TY  - THES
A1  - Vogel, Kristin
T1  - Applications of Bayesian networks in natural hazard assessments
T1  - Anwendungen von Bayes'schen Netzen bei der Einschätzung von Naturgefahren
N2  - Even though quite different in occurrence and consequences, from a modeling perspective many natural hazards share similar properties and challenges. Their complex nature as well as lacking knowledge about their driving forces and potential effects make their analysis demanding: uncertainty about the modeling framework, inaccurate or incomplete event observations and the intrinsic randomness of the natural phenomenon add up to different interacting layers of uncertainty, which require a careful handling. Nevertheless deterministic approaches are still widely used in natural hazard assessments, holding the risk of underestimating the hazard with disastrous effects. The all-round probabilistic framework of Bayesian networks constitutes an attractive alternative. In contrast to deterministic proceedings, it treats response variables as well as explanatory variables as random variables making no difference between input and output variables. Using a graphical representation Bayesian networks encode the dependency relations between the variables in a directed acyclic graph: variables are represented as nodes and (in-)dependencies between variables as (missing) edges between the nodes. The joint distribution of all variables can thus be described by decomposing it, according to the depicted independences, into a product of local conditional probability distributions, which are defined by the parameters of the Bayesian network. In the framework of this thesis the Bayesian network approach is applied to different natural hazard domains (i.e. seismic hazard, flood damage and landslide assessments). Learning the network structure and parameters from data, Bayesian networks reveal relevant dependency relations between the included variables and help to gain knowledge about the underlying processes. The problem of Bayesian network learning is cast in a Bayesian framework, considering the network structure and parameters as random variables itself and searching for the most likely combination of both, which corresponds to the maximum a posteriori (MAP score) of their joint distribution given the observed data. Although well studied in theory the learning of Bayesian networks based on real-world data is usually not straight forward and requires an adoption of existing algorithms. Typically arising problems are the handling of continuous variables, incomplete observations and the interaction of both. Working with continuous distributions requires assumptions about the allowed families of distributions. To "let the data speak" and avoid wrong assumptions, continuous variables are instead discretized here, thus allowing for a completely data-driven and distribution-free learning. An extension of the MAP score, considering the discretization as random variable as well, is developed for an automatic multivariate discretization, that takes interactions between the variables into account. The discretization process is nested into the network learning and requires several iterations. Having to face incomplete observations on top, this may pose a computational burden. Iterative proceedings for missing value estimation become quickly infeasible. A more efficient albeit approximate method is used instead, estimating the missing values based only on the observations of variables directly interacting with the missing variable. Moreover natural hazard assessments often have a primary interest in a certain target variable. The discretization learned for this variable does not always have the required resolution for a good prediction performance. Finer resolutions for (conditional) continuous distributions are achieved with continuous approximations subsequent to the Bayesian network learning, using kernel density estimations or mixtures of truncated exponential functions. All our proceedings are completely data-driven. We thus avoid assumptions that require expert knowledge and instead provide domain independent solutions, that are applicable not only in other natural hazard assessments, but in a variety of domains struggling with uncertainties.
N2  - Obwohl Naturgefahren in ihren Ursachen, Erscheinungen und Auswirkungen grundlegend verschieden sind, teilen sie doch viele Gemeinsamkeiten und Herausforderungen, wenn es um ihre Modellierung geht. Fehlendes Wissen über die zugrunde liegenden Kräfte und deren komplexes Zusammenwirken erschweren die Wahl einer geeigneten Modellstruktur. Hinzu kommen ungenaue und unvollständige Beobachtungsdaten sowie dem Naturereignis innewohnende Zufallsprozesse. All diese verschiedenen, miteinander interagierende Aspekte von Unsicherheit erfordern eine sorgfältige Betrachtung, um fehlerhafte und verharmlosende Einschätzungen von Naturgefahren zu vermeiden. Dennoch sind deterministische Vorgehensweisen in Gefährdungsanalysen weit verbreitet. Bayessche Netze betrachten die Probleme aus wahrscheinlichkeitstheoretischer Sicht und bieten somit eine sinnvolle Alternative zu deterministischen Verfahren. Alle vom Zufall beeinflussten Größen werden hierbei als Zufallsvariablen angesehen. Die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung aller Variablen beschreibt das Zusammenwirken der verschiedenen Einflussgrößen und die zugehörige Unsicherheit/Zufälligkeit. Die Abhängigkeitsstrukturen der Variablen können durch eine grafische Darstellung abgebildet werden. Die Variablen werden dabei als Knoten in einem Graphen/Netzwerk dargestellt und die (Un-)Abhängigkeiten zwischen den Variablen als (fehlende) Verbindungen zwischen diesen Knoten. Die dargestellten Unabhängigkeiten veranschaulichen, wie sich die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung in ein Produkt lokaler, bedingter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zerlegen lässt. Im Verlauf dieser Arbeit werden verschiedene Naturgefahren (Erdbeben, Hochwasser und Bergstürze) betrachtet und mit Bayesschen Netzen modelliert. Dazu wird jeweils nach der Netzwerkstruktur gesucht, welche die Abhängigkeiten der Variablen am besten beschreibt. Außerdem werden die Parameter der lokalen, bedingten Wahrscheinlichkeitsverteilungen geschätzt, um das Bayessche Netz und dessen zugehörige gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung vollständig zu bestimmen. Die Definition des Bayesschen Netzes kann auf Grundlage von Expertenwissen erfolgen oder - so wie in dieser Arbeit - anhand von Beobachtungsdaten des zu untersuchenden Naturereignisses. Die hier verwendeten Methoden wählen Netzwerkstruktur und Parameter so, dass die daraus resultierende Wahrscheinlichkeitsverteilung den beobachteten Daten eine möglichst große Wahrscheinlichkeit zuspricht. Da dieses Vorgehen keine Expertenwissen voraussetzt, ist es universell in verschiedenen Gebieten der Gefährdungsanalyse einsetzbar. Trotz umfangreicher Forschung zu diesem Thema ist das Bestimmen von Bayesschen Netzen basierend auf Beobachtungsdaten nicht ohne Schwierigkeiten. Typische Herausforderungen stellen die Handhabung stetiger Variablen und unvollständiger Datensätze dar. Beide Probleme werden in dieser Arbeit behandelt. Es werden Lösungsansätze entwickelt und in den Anwendungsbeispielen eingesetzt. Eine Kernfrage ist hierbei die Komplexität des Algorithmus. Besonders wenn sowohl stetige Variablen als auch unvollständige Datensätze in Kombination auftreten, sind effizient arbeitende Verfahren gefragt. Die hierzu in dieser Arbeit entwickelten Methoden ermöglichen die Verarbeitung von großen Datensätze mit stetigen Variablen und unvollständigen Beobachtungen und leisten damit einen wichtigen Beitrag für die wahrscheinlichkeitstheoretische Gefährdungsanalyse.
KW  - Bayes'sche Netze
KW  - Naturgefahren
KW  - Gefahrenanalyse
KW  - Unsicherheiten
KW  - Hochwasser
KW  - Bayesian networks
KW  - natural hazards
KW  - hazard assessments
KW  - uncertainties
KW  - flood events
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69777
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cherubini, Yvonne
T1  - Influence of faults on the 3D coupled fluid and heat transport
N2  - Da geologische Störungen können als Grundwasserleiter, -Barrieren oder als gemischte leitende /stauende Fluidsysteme wirken. Aufgrund dessen können Störungen maßgeblich den Grundwasserfluss im Untergrund beeinflussen, welcher deutliche Veränderungen des tiefen thermischen Feldes bewirken kann. Grundwasserdynamik und Temperaturveränderungen sind wiederum entscheidende Faktoren für die Exploration geothermischer Energie. Diese Studie untersuchte den Einfluss von Störungen auf das Fluidsystem und das thermische Feld im Untergrund. Sie erforschte die physikalischen Prozesse, welche das Fluidverhalten und die Temperaturverteilung in Störungen und in den umgebenden Gesteinen. Dazu wurden 3D Finite Elemente Simulationen des gekoppelten Fluid und Wärmetransports für synthetische sowie reale Modelszenarien auf unterschiedlichen Skalen durchgeführt. Um den Einfluss einer schräg einfallenden Störung systematisch durch die schrittweise Veränderung der hydraulischen Öffnungsweite und der Permeabilität, zu untersuchen, wurde ein klein-skaliges synthetisches Modell entwickelt. Ein inverser linearer Zusammenhang wurde festgestellt, welcher zeigt, dass sich die Fluidgeschwindigkeit in der Störung jeweils um ~1e-01 m/s verringert, wenn die Öffnungsweite der Störung um jeweils eine Magnitude vergrößert wird. Ein hoher Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebender Matrix begünstigt die Fluidadvektion hin zur Störung und führt zu ausgeprägten Druck- und Temperaturveränderungen innerhalb und um die Störung herum. Bei geringem Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebendem Gestein findet hingegen kein Fluidfluss in der Störung statt, wobei das hydrostatische Druck- sowie das Temperaturfeld unverändert bleiben. Auf Grundlage der synthetischen Modellierungsergebnisse wurde der Einfluss von Störungen auf einer größeren Skala anhand eines komplexeren (realen) geologischen Systems analysiert. Dabei handelt es sich um ein 3D Modell des Geothermiestandortes Groß Schönebeck, der ca. 40 km nördlich von Berlin liegt. Die Integration von einer permeablen und drei impermeablen Hauptstörungen, zeigte unterschiedlich starke Einflüsse auf Fluidzirkulation, Temperatur – und Druckfeld. Die modellierte konvektive Zirkulation in der permeablen Störung verändert das thermische Feld stark (bis zu 15 K). In den gering durchlässigen Störungen wird die Wärme ausschließlich durch Diffusion geleitet. Der konduktive Wärmetransport beeinflusst das thermische Feld nicht, bewirkt jedoch lokale Veränderungen des hydrostatischen Druckfeldes. Um den Einfluss großer Störungszonen mit kilometerweitem vertikalen Versatz auf das geothermische Feld der Beckenskala zu untersuchen, wurden gekoppelte Fluid- und Wärmetransportsimulationen für ein 3D Strukturmodell des Gebietes Brandenburg durchgeführt (Noack et al. 2010; 2013). Bezüglich der Störungspermeabilität wurden verschiedene geologische Szenarien modelliert, von denen zwei Endgliedermodelle ausgewertet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die undurchlässigen Störungen den Fluidfluss nur lokal beeinflussen. Da sie als hydraulische Barrieren wirken, wird der Fluidfluss mir sehr geringen Geschwindigkeiten entlang der Störungen innerhalb eines Bereichs von ~ 1 km auf jeder Seite umgelenkt. Die modellierten lokalen Veränderungen des Grundwasserzirkulationssystems haben keinen beobachtbaren Effekt auf das Temperaturfeld. Hingegen erzeugen permeable Störungszonen eine ausgeprägte thermische Signatur innerhalb eines Einflussbereichs von ~ 2.4-8.8 km in -1000 m Tiefe und ~6-12 km in -3000 m Tiefe. Diese thermische Signatur, in der sich kältere und wärmere Temperaturbereiche abwechseln, wird durch auf- und abwärts gerichteten Fluidfluss innerhalb der Störung verursacht, der grundsätzlich durch existierende Gradienten in der hydraulischen Druckhöhe angetrieben wird. Alle Studien haben gezeigt, dass Störungen einen beachtlichen Einfluss auf den Fluid-, und Wärmefluss haben. Es stellte sich heraus, dass die Permeabilität in der Störung und in den umgebenden geologischen Schichten so wie der spezifische geologische Rahmen entscheidende Faktoren in der Ausbildung verschiedener Wärmetransportmechanismen sind, die sich in Störungen entwickeln können. Die von permeablen Störungen verursachten Temperaturveränderungen können lokal, jedoch groß sein, genauso wie die durch hydraulisch leitende und nichtleitende Störungen hervorgerufenen Veränderungen des Fluidystems. Letztlich haben die Simulationen für die unterschiedlich skalierten Modelle gezeigt, dass die Ergebnisse sich nicht aufeinander übertragen lassen und dass es notwendig ist, jeden geologischen Rahmen hinsichtlich Konfiguration und Größenskala gesondert zu betrachten. Abschließend hat diese Studie demonstriert, dass die Betrachtung von Störungen in 3D Finiten Elementen Modellen für die Simulation von gekoppeltem Fluid- und Wärmetransport auf unterschiedlichen Skalen möglich ist. Da diese Art von numerischen Simulationen sowohl die geologische Struktur des Untergrunds sowie die im Erdinnern ablaufenden physikalischen Prozesse integriert, können sie einen wertvollen Beitrag leisten, indem sie Feld- und Laborgestützte Untersuchungen vervollständigen.
N2  - Faults can act as conduits, barriers or mixed conduit/barrier systems to fluid flow. Therefore, faults may significantly influence fluid flow regimes operating in the subsurface, possibly resulting in distinct variations of the deep thermal field. Both, flow dynamics and temperature changes are in turn crucial factors that need to be taken into account for geothermal energy exploration. This study investigated the influence of faults on the subsurface fluid system and thermal field and explored the processes controlling fluid behavior and thermal distribution both within host rocks and faults. For this purpose, 3D finite element simulations of coupled fluid and heat transport have been carried out, both for synthetic and real-case model scenarios on different scales. A small-scale synthetic model was developed to systematically assess the impact of an inclined fault by changing gradually its hydraulic width and its permeability within the simulations. An observed linear inverse relationship revealed that changing the fault width by one order of magnitude results in a fluid velocity decrease (~1e-01 m/s) within the fault. A high permeability contrast between fault and matrix favors fluid advection into the fault and leads to pronounced pressure and temperature changes in and around the same domain. When the permeability contrast between fault domain and host rock is low, however, no fluid flow is observed in the fault, thus resulting in undisturbed hydrostatic pressure and temperature fields. On the basis of these synthetic fault modelling results, the influence of faults on a larger scale have been analyzed within a more complex (real-case) geological setting,- a 3D model of the geothermal site Groß Schönebeck , located ~40 km north of Berlin. The integration of one permeable and three impermeable major faults, resulted in distinct changes observed in the local fluid circulation, thermal and pressure field. Modelled convective circulation within the permeable fault decisively modifies the thermal field (up to 15 K). Within the low permeable faults, heat is transferred only by conduction, inducing no thermal imprint but local deviations of the hydrostatic pressure field. To investigate the impact of major fault zones on the basin-scale geothermal field, coupled fluid and heat transport simulations have been conducted for a 3D structural model for Brandenburg region (Noack et al. 2010; 2013). Different geological scenarios in terms of modelled fault permeability have been carried out of which two end member models are analyzed. The results showed that tight fault zones affect the flow field locally. Acting as hydraulic barriers, fluid flow is deviated with very low velocities along them within a range of ~ 1 km on either sides. The modelled local changes in the groundwater circulation system have no considerable effect on the temperature field. By contrast, permeable fault zones induce a pronounced signature on the thermal field extending over a distance of ~ 2.4-8.8 km at -1000 m depth and ~6-12 km at -3000 m depth. This thermal signature, characterized by alternating cooler and hotter temperature domains, is controlled by up- and downward directed flow within the fault domain, principally driven by existing hydraulic head gradients. All studies demonstrated that faults have a considerable impact on the fluid and heat flow. The permeability in faults and surrounding geological layers as well as the specific geological setting turned out to be crucial factors in controlling the different kinds of heat transfer mechanisms that may evolve in faults. Temperature variations caused by permeable faults may be local but significant as well as changes in fluid dynamics by both conduits and barriers. Thus, the results demonstrated the importance to consider faults in geothermal energy exploration. In the final analysis, the simulations for the small-, regional- and basin-scale models showed that the outcomes cannot be transferred by upscaling and that it is necessary to consider each geological setting separately with respect to its configuration and scale dimension. In summary, this study demonstrated that the consideration of faults in 3D finite element models for coupled fluid and heat transport simulations on different scales is feasible. As these type of numerical simulations integrate both, the structural setting of the subsurface and the physical processes controlling subsurface transport, the outcomes of this thesis may provide positive contributions in that they valuably complement field- and laboratory-based investigations.
T2  - Der Einfluss von Störungen auf den 3D gekoppelten Fluid- und Wärmetransport
KW  - geologische Störungen
KW  - 3D numerische Modelle
KW  - gekoppelter Fluid-und Wärmetransport
KW  - Geothermie
KW  - Brandenburg
KW  - faults
KW  - 3D numerical models
KW  - coupled fluid and heat transport
KW  - geothermics
KW  - Brandenburg
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69755
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schütz, Felina
T1  - Surface heat flow and lithospheric thermal structure of the northwestern Arabian Plate
T1  - Oberflächenwärmefluß und thermische Struktur der Lithosphäre der nordwestlichen Arabischen Platte
N2  - The surface heat flow (qs) is paramount for modeling the thermal structure of the lithosphere. Changes in the qs over a distinct lithospheric unit are normally directly reflecting changes in the crustal composition and therewith the radiogenic heat budget (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster and Förster, 2000; Mareschal and Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok and Chapman, 2011, and references therein) or, less usual, changes in the mantle heat flow (e.g., Pollack and Chapman, 1977). Knowledge of this physical property is therefore of great interest for both academic research and the energy industry. The present study focuses on the qs of central and southern Israel as part of the Sinai Microplate (SM). Having formed during Oligocene to Miocene rifting and break-up of the African and Arabian plates, the SM is characterized by a young and complex tectonic history. Resulting from the time thermal diffusion needs to pass through the lithosphere, on the order of several tens-of-millions of years (e.g., Fowler, 1990); qs-values of the area reflect conditions of pre-Oligocene times. The thermal structure of the lithosphere beneath the SM in general, and south-central Israel in particular, has remained poorly understood. To address this problem, the two parameters needed for the qs determination were investigated. Temperature measurements were made at ten pre-existing oil and water exploration wells, and the thermal conductivity of 240 drill core and outcrop samples was measured in the lab. The thermal conductivity is the sensitive parameter in this determination. Lab measurements were performed on both, dry and water-saturated samples, which is labor- and time-consuming. Another possibility is the measurement of thermal conductivity in dry state and the conversion to a saturated value by using mean model approaches. The availability of a voluminous and diverse dataset of thermal conductivity values in this study allowed (1) in connection with the temperature gradient to calculate new reliable qs values and to use them to model the thermal pattern of the crust in south-central Israel, prior to young tectonic events, and (2) in connection with comparable datasets, controlling the quality of different mean model approaches for indirect determination of bulk thermal conductivity (BTC) of rocks. The reliability of numerically derived BTC values appears to vary between different mean models, and is also strongly dependent upon sample lithology. Yet, correction algorithms may significantly reduce the mismatch between measured and calculated conductivity values based on the different mean models. Furthermore, the dataset allowed the derivation of lithotype-specific conversion equations to calculate the water-saturated BTC directly from data of dry-measured BTC and porosity (e.g., well log derived porosity) with no use of any mean model and thus provide a suitable tool for fast analysis of large datasets. The results of the study indicate that the qs in the study area is significantly higher than previously assumed. The new presented qs values range between 50 and 62 mW m⁻². A weak trend of decreasing heat flow can be identified from the east to the west (55-50 mW m⁻²), and an increase from the Dead Sea Basin to the south (55-62 mW m⁻²). The observed range can be explained by variation in the composition (heat production) of the upper crust, accompanied by more systematic spatial changes in its thickness. The new qs data then can be used, in conjunction with petrophysical data and information on the structure and composition of the lithosphere, to adjust a model of the pre-Oligocene thermal state of the crust in south-central Israel. The 2-D steady-state temperature model was calculated along an E-W traverse based on the DESIRE seismic profile (Mechie et al., 2009). The model comprises the entire lithosphere down to the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) involving the most recent knowledge of the lithosphere in pre-Oligocene time, i.e., prior to the onset of rifting and plume-related lithospheric thermal perturbations. The adjustment of modeled and measured qs allows conclusions about the pre-Oligocene LAB-depth. After the best fitting the most likely depth is 150 km which is consistent with estimations made in comparable regions of the Arabian Shield. It therefore comprises the first ever modelled pre-Oligocene LAB depth, and provides important clues on the thermal state of lithosphere before rifting. This, in turn, is vital for a better understanding of the (thermo)-dynamic processes associated with lithosphere extension and continental break-up.
