TY  - THES
A1  - Mohr, Christian Heinrich
T1  - Hydrological and erosion responses to man-made and natural disturbances : insights from forested catchments in South-central Chile
T1  - Hydrologische und Erosions-Reaktionen auf anthropogene und natürliche Störungen : Einblicke aus bewaldeten Einzugsgebieten im südlichen Zentralchile
N2  - Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales.
N2  - Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte.
KW  - Hydrologie
KW  - Erosion
KW  - Chile
KW  - Waldbewirtschaftung
KW  - Erdbeben
KW  - hydrology
KW  - erosion
KW  - Chile
KW  - forest management
KW  - earthquake
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70146
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stefer, Susanne
T1  - Late Pleistocene-Holocene sedimentary processes at the active margin of South-Central Chile : marine and lacustrine sediment records as archives of tectonics and climate variability
T1  - Spätpleistozän-Holozäne Sedimentationsprozesse am aktiven Kontinentalrand südzentral Chiles : Marine und lakustrine Sedimentabfolgen als Anzeiger von tektonischer Aktivität und Klimaänderungen
N2  - Active continental margins are affected by complex feedbacks between tectonic, climate and surface processes, the intricate relations of which are still a matter of discussion. The Chilean convergent margin, forming the outstanding Andean subduction orogen, constitutes an ideal natural laboratory for the investigation of climate, tectonics and their interactions. In order to study both processes, I examined marine and lacustrine sediments from different depositional environments on- and offshore the south-central Chilean coast (38-40°S). I combined sedimentological, geochemical and isotopical analyses to identify climatic and tectonic signals within the sedimentary records. The investigation of marine trench sediments (ODP Site 1232, SONNE core 50SL) focused on frequency changes of turbiditic event layers since the late Pleistocene. In the active margin setting of south-central Chile, these layers were considered to reflect periodically occurring earthquakes and to constitute an archive of the regional paleoseismicity. The new results indicate glacial-interglacial changes in turbidite frequencies during the last 140 kyr, with short recurrence times (~200 years) during glacial and long recurrence times (~1000 years) during interglacial periods. Hence, the generation of turbidites appears to be strongly influenced by climate and sea level changes, which control on the amount of sediment delivered to the shelf edge and therewith the stability of the continental slope: more stable slope conditions during interglacial periods entail lower turbidite frequencies than in glacial periods. Since glacial turbidite recurrence times are congruent with earthquake recurrence times derived from the historical record and other paleoseismic archives of the region, I concluded that only during cold stages the sediment availability and slope instability enabled the complete series of large earthquakes to be recorded. The sediment transport to the shelf region is not only driven by climate conditions but also influenced by local forearc tectonics. Accelerating uplift rates along major tectonic structures involved drainage anomalies and river flow inversions, which seriously altered the sediment supply to the Pacific Ocean. Two examples for the tectonic hindrance of fluvial systems are the coastal lakes Lago Lanalhue and Lago Lleu Lleu. Both lakes developed within former river valleys, which once discharged towards the Pacific and were dammed by tectonically uplifted sills at ~8000 yr BP. Analyses of sediment cores from the lakes