TY - THES A1 - Zakharova, Olga T1 - Analysis and modeling of transient earthquake patterns and their dependence on local stress regimes T1 - Analyse und Modellierung der transienten Erdbebenmuster und deren Abhängigkeit von lokalen Spannungsregimen N2 - Investigations in the field of earthquake triggering and associated interactions, which includes aftershock triggering as well as induced seismicity, is important for seismic hazard assessment due to earthquakes destructive power. One of the approaches to study earthquake triggering and their interactions is the use of statistical earthquake models, which are based on knowledge of the basic seismicity properties, in particular, the magnitude distribution and spatiotemporal properties of the triggered events. In my PhD thesis I focus on some specific aspects of aftershock properties, namely, the relative seismic moment release of the aftershocks with respect to the mainshocks; the spatial correlation between aftershock occurrence and fault deformation; and on the influence of aseismic transients on the aftershock parameter estimation. For the analysis of aftershock sequences I choose a statistical approach, in particular, the well known Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) model, which accounts for the input of background and triggered seismicity. For my specific purposes, I develop two ETAS model modifications in collaboration with Sebastian Hainzl. By means of this approach, I estimate the statistical aftershock parameters and performed simulations of aftershock sequences as well. In the case of seismic moment release of aftershocks, I focus on the ratio of cumulative seismic moment release with respect to the mainshocks. Specifically, I investigate the ratio with respect to the focal mechanism of the mainshock and estimate an effective magnitude, which represents the cumulative aftershock energy (similar to Bath's law, which defines the average difference between mainshock and the largest aftershock magnitudes). Furthermore, I compare the observed seismic moment ratios with the results of the ETAS simulations. In particular, I test a restricted ETAS (RETAS) model which is based on results of a clock advanced model and static stress triggering. To analyze spatial variations of triggering parameters I focus in my second approach on the aftershock occurrence triggered by large mainshocks and the study of the aftershock parameter distribution and their spatial correlation with the coseismic/postseismic slip and interseismic locking. To invert the aftershock parameters I improve the modified ETAS (m-ETAS) model, which is able to take the extension of the mainshock rupture into account. I compare the results obtained by the classical approach with the output of the m-ETAS model. My third approach is concerned with the temporal clustering of seismicity, which might not only be related to earthquake-earthquake interactions, but also to a time-dependent background rate, potentially biasing the parameter estimations. Thus, my coauthors and I also applied a modification of the ETAS model, which is able to take into account time-dependent background activity. It can be applicable for two different cases: when an aftershock catalog has a temporal incompleteness or when the background seismicity rate changes with time, due to presence of aseismic forces. An essential part of any research is the testing of the developed models using observational data sets, which are appropriate for the particular study case. Therefore, in the case of seismic moment release I use the global seismicity catalog. For the spatial distribution of triggering parameters I exploit two aftershock sequences of the Mw8.8 2010 Maule (Chile) and Mw 9.0 2011 Tohoku (Japan) mainshocks. In addition, I use published geodetic slip models of different authors. To test our ability to detect aseismic transients my coauthors and I use the data sets from Western Bohemia (Central Europe) and California. Our results indicate that: (1) the seismic moment of aftershocks with respect to mainshocks depends on the static stress changes and is maximal for the normal, intermediate for thrust and minimal for strike-slip stress regimes, where the RETAS model shows a good correspondence with the results; (2) The spatial distribution of aftershock parameters, obtained by the m-ETAS model, shows anomalous values in areas of reactivated crustal fault systems. In addition, the aftershock density is found to be correlated with coseismic slip gradient, afterslip, interseismic coupling and b-values. Aftershock seismic moment is positively correlated with the areas of maximum coseismic slip and interseismically locked areas. These correlations might be related to the stress level or to material properties variations in space; (3) Ignoring aseismic transient forcing or temporal catalog incompleteness can lead to the significant under- or overestimation of the underlying trigger parameters. In the case when a catalog is complete, this method helps to identify aseismic sources. N2 - Untersuchungen im Bereich der Erdbebennukleation, sowie der Erdbebeninteraktion und induzierter Seismizität, sind wegen des enormen Zerstörungspotenzials von Erdbeben besonders wichtig für seismische Gefährdungsanalysen. In meiner Doktorarbeit fokussiere ich mich auf einige Eigenschaften von Nachbeben, insbesondere auf deren freigesetztes seismisches Moment in Relation zum Hauptbeben, die räumliche Korrelation zwischen der Nachbebenaktivität und der Deformationsgeschichte der Verwerfung und den Einfluss von aseismischen Transienten auf die Bestimmung von Nachbebenparametern. Ich habe einen statistischen Ansatz für die Analyse der Nachbebensequenzen gewählt. Das sogenannte Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) Modell berücksichtigt sowohl Hintergrundseismizität als auch getriggerte Erdbebenaktivität. Für meine Zwecke habe ich zusammen mit Sebastian Hainzl zwei Modifikationen für dieses ETAS Modell entwickelt. Mittels dieser Ansätze habe ich die statistischen Parameter der Nachbebenaktivität bestimmt und Simulationen von Nachbebensequenzen durchgeführt. Im Falle des freigesetzten seismischen Moments von Nachbeben habe ich das Verhältnis des kummulativen Moments der Nachbeben in Bezug zum Hauptbeben untersucht. Im Speziellen betrachte ich das Verhältnis in Bezug auf den Herdmechanismus des Hauptbebens und bestimme eine effektive Magnitude, welche die kummulative Nachbebenenergie darstellt (ähnlich zu Bath's Gesetz, welches den durchschnittlichen Unterschied zwischen der Hauptbebenmagnitude und der Magnitude des größten Nachbebens beschreibt). Desweiteren vergleiche ich das Verhältnis des beobachteten seismischen Moments mit den Ergebnissen von ETAS-basierten Simulationen. Dabei teste ich ein Restricted ETAS (RETAS) Modell, welches auf den Resultaten eines Clock-Advance Modells und den durch das Hauptbeben ausgelösten statischen Spannungsänderungen basiert. Um die räumliche Variation der Trigger-Parameter zu analysieren, fokussiere ich mich in meinem zweiten Modellansatz auf das Auftreten von Nachbeben infolge von großen Hauptbeben, sowie die Verteilung von Nachbebenparametern und deren räumliche Korrelation mit ko-/post-seismischen Verschiebungen und inter-seismischer Verhakung. Zum Bestimmen der Nachbebenparameter habe ich ein modifiziertes ETAS (m-ETAS) Modell analysiert, welches die räumliche Ausdehnung des Hauptbebenbruches berücksichtigen kann. Ich vergleiche die Ergebnisse des klassischen Ansatzes mit denen des m-ETAS Modells. Mein dritter Versuch beschäftigt sich mit dem zeitlichen Clustern der Seismizität, welche nicht nur auf Erdbeben-Erdbeben-Interaktion zurückzuführen ist, sondern auch auf eine zeitabhängige Hintergrundrate, die die Parameterabschätzung verfälschen kann. Meine Koautoren und ich haben dem ETAS Modell darum eine weitere Modifikation hinzugefügt, welche in der Lage ist, eine zeitabhängige Hintergrundaktivität einzubeziehen. Dieses Modell kann auf zwei Fälle angewendet werden, einerseits wenn ein Erdbebenkatalog zeitlich unvollständig ist und andererzeits wenn sich die Hintergrundseismizität, durch Vorhandensein aseismischer Kräfte, zeitlich verändert. Ein wichtiger Teil dieser Forschung ist es die entwickelten Modelle anhand von beobachteten Daten zu testen. Darum benutze ich im Falle des freigesetzten seismischen Moments einen globalen Erdbebenkatalog. Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Trigger-Parametern untersuche ich zwei Nachbebensequenzen, die des 2010er Maule (Chile) Mw8.8 Erdbebens und die des 2011er Tohoku (Japan) Mw9.0 Erdbebens. Zusätzlich benutze ich publizierte geodätische Verschiebungsmodelle verschiedener Autoren. Um die Detektionsfähigkeit für aseismische Transienten zu testen, benutzen meine Koautoren und ich Daten aus West-Böhmen (Zentraleuropa) und Kalifornien. Unsere Ergebnisse zeigen: (1) Das Verhältnis des kumulativen seismischen Moments der Nachbeben zum Hauptbeben ist von den statischen Spannungsänderung abhängig und ist maximal in Spannungsregimen dominiert von Abschiebungen, mittel für Überschiebungen und minimal für Blattverschiebungen, wobei das RETAS Modell eine gute Korrelation mit unseren Ergebnissen zeigt. (2) Die mit dem m-ETAS Modell erhaltene räumliche Verteilung von Nachbebenparametern zeigt ungewöhnliche Werte in Gebieten reaktivierter krustaler Verwerfungssysteme. Zusätzlich fanden wir heraus, dass die Nachbebendichte mit dem ko-seismischen Verschiebungsgradienten, Nachkriechen, inter-seismischer Kopplung und b-Werten korreliert. Das seismische Moment untersuchter Nachbeben ist positiv korreliert mit Bereichen maximaler koseismischer Verschiebungen und interseismisch blockierten Bereichen. Diese Korrelation könnte dem Spannungsniveau oder räumlicher Variation der Materialeigenschaften geschuldet sein. (3) Wenn man aseismische transiente Kräfte oder zeitliche Katalogunvollständigkeit ignoriert, kann das zu signifikantem Unter- oder Überschätzen der zugrunde liegenden Seismizitäts-Parametern führen. Im Fall eines kompletten Katalogs kann diese Methode helfen, aseismische Quellen zu identifizieren. KW - aftershocks KW - statistical seismology KW - transient earthquake patterns KW - ETAS model KW - uncertainty estimation KW - statistische Seismologie KW - Nachbeben KW - transiente Erdbebenmuster KW - ETAS Modell KW - Abschätzung der Unsicherheiten Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-86455 ER - TY - THES A1 - Kämpf, Lucas T1 - Extreme events in geoarchives T1 - Extremereignisse in Geoarchiven BT - deciphering processes of detrital flood layer formation in lake sediments BT - Bildung von Hochwasserlagen in Seesedimenten N2 - A main limitation in the field of flood hydrology is the short time period covered by instrumental flood time series, rarely exceeding more than 50 to 100 years. However, climate variability acts on short to millennial time scales and identifying causal linkages to extreme hydrological events requires longer datasets. To extend instrumental flood time series back in time, natural geoarchives are increasingly explored as flood recorders. Therefore, annually laminated (varved) lake sediments seem to be the most suitable archives since (i) lake basins act as natural sediment traps in the landscape continuously recording land surface processes including floods and (ii) individual flood events are preserved as detrital layers intercalated in the varved sediment sequence and can be dated with seasonal precision by varve counting. The main goal of this thesis is to improve the understanding about hydrological and sedimentological processes leading to the formation of detrital flood layers and therewith to contribute to an improved interpretation of lake sediments as natural flood archives. This goal was achieved in two ways: first, by comparing detrital layers in sediments of two dissimilar peri-Alpine lakes, Lago Maggiore in Northern Italy and Mondsee in Upper Austria, with local instrumental flood data and, second, by tracking detrital layer formation during floods by a combined hydro-sedimentary monitoring network at Lake Mondsee spanning from the rain fall to the deposition of detrital sediment at the lake floor. Successions of sub-millimetre to 17 mm thick detrital layers were detected in sub-recent lake sediments of the Pallanza Basin in the western part of Lago Maggiore (23 detrital layers) and Lake Mondsee (23 detrital layers) by combining microfacies and high-resolution micro X-ray fluorescence scanning techniques (µ-XRF). The detrital layer records were dated by detailed intra-basin correlation to a previously dated core sequence in Lago Maggiore and varve counting in Mondsee. The intra-basin correlation of detrital layers between five sediment cores in Lago Maggiore and 13 sediment cores in Mondsee allowed distinguishing river runoff events from local erosion. Moreover, characteristic spatial distribution patterns of detrital flood layers revealed different depositional processes in the two dissimilar lakes, underflows in Lago Maggiore as well as under- and interflows in Mondsee. Comparisons with runoff data of the main tributary streams, the Toce River at Lago Maggiore and the Griesler Ache at Mondsee, revealed empirical runoff thresholds above which the deposition of a detrital layer becomes likely. Whereas this threshold is the same for the whole Pallanza Basin in Lago Maggiore (600 m3s-1 daily runoff), it varies within Lake Mondsee. At proximal locations close to the river inflow detrital layer deposition requires floods exceeding a daily runoff of 40 m3s-1, whereas at a location 2 km more distal an hourly runoff of 80 m3s-1 and at least 2 days with runoff above 40 m3s-1 are necessary. A relation between the