N2  - Der Oberflächenwärmefluss (qs) ist maßgeblich für die Modellierung der thermischen Struktur der Lithosphäre. Änderungen im qs, innerhalb eines speziellen lithosphärischen Abschnitts, reflektieren direkt Änderungen in der krustalen Zusammensetzung und damit der radiogenen Wärmeproduktion (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster und Förster, 2000; Mareschal und Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok und Chapman, 2011) oder aber, weniger häufig, Änderungen im Mantelwärmefluss (e.g., Pollack und Chapman, 1977). Die Kenntnis dieses physikalischen Parameters ist daher von großem Interesse, sowohl für die Forschung als auch für die Energiewirtschaft. Die vorliegende Studie befasst sich mit dem qs von Süd- und Zentralisrael als Teil der Sinai Mikroplatte (SM), welche während des Riftings und Auseinanderbrechens der Afrikanischen und Arabischen Platte im Oligozän entstand und durch diese, sehr junge und komplexe tektonische Geschichte, geprägt ist. Die thermische Diffusion benötigt einige Zehner-Millionen Jahre (e.g., Fowler, 1990) um die Lithosphäre zu durchlaufen, qs-Werte der Region reflektieren daher prä-oligozäne Bedingungen. Die thermische Struktur der Lithosphäre in Süd- und Zentralisrael, ist bis heute nur sehr wenig verstanden. Um dieses Problem anzugehen wurden die Parameter die für die qs-Bestimmung benötigt werden, eingehend untersucht. An zehn ehemaligen Wasser- und Erdölexplorationsbohrungen wurden neue Temperaturmessungen durchgeführt, und die Wärmeleitfähigkeit von 240 Bohrkern- und Aufschlussproben wurde im Labor gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit ist in der qs-Bestimmung der sensitive Parameter. Die Labormessungen wurden sowohl an trockenen sowie an wasser-gesättigten Proben durchgeführt, was personal-und zeitaufwendig ist. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand und das Konvertieren zu einem saturierten Wert unter der Verwendung von Mischungsgesetzen. Das Vorhandensein eines umfangreichen und sehr diversen Wärmeleitfähigkeit-Datensatzes ermöglicht (1) in Verbindung mit dem Temperaturgradienten die Berechnung von neuen zuverlässigen qs-Werten sowie deren Verwendung zur Modellierung der thermischen Struktur der prä-oligozänen Kruste in Israel und (2) in Verbindung mit vergleichbaren Datensätzen, die vorhandenen Mischungsgesetzte zur indirekten Bestimmung der saturierten Gesamtwärmeleitfähigkeit (BTC) qualitativ zu überprüfen. Die Zuverlässigkeit numerisch bestimmter BTC-Werte variiert für die verschiedenen Mischungsgesetze und ist darüber hinaus stark von der Lithologie der Proben abhängig. Mittels spezifischer Korrekturgleichungen können Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten jedoch erheblich reduziert werden. Die Datenanzahl und die statistische Analyse ermöglichte darüber hinaus die Ableitung von lithotypspezifischen Konvertierungsgleichungen, um die saturierte BTC anhand von trocken gemessenen BTC- und Porositätswerten (z.B. aus Logs) zu berechnen. Dieser Ansatz führt, für alle Lithotypen, zu einer guten Reproduzierbarkeit gemessener Werte und ist daher eine nützliche Alternative, wann immer große Probenmengen behandelt werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der qs im Untersuchungsgebiet signifikant höher ist, als bisher angenommen. Die qs-Werte, die in dieser Studie für Israel bestimmt wurden, schwanken zwischen 50 und 62 mW m⁻². Ein schwacher Trend abnehmender Werte von Ost nach West (55-50 mW m⁻²), und ein leichter Trend ansteigender Werte vom Toten Meer nach Süden (55-62 mW m⁻²) können identifiziert werden. Diese beobachteten Schwankungen lassen sich mit Variationen in der krustalen Zusammensetzung (Wärmeproduktion) erklären, einhergehend mit regionalen Änderungen der Krustenmächtigkeit. Die neuen qs-Daten können dann, im Zusammenhang mit petrophysikalischen Daten und Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Lithosphäre, verwendet werden um ein Model des prä-oligozänen thermischen Zustandes der Kruste Zentral- und Südisraels abzugleichen. Das stationäre 2-D Temperatur-Modell wurde entlang einer E-W Traverse, basierend auf dem seismischen DESIRE-Profil (Mechie et al., 2009), berechnet. Es reicht bis zur Lithosphären–Asthenosphären Grenze (LAB) und bezieht sich auf das aktuellste Wissen über die prä-oligozäne Lithosphäre, also vor dem Einsetzen von Rifting und plumebedingten thermischen Störungen. Durch den Abgleich zwischen gemessenen und modellierten qs-Werten ist es möglich auf die prä-oligozäne LAB-Tiefe zurückzuschließen. Als wahrscheinlichste Tiefe ergeben sich 150 km, was konsistent ist mit LAB-Tiefen Abschätzungen aus vergleichbaren stabilen Regionen des Arabischen Schildes. Dies liefert wichtige Anhaltspunkte über den thermischen Zustand der Lithosphäre vor dem Einsetzen von Rifting in der Region und ist wiederum entscheidend für ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse in Assoziation mit Extension der Lithosphäre und dem kontinentalem Auseinanderbrechen.
KW  - Oberflächenwärmefluß
KW  - thermisches Modell
KW  - Lithosphäre
KW  - Arabische Platte
KW  - surface heat flow
KW  - thermal model
KW  - lithosphere
KW  - Arabian Plate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69622
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rivera Villarreyes, Carlos Andres
T1  - Cosmic-ray neutron sensing for soil moisture measurements in cropped fields
T1  - Bodenfeuchtemessungen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen mittels kosmischer Neutronenstrahlung
N2  - This cumulative dissertation explored the use of the detection of natural background of fast neutrons, the so-called cosmic-ray neutron sensing (CRS) approach to measure field-scale soil moisture in cropped fields. Primary cosmic rays penetrate the top atmosphere and interact with atmospheric particles. Such interaction results on a cascade of high-energy neutrons, which continue traveling through the atmospheric column. Finally, neutrons penetrate the soil surface and a second cascade is produced with the so-called secondary cosmic-ray neutrons (fast neutrons). Partly, fast neutrons are absorbed by hydrogen (soil moisture). Remaining neutrons scatter back to the atmosphere, where its flux is inversely correlated to the soil moisture content, therefore allowing a non-invasive indirect measurement of soil moisture. The CRS methodology is mainly evaluated based on a field study carried out on a farmland in Potsdam (Brandenburg, Germany) along three crop seasons with corn, sunflower and winter rye; a bare soil period; and two winter periods. Also, field monitoring was carried out in the Schaefertal catchment (Harz, Germany) for long-term testing of CRS against ancillary data. In the first experimental site, the CRS method was calibrated and validated using different approaches of soil moisture measurements. In a period with corn, soil moisture measurement at the local scale was performed at near-surface only, and in subsequent periods (sunflower and winter rye) sensors were placed in three depths (5 cm, 20 cm and 40 cm). The direct transfer of CRS calibration parameters between two vegetation periods led to a large overestimation of soil moisture by the CRS. Part of this soil moisture overestimation was attributed to an underestimation of the CRS observation depth during the corn period ( 5-10 cm), which was later recalculated to values between 20-40 cm in other crop periods (sunflower and winter rye). According to results from these monitoring periods with different crops, vegetation played an important role on the CRS measurements. Water contained also in crop biomass, above and below ground, produces important neutron moderation. This effect was accounted for by a simple model for neutron corrections due to vegetation. It followed crop development and reduced overall CRS soil moisture error for periods of sunflower and winter rye. In Potsdam farmland also inversely-estimated soil hydraulic parameters were determined at the field scale, using CRS soil moisture from the sunflower period. A modelling framework coupling HYDRUS-1D and PEST was applied. Subsequently, field-scale soil hydraulic properties were compared against local scale soil properties (modelling and measurements). Successful results were obtained here, despite large difference in support volume. Simple modelling framework emphasizes future research directions with CRS soil moisture to parameterize field scale models. In Schaefertal catchment, CRS measurements were verified using precipitation and evapotranspiration data. At the monthly resolution, CRS soil water storage was well correlated to these two weather variables. Also clearly, water balance could not be closed due to missing information from other compartments such as groundwater, catchment discharge, etc. In the catchment, the snow influence to natural neutrons was also evaluated. As also observed in Potsdam farmland, CRS signal was strongly influenced by snow fall and snow accumulation. A simple strategy to measure snow was presented for Schaefertal case. Concluding remarks of this dissertation showed that (a) the cosmic-ray neutron sensing (CRS) has a strong potential to provide feasible measurement of mean soil moisture at the field scale in cropped fields; (b) CRS soil moisture is strongly influenced by other environmental water pools such as vegetation and snow, therefore these should be considered in analysis; (c) CRS water storage can be used for soil hydrology modelling for determination of soil hydraulic parameters; and (d) CRS approach has strong potential for long term monitoring of soil moisture and for addressing studies of water balance.
N2  - In dieser kumulativen Dissertation wird die Detektion des natürlichen Hintergrunds von schnellen Neutronen, das sogenannte “Cosmic-Ray Neutron Sensing” (CRS), zur Messung von Bodenfeuchte auf der Feldskala in landwirtschaftlich genutzten Flächen untersucht. Die kosmische Primärstrahlung durchdringt die oberste Atmosphäre, und interagiert mit atmosphärischen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen entstehen Kaskaden hochenergetischer Teilchen die bis in die Erdoberfläche eindringen, wobei schnelle Neutronen entstehen. Teilweise werden diese durch Wasserstoff (Bodenfeuchte) absorbiert, teilweise zurück in die Atmosphäre gestreut. Dieser Neutronenfluss über dem Boden korreliert invers mit der Bodenfeuchte, was so eine non-invasive und indirekte Bodenfeuchteschätzung ermöglicht. Die CRS-Methode wird vor allem in einer Feldstudie auf einem Ackerland in Potsdam (Brandenburg, Deutschland), einschließlich dreier Phasen mit Anbau von Mais, Sonnenblume und Winterroggen getestet und beurteilt. Darüber hinaus wurde ein Feldmonitoring im Schäfertaleinzugsgebiet (Harz, Deutschland) durchgeführt, um das Potential von Langzeit-CRS-Messungen gegenüber herkömmlich erhobenen bodenhydraulischen Daten abzuschätzen. Im ersten Untersuchungsgebiet wurde die CRS-Methode kalibriert und mittels verschiedener Bodenfeuchtemessansätze validiert. In der Maisanbauphase wurden die Bodenfeuchte-Punktmessungen zunächst nur an der nahen Bodenoberfläche durchgeführt. In den folgendenen Anbauphasen (Sonnenblume und Winterroggen) wurden dann die Sensoren in drei unterschiedlichen Tiefen (5 cm, 20 cm und 40 cm) installiert. Die direkte Übertragung der CRS-Kalibrierparameter zwischen zwei Vegetationsperioden führte zu einer starken Überschätzung der CRS-Bodenfeuchte. Ein Teil der überschätzten Bodenfeuchte wurde der Unterschätzung der CRS-Beobachtungstiefe während der Maisperiode (5-10 cm) zugeschrieben, welche später basierend auf Werten zwischen 20-40 cm in anderen Anbauperioden (Sonnenblume und Winterroggen) neuberechnet wurde. Gemäß der Ergebnisse dieser Beobachtungsperioden mit verschiedenen Feldfrüchten, spielte die Vegetation eine wichtige Rolle für die CRS-Messungen, da das Wasser, das in der über- und unterirdischen Biomasse vorhanden ist, die Neutronen bedeutend abdämpft. Dieser Effekt, sowie der Einfluss des Getreidewachstums und des reduzierten Gesamt-CRS-Bodenfeuchte-Fehlers, wurden in ein einfaches Model zur vegetationsbedingten Neutronenkorrektur berücksichtigt. So wurde ein gekoppelter HYDRUS-1D- und PEST-Ansatz angewendet, um bodenhydraulische Parameter auf dem Feldmassstab während der Sonnenblumen-Phase invers abzuschätzen. Dann wurden die inversen Schätzungen der effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften innerhalb des von CRS beobachteten Volumens durch die lokalen Bodeneigenschaften (Modellierung und Messungen) validiert. Abgesehen von Unterschieden auf Grund der Beobachtungstiefe und somit des Volumens, wurden hierbei erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Dieser einfache Ansatz unterstreicht das zukünftige Forschungspotential, z.B. um mit Hilfe von Bodenfeuchten aus CRS-Messungen Modelle auf der Feldskala zu parametrisieren. Im Schäfertaleinzugsgebiet wurden die Langzeit-CRS-Messungen mit Nie-derschlags- und Evapotranspirations-Raten abgeglichen. Bei einer monatlichen Auflösung korrelierte die Änderung des CRS-Bodenwasserspeichers mit diesen beiden Wettervariablen. Die Wasserbilanz konnte jedoch auf Grund fehlender Informationen bezüglich Grundwasser, Abfluss des Einzugesgebiets, etc. nicht geschlossen werden. Darüber hinaus wurde, wie auch am Potsdamer Standort, festgestellt, dass das CRS-Signal stark von Schneefall und Schneeakkumulationen beeinflusst wird. Eine einfache Anwendung zur Schneemessung mittels CRS wurde für den Schäfertalfall vorgestellt. Abschließend zeigte sich, dass (a) „Cosmic-Ray Neutron Sensing“ (CRS) ein großes Potential hat, Messungen der mittleren Bodenfeuchte auf der Feldskala im Bereich landwirtschaftlich genutzter Flächen zu realisieren; (b) die CRS-Bodenfeuchte stark durch andere Wasserspeicher, wie Vegetation und Schnee beeinflusst wird, und dies im Rahmen von Analysen berücksichtigt werden sollte; (c) die CRS-Messungen über eine bodenhydraulische Modellierung zur Bestimmung von bodenhydraulischen Paramtern genutzt werden kann; und (d) der CRS-Ansatz ein großes Potential für Langzeit-Bodenfeuchte-Monitoring und für Wasserbilanzstudien hat.
KW  - CRS
KW  - kosmische Neutronenstrahlung
KW  - Bodenfeuchte
KW  - Feld
KW  - cosmic-ray
KW  - neutron field
KW  - soil moisture
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69748
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thomas, Björn Daniel
T1  - Analysis and management of low flows in small catchments of Brandenburg, Germany
T1  - Analyse und Management von Niedrigwasserabflüssen in kleinen Flusseinzugsgebieten Brandenburgs
N2  - Water management and environmental protection is vulnerable to extreme low flows during streamflow droughts. During the last decades, in most rivers of Central Europe summer runoff and low flows have decreased. Discharge projections agree that future decrease in runoff is likely for catchments in Brandenburg, Germany. Depending on the first-order controls on low flows, different adaption measures are expected to be appropriate. Small catchments were analyzed because they are expected to be more vulnerable to a changing climate than larger rivers. They are mainly headwater catchments with smaller ground water storage. Local characteristics are more important at this scale and can increase vulnerability. This thesis mutually evaluates potential adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg, Germany, and similarities of these catchments regarding low flows. The following guiding questions are addressed: (i) Which first-order controls on low flows and related time scales exist? (ii) Which are the differences between small catchments regarding low flow vulnerability? (iii) Which adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg are appropriate considering regional low flow patterns? Potential adaption measures to sustain minimum runoff during periods of low flows can be classified into three categories: (i) increase of groundwater recharge and subsequent baseflow by land use change, land management and artificial ground water recharge, (ii) increase of water storage with regulated outflow by reservoirs, lakes and wetland water management and (iii) regional low flow patterns have to be considered during planning of measures with multiple purposes (urban water management, waste water recycling and inter-basin water transfer). The question remained whether water management of areas with shallow groundwater tables can efficiently sustain minimum runoff. Exemplary, water management scenarios of a ditch irrigated area were evaluated using the model Hydrus-2D. Increasing antecedent water levels and stopping ditch irrigation during periods of low flows increased fluxes from the pasture to the stream, but storage was depleted faster during the summer months due to higher evapotranspiration. Fluxes from this approx. 1 km long pasture with an area of approx. 13 ha ranged from 0.3 to 0.7 l\s depending on scenario. This demonstrates that numerous of such small decentralized measures are necessary to sustain minimum runoff in meso-scale catchments. Differences in the low flow risk of catchments and meteorological low flow predictors were analyzed. A principal component analysis was applied on daily discharge of 37 catchments between 1991 and 2006. Flows decreased more in Southeast Brandenburg according to meteorological forcing. Low flow risk was highest in a region east of Berlin because of intersection of a more continental climate and the specific geohydrology. In these catchments, flows decreased faster during summer and the low flow period was prolonged. A non-linear support vector machine regression was applied to iteratively select meteorological predictors for annual 30-day minimum runoff in 16 catchments between 1965 and 2006. The potential evapotranspiration sum of the previous 48 months was the most important predictor (r²=0.28). The potential evapotranspiration of the previous 3 months and the precipitation of the previous 3 months and last year increased model performance (r²=0.49, including all four predictors). Model performance was higher for catchments with low yield and more damped runoff. In catchments with high low flow risk, explanatory power of long term potential evapotranspiration was high. Catchments with a high low flow risk as well as catchments with a considerable decrease in flows in southeast Brandenburg have the highest demand for adaption. Measures increasing groundwater recharge are to be preferred. Catchments with high low flow risk showed relatively deep and decreasing groundwater heads allowing increased groundwater recharge at recharge areas with higher altitude away from the streams. Low flows are expected to stay low or decrease even further because long term potential evapotranspiration was the most important low flow predictor and is projected to increase during climate change. Differences in low flow risk and runoff dynamics between catchments have to be considered for management and planning of measures which do not only have the task to sustain minimum runoff.
