdings herrscht immer noch große Unkenntnis darüber, wie diese Karbonatsysteme und ihre Geometrien auf Veränderungen der Umweltbedingungen, wie z. B. Schwankungen des Meeresspiegels, vorherige Geometrien der Karbonatablagerungen, Prozesse des Sedimenttransports, usw., reagieren. In dieser Dissertation werden numerische Modelle vorgestellt, mit Hilfe derer die Entwicklung miozäner Karbonatsysteme im Mittelmeerraum anhand des Beispiels zweier Flachwasserbereiche untersucht werden: 1) eine miozäne Plattform mit flachem Oberbereich, die von Photozoen dominiert wird, und 2) eine von Seegras beeinflusste und distal steil abfallende Rampe die von Heterozoen dominiert wird. Das übergeordnete Ziel der drei wissenschaftlichen Publikationen, aus denen diese kumulative Dissertation aufgebaut ist, beinhaltet die numerische Analyse der Rolle von Photozoen und Heterozoen bei der Entwicklung der Geometrien von Karbonatsystem, und die anschließende Auswertung, wie diese Biotope auf Veränderungen der Umweltbedingungen reagieren. Dies wurde mit Hilfe der stratigraphischen Vorwärtsmodellierung realisiert, welche einen methodologischen Ansatz zur quantitativen Integration von Datensätzen unterschiedlichster Größenordnungen bietet, um sedimentäre Prozesse und deren Produkte im Laufe der Entwicklung eines Sedimentsystems zu rekonstruieren. In einem von Photozoen dominierten Karbonatsystem, wie das der miozänen Llucmajor-Plattform im westlichen Mittelmeerraum, zeigt die stratigraphische Vorwärtsmodellierung in Übereinstimmung mit belastbaren Daten, die aus einer umfangreichen Reihe von Sensitivitätstests gewonnen wurden, wie die Geometrie des untersuchten Karbonatsystems durch die komplexe Interaktion von photozoischen und heterozoischen Biotopen als Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen wie Meeresspiegelschwankungen, Struktur des Substrates, Prozesse der Sedimentation und die Dominanz von Photozoen gegenüber Heterozoen bestimmt wird. Diese Analyse führt zu einem erweiterten Verständnis über den Aufbau und die Entwicklung der verschiedenen Arten von Karbonatsystemen, die unter den jeweiligen ökologischen und hydrodynamischen Umgebungsbedingungen potenziell möglich sind. Zusätzlich bieten die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsergebnisse neue Einblicke über die Rolle der verschiedenen biologischen Vergesellschaftungen bei der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Geometrie eines karbonatischen Flachwasserablagerungsraums. Außerdem konnte bewiesen werden, dass der Hauptfaktor, der für die Progradation einer Plattform des Llucmajortypus verantwortlich ist, die Karbonatproduktion durch Heterozoen während der ´lowstand´- Phase ist, wodurch sich das Substrat bildet, welches für die Karbonatproduktion durch Photozoen notwendig ist. In heterozoischen Systemen ist die Sedimentproduktion vor allem durch Prozesse mit hoher Transportdynamik gekennzeichnet, und unterliegt einer Sedimentumverteilung, die durch Wellenbewegungen und gravitative Prozesse ausgelöst wird, wodurch das Ausbilden steiler Plattformränder verhindert wird. In der Karbonatrampe von Menorca jedoch führte das Vorkommen von Sedimentablagerungen, die durch Seegras stabilisiert wurden, zur Versteilerung des distalen Bereichs der Karbonatrampe. Mit Hilfe numerischer Modelle wurde untersucht, wie eine solche von Seegras beeinflusste Rampe auf die Frequenz und Amplitude von Meeresspiegelschwankungen, auf die unterschiedlich ausgeprägte Karbonatproduktion innerhalb der euphotischen und der oligophotischen Zone, sowie auf Veränderungen in der Struktur der vorherigen Geometrie der Rampe, reagiert. Das Ergebnis dieser Analyse untermauert einige der früheren Hypothesen, bietet aber auch alternative Szenarien zu den bereits etablierten Konzepten der Entstehung und Entwicklung von Karbonatrampen, welche durch eine hohe Transportdynamik gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse der „Sensitivitätsanalysen“ zeigen, dass sich in einer Karbonatrampe bevorzugt steilere distalere Bereiche ausbilden, wenn die Entwicklung der Rampe durch hochfrequente Meeresspiegelschwankungen mit einer Amplitude zwischen 20 m bis 40 m geprägt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das Profil einer Rampe stark von der ursprünglichen Hangneigung beeinflusst wird, und ein optimaler Neigungswinkel des vorherigen Hanges von ungefähr 0.15 Grad benötigt wird, damit eine Rampe, wie die des Menorcatypus die im distalen Bereich steiler wird, sich ausbilden kann. Im dritten Teil der Dissertation wird ein experimentelles Fallbeispiel vorgestellt, welches Hinweise auf das Vorhandensein eines spezifischen