thickness of individual deposits and runoff amplitude of the triggering events is apparent for both lakes but is obviously further influenced by variable influx and lake internal distribution of detrital sediment. To investigate processes of flood layer formation in lake sediments, hydro-sedimentary dynamics in Lake Mondsee and its main tributary stream, Griesler Ache, were monitored from January 2011 to December 2013. Precipitation, discharge and turbidity were recorded continuously at the rivers outlet to the lake and compared to sediment fluxes trapped close to the lake bottom on a basis of three to twelve days and on a monthly basis in three different water depths at two locations in the lake basin, in a distance of 0.9 (proximal) and 2.8 km (distal) to the Griesler Ache inflow. Within the three-year observation period, 26 river floods of different amplitude (10-110 m3s-1) were recorded resulting in variable sediment fluxes to the lake (4-760 g m-2d-1). Vertical and lateral variations in flood-related sedimentation during the largest floods indicate that interflows are the main processes of lake internal sediment transport in Lake Mondsee. The comparison of hydrological and sedimentological data revealed (i) a rapid sedimentation within three days after the peak runoff in the proximal and within six to ten days in the distal lake basin, (ii) empirical runoff thresholds for triggering sediment flux at the lake floor increasing from the proximal (20 m3s-1) to the distal lake basin (30 m3s-1) and (iii) factors controlling the amount of detrital sediment deposition at a certain location in the lake basin. The total influx of detrital sediment is mainly driven by runoff amplitude, catchment sediment availability and episodic sediment input by local sediment sources. A further role plays the lake internal sediment distribution which is not the same for each event but is favoured by flood duration and the existence of a thermocline and, therewith, the season in which a flood occurred. In summary, the studies reveal a high sensitivity of lake sediments to flood events of different intensity. Certain runoff amplitudes are required to supply enough detrital material to form a visible detrital layer at the lake floor. Reasonable are positive feedback mechanisms between rainfall, runoff, erosion, fluvial sediment transport capacity and lake internal sediment distribution. Therefore, runoff thresholds for detrital layer formation are site-specific due to different lake-catchment characteristics. However, the studies also reveal that flood amplitude is not the only control for the amount of deposited sediment at a certain location in the lake basin even for the strongest flood events. The sediment deposition is rather influenced by a complex interaction of catchment and in-lake processes. This means that the coring location within a lake basin strongly determines the significance of a flood layer record. Moreover, the results show that while lake sediments provide ideal archives for reconstructing flood frequencies, the reconstruction of flood amplitudes is a more complex issue and requires detailed knowledge about relevant catchment and in-lake sediment transport and depositional processes. N2 - Die Erforschung von Hochwasserereignissen, ihrer Wiederkehrhäufigkeiten und Entwicklung im Zuge des prognostizierten Klimawandels wird durch die kurzen instrumentellen Datenreihen stark begrenzt. Diese umfassen selten mehr als die letzten 50 bis 100 Jahre. Das Klima verändert sich jedoch in kurzen bis hin zu sehr langen Zeiträumen, welche mehrere tausend Jahre umfassen können. Die Feststellung von Zusammenhängen zwischen Klimaänderungen und dem Auftreten von Hochwasserereignissen bedarf daher längerer Datenreihen. Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren Geoarchive als Zeugen vergangener Hochwasserereignisse stärker in den Fokus der Forschung gerückt. Besonders geeignete Archive sind jährlich geschichtete Seesedimente, da Seen natürliche Senken für Stoffflüsse aus der Landschaft darstellen. Sedimenteinträge durch Hochwasserereignisse führen zur Bildung charakteristischer Lagen am Seeboden. Diese Eintragslagen können im Seesediment untersucht und aufgrund der Jahresschichtung mit saisonaler Präzision datiert werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verständnis über jene Prozesse, die zur Bildung solcher Hochwasserlagen in Seesedimenten führen, zu erweitern und damit zu einer verbesserten Interpretation von Seesedimenten als natürliche Hochwasserarchive beizutragen. Dieses Ziel wurde auf zwei Wegen verfolgt. Zum einen wurden einzelne Hochwasserlagen in zwei unterschiedlichen Seen, Lago Maggiore in Norditalien und Mondsee in Oberösterreich, mit instrumentellen Hochwasserdaten verglichen und zum anderen wurden Prozesse, die zur Bildung von Hochwasserlagen führen, durch ein umfassendes Messnetz im Mondsee überwacht. Für den Vergleich der Hochwasserlagen mit instrumentellen Hochwasserdaten wurden zunächst die zum Teil unter einem Millimeter dünnen Sedimentlagen in den obersten Sedimentschichten aus dem Mondsee und der Pallanzabucht im Westen des Lago Maggiore mittels Mikroskopie und geochemischen Verfahren untersucht. Das Alter jeder einzelnen Lage wurde durch Zählung der Jahresschichten im Mondsee (23 Lagen zwischen 1976 und 2005) und im Lago Maggiore durch detaillierte Korrelation zu einer bereits datierten Kernsequenz (23 Lagen zwischen 1965 und 2006) bestimmt. Die Verbindung der einzelnen Hochwasserlagen zwischen fünf Sedimentkernen im Lago Maggiore und 13 Sedimentkernen im Mondsee zeigte verschiedene räumliche Verbreitungsmuster von Hochwasserlagen auf. Das heißt, dass die Prozesse, die zur Bildung der Hochwasserlagen führen in den beiden Seen unterschiedlich sind. Im Lago Maggiore wird das eingetragene Sediment durch Ströme am Seeboden transportiert. Dagegen erfolgt der Sedimenttransport im Mondsee im oberen Bereich der Wassersäule entlang der Sprungschicht, wo die Temperatur- und Dichteunterschiede im See am größten sind. Weiterhin wurden die Hochwasserlagen mit instrumentellen Abflusszeitreihen der Hauptzuflüsse, dem Toce am Lago Maggiore und der Griesler Ache am Mondsee, verglichen. Die Vergleiche zeigten nicht nur, dass die Hochwasserlagen zeitgleich mit erhöhten Abflüssen auftreten, sondern auch, dass die Ablagerung erst ab einem bestimmten Abflusswert wahrscheinlich wird. Die meisten Hochwasserlagen im Lago Maggiore korrelieren mit Hochwasserereignissen, die einen Tagesabfluss von 600 m3s-1 überschreiten. Im Mondsee ist der Abflusswert zum einen geringer als im Lago Maggiore und zum anderen nicht im ganzen Seebecken gleich, sondern steigt vom Delta (Tagesabfluss: 40 m3s-1) zur Seemitte hin an (stündlicher Abfluss: 80 m3s-1, 2 Tage über 40 m3s-1 Tagesabfluss). Weiterhin wurde für beide Seen eine Beziehung zwischen der Stärke des Abflusses und der Dicke der Hochwasserlagen festgestellt. Diese ist allerdings stark durch Variationen im Sedimenteintrag und in der Verbreitung innerhalb des Seebeckens beeinflusst. Um die Prozesse, welche zur Bildung von Hochwasserlagen führen, besser zu verstehen, wurden im Mondsee und dem Hauptzufluss, der Griesler Ache, verschiedene Messparameter von 2011 bis 2013 aufgezeichnet. Der Niederschlag wurde an verschiedenen Stationen im Einzugsgebiet und der Abfluss sowie die Trübung des Flusswassers am Austritt der Griesler Ache in den Mondsee kontinuierlich gemessen. Im See wurde an zwei Stellen, in 0.9 km und in 2.8 km Entfernung zum Delta der Griesler Ache, Sediment mittels Sedimentfallen gesammelt, zum einen nahe dem Seeboden mit einer zeitlichen Auflösung von drei bis zwölf Tagen und zum anderen monatlich in drei unterschiedlichen Wassertiefen. Innerhalb des dreijährigen Messzeitraums wurden 26 Hochwasserereignisse mit unterschiedlicher Abflussstärke (10-110 m3s-1) aufgezeichnet, die einen unterschiedlichen Sedimenteintrag am Seeboden auslösten (4-760 g m-2d-1). Die räumliche Verteilung des Sediments nach den Hochwasserereignissen deutet wieder auf einen Sedimenttransport im oberen Teil der Wassersäule hin. Durch den Vergleich von Abflussdaten der Griesler Ache und der gefangenen Sedimentmenge für jedes einzelne der 26 Ereignisse konnte zunächst die Zeitspanne zwischen Hochwasserereignis und Sedimentation am Seeboden ermittelt werden. Nahe dem Zufluss wird das Sediment zum größten Teil bereits innerhalb von drei Tagen nach der Hochwasserspitze abgelagert. In der Seemitte dauert die Sedimentation sechs bis zehn Tage. Des Weiteren wurden, ähnlich wie bereits bei der Untersuchung der Hochwasserlagen festgestellt, bestimmte Abflusswerte detektiert über welchen ein erhöhter Sedimenteintrag am Seeboden gemessen wurde. Nahe dem Flussdelta führen Hochwasser mit mehr als 20 m3s-1 Spitzenabfluss zum erhöhten Sedimenteintrag, während in der Seemitte ein Spitzenabfluss von 30 m3s-1 notwendig ist. Obwohl ein statistischer Zusammenhang zwischen der Hochwasserstärke und der abgelagerten Sedimentmenge besteht, wurde gezeigt, dass weitere Faktoren die Sedimentation am Seeboden beeinflussen. Der Sedimenteintrag in den See wird neben der Abflussstärke durch die Sedimentverfügbarkeit im Einzugsgebiet und episodischen Sedimenteinträgen von lokalen Quellen bestimmt. Eine weitere Rolle spielt die Verteilung des Sediments innerhalb des Seebeckens. Diese ist nicht für jedes Hochwasserereignis gleich, sondern wird durch die Dauer des Hochwasserereignisses und die Existenz der Sprungschicht in den Sommermonaten limitiert. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass Seesedimente Hochwasserereignisse unterschiedlicher Stärke aufzeichnen. Eine bestimmte Hochwasserstärke ist notwendig, damit ausreichend Sediment für eine sichtbare Hochwasserlage am Seeboden abgelagert wird. Die Ursache ist der Einfluss von Niederschlags- und Abflussstärke auf Erosion, Sedimenttransport im Fluss und die Sedimentverteilung innerhalb des Seebeckens. Da diese Faktoren in unterschiedlichen Seen verschieden wirken, sind die Abflusswerte über denen es zur Hochwasserlagenbildung kommt, in jedem See verschieden. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen weiterhin, dass die Menge an abgelagertem Sediment am Seeboden nicht nur durch die Abflussstärke bestimmt wird. Die Sedimentation ist vielmehr durch die komplexe Wechselwirkung von Prozessen im Einzugsgebiet und innerhalb des Sees kontrolliert. Dass bedeutet, dass jene Stelle innerhalb eines Seebeckens, an welcher ein Sedimentkern entnommen wird, die Güte eines Hochwasserarchivs maßgeblich beeinflusst. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass Seesedimente für die Rekonstruktion von Hochwasserhäufigkeiten ideale Archive darstellen. Die Ableitung von Hochwasserstärken aus der Dicke einzelner Hochwasserlagen ist allerdings komplexer und setzt eine detaillierte Kenntnis der relevanten Transport- und Ablagerungsprozesse im See und seinem Einzugsgebiet voraus. KW - lake sediments KW - flood reconstruction KW - sediment transport KW - environmental monitoring KW - Seesedimente KW - Hochwasserrekonstruktion KW - Sedimenttransport KW - Umweltmonitoring Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85961 ER - TY - THES A1 - Rohrmann, Alexander T1 - The role of wind and water in shaping earth's plateaus T1 - Die Rolle von Wind und Wasser bei der Bildung von Hochplateaus der Erde N2 - The overarching goal of this dissertation is to provide a better understanding of the role of wind and water in shaping Earth’s Cenozoic orogenic plateaus - prominent high-elevation, low relief sectors in the interior of Cenozoic mountain belts. In particular, the feedbacks between surface uplift, the build-up of topography and ensuing changes in precipitation, erosion, and vegetation patterns are addressed in light of past and future climate change. Regionally, the study focuses on the two world’s largest plateaus, the Altiplano-Puna Plateau of the Andes and Tibetan Plateau, both characterized by average elevations of >4 km. Both plateaus feature high, deeply incised flanks with pronounced gradients in rainfall, vegetation, hydrology, and surface processes. These characteristics are rooted in the role of plateaus to act as efficient orographic barriers to rainfall and to force changes in atmospheric flow. The thesis examines the complex topics of tectonic and climatic forcing of the surface-process regime on three different spatial and temporal scales: (1) bedrock wind-erosion rates are quantified in the arid Qaidam Basin of NW Tibet over millennial timescales using cosmogenic radionuclide dating; (2) present-day stable isotope composition in rainfall is examined across the south-central Andes in three transects between 22° S and 28° S; these data are modeled and assessed with remotely sensed rainfall data of the Tropical Rainfall Measuring Mission and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; (3) finally, a 2.5-km-long Mio-Pliocene sedimentary record of the intermontane Angastaco Basin (25°45’ S, 66°00’ W) is presented in the context of hydrogen and carbon compositions of molecular lipid biomarker, and oxygen and carbon isotopes obtained from pedogenic carbonates; these records are compared to other environmental proxies, including hydrated volcanic glass shards from volcanic ashes intercalated in the sedimentary strata. There are few quantitative estimates of eolian bedrock-removal rates from arid, low relief landscapes. Wind-erosion rates from the western Qaidam Basin based on cosmogenic 10Be measurements document erosion rates between 0.05 to 0.4 mm/yr. This finding indicates that in arid environments with strong winds, hyperaridity, exposure of friable strata, and ongoing rock deformation and uplift, wind erosion can outpace fluvial