N2  - Sowohl Gewässermanagement als auch die Gewässerökologie können durch extreme Niedrigwasserereignisse stark betroffen sein. In den letzten Jahrzehnten haben sowohl der Abfluss während der Sommermonate als auch die Niedrigwasserabflüsse in den meisten Flüssen Zentraleuropas abgenommen. Projektionen des zukünftigen Abflusses lassen einen weiteren Rückgang der Abflüsse aus Einzugsgebieten Brandenburgs erwarten. Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen müssen den hydrologischen Prozessen gerecht werden. In dieser Arbeit werden Kopfeinzugsgebiete mit kleineren Grundwasserspeichern betrachtet, weil sie anfälliger gegenüber dem Klimawandel erscheinen als größere. Lokale Gegebenheiten können darüber hinaus ihre Vulnerabilität erhöhen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse über die ähnlichkeit von kleinen Einzugsgebieten verwendet, um geeignete Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen herauszuarbeiten. Folgende Leitfragen werden bearbeitet: (i) Was sind die maßgeblichen Prozesse und Zeitskalen, die zu Niedrigwasserabflüssen führen? (ii) Wie unterscheiden sich die Einzugsgebiete bezüglich ihrer Vulnerabilität? (iii) Was sind geeignete Anpassungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der vorherrschenden Prozesse und ihrer räumlichen Muster? Mögliche Anpassungsmaßnahmen können in drei Kategorien unterteilt werden: (i) Landnutzungsänderungen, änderungen der Feldbewirtschaftung und künstliche Grundwasseranreicherung führen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung und somit des Basisabflusses. (ii) Talsperren, Seen, Teiche und ein entsprechendes Wassermanagement in Feuchtgebieten eignen sich zur Wasserspeicherung und regulierten Wasserabgabe. (iii) Maßnahmen bei deren Planung Wissen über Niedrigwasserabflüsse einfließen muss, aber die Stützung von Niedrigwasserabflüssen nicht die einzige Aufgabe ist (Siedlungswassermanagement, Abwassermanagement und Wasserüberleitungen zwischen Einzugsgebieten). Darüber hinaus wurde die Effektivität ufernaher Grundwasseranreicherung durch bestehende Bewässerungsgräben explizit an einem Standort unter Verwendung des Models Hydrus-2D quantifiziert. Hohe Wasserstände in den Gräben und das Unterbrechen der Wassereinleitung führten zu einer Niedrigwasseraufhöhung. Im Sommer wurde der Wasserspeicher wegen der Verdunstung schneller verbraucht. Je nach Szenario betrug die Niedrigwasseraufhöhung, die von der ca. 1 km langen und 13 ha großen Fläche ausging, zwischen 0.3 und 0.7 l/s. Eine Vielzahl solcher dezentraler Maßnahmen wären für eine deutliche Stützung der Niedrigwasserabflüsse in mesoskaligen Einzugsgebieten notwendig. Das Niedrigwasserrisiko sowie meteorologische Niedrigwasserprädiktoren wurden vergleichend analysiert. Der tägliche Abfluss aus 37 Einzugsgebieten zwischen 1991 und 2006 wurde mittels einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Der Abfluss in Südost Brandenburg ging klimabedingt stärker zurück. Das Niedrigwasserrisiko war in der Region östlich Berlins als Folge des kontinentaleren Klimas und der lokalen geohydrologischen Verhältnisse am größten. Diese Einzugsgebiete zeigten einen relativ schnellen Abflussrückgang während der Sommermonate und eine längere Niedrigwasserperiode. Darüber hinaus wurde eine nichtlineare Support Vektor Machine Regression zur iterativen Bestimmung der meteorologischen Prädiktoren für den jährlichen Niedrigwasserabfluss im 30-Tage Mittel in 16 Einzugsgebieten zwischen 1965 und 2006 durchgeführt. Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 48 Monate war der wichtigste Prädiktor (r²=0.28). Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 3 Monate sowie die Niederschlagshöhe der vorhergegangenen 3 Monate und des letzten Jahres verbesserten die Modellgüte zusätzlich (r²=0.49, für alle vier Prädiktoren). Die Modellgüte war höher in Einzugsgebieten mit geringer Abflussspende und gedämpftem Abflussverhalten. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko war die potentielle Langzeitverdunstung wichtiger, um Niedrigwasserabflüsse zu erklären. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko östlich von Berlin und deutlichem Abflussrückgang im Südosten Brandenburgs besteht der höchste Anpassungsbedarf. Maßnahmen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung sollten bevorzugt werden. Einzugsgebiete mit hohem Niedrigwasserrisiko haben verhältnismäßig tiefe Grundwasserstände, was eine Erhöhung der Grundwasserneubildung in den höher gelegenen Neubildungsgebieten möglich und sinnvoll macht. Es ist davon auszugehen, dass Niedrigwasserabflüsse weiterhin niedrig bleiben oder sogar weiter fallen werden, da die potentielle Langzeitverdunstung der wichtigste Prädiktor war und Klimamodelle einen weiteren Anstieg dieser projizieren. Des Weiteren sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die integrierte Planung von Maßnahmen, die nicht ausschließlich die Stützung von Niedrigwasserabflüssen zur Aufgabe haben.
KW  - regionale Hydrologie
KW  - Niedrigwasser
KW  - Einzugsgebietsklassifizierung
KW  - multivariate Statistik
KW  - Datenanalyse
KW  - landscape hydrology
KW  - low flow
KW  - catchment classification
KW  - multivariate statistics
KW  - data analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69247
ER  - 
TY  - THES
A1  - Macaulay, Euan Angus
T1  - The orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan
T1  - Haben die letzten kaenozoischen klimatischen Verӓnderungen zu erhӧhten Abtragungen im kirgisischen Tien Shan geführt?
N2  - Intra-continental mountain belts typically form as a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, each mountain belt has a distinctive morphology and orogenic evolution that is highly dependent on the unique distribution and geometries of inherited structures and other crustal weaknesses. In this thesis, I have investigated the complex and irregular Cenozoic orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan in Central Asia, which is presently one of the most active intra-continental mountain belts in the world. This work involved combining a broad array of datasets, including thermochronologic, magnetostratigraphic, sediment provenance and stable isotope data, to identify and date various changes in tectonic deformation, climate and surface processes. Many of these changes are linked and can ultimately be related to regional-scale processes that altered the orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan. The Central Kyrgyz Tien Shan contains a sub-parallel series of structures that were reactivated in the late Cenozoic in response to the tectonic forces associated with the distant India-Eurasia collision. Over time, slip on the various reactivated structures created the succession of mountain ranges and intermontane basins which characterises the modern morphology of the region. In this thesis, new quantitative constraints on the exhumation histories of several mountain ranges have been obtained by using low temperature thermochronological data from 95 samples (zircon (U-Th)/He, apatite fission track and (U-Th)/He). Time-temperature histories derived by modelling the thermochronologic data of individual samples identify at least two stages of Cenozoic cooling in most of the region’s mountain ranges: (1) initially low cooling rates (<1°C/Myr) during the tectonic quiescent period and (2) increased cooling in the late Cenozoic, which occurred diachronously and with variable magnitude in different ranges. This second cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation, and in many of the sampled mountain ranges, provides the first available constraints on the timing of late Cenozoic deformation. New constraints on the timing of deformation have also been derived from the sedimentary record of intermontane basins. In the intermontane Issyk Kul basin, new magnetostratigraphic data from two sedimentary sections suggests that deposition of the first Cenozoic syn-tectonic sediments commenced at ~26 Ma. Zircon U-Pb provenance data, paleocurrent and conglomerate clast analysis reveals that these sediments were sourced from the Terskey Range to the south of the basin, suggesting that the onset of the late Cenozoic deformation occurred >26 Ma in that particular range. Elsewhere, growth strata relationships are used to identify syn-tecotnic deposition and constrain the timing of nearby deformation. Collectively, these new constraints obtained from thermochronologic and sedimentary data have allowed me to infer the spatiotemporal distribution of deformation in a transect through the Central Kyrgyz Tien Shan, and determine the order in which mountain ranges started deforming. These data suggest that deformation began in a few widely-spaced mountain ranges in the late Oligocene and early Miocene. Typically, these earlier mountain ranges are bounded on at least one side by a reactivated structure, which probably corresponds to the frictionally weakest and most suitably orientated inherited structures for accommodating the roughly north-south directed horizontal crustal shortening of the late Cenozoic. Moreover, tectonically-induced rock uplift in the Terskey Range, following the reactivation of the bounding structure before 26 Ma, likely caused significant surface uplift across the range, which in turn lead to enhanced orographic precipitation. These wetter conditions have been inferred from stable isotope data collected in the two magnetostratigraphically-dated sections in the Issyk Kul basin. Subsequently, in the late Miocene (~12‒5 Ma), more mountain ranges and inherited structures appear to have started actively deforming. Importantly, the onset of deformation at these locations in the late Miocene coincides with an increase in exhumation of ranges that had started deforming earlier in the late Oligocene‒early Miocene. Based on this observation, I have suggested that there must have been an overall increase in the rate of horizontal crustal shortening across the Central Kyrgyz Tien Shan, which likely relates to regional tectonic changes that affected much of Central Asia. Many of the mountain ranges that started deforming in the late Miocene were associated with out-of-sequence tectonic reactivation and initiation, which lead to the partitioning of larger intermontane basins. Moreover, within most of the intermontane basins in the Central Kyrgyz Tien Shan, this inferred late Miocene increase in horizontal crustal shortening occurs roughly at the same time as an increase in sedimentation rates and a significant change sediment composition. Therefore, I have suggested that the overall magnitude of deformational processes increased in the late Miocene, promoting more flexural subsidence in the intermontane basins of the Central Kyrgyz Tien Shan.
N2  - Intrakontinentale Gebirge sind typischerweise das Ergebnis tektonischer Kräfte, die auf entfernte Plattenkollisionen beruhen. Im Allgemeinen hat jedes Gebirge sein charakteristisches morphologisches Erscheinungsbild und seine eigene und einzigartige Entstehungsgeschichte, die zum Großteil von der Verteilung und der Geometrie vorgeprägter Strukturen und anderer Schwächzonen innerhalb der Erdkruste abhängt. In der vorliegenden Arbeit habe ich die komplexe känozoische Gebirgsbildung des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges, eines der weltweit aktivsten intrakontinentalen Gebirge, untersucht. Diese Arbeit kombiniert verschiedenste Datensätze, darunter thermochronologische und magnetostratigraphische Daten, Sedimentprovenienzen und stabile Isotopenzusammensetzungen, um Änderungen der tektonischen Deformationsprozesse sowie Klima- und Oberflächenveränderungen zu erkennen und gegebenenfalls zu datieren. Viele dieser Veränderungen sind eng miteinander verknüpft und können letztendlich auf regionale Prozesse zurückgeführt werden, die die Entwicklung des zentral-kirgisischen Tian Shan beeinflussen. Das Tian Shan Gebirge besteht aus einer subparallelen Folge einzelner Gebirgsrücken und deren Strukturen, welche im späten Känozoikum als Reaktion auf die entfernt stattfindende Indo-Eurasische Kollision reaktiviert wurden. Im Laufe der Zeit haben Deformation und Versatz entlang dieser reaktivierten Strukturen eine Abfolge von individuellen Gebirgszügen und dazwischen liegenden Sedimentbecken geschaffen deren Morphologie prägend für die heutige Region ist. In dieser Arbeit wurden neue quantitative Altersbestimmungen zur Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge durch thermochronologische Auswertungen an 95 Gesteinsproben durchgeführt (ZHe, AFT und AHe). Die aus Modellierungen einzelner thermochronologischer Datensätze gewonnenen Temperaturgeschichten lassen für die meisten untersuchten Gebirgszüge mindestens zwei Abschnitte känozoischer Abkühlung erkennen: (1) anfänglich niedrige Abkühlungsraten (<1°C/Myr) während einer tektonische Ruhephase und (2) stärkere Abkühlung im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzt. Diese zweite Abkühlungsphase kann durch einen Anstieg der Erosionsraten durch aktive Deformation interpretiert werden und stellt für viele der untersuchten Gebirgszüge die erste verfügbare Alterabschätzung spätkänozoischer Deformation dar. Neue Deformationsalter wurden weiterhin aus den Sedimenten intermontaner Becken gewonnen. Im intermontanen Issyk Kul Becken lassen neue magnetostratigraphische Daten zweier Sedimentabschnitte vermuten, dass die Ablagerung der ersten syntektonischen Sedimente im Känozoikum um ca. 26 Ma begann. Weiterhin zeigen Zirkon-Provenienzen, Paläoströmungsrichtungen sowie Klastenanalysen konglomeratischer Sedimente, dass diese Sedimente aus der Terskey Range südlich des Beckens stammen, was vermuten lässt, dass der Beginn der spätkänozoischen Deformation in diesem Teil des Gebirgszuges älter als 26 Ma ist. In anderen Bereichen wurden sedimentäre Wachstumsstrukturen zur Identifikation syntektonischer Ablagerung herangezogen, um somit den Zeitpunkt nahe gelegener Deformation zu bestimmen. Zusammengenommen haben meine Beobachtungen und Auswertungen ermöglicht, die räumlichen und zeitlichen Deformationsmuster quer durch das zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirge zu erschließen um eine zeitliche Abfolge in der Entstehung und Entwicklung einzelner Gebirgszüge zu entwickeln. Meine Daten lassen vermuten, dass die Deformation in einigen wenigen, weit auseinander liegenden Bergketten im Spätoligozän bis Frühmiozän begann. Typischerweise sind diese frühen Gebirgsketten auf mindestens einer Seite an eine reaktivierte Struktur gebunden. Diese sind die wahrscheinlich schwächsten oder am besten orientierten Strukturen, um die annähernd Nord-Süd gerichtete Einengung im späten Känozoikum aufzunehmen. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass die tektonische Gesteinshebung innerhalb der Terskey Range, entlang reaktivierter Störungen vor 26 Ma, eine signifikante Topographiezunahme zur Folge hatte. Dies führte höchstwahrscheinlich zur Ausbildung einer orographischen Barriere und der damit verbundenen Verstärkung der Regenfälle im Becken nördlich des Rückens. Diese Bedingungen konnten mithilfe stabiler Isotopenzusammensetzungen entlang der zwei magnetostratigraphisch datierten Sedimentprofile im Issyk Kul Becken nachgewiesen werden. Während des späten Miozäns (~12‒5 Ma) begann zeitnah die aktive Deformation und Heraushebung mehrerer neuer Gebirgsrücken. Wichtig dabei erscheint, dass der Zeitpunkt dieser spätmiozänen Deformation mit einem Exhumationsschub derer Gebirgszüge zusammenfällt, die schon viel früher (Spätoligozän bis Frühmiozän) mit der Deformation begannen. Aufgrund dieser Beobachtungen habe ich vorgeschlagen, dass es einen generellen Anstieg der Einengungsraten im Tian Shan gegeben haben muss, welcher auf regionale tektonische Veränderungen zurückzuführen ist die große Teile Zentralasiens betrafen. Viele der Gebirgsrücken, die initial im späten Miozän herausgehoben wurden, sind durch unsystematische, tektonische Prozesse der Reaktivierung und Initialisierung von Strukturen (out-of-sequence) entstanden, die zur Teilung vormals großer, zusammenhängender Sedimentbecken führte. Darüber hinaus weisen die meisten intermontanen Becken im zentral-kirgisischen Tian Shan, in etwa zur Zeit der beobachteten, verstärkten Einengung im Spätmiozän, ebenfalls erhöhte Sedimentationsraten und eine signifikante Änderung der Sedimentzusammensetzung. Daher vermute ich, dass die allgemeine Intensität der Deformation im Spätmiozän zunahm, was eine tektonische Absenkung (flexural subsidence) in den intermontane Becken des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges zur Folge hatte.