Schwellenwerts innerhalb der photozoischen Karbonatproduktion liefert, der essenziell für die Entwicklung von steilen Plattformrändern ist. Zu diesem Zweck wurden Sensibilitätstests für die Vorwärtsmodelle der Plattform mit flacher Topografie des oberen Bereiches (Llucmajor) und der im distalen Bereich steiler werdenden Plattform (Menorca) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Modelle, die einen Anteil an von Photozoen produzierten Sedimenten aufweisen, der unter einem Schwellenwert von etwa 40 % liegt, nicht in der Lage sind, steile Plattformränder auszubilden. Diese Analyse beweist auch, dass es grundsätzlich möglich ist, steile Plattformränder durch die Stabilisierung durch Seegras, welches Sediment einfängt und aufnimmt, aufzubauen. Voraussetzung dafür ist allerdings das Vorhandensein einer geeigneten internen Sedimenttextur und/oder der Verfestigung der Sedimente durch mikrobielle Aktivität. In Systemen, die durch Photozoen dominiert werden, hängt die Größe des Hangneigungswinkel stark vom Anteil des innerhalb des Systems photozoisch produzierten Sediments ab. In dieser Arbeit wird deshalb eine neue Herangehensweise zur Charakterisierung von Karbonatsystemen eingeführt, die auf deren Inhalt an biogenen Komponenten beruht. KW - carbonate KW - sedimentology KW - stratigraphic forward modelling KW - Photozoan KW - Heterozoan KW - carbonate platforms KW - carbonate ramps KW - Distally steepened ramps KW - distal steil ansteigende Rampen KW - Heterozoikum KW - Photozoikum KW - Karbonat KW - Karbonatplattformen KW - Karbonatrampen KW - Sedimentologie KW - stratigraphische Vorwärtsmodellierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582257 ER - TY - THES A1 - Olivotos, Spyros-Christos T1 - Reconstructing the Landscape Evolution of South Central Africa by Surface Exposure Dating of Waterfalls N2 - The East African Rift System (EARS) is a significant example of active tectonics, which provides opportunities to examine the stages of continental faulting and landscape evolution. The southwest extension of the EARS is one of the most significant examples of active tectonics nowadays, however, seismotectonic research in the area has been scarce, despite the fundamental importance of neotectonics. Our first study area is located between the Northern Province of Zambia and the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. Lakes Mweru and Mweru Wantipa are part of the southwest extension of the EARS. Fault analysis reveals that, since the Miocene, movements along the active Mweru-Mweru Wantipa Fault System (MMFS) have been largely responsible for the reorganization of the landscape and the drainage patterns across the southwestern branch of the EARS. To investigate the spatial and temporal patterns of fluvial-lacustrine landscape development, we determined in-situ cosmogenic 10Be and 26Al in a total of twenty-six quartzitic bedrock samples that were collected from knickpoints across the Mporokoso Plateau (south of Lake Mweru) and the eastern part of the Kundelungu Plateau (north of Lake Mweru). Samples from the Mporokoso Plateau and close to the MMFS provide evidence of temporary burial. By contrast, surfaces located far from the MMFS appear to have remained uncovered since their initial exposure as they show consistent 10Be and 26Al exposure ages ranging up to ~830 ka. Reconciliation of the observed burial patterns with morphotectonic and stratigraphic analysis reveals the existence of an extensive paleo-lake during the Pleistocene. Through hypsometric analyses of the dated knickpoints, the potential maximum water level of the paleo-lake is constrained to ~1200 m asl (present lake lavel: 917 m asl). High denudation rates (up to ~40 mm ka-1) along the eastern Kundelungu Plateau suggest that footwall uplift, resulting from normal faulting, caused river incision, possibly controlling paleo-lake drainage. The lake level was reduced gradually reaching its current level at ~350 ka. Parallel to the MMFS in the north, the Upemba Fault System (UFS) extends across the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. This part of our research is focused on the geomorphological behavior of the Kiubo Waterfalls. The waterfalls are the currently active knickpoint of the Lufira River, which flows into the Upemba Depression. Eleven bedrock samples along the Lufira River and its tributary stream, Luvilombo River, were collected. In-situ cosmogenic 10Be and 26Al were used in order to constrain the K constant of the Stream Power Law equation. Constraining the K constant allowed us to calculate the knickpoint retreat rate of the Kiubo Waterfalls at ~0.096 