erosion. Large eroded sediment volumes within the Qaidam Basin and coeval dust deposition on the Chinese Loess plateau, exemplify the importance of dust production within arid plateau environments for marine and terrestrial depositional processes, but also health issues and fertilization of soils. In the south-central Andes, the analysis of 234 stream-water samples for oxygen and hydrogen reveals that areas experiencing deep convective storms do not show the commonly observed patterns of isotopic fractionation and the expected co-varying relationships between oxygen and hydrogen with increasing elevation. These convective storms are formed over semi-arid intermontane basins in the transition between the broken foreland of the Sierras Pampeanas, the Eastern Cordillera, and the Puna Plateau in the interior of the orogen. Here, convective rainfall dominates the precipitation budget and no systematic stable isotope-elevation relationship exists. Regions to the north, in the transition between the broken foreland and the Subandean foreland fold-and-thrust belt, the impact of convection is subdued, with lower degrees of storminess and a stronger expected isotope-elevation relationship. This finding of present-day fractionation trends of meteoric water is of great importance for paleoenvironmental studies in attempts to use stable isotope relationships in the reconstruction of paleoelevations. The third part of the thesis focuses on the paleohydrological characteristics of the Mio-Pliocene (10-2 Ma) Angastaco Basin sedimentary record, which reveals far-reaching environmental changes during Andean uplift and orographic barrier formation. A precipitation- evapotranspiration record identifies the onset of a precipitation regime related to the South American Low Level Jet at this latitude after 9 Ma. Humid foreland conditions existed until 7 Ma, followed by orographic barrier uplift to the east of the present-day Angastaco Basin. This was superseded by rapid (~0.5 Myr) aridification in an intermontane basin, highlighting the effects of eastward-directed deformation. A transition in vegetation cover from a humid C3 forest ecosystem to semi-arid C4-dominated vegetation was coeval with continued basin uplift to modern elevations. N2 - Das übergreifende Ziel dieser Dissertation ist es, ein besseres Verständnis des Einflusses von Wind und Wasser auf die Entstehung orogener Plateaus im Känozoikum zu erlangen. Orogene Plateaus sind hochgelegene, durch geringes Relief und oft endorheische Entwässerung charakterisierte trockene Hochgebirgsregionen. In dieser Arbeit wird vor allem die Rückkopplung zwischen tektonischer Hebung, dem Aufbau von Relief und den daraus resultierenden Veränderungen des Niederschlags, der Erosion und variierenden Vegetationsmustern im Zusammenhang mit vergangenen und zukünftigen Klimaveränderungen untersucht. Der regionale Fokus dieser Arbeit liegt auf den zwei größten Plateaus der Erde, das Altiplano-Puna-Plateau in den Anden und das Tibet Plateau. Beide besitzen eine durchschnittliche Höhe von > 4 km. Als effiziente orographische Barrieren und „Heizflächen“ beeinflussen Plateaus großräumig die atmosphärische Zirkulation und bewirken somit ausgeprägte Gradienten in Niederschlag, Vegetation, Hydrologie und Oberflächenprozessen. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit das komplexe Zusammenspiel zwischen Tektonik und Klima und damit verbundene Auswirkungen auf Erdoberflächenprozesse auf drei verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen: (1) die Quantifizierung von Wind-Erosionsraten im Festgestein des ariden Qaidam-Beckens von Nordwest-Tibet mittels kosmogener Nukliddatierungen über Zeiräume von mehreren 103 Jahren; (2) die heutige Isotopenzusammensetzung von Niederschläge wird entlang von drei Transekten über die Südzentralanden zwischen 22° und 28° S ermittelt; diese Daten werden modelliert und der Niederschlag mit satellitenbasierten Fernerkundungsdaten der Tropical Rainfall Measuring Mission und des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer ausgewertet; (3) eine 2,5 km mächtige mio-pliozäne Sedimentabfolge des intermontanen Angastaco-Beckens (25°45’ S, 66°00’ W) wird auf die Wasserstoff- und Kohlenstoffzusammensetzungen von molekularen Blattwachsen und hinsichtlich der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie von Bodenkarbonaten untersucht; diese Datensätze werden mit anderen Umweltindikatoren verglichen, u.a. mit hydratisierten Gläsern vulkanischer Aschen, die in der Sedimentabfolge aufgeschlossen sind. Es gibt nur wenige quantitative Abschätzungen von Winderosionsraten im Festgestein arider Gebiete mit geringem Relief. Kosmogene 10Be-Messungen im westlichen Qaidam-Becken dokumentieren Erosionsraten zwischen 0,05 bis 0,4 mm/a. Diese Resultate zeigen, dass in ariden Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten, leicht erodierbaren Gesteinen und andauernder Deformation und Hebung, Wind-Erosionsprozesse die Denudationsraten der fluvialen Erosion bei weitem übersteigen kann. Das große Volumen erodierter Gesteine im Qaidam-Becken und die gleichzeitige Lössablagerung im chinesischen Löss-Plateau veranschaulichen die wichtige Rolle der äolischen Sedimentproduktion in ariden Plateaugebieten und unterstreichen deren Bedeutung für marine und terrestrische Ablagerungsprozesse sowie Nährstoffeinträge in Böden und respiratorische Gesundheitsprobleme. Die Analyse der Sauerstoff- und Wasserstoffisotopie von 234 Flusswasserproben aus den Südzentralanden belegt, dass Gebiete mit starken konvektiven meteorologischen Ereignissen nicht die erwarteten Isotopenmuster zwischen der Abnahme der Isotopie und der Höhe aufweisen. Diese konvektiven Ereignisse werden über semiariden intermontanen Becken in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas, der Ostkordillere und dem Puna-Plateau im Inneren des Orogens gebildet. Konvektiver Niederschlag dominiert hier den Niederschlagshaushalt und eliminiert jegliche systematische Beziehung zwischen der Isotopie und der Höhe. In den nördlichen Regionen, - in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland und dem subandinen Falten- und Überschiebungsgürtel, verringert sich der Einfluss konvektiver Niederschläge und hydrometeorologische Extremereignisse gegenüber den orographischen bedingten Niederschlagsmechanismen. Dieser Unterschied wirkt sich in einer besseren Beziehung zwischen Isotopenverhältnissen und Höhe aus. Eine bessere Kenntnis der meteorologischen Einflüsse auf die Wasserisotopie sind der Schlüssel für zukünftige Paläoumweltstudien und zukünftige Bestrebungen, mit Hilfe der Trends in der Isotopie meteorischer Wässer das vertikale Wachstum von Gebirgen zu quantifizieren. Der dritte Teil der Arbeit behandelt die Isotopenverhältnisse in Blattwachsen und daraus abgeleitete paläohydrologische Eigenschaften des Anagastaco-Beckens im Mio-Pliozän (10-2 Ma), welche weitreichende Umweltveränderungen während der Hebung der Anden und der Bildung von orografischen Barrieren im Vorland aufzeigen. Als Proxies für Niederschlag und Evapotranspiration dokumentieren Isotopenverhältnisse in Blattwachsen, Bodenkarbonaten und vulkanischen Gläsern den Beginn eines Niederschlagsystems in diesem Teil der Anden, welches durch feuchtebringende Winde des South American Low Level Jet ab 9 Ma etabliert war. Humide Bedingungen existierten bis 7 Ma im Vorland, gefolgt von einer Bildung einer orografischen Barriere im Osten des heutigen Angastaco-Beckens. Als Folge dieser Hebung folgte eine rasche Aridifikation (innerhalb ~0,5 Ma) des nun intermontanen Angastaco-Beckens. Ein Wechsel von einem feuchten C3-Wald-Ökosystem zu semiariden Umweltbedingungen mit einer C4-dominierten Vegetationsdecke vollzog sich gleichzeitig mit der fortlaufenden Hebung des Beckens auf heutige Höhen. KW - plateau KW - isotopes KW - erosion KW - water KW - leaf wax KW - Plateau KW - stabile Isotope KW - Wasser KW - Erosion KW - Blattwachse Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77938 ER - TY - THES A1 - Torres Acosta, Verónica T1 - Denudation processes in a tectonically active rift on different time scales T1 - Denudationsprozesse eines tektonisch aktiven Rifts auf unterschiedlichen Zeitskalen BT - new insights from thermochronology and CRN dating in the Kenya Rift BT - neue Erkenntnisse aus Thermochronologie und CRN-Datierungen im Kenia Rift N2 - Continental rifts are excellent regions where the interplay between extension, the build-up of topography, erosion and sedimentation can be evaluated in the context of landscape evolution. Rift basins also constitute important archives that potentially record the evolution and migration of species and the change of sedimentary conditions as a result of climatic change. Finally, rifts have increasingly become targets of resource exploration, such as hydrocarbons or geothermal systems. The study of extensional processes and the factors that further modify the mainly climate-driven surface process regime helps to identify changes in past and present tectonic and geomorphic processes that are ultimately recorded in rift landscapes. The Cenozoic East African Rift System (EARS) is an exemplary continental rift system and ideal natural laboratory to observe such interactions. The eastern and western branches of the EARS constitute first-order tectonic and topographic features in East Africa, which exert a profound influence on the evolution of topography, the distribution and amount of rainfall, and thus the efficiency of surface processes. The Kenya Rift is an integral part of the eastern branch of the EARS and is characterized by high-relief rift escarpments bounded by normal faults, gently tilted rift shoulders, and volcanic centers along the rift axis. Considering the Cenozoic tectonic processes in the Kenya Rift, the tectonically controlled cooling history of rift shoulders, the subsidence history of rift basins, and the sedimentation along and across the rift, may help to elucidate the morphotectonic evolution of this extensional province. While tectonic forcing of surface processes may play a minor role in the low-strain rift on centennial to millennial timescales, it may be hypothesized that erosion and sedimentation processes impacted by climate shifts associated with pronounced changes in the availability in moisture may have left important imprints in the landscape. In this thesis I combined thermochronological, geomorphic field observations, and morphometry of digital elevation models to reconstruct exhumation processes and erosion rates, as well as the effects of climate on the erosion processes in different sectors of the rift. I present three sets of results: (1) new thermochronological data from the northern and central parts of the rift to quantitatively constrain the Tertiary exhumation and thermal evolution of the Kenya Rift. (2) 10Be-derived catchment-wide mean denudation rates from the northern, central and southern rift that characterize erosional processes on millennial to present-day timescales; and (3) paleo-denudation rates in the northern rift to constrain climatically controlled shifts in paleoenvironmental conditions during the early Holocene (African Humid Period). Taken together, my studies show that time-temperature histories derived from apatite fission track (AFT) analysis, zircon (U-Th)/He dating, and thermal modeling bracket the onset of rifting in the Kenya Rift between 65-50 Ma and about 15 Ma to the present. These two episodes are marked by rapid exhumation and, uplift of the rift shoulders. Between 45 and 15 Ma the margins of the rift experienced very slow erosion/exhumation, with the accommodation of sediments in the rift basin. In addition, I determined that present-day denudation rates in sparsely vegetated parts of the Kenya Rift amount to 0.13 mm/yr, whereas denudation rates in humid and more densely vegetated sectors of the rift flanks reach a maximum of 0.08 mm/yr, despite steeper hillslopes. I inferred that hillslope gradient and vegetation cover control most of the variation in denudation rates across the Kenya Rift today. Importantly, my results support the notion that vegetation cover plays a fundamental role in determining the voracity of erosion of hillslopes through its stabilizing effects on the land surface. Finally, in a pilot study I highlighted how paleo-denudation rates in climatic threshold areas changed significantly during times of transient hydrologic conditions and involved a sixfold increase in erosion rates during increased humidity. This assessment is based on cosmogenic nuclide (10Be) dating of quartzitic deltaic sands that were deposited in the northern Kenya Rift during a highstand of Lake Suguta, which was associated with the Holocene African Humid Period. Taken together, my new results document the role of climate variability in erosion processes that impact climatic threshold environments, which may provide a template for potential future impacts of climate-driven changes in surface processes in the course of Global Change. N2 - Kontinentale Riftsysteme wie das ostafrikanische Riftsystem (OARS) bieten ideale Voraussetzungen, um die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Extension, Änderungen in der Topographie, Erosion und Sedimentation im Zusammenhang mit Prozessen der Landschaftsentwicklung auf unterschiedlichen Zeitskalen zu untersuchen. Darüber hinaus spielen diese Regionen eine bedeutsame Rolle für die Entwicklung und Verbreitung der Arten und stellen durch eine kontinuierliche Entwicklung von Sedimentationsräumen und die in ihnen gespeicherten Klimasignale wichtige Klimaarchive dar. Rifts sind außerdem wichtige Regionen, in denen Maßnahmen zur Exploration natürlicher Ressourcen zunehmend wichtiger werden. Von