showed similar successions of marine/brackish deposits at the bottom, covered by lacustrine sediments on top. Dating of the transitions between these different units and the comparison with global sea level curves allowed me to calculate local Holocene uplift rates, which are distinctly higher for the upraised sills (Lanalhue: 8.83 ± 2.7 mm/yr, Lleu Lleu: 11.36 ± 1.77 mm/yr) than for the lake basins (Lanalhue: 0.42 ± 0.71 mm/yr, Lleu Lleu: 0.49 ± 0.44 mm/yr). I hence considered the sills to be the surface expression of a blind thrust associated with a prominent inverse fault that is controlling regional uplift and folding. After the final separation of Lago Lanalhue and Lago Lleu Lleu from the Pacific, a constant deposition of lacustrine sediments preserved continuous records of local environmental changes. Sequences from both lakes indicate a long-term climate trend with a significant shift from more arid conditions during the Mid-Holocene (8000 – 4200 cal yr BP) to more humid conditions during the Late Holocene (4200 cal yr BP – present). This trend is consistent with other regional paleoclimatic data and interpreted to reflect changes in the strength/position of the Southern Westerly Winds. Since ~5000 years, sediments of Lago Lleu Lleu are marked by numerous intercalated detrital layers that recur with a mean frequency of ~210 years. Deposition of these layers may be triggered by local tectonics (i.e. earthquakes), but may also originate from changes in the local climate (e.g. onset of modern ENSO conditions). During the last 2000 years, pronounced variations in the terrigenous sediment supply to both lakes suggest important hydrological changes on the centennial time-scale as well. A lower input of terrigenous matter points to less humid phases between 200 cal yr B.C. - 150 cal yr A.D., 900 - 1350 cal yr A.D. and 1850 cal yr A.D. to present (broadly corresponding to the Roman, Medieval, and Modern Warm Periods). More humid periods persisted from 150 - 900 cal yr A.D. and 1350 - 1850 cal yr A.D. (broadly corresponding to the Dark Ages and the Little Ice Age). In conclusion, the combined investigation of marine and lacustrine sediments is a feasible method for the reconstruction of climatic and tectonic processes on different time scales. My approach allows exploring both climate and tectonics in one and the same archive, and is largely transferable to other active margins worldwide.
N2  - An aktiven Kontinentalrändern wirken komplexe Rückkopplungen zwischen Tektonik, Klima- und Oberflächenprozessen, deren Zusammenhänge bisher nur in Grundzügen verstanden und Gegenstand aktueller Forschung sind. Der chilenische Kontinentalrand – mit den Anden als größtem Subduktionsorogen der Erde – bietet ein natürliches Labor zur Erforschung von Klima und Tektonik sowie deren Wechselbeziehungen. Um beide Prozesse genauer zu verifizieren, habe ich marine und lakustrine Sedimente entlang der südlichen Küste Zentralchiles (38-40°S) untersucht und die enthaltenen klimatischen und tektonischen Signale mit einer Kombination aus sedimentologischen, geochemischen und Isotopen-Analysen identifiziert. Die Untersuchung der marinen Trenchsedimente (ODP-Bohrung 1232, SONNE-Kern 50SL) konzentriert sich dabei auf Änderungen in der Ablagerungsfrequenz von turbiditischen Lagen, welche in der tektonisch aktiven Region süd-zentral Chiles als Anzeiger periodisch auftretender Erdbeben und somit als Archiv lokaler Seismizität gewertet werden. Für die letzten 140 000 Jahre zeigen die Daten deutliche Schwankungen der Turbiditfrequenzen: Während in Glazialzeiten in etwa ein Ereignis alle 200 Jahre zu verzeichnen ist, treten Turbidite in den Interglazialzeiten nur etwa