KW  - orogenic evolution
KW  - thermochronology
KW  - Tien Shan
KW  - tectonics
KW  - climate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68985
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlolaut, Gordon
T1  - Varve and event layer chronology of Lake Suigetsu (Japan) back to 40 kyr BP and contribution to the international consensus atmospheric radiocarbon calibration curve
T1  - Warven- und Ereignislagen-Chronologie der letzten 40 ka BP vom Suigetsu See (Japan) und Beitrag zur internationalen atmosphärischen Radiokarbon-Kalibrationskurve
N2  - The main intention of the PhD project was to create a varve chronology for the Suigetsu Varves 2006' (SG06) composite profile from Lake Suigetsu (Japan) by thin section microscopy. The chronology was not only to provide an age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed within the SG06 project, but also and foremost to contribute, in combination with the SG06 14C chronology, to the international atmospheric radiocarbon calibration curve (IntCal). The SG06 14C data are based on terrestrial leaf fossils and therefore record atmospheric 14C values directly, avoiding the corrections necessary for the reservoir ages of the marine datasets, which are currently used beyond the tree-ring limit in the IntCal09 dataset (Reimer et al., 2009). The SG06 project is a follow up of the SG93 project (Kitagawa & van der Plicht, 2000), which aimed to produce an atmospheric calibration dataset, too, but suffered from incomplete core recovery and varve count uncertainties. For the SG06 project the complete Lake Suigetsu sediment sequence was recovered continuously, leaving the task to produce an improved varve count. Varve counting was carried out using a dual method approach utilizing thin section microscopy and micro X-Ray Fluorescence (µXRF). The latter was carried out by Dr. Michael Marshall in cooperation with the PhD candidate. The varve count covers 19 m of composite core, which corresponds to the time frame from ≈10 to ≈40 kyr BP. The count result showed that seasonal layers did not form in every year. Hence, the varve counts from either method were incomplete. This rather common problem in varve counting is usually solved by manual varve interpolation. But manual interpolation often suffers from subjectivity. Furthermore, sedimentation rate estimates (which are the basis for interpolation) are generally derived from neighbouring, well varved intervals. This assumes that the sedimentation rates in neighbouring intervals are identical to those in the incompletely varved section, which is not necessarily true. To overcome these problems a novel interpolation method was devised. It is computer based and automated (i.e. avoids subjectivity and ensures reproducibility) and derives the sedimentation rate estimate directly from the incompletely varved interval by statistically analysing distances between successive seasonal layers. Therefore, the interpolation approach is also suitable for sediments which do not contain well varved intervals. Another benefit of the novel method is that it provides objective interpolation error estimates. Interpolation results from the two counting methods were combined and the resulting chronology compared to the 14C chronology from Lake Suigetsu, calibrated with the tree-ring derived section of IntCal09 (which is considered accurate). The varve and 14C chronology showed a high degree of similarity, demonstrating that the novel interpolation method produces reliable results. In order to constrain the uncertainties of the varve chronology, especially the cumulative error estimates, U-Th dated speleothem data were used by linking the low frequency 14C signal of Lake Suigetsu and the speleothems, increasing the accuracy and precision of the Suigetsu calibration dataset. The resulting chronology also represents the age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed in the SG06 project. One proxy analysed within the PhD project was the distribution of event layers, which are often representatives of past floods or earthquakes. A detailed microfacies analysis revealed three different types of event layers, two of which are described here for the first time for the Suigetsu sediment. The types are: matrix supported layers produced as result of subaqueous slope failures, turbidites produced as result of landslides and turbidites produced as result of flood events. The former two are likely to have been triggered by earthquakes. The vast majority of event layers was related to floods (362 out of 369), which allowed the construction of a respective chronology for the last 40 kyr. Flood frequencies were highly variable, reaching their greatest values during the global sea level low-stand of the Glacial, their lowest values during Heinrich Event 1. Typhoons affecting the region represent the most likely control on the flood frequency, especially during the Glacial. However, also local, non-climatic controls are suggested by the data. In summary, the work presented here expands and revises knowledge on the Lake Suigetsu sediment and enabls the construction of a far more precise varve chronology. The 14C calibration dataset is the first such derived from lacustrine sediments to be included into the (next) IntCal dataset. References: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
N2  - Die Hauptzielsetzung der Doktorarbeit war die Erstellung einer Warvenchronologie für das Kompositprofil der "Suigetsu Varves 2006" (SG06) Sedimentbohrung vom Suigetsu See durch Dünnschliffmikroskopie. Die Chronologie soll dabei nicht nur als Altersskala für die unterschiedlichen Proxies, die im Rahmen des SG06 Projekts bearbeitet werden, dienen, sondern in Kombination mit der SG06 14C Chronologie auch zur Verbesserung der internationalen Radiokarbon Kalibrationskurve (IntCal) beitragen. Da die SG06 14C Daten aus fossilen, in den See eingewehten Blättern gewonnen wurden, geben sie den 14C Gehalt der Atmosphäre direkt wieder. Das heißt, dass Korrekturen entfallen, wie sie bei den derzeit im IntCal09 Datensatz (Reimer et al., 2009) genutzten marinen 14C Daten notwendig sind. Das SG06 Projekt ist ein Folgeprojekt des SG93 Projekts (Kitagawa & van der Plicht, 2000), welches ebenfalls die Erstellung eines Kalibrationsdatensatzes zur Zielsetzung hatte. Allerdings war das Sedimentprofil der SG93 Bohrung unvollständig und die Warvenchronologie unzureichend genau. Im Rahmen des SG06 Projekts wurde die komplette Sedimentabfolge des Sees erbohrt, so dass die Erstellung einer verbesserten Warvenchronologie als Aufgabe verblieb. Für die Erstellung der Warvenchronologie kam neben Dünnschliffmikroskopie eine zweite, unabhängige Zähltechnik zum Einsatz, die Mikro-Röntgenfluoresenz (µXRF) Daten nutzt. Diese Zählung wurde von Dr. Michael Marshall in Zusammenarbeit mit dem Doktoranden erstellt. Insgesamt wurden in 19 m des SG06 Sedimentprofils Warven gezählt, was dem Zeitabschnitt zwischen ≈10 und ≈40 ka BP entspricht. Die Warvenzählung zeigte, dass sich nicht jedes Jahr saisonale Lagen ausgebildet hatten und die Zählungen von beiden Techniken damit unvollständig waren. Dieses Problem tritt bei Warvenzählungen häufiger auf und wird in der Regel durch manuelle Interpolation der fehlenden Lagen gelöst. Allerdings hat der manuelle Ansatz Schwächen. Zum einen kann es zu subjektiven Ungenauigkeiten kommen, zum anderen wird die durchschnittliche Sedimentationsrate (welche die Grundlage der Interpolation ist) in der Regel aus benachbarten, gut warvierten Bereichen abgeleitet. Das setzt jedoch voraus, dass die Sedimentationsrate in den benachbarten Intervallen identisch mit der im zu interpolierenden Bereich ist, was nicht zwingend der Fall ist. Um diese Probleme zu umgehen wurde für die vorliegende Arbeit eine neuartige Interpolationsmethode entwickelt. Diese ist computergestützt und automatisiert und Ergebnisse daher objektiv und reproduzierbar. Weiterhin wird die Sedimentationsrate direkt aus dem zu interpolierenden Bereich bestimmt, indem die Abstände der auftretenden saisonalen Lagen statistisch ausgewertet werden. Daher kann die Methode auch für Profile ohne gut warvierte Bereiche eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Interpolationsprogramms ist, dass ein objektiver Interpolationsfehlers berechnet wird. Die interpolierten Ergebnisse der beiden Zähltechniken wurden kombiniert und um nachzuweisen, dass es sich bei der resultierenden Chronologie um ein zuverlässiges Ergebnis handelt, wurde diese mit der mit IntCal09 kalibrierten 14C Chronologie vom Suigetsu See verglichen. Dabei wurde nur der Abschnitt berücksichtigt, in dem IntCal09 auf dendrologischen Daten beruht (bis 12,55 ka cal BP). Der Vergleich zeigte, dass die finale Warvenchronologie innerhalb des 68,2% Fehlerbereichs der 14C Datierungen lag. Das heißt, dass die Interpolationsmethode hinreichend genaue und zuverlässige Ergebnisse erzielt. Die Genauigkeit wurde weiter verbessert, indem die Chronologie mit U-Th Altern von Speläothemen modelliert wurde, wobei die tieffrequenten Signale der 14C Daten als Verbindung zwischen Suigetsu und den Speläothemen verwendet wurde, was die Konstruktion eines verbesserten Kalibrationdatensatzes erlaubte. Die modellierte Chronologie stellt dabei auch die Altersskale für die im SG06 Projekt analysierten Proxies dar. Ein Proxy der im Rahmen der Doktorarbeit untersucht wurde war die Verteilung von Ereignislagen. Diese sind in der Regel Anzeiger für Flutereignisse oder Erdbeben. Die mikrofazielle Untersuchung der Ereignislagen zeigte drei verschiedene Lagentypen auf, wobei zwei davon hier erstmals für den Suigetsu See beschrieben sind. Die Lagentypen sind: Matrix dominierte Lagen als Ergebnis von Seegrundrutschungen, Turbidite als Ergebnis von Hangrutschungen und Turbidite als Ergebnis von Flutereignissen. Die ersten beiden Lagentypen wurden vermutlich durch Erdbeben ausgelöst. Die große Mehrheit der Ereignislagen ist jedoch auf Flutereignisse zurückzuführen (362 von 369). Dies erlaubte die Rekonstruktion der Hochwasserhäufigkeit für die letzten 40 ka. Dabei zeigten sich starke Schwankungen über den analysierten Zeitraum. Die höchsten Werte wurden während des glazialen Meeresspiegelminimums erreicht während die niedrigsten Werte im Zusammenhang mit Heinrich Ereignis 1 auftraten, was vermutlich in erster Linie mit der Taifunhäufigkeit in der Region zusammenhängt. Allerdings zeigten die Daten auch Einflüsse von lokalen, nicht Klima getriebenen Prozessen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die hier vorliegende Arbeit die Kenntnisse über die Sedimente des Suigetsu Sees deutlich erweitert hat und die Revidierung einiger älterer Interpretationen nahe legt. Die verbesserte Warvenchronologie trug zu einem deutlich verbesserten Kalibrationsdatensatz bei. Dieser ist der erste aus lakustrinen Daten gewonnen Datensatz, der in den (kommenden) IntCal Datensatz eingearbeitet werden wird. Quellennachweis: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
KW  - Suigetsu
KW  - radiocarbon
KW  - floods
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69096
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baumann-Wilke, Maria
T1  - Combining body wave tomography, surface wave inversion, seismic interferometry and laboratory measurements to characterize the black shales on Bornholm at different scales
T1  - Anwendung von Raumwellentomographie, Inversion von Oberflächenwellen, seismischer Interferometrie und Labormessungen zur Charakterisierung der Schwarzschiefer auf Bornholm auf verschiedenen Skalen
N2  - Black shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used for comparative purposes. The seismic field data was analyzed with traveltime tomography, surface wave inversion and seismic interferometry to obtain the P-wave and S-wave velocity models of the subsurface. The P-wave velocity models which were determined for all three profiles clearly locate the Alum Shale layer between the Komstad Limestone layer on top and the Læså Sandstone Formation at the base of the models. The black shale layer has P-wave velocities around 3 km/s which are lower compared to the adjacent formations. Due to a very good agreement of the sonic log and the vertical velocity profiles of the two seismic lines, which are directly crossing the borehole where the sonic log was conducted, the reliability of the traveltime tomography is proven. A correlation of the seismic velocities with the content of organic carbon is an important task for the characterization of the reservoir properties of a black shale formation. It is not possible without calibration but in combination with a full 2D tomographic image of the subsurface it gives the subsurface distribution of the organic material. The S-wave model obtained with surface wave inversion of the vibroseis data of one of the profiles images the Alum Shale layer also very well with S-wave velocities around 2 km/s. Although individual 1D velocity models for each of the source positions were determined, the subsurface S-wave velocity distribution is very uniform with a good match between the single models. A really new approach described here is the application of seismic interferometry to a really small study area and a quite short time interval. Also new is the selective procedure of only using time windows with the best crosscorrelation signals to achieve the final interferograms. Due to the small scale of the interferometry even P-wave signals can be observed in the final crosscorrelations. In the laboratory measurements the seismic body waves were recorded for different pressure and temperature stages. Therefore, samples of different depths of the Alum Shale were available from one of the scientific boreholes at the study location. The measured velocities have a high variance with changing pressure or temperature. Recordings with wave propagation both parallel and perpendicular to the bedding of the samples reveal a great amount of anisotropy for the P-wave velocity, whereas the S-wave velocity is almost independent of the wave direction. The calculated velocity ratio is also highly anisotropic with very low values for the perpendicular samples and very high values for the parallel ones. Interestingly, the laboratory velocities of the perpendicular samples are comparable to the velocities of the field experiments indicating that the field measurements are sensitive to wave propagation in vertical direction. The velocity ratio is also calculated with the P-wave and S-wave velocity models of the field experiments. Again, the Alum Shale can be clearly separated from the adjacent formations because it shows overall very low vP/vS ratios around 1.4. The very low velocity ratio indicates the content of gas in the black shale formation. With the combination of all the different methods described here, a comprehensive interpretation of the seismic response of the black shale layer can be made and the hydrocarbon source rock potential can be estimated.
N2  - Schwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen an Bohrkernen aus dem Alaunschiefer durchgeführt. Die seismischen Messprofile befanden sich so nah wie möglich an zwei wissenschaftlichen Bohrungen, die für Vergleichszwecke genutzt wurden. Um die P- und S-Wellengeschwindigkeitsmodelle des Untergrundes zu erhalten wurden die seismischen Felddaten mittels Laufzeittomographie, Oberflächenwelleninversion und seismischer Interferometrie ausgewertet. Die P-Wellenmodelle, die für alle drei seismischen Profile erstellt wurden, zeigen den Alaunschiefer zwischen dem Komstad Kalkstein, der den Alaunschiefer überdeckt, und der Læså Sandsteinformation, die die Basis der Modelle bildet. Für die Schwarzschieferschicht ergeben sich mit rund 3 km/s deutlich geringere P-Wellengeschwindigkeiten als für die umgebenden Gesteine. Zwei seismische Profile liegen direkt an einer der Bohrungen, für die verschiedene Bohrloch-Logs durchgeführt wurden. Der Vergleich des Sonic-Logs mit den vertikalen Geschwindigkeitsprofilen beider Modelle am Bohrpunkt zeigt eine sehr gute übereinstimmung aller Geschwindigkeiten. Dies ist ein Indiz für die Plausibilität der durchgeführten Laufzeittomographie. Um die Reservoireigenschaften der Schwarzschieferschicht einordnen zu können, wurde versucht, die seismischen Geschwindigkeiten mit dem Gehalt an organischem Material zu korrelieren. Ohne geeignete Kalibrierung ist diese Korrelation schwierig, kann aber mit Hilfe der Tomographieergebnisse ein zweidimensionales Abbild der Verteilung des organischen Materials im Untergrund liefern. Auch das S-Wellengeschwindigkeitsmodell, welches mit der Oberflächenwelleninversion der Vibroseisdaten erstellt wurde, bildet den Alaunschiefer gut ab. Hierbei zeigen sich S-Wellengeschwindigkeiten um 2 km/s. Obwohl jeweils nur 1D-Modelle für jede Quellposition bestimmt wurden, ergibt sich für die gesamte Untergrundstruktur des untersuchten Profils ein einheitliches Bild der Geschwindigkeiten. Einen sehr neuen Ansatz bildet die Anwendung der seismischen Interferometrie auf ein sehr kleines Untersuchungsgebiet und über einen sehr kurzen Zeitraum. Neu ist außerdem, dass für die Bestimmung der endgültigen Interferogramme nur Zeitfenster der Kreuzkorrelationen ausgewählt werden, in denen die Signalqualität hinreichend gut ist. In den berechneten Kreuzkorrelationen sind sogar P-Wellen enthalten, was auf die geringen Abstände der seismischen Rekorder zurück zu führen ist. Bei den Labormessungen wurden die Raumwellen für verschiedene Drücke und Temperaturen aufgezeichnet. Die Messungen der Geschwindigkeiten sowohl parallel als auch senkrecht zur Schichtung der Proben zeigen eine starke Anisotropie für die P-Welle. Dagegen scheint die S-Wellengeschwindigkeit fast unabhängig von der Ausbreitungsrichtung der Wellen zu sein. Auch das Verhältnis der Geschwindigkeiten weist starke Anisotropie auf. Für die Wellenausbreitung senkrecht zur Schichtung zeigen sich sehr niedrige Werte, die Werte für die Messungen parallel zur Schichtung sind dagegen deutlich erhöht. Ein interessanter Aspekt der aus den Labormessungen resultiert ist, dass die Geschwindigkeit der Messungen senkrecht zur Schichtung mit den Geschwindigkeitswerten der Feldmessungen übereinstimmen. Damit scheinen die Feldmessungen besonders die Ausbreitung der Wellen in vertikaler Richtung zu registrieren. Das Geschwindigkeitsverhältnis wurde auch mit den P- und S-Wellenmodellen der Feldexperimente berechnet. Auch hier hebt sich der Alaunschiefer mit deutlich verringerten Werten um 1.4 vom Umgebungsgestein ab. Solch geringe Werte für das Verhältnis der Geschwindigkeiten deutet auf den Gehalt von Gas im Schwarzschiefer. Mit der Kombination der verschiedenen Methoden ist es möglich, die seismische Antwort der Schwarzschieferschicht umfassend zu beschreiben und Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, ob die hier untersuchte Schwarzschieferschicht das Potenzial hat als Kohlenwasserstofflagerstätte zu fungieren.
KW  - Seismische Tomographie
KW  - Seismische Interferometrie
KW  - Alaunschiefer
KW  - Seismische Geschwindigkeiten
KW  - seismic tomography
KW  - seismic interferometry
KW  - Alum shale
KW  - seismic velocities
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69007
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bischoff, Juliane
T1  - Microbial communities and their response to Pleistocene and Holocene climate variabilities in the Russian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften und ihre Reaktion auf Klimaeveränderungen des Pleistozäns und Holozäns in der Russischen Arktis
N2  - The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source.
N2  - Die Arktis ist in den gegenwärtigen Diskussionen zum Klimawandel von besonderem Interesse. Die derzeitig beobachtete globale Erwärmung ist in den hohen nördlichen Breiten besonders ausgeprägt. Dies führt dazu, dass ehemals gefrorene Böden zunehmend tiefer auftauen und daher im Boden enthaltene Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Umsetzung und Mineralisierung zur Verfügung stehen. Aufgrund dieser Prozesse entstehen klimarelevant Gase, darunter Kohlendioxid und Methan, die aus den Böden und Sedimenten freigesetzt werden können. Wenn man bedenkt, dass in den nördlichen Permafrostgebieten die Hälfte des weltweit unter der Bodenoberfläche gelagerten Kohlenstoffs gelagert ist, wird die Bedeutung dieser Region für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und der möglichen Treibhaus-gasemissionen sichtbar. Trotz dieser Relevanz, sind die am Kohlenstoffumsatz beteiligten Mikroorganismen in der Arktis wenig untersucht und ihre Anpassungsfähigkeit an die gegenwärtigen Klimaveränderungen unbekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie sich Klimaveränderungen in der Vergangenheit auf die Anzahl und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften ausgewirkt haben. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf die methanbildenden Archaeen, um das Verständnis der mikrobiellen Methandynamik zu vertiefen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Bohrkerne aus zwei verschiedenen Standorten in der russischen Arktis untersucht, darunter terrestrischer Permafrost und Seesedimente aus Sibirien und Chukotka, Russland. Mittels der Identifikation und Quantifizierung von mikrobiellen Genen und charakteristischen Bestandteilen der mikrobiellen Zellmembran war es möglich, fossile mikrobielle Gemeinschaften in Seesedimenten mit einem Alter von bis zu 480 000 Jahren und in Permafrostablagerungen mit einem Alter von bis zu 42 000 Jahren zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass es während vergangener warmen Perioden zu einem Wachstum von Bakterien und Archaeen in allen untersuchten Standorten gekommen ist. Dieser Trend konnte auch für die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen gezeigt werden, die während warmen und insbesondere feuchten Klimabedingungen in großer Anzahl und Diversität vorhanden waren, was wiederrum Rückschlüsse auf mögliche Methanemissionen erlaubt. In den terrestrischen Permafroststandorten wird der Temperaturanstieg als direkte Ursache für die gefundene Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft vermutet. Im Gegenzug dazu, führte der Temperaturanstieg im untersuchten arktischen See wahrscheinlich zu einer erhöhten Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, die wiederum das Wachstum der Mikroorganismen antrieb. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Methanosarcina-verwandte Spezies in der Russischen Arktis weit verbreitet sind und sich an veränderte Umweltbedingungen gut anpassen können. Im Gegensatz dazu stehen Vertreter von Methanocellales und Methano-microbiales, die nicht in der Lage sich an veränderte Lebensbedingungen anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass es in früheren Warmphasen zu einem vermehrten Wachstum der an der Umsetzung des organischen Kohlenstoffs beteiligten Mikroorganismen in der Russischen Arktis gekommen ist. Im Zusammenhang mit der zukünftigen Erwärmung der Arktis kann also von einer Veränderung der am Kohlenstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen ausgegangen werden kann. Mit den steigenden Temperaturen werden sich einige Vertreter der methanproduzierenden Mikroorganismen an die veränderten Bedingungen anpassen können, während Temperatur-empfindliche Vertreter aus dem Habitat verdrängt werden. Diese Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft können die Methanproduktion der hohen noerdlichen Breiten erhoehen und dazu beitragen, dass aus der Arktis als eine Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle wird.
KW  - Arctic
KW  - climate change
KW  - microbial communities
KW  - lipid biomarkers
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68895
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TY  - THES
A1  - Abdelfadil, Khaled Mohamed
T1  - Geochemistry of Variscan lamprophyre magmatism in the Saxo-Thuringian Zone
N2  - Lamprophyres are mantle-derived magmatic rocks, commonly occurring as dikes. They are readily identified from their field setting, petrography, chemical and mineralogical composition. These rocks not only provide important information on melting processes in the mantle, but also on geodynamic processes modifying the mantle. There are numerous occurrences of lamprophyres in the Saxo-Thuringian Zone of Variscan Central Europe, which are useful to track the variable effects of the Variscan orogeny on local mantle evolution. This work presents and evaluates the mineralogical, geochemical, and Sr-Nd-Pb isotopic data of late-Variscan calc-alkaline lamprophyres, post-Variscan ultramafic lamprophyres, of alkaline basalt from Lusatia, and, for comparison, of pre-Variscan gabbros. In addition, lithium isotopic signatures combined with Sr-Nd-Pb isotopic data of late-Variscan calc-alkaline lamprophyres from three different Variscan Domains (i.e., Erzgebirge, Lusatia, and Sudetes) are used to assess compositional changes of the mantle during Variscan orogeny.
N2  - Lamprophyre sind porphyrische, aus Mantelschmelzen gebildete Gesteine, die meist in Form von Gängen auftreten. Sie zeichnen sich durch auffällige und charakteristische texturelle, chemische und mineralogische Eigenschaften aus. Als ehemalige Mantelschmelzen liefern sie Information sowohl über Bedingungen der Schmelzbildung im Mantel als auch über geodynamische Prozesse, die zu metasomatischer Veränderung des Mantels geführt haben. Im Saxothuringikum Mitteleuropas, am Nordrand des Böhmischen Massivs, gibt es zahlreiche Lamprophyrvorkommen, die hier zur Charakterisierung der Mantelentwicklung während der variszischen Orogenese dienen. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit den mineralogischen, geochemischen und isotopischen (Sr-Nd-Pb) Signaturen von spätvariszischen kalkalkalischen Lamprophyren, von postvariszischen ultramafischen Lamprophyren, von Alkalibasalten der Lausitz und, zum Vergleich, von prävariszischen Gabbros. Darüberhinaus nutzt die Arbeit Lithium-Isotopensignaturen kombiniert mit Sr-Nd-Pb–Isotopendaten spätvariszischer kalkalkalischer Lamprophyre aus drei variszischen Domänen (Erzgebirge, Lausitz, Sudeten) zur Erkundung der lokalen Mantelüberprägungen während der variszischen Orogenese.
