TY - GEN A1 - Tofelde, Stefanie A1 - Bufe, Aaron A1 - Turowski, Jens M. T1 - Hillslope Sediment Supply Limits Alluvial Valley Width T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1289 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572879 SN - 1866-8372 IS - 1289 ER - TY - JOUR A1 - Tofelde, Stefanie A1 - Bufe, Aaron A1 - Turowski, Jens M. T1 - Hillslope Sediment Supply Limits Alluvial Valley Width JF - AGU Advances N2 - River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021AV000641 SN - 2576-604X PB - American Geophysical Union (AGU); Wiley CY - Hoboken, New Jersey, USA ER - TY - GEN A1 - Arboleda-Zapata, Mauricio A1 - Angelopoulos, Michael A1 - Overduin, Pier Paul A1 - Grosse, Guido A1 - Jones, Benjamin M. A1 - Tronicke, Jens T1 - Exploring the capabilities of electrical resistivity tomography to study subsea permafrost T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Sea level rise and coastal erosion have inundated large areas of Arctic permafrost. Submergence by warm and saline waters increases the rate of inundated permafrost thaw compared to sub-aerial thawing on land. Studying the contact between the unfrozen and frozen sediments below the seabed, also known as the ice-bearing permafrost table (IBPT), provides valuable information to understand the evolution of sub-aquatic permafrost, which is key to improving and understanding coastal erosion prediction models and potential greenhouse gas emissions. In this study, we use data from 2D electrical resistivity tomography (ERT) collected in the nearshore coastal zone of two Arctic regions that differ in their environmental conditions (e.g., seawater depth and resistivity) to image and study the subsea permafrost. The inversion of 2D ERT data sets is commonly performed using deterministic approaches that favor smoothed solutions, which are typically interpreted using a user-specified resistivity threshold to identify the IBPT position. In contrast, to target the IBPT position directly during inversion, we use a layer-based model parameterization and a global optimization approach to invert our ERT data. This approach results in ensembles of layered 2D model solutions, which we use to identify the IBPT and estimate the resistivity of the unfrozen and frozen sediments, including estimates of uncertainties. Additionally, we globally invert 1D synthetic resistivity data and perform sensitivity analyses to study, in a simpler way, the correlations and influences of our model parameters. The set of methods provided in this study may help to further exploit ERT data collected in such permafrost environments as well as for the design of future field experiments. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1285 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571234 SN - 1866-8372 IS - 1285 SP - 4423 EP - 4445 ER - TY - JOUR A1 - Arboleda-Zapata, Mauricio A1 - Angelopoulos, Michael A1 - Overduin, Pier Paul A1 - Grosse, Guido A1 - Jones, Benjamin M. A1 - Tronicke, Jens T1 - Exploring the capabilities of electrical resistivity tomography to study subsea permafrost JF - The Cryosphere N2 - Sea level rise and coastal erosion have inundated large areas of Arctic permafrost. Submergence by warm and saline waters increases the rate of inundated permafrost thaw compared to sub-aerial thawing on land. Studying the contact between the unfrozen and frozen sediments below the seabed, also known as the ice-bearing permafrost table (IBPT), provides valuable information to understand the evolution of sub-aquatic permafrost, which is key to improving and understanding coastal erosion prediction models and potential greenhouse gas emissions. In this study, we use data from 2D electrical resistivity tomography (ERT) collected in the nearshore coastal zone of two Arctic regions that differ in their environmental conditions (e.g., seawater depth and resistivity) to image and study the subsea permafrost. The inversion of 2D ERT data sets is commonly performed using deterministic approaches that favor smoothed solutions, which are typically interpreted using a user-specified resistivity threshold to identify the IBPT position. In contrast, to target the IBPT position directly during inversion, we use a layer-based model parameterization and a global optimization approach to invert our ERT data. This approach results in ensembles of layered 2D model solutions, which we use to identify the IBPT and estimate the resistivity of the unfrozen and frozen sediments, including estimates of uncertainties. Additionally, we globally invert 1D synthetic resistivity data and perform sensitivity analyses to study, in a simpler way, the correlations and influences of our model parameters. The set of methods provided in this study may help to further exploit ERT data collected in such permafrost environments as well as for the design of future field experiments. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/tc-16-4423-2022 SN - 1994-0424 VL - 16 SP - 4423 EP - 4445 PB - Copernicus CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - GEN A1 - Atmani, Farid A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Smith, Taylor T1 - Measuring Vegetation Heights and Their Seasonal Changes in the Western Namibian Savanna Using Spaceborne Lidars T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) with its land and vegetation height data product (ATL08), and Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) with its terrain elevation and height metrics data product (GEDI Level 2A) missions have great potential to globally map ground and canopy heights. Canopy height is a key factor in estimating above-ground biomass and its seasonal changes; these satellite missions can also improve estimated above-ground carbon stocks. This study presents a novel Sparse Vegetation Detection Algorithm (SVDA) which uses ICESat-2 (ATL03, geolocated photons) data to map tree and vegetation heights in a sparsely vegetated savanna ecosystem. The SVDA consists of three main steps: First, noise photons are filtered using the signal confidence flag from ATL03 data and local point statistics. Second, we classify ground photons based on photon height percentiles. Third, tree and grass photons are classified based on the number of neighbors. We validated tree heights with field measurements (n = 55), finding a root-mean-square error (RMSE) of 1.82 m using SVDA, GEDI Level 2A (Geolocated Elevation and Height Metrics product): 1.33 m, and ATL08: 5.59 m. Our results indicate that the SVDA is effective in identifying canopy photons in savanna ecosystems, where ATL08 performs poorly. We further identify seasonal vegetation height changes with an emphasis on vegetation below 3 m; widespread height changes in this class from two wet-dry cycles show maximum seasonal changes of 1 m, possibly related to seasonal grass-height differences. Our study shows the difficulties of vegetation measurements in savanna ecosystems but provides the first estimates of seasonal biomass changes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1275 KW - ICESat-2 KW - GEDI KW - canopy height KW - lidar KW - savanna Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569915 SN - 1866-8372 IS - 1275 ER - TY - JOUR A1 - Atmani, Farid A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Smith, Taylor T1 - Measuring vegetation heights and their seasonal changes in the Western Namibian Savanna using spaceborne lidars JF - Remote sensing / Molecular Diversity Preservation International (MDPI) N2 - The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) with its land and vegetation height data product (ATL08), and Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) with its terrain elevation and height metrics data product (GEDI Level 2A) missions have great potential to globally map ground and canopy heights. Canopy height is a key factor in estimating above-ground biomass and its seasonal changes; these satellite missions can also improve estimated above-ground carbon stocks. This study presents a novel Sparse Vegetation Detection Algorithm (SVDA) which uses ICESat-2 (ATL03, geolocated photons) data to map tree and vegetation heights in a sparsely vegetated savanna ecosystem. The SVDA consists of three main steps: First, noise photons are filtered using the signal confidence flag from ATL03 data and local point statistics. Second, we classify ground photons based on photon height percentiles. Third, tree and grass photons are classified based on the number of neighbors. We validated tree heights with field measurements (n = 55), finding a root-mean-square error (RMSE) of 1.82 m using SVDA, GEDI Level 2A (Geolocated Elevation and Height Metrics product): 1.33 m, and ATL08: 5.59 m. Our results indicate that the SVDA is effective in identifying canopy photons in savanna