alle 1000 Jahre auf. Die Häufigkeit der Turbidite scheint demnach nicht nur von der lokalen Seismizität, sondern auch von globalen Klima- und Meeresspiegelschwankungen abhängig zu sein. Beide bestimmen die Sedimentmenge, die den Kontinentalschelf und die Schelfkante erreicht, und damit letztendlich die Stabilität des Kontinentalhanges; so führen stabilere Hangverhältnisse in den Interglazialen zu geringeren Turbiditfrequenzen als in den Glazialen. Da die glazialen Turbidithäufigkeiten gut mit der Häufigkeit von historisch dokumentierten Erdebeben übereinstimmen, scheint in Abhängigkeit der größeren Sedimentmenge und der geringeren Hangstabilität nur in den Kaltzeiten die Gesamtzahl aller großen Erbeben durch Turbidite aufgezeichnet zu werden. Neben dem Klima bestimmt auch die lokale Forearc-Tektonik den Sedimenttransport zur Schelfregion. Erhöhte Hebung entlang tektonischer Strukturen kann zu Veränderungen im Gewässernetz führen und so die Sedimentzufuhr zum Pazifik modifizieren oder gar unterbinden. Zwei Beispiele für die tektonische Blockade von Flusssystemen entlang von Störungszonen sind die heutigen Küstenseen Lago Lanalhue und Lago Lleu Lleu. Beide Seen entwickelten sich aus ehemaligen Flusssystemen, die einst zum Pazifik hin entwässerten und vor etwa 8000 Jahren durch lokale tektonische Hebung entlang einer inversen Verwerfung aufgestaut wurden. Sedimentkernanalysen zeigen für beide Seen eine ähnliche Abfolge von zunächst marinem und darüber liegendem lakustrinen Material. Die genaue Datierung des marin-lakustrinen Übergangs und der Vergleich mit globalen Meeresspiegelkurven erlaubt die Berechnung lokaler holozäner Hebungsraten. Für die Schwellen, die beide Seen eindämmen, sind diese Raten deutlich höher (Lanalhue: 8.83 ± 2.7 mm/Jahr; Lleu Lleu: 11.36 ± 1.77 mm/Jahr) als für die Seebecken selbst (Lanalhue: 0.42 ± 0.71 mm/Jahr; Lleu Lleu: 0.49 ± 0.44 mm/Jahr). Die Schwellen scheinen deshalb Anzeiger einer bislang verdeckten Überschiebung zu sein, die Hebung und Verformung in der Region der beiden Seen beeinflusst. Seit ihrem Aufstauen werden in beiden Seen kontinuierlich lakustrine Sedimente abgelagert und so lokale/regionale Umwelt- und Klimaänderungen archiviert. Die Sedimentsequenzen zeigen einen Übergang von ariderem Klima im mittleren Holozän (8000 - 4200 Jahre vor heute) zu humideren Bedingungen im späten Holozän (seit 4200 Jahren). Dieser Trend stimmt mit anderen paläoklimatischen Daten der Umgebung überein, und wird als Zeichen einer Änderung in der Stärke bzw. Breitenlage der südhemisphärischen Westwinde interpretiert. Seit etwa 5000 Jahren sind die Sedimente des Lago Lleu Lleu durch regelmäßig auftretende detritische Lagen gekennzeichnet, die in ihrer Ursache sowohl tektonisch (z.B. durch Erdbeben) als auch klimatisch (z.B. durch Änderungen der El Niño Southern Oscillation) bedingt sein könnten. Seit etwa 2000 Jahren weisen in beiden Seen vermehrte Schwankungen im Terrigeneintrag auch auf kurzfristigere hydrologische Änderungen hin. Ein verminderter Eintrag lässt auf weniger humides Klima zwischen 200 B.C. - 150 A.D., 900 - 1350 A.D., und nach 1850 A.D. (in etwa der römischen, mittelalterlichen und gegenwärtigen Warmzeit) schließen; vermehrter Eintrag zwischen 150 - 900 A.D sowie 1350 - 1850 A.D. (in etwa den ‚Dark-Ages’ und der Kleinen Eiszeit) weist dagegen ein stärker humides Klima hin. Wie die Ergebnisse zeigen, ist die kombinierte Analyse von marinen und lakustrinen Sedimenten ein praktikabler Ansatz, um klimatische und tektonische Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen in ein und demselben Archiv zu untersuchen. Die Methode lässt sich weitgehend auch auf andere aktive Kontinentalränder übertragen.