Bedeutung ist hier, diese Prozesse und ihre Auslösemechanismen besser zu verstehen und Veränderungen in den tektonischen und geomorphologischen Prozessen der Vergangenheit und der Gegenwart zu identifizieren, deren Raten zu bestimmen und in den Kontext der Landschaftsentwicklung zu setzen. Das OARS ist eine markante tektonische und topographische Erscheinung in Ostafrika, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Verteilung und Menge von Niederschlägen und damit auf die Effizienz von Oberflächenprozessen hat. Das Kenia-Rift ist ein integraler Bestandteil des östlichen Zweigs des OARS und ist durch ausgeprägte Riftflanken mit Abschiebungen, und flacheren Riftschultern sowie vulkanischen Zentren entlang des Grabens gekennzeichnet. In Anbetracht der tektonischen Prozesse im Kenia-Rift während der letzten 60 Millionen Jahre, bilden die Bestimmung der Abkühlungsgeschichte der Riftschultern, sowie die Ablagerungsgeschichte im Riftbecken und auf den Riftschultern die Grundlage für die Rekonstruktion der strukturellen Entwicklung des Rifts. Auf kurzen, hundertjährigen bis tausendjährigen Zeitskalen, spielt tektonische Aktivität aufgrund langsamer Deformationsraten eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle von Erosion und Sedimentation. Dem gegenüber stehen klimagesteuerte Prozesse, die die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit, die Niederschlagstätigkeit, die Vegetationsbedeckung sowie die Erosionsprozesse kontrollieren. In dieser Dissertation habe ich thermochronologische Untersuchungen, geomorphologische Geländeergebnisse und morphometrische Analysen an digitalen Geländemodellen kombiniert, um Exhumationsprozesse und Erosionsraten sowie die Wirkung des Klimas auf die känozoische Entwicklung des Kenia-Rifts zu rekonstruieren. Ich präsentiere: (1) neue thermochronologische Daten aus den nördlichen und zentralen Teilen des Kenia-Rifts, um quantitative Angaben zur Exhumationsgeschichte und der thermischen Entwicklung im Känozoikum zu erhalten, die letztlich die Basis für regionale Riftmodelle bilden und die Dynamik der Riftbildung im Inneren eines Kontinents beleuchten; (2) mittlere Denudationsraten (mithilfe des kosmogenen Nuklids 10Be) in Einzugsgebieten des nördlichen, zentralen und südlichen Rifts um Abhängigkeiten der Erosionsprozesse von klimatischen, lithologischen und tektonischen Parametern auf einer Zeitskala von mehreren 10^3 Jahren zu erfassen; (3) Paläo-Denudationsraten im nördlichen Rift, um klimatisch kontrollierte Veränderungen der Umweltbedingungen im Früh-Holozän zu bestimmen. Meine Studien zeigen, dass Zeit-Temperatur-Pfade von Apatit Spaltspurenanalysen, Zirkon-(U-Th)/He-Datierungen und thermischen Modellierung den Zeitraum der Grabenbildung im Kenia Rift zwischen 65-50 Ma und von 15 Ma bis zur Gegenwart definieren. Diese beiden Phasen werden durch schnelle Exhumierung der Riftflanken und Anhebung der Riftschultern begleitet. Zwischen 45 und 15 Ma wurden die Riftschultern und -flanken nur sehr langsam erodiert/exhumiert, und Sedimente aus diesen Gebieten im Rift abgelagert, die zum Teil auf die damaligen Riftschultern sedimentiert wurden. Darüber hinaus ermittelte ich, dass Denudationsraten in spärlich bewachsenen Gebieten heute bis zu 0,13 mm/a erreichen können, während in feuchten und dicht bewachsenen Gebieten ein Maximum von nur 0,08 mm/a erreicht wird, trotz z.T. steilerer Hänge. Die Kombination morphometrischer Untersuchungen und Analysen des kosmogenen Nuklids 10Be zeigt, dass Vegetation und Hangneigung weitgehend die Variabilität von Erosionsraten im heutigen Kenia Rift beeinflussen. Meine Ergebnisse unterstützen mit robusten quantitativen Daten die Hypothese, dass die Vegetationsdecke eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Hängen spielt. In einer weiterführenden Pilotstudie konnte ich zeigen, wie Paläo-Denudationsraten zum Verständnis bekannter Perioden der Klimaschwankung und den damit verbundenen Änderungen hydrologischer Bedingungen beitragen können. Diese Beobachtung basiert auf der Analyse kosmogener Nuklide (10Be) an früh-holozänen Deltaablagerungen im nördlichen Kenia Rift, die auf eine Vervierfachung der Erosionsraten in der Anfangsphase eines Wechsels von ariden zu humiden Klimabedingungen hindeuten. Diese Untersuchungen dokumentieren somit die Bedeutung von Klimavariabilität im Erosions- und Sedimentationsregime klimatischer Schwellenregionen und verdeutlichen ein Szenario der Veränderung von Oberflächenprozessen, wie es bei zukünftigen Änderungen des Klimas im Zuge des globalen Wandels erwartet werden kann. KW - denudation processes KW - East African Rift KW - landscape evolution KW - thermochronology KW - cosmogenic radionuclides KW - exhumation processes KW - vegetation cover KW - Denudation KW - Exhumationsprozesse KW - kosmogene Nuklide KW - Landschaftsentwicklung KW - ostafrikanisches Riftsystem KW - Vegetationsbedeckung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84534 ER - TY - THES A1 - Pingel, Heiko T1 - Mountain-range uplift & climate-system interactions in the Southern Central Andes T1 - Wechselwirkungen zwischen Gebirgsbildung und Klima in den südlichen Zentralanden N2 - Zwei häufig diskutierte Aspekte der spätkänozoischen Gebirgsbildung der Anden sind der Zeitpunkt sowie die Art und Weise der Heraushebung des Puna-Plateaus und seiner Randgebiete innerhalb der Ostkordillere und die damit verbundenen klimatischen Änderungen in NW Argentinien. Die Ostkordillere trennt die Bereiche des endorheischen, ariden Plateaus von semiariden und extern entwässerten intermontanen Becken sowie dem humiden Andenvorland im Osten. Diese Unterschiede verdeutlichen die Bedeutung der östlichen Flanken der Anden als orografische Barrieren gegenüber feuchten Luftmassen aus dem Osten und spiegelt sich auch in ausgeprägten Relief- und Topografiegradienten, der Niederschlagsverteilung, und der Effizienz von Oberflächenprozessen wider. Obwohl das übergeordnete Deformationsmuster in diesem Teil der Anden eine ostwärts gerichtete Wanderung der Deformationsprozesse im Gebirge indiziert, gibt es hier keine klar definierte Deformationsfront. Hebungsvorgänge und die damit im Zusammenhang stehenden Sedimentprozesse setzen räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich ein. Zudem gestalten periodisch wiederkehrende Deformationsereignisse innerhalb intermontaner Becken und diachrone Hebungsvorgänge, durch Reaktivierung älterer Sockelstrukturen im Vorland, eine detaillierte Auswertung der räumlich-zeitlichen Hebungsmuster zusätzlich schwierig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die tektonische Entwicklung der Ostkordillere im Nordwesten Argentiniens, die Ablagerungsgeschichte ihrer intermontanen Sedimentbecken und die topografische Entwicklung der Ostflanke des andinen Puna-Plateaus. Im Allgemeinen sind sich die Sedimentbecken der Ostkordillere und der angrenzenden Provinzen, den Sierras Pampeanas und der Santa Bárbara Region, den durch Störungen begrenzten und mit Sedimenten verfüllten Becken der hochandinen Plateauregion sehr ähnlich. Deutliche Unterschiede zur Puna bestehen aber dennoch, denn wiederholte Deformations-, Erosions- und Sedimentationsprozesse haben in den intermontanen Becken zu einer vielfältigen Stratigrafie, Überlagerungsprozessen und einer durch tektonische Prozesse und klimatischen Wandel charakterisierten Landschaft beigetragen. Je nach Erhaltungsgrad können in einigen Fällen Spuren dieser sedimentären und tektonischen Entwicklung bis in die Zeit zurückreichen, als diese Bereiche des Gebirges noch Teil eines zusammenhängenden und unverformten Vorlandbeckens waren. Im Nordwesten Argentiniens enthalten känozoische Sedimente zahlreiche datierbare und geochemisch korrelierbare Vulkanaschen, die nicht nur als wichtige Leithorizonte zur Entschlüsselung tektonischer und sedimentärer Ereignisse dienen. Die vulkanischen Gläser dieser Aschen archivieren außerdem Wasserstoff-Isotopenverhältnisse früherer Oberflächenwasser, mit deren Hilfe - im Vergleich mit den Isotopenverhältnissen rezenter meteorischer Wässer - die räumliche und zeitliche Entstehung orografischer Barrieren und tektonisch erzwungene Klima- und Umweltveränderungen verfolgt werden können. Uran-Blei-Datierungen an Zirkonen aus den vulkanischen Aschelagen und die Rekonstruktion sedimentärer Paläotransportrichtungen im intermontanen Humahuaca-Becken in der Ostkordillere (23.5° S) deuten an, dass das heutige Becken bis vor etwa 4.2 Ma Bestandteil eines größtenteils uneingeschränkten Ablagerungsbereichs war, der sich bis ins Vorland erstreckt haben muss. Deformation und Hebung östlich des heutigen Beckens sorgten dabei für eine fortschreitende Entkopplung des Entwässerungsnetzes vom Vorland und eine Umlenkung der Flussläufe nach Süden. In der Folge erzwang die weitere Hebung der Gebirgsblöcke das Abregnen östlicher Luftmassen in immer östlicher gelegene Bereiche. Zudem können periodische Schwankungen der hydrologischen Verbindung des Beckens mit dem Vorland im Zusammenhang mit der Ablagerung und Erosion mächtiger Beckenfüllungen identifiziert werden. Systematische Beziehungen zwischen Verwerfungen, regionalen Diskontinuitäten und verstellten Terrassenflächen verweisen außerdem auf ein generelles Muster beckeninterner Deformation, vermutlich als Folge umfangreicher Beckenerosion und damit verbundenen Änderungen im tektonischen Spannungsfeld der Region. Einige dieser Beobachtungen können anhand veränderter Wasserstoff-Isotopenkonzentrationen vulkanischer Gläser aus der känozoischen Stratigrafie untermauert werden. Die δDg-Werte zeigen zwei wesentliche Trends, die einerseits in Verbindung mit Oberflächenhebung innerhalb des Einzugsgebiets zwischen 6.0 und 3.5 Ma stehen und andererseits mit dem Einsetzen semiarider Bedingungen durch Erreichen eines Schwellenwertes der Topografie der östlich gelegenen Gebirgszüge nach 3.5 Ma erklärt werden können. Tektonisch bedingte Unterbrechung der Sedimentzufuhr aus westlich gelegenen Liefergebieten um 4.2 Ma und die folgende Hinterland-Aridifizierung deuten weiterhin auf die Möglichkeit hin, dass diese Prozesse die Folge eines lateralen Wachstums des Puna-Plateaus sind. Diese Aridifizierung im Bereich der Puna resultierte in einem ineffizienten, endorheischen Entwässerungssystem, das dazu beigetragen hat, das Plateau vor Einschneidung und externer Entwässerung zu bewahren und Reliefgegensätze aufgrund fortgesetzter Beckensedimentation reduzierte. Die diachrone Natur der Hebungen und Beckenbildungen sowie deren Auswirkungen auf das Flusssystem im angrenzenden Vorland wird sowohl durch detaillierte Analysen der Sedimentherkunft und Transportrichtungen als auch Uran-Blei-Datierungen im Lerma- und Metán-Becken (25° S) weiterhin unterstrichen. Das wird besonders deutlich am Beispiel der isolierten Hebung der Sierra de Metán vor etwa 10 Ma, die mehr als 50 km von der aktiven orogenen Front im Westen entfernt liegt. Ab 5 Ma sind typische Lithologien der Puna nicht mehr in den Vorlandsedimenten nachweisbar, welches die weitere Hebung innerhalb der Ostkordillere und die hydrologische Isolation des Angastaco-Beckens in dieser Region dokumentiert. Im Spätpliozän und Quartär ist die Deformation letztlich über das gesamte Vorland verteilt und bis heute aktiv. Um die Beziehungen zwischen tektonisch kontrollierten Veränderungen der Topografie und deren Einfluss auf atmosphärische Prozesse besser zu verstehen, werden in dieser Arbeit weitere altersspezifische Wasserstoff-Isotopendaten vulkanischer Gläser aus dem zerbrochenen Vorland, dem Angastaco-Becken in der Übergangsregion zwischen Ostkordillere und Punarand und anderer intermontaner Becken weiter südlich vorgestellt. Die Resultate dokumentieren ähnliche Höhenlagen der untersuchten Regionen bis ca. 7 Ma, gefolgt von Hebungsprozessen im Bereich des Angastaco-Beckens. Ein Vergleich mit Isotopendaten vom benachbarten Puna-Plateau hilft abrupte δDg-Schwankungen in den intermontanen Daten zu erklären und untermauert die Existenz wiederkehrender Phasen verstärkt konvektiver Wetterlagen im Pliozän, ähnlich heutigen Bedingungen. In dieser Arbeit werden geländeorientierte und geochemische Methoden kombiniert, um Erkenntnisse über die Abläufe von topografiebildenden Deformations- und Hebungsprozessen zu gewinnen und Wechselwirkungen mit der daraus resultierenden Niederschlagsverteilung, Erosion und Sedimentation innerhalb tektonisch aktiver Gebirge zu erforschen. Diese Erkenntnisse sind für ein besseres Verständnis von Subduktionsgebirgen essentiell, besonders hinsichtlich des Deformationsstils und der zeitlich-räumlichen Beziehungen bei der Hebung und Sedimentbeckenbildung. Diese Arbeit weist darüberhinaus auf die Bedeutung stabiler Isotopensysteme zur Beantwortung paläoaltimetrischer Fragestellungen und zur Erforschung von Paläoumweltbedingungen hin und liefert wichtige Erkenntnisse für einen kritischen Umgang mit solchen Daten in anderen Regionen. N2 - Two of the most controversial issues concerning the late Cenozoic evolution of the Andean orogen are the timing of uplift of the intraorogenic Puna plateau and its eastern border, the Eastern Cordillera, and ensuing changes in climatic and surface-process conditions in the intermontane basins of the NW-Argentine Andes. The Eastern Cordillera separates the internally drained, arid Puna from semi-arid intermontane basins and the humid sectors of the Andean broken foreland and the Subandean fold-and-thrust belt to the east. With elevations between 4,000 and 6,000 m the eastern flanks of the Andes form an efficient orographic barrier with westward-increasing elevation and asymmetric rainfall distribution and amount with respect to easterly moisture-bearing winds. This is mirrored by pronounced gradients in the efficiency of surface