T2  - Geochemie der variszischen Lamprophyre in der saxothüringischen Zone
KW  - lamprophyre
KW  - Lusatia
KW  - Erzgebirge
KW  - Saxo-Thuringia
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68854
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TY  - THES
A1  - Sauer, Patrick
T1  - Liberation of low molecular weight organic acids from sedimentary organic matter and their role on microbial activity
N2  - Low molecular weight organic acids (LMWOAs) are important nutrients for microbes. However, most LMWOAs do not exist freely in the environment but are bound to macromolecular organic matter, e.g. kerogen, lignite and coal. During burial and geological maturation of sedimentary macromolecular organic matter biological and abiological processes promote the liberation of LMWOAs into the surrounding sediment. Through this process, microbes in sedimentary subsurface environments are supplied with essential nutrients. To estimate the feedstock potential of buried macromolecular organic matter to many environments it is important to determine the amount of LMWOAs that are bound to such a matrix. However, high-pressure and high temperature are a key feature of deep subsurface environments, and these physical parameters have a profound influence on chemical reaction kinetics. Therefore it is essential for the estimation of the feedstock potential to generate high-pressure and high temperature for the liberation of LMWOAs to recreate true in-situ conditions. This work presents a newly developed, inexpensive incubation system for biological and geological samples. It allows the application of high-pressure and high temperature as well as a subsampling of the liquid phase without loss of pressure, thereby not disturbing the on-going processes. When simulating the liberation of LMWOAs from sedimentary organic matter, the newly developed incubation system produces more realistic results than other extraction systems like Soxhlet. The extraction products remain in the extraction medium throughout the extraction, influencing the chemical conditions of the extraction medium. Sub-bituminous coal samples from New Zealand as well as lignite samples from Germany were extracted at elevated temperature (90˚C) and pressure (5 MPa). The main LMWOAs released from these low rank coals were formate, acetate and oxalate. Extraction efficiency was increased by two to four times for formate, acetate and oxalate in comparison to existing extraction methods without pressurisation and with demineralised water. This shows the importance of pressure for the simulation of true in-situ conditions and suggests that the amount of bioavailable LMWOAs is higher than previously thought. With the increase in carbon capture and storage (CCS) and the enhanced recovery of oil and gas (EOR/EGR), more and more CO2 becomes injected into the underground. However, the effects of elevated concentrations of carbon dioxide on sedimentary organic matter are rarely investigated. As the incuabtion system allows the manipulation of the composition and partial pressure of dissolved gasses, the effect of highly gas-enriched (CO2, CO2/SO2, CO2/NO2; to simulate flue gas conditions) waters on the extraction yield of LMWOAs from macromolecular organic matter was evaluated. For sub-bituminous coal the concentrations of all LMWAOs decreased upon the addition of gas, irrespective of its composition, whereas for lignite formate always and acetate mostly increased, while oxalate decreased. This suggests an positive effect on the nutrient supply for the subsurface microbiota of lignite layers, as formate and acetate are the most common LMWOAs used for microbial metabolism. In terrestrial mud volcanoes (TMVs), sedimentary material is rapidly ascending from great depth to the surface. Therefore LMWOAs that were produced from buried macromolecular organic matter at depth are also brought up to the surface, and fuel heterotrophic microbial ecosystems at the surface. TMVs represent geochemically and microbiologically diverse habitats, which are supplied with organic substrates and electron acceptors from deep-seated hydrocarbon-generating systems and intersected shallow aquifers, respectively. The main electron donor in TMVs in Azerbaijan is sulphate, and microbial sulphate reduction leads to the production of a wide range of reduced sulphur species that are key players in several biological processes. In our study we estimated the effect of LMWOAs on the sulphur metabolising activity of microorganims in TMVs from Azerbaijan. The addition of a mixture of volatile fatty acids containing acetate and other LMWOAs showed significant positive response to the sulphate reduction rate (SRR) of samples of several mud volcanoes. Further investigations on the temperature dependency of the SRR and the characterisation of thermophilic sulphate-reducing bacteria (SRB) showed a connection between the deep hot subsurface and the surface.
N2  - Niedermolekulare organische Säuren (nachfolgend als LMWOAs - low molecular weight organic acids - bezeichnet) stellen wichtige mikrobielle Substrate dar. Jedoch liegen die meisten LMWOAs nicht in freier, bioverfügbarer Form vor, sondern sind vielmehr an hochmolekulare organische Substanzen gebunden, z.B. Kerogen, Lignit und Kohle. Während der geologischen Verbringung in tiefe Erdschichten und der geologischen Reifung von sedimentären hochmolekularen organischen Substanzen, führen biologische und abiologische Prozesse zu einer Freisetzung von LMWOAs in die umgebenden Sedimente. Durch diesen Prozess werden Mikroorganismen in unterirdischen sedimentären Ökosystemen mit essentiellen Nährstoffen versorgt. Um das Nährstoffpotential tief liegender hochmolekularer organischer Substanzen für diverse Ökosystemen abschätzen zu können, ist es notwendig, die Menge an LMWOAs, die an solch eine hochmolekulare Matrix gebunden ist, zu bestimmen. Dabei stellen hoher Druck sowie hohe Temperatur entscheidende Faktoren in tiefen unterirdischen Ökosystemen dar, welche einen signifikanten Einfluss auf chemische Reaktionen haben. Daher ist es für die Abschätzung des Nährstoffpotentials entscheidend, hohen Druck und hohe Temperatur bei der Freisetzung von LMWOAs zu erzeugen, um wahre in situ Bedingungen zu schaffen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neu entwickeltes, preiswertes Inkubationssystem für biologische und geologische Proben präsentiert. Es erlaubt die Verwendung von hohem Druck als auch hoher Temperatur sowie eine Unterprobennahme der flüssigen Phase ohne Druckverlust, um den fortlaufende Prozess nicht zu unterbrechen. Bei der Simulierung der Freisetzung von LMWOAs aus sedimentären organischen Substanzen erhält man mit dem neu entwickelten Inkubationssystem realistischere Resultate als mit anderen Extraktionssystemen, wie z.B. eine Soxhlet-Apparatur. Die Extraktionsprodukte verbleiben während der Extraktion im Extraktionsmedium, wodurch die chemischen Bedingungen verändert werden. Kohleproben aus Neuseeland sowie aus Deutschland wurden mittels erhöhter Temperatur (90°C) und Druck (5 MPa) extrahiert. Die wichtigsten LMWOAs, die aus diesen Kohlen freigesetzt wurden, waren Formiat, Acetat und Oxalat. Die Extraktionseffizienz für diese LMWOAs konnte im Vergleich zu existierenden Extraktionsmethoden ohne Druck um den Faktor 2 bis 4 gesteigert werden. Dies zeigt die Bedeutung von Druck bei der Simulation von in situ Bedingungen und legt nahe, dass die Menge an bioverfügbaren LMWOAs größer ist als bisher angenommen. Durch die Zunahme der CO2-Speicherung im Untergrund (carbon capture and storage, CCS) sowie der erweiterten Förderung von Öl und Gas (enhanced recovery of oil and gas, EOR/EGR) wird immer mehr CO2 in den Untergrund gepresst. Jedoch sind die Auswirkungen von erhöhten CO2-Konzentrationen auf sedimentäre organische Materie noch unerforscht. Da mit dem Inkubationssystem die Veränderung der Zusammensetzung und des Partialdruckes von gelösten Gasen möglich ist, wurde der Effekt von hoch mit Gasen (CO2, CO2/SO2, CO2/NO2; um Kraftwerksabgase zu simulieren) angereicherten Wässern auf die Extraktionsausbeute von LMWOAs untersucht. Bei der subbituminösen Kohle zeigte sich eine Abnahme aller LMWOAs-Konzentrationen durch die Lösung von Gas im Extraktionsmedium, wobei die Art des Gases keine Rolle spielte. Bei Lignit konnte hingegen festgestellt werden, dass die Extraktionsausbeute an Formiat immer und an Acetat meistens erhöht wurde, während sie sich bei Oxalat verringerte. Dies deutet auf einen positiven Effekt für die Nährstoffversorgung von Mikroorganismen um Lignit-Lagerstätten an, da Formiat und Acetat die am häufigsten verwendeten LMWOAs im mikrobiellen Stoffwechsel darstellen. In terrestrischen Schlammvulkanen (terrestrial mud volcanoes, TMVs) steigt sedimentäres Material aus großen Tiefen an die Erdoberfläche. Somit werden auch LMWOAs, welche aus hochmolekularen organischen Substanzen freigesetzt werden, an die Oberfläche verbracht, und ermöglichen dort heterotrophe Ökosysteme. TMVs stellen dabei geochemisch und mikrobiell unterschiedliche Habitate dar, welche mit organischen Substraten und Elektronenakzeptoren aus tief liegenden, Kohlenwasserstoffe erzeugenden Systemen versorgt werden. In TMVs in Aserbaidschan stellt Sulfat den Hauptelektronenakzeptor dar, wobei mikrobielle Sulfatreduktion zu einer Vielzahl an reduzierten Schwefelspezies führt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt von LMWOAs auf die Aktivität von Mikroorganismen bei der Umsetzung von Schwefel in TMVs in Aserbaidschan untersucht. Die Zugabe einer Mischung verschiedener kurzkettiger Fettsäuren zu Schlammproben verschiedener TMVs erzeugte eine signifikant positive Reaktion in Bezug auf die Sulfat-Reduktionsraten. Weiterführende Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Sulfat-Reduktionsraten und die Charakterisierung thermophiler, Sulfat-Reduzierender Bakterien zeigte eine Verbindung zwischen der tiefen, heißen Biosphäre und der Erdoberfläche auf.
T2  - Freisetzung niedermolekularer organischer Säuren aus sedimentärer organischer Materie und ihre Rolle auf die mikrobielle Aktivität
KW  - low molecular weight organic acids
KW  - sedimentary organic matter
KW  - carbon dioxide
KW  - high-pressure incubation system
KW  - microbial activity
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68830
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TY  - THES
A1  - Bajerski, Felizitas
T1  - Bacterial communities in glacier forefields of the Larsemann Hills, East Antarctica : structure, development & adaptation
T1  - Bakterielle Gemeinschaften in Gletschervorfeldern der Larsemann Berge der Ostantarktis : Struktur, Entwicklung & Anpassung
N2  - Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation.
N2  - Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.
KW  - Antarktis
KW  - Gletschervorfeld
KW  - mikrobielle Gemeinschaften
KW  - Anpassung
KW  - Kultivierung
KW  - Antarctica
KW  - glacier forefield
KW  - microbial communities
KW  - adaptation
KW  - cultivation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67424
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TY  - THES
A1  - Fuchs, Sven
T1  - Well-log based determination of rock thermal conductivity in the North German Basin
T1  - Bestimmung der Gesteinswärmeleitfähigkeit aus geophysikalischen Bohrlochmessungen im Norddeutschen Becken
N2  - In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin’s thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hydrocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian, Rhaethian-Liassic, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m∙K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m∙K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m∙K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The ‘corrected’ geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools. By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 4 to 11%. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models.
N2  - Die thermische Modellierung des geologischen Untergrundes ist ein wichtiges Werkzeug bei der Erkundung und Bewertung tiefliegender Ressourcen sedimentärer Becken (e.g., Kohlenwasserstoffe, Wärme). Die laterale und vertikale Temperaturverteilung im Untergrund wird, neben der Wärmestromdichte und der radiogenen Wärmeproduktion, hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit (WLF) der abgelagerten Gesteinsschichten bestimmt. Diese Parameter stellen die wesentlichen Eingangsgrößen für thermische Modelle dar. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Gesteins-WLF auf verschiedenen Skalen. Dies umfasst (1) laborative WLF-Messungen an mesozoischen Bohrkernproben, (2) die Evaluierung und Verbesserung der Prognosefähigkeit von Mischgesetzten zur Berechnung von Matrix- und Gesamt-WLF sedimentärer Gesteine, sowie (3) die Entwicklung neuer Prognosegleichungen unter Nutzung bohrlochgeophysikalischer Messungen und multivariater Analysemethoden im NGB. Im Nordostdeutschen Becken (NEGB) wurden für die wichtigsten geothermischen Reservoire des Mesozoikums (Aalen, Rhät-Lias-Komplex, Stuttgart Formation, Mittlerer Buntsandstein) Bohrkerne geothermischer Tiefbohrungen (bis 2.500 m Tiefe) auf Ihre thermischen und petrophysikalischen Eigenschaften hin untersucht. Die WLF mesozoischer Sandsteine schwankt im Mittel zwischen 2,1 und 3,9 W/(m∙K), die WLF der Gesteinsmatrix hingegen im Mittel zwischen 3,4 und 7,4 W/(m∙K). Neu berechnete Werte zur Oberflächenwärmestromdichte (e.g., 76 mW/m², Stralsund) stehen im Einklang mit den Ergebnissen früherer Studien im NEGB. Erstmals im NDB wurde für das mesozoisch/känozoischen Intervall am Standort Stralsund ein in-situ WLF-Profil berechnet. In-situ Formations-WLF, für als potentielle Modelschichten interessante, stratigraphische Intervalle, variieren im Mittel zwischen 1,5 und 3,1 W/(m∙K) und bilden eine gute Grundlage für kleinskalige (lokale) thermische Modelle. Auf Grund der in aller Regel nur eingeschränkt verfügbaren Bohrkernproben sowie des hohen laborativen Aufwandes zur Bestimmung der WLF waren alternative Methoden gesucht. Die Auswertung petrophysikalischer Bohrlochmessungen mittels mathematischer-statistischer Methoden stellt einen lang genutzten und erprobten Ansatz dar, welcher in seiner Anwendbarkeit jedoch auf die aufgeschlossenen Gesteinsbereiche (Genese, Geologie, Stratigraphie, etc.) beschränkt ist. Daher wurde ein leicht modifizierter Ansatz entwickelt. Die thermophysikalischen Eigenschaften der 15 wichtigsten gesteinsbildenden Minerale (in Sedimentgesteinen) wurden statistisch analysiert und aus variablen Mischungen dieser Basisminerale ein umfangreicher, synthetischer Datensatz generiert. Dieser wurde mittels multivariater Statistik bearbeitet, in dessen Ergebnis Regressionsgleichungen zur Prognose der Matrix-WLF für drei Gesteinsgruppen (klastisch, karbonatisch, evaporitisch) abgeleitet wurden. In einem zweiten Schritt wurden für ein Echtdatenset (laborativ gemessene WLF und Standardbohrlochmessungen) empirische Prognosegleichungen für die Berechnung der Gesamt-WLF entwickelt. Die berechneten WLF zeigen im Vergleich zu gemessenen WLF Fehler zwischen 5% und 11%. Die Anwendung neu entwickelter, sowie in der Literatur publizierter Verfahren auf den NGB-Datensatz zeigt, dass mit den neu aufgestellten Gleichungen stets der geringste Prognosefehler erreicht wird. Die Inversion neu berechneter WLF-Profile erlaubt die Ableitung synthetischer Temperaturprofile, deren Vergleich zu gemessenen Gesteinstemperaturen in einen mittleren Fehler von < 5% resultiert. Im Rahmen geothermischer Berechnungen werden zur Umrechnung zwischen Matrix- und Gesamt-WLF häufig Zwei-Komponenten-Mischmodelle genutzt (Arithmetisches Mittel, Harmonische Mittel, Geometrisches Mittel, Hashin-Shtrikman Mittel, Effektives-Medium Mittel). Ein umfangreicher Datensatz aus trocken- und gesättigt-gemessenen WLF und Porosität erlaubt die Evaluierung dieser Modelle hinsichtlich Ihrer Prognosefähigkeit. Diese variiert für die untersuchten Modelle stark (Fehler: 5 – 53%), wobei das geometrische Mittel die größte, quantitativ aber weiterhin unbefriedigende Übereinstimmungen zeigt. Die Entwicklung und Anwendung mischmodelspezifischer Korrekturgleichungen führt zu deutlich reduzierten Fehlern. Das korrigierte geometrische Mittel zeigt dabei, bei deutlich reduzierter Fehlerstreubreite, erneut die größte Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten und scheint ein universell anwendbares Mischmodel für sedimentäre Gesteine zu sein. Die Entwicklung modelunabhängiger, gesteinstypbezogener Konvertierungsgleichungen ermöglicht die Abschätzung der wassergesättigten Gesamt-WLF aus trocken-gemessener WLF und Porosität mit einem mittleren Fehler < 9%. Die präsentierten Daten und die neu entwickelten Methoden erlauben künftig eine detailliertere und präzisere Parametrisierung thermischer Modelle sedimentärer Becken.
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - Temperaturfeld
KW  - Nordostdeutsches Becken
KW  - Bohrlochmessungen
KW  - Multivariate Analyse
KW  - Thermal-conductivity
KW  - Well-log analysis
KW  - Northeast German Basin
KW  - temperature field analysis
KW  - Multivariate statistic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67801
ER  - 
TY  - THES
A1  - Adhikari, Rishi Ram
T1  - Quantification of total microbial biomass and metabolic activity in subsurface sediments
T1  - Quantification of total microbial biomass and metabolic activity in subsurface sediments
N2  - Metabolically active microbial communities are present in a wide range of subsurface environments. Techniques like enumeration of microbial cells, activity measurements with radiotracer assays and the analysis of porewater constituents are currently being used to explore the subsurface biosphere, alongside with molecular biological analyses. However, many of these techniques reach their detection limits due to low microbial activity and abundance. Direct measurements of microbial turnover not just face issues of insufficient sensitivity, they only provide information about a single specific process but in sediments many different process can occur simultaneously. Therefore, the development of a new technique to measure total microbial activity would be a major improvement. A new tritium-based hydrogenase-enzyme assay appeared to be a promising tool to quantify total living biomass, even in low activity subsurface environments. In this PhD project total microbial biomass and microbial activity was quantified in different subsurface sediments using established techniques (cell enumeration and pore water geochemistry) as well as a new tritium-based hydrogenase enzyme assay. By using a large database of our own cell enumeration data from equatorial Pacific and north Pacific sediments and published data it was shown that the global geographic distribution of subseafloor sedimentary microbes varies between sites by 5 to 6 orders of magnitude and correlates with the sedimentation rate and distance from land. Based on these correlations, global subseafloor biomass was estimated to be 4.1 petagram-C and ~0.6 % of Earth's total living biomass, which is significantly lower than previous estimates. Despite the massive reduction in biomass the subseafloor biosphere is still an important player in global biogeochemical cycles. To understand the relationship between microbial activity, abundance and organic matter flux into the sediment an expedition to the equatorial Pacific upwelling area and the north Pacific Gyre was carried out. Oxygen respiration rates in subseafloor sediments from the north Pacific Gyre, which are deposited at sedimentation rates of 1 mm per 1000 years, showed that microbial communities could survive for millions of years without fresh supply of organic carbon. Contrary to the north Pacific Gyre oxygen was completely depleted within the upper few millimeters to centimeters in sediments of the equatorial upwelling region due to a higher supply of organic matter and higher metabolic activity. So occurrence and variability of electron acceptors over depth and sites make the subsurface a complex environment for the quantification of total microbial activity. Recent studies showed that electron acceptor processes, which were previously thought to thermodynamically exclude each other can occur simultaneously. So in many cases a simple measure of the total microbial activity would be a better and more robust solution than assays for several specific processes, for example sulfate reduction rates or methanogenesis. Enzyme or molecular assays provide a more general approach as they target key metabolic compounds. Since hydrogenase enzymes are ubiquitous in microbes, the recently developed tritium-based hydrogenase radiotracer assay is applied to quantify hydrogenase enzyme activity as a parameter of total living cell activity. Hydrogenase enzyme activity was measured in sediments from different locations (Lake Van, Barents Sea, Equatorial Pacific and Gulf of Mexico). In sediment samples that contained nitrate, we found the lowest cell specific enzyme activity around 10^(-5) nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1). With decreasing energy yield of the electron acceptor used, cell-specific hydrogenase activity increased and maximum values of up to 1 nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) were found in samples with methane concentrations of >10 ppm. Although hydrogenase activity cannot be converted directly into a turnover rate of a specific process, cell-specific activity factors can be used to identify specific metabolism and to quantify the metabolically active microbial population. In another study on sediments from the Nankai Trough microbial abundance and hydrogenase activity data show that both the habitat and the activity of subseafloor sedimentary microbial communities have been impacted by seismic activities. An increase in hydrogenase activity near the fault zone revealed that the microbial community was supplied with hydrogen as an energy source and that the microbes were specialized to hydrogen metabolism.