KW  - Chile
KW  - Turbidite
KW  - Tektonik
KW  - Paläoklima
KW  - Hebungsraten
KW  - Chile
KW  - Turbidites
KW  - Tectonics
KW  - Paleoclimate
KW  - Uplift Rates
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rehak, Katrin
T1  - Pliocene-Pleistocene landscape evolution in south-central Chile : interactions between tectonic, geomorphic, and climatic processes
T1  - Pliozän-Pleistozäne Landschaftsentwicklung in Südzentralchile : Interaktionen zwischen tektonischen, geomorphologischen und klimatischen Prozessen
N2  - Landscapes evolve in a complex interplay between climate and tectonics. Thus, the geomorphic characteristics of a landscape can only be understood if both, climatic and tectonic signals of past and ongoing processes can be identified. In order to evaluate the impact of both forcing factors it is crucial to quantify the evolution of geomorphic markers in natural environments. The Cenozoic Andes are an ideal setting to evaluate tectonic and climatic aspects of landscape evolution at different time and length scales in different natural compartments. The Andean Cordillera constitutes the type subduction orogen and is associated with the subduction of the oceanic Nazca Plate beneath the South American continent since at least 200 million years. In Chile and the adjacent regions this convergent margin is characterized by active tectonics, volcanism, and mountain building. Importantly, along the coast of Chile megathrust earthquakes occur frequently and influence landscape evolution. In fact, the largest earthquake ever recorded occurred in south-central Chile in 1960 and comprised a rupture zone of ~ 1000 km length. However, on longer time scales beyond historic documentation of seismicity it is not well known, how such seismotectonic segments have behaved and how they influence the geomorphic evolution of the coastal realms. With several semi-independent morphotectonic segments, recurrent megathrust earthquakes, and a plethora of geomorphic features indicating sustained tectonism, the margin of Chile is thus a key area to study relationships between surface processes and tectonics. In this study, I combined geomorphology, geochronology, sedimentology, and morphometry to quantify the Pliocene-Pleistocene landscape evolution of the tectonically active south-central Chile forearc. Thereby, I provide (1) new results about the influence of seismotectonic forearc segmentation on the geomorphic evolution and (2) new insights in the interaction between climate and tectonics with respect to the morphology of the Chilean forearc region. In particular, I show that the forearc is characterized by three long-term segments that are not correlated with short-lived earthquake-rupture zones that may. These segments are the Nahuelbuta, Toltén, and Bueno segments, each recording a distinct geomorphic and tectonic evolution. The Nahuelbuta and Bueno segments are undergoing active tectonic uplift. The long-term behavior of these two segments is manifested in form of two doubly plunging, growing antiforms that constitute an integral part of the Coastal Cordillera and record the uplift of marine and river terraces. In addition, these uplifting areas have caused major changes in flow directions or rivers. In contrast, the Toltén segment, situated between the two other segments, appears to be quasi-stable. In order to further quantify uplift and incision in the actively deforming Nahuelbuta segment, I dated an erosion surface and fluvial terraces in the Coastal Cordillera with cosmogenic 10Be and 26Al and optically stimulated luminescence, respectively. According to my results, late Pleistocene uplift rates corresponding to 0.88 mm a-1 are faster than surface-uplift rates averaging over the last 5 Ma, which are in the range of 0.21 mm a-1. This discrepancy suggests that surface uplift is highly variable in time and space and might preferably concentrate along reverse faults as indicated by a late Pleistocene flow reversal. In addition, the results of exposure dating with cosmogenic 10Be and 26Al indicate that the morphotectonic segmentation of this region of the forearc has been established in Pliocene time, coeval with the initiation of uplift of the Coastal Cordillera about 5 Ma ago, inferred to be related to a shift in subduction mode from erosion to accretion. Finally, I dated volcanic clasts obtained from alluvial surfaces in the Central Depression, a low-relief sector separating the Coastal from the Main Cordillera, with stable cosmogenic 3He and 21Ne, in order to reveal the controls of sediment accumulation in the forearc. My results document that these gently sloping surfaces have been deposited 150 to 300 ka ago. This deposition may be related to changes in the erosional regime during glacial episodes. Taken together, the data indicates that the overall geomorphic expression of the forearc is of post-Miocene age and may be intimately related to a climatic overprint of the tectonic system. This climatic forcing is also reflected in the topography and local relief of the Central and Southern Andes that vary considerably along the margin, determined by the dominant surface process that in turn is eventually controlled by climate. However, relief also partly reflects surface processes that have taken place under past climatic conditions. This emphasizes that due care has to be exercised when interpreting landscapes as mirrors of modern climates.