m a-1. Combining the calculated retreat rate of the knickpoint with DNA sequencing from fish populations, we managed to present extrapolation models and estimate the location of the onset of the Kiubo Waterfalls, revealing its connection to the seismicity of the UFS. N2 - Die südwestliche Ausdehnung des Ostafrikanischen Grabenbruchsystems (East African Rift System, EARS) ist eines der bedeutendsten Beispiele aktiver Tektonik heutzutage, welches die Möglichkeit bietet, die Phasen der kontinentalen Verwerfung und der Landschaftsentwicklung zu untersuchen. Allerdings ist seismotektonische Forschung in diesem Gebiet trotz der fundamentalen Bedeutung der Neotektonik nur in geringem Umfang durchgeführt worden. Unser erstes Untersuchungsgebiet befindet sich zwischen der Nordprovinz Sambias und der Provinz Katanga im südöstlichen Teil der Demokratischen Republik Kongo. Die Seen Mweru und Mweru Wantipa sind Teil der südwestlichen Ausdehnung des EARS. Verwerfungsanalysen zeigen, dass seit dem Miozän Bewegungen entlang des aktiven Mweru–Mweru-Wantipa-Verwerfungssystems (MMFS) maßgeblich für die Reorganisation der Landschaft und der Entwässerungsmuster im südwestlichen Zweig des EARS verantwortlich sind. Um die räumlichen und zeitlichen Muster der fluvial-lakustrischen Landschaftsentwicklung zu untersuchen, haben wir in-situ kosmogenes 10Be und 26Al in insgesamt sechsundzwanzig Quarzit-Grundgesteinsproben bestimmt, die vorwiegend von Knickpunkten auf dem Mporokoso-Plateau (südlich des Mweru-Sees) und dem östlichen Teil des Kundelungu-Plateaus (nördlich des Mweru-Sees) gesammelt wurden. Proben vom Mporokoso-Plateau aus der Nähe des MMFS liefern Hinweise auf eine temporäre Bedeckung. Im Gegensatz dazu scheinen Oberflächen, die weit vom MMFS entfernt liegen, seit ihrer ersten Freilegung unbedeckt geblieben zu sein, da sie konsistente 10Be- und 26Al-Freilegungsalter bis zu ~830 ka aufweisen. Der Abgleich der beobachteten Bedeckungsmuster mit morphotektonischen und stratigraphischen Analysen zeigt die Existenz eines ausgedehnten Paläosees während des Pleistozäns. Durch hypsometrische Analysen der datierten Knickpunkte wird der potentielle maximale Wasserstand des Paläosees auf ~1200 m (heutige Seehöhe: 917 m) eingegrenzt. Hohe Denudationsraten (bis zu ~40 mm ka-1) entlang des östlichen Kundelungu-Plateaus deuten darauf hin, dass die durch normale Verwerfungen hervorgerufene Hebung des Fußes einen Flusseinschnitt verursachte, der möglicherweise die Entwässerung des Paläosees kontrollierte. Der Seespiegel wurde allmählich abgesenkt und erreichte sein heutiges Niveau bei ~350 ka. Parallel zum MMFS im Norden erstreckt sich das Upemba-Verwerfungssystem (UFS) über die südöstliche Katanga-Provinz der Demokratischen Republik Kongo. Dort konzentriert sich unsere Forschung auf das geomorphologische Verhalten der Kiubo-Wasserfälle. Diese Fälle sind der derzeit aktive Knickpunkt des Lufira-Flusses, der in die Upemba-Senke mündet. Elf Gesteinsproben entlang des Lufira-Flusses und seines Nebenflusses, des Luvilombo-Flusses, wurden gesammelt. In-situ kosmogenes 10Be und 26Al wurden verwendet, um die K-Konstante der „Strom-Power-Law“-Gleichung einzuschränken. Die Eingrenzung der K-Konstante ermöglichte uns die Berechnung der Rückzugsrate der Kiubo-Wasserfälle auf ~0,096 m a-1. Durch die Kombination der berechneten Rückzugsrate des Knickpunkts mit der DNA-Sequenzierung von Fischpopulationen konnten wir Extrapolationsmodelle formulieren und den Entstehungsort der Kiubo-Wasserfälle abschätzen. Diese Abschätzung legt einen Zusammenhang mit der Seismizität der UFS nahe. T2 - Rekonstruktion der Landschaftsentwicklung im südlichen Zentralafrika durch Datierung der Oberflächenexposition von Wasserfällen KW - Quaternary KW - paleo-lake Mweru KW - East African Rift System KW - Knickpoint KW - Geochronology KW - Cosmogenic nuclides KW - Landscape Evolution KW - Neotectonics KW - Knickpoint retreat KW - Stream Power Law KW - Kosmogene Nuklide KW - Ostafrikanisches Grabensystem KW - Geochronologie KW - Knickpunkt KW - Knickpunkt-Rückzug KW - Landschaftsentwicklung KW - Neotektonik KW - Quartär KW - Paläo-See Mweru Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601699 ER - TY - THES A1 - Reich, Marvin T1 - Advances in hydrogravimetry T1 - Weiterentwicklung der Hydrogravimetrie BT - terrestrial gravimeters as field tools for hydrological applications BT - terrestrische Gravimeter als Messgeräte für hydrologische Anwendungen N2 - The interest of the hydrological community in the gravimetric method has steadily increased within the last decade. This is reflected by numerous studies from many different