N2  - Mikrobielle Gesellschaften und ihre aktiven Stoffwechselprozesse treten in einer Vielzahl von Sedimenten unterschiedlichster Herkunft auf. In der Erforschung dieser tiefen Biosphäre werden derzeit Techniken wie Zellzählungen, Aktivitätsmessungen mit Radiotracer-Versuchen und Analysen der Porenwasserzusammensetzung angewendet, darüber hinaus auch molekularbiologische Analysen. Viele dieser Methoden stoßen an ihre Nachweisgrenze, wenn Sedimente mit geringer Zelldichte und mikrobieller Aktivität untersucht werden. Bei der Untersuchung von Stoffwechselprozessen mit herkömmlichen Techniken kommt dazu, dass von mehreren Prozessen, die zeitgleich ablaufen können, jeweils nur einer erfasst wird. Deswegen wäre die Entwicklung einer neuartigen Messtechnik für die gesamte mikrobielle Aktivität ein wesentlicher Fortschritt für die Erforschung der tiefen Biosphäre. Ein vielversprechender Ansatz, um die gesamte lebende Biomasse auch in Proben mit geringer Aktivität zu bestimmen, ist eine Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung mit Tritium als quantifizierbarer Messgröße. In dieser Doktorarbeit wurde die gesamte mikrobielle Biomasse und Aktivität von unterschiedlichen Sedimentproben einerseits mit herkömmlichen Methoden (Zellzählungen, Analyse der Porenwasserzusammensetzung) als auch mit einer neu entwickelten Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung quantifiziert. Mit einer großen Anzahl eigener Zellzählungsdaten von Sedimenten aus dem Äquatorialpazifik und dem Nordpazifik und ergänzenden publizierten Daten konnte gezeigt werden, dass Zellzahlen sich in ihrer globalen geographischen Verteilung je nach Bohrlokation um 5 bis 6 Größenordnungen unterscheiden. Dabei bestehen Korrelationen zur Sedimentationsrate und zur Entfernung zum Land, mit deren Hilfe sich die Gesamtbiomasse in Tiefseesedimenten zu 4,1 Petagramm-C abschätzen lässt. Das entspricht ~0,6 % der Gesamtbiomasse der Erde und ist damit erheblich weniger als in früheren Schätzungen angegeben. Trotz der Korrektur auf diesen Wert spielt die Biomasse der tiefen Biosphäre weiterhin eine erhebliche Rolle in biogeochemischen Kreisläufen. Um die Zusammenhänge zwischen Aktivität der Mikroben, der Häufigkeit ihres Auftretens und Zustrom von organischem Material zu verstehen, wurde eine Expedition ins Auftriebsgebiet des Äquatorialpazifiks und zum nordpazifischen Wirbel durchgeführt. Daten der Sauerstoffaufnahme in Sedimenten des nordpazifischen Wirbels, die mit Sedimentationsraten von 1 mm pro 1000 Jahren abgelagert werden, zeigen, dass mikrobielle Gesellschaften über Millionen von Jahren ohne Zufuhr von frischem organischen Kohlenstoff überleben konnten. Im Gegensatz zum nordpazifischen Wirbel wird in Sedimenten des äquatorialpazifischen Auftriebsgebiets Sauerstoff bei höherer mikrobieller Aktivität und Verfügbarkeit organischer Verbindungen oberflächennah in den ersten Milli- bis Zentimetern komplett umgesetzt. Auftreten und Variabilität von Elektronenakzeptoren nach Tiefe und Bohrlokation machen die tiefe Biosphäre zu einer komplexen Umgebung für die Quantifizierung der gesamten mikrobiellen Aktivität. Aktuelle Studien zeigen das verschiedene Elektronenakzeptorprozesse gleichzeitig ablaufen können, obwohl man bisher davon ausgegangen war, dass diese sich thermodynamisch ausschließen. In vielen Fällen wäre also eine einfache Methode zur Messung der gesamten mikrobiellen Aktivität eine bessere und verlässlichere Lösung aktueller Analyseaufgaben als Messungen mehrerer Einzelprozesse wie beispielsweise Sulfatreduktion und Methanogenese. Enzym-oder Molekular-Versuchsanordnungen sind ein prozessumfassender Ansatz, weil hier Schlüsselkomponenten der Stoffwechselprozesse untersucht werden. Das Hydrogenase-Enzym ist eine solche Schlüsselkomponente und in Mikroben allgegenwärtig. Deshalb kann die Quantifizierung seiner Aktivität mit der neu entwickelten Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung als Parameter für die gesamte mikrobielle Aktivität der lebenden Zellen verwendet werden. Hydrogenase-Aktivitäten wurden in Sedimenten unterschiedlicher Lokationen (Vansee, Barentssee, Äquatorialpazifik, und Golf von Mexico) gemessen. In Sedimentproben, die Nitrat enthielten, haben wir mit ca. 10^(-5) nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) die geringste zellspezifische Hydrogenase-Aktivität gefunden. Mit geringerem Energiegewinn des genutzten Elektronenakzeptors steigt die zellspezifische Hydrogenase-Aktivität. Maximalwerte von bis zu 1 nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) wurden in Sedimentproben mit >10 ppm Methankonzentration gefunden. Auch wenn die Hydrogenase-Aktivität nicht direkt in die Umsatzrate eines spezifischen Prozesses konvertierbar ist, können zellspezifische Aktivitätsfaktoren verwendet werden, um die metabolisch aktive Mikrobenpopulation zu quantifizieren. In einer weiteren Studie mit Sedimenten des Nankai-Grabens zeigen Daten der Zelldichte und der Hydrogenase-Aktivität einen Einfluss von seismischen Ereignissen auf Lebensraum und Aktivität der mikrobiellen Gesellschaften. Ein Anstieg der Hydrogenase-Aktivität nahe der Verwerfungszone machte deutlich, dass die mikrobiellen Gesellschaften mit Wasserstoff als Energiequelle versorgt wurden und dass die Mikroben auf einen Wasserstoff-Stoffwechsel spezialisiert waren.
KW  - Hydrogenase
KW  - Tritium Versuchsanordnung
KW  - Untergrunduntersuchung der Biosphäre
KW  - Hydrogenase
KW  - Tritium Assay
KW  - Subsurface Biosphere
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67773
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rudolph-Mohr, Nicole
T1  - A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH and oxygen dynamics in soils
T1  - Entwicklung einer neuen, nicht invasiven, optischen Methode für die quantitative Darstellung von pH und Sauerstoffdynamiken in Böden
N2  - In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids and nutrients. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scales. Soil structures such as aggregates, roots, layers or macropores enhance the patchiness of these distributions. At the same time it is difficult to access the spatial distribution and temporal dynamics of these parameter. Noninvasive imaging techniques with high spatial and temporal resolution overcome these limitations. And new non-invasive techniques are needed to study the dynamic interaction of plant roots with the surrounding soil, but also the complex physical and chemical processes in structured soils. In this study we developed an efficient non-destructive in-situ method to determine biogeochemical parameters relevant to plant roots growing in soil. This is a quantitative fluorescence imaging method suitable for visualizing the spatial and temporal pH changes around roots. We adapted the fluorescence imaging set-up and coupled it with neutron radiography to study simultaneously root growth, oxygen depletion by respiration activity and root water uptake. The combined set up was subsequently applied to a structured soil system to map the patchy structure of oxic and anoxic zones induced by a chemical oxygen consumption reaction for spatially varying water contents. Moreover, results from a similar fluorescence imaging technique for nitrate detection were complemented by a numerical modeling study where we used imaging data, aiming to simulate biodegradation under anaerobic, nitrate reducing conditions.
N2  - In Böden und Sedimenten sind biogeochemische Prozesse und die Verteilung von Größen wie Wasser, Elektronenakzeptoren, Säuregehalte und Nährstoffe in enger Weise miteinander gekoppelt. Diese wechselseitige Beeinflussung ist skalenübergreifend und reicht von sehr kleinen bis zu größeren Skalen. Die in realen Böden vorhandene Struktur z. Bsp. Aggregate, Pflanzenwurzeln, Schichten und Makroporen bedingen eine starke räumlich Heterogenität und zeitliche Dynamik dieser Größen. Gleichzeitig sind Verteilung und Dynamik sehr schwer zu beobachten, zumindest ohne ihre gleichzeitige Störung. Bildgebende Verfahren bieten eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und ermöglichen die Darstellung dieser Größen. Um die dynamische Wechselwirkung zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, aber auch die komplexen physikalisch – chemischen Prozesse in Böden zu verstehen, sind neue bildgebende Verfahren notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue nicht-invasive Methode zu entwickeln, die es ermöglicht biogeochemische Parameter in der Wurzelzone zu visualisieren. Innerhalb dieser Studie wurde ein quantitatives bildgebendes Verfahren entwickelt, dass die räumlichen und zeitlichen Dynamiken des pH Wertes in der Rhizosphäre erfasst. Diese auf Fluoreszenzemissionen basierende Methode wurde ebenso für Sauerstoffdetektion entwickelt und mit Neutronen Radiographie kombiniert um gleichzeitig Aussagen über Wurzelwachstum, Sauerstoffzehrung durch Wurzelatmung und Wurzelwasseraufnahme treffen zu können. Die kombinierte bildgebende Methode wurde dann in einem künstlichen Boden genutzt um Nischen und Übergangsbereiche von Sauerstoff bei variierenden Wassergehalten zu charakterisieren. Das große Potential von bildgebenden Verfahren zeigt sich bei Modellierungsstudien. In dieser Studie wurden Bilddaten als Eingabeparameter für die Simulierung von denitrifizierendem biologischem Schadstoffabbau genutzt.
KW  - Optische Sensoren
KW  - pH
KW  - Sauerstoff
KW  - Fluoreszenzbildgebung
KW  - Rhizosphere
KW  - Optical sensor
KW  - pH
KW  - oxygen
KW  - fluorescence imaging
KW  - rhizosphere
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66993
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haßler, Sibylle Kathrin
T1  - Saturated hydraulic conductivity in the humid tropics : sources of variability, implications for monitoring and effects on near-surface hydrological flow paths
T1  - Quellen der Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in den humiden Tropen, ihre Bedeutung für die Beprobung der Leitfähigkeit und ihre Auswirkungen auf bodennahe hydrologische Fließpfade
N2  - Large areas in the humid tropics are currently undergoing land-use change. The decrease of tropical rainforest, which is felled for land clearing and timber production, is countered by increasing areas of tree plantations and secondary forests. These changes are known to affect the regional water cycle as a result of plant-specific water demand and by influencing key soil properties which determine hydrological flow paths. One of these key properties sensitive to land-use change is the saturated hydraulic conductivity (Ks) as it governs vertical percolation of water within the soil profile. Low values of Ks in a certain soil depth can form an impeding layer and lead to perched water tables and the development of predominantly lateral flow paths such as overland flow. These processes can induce nutrient redistribution, erosion and soil degradation and thus affect ecosystem services and human livelihoods. Due to its sensitivity to land-use change, Ks is commonly used to assess the associated changes in hydrological flow paths. The objective of this dissertation was to assess the effect of land-use change on hydrological flow paths by analysing Ks as indicator variable. Sources of Ks variability, their implications for Ks monitoring and the relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths in the context of land-use change were studied. The research area was located in central Panama, a country widely experiencing the abovementioned changes in land use. Ks is dependent on both static, soil-inherent properties such as particle size and clay mineralogy and dynamic, land use-dependent properties such as organic carbon content. By conducting a pair of studies with one of these influences held constant in each, the importance of static and dynamic properties for Ks was assessed. Applying a space-for-time approach to sample Ks under secondary forests of different age classes on comparable soils, a recovery of Ks from the former pasture use was shown to require more than eight years. The process was limited to the 0−6 cm sampling depth and showed large variability among replicates. A wavelet analysis of a Ks transect crossing different soil map units under comparable land cover, old-growth tropical rainforest, showed large small-scale variability, which was attributed to biotic influences, as well as a possible but non-conclusive influence of soil types. The two results highlight the importance of dynamic, land use-dependent influences on Ks. Monitoring studies can help to quantify land use-induced change of Ks, but there is a variety of sampling designs which differ in efficiency of estimating mean Ks. A comparative study of four designs and their suitability for Ks monitoring is used to give recommendations about designing a Ks monitoring scheme. Quantifying changes in spatial means of Ks for small catchments with a rotational stratified sampling design did not prove to be more efficient than Simple Random Sampling. The lack of large-scale spatial structure prevented benefits of stratification, and large small-scale variability resulting from local biotic processes and artificial effects of destructive sampling caused a lack of temporal consistency in the re-sampling of locations, which is part of the rotational design. The relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths is of critical importance when assessing the consequences of land-use change in the humid tropics. The last part of this dissertation aimed at disclosing spatial relationships between Ks and overland flow as influenced by different land cover types. The effects of Ks on overland-flow generation were spatially variable, different between planar plots and incised flowlines and strongly influenced by land-cover characteristics. A simple comparison of Ks values and rainfall intensities was insufficient to describe the observed pattern of overland flow. Likewise, event flow in the stream was apparently not directly related to overland flow response patterns within the catchments. The study emphasises the importance of combining pedological, hydrological, meteorological and botanical measurements to comprehensively understand the land use-driven change in hydrological flow paths. In summary, Ks proved to be a suitable parameter for assessing the influence of land-use change on soils and hydrological processes. The results illustrated the importance of land cover and spatial variability of Ks for decisions on sampling designs and for interpreting overland-flow generation. As relationships between Ks and overland flow were shown to be complex and dependent on land cover, an interdisciplinary approach is required to comprehensively understand the effects of land-use change on soils and near-surface hydrological flow paths in the humid tropics.
N2  - Tropische Regionen sind einem andauernden Landnutzungswandel unterworfen. Einerseits wird tropischer Regenwald für Holz- und Flächengewinnung abgeholzt, andererseits fallen Flächen im Zuge der Urbanisierung brach. Diese werden zum Teil mit Nutzholz-Plantagen aufgeforstet, zum Teil entwickelt sich auf ihnen natürlicher Sekundärwald. Änderungen in der Landnutzung beeinflussen Bodeneigenschaften und dadurch implizit den Wasserkreislauf der Region. Eine dieser wichtigen landnutzungsabhängigen Bodeneigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder Permeabilität, die maßgeblich die Versickerungsrate im Boden bestimmt. Eine niedrige Permeabilität hemmt die (vertikale) Versickerung und kann dazu führen, dass laterale hydrologische Fließpfade wie z.B. Oberflächenabfluss aktiviert werden. Dadurch wird sowohl die Bodenerosion und Nährstoffverlagerung verstärkt als auch die Auffüllung des Grundwasserspeichers verringert. In welchem Maße jedoch die Änderung der Permeabilität während des Landnutzungswandels eine Änderung der hydrologischen Fließpfade nach sich zieht, ist noch unzureichend erforscht. Die Zielstellung der vorliegenden Dissertation war, mit Hilfe der Permeabilität als Indikatorvariable die Auswirkungen des Landnutzungswandels auf bodennahe hydrologische Fließpfade zu beurteilen. Dabei sollten die Quellen der Variabilität der Permeabilität anhand des Einflusses von Bodentyp und Landnutzung eingeschätzt, diese Variabilität in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität integriert und die Auswirkungen dieser Einflüsse auf die Aktivierung lateraler Fließpfade untersucht werden. Die Studien wurden in Panama durchgeführt, da dieses Land stark vom Landnutzungswandel betroffen ist, eine gute Forschungsinfrastruktur aufweist und sich durch die hohen Niederschläge des tropischen Klimas Änderungen im Wasserkreislauf besonders stark auswirken. Zwei Teilstudien zu den Quellen der Variabilität der Permeabilität lieferten Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Bodentyps, der jedoch durch den lokal stärkeren Einfluss der Landnutzung überprägt wurde. Auf regionaler Skala wurde die Erholung der Permeabilität unter Sekundärwald nach einer vorhergehenden Weidenutzung belegt. Beide Studien deuteten auf einen maßgeblichen Einfluss der Landnutzung und der räumlichen Struktur der Permeabilität auf die untersuchten Prozesse hin. Für die effiziente Abschätzung zeitlicher Veränderungen der Permeabilität, wie sie im Zuge des Landnutzungswandels auftritt, ist die Einbeziehung dieser räumlichen Strukturen in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität von großer Bedeutung, wie in einem Vergleich vier verschiedener Designs gezeigt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der Entstehung von Oberflächenabfluss konnte nicht durch einfache Ansätze, wie dem Vergleich der Permeabilität mit Regenintensitäten oder der Betrachtung des Gebietsabflusses, erklärt werden. Vielmehr scheint ein komplexes Zusammenspiel aus meteorologischen, biologischen, bodenkundlichen und hydrologischen Faktoren zu wirken. So wurde die räumliche Struktur des Oberflächenabflusses im Untersuchungsgebiet vermutlich durch eine Kombination aus Landnutzungs- und Permeabilitäts-Einflüssen bedingt, zu deren Aufklärung weitere notwendige Messungen vorgeschlagen werden. Zusammengefasst konnte anhand der Permeabilität der Einfluss des Landnutzungswandels auf die hydrologischen Fließpfade gut aufgezeigt werden. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Betrachtung der landnutzungsabhängigen räumlichen Struktur der Permeabilität zu. Für die Prozessaufklärung der Aktivierung lateraler Fließpfade müssen jedoch Messungen aus verschiedenen Disziplinen kombiniert werden.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Tropen
KW  - Probenahmestrategie
KW  - hydrologische Fließpfade
KW  - Soil hydrology
KW  - land-use change
KW  - tropics
KW  - monitoring
KW  - hydrological flow paths
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66864
ER  - 
TY  - THES
A1  - Holsten, Anne
T1  - Climate change vulnerability assessments in the regional context
T1  - Studien zur Vulnerabilität gegenüber Klimawandel im regionalen Kontext
N2  - Adapting sectors to new conditions under climate change requires an understanding of regional vulnerabilities. Conceptually, vulnerability is defined as a function of sensitivity and exposure, which determine climate impacts, and adaptive capacity of a system. Vulnerability assessments for quantifying these components have become a key tool within the climate change field. However, there is a disagreement on how to make the concept operational in studies from a scientific perspective. This conflict leads to many still unsolved challenges, especially regarding the quantification and aggregation of the components and their suitable level of complexity. This thesis therefore aims at advancing the scientific foundation of such studies by translating the concept of vulnerability into a systematic assessment structure. This includes all components and implies that for each considered impact (e.g. flash floods) a clear sensitive entity is defined (e.g. settlements) and related to a direction of change for a specific climatic stimulus (e.g. increasing impact due to increasing days with heavy precipitation). Regarding the challenging aggregation procedure, two alternative methods allowing a cross-sectoral overview are introduced and their advantages and disadvantages discussed. This assessment structure is subsequently exemplified for municipalities of the German state North Rhine-Westphalia via an indicator-based deductive approach using information from literature. It can be transferred also to other regions. As for many relevant sectors, suitable indicators to express the vulnerability components are lacking, new quantification methods are developed and applied in this thesis, for example for the forestry and health sector. A lack of empirical data on relevant thresholds is evident, for example which climatic changes would cause significant impacts. Consequently, the multi-sectoral study could only provide relative measures for each municipality, in relation to the region. To fill this gap, an exemplary sectoral study was carried out on windthrow impacts in forests to provide an absolute quantification of the present and future impact. This is achieved by formulating an empirical relation between the forest characteristics and damage based on data from a past storm event. The resulting measure indicating the sensitivity is then combined with wind conditions. Multi-sectoral vulnerability assessments require considerable resources, which often hinders the implementation. Thus, in a next step, the potential for reducing the complexity is explored. To predict forest fire occurrence, numerous meteorological indices are available, spanning over a range of complexity. Comparing their performance, the single variable relative humidity outperforms complex indicators for most German states in explaining the monthly fire pattern. This is the case albeit it is itself an input factor in most indices. Thus, this meteorological factor alone is well suited to evaluate forest fire danger in many Germany regions and allows a resource-efficient assessment. Similarly, the complexity of methods is assessed regarding the application of the ecohydrological model SWIM to the German region of Brandenburg. The inter-annual soil moisture levels simulated by this model can only poorly be represented by simpler statistical approach using the same input data. However, on a decadal time horizon, the statistical approach shows a good performance and a strong dominance of the soil characteristic field capacity. This points to a possibility to reduce the input factors for predicting long-term averages, but the results are restricted by a lack of empirical data on soil water for validation. The presented assessments of vulnerability and its components have shown that they are still a challenging scientific undertaking. Following the applied terminology, many problems arise when implementing it for regional studies. Advances in addressing shortcomings of previous studies have been made by constructing a new systematic structure for characterizing and aggregating vulnerability components. For this, multiple approaches were presented, but they have specific advantages and disadvantages, which should also be carefully considered in future studies. There is a potential to simplify some methods, but more systematic assessments on this are needed. Overall, this thesis strengthened the use of vulnerability assessments as a tool to support adaptation by enhancing their scientific basis.