ecosystems, where ATL08 performs poorly. We further identify seasonal vegetation height changes with an emphasis on vegetation below 3 m; widespread height changes in this class from two wet-dry cycles show maximum seasonal changes of 1 m, possibly related to seasonal grass-height differences. Our study shows the difficulties of vegetation measurements in savanna ecosystems but provides the first estimates of seasonal biomass changes. KW - ICESat-2 KW - GEDI KW - canopy height KW - lidar KW - savanna Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/rs14122928 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 12 SP - 1 EP - 20 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz ET - 12 ER - TY - THES A1 - Esfahani, Reza Dokht Dolatabadi T1 - Time-dependent monitoring of near-surface and ground motion modelling: developing new data processing approaches based on Music Information Retrieval (MIR) strategies N2 - Seismology, like many scientific fields, e.g., music information retrieval and speech signal pro- cessing, is experiencing exponential growth in the amount of data acquired by modern seismo- logical networks. In this thesis, I take advantage of the opportunities offered by "big data" and by the methods developed in the areas of music information retrieval and machine learning to predict better the ground motion generated by earthquakes and to study the properties of the surface layers of the Earth. In order to better predict seismic ground motions, I propose two approaches based on unsupervised deep learning methods, an autoencoder network and Generative Adversarial Networks. The autoencoder technique explores a massive amount of ground motion data, evaluates the required parameters, and generates synthetic ground motion data in the Fourier amplitude spectra (FAS) domain. This method is tested on two synthetic datasets and one real dataset. The application on the real dataset shows that the substantial information contained within the FAS data can be encoded to a four to the five-dimensional manifold. Consequently, only a few independent parameters are required for efficient ground motion prediction. I also propose a method based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN) for simulating ground motion records in the time-frequency and time domains. CGAN generates the time-frequency domains based on the parameters: magnitude, distance, and shear wave velocities to 30 m depth (VS30). After generating the amplitude of the time-frequency domains using the CGAN model, instead of classical conventional methods that assume the amplitude spectra with a random phase spectrum, the phase of the time-frequency domains is recovered by minimizing the observed and reconstructed spectrograms. In the second part of this dissertation, I propose two methods for the monitoring and characterization of near-surface materials and site effect analyses. I implement an autocorrelation function and an interferometry method to monitor the velocity changes of near-surface materials resulting from the Kumamoto earthquake sequence (Japan, 2016). The observed seismic velocity changes during the strong shaking are due to the non-linear response of the near-surface materials. The results show that the velocity changes lasted for about two months after the Kumamoto mainshock. Furthermore, I used the velocity changes to evaluate the in-situ strain-stress relationship. I also propose a method for assessing the site proxy "VS30" using non-invasive analysis. In the proposed method, a dispersion curve of surface waves is inverted to estimate the shear wave velocity of the subsurface. This method is based on the Dix-like linear operators, which relate the shear wave velocity to the phase velocity. The proposed method is fast, efficient, and stable. All of the methods presented in this work can be used for processing "big data" in seismology and for the analysis of weak and strong ground motion data, to predict ground shaking, and to analyze site responses by considering potential time dependencies and nonlinearities. KW - ground motion modeling KW - machine learning KW - near-surface monitoring KW - imaging KW - generative model KW - surface wave Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567671 ER - TY - THES A1 - Schuster, Valerian T1 - Mechanical and hydraulic properties of Opalinus Clay T1 - Mechanische und hydraulische Eigenschaften von Opalinuston BT - influence of compositional heterogeneity and thermodynamic boundary conditions BT - Einfluss von kompositorischer Heterogenität und thermodynamischen Randbedingungen N2 - Deep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties. Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents the results of deformation experiments performed on intact and artificially fractured specimens of the quartz-rich, sandy and clay-rich, shaly facies of OPA. The experiments focus on the influence of mineralogical composition on the deformation behavior as well as the reactivation and sealing properties of pre-existing faults and fractures at different boundary conditions (e.g., pressure, temperature, strain rate). The anisotropic mechanical properties of the sandy facies of OPA are presented in the first section, which were determined from triaxial deformation experiments using dried and resaturated samples loaded at 0°, 45° and 90° to the bedding plane orientation. A Paterson-type deformation apparatus was used that allowed to investigate how the deformation behavior is influenced by the variation of confining pressure (50 – 100 MPa), temperature (25 – 200 °C), and strain rate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1). Constant strain rate experiments revealed brittle to semi-brittle deformation behavior of the sandy facies at the applied conditions. Deformation behavior showed a strong dependence on confining pressure, degree of water saturation as well as bedding orientation, whereas the variation of temperature and strain rate had no significant effect on deformation. Furthermore, the sandy facies displays higher strength and stiffness compared to the clay-rich shaly facies deformed at similar conditions by Nüesch (1991). From the obtained results it can be concluded that cataclastic mechanisms dominate the short-term deformation behavior of dried samples from both facies up to elevated pressure (<200 MPa) and temperature (<200 °C) conditions. The second part presents triaxial deformation tests that were performed to investigate how structural discontinuities affect the deformation behavior of OPA and how the reactivation of preexisting faults is influenced by mineral composition and confining pressure. To this end, dried cylindrical samples of the sandy and shaly facies of OPA were used, which contained a saw-cut fracture oriented at 30° to the long axis. After hydrostatic pre-compaction at 50 MPa, constant strain rate deformation tests were performed at confining pressures of 5, 20 or 35 MPa. With increasing confinement, a gradual transition from brittle, highly localized fault slip including a stress drop at fault reactivation to semi-brittle deformation behavior, characterized by increasing delocalization and non-linear strain hardening without dynamic fault reactivation, can be observed. Brittle localization was limited by the confining pressure at which the fault strength exceeded the matrix yield strength, above which strain partitioning between localized fault slip and distributed matrix deformation occurred. The sandy facies displayed a slightly higher friction coefficient (≈0.48) compared to the shaly facies (≈0.4). In addition, slide-hold-slide tests were conducted, revealing negative or negligible frictional strengthening, which suggests stable creep and long-term weakness of faults in both facies of OPA. The conducted experiments demonstrate that dilatant brittle fault reactivation in OPA may be favored at high overconsolidation ratios and shallow depths, increasing the risk of seismic hazard and the creation of fluid pathways. The final section illustrates how the sealing capacity of fractures in OPA is affected by mineral composition. Triaxial flow-through experiments using Argon-gas were performed with dried samples from the sandy and shaly facies of OPA containing a roughened, artificial fracture. Slate, graywacke, quartzite, natural fault gouge, and granite samples were also tested to highlight the influence of normal stress, mineralogy and diagenesis on the sustainability of fracture transmissivity. With increasing normal stress, a non-linear decrease of fracture transmissivity can be observed that resulted in a permanent reduction of transmissivity after stress release. The transmissivity of rocks with a high portion of strong minerals (e.g., quartz) and high unconfined compressive strength was less