groups with a broad range of approaches and foci. Many of those are traditionally rather hydrology-oriented groups who recognized gravimetry as a potential added value for their hydrological investigations. While this resulted in a variety of interesting and useful findings, contributing to extend the respective knowledge and confirming the methodological potential, on the other hand, many interesting and unresolved questions emerged. This thesis manifests efforts, analyses and solutions carried out in this regard. Addressing and evaluating many of those unresolved questions, the research contributes to advancing hydrogravimetry, the combination of gravimetric and hydrological methods, in showing how gravimeters are a highly useful tool for applied hydrological field research. In the first part of the thesis, traditional setups of stationary terrestrial superconducting gravimeters are addressed. They are commonly installed within a dedicated building, the impermeable structure of which shields the underlying soil from natural exchange of water masses (infiltration, evapotranspiration, groundwater recharge). As gravimeters are most sensitive to mass changes directly beneath the meter, this could impede their suitability for local hydrological process investigations, especially for near-surface water storage changes (WSC). By studying temporal local hydrological dynamics at a dedicated site equipped with traditional hydrological measurement devices, both below and next to the building, the impact of these absent natural dynamics on the gravity observations were quantified. A comprehensive analysis with both a data-based and model-based approach led to the development of an alternative method for dealing with this limitation. Based on determinable parameters, this approach can be transferred to a broad range of measurement sites where gravimeters are deployed in similar structures. Furthermore, the extensive considerations on this topic enabled a more profound understanding of this so called umbrella effect. The second part of the thesis is a pilot study about the field deployment of a superconducting gravimeter. A newly developed field enclosure for this gravimeter was tested in an outdoor installation adjacent to the building used to investigate the umbrella effect. Analyzing and comparing the gravity observations from both indoor and outdoor gravimeters showed performance with respect to noise and stable environmental conditions was equivalent while the sensitivity to near-surface WSC was highly increased for the field deployed instrument. Furthermore it was demonstrated that the latter setup showed gravity changes independent of the depth where mass changes occurred, given their sufficiently wide horizontal extent. As a consequence, the field setup suits monitoring of WSC for both short and longer time periods much better. Based on a coupled data-modeling approach, its gravity time series was successfully used to infer and quantify local water budget components (evapotranspiration, lateral subsurface discharge) on the daily to annual time scale. The third part of the thesis applies data from a gravimeter field deployment for applied hydrological process investigations. To this end, again at the same site, a sprinkling experiment was conducted in a 15 x 15 m area around the gravimeter. A simple hydro-gravimetric model was developed for calculating the gravity response resulting from water redistribution in the subsurface. It was found that, from a theoretical point of view, different subsurface water distribution processes (macro pore flow, preferential flow, wetting front advancement, bypass flow and perched water table rise) lead to a characteristic shape of their resulting gravity response curve. Although by using this approach it was possible to identify a dominating subsurface water distribution process for this site, some clear limitations stood out. Despite the advantage for field installations that gravimetry is a non-invasive and integral method, the problem of non-uniqueness could only be overcome by additional measurements (soil moisture, electric resistivity tomography) within a joint evaluation. Furthermore, the simple hydrological model was efficient for theoretical considerations but lacked the capability to resolve some heterogeneous spatial structures of water distribution up to a needed scale. Nevertheless, this unique setup for plot to small scale hydrological process research underlines the high potential of gravimetery and the benefit of a field deployment. The fourth and last part is dedicated to the evaluation of potential uncertainties