N2  - Die Anpassung von Sektoren an veränderte klimatische Bedingungen erfordert ein Verständnis von regionalen Vulnerabilitäten. Vulnerabilität ist als Funktion von Sensitivität und Exposition, welche potentielle Auswirkungen des Klimawandels darstellen, und der Anpassungsfähigkeit von Systemen definiert. Vulnerabilitätsstudien, die diese Komponenten quantifizieren, sind zu einem wichtigen Werkzeug in der Klimawissenschaft geworden. Allerdings besteht von der wissenschaftlichen Perspektive aus gesehen Uneinigkeit darüber, wie diese Definition in Studien umgesetzt werden soll. Ausdiesem Konflikt ergeben sich viele Herausforderungen, vor allem bezüglich der Quantifizierung und Aggregierung der einzelnen Komponenten und deren angemessenen Komplexitätsniveaus. Die vorliegende Dissertation hat daher zum Ziel die Anwendbarkeit des Vulnerabilitätskonzepts voranzubringen, indem es in eine systematische Struktur übersetzt wird. Dies beinhaltet alle Komponenten und schlägt für jede Klimaauswirkung (z.B. Sturzfluten) eine Beschreibung des vulnerablen Systems vor (z.B. Siedlungen), welches direkt mit einer bestimmten Richtung eines relevanten klimatischen Stimulus in Verbindung gebracht wird (z.B. stärkere Auswirkungen bei Zunahme der Starkregentage). Bezüglich der herausfordernden Prozedur der Aggregierung werden zwei alternative Methoden, die einen sektorübergreifenden Überblick ermöglichen, vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Anschließend wird die entwickelte Struktur einer Vulnerabilitätsstudie mittels eines indikatorbasierten und deduktiven Ansatzes beispielhaft für Gemeinden in Nordrhein-Westfalen in Deutschland angewandt. Eine Übertragbarkeit auf andere Regionen ist dennoch möglich. Die Quantifizierung für die Gemeinden stützt sich dabei auf Informationen aus der Literatur. Da für viele Sektoren keine geeigneten Indikatoren vorhanden waren, werden in dieser Arbeit neue Indikatoren entwickelt und angewandt, beispielsweise für den Forst- oder Gesundheitssektor. Allerdings stellen fehlende empirische Daten bezüglich relevanter Schwellenwerte eine Lücke dar, beispielsweise welche Stärke von Klimaänderungen eine signifikante Auswirkung hervorruft. Dies führt dazu, dass die Studie nur relative Aussagen zum Grad der Vulnerabilität jeder Gemeinde im Vergleich zum Rest des Bundeslandes machen kann. Um diese Lücke zu füllen, wird für den Forstsektor beispielhaft die heutige und zukünftige Sturmwurfgefahr von Wäldern berechnet. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften der Wälder mit empirischen Schadensdaten eines vergangenen Sturmereignisses in Verbindung gebracht. Der sich daraus ergebende Sensitivitätswert wird anschließend mit den Windverhältnissen verknüpft. Sektorübergreifende Vulnerabilitätsstudien erfordern beträchtliche Ressourcen, was oft deren Anwendbarkeit erschwert. In einem nächsten Schritt wird daher das Potential einer Vereinfachung der Komplexität anhand zweier sektoraler Beispiele untersucht. Um das Auftreten von Waldbränden vorherzusagen, stehen zahlreiche meteorologische Indices zur Verfügung, welche eine Spannbreite unterschiedlicher Komplexitäten aufweisen. Bezüglich der Anzahl monatlicher Waldbrände weist die relative Luftfeuchtigkeit für die meisten deutschen Bundesländer eine bessere Vorhersagekraft als komplexere Indices auf. Dies ist er Fall, obgleich sie selbst als Eingangsvariable für die komplexeren Indices verwendet wird. Mit Hilfe dieses einzelnen meteorologischen Faktors kann also die Waldbrandgefahr in deutschen Region ausreichend genau ausgedrückt werden, was die Ressourceneffizienz von Studien erhöht. Die Methodenkomplexität wird auf ähnliche Weise hinsichtlich der Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM für die Region Brandenburg untersucht. Die interannuellen Bodenwasserwerte, welche durch dieses Modell simuliert werden, können nur unzureichend durch ein einfacheres statistisches Modell, welches auf denselben Eingangsdaten aufbaut, abgebildet werden. Innerhalb eines Zeithorizonts von Jahrzehnten, kann der statistische Ansatz jedoch das Bodenwasser zufriedenstellend abbilden und zeigt eine Dominanz der Bodeneigenschaft Feldkapazität. Dies deutet darauf hin, dass die Komplexität im Hinblick auf die Anzahl der Eingangsvariablen für langfristige Berechnungen reduziert werden kann. Allerdings sind die Aussagen durch fehlende beobachtete Bodenwasserwerte zur Validierung beschränkt. Die vorliegenden Studien zur Vulnerabilität und ihren Komponenten haben gezeigt, dass eine Anwendung noch immer wissenschaftlich herausfordernd ist. Folgt man der hier verwendeten Vulnerabilitätsdefinition, treten zahlreiche Probleme bei der Implementierung in regionalen Studien auf. Mit dieser Dissertation wurden Fortschritte bezüglich der aufgezeigten Lücken bisheriger Studien erzielt, indem eine systematische Struktur für die Beschreibung und Aggregierung von Vulnerabilitätskomponenten erarbeitet wurde. Hierfür wurden mehrere Ansätze diskutiert, die jedoch Vor- und Nachteile besitzen. Diese sollten vor der Anwendung von zukünftigen Studien daher ebenfalls sorgfältig abgewogen werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Potential besteht einige Ansätze zu vereinfachen, jedoch sind hierfür weitere Untersuchungen nötig. Insgesamt konnte die Dissertation die Anwendung von Vulnerabilitätsstudien als Werkzeug zur Unterstützung von Anpassungsmaßnahmen stärken.
KW  - Klimawandel
KW  - Impakt
KW  - Vulnerabilität
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Boden
KW  - climate change
KW  - impact
KW  - vulnerability
KW  - forestry
KW  - soil
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Swierczynski, Tina
T1  - A 7000 yr runoff chronology from varved sediments of Lake Mondsee (Upper Austria)
T1  - Eine 7000-jährige Abflusschronologie anhand von warvierten Sedimenten des Mondsees (Oberösterreich)
N2  - The potential increase in frequency and magnitude of extreme floods is currently discussed in terms of global warming and the intensification of the hydrological cycle. The profound knowledge of past natural variability of floods is of utmost importance in order to assess flood risk for the future. Since instrumental flood series cover only the last ~150 years, other approaches to reconstruct historical and pre-historical flood events are needed. Annually laminated (varved) lake sediments are meaningful natural geoarchives because they provide continuous records of environmental changes > 10000 years down to a seasonal resolution. Since lake basins additionally act as natural sediment traps, the riverine sediment supply, which is preserved as detrital event layers in the lake sediments, can be used as a proxy for extreme discharge events. Within my thesis I examined a ~ 8.50 m long sedimentary record from the pre-Alpine Lake Mondsee (Northeast European Alps), which covered the last 7000 years. This sediment record consists of calcite varves and intercalated detrital layers, which range in thickness from 0.05 to 32 mm. Detrital layer deposition was analysed by a combined method of microfacies analysis via thin sections, Scanning Electron Microscopy (SEM), μX-ray fluorescence (μXRF) scanning and magnetic susceptibility. This approach allows characterizing individual detrital event layers and assigning a corresponding input mechanism and catchment. Based on varve counting and controlled by 14C age dates, the main goals of this thesis are (i) to identify seasonal runoff processes, which lead to significant sediment supply from the catchment into the lake basin and (ii) to investigate flood frequency under changing climate boundary conditions. This thesis follows a line of different time slices, presenting an integrative approach linking instrumental and historical flood data from Lake Mondsee in order to evaluate the flood record inferred from Lake Mondsee sediments. The investigation of eleven short cores covering the last 100 years reveals the abundance of 12 detrital layers. Therein, two types of detrital layers are distinguished by grain size, geochemical composition and distribution pattern within the lake basin. Detrital layers, which are enriched in siliciclastic and dolomitic material, reveal sediment supply from the Flysch sediments and Northern Calcareous Alps into the lake basin. These layers are thicker in the northern lake basin (0.1-3.9 mm) and thinner in the southern lake basin (0.05-1.6 mm). Detrital layers, which are enriched in dolomitic components forming graded detrital layers (turbidites), indicate the provenance from the Northern Calcareous Alps. These layers are generally thicker (0.65-32 mm) and are solely recorded within the southern lake basin. In comparison with instrumental data, thicker graded layers result from local debris flow events in summer, whereas thin layers are deposited during regional flood events in spring/summer. Extreme summer floods as reported from flood layer deposition are principally caused by cyclonic activity from the Mediterranean Sea, e.g. July 1954, July 1997 and August 2002. During the last two millennia, Lake Mondsee sediments reveal two significant flood intervals with decadal-scale flood episodes, during the Dark Ages Cold Period (DACP) and the transition from the Medieval Climate Anomaly (MCA) into the Little Ice Age (LIA) suggesting a linkage of transition to climate cooling and summer flood recurrences in the Northeastern Alps. In contrast, intermediate or decreased flood episodes appeared during the MWP and the LIA. This indicates a non-straightforward relationship between temperature and flood recurrence, suggesting higher cyclonic activity during climate transition in the Northeast Alps. The 7000-year flood chronology reveals 47 debris flows and 269 floods, with increased flood activity shifting around 3500 and 1500 varve yr BP (varve yr BP = varve years before present, before present = AD 1950). This significant increase in flood activity shows a coincidence with millennial-scale climate cooling that is reported from main Alpine glacier advances and lower tree lines in the European Alps since about 3300 cal. yr BP (calibrated years before present). Despite relatively low flood occurrence prior to 1500 varve yr BP, floods at Lake Mondsee could have also influenced human life in early Neolithic lake dwellings (5750-4750 cal. yr BP). While the first lake dwellings were constructed on wetlands, the later lake dwellings were built on piles in the water suggesting an early flood risk adaptation of humans and/or a general change of the Late Neolithic Culture of lake-dwellers because of socio-economic reasons. However, a direct relationship between the final abandonment of the lake dwellings and higher flood frequencies is not evidenced.
N2  - Ein verstärktes Auftreten von Hochwassern, sowohl in ihrer Häufigkeit als auch in ihrer Frequenz, wird im Zuge der Klimaerwärmung und einer möglichen Intensivierung des hydrologischen Kreislaufs diskutiert. Die Kenntnis über die natürliche Variabilität von Hochwasserereignissen ist dabei eine grundlegende Voraussetzung, um die Hochwassergefahr für die Zukunft abschätzen zu können. Da instrumentelle Hochwasserzeitreihen meist nur die letzten 150 Jahre abbilden sind andere Methoden erforderlich, um das Auftreten von historischen und prä-historischen Hochwassern festzustellen. Jährlich laminierte (warvierte) Seesedimente sind bedeutende natürliche Archive, denn sie liefern kontinuierliche Zeitreihen > 10000 Jahre mit einer bis zur saisonalen Auflösung. Seebecken stellen natürliche Sedimentfallen dar, wobei eingetragenes Flusssediment in den Seesedimenten als eine distinkte detritische Lage aufgezeichnet wird, und daher zur Rekonstruktion von extremen Abflussereignissen genutzt werden. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich einen 8.50 m langen Sedimentkern aus dem Mondsee (Nordostalpen) untersucht, welcher die letzten 7000 Jahre abdeckt. Dieser Sedimentkern besteht aus Kalzitwarven und eingeschalteten detritischen Lagen mit einer Mächtigkeit von 0.05-32 mm. Detritische Lagen wurden mit Hilfe einer kombinierten Methode untersucht: Mikrofaziesanalyse, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse (µXRF) und magnetische Suszeptibilität. Dieser Ansatz ermöglicht die Charakterisierung der einzelnen detritischen Lagen bezüglich der Eintragsprozesse und die Lokalisierung des Einzugsgebietes. Auf Grundlage der Warvenzählung und 14C Datierungen sind die wichtigsten Ziele dieser Arbeit: (i) die Identifizierung der Eintragsprozesse, welche zu einem Sedimenteintrag vom Einzugsgebiet bis in den See führen und (ii) die Rekonstruktion der Hochwasserfrequenz unter veränderten Klimabedingungen. Diese Arbeit zeigt eine Untersuchung auf verschiedenen Zeitscheiben, wobei instrumentelle und historische Daten genutzt werden, um die Aufzeichnung von pre-historischen Hochwasser in den Mondseesedimenten besser zu verstehen. Innerhalb der letzten 100 Jahre wurden zwölf Abflussereignisse aufgezeichnet. Zwei Typen von detritschen Lagen können anhand von Korngröße, geochemischer Zusammensetzung und des Verteilungsmusters unterschieden werden. Detritische Lagen, welche aus siliziklastischen und dolomitischen Material bestehen, zeigen eine Sedimentherkunft vom Teileinzugsgebiet des Flysch (nördliches Einzugsgebiet) und der Nördlichen Kalkalpen (südliches Teileinzugsgebiet) auf. Diese Lagen sind im Nördlichen Becken mächtiger (0.1-3.9 mm) als im südlichen Seebecken (0.05-1.6 mm). Detritische Lagen, welche nur aus dolomitischem Material bestehen und Turbititlagen aufzeigen (0.65-32 mm), weisen auf eine Herkunft aus den Nördlichen Kalkalpen hin. Im Vergleich mit instrumentellen Zeitreihen, stammen die mächtigeren Lagen von lokalen Murereignissen im Sommer und feinere Eintragslagen von regionalen Frühjahrs- und Sommerhochwassern. Extreme Sommerhochwasser am Mondsee werden hauptsächlich durch Zyklonen vom Mittelmeer ausgelöst, z.B. Juli 1954, Juli 1997 und August 2002. Die Untersuchung des langen Sedimentkerns vom Mondsee zeigt während der letzten 2000 Jahre signifikante Hochwasserintervalle mit dekadischen Hochwasserepisoden während der Völkerwanderungszeit und im Übergang vom Mittelalter in die Kleine Eiszeit. Dies weist auf eine Verknüpfung von Abkühlungsphasen und Sommerhochwassern im Nordostalpenraum hin. Während der Mittelalterlichen Wärmephase und in der Kleinen Eiszeit kam es jedoch zu einer geringeren Hochwasseraktivität. Dies zeigt einen komplexen Zusammenhang von Temperaturentwicklung und Hochwasseraktivität in den Nordostalpen, mit einer erhöhten Zyklonenaktivät in den Übergängen von wärmeren zu kälteren Phasen. Während der letzten 7000 Jahre wurden 47 Muren und 269 Hochwasser aufgezeichnet, wobei es eine signifikante Änderung mit erhöhter Häufigkeit um 3500 und 1500 Warvenjahre v. h. gab (v.h. = vor heute = AD 1950). Diese signifikante Änderung stimmt mit einem langfristigem Abkühlungstrend überein, welcher durch alpine Gletschervorstöße und das Absinken von Baumgrenzen seit etwa 3300 Warvenjahre v.h. berichtet wird. Trotz relativ geringer Hochwasseraktivität um 1500 Warvenjahre v.h., könnte das Auftreten von Hochwasser auch das Leben Menschen in Neolithischen Pfahlbausiedlungen (5750-4750 cal. yr BP) beeinflusst haben. Während die ersten Pfahlbauten noch als Feuchtbodensiedlungen am Land entstanden, wurden spätere Siedlungen eventuell als Anpassung an stark schwankenden Seewasserspiegeln auf Pfählen im Wasser gebaut und/oder zeigen eine allgemeine Veränderung der Siedlungsaktivitäten der Neolithischen Pfahlbaukultur an, aufgrund sozio-ökonomischer Veränderungen. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Verlassen der Pfahlbausiedlungen und einer erhöhten Hochwasseraktivität konnte jedoch nicht festgestellt werden.
KW  - Mondsee
KW  - Paläohochwasser
KW  - Seesedimente
KW  - Warven
KW  - Klimarekonstruktion
KW  - Mondsee
KW  - Paleofloods
KW  - Lake sediments
KW  - Warves
KW  - Climate reconstruction
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66702
ER  - 
TY  - THES
A1  - Amour, Frédéric
T1  - 3-D modeling of shallow-water carbonate systems : a scale-dependent approach based on quantitative outcrop studies
T1  - 3-D Modellierung von Flachwasser-Karbonat-Sytemen : eine skalenabhängige Herangehensweise basierend auf quantitativen Aufschlussstudien
N2  - The study of outcrop modeling is located at the interface between two fields of expertise, Sedimentology and Computing Geoscience, which respectively investigates and simulates geological heterogeneity observed in the sedimentary record. During the last past years, modeling tools and techniques were constantly improved. In parallel, the study of Phanerozoic carbonate deposits emphasized the common occurrence of a random facies distribution along single depositional domain. Although both fields of expertise are intrinsically linked during outcrop simulation, their respective advances have not been combined in literature to enhance carbonate modeling studies. The present study re-examines the modeling strategy adapted to the simulation of shallow-water carbonate systems, based on a close relationship between field sedimentology and modeling capabilities. In the present study, the evaluation of three commonly used algorithms Truncated Gaussian Simulation (TGSim), Sequential Indicator Simulation (SISim), and Indicator Kriging (IK), were performed for the first time using visual and quantitative comparisons on an ideally suited carbonate outcrop. The results show that the heterogeneity of carbonate rocks cannot be fully simulated using one single algorithm. The operating mode of each algorithm involves capabilities as well as drawbacks that are not capable to match all field observations carried out across the modeling area. Two end members in the spectrum of carbonate depositional settings, a low-angle Jurassic ramp (High Atlas, Morocco) and a Triassic isolated platform (Dolomites, Italy), were investigated to obtain a complete overview of the geological heterogeneity in shallow-water carbonate systems. Field sedimentology and statistical analysis performed on the type, morphology, distribution, and association of carbonate bodies and combined with palaeodepositional reconstructions, emphasize similar results. At the basin scale (x 1 km), facies association, composed of facies recording similar depositional conditions, displays linear and ordered transitions between depositional domains. Contrarily, at the bedding scale (x 0.1 km), individual lithofacies type shows a mosaic-like distribution consisting of an arrangement of spatially independent lithofacies bodies along the depositional profile. The increase of spatial disorder from the basin to bedding scale results from the influence of autocyclic factors on the transport and deposition of carbonate sediments. Scale-dependent types of carbonate heterogeneity are linked with the evaluation of algorithms in order to establish a modeling strategy that considers both the sedimentary characteristics of the outcrop and the modeling capabilities. A surface-based modeling approach was used to model depositional sequences. Facies associations were populated using TGSim to preserve ordered trends between depositional domains. At the lithofacies scale, a fully stochastic approach with SISim was applied to simulate a mosaic-like lithofacies distribution. This new workflow is designed to improve the simulation of carbonate rocks, based on the modeling of each scale of heterogeneity individually. Contrarily to simulation methods applied in literature, the present study considers that the use of one single simulation technique is unlikely to correctly model the natural patterns and variability of carbonate rocks. The implementation of different techniques customized for each level of the stratigraphic hierarchy provides the essential computing flexibility to model carbonate systems. Closer feedback between advances carried out in the field of Sedimentology and Computing Geoscience should be promoted during future outcrop simulations for the enhancement of 3-D geological models.