processes that erode and re-distribute sediment from the uplifting ranges. Although the overall pattern of deformation and uplift in this sector of the southern central Andes shows an eastward migration of deformation, a well-developed deformation front does not exist and uplift and associated erosion and sedimentary processes are highly disparate in space and time. In addition, periodic deformation within intermontane basins, and continued diachronous foreland uplifts associated with the reactivation of inherited basement structures furthermore make a rigorous assessment of the spatiotemporal uplift patterns difficult. This thesis focuses on the tectonic evolution of the Eastern Cordillera of NW Argentina, the depositional history of its intermontane sedimentary basins, and the regional topographic evolution of the eastern flank of the Puna Plateau. The intermontane basins of the Eastern Cordillera and the adjacent morphotectonic provinces of the Sierras Pampeanas and the Santa Bárbara System are akin to reverse fault bounded, filled, and partly coalesced sedimentary basins of the Puna Plateau. In contrast to the Puna basins, however, which still form intact morphologic entities, repeated deformation, erosion, and re-filling have impacted the basins in the Eastern Cordillera. This has resulted in a rich stratigraphy of repeated basin fills, but many of these basins have retained vestiges of their early depositional history that may reach back in time when these areas were still part of a contiguous and undeformed foreland basin. Fortunately, these strata also contain abundant volcanic ashes that are not only important horizons to decipher tectono-sedimentary events through U-Pb geochronology and geochemical correlation, but they also represent terrestrial recorders of the hydrogen-isotope composition of ancient meteoric waters that can be compared to the isotopic composition of modern meteoric water. The ash horizons are thus unique recorders of past environmental conditions and lend themselves to tracking the development of rainfall barriers and tectonically forced climate and environmental change through time. U-Pb zircon geochronology and paleocurrent reconstructions of conglomerate sequences in the Humahuaca Basin of the Eastern Cordillera at 23.5° S suggest that the basin was an integral part of a largely unrestricted depositional system until 4.2 Ma, which subsequently became progressively decoupled from the foreland by range uplifts to the east that forced easterly moisture-bearing winds to precipitate in increasingly eastward locations. Multiple cycles of severed hydrological conditions and drainage re-capture are identified together with these processes that were associated with basin filling and sediment evacuation, respectively. Moreover, systematic relationships among faults, regional unconformities and deformed landforms reveal a general pattern of intra-basin deformation that appears to be linked with basin-internal deformation during or subsequent to episodes of large-scale sediment removal. Some of these observations are supported by variations in the hydrogen stable isotope composition of volcanic glass from the Neogene to Quaternary sedimentary record, which can be related to spatiotemporal changes in topography and associated orographic effects. δDg values in the basin strata reveal two main trends associated with surface uplift in the catchment area between 6.0 and 3.5 Ma and the onset of semiarid conditions in the basin following the attainment of threshold elevations for effective orographic barriers to the east after 3.5 Ma. The disruption of sediment supply from western sources after 4.2 Ma and subsequent hinterland aridification, moreover, emphasize the possibility that these processes were related to lateral orogenic growth of the adjacent Puna Plateau. As a result of the hinterland aridification the regions in the orogen interior have been characterized by an inefficient fluvial system, which in turn has helped maintaining internal drainage conditions, sediment storage, and relief reduction within high-elevation basins. The diachronous nature of basin formation and impacts on the fluvial system in the adjacent broken foreland is underscored by the results of detailed sediment provenance and paleocurrent analyses, as well as U-Pb zircon geochronology in the Lerma and Metán basins at ca. 25° S. This is particularly demonstrated by the isolated uplift of the Metán range at ~10 Ma, which is more than 50 km away from the presently active orogenic front along the eastern Puna margin and the Eastern Cordillera to the west. At about 5 Ma, Puna-sourced sediments disappear from the foreland record, documenting further range uplifts in the Eastern Cordillera and hydrological isolation of the neighboring Angastaco Basin from the foreland. Finally, during the late Pliocene and Quaternary, deformation has been accommodated across the entire foreland and is still active. To elucidate the interactions between tectonically controlled changes in elevation and their impact on atmospheric circulation processes in this region, this thesis provides additional, temporally well-constrained hydrogen stable isotope results of volcanic glass samples from the broken foreland, including the Angastaco Basin, and other intermontane basins farther south. The results suggest similar elevations of intermontane basins and the foreland sectors prior to ca. 7 Ma. In case of the Angastaco Basin the region was affected by km-scale surface uplift of the basin. A comparison with coeval isotope data collected from sedimentary sequences in the Puna plateau explains rapid shifts in the intermontane δDg record and supports the notion of recurring phases of enhanced deep convection during the Pliocene, and thus climatic conditions during the middle to late Pliocene similar to the present day. Combined, field-based and isotope geochemical methods used in this study of the NW-Argentine Andes have thus helped to gain insight into the systematics, rate changes, interactions, and temporal characteristics among tectonically controlled deformation patterns, the build-up of topography impacting atmospheric processes, the distribution of rainfall, and resulting surface processes in a tectonically active mountain belt. Ultimately, this information is essential for a better understanding of the style and the rates at which non-collisional mountain belts evolve, including the development orogenic plateaus and their bordering flanks. The results presented in this study emphasize the importance of stable isotope records for paleoaltimetric and paleoenvironmental studies in mountain belts and furnishes important data for a rigorous interpretation of such records. KW - geology KW - Argentina KW - Eastern Cordillera KW - Puna KW - neotectonics KW - paleoaltimetry KW - stable isotopes KW - volcanic glass KW - U-Pb geochronology KW - Geologie KW - Argentinien KW - Ostkordillere KW - Puna KW - Neotektonik KW - Paläoaltimetrie KW - stabile Isotope KW - vulkanischer Gläser KW - U-Pb Geochronologie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82301 ER - TY - THES A1 - Busch, Jan Philip T1 - Investigations on mobility of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron (nZVI) for groundwater remediation T1 - Untersuchungen zur Mobilität künstlicher Kohlenstoff-Eisen-Komposite zum Einsatz in der Altlastensanierung N2 - Injection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) is an innovative technology for in situ installation of a permeable reactive barrier in the subsurface. Zerovalent iron (ZVI) is highly reactive with chlorinated hydrocarbons (CHCs) and renders them into less harmful substances. Application of nZVI instead of granular ZVI can increase rates of dechlorination of CHCs by orders of magnitude, due to its higher surface area. This approach is still difficult to apply due to fast agglomeration and sedimentation of colloidal suspensions of nZVI, which leads to very short transport distances. To overcome this issue of limited mobility, polyanionic stabilisers are added to increase surface charge and stability of suspensions. In field experiments maximum transport distances of a few metres were achieved. A new approach, which is investigated in this thesis, is enhanced mobility of nZVI by a more mobile carrier colloid. The investigated composite material consists of activated carbon, which is loaded with nZVI. In this cumulative thesis, transport characteristics of carbon-colloid supported nZVI (c-nZVI) are investigated. Investigations started with column experiments in 40 cm columns filled with various porous media to investigate on physicochemical influences on transport characteristics. The experimental setup was enlarged to a transport experiment in a 1.2-m-sized two-dimensional aquifer tank experiment, which was filled with granular porous media. Further, a field experiment was performed in a natural aquifer system with a targeted transport distance of 5.3 m. Parallel to these investigations, alternative methods for transport observations were investigated by using noninvasive tomographic methods. Experiments using synchrotron radiation and magnetic resonance (MRI) were performed to investigate in situ transport characteristics in a non-destructive way. Results from column experiments show potentially high mobility under environmental relevant conditions. Addition of mono-and bivalent salts, e.g. more than 0.5 mM/L CaCl2, might decrease mobility. Changes in pH to values below 6 can inhibit mobility at all. Measurements of colloid size show changes in the mean particle size by a factor of ten. Measurements of zeta potential revealed an increase of –62 mV to –82 mV. Results from the 2D-aquifer test system suggest strong particle deposition in the first centimetres and only weak straining in the further travel path and no gravitational influence on particle transport. Straining at the beginning of the travel path in the porous medium was observed with tomographic investigations of transport. MRI experiments revealed similar results to the previous experiments, and observations using synchrotron radiation suggest straining of colloids at pore throats. The potential for high transport distances, which was suggested from laboratory experiments, was confirmed in the field experiment, where the transport distance of 5.3 m was reached by at least 10% of injected nZVI. Altogether, transport distances of the investigated carbon-colloid supported nZVI are higher than published results of traditional nZVI. N2 - Die Injektion nanoskaligen nullwertigen Eisens ist eine innovative Technik zur In-situ-Sanierung chlororganisch belasteter Standorte. Hierbei wird das nullwertige Eisen in den Untergrund injiziert und soll dort eine permeable reaktive Barriere aufbauen, in der chlororganische Schadstoffe zu weniger schädlichen Substanzen abgebaut werden sollen. Die Einbringung nanoskaliger Kolloide birgt gegenüber klassischen eisengefüllten permeablen reaktiven Barrieren den Vorteil einer durch die wesentlich größere Oberfläche vielfach schnelleren Reaktion und dadurch einer möglicherweise kürzeren Sanierungszeit. Noch ist die praktische Anwendung dieses Ansatzes durch schnelle Agglomeration und Sedimentation der Nanokolloide begrenzt. Durch Hinzufügen von polyanionischen Zusatzstoffen, welche die Oberflächenladung erhöhen und damit die Agglomeration und Sedimentation der Partikel verlangsamen, konnten bereits Transportreichweiten von wenigen Metern beobachtet werden. Ein weiterer Ansatz ist das Aufbringen von Nanoeisen auf ein mobiles Trägerkolloid. In dieser kumulativen Dissertation werden die Transporteigenschaften von kohlenstoffkolloidunterstütztem Nanoeisen untersucht. Die Untersuchungen beginnen mit Versuchen in Laborsäulen, die mit verschiedenen porösen Medien gefüllt wurden. Hier wurde der Einfluss verschiedener physikochemischer Parameter (u.a. Salinität und pH-Wert) auf das Transportverhalten untersucht. Anschließend wurde der Versuchsaufbau auf einen 1,2 m langen 2D-Laboraquifer, der ebenfalls mit einem porösen Medium gefüllt wurde, vergrößert. Außerdem wurde ein Feldversuch in einem natürlichen Aquifer ein gerichtetes Fließfeld eingerichtet und darin der Transport über eine Distanz von 5,3 m untersucht. Parallel dazu wurde das Transportverhalten mit nichtinvasiven Methoden, hier Magnetresonanztomographie (MRT) und Synchrotronstrahlung, in laborskaliger Größe untersucht. Die Ergebnisse der Säulenversuche deuten auf eine hohe Anwendbarkeit unter umweltrelevanten Bedingungen hin. Ein sehr niedriger pH-Wert oder eine hohe Salinität (z. B. mehr als 5 mM/L CaCl2) können die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Zusätzlich wurde eine Änderung der durchschnittlichen Kolloidgröße um den Faktor einer Größenordnung und eine Änderung des Zetapotentials von –62 auf –80 mV beobachtet. Die Ergebnisse des Transportexperiments im 2D-Laboraquifer deuten auf eine Deposition der Kolloide auf den ersten Zentimetern der Fließstrecke hin, aber geringe Deposition im weiteren Verlauf des Transports. Dabei konnte kein direkter Einfluss der Gravitation festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten mithilfe von MRT-Untersuchungen bestätigt werden. Die Beobachtung mittels Synchrotrontomographie deutet auf eine Deposition an Porenhälsen hin. Die vielversprechenden Ergebnisse der Laboruntersuchungen konnten in dem Feldversuch bestätigt werden, da hier mehr als 10% der zugegebenen nZVI eine Stecke von 5,3 m oder mehr im Aquifer passiert haben. In der Gesamtbetrachtung scheint der Einsatz dieses kolloidunterstützten nanoskaligem nullwertigen Eisens den gängigen Methoden der Eiseninjektion im Hinblick auf die erzielbare