arising from the processing of gravity observations. The gravimeter senses all mass variations in an integral way, with the gravitational attraction being directly proportional to the magnitude of the change and inversely proportional to the square of the distance of the change. Consequently, all gravity effects (for example, tides, atmosphere, non-tidal ocean loading, polar motion, global hydrology and local hydrology) are included in an aggregated manner. To isolate the signal components of interest for a particular investigation, all non-desired effects have to be removed from the observations. This process is called reduction. The large-scale effects (tides, atmosphere, non-tidal ocean loading and global hydrology) cannot be measured directly and global model data is used to describe and quantify each effect. Within the reduction process, model errors and uncertainties propagate into the residual, the result of the reduction. The focus of this part of the thesis is quantifying the resulting, propagated uncertainty for each individual correction. Different superconducting gravimeter installations were evaluated with respect to their topography, distance to the ocean and the climate regime. Furthermore, different time periods of aggregated gravity observation data were assessed, ranging from 1 hour up to 12 months. It was found that uncertainties were highest for a frequency of 6 months and smallest for hourly frequencies. Distance to the ocean influences the uncertainty of the non-tidal ocean loading component, while geographical latitude affects uncertainties of the global hydrological component. It is important to highlight that the resulting correction-induced uncertainties in the residual have the potential to mask the signal of interest, depending on the signal magnitude and its frequency. These findings can be used to assess the value of gravity data across a range of applications and geographic settings. In an overarching synthesis all results and findings are discussed with a general focus on their added value for bringing hydrogravimetric field research to a new level. The conceptual and applied methodological benefits for hydrological studies are highlighted. Within an outlook for future setups and study designs, it was once again shown what enormous potential is offered by gravimeters as hydrological field tools. N2 - Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann. Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von traditionellen hydrologischen Messinstrumenten um das Gebäude herum diese verhinderten natürlichen Prozesse beschreiben kann. Darauf folgend wird anhand eines erfolgreich getesteten Aufbaus eines Gravimeters außerhalb von einem Gebäude, also direkt im Gelände, demonstriert, was solch eine Außeninstallation für einen großen Vorteil für die hydrologische Feldforschung mit sich bringt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass dieser alternative Aufbau keinerlei Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Qualität, Rauschen oder Beherrschbarkeit von Umwelteinflüssen mit sich bringt, sondern vor allem die Empfindlichkeit für Messungen von Wassermassenänderungen in Oberflächennähe stark verbessert. Anhand eines Beregnungsexperiments auf der Fläche um dieses im Gelände installierten Gravimeters werden die Vorzüge der gravimetrischen Methode für die hydrologische Prozessforschung aufgezeigt. Verschiedene mögliche Ausbreitungen des verregneten Wassers im Untergrund können mittels dieser Methode charakterisiert und identifiziert werden. Im letzten Teil wird das Problem von Unsicherheiten besprochen, die aus der notwendigen Datenbearbeitung resultieren. Um die gravimetrischen Beobachtungen auf die Anteile zu reduzieren, die innerhalb einer Studie betrachtet werden sollen, müssen alle Komponenten die das Gravimeter misst, die aber die hydrologische Interpretation stören, beseitigt werden. Dabei handelt es sich vor allem um globale Komponenten wie Gezeiten, Luftdruckschwankungen, Gezeiten-unabhängige Meeresströmungen und globale Hydrologie. Es wird untersucht, welche Unsicherheiten bei deren Korrektur auftreten, wenn verschiedene Zeitintervalle von zu beobachtenden hydrologischen Signalen vorherrschen. Alle gewonnenen Resultate und Erfahrungen werden in einer gesamtheitlichen Betrachtung dahingehend diskutiert, wie die hydrogravimetrische Methode aufgrund dieser neuen Erkenntnisse verbessert und vorangebracht werden konnte. KW - hydrology KW - gravimetry KW - hydrogravimetry KW - fieldwork KW - hydrological modelling KW - geophysical methods KW - Feldarbeit KW - geophysikalische Methoden KW - Gravimetrie KW - Hydrogravimetrie KW - hydrologische Modellierung KW - Hydrologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604794 ER - TY - THES A1 - Libon, Lélia T1 - Stability of magnesite in the Earth lower mantle: insight from high-pressure and high-temperature experiments N2 - Carbonates carried in subducting slabs may play a major role in sourcing and storing carbon in the deep Earth’s interior. Current estimates indicate that between 40 to 66 million tons of carbon per year enter subduction zones, but it is uncertain how much of it reaches the lower mantle. It appears that most of this carbon might be extracted from subducting slabs at the mantle wedge and only a limited amount continues deeper and eventually reaches the deep mantle. However, estimations on deeply subducted carbon broadly range from 0.0001 to 52 million tons of carbon per year. This disparity is primarily due to the limited understanding of the survival of carbonate minerals during their transport to deep mantle conditions. Indeed, carbon has very low solubility in mantle silicates, therefore it is expected to be stored primarily in accessory phases such as carbonates. Among those carbonates, magnesite (MgCO3), as a single phase, is the most stable under all mantle conditions. However, experimental investigation on the stability of magnesite in contact with SiO2 at lower mantle conditions suggests that magnesite is stable only along a cold subducted slab geotherm. Furthermore, our understanding of magnesite’s stability when interacting with more complex mantle silicate phases remains incomplete. In the first part of this dissertation, laser-heated diamond anvil cells and multi-anvil apparatus experiments were performed to investigate the stability of magnesite in contact with iron-bearing mantle silicates. Sub-solidus reactions, melting, decarbonation and diamond formation were examined from shallow to mid-lower mantle conditions (25 to 68 GPa; 1300 to 2000 K). Multi-anvil experiments at 25 GPa show the formation of carbonate-rich melt, bridgmanite, and stishovite with melting occurring at a temperature corresponding to all geotherms except the coldest one. In situ X-ray diffraction, in laser-heating diamond anvil cells experiments, shows crystallization of bridgmanite and stishovite but no melt phase was detected in situ at high temperatures. To detect decarbonation phases such as diamond, Raman spectroscopy was used. Crystallization of diamonds is observed as a sub-solidus process even at temperatures relevant and lower than the coldest slab geotherm (1350 K at 33 GPa). Data obtained from this work suggest that magnesite is unstable in contact with the surrounding peridotite mantle in the upper-most lower mantle. The presence of magnesite instead induces melting under oxidized conditions and/or foster diamond formation under more reduced conditions, at depths ∼700 km. Consequently, carbonates will be removed from the carbonate-rich slabs at shallow lower mantle conditions, where subducted slabs can stagnate. Therefore, the transport of carbonate to deeper depths will be restricted, supporting the presence of a barrier for carbon subduction at the top of the lower mantle. Moreover, the reduction of magnesite, forming diamonds provides additional evidence that super-deep diamond crystallization is related to the reduction of carbonates or carbonated-rich melt. The second part of this dissertation presents the development of a portable laser-heating system optimized for X-ray emission spectroscopy (XES) or nuclear inelastic scattering (NIS) spectroscopy with signal collection at near 90◦. The laser-heated diamond anvil cell is the only static pressure device that can replicate the pressure and temperatures of the Earth’s lower mantle and core. The high temperatures are reached by using high-powered lasers focused on the sample contained between the diamond anvils. Moreover, diamonds’ transparency to X-rays enables in situ X-ray spectroscopy measurements that can probe the sample under high-temperature and high-pressure conditions. Therefore, the development of portable laser-heating systems has linked high-pressure and temperature research with high-resolution X-ray spectroscopy techniques to synchrotron beamlines that do not have a dedicated, permanent, laser-heating system. A general description of the system is provided, as well as details on the use of a parabolic mirror as a reflective imaging objective for on-axis laser heating and radiospectrometric temperature measurements with zero attenuation of incoming X-rays. The parabolic mirror improves the accuracy of temperature measurements free