N2  - Landschaften entwickeln sich im komplexen Zusammenspiel von Klima und Tektonik. Demzufolge können sie nur verstanden werden, wenn sowohl klimatische als auch tektonische Signale vergangener und rezenter Prozesse identifiziert werden. Um den Einfluss beider Faktoren zu bewerten, ist es deshalb wichtig, die Evolution geomorphologischer Marker in der Natur zu quantifizieren. Die känozoischen Anden sind eine ideale Region, um tektonische und klimatische Aspekte der Landschaftsentwicklung auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu erforschen. Sie sind das Modell-Subduktionsorogen, assoziiert mit der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter den südamerikanischen Kontinent seit ca. 200 Mio Jahren. In Chile ist dieser konvergente Plattenrand geprägt von aktiver Tektonik, Vulkanismus und Gebirgsbildung. Bedeutenderweise ereignen sich entlang der Küste häufig Megaerdbeben, die die Landschaftsentwicklung stark beeinflussen. Tatsächlich ereignete sich das größte jemals aufgezeichnete Erdbeben mit einer Bruchzone von ca. 1000 km Länge 1960 im südlichen Zentralchile. Nichtsdestotrotz ist auf längeren Zeitskalen über historische Dokumentationen hinaus nicht bekannt, wie sich solche seismotektonischen Segmente verhalten und wie sie die geomorphologische Entwicklung der Küstengebiete beeinflussen. Mit semi-unabhängigen morphotektonischen Segmenten, wiederkehrenden Megaerdbeben und einer Fülle geomorphologischer Marker, die aktive Tektonik anzeigen, ist somit der Plattenrand von Chile ein Schlüsselgebiet für das Studium von Zusammenhängen zwischen Oberflächenprozessen und Tektonik. In dieser Arbeit kombiniere ich Geomorphologie, Geochronologie, Sedimentologie und Morphometrie, um die plio-pleistozäne Landschaftsentwicklung des tektonisch aktiven süd-zentralchilenischen Forearcs zu quantifizieren. Mit dieser Analyse liefere ich (1) neue Ergebnisse über den Einfluss seismotektonischer Forearc-Segmentierung auf die geomorphologischen Entwicklung und (2) neue Erkenntnisse über die Interaktion zwischen Klima und Tektonik bezüglich der Gestaltung des chilenischen Forearcs. Ich zeige, dass der Forearc in drei langlebige morphotektonische Segmente gegliedert ist, die nicht mit kurzlebigen Erdbebenbruchzonen korrelieren. Die Segmente heißen Nahuelbuta, Toltén und Bueno Segment, wovon jedes eine andere geomorphologische und tektonische Entwicklung durchläuft. Die Nahuelbuta und Bueno Segmente unterliegen aktiver tektonischer Hebung. Das langfristige Verhalten dieser beiden Segmente manifestiert sich in zwei beidseitig abtauchenden, wachsenden Antiklinalen, die integraler Bestandteil des Küstengebirges sind und die Hebung von marinen und fluvialen Terrassen aufzeichnen. Die Hebung verursachte weitreichende Veränderungen in den Fließrichtungen des Gewässernetzes. Im Gegensatz dazu ist das Toltén Segment, das sich zwischen den beiden anderen Segmenten befindet, quasi-stabil. Um die Hebung und Einschneidung in dem tektonisch aktiven Nahuelbuta Segment zu quantifizieren, habe ich eine Erosionsfläche und fluviale Terrassen in dem Küstengebirge mit kosmogenem 10Be und 26Al bzw. optisch stimulierter Lumineszenz datiert. Meinen Ergebnissen zufolge sind die spätpleistozänen Hebungsraten, die ca. 0,88 mm a-1 betragen, höher als die Oberflächenhebungsraten, die über die letzten 5 Mio Jahre mitteln und ca. 0,21 mm a-1 betragen. Diese Diskrepanz deutet an, dass die Hebung der Oberfläche räumlich und zeitlich sehr stark variiert und sich präferiert an Aufschiebungen konzentriert. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse der Expositionsdatierung mit kosmogenem 10Be und 26Al, dass die morphotektonische Segmentierung im Pliozän etabliert wurde, zeitgleich mit dem Beginn der Hebung des Küstengebirges vor ca. 5 Mio Jahren infolge eines Wechsels des Subduktionsmodus von Erosion zu Akkretion. Schließlich habe ich vulkanische Klasten, die aus alluvialen Flächen im Längstal stammen, mit den stabilen kosmogenen Nukliden 3He und 21Ne datiert, um Aufschluss über die Faktoren zu erhalten, die die Sedimentablagerung im Forearc bestimmen. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese flach einfallenden Oberflächen, die vor 150.000 bis 300.000 Jahren abgelagert wurden, in Zusammenhang mit Änderungen des Erosionsregimes in glazialen Episoden entstanden sind. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass der heutige geomorphologische Ausdruck des Forearcs post-Miozän und eng mit einer klimatischen Überprägung des tektonischen Systems verknüpft ist. Der klimatische Einfluss spiegelt sich ebenfalls in der Topographie und dem lokalen Relief der Zentral- und Südanden wider. Beide Parameter variieren stark entlang des Plattenrandes, bestimmt durch den jeweils dominierenden Oberflächenprozess, der wiederum letztendlich vom vorherrschenden Klima abhängt. Allerdings reflektiert das Relief teilweise Oberflächenprozesse, die unter vergangenen Klimaten aktiv waren. Das betont die äußerst große Vorsicht, die nötig ist, wenn Landschaften als Spiegel des aktuellen Klimas interpretiert werden.
KW  - Morphometrie
KW  - Tektonik
KW  - Subduktion
KW  - kosmogene Nuklide
KW  - Chile
KW  - Morphometry
KW  - Tectonics
KW  - Subduction
KW  - Cosmogenic Nuclides
KW  - Chile
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19793
ER  - 
TY  - THES
A1  - Melnick, Daniel
T1  - Neogene seismotectonics of the south-central Chile margin : subduction-related processes over various temporal and spatial scales
T1  - Neogene Seismotektonik des süd-zentralen chilenischen aktiven Plattenrandes : Subduktionsprozesse in unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen
N2  - The Andean orogen is the most outstanding example of mountain building caused by the subduction of oceanic below continental lithosphere. The Andes formed by the subduction of the Nazca and Antarctic oceanic plates under the South American continent over at least ~200 million years. Tectonic and climatic conditions vary markedly along this north-south–oriented plate boundary, which thus represents an ideal natural laboratory to study tectonic and climatic segmentation processes and their possible feedbacks. Most of the seismic energy on Earth is released by earthquakes in subduction zones, like the giant 1960, Mw 9.5 event in south-central Chile. However, the segmentation mechanisms of surface deformation during and between these giant events have remained poorly understood. The Andean margin is a key area to study seismotectonic processes because of its along-strike variability under similar plate kinematic boundary conditions. Active deformation has been widely studied in the central part of the Andes, but the south-central sector of the orogen has gathered less research efforts. This study focuses on tectonics at the Neogene and late Quaternary time scales in the Main Cordillera and coastal forearc of the south-central Andes. For both domains I document the existence of previously unrecognized active faults and present estimates of deformation rates and fault kinematics. Furthermore these data are correlated to address fundamental mountain building processes like strain partitioning and large-scale segmentation. In the Main Cordillera domain and at the Neogene timescale, I integrate structural and stratigraphic field observations with published isotopic ages to propose four main phases of coupled styles of tectonics and distribution of volcanism and magmatism. These phases can be related to the geometry and kinematics of plate convergence. At the late Pleistocene timescale, I integrate field observations with lake seismic and bathymetric profiles from the Lago Laja region, located near the Andean drainage divide. These data reveal Holocene extensional faults, which define the Lago Laja fault system. This fault system has no significant strike-slip component, contrasting with the