Transportreichweite überlegen zu sein. KW - nanoscale zero-valent iron (nZVI) KW - Carbo-Iron® KW - colloid transport KW - in-situ remediation KW - Nanoeisen KW - Carbo-Iron KW - Kolloidtransport KW - Sanierung KW - Altlasten Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76873 ER - TY - THES A1 - Trauth, Nico T1 - Flow and reactive transport modeling at the stream-groundwater interface T1 - Strömungs- und reaktive Stofftransportmodellierung an der Schnittstelle Fluss-Grundwasser BT - effects of hydrological conditions and streambed morphology BT - Einfluss der hydrologischen Bedingungen und der Flussbettmorphologie N2 - Stream water and groundwater are important fresh water resources but their water quality is deteriorated by harmful solutes introduced by human activities. The interface between stream water and the subsurface water is an important zone for retention, transformation and attenuation of these solutes. Streambed structures enhance these processes by increased water and solute exchange across this interface, denoted as hyporheic exchange. This thesis investigates the influence of hydrological and morphological factors on hyporheic water and solute exchange as well as redox-reactions in fluvial streambed structures on the intermediate scale (10–30m). For this purpose, a three-dimensional numerical modeling approach for coupling stream water flow with porous media flow is used. Multiple steady state stream water flow scenarios over different generic pool-riffle morphologies and a natural in-stream gravel bar are simulated by a computational fluid dynamics code that provides the hydraulic head distribution at the streambed. These heads are subsequently used as the top boundary condition of a reactive transport groundwater model of the subsurface beneath the streambed. Ambient groundwater that naturally interacts with the stream water is considered in scenarios of different magnitudes of downwelling stream water (losing case) and upwelling groundwater (gaining case). Also, the neutral case, where stream stage and groundwater levels are balanced is considered. Transport of oxygen, nitrate and dissolved organic carbon and their reaction by aerobic respiration and denitrification are modeled. The results show that stream stage and discharge primarily induce hyporheic exchange flux and solute transport with implications for specific residence times and reactions at both the fully and partially submerged structures. Gaining and losing conditions significantly diminish the extent of the hyporheic zone, the water exchange flux, and shorten residence times for both the fully and partially submerged structures. With increasing magnitude of gaining or losing conditions, these metrics exponentially decrease. Stream water solutes are transported mainly advectively into the hyporheic zone and hence their influx corresponds directly to the infiltrating water flux. Aerobic respiration takes place in the shallow streambed sediments, coinciding to large parts with the extent of the hyporheic exchange flow. Denitrification occurs mainly as a “reactive fringe” surrounding the aerobic zone, where oxygen concentration is low and still a sufficient amount of stream water carbon source is available. The solute consumption rates and the efficiency of the aerobic and anaerobic reactions depend primarily on the available reactive areas and the residence times, which are both controlled by the interplay between hydraulic head distribution at the streambed and the gradients between stream stage and ambient groundwater. Highest solute consumption rates can be expected under neutral conditions, where highest solute flux, longest residence times and largest extent of the hyporheic exchange occur. The results of this thesis show that streambed structures on the intermediate scale have a significant potential to contribute to a net solute turnover that can support a healthy status of the aquatic ecosystem. N2 - Fluss- und Grundwasser sind wichtige Süßwasserressourcen, deren Qualität durch anthropogene Einträge schädlicher Stoffe vermindert wird. Im Grenzbereich zwischen Fluss- und Grundwasser können diese Stoffe zurückgehalten, umgewandelt oder abgebaut werden. Flussbettstrukturen erhöhen den sogenannten hyporheischen Austausch von Wasser und Stoffflüssen, wodurch diese Prozesse gefördert werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von hydrologischen und morphologischen Faktoren auf Wasser und Stoffflüsse sowie Redox-Reaktionen in Flussbettstrukturen der mittleren Skala (10–30m) untersucht. Hierfür wird ein dreidimensionales numerisches Modell-Konzept verwendet, welches die Flussströmung und die Strömung im darunter liegenden porösen Medium koppelt. Mit einer Computational Fluid Dynamics Software wird die stationäre Flussströmung über generische Pool-Riffle Strukturen sowie über eine natürliche Flussinsel für verschiedene Abflüsse simuliert. Die berechneten Drücke am Flussbett werden als Randbedingungen erster Ordnung an ein reaktives Grundwasser- und Stofftransportmodell übertragen. An der unteren bzw. seitlichen Randbedingung werden zusätzliche Gradienten erzeugt, die die Interaktion zwischen Fluss und regionalem Grundwasser als in– oder exfiltrierende Bedingungen repräsentieren. Sind Flusswasserund Grundwasserstand ausgeglichen, liegen neutrale Bedingungen vor. Im Grundwassermodell werden der Transport von Sauerstoff, Nitrat und gelöstem organischen Kohlenstoff sowie deren mögliche Reaktion durch aerobe Respiration und Denitrifikation modelliert. Die Simulationensergebnisse zeigen, dass der hyporheische Austausch durch hydraulische Gradienten am Flussbett verursacht wird. Existiert ein zusätzlicher hydraulischer Gradient zwischen Fluss- und Grundwasser, werden die ausgetauschten Wassermengen sowie die Größe der hyporheischen Zone vermindert, was mit kürzeren Verweilzeiten einhergeht. Dieser Effekt ist unabhängig von der Richtung dieses Gradienten und umso ausgeprägter, je stärker der Gradient zwischen dem Grundwasser und dem Flusswasserstand ist. Die im Flusswasser gelösten Stoffe werden advektiv in die hyporheische Zone transportiert. Die aerobe Respiration nimmt große Bereiche der flachen hyporheischen Zone ein. Hohe Denitrifikationsraten existieren vor allem in einem “reaktiven Saum”, der den aeroben Bereich umschließt, da hier die Sauerstoffkonzentration niedrig und ausreichend Kohlenstoff verfügbar ist. Die Raten und die Effizienz der aeroben und anaeroben Reaktionen hängen vor allem von dem für die Reaktionen verfügbaren Raum sowie den Verweilzeiten der Stoffe in der hyporheischen Zone ab. Beide Parameter werden von der Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Gradienten entlang des Flussbettes und dem Gradienten zwischen Fluss- und Grundwasser kontrolliert. Die höchsten Zehrraten werden unter neutralen Bedingungen erreicht, wenn die Menge der infiltrierenden gelösten Stoffe am höchsten ist, die längsten Verweilzeiten auftreten und die hyporheische Zone die größte Ausbreitung aufweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die untersuchten Flussbettstrukturen ein bedeutendes Potential für den Umsatz von Wasserinhaltsstoffen haben können, wodurch ein guter Status des aquatischen Ökosystems gefördert wird. KW - hyporheic zone KW - denitrification KW - streambed morphology KW - Computational Fluid Dynamics (CFD) KW - reactive transport groundwater model KW - hyporheische Zone KW - Denitrifikation KW - Flussbettmorphologie KW - numerische Strömungsmechanik KW - reaktives Grundwassermodell Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82748 ER - TY - THES A1 - Kütter, Sissy T1 - Magnetotelluric measurements across the southern Barberton Greenstone Belt, South Africa T1 - Magnetotellurische Messungen am südlichen Barberton Grünsteingürtel, Südafrika N2 - Der Barberton Grünsteingürtel (BGB) in Südafrika gehört zu den wenigen Regionen mit noch gut erhaltener Archaischer Kruste. Seit Jahrhunderten wurde der BGB eingehend untersucht und seine geologischen und tektonischen Strukturen detailliert kartiert. Über die tiefere Struktur des BGB ist hingegen wenig bekannt. Zahlreiche Evolutionsmodelle, die auf Altersbestimmungsdaten und strukturellen Informationen beruhen wurden über die Jahre aufgestellt. Diese Theorien sind zumeist widersprüchlich. Sie konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Frage, ob plattentektonische Prozesse bereits bei der Entwicklung der frühen Erde eine Rolle spielten oder ob vertikale Tektonik, angetrieben durch die im Archaikum höheren Temperaturen, die Bildung der heutigen Kontinente bestimmt hat. Um neue Erkenntnisse über die interne Struktur und Entwicklungsgeschichte des BGB zu erhalten, wurden im Rahmen der Deutsch-Südafrikanischen Forschungsinitiative Inkaba yeAfrica magnetotellurische (MT) Messungen durchgeführt. Entlang von sechs Profilen, die den gesamten südlichen Teil des BGB’s überdecken, wurden nahezu 200 MT-Stationen installiert. Tektonische Strukturen wie z. B. (fossile) Verwerfungszonen können erhöhte Leitfähigigkeiten haben, wenn sich leitfähige Mineralisationen innerhalb der Scherzonen gebildet haben. Durch die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung des Untergrundes mit Hilfe von MT Messungen kann der Verlauf tektonischer Strukturen nachvollzogen werden, woraus Schlüsse über möglicherweise abgelaufene tektonische Prozesse gezogen werden können. Der gesamte MT Datensatz weist starke Störeinflüsse durch künstliche elektromagnetische Signale auf, die bspw. von Stromleitungen und elektrischen Zäunen stammen. Insbesondere langperiodische Daten (>1 s) sind davon betroffen, die für die Auflösung tieferer Strukturen notwendig sind. Die Anwendung etablierter Ansätze wie Verschiebungsfiltern und der Remote Reference-Methode, führte zu Verbesserungen vorrangig für Perioden < 1 s. Der langperiodische Bereich ist durch impulsartige Störsignale in den magnetischen und dazugehörigen Stufen in den elektrischen Feldkomponenten geprägt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Zeitbereichs-Filter entwickelt, welcher auf einer abgewandelten Form des Wiener Filters beruht und diese Art von Störsignalen aus den Daten entfernt. Durch den Vergleich der Datenvarianz einer lokalen Station mit der einer Referenzstation können gestörte Zeitsegmente identifiziert werden. Anschließend wird ein Wiener-Filter-Algorithmus angewendet, um für diese Segmente mithilfe der Referenzdaten physikalisch sinnvolle Zeitreihen zu berechnen, mit denen die Daten der lokalen Station ersetzt werden. Während impulsartige Störsignale in den magnetischen Datenkanälen relativ einfach erfasst werden können, ist die Detektion von Versätzen in den elektrischen Zeitreihen je nach Versatzhöhe problematischer. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich einen Algorithmus entwickelt, bei dem die Zeitreihen differenziert, gefiltert und im letzten Schritt integriert werden. In einer zweiten von mir entwickelten Filtermethode werden die Störsignale durch den Vergleich des kurzzeitigen und des langzeitigen Datenmittelwerts ausfindig gemacht. Bei diesem Filter werden die Störsignale aus den Zeitreihen entfernt und durch eine lineare Interpolation ersetzt. Durch die beiden Filtermethoden wurde eine deutliche Verbesserung der Datenqualität bis zu 10 und teilweise 100 s erreicht. Zur Interpretation des MT-Datensatzes wurden 2D und 3D Inversionen durchgeführt. Die so erhaltenen elektrischen Leitfähigkeitsmodelle zeigen eine gute Übereinstimmung mit den kartierten, geologischen Strukturen. Die Gesteine des BGB weisen in den Modellen hohe Widerstände auf und sind deutlich von leitfähigen benachbarten geologischen Strukturen abgegrenzt. Verwerfungszonen korrelieren mit leitfähigen Strukturen, die sich bis in eine Tiefe von 5 bis 10 km erstrecken. Eine Fortsetzung der Verwerfungszonen über die südliche Grenze des BGB wird in den 2D-Ergebnissen angedeutet. Insgesamt zeigen die Inversionsmodelle, dass vermutlich sowohl plattentektonische als auch vertikaltektonische Prozesse bei der Entstehung des BGB eine wichtige Rolle spielten. N2 - The Barberton Greenstone Belt (BGB) in the northwestern part of South Africa belongs to the few well-preserved remnants of Archean crust. Over the last centuries, the BGB has been intensively studied at surface with detailed mapping of its surfacial geological units and tectonic features. Nevertheless, the deeper structure of the BGB remains poorly understood. Various tectonic evolution models have been developed based on geo-chronological and structural data. These theories are highly controversial and centre on the question whether plate tectonics - as geoscientists understand them today - was already evolving on the Early Earth or whether vertical mass movements driven by the higher temperature of the Earth in Archean times governed continent development. To get a step closer to answering the questions regarding the internal structure and formation of the BGB, magnetotelluric (MT) field experiments were conducted as part of the German-South African research initiative Inkaba yeAfrica. Five-component MT data (three magnetic and two electric channels) were collected at ~200 sites aligned along six profiles crossing the southern part of the BGB. Tectonic features like (fossil) faults and shear zones are often mineralized and therefore can have high electrical conductivities. Hence, by obtaining an image of the conductivity distribution of the subsurface from MT measurements can provide useful information on tectonic processes. Unfortunately, the BGB MT data set is heavily affected by man-made electromagnetic noise caused, e.g. by powerlines and electric fences. Aperiodic spikes in the magnetic and corresponding offsets in the electric field components