sensitive to stress changes. In accordance with this, the sandy facies of OPA displayed a higher initial transmissivity that was less sensitive to stress changes compared to the shaly facies. However, transmissivity of rigid slate was less sensitive to stress changes than the sandy facies of OPA, although the slate is characterized by a higher phyllosilicate content. This demonstrates that in addition to mineral composition, other factors such as the degree of metamorphism, cementation and consolidation have to be considered when evaluating the sealing capacity of phyllosilicate-rich rocks. The results of this thesis highlighted the role of confining pressure on the failure behavior of intact and artificially fractured OPA. Although the quartz-rich sandy facies may be considered as being more favorable for underground constructions due to its higher shear strength and stiffness than the shaly facies, the results indicate that when fractures develop in the sandy facies, they are more conductive and remain more permeable compared to fractures in the clay-dominated shaly facies at a given stress. The results may provide the basis for constitutive models to predict the integrity and evolution of a future repository. Clearly, the influence of composition and consolidation, e.g., by geological burial and uplift, on the mechanical sealing behavior of OPA highlights the need for a detailed site-specific material characterization for a future repository. N2 - Geologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eine verbesserte Beurteilung des wirksamen Einschlusses sowie der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers in OPA ermöglichen. Vor diesem Hintergrund präsentiert diese Arbeit die Ergebnisse von triaxialen Verformungsexperimenten, die an intakten und künstlich gestörten Proben der quarzreichen, sandigen sowie tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden sind. Ein besonderer Fokus ist hierbei auf den Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung auf das Verformungsverhalten sowie die Reaktivierungs- und Abdichtungseigenschaften von bereits bestehenden Scherzonen und Rissen bei unterschiedlichen Randbedingungen (z. B. Druck, Temperatur, Dehnungsrate) gelegt worden. Im ersten Abschnitt werden die anisotropen mechanischen Eigenschaften der sandigen Fazies von OPA vorgestellt. Hierfür sind triaxiale Verformungsexperimente an getrockneten und wassergesättigten Proben durchgeführt worden, die in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur relativ zur vorhandenen Schichtung belastet worden sind. Mittels einer Paterson Gasdruckapparatur ist der Einfluss von Mantelspannung (50 – 100 MPa), Temperatur (25 – 200 °C) und Verformungsrate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1) auf das Deformationsverhalten untersucht worden. Die Experimente zeigen ein sprödes bis halbsprödes Verformungsverhalten der sandigen Fazies, wobei ein deutlicher Einfluss von Manteldruck, Wassersättigung sowie Schichtungsorientierung festgestellt werden konnte. Im Gegensatz dazu zeigt die Änderung von Temperatur und Verformungsrate keinen signifikanten Einfluss auf das Deformationsverhalten und die Festigkeitseigenschaften der sandigen Fazies. Verglichen mit der tonigen Fazies (Nüesch 1991) weist die sandige Fazies des OPA eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das kurzfristige Verformungsverhalten getrockneter Proben beider Faziestypen bis zu erhöhten Druck- (<200 MPa) und Temperaturbedingungen (<200 °C) von kataklastischen Deformationsmechanismen dominiert wird. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse von triaxialen Deformationsexperimenten beschrieben, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss von bereits bestehenden Störungen auf das Verformungsverhalten von OPA zu untersuchen und wie die Reaktivierung von Scherflächen durch die Mineralzusammensetzung und den Manteldruck beeinflusst wird. Dazu sind getrocknete zylindrische Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA verwendet worden, die zuvor in einem Winkel von 30° zur Längsachse halbiert worden sind. Nach einer hydrostatischen Vorkonsolidierung bei 50 MPa Druck, sind die Proben bei einer konstanten axialen Verformungsrate und Mantelspannungen von 5, 20 und 35 MPa deformiert worden. Bei niedriger Mantelspannung wird die Reaktivierung der Scherfläche durch einen Spannungsabfall eingeleitet, wobei weitere Verformung durch stark lokalisierte Scherung aufgenommen wird. Mit zunehmender Mantelspannung kann ein Übergang zu halbsprödem Verformungsverhalten beobachtet werden, das durch einen zunehmenden Anteil von Matrixdeformation ohne dynamische Verwerfungsreaktivierung gekennzeichnet ist. Dabei weist die sandige Fazies einen höheren Reibungskoeffizienten (≈0,48) als die tonige Fazies (≈0,4) auf. Die Experimente zeigen, dass spröde Reaktivierung der Scherfläche bis zu einer Mantelspannung erfolgt, ab der die Scherfestigkeit der künstlichen Störung die Fließspannung der Matrix übersteigt. Entsprechend beginnt mit weiter ansteigender Mantelspannung die Partitionierung von Deformation in Scherung und Matrixverformung. Relaxations- und Wiederbelastungstests (Slide-Hold-Slide) zeigen negative bzw. vernachlässigbare Reibungsverheilung auf, was auf eine geringe Wiederverfestigung und folglich aseismisches Kriechen als Langzeitverhalten von Scherzonen in OPA hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass die spröde Reaktivierung von Scherzonen in OPA durch eine starke Überkonsolidierung und in geringen Tiefen begünstigt werden kann, was das Risiko von Seismizität und die Bildung hydraulischer Fließwege erhöht. Der letzte Abschnitt veranschaulicht, wie die Transmissivität von Rissen in OPA von der wirkenden Normalspannung und Mineralzusammensetzung beeinflusst wird. Hierfür sind triaxiale Durchströmungsexperimente an getrockneten Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden, die eine künstlich angeraute Rissfläche enthielten. Um den Einfluss von Normalspannung, Mineralogie und Diagenese auf die hydraulische Rissverschließung zu untersuchen, sind darüber hinaus auch Risse in Schiefer, Grauwacke, Quarzit, Proben aus natürlichen Störungszonen und Granit getestet worden. Mit zunehmender Normalspannung konnte eine nichtlineare Abnahme der Risstransmissivität beobachtet werden, die nach Entlastung zu einer irreversiblen Reduktion der Transmissivität führt. Die Transmissivität von Gesteinen, die durch einen hohen Anteil mechanisch fester Minerale (z.B. Quarz) sowie einer hohen einaxialen Druckfestigkeit charakterisiert werden, reagieren robuster auf Spannungsänderungen. Dementsprechend zeigt die sandige Fazies von OPA im Vergleich zur tonigen Fazies eine höhere initale Risstransmissivität, die weniger empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Obwohl die sandige Fazies im Vergleich zu der untersuchten Schieferprobe einen niedrigeren Schichtsilikatgehalt aufweist, reagiert die Risstransmissivität des Schiefers deutlich geringer auf Spannungsänderungen. Aus den Experimenten kann abgeleitet werden, dass für die Bewertung der hydraulischen Rissverschließung in schichtsilikatreichen Gesteinen neben der mineralischen Zusammensetzung weitere Faktoren, wie der Grad der Metamorphose sowie Zementierung und Konsolidierung, berücksichtigt werden müssen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichten die Rolle der Mantelspannung auf das Deformationsverhalten von intaktem und künstlich gestörten OPA. Obwohl die quarzreiche sandige Fazies von OPA aufgrund ihrer höheren Scherfestigkeit und Steifigkeit als günstiger für die Konstruktion von Untertagebauwerken angesehen werden kann, weisen die präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften mit einer Verringerung der hydraulischen Abdichtungskapazität verbunden sind, d.h. wenn sich Risse in der sandigen Fazies entwickeln, sind diese hydraulisch leitfähiger und bleiben durchlässiger im Vergleich zu Rissen in der tonigen Fazies bei einer gegebenen Spannung. Die Ergebnisse können die Grundlage für die Entwicklung konstitutiver Modelle bilden, die zur Einschätzung der Integrität eines zukünftigen Endlagers herangezogen werden können. Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Konsolidierung auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von OPA zeigen die Notwendigkeit einer detaillierten, standortspezifischen Materialcharakterisierung für ein zukünftiges Endlager. KW - Opalinus Clay KW - triaxial deformation experiments KW - microstructural deformation mechanisms KW - fault reactivation KW - fracture transmissivity KW - Opalinuston KW - Reaktivierung von Störungszonen KW - Risstransmissivität KW - Mikrostrukturelle KW - Deformationsmechanismen KW - triaxiale Deformationsexperimente Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566786 ER - TY - GEN A1 - Heistermann, Maik A1 - Bogena, Heye A1 - Francke, Till A1 - Güntner, Andreas A1 - Jakobi, Jannis A1 - Rasche, Daniel A1 - Schrön, Martin A1 - Döpper, Veronika A1 - Fersch, Benjamin A1 - Groh, Jannis A1 - Patil, Amol A1 - Pütz, Thomas A1 - Reich, Marvin A1 - Zacharias, Steffen A1 - Zengerle, Carmen A1 - Oswald, Sascha T1 - Soil moisture observation in a forested headwater catchment: combining a dense cosmic-ray neutron sensor network with roving and hydrogravimetry at the TERENO site Wüstebach T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) has become an effective method to measure soil moisture at a horizontal scale of hundreds of metres and a depth of decimetres. Recent studies proposed operating CRNS in a network with overlapping footprints in order to cover root-zone water dynamics at the small catchment scale and, at the same time, to represent spatial heterogeneity. In a joint field campaign from September to November 2020 (JFC-2020), five German research institutions deployed 15 CRNS sensors in the 0.4 km2 Wüstebach catchment (Eifel mountains, Germany). The catchment is dominantly forested (but includes a substantial fraction of open vegetation) and features a topographically distinct catchment boundary. In addition to the dense CRNS coverage, the campaign featured a unique combination of additional instruments and techniques: hydro-gravimetry (to detect water storage dynamics also below the root zone); ground-based and, for the first time, airborne CRNS roving; an extensive wireless soil sensor network, supplemented by manual measurements; and six weighable lysimeters. Together with comprehensive data from the long-term local research infrastructure, the published data set (available at https://doi.org/10.23728/b2share.756ca0485800474e9dc7f5949c63b872; Heistermann et al., 2022) will be a valuable asset in various research contexts: to advance the retrieval of landscape water storage from CRNS, wireless soil sensor networks, or hydrogravimetry; to identify scale-specific combinations of sensors and methods to represent soil moisture variability; to improve the understanding and simulation of land–atmosphere exchange as well as hydrological and hydrogeological processes at the hillslope and the catchment scale; and to support the retrieval of soil water content from airborne and spaceborne remote sensing platforms. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1272 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567756 SN - 1866-8372 IS - 1272 SP - 2501 EP - 2519 ER - TY - BOOK A1 - Trauth, Martin H. T1 - Python Recipes for Earth Sciences T3 - Springer Textbooks in Earth Sciences, Geography and Environment N2 - Python is used in a wide range of geoscientific applications, such as in processing images for remote sensing, in generating and processing digital elevation models, and in analyzing time series. This book introduces methods of data analysis in the geosciences using Python that include basic statistics for univariate, bivariate, and multivariate data sets, time series analysis, and signal processing; the analysis of spatial and directional data; and image analysis. The text includes numerous examples that demonstrate how Python can be used on data sets from the earth sciences. The supplementary electronic material (available online through Springer Link) contains the example data as well as recipes that include all the Python commands featured in the book. KW - computational geosciences KW - geoinformatics KW - geostatistics KW - mathematical geology KW - geomodeling KW - digital elevation models KW - climate time series analysis Y1 - 2022 SN - 978-3-031-07719-7 SN - 978-3-031-07718-0 SN - 978-3-031-07720-3 SN - 978-3-031-07721-0 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-031-07719-7 SN - 2510-1307 SN - 2510-1315 PB - Springer CY - Cham ER - TY - THES A1 - Jongejans, Loeka Laura T1 - Organic matter stored in ice-rich permafrost T1 - Ablagerung von organischem Kohlenstoff in eisreichem Permafrost BT - future permafrost thaw and greenhouse gas release BT - zukünftige Permafrosttauen und Treibhausgasemissionen N2 - The Arctic is changing rapidly and permafrost is thawing. Especially ice-rich permafrost, such as the late Pleistocene Yedoma, is vulnerable to rapid and deep thaw processes such as surface subsidence after the melting of ground ice. Due to permafrost thaw, the permafrost carbon pool is becoming increasingly accessible to microbes, leading to increased greenhouse gas emissions, which enhances the climate warming. The assessment of the molecular structure and biodegradability of permafrost organic matter (OM) is highly needed. My research revolves around the question “how does permafrost thaw affect its OM storage?” More specifically, I assessed (1) how molecular biomarkers can be applied to characterize permafrost OM, (2) greenhouse gas production rates from thawing permafrost, and (3) the quality of OM of frozen and (previously) thawed sediments. I studied deep (max. 55 m) Yedoma and thawed Yedoma permafrost sediments from Yakutia (Sakha Republic). I analyzed sediment cores taken below thermokarst lakes on the Bykovsky Peninsula (southeast of the Lena Delta) and in the Yukechi Alas (Central Yakutia), and headwall samples from the permafrost cliff Sobo-Sise (Lena Delta) and the retrogressive thaw slump Batagay (Yana Uplands). I measured biomarker concentrations of all sediment samples. Furthermore, I carried out incubation experiments to quantify greenhouse gas production in thawing permafrost. I showed that the biomarker proxies are useful to assess the source of the OM and to distinguish between OM derived from terrestrial higher plants, aquatic plants and microbial activity. In addition, I showed that some proxies help to assess the degree of degradation of permafrost OM, especially when combined with sedimentological data in a multi-proxy approach. The OM of Yedoma is generally better preserved than that of thawed Yedoma sediments. The greenhouse gas production was highest in the permafrost sediments that thawed for the first time, meaning that the frozen Yedoma sediments contained most labile OM. Furthermore, I showed that the methanogenic communities had established in the recently thawed sediments, but not yet in the still-frozen sediments. My research provided the first molecular biomarker distributions and organic carbon turnover data as well as insights in the state and processes in deep frozen and thawed Yedoma sediments. These findings show the relevance of studying OM in deep permafrost sediments. N2 - Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Erde, was zum tauen des dortigen Permafrosts führt. Eisreicher Permafrost, wie der spätpleistozäne Yedoma, ist besonders anfällig für schnelle und tiefe Auftauprozesse infolge von Absenkungen der Oberfläche nach dem Schmelzen des Grundeises. Durch das Auftauen des Permafrosts wird der im Permafrost gespeicherte Kohlenstoff für Mikroben zunehmend zugänglich, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt und die Klimaerwärmung verstärkt. Die Untersuchung der molekularen Struktur und der biologischen Abbaubarkeit von organischem Material (OM) im Permafrost ist dringend erforderlich. In meiner Forschung geht es um die zentrale Frage inwieweit das Auftauen des Permafrost die Speicherfähigkeit von OM beeinflusst. Insbesondere untersuchte ich (1) wie molekulare Biomarker bei der Charakterisierung von Permafrost-OM verwendet werden können, (2) Treibhausgasproduktionsraten in auftauendem Permafrost und (3) die Qualität von OM in gefrorenen und (vorher) aufgetauten Sedimenten. Dazu habe ich tiefe (bis zu 55 m) Yedoma und aufgetaute Yedoma Permafrostsedimente aus Jakutien (Republik Sacha) untersucht. Es wurden Sedimentkerne unter Thermokarstseen auf der Bykovsky-Halbinsel (südöstlich des Lenadeltas) und im Yukechi-Alas (Zentraljakutien) entnommen, und deren Biomarkerkonzentrationen gemessen. Desweiteren wurden Bodenproben von der Permafrostklippe Sobo-Sise (Lenadelta) und der Taurutschung Batagai (Jana-Hochland) genommen und untersucht. Darüber hinaus habe ich Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Treibhausgasproduktion in auftauenden Permafrost zu quantifizieren. Ich habe gezeigt, dass Biomarker-Proxies nützlich sind, um die Quelle des OM zu ermitteln und zwischen OM aus Landpflanzen, Wasserpflanzen und mikrobieller Aktivität zu unterscheiden. Außerdem sind einige Proxies hilfreich, den Abbaugrad von Permafrost-OM zu beurteilen. Dies trifft insbesondere in Kombination mit sedimentologischen Daten in einem Multi-Proxy-Ansatz. Ich zeigte dass der OM von Yedoma im Allgemeinen besser erhalten ist als der von aufgetauten Yedoma-Sedimenten. Die Treibhausgasproduktion in den erstmalig auftauenden Permafrostsedimenten war am höchsten. Dies bedeutet, dass