N2  - Das Modellieren von geologischen Aufschlüssen liegt der Schnittstelle zwischen zwei geo-logischen Teildisziplinen, der Sedimentologie und der geologischen Modellierung. Hierbei werden geologische Heterogenitäten untersucht und simuliert, welche im Aufschluss beobachtet wurden. Während der letzten Jahre haben sich die Werkzeuge und die Technik der Modellierung stetig weiter-entwickelt. Parallel dazu hat die Untersuchung der phanerozoischen Karbonatablagerungen ihren Fokus auf gemeinsamen Vorkommen von zufälligen Faziesverteilungen in beiden Ablagerungs-gebieten. Obwohl beide Teildisziplinen durch die Aufschlussmodellierung eigentlich verbunden sind, wurden ihre jeweiligen Vorteile in der Literatur nicht miteinander verbunden, um so eine Verbesserung ähnlicher Studien zu erreichen. Die vorliegende Studie überprüft erneut die Modellierungsstrategie, angepasst an die Simulation von Flachwasser-Karbonat-Systemen und basierend auf einer engen Beziehung zwischen Sedimentologie und Modellierung. Die vorliegende Arbeit behandelt erstmals die Evaluierung der drei am häufigsten verwendeten Algorithmen „Truncated Gaussian Simulation (TGSim)“, „Sequential Indicator Simulation (SISim)“ und „Indicator Kriging (IK)“, um sie visuell und quantitativ mit dem entsprechenden Aufschluss zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Heterogenität von Karbonatgesteinen nicht komplett mit nur einem Algorithmus simuliert werden kann. Die Eigenschaften jedes einzelnen Algorithmus beinhalten Vor- und Nachteile, sodass kein Algorithmus alle Beobachtungen aus dem Aufschluss widerspiegelt. Die zwei Endglieder im Spektrum der Ablagerungsbedingungen von Karbonaten, eine flachwinklige, jurassische Karbonat-Rampe (Hoher Atlas, Marokko) und eine isolierte, triassische Plattform (Dolomiten, Italien), wurden untersucht, um einen kompletten Überblick über die verschiedenen Heterogenitäten in Flachwasser-Karbonat- Systemen zu erhalten. Sedimentologische und statistische Analysen wurden für die verschiedenen Typen, Morphologien, Verteilungen und Assoziationen von Karbonatablagerungen durchgeführt und mit paläogeografischen Rekonstruktionen kombiniert und zeigen ähnliche Ergebnisse. Im Beckenmaßstab zeigen die Faziesassoziationen, bestehend aus Fazieszonen mit ähnlichen Ablagerungsbedingungen, einen linearen und kontinuierlichen Übergang zwischen den einzelnen Ablagerungsbereichen. Im Gegensatz dazu zeigt für einzelne Lithofaziestypen im Maßstab einzelner Schichten eine mosaikartige Verteilung, bestehend aus einer Anordnung räumlich unabhängiger Lithofazieszonen entlang des Ablagerungsprofils. Das Ansteigen der räumlichen Unordnung von der beckenweiten Ablagerung zur Ablagerung einzelner Schichten resultiert aus dem Einfluss autozyklischer Faktoren bei der Ablagerung von Karbonaten. Die Skalenabhängigkeit von Karbonat-Heterogenität ist mit der Auswertung der Algorithmen verknüpft um eine Modellierungsstrategie zu etablieren, welche sowohl die sedimentären Charakteristiken des Aufschlusses als auch die Modellierfähigkeit berücksichtigt. Für die Modellierung der Ablagerungssequenzen wurde ein flächenbasierter Ansatz verwendet. Die Faziesassoziationen wurden durch die Benutzung des TGSim-Algorithmus simuliert, um die regulären Trends zwischen den einzelnen Ablagerungsgebieten zu erhalten. Im Bereich der verschiedenen Lithofazien wurde mit dem SISim-Algorithmus, ein voll stochastischer Ansatz angewendet, um die mosaikartige Verteilung der Lithofazies-Typen zu simulieren. Dieser neue Arbeitsablauf wurde konzipiert, um die Simulierung von Karbonaten auf Basis der einzelnen Heterogenitäten in verschiedenen Größenordnungen zu verbessern. Im Gegensatz zu den in der Literatur angewendeten Simulationsmethoden berücksichtigt diese Studie, dass eine einzelne Modellierungstechnik die natürlichen Ablagerungsmuster und Variabilität von Karbonaten wahrscheinlich nicht korrekt abbildet. Die Einführung verschiedener Techniken, angepasst auf die verschiedenen Ebenen der stratigrafischen Hierarchie, liefert die notwendige Flexibilität um Karbonatsysteme korrekt zu modellieren. Eine enge Verknüpfung zwischen den Fortschritten auf dem Gebieten der Sedimentologie und dem Gebiet der modellierenden Geowissenschaften sollte weiterhin bestehen, um auch zukünftig bei der Simulation von geologischen Gelände-Aufschlüssen eine Verbesserung der 3-D-Modellierung zu erreichen.
KW  - Karbonat
KW  - 3-D Modellierung
KW  - Aufschluss-Modellierung
KW  - Quantitative Daten
KW  - Skala
KW  - Stochastischer Algorithmus
KW  - Carbonate
KW  - 3-D outcrop modeling
KW  - quantitative data
KW  - scale
KW  - stochastic algorithms
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66621
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hintersberger, Esther
T1  - The role of extension during the evolution of the NW Indian Himalaya
T1  - Extension und deren Bedeutung während der Entstehung des Himalajas im NW Indiens
N2  - The evolution of most orogens typically records cogenetic shortening and extension. Pervasive normal faulting in an orogen, however, has been related to late syn- and post-collisional stages of mountain building with shortening focused along the peripheral sectors of the orogen. While extensional processes constitute an integral part of orogenic evolution, the spatiotemporal characteristics and the kinematic linkage of structures related to shortening and extension in the core regions of the orogen are often not well known. Related to the India-Eurasia collision, the Himalaya forms the southern margin of the Tibetan Plateau and constitutes the most prominent Cenozoic type example of a collisional orogen. While thrusting is presently observed along the foothills of the orogen, several generations of extensional structures have been detected in the internal, high-elevation regions, both oriented either parallel or perpendicular to the strike of the orogen. In the NW Indian Himalaya, earthquake focal mechanisms, seismites and ubiquitous normal faulting in Quaternary deposits, and regional GPS measurements reveal ongoing E-W extension. In contrast to other extensional structures observed in the Himalaya, this extension direction is neither parallel nor perpendicular to the NE-SW regional shortening direction. In this study, I took advantage of this obliquity between the trend of the orogen and structures related to E-W oriented extension in order to address the question of the driving forces of different extension directions. Thus, extension might be triggered triggered by processes within the Tibetan Plateau or originates from the curvature of the Himalayan orogen. In order to elaborate on this topic, I present new fault-kinematic data based on systematic measurements of approximately 2000 outcrop-scale brittle fault planes with displacements of up to several centimeters that cover a large area of the NW Indian Himalaya. This new data set together with field observations relevant for relative chronology allows me to distinguish six different deformation styles. One of the main results are that the overall strain pattern derived from this data reflects the regionally important contractional deformation pattern very well, but also reveals significant extensional deformation. In total, I was able to identify six deformation styles, most of which are temporally and spatially linked and represent protracted shortening, but also significant extensional directions. For example, this is the first data set where a succession of both, arc-normal and E-W extension have been documented in the Himalaya. My observations also furnish the basis for a detailed overview of the younger extensional deformation history in the NW Indian Himalaya. Field and remote-sensing based geomorphic analyses, and geochronologic 40Ar/39Ar data on synkinematic muscovites along normal faults help elucidate widespread E-W extension in the NW Indian Himalaya which must have started at approximately 14-16 Ma, if not earlier. In addition, I documented and mapped fault scarps in Quaternary sedimentary deposits using satellite imagery and field inspection. Furthermore, I made field observations of regional normal faults, compiled structures from geological maps and put them in a regional context. Finally, I documented seismites in lake sediments close to the currently most active normal fault in the study area in order to extend the (paleo) seismic record of this particular fault. Taken together, this data sets document that E-W extension is the dominant active deformation style in the internal parts of the orogen. In addition, the combined field, geomorphic and remote-sensing data sets prove that E-W extension occurs in a much more larger region toward the south and west than the seismicity data have suggested. In conclusion, the data presented here reveal the importance of extension in a region, which is still dominated by ongoing collision and shortening. The regional fault distribution and cross-cutting relationships suggest that extension parallel and perpendicular to the strike of the orogen are an integral part of the southward propagation of the active thrust front and the associated lateral growth of the Himalayan arc. In the light of a wide range of models proposed for extension in the Himalaya and the Tibetan plateau, I propose that E-W extension in the NW Indian Himalaya is transferred from the Tibetan Plateau due the inability of the Karakorum fault (KF) to adequately accommodate ongoing E-W extension on the Tibetan Plateau. Furthermore, in line with other observations from Tibet, the onset of E-W normal faulting in the NW Himalaya may also reflect the attainment of high topography in this region, which generated crustal stresses conducive to spatially extensive extension.
N2  - Die Hauptaufgabe von MHC-kodierten Proteinen ist die Erkennung von körperfremden Molekülen sowie das Einleiten einer adäquaten Immunantwort, womit sie eine Schlüsselrolle im Immunsystem der Wirbeltiere einnehmen. Man nimmt an, dass ihre außergewöhnliche Vielfalt eine Antwort auf die sich ständig anpassenden Parasiten und Krankheitserreger ist, durch adaptive Selektion erhalten wird und dass die individuelle Allelausstattung einen Großteil der Parasitenbelastung erklärt, wofür bereits zahlreiche MHC-Studien Hinweise gefunden haben. Trotzdem ist unser Verständnis über die wirkenden Mechanismen teilweise noch lückenhaft. Ein stark vernachlässigter Aspekt hierbei sind z.B. eventuelle Unterschiede in der Genexpression der MHC-Allele und eine geringere Expression wäre gleichbedeutend mit einer geringeren Aktivierung des Immunsystems. Ich habe hierzu zwei frei lebende Kleinsäugerarten (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) unter natürlichen Selektionsbedingungen untersucht. Dabei habe ich neben der genotypischen Diversität von MHC-Genen auch deren Expression, sowie die Genexpression immunregulativer Zytokine mit in Betracht gezogen und in Relation zur individuellen Belastung mit gastrointestinalen Helminthen Das gleichzeitige Auftreten von Verkürzung und Dehnung (Extension) ist ein charakteristisches Kennzeichen bei der Bildung von Kollisionsgebirgen. Eine bis heute gängige These beinhaltet ein weit verbreitetes Auftreten von bschiebungen jedoch erst in späteren Stadien der Gebirgsbildung, bzw. nach deren Abschluÿ. Verkürzung ist hingegen während der gesamten Gebirgsbildung zu beobachten. Auch wenn Extensionsprozesse einen wesentlichen Bestandteil der Gebirgsbildung darstellen, ist deren räumlichen und zeitlichen Abfolge sowie ihre kinematische Kopplung zu Verkürzungstrukturen nur wenig gesichert. Der Himalaja, durch die Kollision von Indien und Eurasien entstanden, bildet den südlichen Rand des tibetischen Hochplateaus und stellt ein typisches aktives Kollisionsgebilde dar. Während heutzutage an der Gebirgsfront Überschiebungen beobachtet werden, können mehrere Generationen an Extensionsstrukturen in den hochgelegenen Regionen des Himalajas dokumentiert werden, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Gebirgsfront verlaufen. Im NW Indiens zeugen Erdbebendaten sowie regionale GPS-Daten von andauernder E-W-Extension. Im Gegensatz zu anderen im Himalaja beschriebenen Extensionsstrukturen ist diese Extensionsrichtung jedoch weder parallel noch senkrecht zur NE-SW orientierten regionalen Verkürzungsrichtung. In der vorliegenden Arbeit nutze ich diesen schiefen Winkel zwischen der Ausrichtung des Gebirges einerseits und den mit E-W-Extension assoziierten Strukturen andererseits, um mögliche Ursachen für verschiedene Extensionsarten differenzieren zu können. So könnte Extension entweder durch Prozesse innerhalb des tibetischen Hochplateaus gesteuert werden, oder durch die Krümmung des Himalajas, der bogenförmig verläuft. Um dies zu untersuchen, verwende ich einen neuen störungskinematischen Datensatz aus systematischen Messungen von ca. 2000 spröden Störungsflächen im Aufschlussmaßstab über den gesamten Bereich des Himalajas in NW Indien. Zusammen mit Geländebeobachtungen, aus denen eine relative Altersabfolge abgeleitet werden konnte, ermöglicht mir dieser Datensatz zwischen sechs einzelnen Deformationsarten zu differenzieren. Die meisten dieser Deformationsarten sind zeitlich und räumlich verbunden und zeigen fortschreitende Verkürzung an, gleichzeitig werden auch signifikante Extensionsrichtungen dokumentiert. Unter anderem kann ich hier zum ersten Mal eine separierte Abfolge von Extension parallel zum Himalaja-Bogen bzw. E-W-Extension dokumentieren. Ein weiteres Ziel dieser Studie ist es, einen detaillierten Überblick über die E-W-Extension im NW indischen Himalaja zu erhalten. Basierend auf Kartierung von jungen Bruchstufen sowie geomorphologische Auswertungen, 40Ar/39Ar-daten von synkinematisch gewachsenen Muskoviten auf Abschiebungen, sowie einer Kompilierung von eigene Geländebeobachtungen gröÿerer Abschiebungen mit schon publizierten Strukturen, konnte ich die räumliche Ausdehnung der E-W-Extension sowie deren zeitliche Einordnung als jüngstes Deformationsereignis belegen. Schlussendlich konnte ich anhand von Deformation in Seeablagerungen in der Nähe der momentan aktivsten Abschiebung im Untersuchungsgebiet den Nachweis an paläoseismologischen Ereignissen entlang dieser Störung ausweiten. Mit diesem Datensatz kann ich nachweisen, dass E-W-Extension in einem wesentlich ausgedehnteren Gebiet nach Süden und Westen hin auftritt, als bisher vorhandene Daten dies vermuten lassen, und dass E-W-Extension vor 14-16 Ma begann, wenn nicht sogar noch früher. Zusammenfassend bezeugen die hier präsentierten Daten die Relevanz von Extension in einer von Verkürzung geprägten Region. Die räumliche Verteilung von Störungen sowie Überschneidungskriterien lassen vermuten, dass Extension sowohl parallel wie auch senkrecht zum Himalaja-Bogen ein essentieller Teil des südwärts gerichteten Wanderns der aktiven Überschiebungsfront und des damit assoziierten lateralen Wachstums des Gebirges ist. Nach Abwägung der groÿen Bandbreite an Modellen für Extension im Himalaja und im tibetischen Hochplateau, bin ich der Meinung, dass E-W-Extension im NW indischen Himalaja ihren Ursprung im tibetischen Hochplateau hat. Grund dafür ist, dass die Bewegung entlang der Karakorum-Störung nicht ausreichend ist, um die fortdauernde E-W-Extension im tibetischen Hochplateau zu kompensieren. In Übereinstimmung mit anderen Beobachtungen in Tibet ist es auÿerdem möglich, dass das Einsetzen von E-W-Extension im NW Himalaja ebenfalls Erreichen der hohen Topographie in dieser Gegend widerspiegelt, durch die krustale Prozesse in Gang gesetzt werden, die wiederum zu räumlich ausgedehnten Extensionsprozessen führen können.. Anhand von Leber und Milzproben beider Arten habe ich die Methode der ‚real-time PCR‘ zur relativen Quantifizierung von mRNA im Labor etabliert. Bereits für die Labormaus etablierte PCR-Primersysteme wurden an beiden Arten getestet und so konnten stabile Referenzgene gefunden werden, die Grundvoraussetzung für zuverlässige Genexpressionsmessungen. Für D. sublineatus konnte gezeigt werden, dass Helminthenbefall eine typische Th2 Immunantwort induziert, und dass der Zytokin Il4 Gehalt mit Befallsintensität strongyler Nematoden zunimmt. Es wurde für D. sublineatus kein signifikanter Zusammenhang zwischen MHC Expression oder anderen Zytokinen mit Helminthenbefall gefunden. In A. flavicollis wurde ein negativer Zusammenhang zwischen haptischer MHC-Expression und dem parasitären Nematoden Heligmosomoides polygyrus festgestellt, was auf eine Immunvermeidungsstrategie des Nematoden hindeutet. Ich fand typische positive und negative Assoziationen zwischen MHC-Allelen und anderen Helminthenarten, sowie Zeichen eines positiven Selektionsdruckes auf den MHC-Sequenzen, was sich durch eine erhöhte Rate aminosäureverändernder Mutationen zeigte. Diese nicht-synonymen Veränderungen waren auf Positionen innerhalb des zweiten Exons des DRB-Genes beschränkt, wohingegen die untersuchten Bereiche des ersten und dritten Exons stark konserviert vorlagen. Diese variablen Positionen kodieren Schlüsselstellen im Bereich der Antigenbindungsstelle im MHC Molekül. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Genexpressionsstudien auch an Wildtieren durchgeführt und verlässliche Daten erzeugt werden können. Zusätzlich zur strukturellen Vielfalt sollten zukünftig auch mögliche Genexpressionsunterschiede bei MHC-Studien berücksichtigt werden, um ein kompletteres Bild der koevolutiven Wirt-Parasiten-Beziehungen zeichnen zu können. Dies ist vor allem dann von evolutiver Bedeutung, wenn die Parasiten in der Lage sind die MHC Expression aktiv zu beeinflussen. Die Studien konnten nicht die exakte Bedeutung von MHC-Genexpression in der antagonistischen Koevolution definieren, aber sie konnten zeigen dass diese Bedeutung stark von den jeweils beteiligten Partnern abzuhängen vermag.
KW  - NW Himalaja
KW  - Extension
KW  - Paläo-Strain-Berechnung
KW  - Neotektonik
KW  - NW Himalaya
KW  - extension
KW  - paleo-strain calculation
KW  - neotectonics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66179
ER  -