impair the data quality particularly at periods >1 s which are required to image deep electrical structures. Application of common methods for noise reduction like delay filtering and remote reference processing, only worked well for periods <1 s. Within the framework of this thesis two new filtering approaches were developed to handle the severe noise in long period data and obtain reliable processing results. The first algorithm is based on the Wiener filter in combination with a spike detection algorithm. Comparison of data variances of a local site with those of a reference site allows the identification of disturbed time series windows for each recorded channel at the local site. Using the data of the reference site, a Wiener filter algorithm is applied to predict physically meaningful data to replace the disturbed windows. While spikes in the magnetic channels are easily recognized and replaced, steps in the electric channels are more difficult to detect depending on their offset. Therefore, I have implemented a novel approach based on time series differentiation, noise removal and subsequent integration to overcome this obstacle. A second filtering approach where spikes and steps in the time series are identified using a comparison of the short and long time average of the data was also implemented as part of my thesis. For this filtering approach the noise in the form of spikes and offsets in the data is treated by an interpolation of the affected data samples. The new developments resulted in a substantial data improvement and allowed to gain one to two decades of data (up to 10 or 100 s). The re-processed MT data were used to image the electrical conductivity distribution of the BGB by 2D and 3D inversion. Inversion models are in good agreement with the surface geology delineating the highly resistive rocks of the BGB from surrounding more conductive geological units. Fault zones appear as conductive structures and can be traced to depths of 5 to 10 km. 2D models suggest a continuation of the faults further south across the boundary of the BGB. Based on the shallow tectonic structures (fault system) within the BGB compared to deeply rooted resistive batholiths in the area, tectonic models including both vertical mass transport and in parts present-day style plate tectonics seem to be most likely for the evolution of the BGB. KW - Magnetotellurik KW - magnetotellurics KW - Zeitreihenanalyse KW - time series analysis KW - Datenfilter KW - data filtering KW - Paläotektonik KW - early earth tectonics Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83198 ER - TY - THES A1 - Aich, Valentin T1 - Floods in the Niger River Basin in the face of global change T1 - Hochwasser im Niger Einzugsgebiet im Kontext des Globalen Wandels BT - analysis, attribution and projections BT - Analyse, Zuschreibung und Projektionen N2 - In the last decade, the number and dimensions of catastrophic flooding events in the Niger River Basin (NRB) have markedly increased. Despite the devastating impact of the floods on the population and the mainly agriculturally based economy of the riverine nations, awareness of the hazards in policy and science is still low. The urgency of this topic and the existing research deficits are the motivation for the present dissertation. The thesis is an initial detailed assessment of the increasing flood risk in the NRB. The research strategy is based on four questions regarding (1) features of the change in flood risk, (2) reasons for the change in the flood regime, (3) expected changes of the flood regime given climate and land use changes, and (4) recommendations from previous analysis for reducing the flood risk in the NRB. The question examining the features of change in the flood regime is answered by means of statistical analysis. Trend, correlation, changepoint, and variance analyses show that, in addition to the factors exposure and vulnerability, the hazard itself has also increased significantly in the NRB, in accordance with the decadal climate pattern of West Africa. The northern arid and semi-arid parts of the NRB are those most affected by the changes. As potential reasons for the increase in flood magnitudes, climate and land use changes are attributed by means of a hypothesis-testing framework. Two different approaches, based on either data analysis or simulation, lead to similar results, showing that the influence of climatic changes is generally larger compared to that of land use changes. Only in the dry areas of the NRB is the influence of land use changes comparable to that of climatic alterations. Future changes of the flood regime are evaluated using modelling results. First ensembles of statistically and dynamically downscaled climate models based on different emission scenarios are analyzed. The models agree with a distinct increase in temperature. The precipitation signal, however, is not coherent. The climate scenarios are used to drive an eco-hydrological model. The influence of climatic changes on the flood regime is uncertain due to the unclear precipitation signal. Still, in general, higher flood peaks are expected. In a next step, effects of land use changes are integrated into the model. Different scenarios show that regreening might help to reduce flood peaks. In contrast, an expansion of agriculture might enhance the flood peaks in the NRB. Similarly to the analysis of observed changes in the flood regime, the impacts of climate- and land use changes for the future scenarios are also most severe in the dry areas of the NRB. In order to answer the final research question, the results of the above analysis are integrated into a range of recommendations for science and policy on how to reduce flood risk in the NRB. The main recommendations include a stronger consideration of the enormous natural climate variability in the NRB and a focus on so called “no-regret” adaptation strategies which account for high uncertainty, as well as a stronger consideration of regional differences. Regarding the prevention and mitigation of catastrophic flooding, the most vulnerable and sensitive areas in the basin, the arid and semi-arid Sahelian and Sudano-Sahelian regions, should be prioritized. Eventually, an active, science-based and science-guided flood policy is recommended. The enormous population growth in the NRB in connection with the expected deterioration of environmental and climatic conditions is likely to enhance the region´s vulnerability to flooding. A smart and sustainable flood policy can help mitigate these negative impacts of flooding on the development of riverine societies in West Africa. N2 - Während des vergangenen Jahrzehnts nahmen die Anzahl und die Ausmaße von katastrophalen Hochwassern im Einzugsgebiet des Nigerflussess (NEZG) deutlich zu. Trotz der verheerenden Auswirkungen der Hochwasserkatastrophen auf die Menschen und die hauptsächlich auf Landwirtschaft basierende Wirtschaft der Anrainerstaaten wird das Thema von Politik und Wissenschaft noch kaum beachtet. Die vorliegende Dissertation ist die erste ausführliche Analyse des steigenden Hochwasserrisikos im NEZG. Die Forschungsstrategie basiert auf vier Fragen nach (1) der Art der Veränderungen des Hochwasserrisikos, (2) den Ursachen der Veränderungen im Hochwasserregime, (3) den zukünftigen Entwicklungen im Hochwasserregime hinsichtlich der erwartenden Klima- und Landnutzungswandel und (4) den aus den Untersuchungen abgeleiteten Empfehlungen zur Reduzierung des Hochwasserrisikos im NEZG. Die Frage nach den Merkmalen der Veränderungen im Hochwasserrisiko wurde mithilfe von statistischen Untersuchungen beantwortet. Die Analysen zeigen, dass neben den Risikofaktoren Exponiertheit und Verwundbarkeit auch die Hochwasserstände selbst im NEZG in den letzten Jahrzehnten signifikant und entsprechend der typischen dekadischen Klimamuster Westafrikas angestiegen sind. Als potentielle Ursachen des Hochwasseranstiegs werden Klima- und Landnutzungswandel untersucht. Zwei verschiedene Ansätze, basierend auf Daten sowie auf Simulationen, führen zu ähnlichen Ergebnissen und zeigen, dass der Einfluss der Klimaveränderungen im Allgemeinen größer als der des Landnutzungswandels ist. Das zukünftige Hochwasserrisiko wird anhand des öko-hydrologisches Modells SWIM abgeschätzt. Der Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserregime ist auf Grund des problematischen Niederschlagssignals unsicher. Tendenziell werden aber höhere Maximalabflüsse erwartet. Der Effekt der Landnutzungsänderung beeinflusst das Hochwasserverhalten ebenfalls stark, besonders in den trockenen Gebieten. Verschiedene Szenarien zeigen, dass Renaturierung hülfe, Hochwasserspitzen zu kappen. Eine Ausweitung der Agrarflächen dagegen würde die Hochwässer im NEZG weiter verstärken Zentrale Empfehlungen sind eine stärkere Einbeziehung der enorm starken natürlichen Klimavariabilität im NEZG und eine Fokussierung auf sogenannte „no-regret“ Anpassungsstrategien. Dabei sollte den verwundbarsten Regionen des Einzugsgebiets, den ariden und semi-ariden Regionen, Priorität eingeräumt werden. Die enorme Bevölkerungszunahme im NEZG verbunden mit der zu erwartenden Verschlechterung der Umwelt- und Klimabedingungen wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Verwundbarkeit bezüglich Hochwässer weiter ansteigen lassen. Eine vernünftige und nachhaltige Hochwasserpolitik kann helfen, die negativen Folgen auf die Entwicklung der Anrainerstaaten des Nigerflusses abzumindern. KW - flood KW - Niger KW - climate change KW - land use change KW - Hochwasser KW - Niger KW - Klimawandel KW - Landnutzungswandel Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91577 ER - TY - THES A1 - Abon, Catherine Cristobal T1 - Radar-based rainfall retrieval for flood forecasting in a meso-scale catchment BT - the Philippines Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Brosinsky, Arlena T1 - Spectral fingerprinting T1 - Spektrales Fingerprinting BT - the potential of VNIR-SWIR spectral characteristics for tracing suspended sediment sources BT - das Potential spektraler Charakteristika im visuellen bis zum kurzwelligen Infrarotbereich zur Rückverfolgung von Sedimentquellgebieten N2 - Current research on runoff and erosion processes, as well as an increasing demand for sustainable watershed management emphasize the need for an improved understanding of sediment dynamics. This involves the accurate assessment of erosion rates and sediment transfer, yield and origin. A variety of methods exist to capture these processes at the catchment scale. Among these, sediment fingerprinting, a technique to trace back the origin of sediment, has attracted increasing attention by the scientific community in recent years. It is a two-step procedure, based on the fundamental assumptions that potential sources of sediment can be reliably discriminated based on a set of characteristic ‘fingerprint’ properties, and that a comparison of source and sediment fingerprints allows to quantify the relative contribution of each source. This thesis aims at further assessing the potential of spectroscopy to assist and improve the sediment fingerprinting technique. Specifically, this work focuses on (1) whether potential sediment sources can be reliably identified based on spectral features (‘fingerprints’), whether (2) these spectral fingerprints permit the quantification of relative source contribution, and whether (3) in situ derived source information is sufficient for this purpose. Furthermore, sediment fingerprinting using spectral information is applied in a study catchment to (4) identify major sources and observe how relative source contributions change between and within individual flood events. And finally, (5) spectral fingerprinting results are compared and combined with simultaneous sediment flux measurements to study sediment origin, transport and storage behaviour. For the sediment fingerprinting approach, soil samples were collected from potential sediment sources within the Isábena catchment, a meso-scale basin in the central Spanish Pyrenees. Undisturbed samples of the upper soil layer were measured in situ using an ASD spectroradiometer and subsequently sampled for measurements in the laboratory. Suspended sediment was sampled automatically by means of ISCO samplers at the catchment as well as at the five major subcatchment outlets during flood events, and stored fine sediment from the channel bed was collected from 14 cross-sections along the main river. Artificial mixtures of known contributions were produced from source soil samples. Then, all source, sediment and mixture samples were dried and spectrally measured in the laboratory. Subsequently, colour coefficients and physically based features with relation to organic carbon, iron oxide, clay content and carbonate, were calculated from all in situ and laboratory spectra. Spectral parameters passing a number of prerequisite tests were submitted to principal component analyses to study natural clustering of samples, discriminant function analyses to observe source differentiation accuracy, and a mixing model for source contribution assessment. In addition, annual as well as flood event based suspended sediment fluxes from the catchment and its subcatchments were calculated from rainfall, water discharge and suspended sediment concentration measurements using rating curves and Quantile Regression Forests. Results of sediment flux monitoring were interpreted individually with respect to storage behaviour, compared to fingerprinting source ascriptions and combined with fingerprinting to assess their joint explanatory potential. In response to the key questions of this work, (1) three source types (land use) and five spatial