Liquiñe-Ofqui dextral intra-arc system to the south, where Holocene strike-slip markers are ubiquitous. This contrast in structural style along the arc is coincident with a marked change in along-strike fault geometries in the forearc, across the Arauco Peninsula. Thereon I propose that a net gradient in the degree of partitioning of oblique subduction occurs across the Arauco transition zone. To the north, the margin parallel component of oblique convergence is distributed in a wide zone of diffuse deformation, while to the south it is partitioned along an intra-arc, margin-parallel strike-slip fault zone. In the coastal forearc domain and at the Neogene timescale, I integrate structural and stratigraphic data from field observations, industry reflection-seismic profiles and boreholes to emphasize the influence of climate-driven filling of the trench on the mechanics and kinematics of the margin. I show that forearc basins in the 34-45°S segment record Eocene to early Pliocene extension and subsidence followed by ongoing uplift and contraction since the late Pliocene. I interpret the first stage as caused by tectonic erosion due to high plate convergence rates and reduced trench fill. The subsequent stage, in turn, is related to accretion caused by low convergence rates and the rapid increase in trench fill after the onset of Patagonian glaciations and climate-driven exhumation at ~6-5 Ma. On the late Quaternary timescale, I integrate off-shore seismic profiles with the distribution of deformed marine terraces from Isla Santa María, dated by the radiocarbon method, to show that inverted reverse faulting controls the coastal geomorphology and segmentation of surface deformation. There, a cluster of microearthquakes illuminates one of these reverse faults, which presumingly reaches the plate interface. Furthermore, I use accounts of coseismic uplift during the 1835 M>8 earthquake made by Charles Darwin, to propose that this active reverse fault has been mechanically coupled to the megathrust. This has important implications on the assessment of seismic hazards in this, and other similar regions. These results underscore the need to study plate-boundary deformation processes at various temporal and spatial scales and to integrate geomorphologic, structural, stratigraphic, and geophysical data sets in order to understand the present distribution and causes of tectonic segmentation.
N2  - Die Anden sind eine einzigartige Gebirgskette entstanden aus der Subduktion von ozeanischer unter kontinentale Lithosphäre. Seit mehr als 200 Millionen Jahren bewirkt die Subduktion der ozeanischen Nazca- und Antarktisplatte unter den Südamerikanischen Kontinent eine stete Entwicklung des aktiven Plattenrandsystems. Entlang der Plattengrenze ändern sich die tektonischen und klimatischen Bedingungen in markanter Weise und machen dieses Orogen zu einem idealen natürlichen Laboratorium für das Studium tektonischer und klimatischer Prozesse und deren rückgekoppelte Wechselwirkungen. Der grösste Teil der seismischen Energie auf der Erde wird durch Erdbeben an Subduktionszonen freigesetzt, wie das spektakulärste Beispiel des Valdivia-Bebebens von 1960 im süd-zentral chilenischen Küstenbereich – mit Mw 9,5 das stärkste je gemessene seismische Ereignis, unterstreicht. Die Verteilungsmechanismen der Oberflächendeformation während und zwischen solchen gewaltigen Vorgängen blieben jedoch weitgehend unverstanden. Wegen seiner im Streichen veränderlichen Eigenschaften bei ähnlich bleibenden plattenkinematischen Randbedingungen nimmt die Subduktionszone des Anden-Orogens eine Schlüsselstellung für das Studium seismotektonischer Segmentationsprozesse ein. Aktive Deformationsprozesse sind im zentralen Teil der Anden in grösserem Umfang untersucht worden, während der mittlere bis südliche Abschnitt des Orogens bisher weniger Bearbeitung fand. Die vorliegende Arbeit ist auf die seismotektonischen Prozesse des