from chromatic aberrations in a wide spectral range and its perforation permits in situ X-rays measurement at synchrotron facilities. The parabolic mirror is a well-suited alternative to refractive objectives in laser heating systems, which will facilitate future applications in the use of CO2 lasers. N2 - Karbonate, die von subduzierenden Platten mitgeführt werden, könnten eine wichtige Rolle bei der Transport und Speicherung von Kohlenstoff im tiefen Erdinneren spielen. Aktuellen Schätzungen zufolge gelangen pro Jahr zwischen 40 und 66 Millionen Tonnen Kohlenstoff über Subduktionszonen ins Erdinnere, aber es ist unbekannt, wie viel davon den unteren Erdmantel erreicht. Es gibt Hinweise darauf, dass der größte Teil dieses Kohlenstoffs aus den subduzierenden Platten am Mantelkeil extrahiert wird und nur eine begrenzte Menge den tiefen Erdmantel erreicht. Die Schätzungen über tief subduzierten Kohlenstoff reichen von 0,0001 bis 52 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Diese Diskrepanz ist in erster Linie auf das begrenzte Wissen über die Stabilität von Karbonatmineralen während ihres Transports in den tiefen Erdmantel zurückzuführen. In der Tat hat Kohlenstoff eine sehr geringe Löslichkeit in Mantelsilikaten, daher wird erwartet, dass er hauptsächlich in akzessorischen Phasen wie Karbonaten gespeichert wird. Unter diesen Karbonaten nur Magnesit (MgCO3) ist unter allen Mantelbedingungen stabil. Experimentelle Untersuchungen über die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit SiO2 bei niedrigeren Mantelbedingungen legen jedoch nahe, dass Magnesit nur entlang einer kalten subduzierten Plattengeotherme stabil ist. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente unter Verwendung der laserbeheizten Diamantstempelzellen und Vielstempel-Pressen durchgeführt, um die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit eisenhaltigen Mantelsilikaten bei Bedingungen im unteren Mantel zu untersuchen. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Daten legen nahe, dass Magnesit im Kontakt mit dem umgebenden Peridotitmantel im oberen Teil des unteren Mantel instabil ist. Das Vorhandensein von Magnesit induziert stattdessen das Schmelzen unter oxidierten Bedingungen und/oder fördert die Bildung von Diamanten unter reduzierten Bedingungen in einer Tiefe von ~700 km. Infolgedessen werden die Karbonate aus den Platten entfernt und nicht in größere Tiefen transportiert, was für das Vorhandensein einer Barriere für die Kohlenstoffsubduktion an der Spitze des unteren Mantels spricht. Darüber hinaus liefert die Reduktion von Magnesit, aus der Diamanten entstehen, einen zusätzlichen Beweis dafür, dass die Kristallisation von Diamanten in großer Tiefe mit der Reduktion von Karbonaten oder karbonatreicher Schmelze zusammenhängt. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Entwicklung eines portabel Laserheizsystems vorgestellt, das für die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und die Spektroskopie mit nuklearer inelastischer Streuung (NIS) optimiert ist. Das Signal kann hierbei aus einer Diamantstempelzellein einem Winkel von nahezu 90◦ gesammelt werden. Die laserbeheizte Diamantstempelzelle ist das einzige statische Druckgerät, das den Druck und die Temperaturen des unteren Erdmantels und des Erdkerns erzeugenkann. Die hohen Temperaturen werden durch den Einsatz von Hochleistungslasern erreicht, die auf die Probe gerichtet sind, welche sich zwischen den Diamantstempeln befindet. Darüber hinaus ermöglicht die Transparenz von Diamanten im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung in-situ röntgenspektroskopische Messungen, mit denen die Probe unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen untersucht werden kann. Um hierbei ausreichende Intensitäten im ausgehenden Signal zu erreichen, wurde das portabel Laserheizsystem für den Einsatz an Synchrotronanlagen konzipiert, die über keine eigenen Laserheizanlagen für Diamantstempelzellen verfügen. Beschrieben wird der allgemeine Aufbau des Systems. Außerdem werden Einzelheiten der Verwendung eines Parabolspiegels als reflektivem abbildenden Objektivs für die Laserheizung dargelegt. Der Parabolspiegel ist eine gut geeignete Alternative zu refraktiven Objektiven in Laserheizsystemen und wird künftige Anwendungen beim Einsatz von CO2-Lasern erleichtern. KW - deep carbon KW - magnesite KW - laser heating KW - diamond anvil cells KW - lower mantle KW - carbonate stability KW - Karbonat-Stabilität KW - tiefer Kohlenstoff KW - Diamantstempelzellen KW - Laserheizsystem KW - unterer Mantel KW - Magnesit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604616 ER -