die gefrorenen Yedoma-Sedimente das meiste labile OM enthielten. Außerdem zeigte ich, dass sich die methanproduzierenden Gemeinschaften in den frisch aufgetauten Sedimenten etabliert hatten, jedoch nicht in den noch gefrorenen Sedimenten. Meiner Forschung hat die ersten molekularen Biomarkerverteilungen und Kohlenstoffumsatzdaten geliefert und Einsichten in den Zustand und Prozesse von gefrorenen und aufgetauten Yedoma-Sedimenten geschaffen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Relevanz der Untersuchung von OM in tiefen Permafrostsedimenten. N2 - Het Noordpoolgebied verandert snel en permafrost ontdooit. Met name ijsrijke permafrost, zoals Yedoma uit het laat Pleistoceen, is gevoelig voor snelle en diepe dooiprocessen als gevolg van bodemdaling na het smelten van bodemijs. Door het ontdooien van permafrost wordt het permafrostkoolstofreservoir beter toegankelijk voor microben, wat tot verhoogde broeikasgasemissies leidt en de klimaatopwarming versterkt. Het is van groot belang om de moleculaire structuur en de biologische afbreekbaarheid van organisch materiaal (OM) in permafrost vast te leggen. Mijn onderzoek draait om de vraag "hoe beinvloedt permafrostdooi de OM-opslag?" Specifiek heb ik onderzocht (1) hoe moleculaire biomarkers kunnen worden gebruikt om permafrost-OM te karakteriseren, (2) wat broeikasgasproductiesnelheden in ontdooiende permafrost zijn en (3) wat de kwaliteit is van het OM in bevroren en (eerder) ontdooide sedimenten. Ik heb diepe (max. 55 m) Yedoma en ontdooide Yedoma permafrostsedimenten uit Jakoetië (republiek Sacha) onderzocht. Sedimentkernen zijn genomen onder thermokarstmeren op het Bykovsky schiereiland (ten zuidoosten van de Lenadelta) en in de Yukechi Alas (centraal Jakoetië). Ook zijn bodemmonsters genomen van de permafrostklif Sobo-Sise (Lenadelta) en de zogenaamde thaw slump Batagai (Jana-hoogvlakte). In alle monsters heb ik de biomarkerconcentraties gemeten. Ook heb ik incubatie-experimenten uitgevoerd om de broeikasgasproductie in ontdooiende permafrost te kwantificeren. Mijn onderzoek wijst uit dat de biomarkerproxies nuttig zijn bij het vaststellen van de bron van het OM en om onderscheid te kunnen maken tussen OM van landplanten, waterplanten en OM afkomstig van microbiële activiteit. Daarnaast heb ik aangetoond dat sommige proxies nuttig zijn om de mate van degradatie van het OM vast te stellen, vooral in combinatie met sedimentologische data in een multi-proxy-benadering. Het blijkt dat het OM in Yedoma over het algemeen beter bewaard gebleven is dan het OM in ontdooide Yedoma-sedimenten. De broeikasgasproductie bleek het hoogst in de voor het eerst ontdooide permafrostsedimenten, wat betekent dat de bevroren Yedoma-sedimenten het meeste labiele OM bevatten. Bovendien heb ik aangetoond dat de methaan-producerende gemeenschappen zich wel in de recentelijk ontdooide sedimenten hebben gevestigd, maar nog niet in de nog bevroren sedimenten. Mijn onderzoek heeft de eerste moleculaire biomarker- en koolstofomzetdata en inzichten opgeleverd in de toestand en processen van diepe, bevroren en ontdooide Yedoma-sedimenten. Deze resultaten tonen de relevantie van het bestuderen van OM in diepe permafrostsedimenten. KW - permafrost sediments KW - organic matter KW - molecular biomarkers KW - anaerobic incubation experiments KW - Russian Arctic KW - Permafrostsedimente KW - organisches Material KW - molekulare Biomarker KW - anaerobe Inkubationensexperimente KW - russische Arktis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564911 ER - TY - THES A1 - Spallanzani, Roberta T1 - Li and B in ascending magmas: an experimental study on their mobility and isotopic fractionation T1 - Li und B in aufsteigenden Magmen: eine experimentelle Studie über ihre Mobilität und Isotopenfraktionierung N2 - This research study focuses on the behaviour of Li and B during magmatic ascent, and decompression-driven degassing related to volcanic systems. The main objective of this dissertation is to determine whether it is possible to use the diffusion properties of the two trace elements as a tool to trace magmatic ascent rate. With this objective, diffusion-couple and decompression experiments have been performed in order to study Li and B mobility in intra-melt conditions first, and then in an evolving system during decompression-driven degassing. Synthetic glasses were prepared with rhyolitic composition and an initial water content of 4.2 wt%, and all the experiments were performed using an internally heated pressure vessel, in order to ensure a precise control on the experimental parameters such as temperature and pressure. Diffusion-couple experiments were performed with a fix pressure 300 MPa. The temperature was varied in the range of 700-1250 °C with durations between 0 seconds and 24 hours. The diffusion-couple results show that Li diffusivity is very fast and starts already at very low temperature. Significant isotopic fractionation occurs due to the faster mobility of 6Li compared to 7Li. Boron diffusion is also accelerated by the presence of water, but the results of the isotopic ratios are unclear, and further investigation would be necessary to well constrain the isotopic fractionation process of boron in hydrous silicate melts. The isotopic ratios results show that boron isotopic fractionation might be affected by the speciation of boron in the silicate melt structure, as 10B and 11B tend to have tetrahedral and trigonal coordination, respectively. Several decompression experiments were performed at 900 °C and 1000 °C, with pressures going from 300 MPa to 71-77 MPa and durations of 30 minutes, two, five and ten hours, in order to trigger water exsolution and the formation of vesicles in the sample. Textural observations and the calculation of the bubble number density confirmed that the bubble size and distribution after decompression is directly proportional to the decompression rate. The overall SIMS results of Li and B show that the two trace elements tend to progressively decrease their concentration with decreasing decompression rates. This is explained because for longer decompression times, the diffusion of Li and B into the bubbles has more time to progress and the melt continuously loses volatiles as the bubbles expand their volumes. For fast decompression, Li and B results show a concentration increase with a δ7Li and δ11B decrease close to the bubble interface, related to the sudden formation of the gas bubble, and the occurrence of a diffusion process in the opposite direction, from the bubble meniscus to the unaltered melt. When the bubble growth becomes dominant and Li and B start to exsolve into the gas phase, the silicate melt close to the bubble gets depleted in Li and B, because of a stronger diffusion of the trace elements into the bubble. Our data are being applied to different models, aiming to combine the dynamics of bubble nucleation and growth with the evolution of trace elements concentration and isotopic ratios. Here, first considerations on these models will be presented, giving concluding remarks on this research study. All in all, the final remarks constitute a good starting point for further investigations. These results are a promising base to continue to study this process, and Li and B can indeed show clear dependences on decompression-related magma ascent rates in volcanic systems. N2 - Diese Forschungsstudie konzentriert sich auf das Verhalten von Li und B während des magmatischen Aufstiegs und der Druckentlastungsbedingten Entgasung im Zusammenhang mit vulkanischen Systemen. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, festzustellen, ob es möglich ist, die Diffusionseigenschaften der beiden Spurenelemente als Instrument zur Verfolgung der magmatischen Aufstiegsgeschwindigkeit zu nutzen. Unter Verwendung von synthetischen Gläsern mit rhyolitischer Zusammensetzung und einem Wassergehalt von 4,2 Gew.-% wurden Diffusionspaar- und Druckentlastungsexperimente durchgeführt, um die Mobilität von Li und B zunächst in der Schmelze und dann in einem sich entwickelnden System während der Druckentlastungsgetriebenen Entgasung zu untersuchen. Diffusionspaar wurden mit einem festen Druck von 300 MPa durchgeführt. Die Temperatur wurde im Bereich von 700-1250 °C variiert, wobei die Dauer zwischen 0 Sekunden und 24 Stunden lag. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diffusionsfähigkeit von Li sehr schnell ist und bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Eine Isotopenfraktionierung findet aufgrund der schnelleren Mobilität von 6Li im Vergleich zu 7Li statt. Die Diffusion von Bor wird durch die Anwesenheit von Wasser ebenfalls beschleunigt, bleibt aber langsamer als die von Li. Die Ergebnisse der Isotopenverhältnisse zeigen, dass die Bor-Isotopenfraktionierung durch die Speziation von Bor in der Silikatschmelze beeinflusst werden könnte, da 10B und 11B tendenziell eine tetraedrische bzw. trigonale Koordination aufweisen. Druckentlastungsversuche wurden bei 900 °C und 1000 °C mit Drücken von 300 MPa bis 71-77 MPa und einer Dauer von 30 Minuten, zwei, fünf und zehn Stunden durchgeführt, um die Wasserauflösung und die Bildung von Gasblasen in der Probe auszulösen. Texturbeobachtungen und die Berechnung der Blasenanzahldichte bestätigten, dass die Blasengröße und -verteilung nach der Druckentlastung direkt proportional zur Druckentlastungsrate ist. Generell zeigen die SIMS-Analysergebnisse von Li und B, dass die Konzentration der beiden Spurenelemente mit abnehmender Druckentlastungsgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei längeren Druckentlastungszeiten mehr Zeit für die Diffusion von Li und B in die Blasen zur Verfügung steht und die Schmelze kontinuierlich flüchtige Bestandteile verliert, während die Blasen ihr Volumen ausdehnen. Bei schnellen Druckentlastungen zeigen die Li- und B-Ergebnisse einen Konzentrationsanstieg mit einer δ7Li- und δ11B-Abnahme in der Nähe der Blasengrenzfläche, was mit der plötzlichen Bildung der Glasbläser und dem Auftreten eines Diffusionsprozesses in der entgegengesetzten Richtung, vom Blasenmeniskus zur unveränderten Schmelze, zusammenhängt. Wenn das Blasenwachstum dominiert und Li und B in die Gasphase übergehen, verarmt die Silikat Schmelze in der Nähe der Blase an Li und B, da die Spurenelemente stärker in die Blase diffundieren. Unsere Daten werden auf verschiedene Modelle angewandt, die darauf abzielen, die Dynamik der Blasenkernbildung und des Blasenwachstums mit der Entwicklung der Spurenelementkonzentration und des Isotopenverhältnisses zu kombinieren. Hier werden erste Überlegungen zu diesen Modellen vorgestellt und abschließende Bemerkungen zu dieser Forschungsstudie gemacht. Diese Ergebnisse sind eine vielversprechende Grundlage für die weitere Untersuchung von Li und B, um dekompressionsbedingte Magma-Aufstiegsraten in vulkanischen Systemen zu ermitteln. KW - magma degassing KW - diffusion KW - stable isotopes KW - isotopic fractionation KW - Diffusion KW - Isotopenfraktionierung KW - Magma-Entgasung KW - stabile Isotope Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560619 ER - TY - THES A1 - Tranter, Morgan Alan T1 - Numerical quantification of barite reservoir scaling and the resulting injectivity loss in geothermal systems N2 - Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system. The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (< 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency. N2 - Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (< 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz. KW - geothermal energy KW - formation damage KW - reactive transport KW - radial flow KW - barite KW - Geothermie KW - radiale Strömung KW - Baryt KW - reaktiver Transport KW - Formationsschaden Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561139 ER - TY - GEN A1 - Klein, Konstantin A1 - Lantuit, Hugues A1 - Rolph, Rebecca T1 - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic) T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1270 KW - ocean color remote sensing KW - Arctic ocean KW - suspended sediment KW - Landsat KW - Sentinel 2 KW - ERA5 KW - nearshore zone Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561765 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 13 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Klein, Konstantin A1 - Lantuit, Hugues A1 - Rolph, Rebecca T1 - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic) JF - Water / Molecular Diversity Preservation International (MDPI) N2 - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion. KW - ocean color remote sensing KW - Arctic ocean KW - suspended sediment KW - Landsat KW - Sentinel 2 KW - ERA5 KW - nearshore zone Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/w14111751 SN - 2073-4441 VL - 14 SP - 1 EP - 13 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz ET - 11 ER - TY - GEN A1 - Veh, Georg A1 - Lützow, Natalie A1 - Kharlamova, Varvara A1 - Petrakov, Dmitry A1 - Hugonnet, Romain A1 - Korup, Oliver T1 - Trends, Breaks, and Biases in the Frequency of Reported Glacier Lake Outburst Floods T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Thousands of glacier lakes have been forming behind natural dams in high mountains following glacier retreat since the early 20th century. Some of these lakes abruptly released pulses of water and sediment with disastrous downstream consequences. Yet it remains unclear whether the reported rise of these glacier lake outburst floods (GLOFs) has been fueled by a warming atmosphere and enhanced meltwater production, or simply a growing research effort. Here we estimate trends and biases in GLOF reporting based on the largest global catalog of 1,997 dated glacier-related floods in six major mountain ranges from 1901 to 2017. We find that the positive trend in the number of reported GLOFs has decayed distinctly after a break in the 1970s, coinciding with independently detected trend changes in annual air temperatures and in the annual number of field-based glacier surveys (a proxy of scientific reporting). We observe that GLOF reports and glacier surveys decelerated, while temperature rise accelerated in the past five decades. Enhanced warming alone can thus hardly explain the annual number of reported GLOFs, suggesting that temperature-driven glacier lake formation, growth, and failure are weakly coupled, or that outbursts have been overlooked. Indeed, our analysis emphasizes a distinct geographic and temporal bias in GLOF reporting, and we project that between two to four out of five GLOFs on average might have gone unnoticed in the early to mid-20th century. We recommend that such biases should be considered, or better corrected for, when attributing the frequency of reported GLOFs to atmospheric warming. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1264 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561005 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 14 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Veh, Georg A1 - Lützow, Natalie A1 - Kharlamova, Varvara A1 - Petrakov, Dmitry A1 - Hugonnet, Romain A1 - Korup, Oliver T1 - Trends, Breaks, and Biases in the Frequency of Reported Glacier Lake Outburst Floods JF - Earth's Future N2 - Thousands of glacier lakes have been forming behind natural dams in high mountains following glacier retreat since the early 20th century. Some of these lakes abruptly released pulses of water and sediment with disastrous downstream consequences. Yet it remains unclear whether the reported rise of these glacier lake outburst floods (GLOFs) has been fueled by a warming atmosphere and enhanced meltwater production, or simply a growing research effort. Here we estimate trends and biases in GLOF reporting based on the largest global catalog of 1,997 dated glacier-related floods in six major mountain ranges from 1901 to 2017. We find that the positive trend in the number of reported GLOFs has decayed distinctly after a break in the 1970s, coinciding with independently detected trend changes in annual air temperatures and in the annual number of field-based glacier surveys (a proxy of scientific reporting). We observe that GLOF reports and glacier surveys decelerated, while temperature rise accelerated in the past five decades. Enhanced warming alone can thus hardly explain the annual number of reported GLOFs, suggesting that temperature-driven glacier lake formation, growth, and failure are weakly coupled, or that outbursts have been overlooked. Indeed, our analysis emphasizes a distinct geographic and temporal bias in GLOF reporting, and we project that between two to four out of five GLOFs on average might have gone unnoticed in the early to mid-20th century. We recommend that such biases should be considered, or better corrected for, when attributing the frequency of reported GLOFs to atmospheric warming. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021EF002426 SN - 2328-4277 VL - 10 SP - 1 EP - 14 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken, New Jersey ET - 3 ER - TY - THES A1 - Schönfeldt, Elisabeth T1 - Giant landslides in Patagonia, Argentina Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Müller, Daniela T1 - Abrupt climate changes and extreme events in two different varved lake sediment records T1 - Abrupte Klimaveränderungen und Extremevents in Sedimentprofilen zweier verschiedener warvierter Seen N2 - Different lake systems might reflect different climate elements of climate changes, while the responses of lake systems are also divers, and are not completely understood so far. Therefore, a comparison of lakes in different climate zones, during the high-amplitude and abrupt climate fluctuations of the Last Glacial to Holocene transition provides an exceptional opportunity to investigate distinct natural lake system responses to different abrupt climate changes. The aim of this doctoral thesis was to reconstruct climatic and environmental fluctuations down to (sub-) annual resolution from two different lake systems during the Last Glacial-Interglacial transition (~17 and 11 ka). Lake Gościąż, situated in the temperate central Poland, developed in the Allerød after recession of the Last Glacial ice sheets. The Dead Sea is located in the Levant (eastern Mediterranean) within a steep gradient from sub-humid to hyper-arid climate, and formed in the mid-Miocene. Despite their differences in sedimentation processes, both lakes form annual laminations (varves), which are crucial for studies of abrupt climate fluctuations. This doctoral thesis was carried out within the DFG project PALEX-II (Paleohydrology and Extreme Floods from the Dead Sea ICDP Core) that investigates extreme hydro-meteorological events in the ICDP core in relation to climate changes, and ICLEA (Virtual Institute of Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses) that intends to better the understanding of climate dynamics and landscape evolutions in north-central Europe since the Last Glacial. Further, it contributes to the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change and Humans) Research Theme 3 “Extreme events across temporal and spatial scales” that investigates extreme events using climate data, paleo-records and model-based simulations. The three main aims were to (1) establish robust chronologies of the lakes, (2) investigate how major and abrupt climate changes affect the lake systems, and (3) to compare the responses of the two varved lakes to these hemispheric-scale climate changes. Robust chronologies are a prerequisite for high-resolved climate and environmental reconstructions, as well as for archive comparisons. Thus, addressing the first aim, the novel chronology of Lake Gościąż was established by microscopic varve counting and Bayesian age-depth modelling in Bacon for a non-varved section, and was corroborated by independent age constrains from 137Cs activity concentration measurements, AMS radiocarbon dating and pollen analysis. The varve chronology reaches from the late Allerød until AD 2015, revealing more Holocene varves than a previous study of Lake Gościąż suggested. Varve formation throughout the complete Younger Dryas (YD) even allowed the identification of annually- to decadal-resolved leads and lags in proxy responses at the YD transitions. The lateglacial chronology of the Dead Sea (DS) was thus far mainly based on radiocarbon and U/Th-dating. In the unique ICDP core from the deep lake centre, continuous search for cryptotephra has been carried out in lateglacial sediments between two prominent gypsum deposits – the Upper and Additional Gypsum Units (UGU and AGU, respectively). Two cryptotephras were identified with glass analyses that correlate with tephra deposits from the Süphan and Nemrut volcanoes indicating that the AGU is ~1000 years younger than previously assumed, shifting it into the YD, and the underlying varved interval into the Bølling/Allerød, contradicting previous assumptions. Using microfacies analyses, stable isotopes and temperature reconstructions, the second aim was achieved at Lake Gościąż. The YD lake system was dynamic, characterized by higher aquatic bioproductivity, more re-suspended material and less anoxia than during the Allerød and Early Holocene, mainly influenced by stronger water circulation and catchment erosion due to stronger westerly winds and less lake sheltering. Cooling at the YD onset was ~100 years longer than the final warming, while environmental proxies lagged the onset of cooling by ~90 years, but occurred contemporaneously during the termination of the YD. Chironomid-based temperature reconstructions support recent studies indicating mild YD summer temperatures. Such a comparison of annually-resolved proxy responses to both abrupt YD transitions is rare, because most European lake archives do not preserve varves during the YD. To accomplish the second aim at the DS, microfacies analyses were performed between the UGU (~17 ka) and Holocene onset (~11 ka) in shallow- (Masada) and deep-water (ICDP core) environments. This time interval is marked by a huge but fluctuating lake level drop and therefore the complete transition into the Holocene is only recorded in the deep-basin ICDP core. In this thesis, this transition was investigated for the first time continuously and in detail. The final two pronounced lake level drops recorded by deposition of the UGU and AGU, were interrupted by one millennium of relative depositional stability and a positive water budget as recorded by aragonite varve deposition interrupted by only a few event layers. Further, intercalation of aragonite varves between the gypsum beds of the UGU and AGU shows that these generally dry intervals were also marked by decadal- to centennial-long rises in lake level. While continuous aragonite varves indicate decadal-long stable phases, the occurrence of thicker and more frequent event layers suggests general more instability during the gypsum units. These results suggest a pattern of complex and variable hydroclimate at different time scales during the Lateglacial at the DS. The third aim was accomplished based on the individual studies above that jointly provide an integrated picture of different lake responses to different climate elements of hemispheric-scale abrupt climate changes during the Last Glacial-Interglacial transition. In general, climatically-driven facies changes are more dramatic in the DS than at Lake Gościąż. Further, Lake Gościąż is characterized by continuous varve formation nearly throughout the complete profile, whereas the DS record is widely characterized by extreme event layers, hampering the establishment of a continuous varve chronology. The lateglacial sedimentation in Lake Gościąż is mainly influenced by westerly winds and minor by changes in catchment vegetation, whereas the DS is primarily influenced by changes in winter precipitation, which are caused by temperature variations in the Mediterranean. Interestingly, sedimentation in both archives is more stable during the Bølling/Allerød and more dynamic during the YD, even when sedimentation processes are different. In summary, this doctoral thesis presents seasonally-resolved records from two lake archives during the Lateglacial (ca 17-11 ka) to investigate the impact of abrupt climate changes in different lake systems. New age constrains from the identification of volcanic glass shards in the lateglacial sediments of the DS allowed the first lithology-based interpretation of the YD in the DS record and its comparison to Lake Gościąż. This highlights the importance of the construction of a robust chronology, and provides a first step for synchronization of the DS with other eastern Mediterranean archives. Further, climate reconstructions from the lake sediments showed variability on different time scales in the different archives, i.e. decadal- to millennial fluctuations in the lateglacial DS, and even annual variations and sub-decadal leads and lags in proxy responses during the rapid YD transitions in Lake Gościąż. This showed the importance of a comparison of different lake archives to better understand the regional and local impacts of hemispheric-scale climate variability. An unprecedented example is demonstrated here of how different lake systems show different lake responses and also react to different climate elements of abrupt climate changes. This further highlights the importance of the understanding of the respective lake system for climate reconstructions. N2 - Verschiedene Seesysteme können unterschiedliche Klimaelemente während Klimaveränderungen wiederspiegeln und auch diverse Seesystemreaktionen aufweisen, wobei letztere bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Ein Vergleich von Seesystemen in verschiedenen Klimazonen während der hoch-amplituden und abrupten Klimaveränderung innerhalb des Übergangs vom Letzten Glazial zum Holozän, ermöglicht die Untersuchung deutlicher natürlicher Seesystemreaktionen in Bezug zu abrupten Klimaänderungen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Rekonstruktion von Klima- und Umweltschwankungen von zwei verschiedenen Seesystemen während des Letzten Glazial-Interglazial-Übergangs (~17.000-11.000 BP) bis hinunter zu saisonaler Auflösung. Der Gościąż See liegt in der gemäßigten Klimazone in Zentralpolen und entwickelte sich im Allerød nach dem Rückgang der Eisschilde des letzten Glazials. Das Tote Meer liegt in der Levante (östlicher