Neogen und Spätquartärs in der Hauptkordillere und dem Küstenbereich der südlichen Zentralanden konzentriert. In beiden Strukturzonen kann die Existenz bisher nicht bekannter aktiver Störungen belegt werden und es werden Abschätzungen der Deformationsraten sowie der Kinematik präsentiert. Diese Daten bilden desweiteren die Basis, um Aussagen zu grundlegenden gebirgsbildenden Prozessen, der Verformungsverteilung und der gross-skaligen Segmentation zu treffen. Für das Neogen im untersuchten Abschnitt der Hauptkordillere sind strukturelle und stratigraphische Geländebeobachtungen durch publizierte Isotopendaten ergänzt worden, so dass vier Hauptphasen mit jeweils spezifischem tektonischen Stil und Verteilungsmustern von Vulkanismus und Magmatismus unterschieden werden können. Auf der spätpleistozänen Zeitskala sind die Geländebeobachtungen mit seismischen und bathymetrischen Seeprofilen aus der Lago-Laja-Region kombiniert worden, die sich nahe der Wasserscheide der Anden befinden. Diese Daten belegen extensionale holozäne Störungen, die das Lago-Laja-Störungssystem bestimmen. Im Gegensatz zum dextralen Liquiñe-Ofqui-System im Süden, wo holozäne, dextrale Blattverschiebungen allgegenwärtig sind, besitzt dieses Störungssystem keine signifikante Blattverschiebungskomponente. Dieser Kontrast entlang der Kordilliere fällt mit einer markanten Änderung der Störungsmuster im Forearc zusammen. Im Norden verteilt sich die randparallele Komponente der schrägen Subduktion auf eine breite Zone diffuser Verformung, während sie im Süden entlang einer Intra-arc- und randparallelen Blattverschiebungszone partitioniert auftritt. Im Küstenbereich werden Struktur- und stratigraphische Daten aus Geländebeobachtungen mit reflektionsseismischen Profilen und Bohrlochmessdaten verbunden, um Information zum Einfluss einer klimatisch-gesteuerten Auffüllung des Grabens auf die Mechanismen und die Kinematik des Randes während des Neogen zu erhalten. Es zeigt sich, dass Forearc-Becken im Segment bei 34–45° S eozäne bis frühpliozäne Dehnung und Subsidenz aufzeigen, denen spätpliozäne und noch aktive Hebung und Verkürzung folgten. Das erste Stadium kann mit tektonischer Erosion infolge hoher Plattenkonvergenzraten und geringerer Grabenfüllung erklärt werden. Das nachfolgende Stadium hingegen ist mit Akkretionsprozessen zu erklären, die durch geringe Konvergenzraten und gesteigerte Grabenauffüllung nach dem Einsetzen der Patagonischen Vereisung und klimagesteuerter Exhumierung vor etwa 6–5 Ma verursacht wurden. Auf der spätpleistozänen Zeitebene werden seismische Profile mit der Oberflächenentwicklung aus deformierten, 14C-datierten, marinen Terrassen der Isla Santa María integriert und gezeigt dass die Küstenmorphologie und die Segmentation der Oberflächendeformation von Aufschiebungen kontrolliert werden. In diesem Gebiet zeichnet ein Cluster von Mikrobeben eine dieser Störungen, die vermutlich die Plattengrenzfläche erreicht, deutlich nach. Desweiteren zeigen Berechnungen der koseismischen Hebung während des Erdbebens von 1835 mit M>8 nach Aufzeichnungen von Charles Darwin, dass diese aktive Verwerfung mechanisch an die Subduktionszone gekoppelt war und durch das Ereignis von 1835 aktiviert wurde. Diese Erkenntnisse haben grosse Bedeutung für die Abschätzung der seismischen Gefährdung in der Region. Die gewonnenen Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen den Bedarf an integrierten Untersuchungen der Deformationsprozesse an aktiven Plattenrändern in verschiedenen Zeit- und Raumskalen, ebenso wie die Notwendigkeit, diese mit geomorphologischen, strukturellen und geophysikalischen Datensätzen zu verknüpfen, um einen Beitrag zum Verständnis der gegenwärtigen Verteilung und Ursachen der tektonischen Segmentation sowie der Gefährdungsabschätzung zu leisten.
KW  - Seismotektonik
KW  - Chile
KW  - neogene
KW  - seismotectonics
KW  - Chile
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12091
ER  -