Mittelmeerraum) innerhalb eines steilen Gradienten von subhumidem zu hyperaridem Klima und entstand im mittleren Miozän. Trotz ihrer unterschiedlichen Sedimentationsprozesse bilden beide Seen jährliche Laminierungen (Warven) aus. Dies ist essentiell für Studien abrupter Klimaveränderungen. Diese Doktorarbeit wurde innerhalb des DFG-Projektes PALEX-II (Paläohydrologie und Sturzfluten vom ICDP-Kern des Toten Meeres) und ICELA (Virtuelles Institut zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse) durchgeführt. PALEX-II untersucht hydrometeorologische Extremereignisse im ICDP-Kern in Bezug zu Klimaveränderungen, während ICLEA beabsichtig das Verständnis von Klimadynamiken und Landschaftsevolution in Nord- und Zentraleuropa seit dem letzten Glazial zu verbessern. Zudem, trägt diese Doktorarbeit auch zum Forschungsthema 3 „Extremevents auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen“ der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionale Klimaänderungen und Mensch) bei, das basierend auf Klimadaten, Paläoarchiven und modelbasierten Simulationen Extremevents untersucht. Robuste Chronologien sind Voraussetzung für hochaufgelöste Klima- und Umweltstudien, sowie für den Vergleich von Archiven. Um das erste Ziel zu erreichen, wurde für den Gościąż See mithilfe von mikroskopischer Warvenzählung und einer bayesschen Alters-Tiefen-Modellierung eine neue Chronologie erstellt. Diese wurde durch unabhängige Altersinformationen von 137Cs Konzentrationsmessungen, AMS Radiokarbondatierung und Pollenanalyse bestätigt. Die Warvenchronologie beginnt im späten Allerød und endet AD 2015. Sie offenbart mehr Warven im Holozän als in einer früheren Studie vom Gościąż See gezeigt wurde. Warvenbildung durch die gesamte Jüngere Dryaszeit (JD) hindurch ermöglicht sogar die Identifizierung von jährlich bis dekadisch aufgelösten Abfolgen in Proxyreaktion während der Übergangszonen der JD. Die spätglaziale Chronologie des Toten Meeres basierte bisher auf Radiokarbon- und U/Th-Datierungen. In den spätglazialen Sedimenten des einzigartigen ICDP-Kern vom tiefen Seezentrum wurde zwischen zwei markanten Gipseinheiten – den Oberen und Zusätzlichen Gipseinheiten (UGU bzw. AGU) – kontinuierlich nach Kryptotephra gesucht. Gläser zweier Kryptotephren korrelieren mit Aschenablagerungen der Süphan und Nemrut Vulkane. Dies deutet darauf hin, dass die AGU ~1000 Jahre jünger ist als bisher angenommen, was sie komplett in die JD verlagert und das darunterliegende warvierte Intervall in das Bølling/Allerød. Diese Ergebnisse widersprechen bisherigen Annahmen. Unter Verwendung von Mikrofaziesanalysen, stabiler Isotope und Temperaturrekonstruktionen, wurde das zweite Ziel am Gościąż See erreicht. Das Seesystem war während der JD dynamisch und durch höhere aquatische Bioproduktivität, Resuspension und geringere anoxische Bedingungen als das Allerød und frühe Holozän gekennzeichnet. Dies wurde hauptsächlich durch eine verstärkte Wasserzirkulation und Erosion im Einzugsgebiet hervorgerufen, die wiederum durch stärkere Westwinde und geringeren Schutz vor Wind im Einzugsgebiet verursacht wurden. Die Abkühlung am Beginn der JD war etwa 100 Jahre länger als die finale Erwärmung an ihrem Ende, während die Umweltproxies ca. 90 Jahre nach Beginn der Abkühlung, aber gleichzeitig mit der Erwärmung auftraten. Auf Chironomiden basierende Temperatur-rekonstruktionen unterstützen neueste Studien, die milde Sommertemperaturen während der JD anzeigen. Da die meisten europäischen Seearchive keine Warven während der JD erhalten, ist ein solcher Vergleich von jährlich aufgelösten Proxyreaktionen während beiden JD Übergangszonen sehr selten. Um das zweite Ziel auch am Toten Meer zu realisieren, wurden Mikrofaziesanalysen zwischen der UGU (~17.000 BP) und dem Beginn des Holozäns (~11.000 BP) in Sedimenten aus dem Flachwasserbereich (Masada) und aus dem tiefen Becken (ICDP-Kern) durchgeführt. In diesem Intervall sinkt der Seespiegel gewaltig ab, wobei er von Schwankungen betroffen ist. Daher ist der komplette Übergang in das Holozän nur im ICDP-Kern enthalten, der im tiefen Becken gezogen wurde. In dieser Doktorarbeit wurde dieser Übergang zum ersten Mal kontinuierlich und im Detail untersucht. Während der beiden finalen Seespiegelabfälle wurden die UGU und AGU abgelagert. Zwischen den beiden Gipseinheiten zeugen jedoch Aragonitwarven und nur wenige Extremevents von sedimentärer Stabilität und einem positiven Wasserbudget für beinahe ein Jahrtausend. Selbst innerhalb der UGU und AGU deutet die Ablagerung von Aragonitwarven zwischen Gipslagen auf Dekaden bis Jahrhunderte andauernde Anstiege im Seespiegel hin, was zeigt, dass UGU und AGU nicht kontinuierlich von Trockenheit gekennzeichnet waren. Die kontinuierliche Bildung von Aragonitwarven zeigt hier stabile Phasen über Dekaden, wohingegen mächtigere und häufigere Extremevents generell auf eine erhöhte Instabilität während der Gipseinheiten hindeuten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein komplexes und variables Hydroklima auf unterschiedlichen Zeitskalen während des Spätglazials am Toten Meer operierte. Das dritte Ziel wurde basierend auf den individuellen Studien erreicht, die zusammen ein ganzheitliches Bild zu verschiedenen Seesystemreaktionen liefern, die während des Übergangs vom letzten Glazial zum Holozän durch diverse Klimaelemente während abrupter Klimaveränderungen mit hemisphärischen Ausmaßen beeinflusst sind. Grundsätzlich sind die durch Klimaänderungen ausgelösten Faziesänderungen ausgeprägter am Toten Meer als im Gościąż See. Zudem ist der Gościąż See beinahe durchgängig warviert, während die Sedimente des Toten Meeres weithin durch Ablagerungen von Extremevents geprägt sind, welche die Konstruktion einer kontinuierlichen Warvenchronologie verhindern. Die spätglaziale Sedimentation im Gościąż See ist hauptsächlich durch Westwinde beeinflusst und untergeordnet auch durch Vegetationsänderungen im Einzugsgebiet. Im Gegensatz dazu ist die spätglaziale Sedimentation im Toten Meer überwiegend von Schwankungen im Niederschlag während des Winters beeinflusst. Diese wiederum werden durch Temperaturschwankungen im Mittelmeer verursacht. Obwohl die Sedimentationsprozesse so verschieden sind, ist die Sedimentation interessanterweise in beiden Archiven stabiler im Bølling/Allerød und dynamischer in der JD. Kurz zusammengefasst, präsentiert diese Doktorarbeit saisonal-aufgelöste Sedimentprofile zweier Seearchive während des Spätglazials (ca. 17.000-11.000 BP), um die Auswirkungen abrupter Klimaveränderungen in verschiedenen Seesystemen zu untersuchen. Neue Altersinformationen anhand der Identifizierung von vulkanischen Aschen in den spätglazialen Sedimenten des Toten Meeres erlaubten die erste Lithologie-basierte Interpretation der JD im Sedimentprofil des Toten Meeres und den Vergleich mit dem Gościąż See. Dies hebt die Bedeutung der Erstellung einer robusten Chronologie hervor und liefert einen ersten Schritt für die Synchronisierung des Toten Meeres mit anderen Archiven im östlichen Mittelmeerraum. Des Weiteren haben die Klimarekonstruktionen anhand der Seesedimente Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen in den Archiven gezeigt. Diese umfassen dekadische bis tausendjährige Schwankungen im Toten Meer und sogar jährliche und sub-dekadische Schwankungen in Proxys während der rapiden Übergangszonen der JD im Gościąż See. Dies zeigt wie bedeutend es ist verschiedene Seearchive zu vergleichen um die regionalen und lokalen Auswirkungen von hemisphärischen Klimaschwankungen besser zu verstehen. Hier wurde eine beispiellose Fallstudie gezeigt, die die diversen Reaktionen unterschiedlicher Seen beleuchtet und aufzeigt wie diese von verschiedenen Klimaelementen abrupter Klimaveränderungen beeinflusst werden können. Dies hebt auch hervor, wie bedeutsam es für Klimarekonstruktionen ist das jeweilige Seesystem zu verstehen. KW - paleoclimatology KW - Paläoklimatologie KW - varved lake sediments KW - warvierte Seesedimente KW - extreme events KW - Extremereignisse KW - lake system responses KW - Seesystemreaktionen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558331 ER - TY - THES A1 - Pan, Mengdi T1 - Systematic studies on the thermodynamic properties of gas hydrates and their formation/dissociation/transformation behaviors T1 - Systematische Untersuchungen zu den thermodynamischen Eigenschaften von Gashydraten und ihrem Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsverhalten N2 - Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming. N2 - Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten. KW - gas hydrates KW - Raman spectroscopy KW - thermodynamic and kinetic properties KW - Gashydrate KW - Raman-Spektroskopie KW - thermodynamische und kinetische Eigenschaften Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554760 ER -