sources (subcatchments) could be reliably discriminated based on spectral fingerprints. The artificial mixture experiment revealed that while (2) laboratory parameters permitted source contribution assessment, (3) the use of in situ derived information was insufficient. Apparently, high discrimination accuracy does not necessarily imply good quantification results. When applied to suspended sediment samples of the catchment outlet, the spectral fingerprinting approach was able to (4) quantify the major sediment sources: badlands and the Villacarli subcatchment, respectively, were identified as main contributors, which is consistent with field observations and previous studies. Thereby, source contribution was found to vary both, within and between individual flood events. Also sediment flux was found to vary considerably, annually as well as seasonally and on flood event base. Storage was confirmed to play an important role in the sediment dynamics of the studied catchment, whereas floods with lower total sediment yield tend to deposit and floods with higher yield rather remove material from the channel bed. Finally, a comparison of flux measurements with fingerprinting results highlighted the fact that (5) immediate transport from sources to the catchment outlet cannot be assumed. A combination of the two methods revealed different aspects of sediment dynamics that none of the techniques could have uncovered individually. In summary, spectral properties provide a fast, non-destructive, and cost-efficient means to discriminate and quantify sediment sources, whereas, unfortunately, straight-forward in situ collected source information is insufficient for the approach. Mixture modelling using artificial mixtures permits valuable insights into the capabilities and limitations of the method and similar experiments are strongly recommended to be performed in the future. Furthermore, a combination of techniques such as e.g. (spectral) sediment fingerprinting and sediment flux monitoring can provide comprehensive understanding of sediment dynamics. N2 - Aktuelle Forschung zu Abfluss- und Erosionsprozessen und die steigende Nachfrage nach nachhaltiger Wasserbewirtschaftung unterstreichen die Notwendigkeit für ein verbessertes Verständnis von Sedimentdynamik. Dazu gehören die genaue Bewertung von Erosionsraten sowie die Abschätzung von Sedimenttransfer, -ertrag und -herkunft. Es existiert eine Vielzahl von Verfahren, um diese Prozesse auf Einzugsgebietsskala zu erfassen. Unter diesen hat das Sediment-Fingerprinting, eine Technik zur Bestimmung der Sedimentherkunft, in den letzten Jahren zunehmend die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen. Es ist ein zweiteiliges Verfahren auf Grundlage der Annahmen, dass mögliche Sedimentquellen unter Verwendung charakteristischer "Fingerabdrücke" zuverlässig unterschieden und dass ein Vergleich der Quell- und Sedimentfingerabdrücke es ermöglicht, den relativen Beitrag jeder Quelle zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit, Spektroskopie zur Unterstützung und Verbesserung der Sediment-Fingerprinting Technik einzusetzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Fragen, ob (1) potenzielle Sedimentquellen basierend auf spektralen Merkmalen ("Fingerabdrücken") zuverlässig unterschieden werden können, ob (2) diese spektralen Fingerabdrücke die relative Quantifizierung von Quellbeiträgen erlauben und ob (3) in situ gemessene Quellinformationen für diesen Zweck ausreichend sind. Darüber hinaus wird spektrales Sediment-Fingerprinting in einem Untersuchungsgebiet angewandt, um (4) die wichtigsten Quellen zu identifizieren und um zu beobachten, wie sich relative Beiträge zwischen und innerhalb einzelner Hochwasserereignisse verändern. Außerdem werden (5) spektrale Sediment-Fingerprinting Ergebnisse mit gleichzeitig erhobenen Abfluss- und Sedimentflussdaten verglichen und kombiniert um Sedimentherkunft, -transport und -ablagerung zu untersuchen. Für den Sediment-Fingerprinting Ansatz wurden Bodenproben potenzieller Sedimentquellen im Isábenabecken, einem mesoskaligen Einzugsgebiet in den zentralen spanischen Pyrenäen, gesammelt. Ungestörte Proben der Bodenoberfläche wurden in situ unter Verwendung eines ASD Spektroradiometers gemessen und anschließend für Labormessungen beprobt. Sedimentpartikel (Schwebfracht) wurden während Hochwasserereignissen automatisch mit Hilfe von ISCO Samplern am Gebietsauslass sowie an den fünf wichtigsten Teileinzugsbietsauslässen beprobt. Zusätzlich wurde im Flussbett abgelagertes Feinsediment an 14 Querschnitten entlang des Hauptflusses gesammelt. Aus den Bodenproben wurden zusätzlich künstliche Mischungen bekannter Zusammensetzung hergestellt. Alle Boden-, Sediment- und Gemischproben wurden getrocknet und im Labor spektral gemessen. Anschließend wurden aus allen Spektren (in situ und Labor) Farbkoeffizienten und physikalisch basierte features mit Bezug zu organischem Kohlenstoff, Eisenoxid, Tongehalt und Carbonat berechnet. Die spektralen Parameter wurden auf eine Reihe von Voraussetzungen getested. Auf Grundlage von Parametern, die die vorgegebenen Voraussetungen erfüllten, wurden die Proben anschließend mittels Hauptkomponenten-analyse auf natürliche Gruppierung getested. Die Differenzierungsgenauigkeit einzelner Parameter bzw. von Parameterkombinationen wurde mittels Diskriminanzfunktionsanalyse beurteilt und zur Quantifizierung der Beiträge verschiedener Quellen wurde ein Mischungs-modell entwickelt. Darüber hinaus wurden mittels Eichkurven und Quantile Regression Forests aus Niederschlags-, Abfluss- und Sedimentkonzentrationsmessungen jährliche sowie hochwasserbasierte Sedimentflüsse aus dem Einzugsgebiet und seinen Teileinzugsgebieten berechnet. Ergebnisse des Sedimentfluss Monitorings wurden einzeln in Bezug auf Speicherverhalten interpretiert, mit Quellquantifizierungen aus dem Sediment-Fingerprinting verglichen und mit dem Fingerprinting kombiniert, um das gemeinsame Erklärungspotential der beiden Methoden zu bewerten. Als Antwort auf die Schlüsselfragen dieser Arbeit konnten (1) drei Quelltypen (Landnutzung) bzw. fünf räumliche Quellen (Teileinzugsgebiete) basierend auf spektralen Fingerabdrücken zuverlässig unterschieden werden. Das Experiment mit den künstlichen Mischungen ergab, dass während (2) Laborparameter die Beitragsabschätzung erlauben, (3) die Verwendung von in situ abgeleiteten Informationen nicht ausreicht. Offenbar bedeutet eine hohe Diskriminierungsgenauigkeit nicht unbedingt gute Quantifizierungs-ergebnisse. Auf Sedimentproben des Gebietsauslasses angewandt war der spektrale Sediment-Fingerprinting Ansatz in der Lage, (4) die Hauptsedimentquellen zu quantifizieren: Badlands und das Villacarli Teileinzugsgebiet wurden jeweils als Hauptquellen identifiziert. Dies ist im Einklang mit Beobachtungen früherer Studien. Dabei wurde festgestellt, dass Quellbeiträge sowohl innerhalb als auch zwischen den einzelnen Hochwasserereignissen variieren. Außerdem wurden starke Schwankungen der Sedimentflüsse, auf jährlicher sowie saisonaler- und Hochwasserereignis-Basis gefunden. Die wichtige Rolle des Flusses als Speicher in der Sedimentdynamik des untersuchten Einzugsgebietes wurde bestätigt, wobei Hochwasser mit niedrigerer Gesamtsedimentausbeute in der Regel Material ablagern und Hochwasser mit höherer Ausbeute eher Material aus dem Flussbett entfernen. Schließlich zeigte ein Vergleich der Sedimentflussmessungen mit Sediment-Fingerprinting Ergebnissen, dass (5) nicht von unmittelbarem Materialtransport von den Quellen zum Gebietsauslass ausgegangen werden kann. Die Kombination der zwei Verfahren offenbarte verschiedene Aspekte der Sedimentdynamik, die keine der beiden Techniken einzeln hätte aufdecken können. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass spektrale Messungen ein schnelles, zerstörungsfreies und kosteneffizientes Mittel zur Unterscheidung und Quantifizierung von Sedimentquellen bieten, wobei in situ gesammelte Quellinformationen leider nicht ausreichend für die Vorgehensweise sind. Experimente mit künstlichen Mischungen ermöglichten wertvolle Einblicke in die Möglichkeiten und Grenzen der Methode und ähnliche Versuche werden dringend für zukünftige Studien empfohlen. Eine Kombination von Techniken, wie z. B. (spektralem) Sediment-Fingerprinting und Sedimentfluss Monitoring können das Verständnis der Sedimentdynamik verbessern und vertiefen. KW - spectroscopy KW - sediment fingerprinting KW - artificial mixtures KW - Isábena catchment KW - suspended sediment KW - Spektroskopie KW - Sediment Fingerprinting KW - Isábena Einzugsgebiet Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83369 ER - TY - THES A1 - Luft, Laura Charlotte T1 - Bridging the gap between science and nature conservation practice BT - Using remote sensing to facilitate monotoring wilderness areas at the former military training area Döberitzer Heide, Germany Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Allroggen, Niklas T1 - Observation of subsurface flow from the surface : applications of ground-penetrating radar BT - non-invasive time-lapse observation of subsurface flow by using ground-penetrating radar Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Kalbe, Johannes T1 - Stepping stones hominin dispersal out of Africa BT - pleistocene lakes and wetlands in the Levant Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Lenz, Josefine T1 - Thermokarst dynamics in central-eastern Beringia T1 - Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia BT - insights from permafrost and lacustrine sediment cores BT - Einblicke durch Permafrost- und Seesedimentkerne N2 - Widespread landscape changes are presently observed in the Arctic and are most likely to accelerate in the future, in particular in permafrost regions which are sensitive to climate warming. To assess current and future developments, it is crucial to understand past environmental dynamics in these landscapes. Causes and interactions of environmental variability can hardly be resolved by instrumental records covering modern time scales. However, long-term environmental variability is recorded in paleoenvironmental archives. Lake sediments are important archives that allow reconstruction of local limnogeological processes as well as past environmental changes driven directly or indirectly by climate dynamics. This study aims at reconstructing Late Quaternary permafrost and thermokarst dynamics in central-eastern Beringia, the terrestrial land mass connecting Eurasia and North America during glacial sea-level low stands. In order to investigate development, processes and influence of thermokarst dynamics, several sediment cores from extant lakes and drained lake basins were analyzed to answer the following research questions: 1. When did permafrost degradation and thermokarst lake development take place and what were enhancing and inhibiting environmental factors? 2. What are the dominant processes during thermokarst lake development and how are they reflected in proxy records? 3. How did, and still do, thermokarst dynamics contribute to the inventory and properties of organic matter in sediments and the carbon cycle? Methods applied in this study are based upon a multi-proxy approach combining sedimentological, geochemical, geochronological, and micropaleontological analyses, as well as analyses of stable isotopes and hydrochemistry of pore-water and ice. Modern field observations of water quality and basin morphometrics complete the environmental investigations. The investigated sediment cores reveal permafrost degradation and thermokarst dynamics on different time scales. The analysis of a sediment core from GG basin on the northern Seward Peninsula (Alaska) shows prevalent terrestrial accumulation of yedoma throughout the Early to Mid Wisconsin with intermediate wet conditions at around 44.5 to 41.5 ka BP. This first wetland development was terminated by the accumulation of a 1-meter-thick airfall tephra most likely originating from the South Killeak Maar eruption at 42 ka BP. A depositional hiatus between 22.5 and 0.23 ka BP may indicate thermokarst lake formation in the surrounding of the site which forms a yedoma upland till today. The thermokarst lake forming GG basin initiated 230 ± 30 cal a BP and drained in Spring 2005 AD. Four years after drainage the lake talik was still unfrozen below 268 cm depth. A permafrost core from Mama Rhonda basin on the northern Seward Peninsula preserved a full lacustrine record including several lake phases. The first lake generation developed at 11.8 cal ka BP during the Lateglacial-Early Holocene transition; its old basin (Grandma Rhonda) is still partially preserved at the southern margin of the study basin. Around 9.0 cal ka BP a shallow and more dynamic thermokarst lake developed with actively eroding shorelines and potentially intermediate shallow water or wetland phases (Mama Rhonda). Mama Rhonda lake drainage at 1.1 cal ka BP was followed by gradual accumulation of terrestrial peat and top-down refreezing of the lake talik. A significant lower organic carbon content was measured in Grandma Rhonda deposits (mean TOC of 2.5 wt%) than in Mama Rhonda deposits (mean TOC of 7.9 wt%) highlighting the impact of thermokarst dynamics on biogeochemical cycling in different lake generations by thawing and mobilization of organic carbon into the lake system. Proximal and distal sediment cores from Peatball Lake on the Arctic Coastal Plain of Alaska revealed young thermokarst dynamics since about 1,400 years along a depositional gradient based on reconstructions from shoreline expansion rates and absolute dating results. After its initiation as a remnant pond of a previous drained lake basin, a rapidly deepening lake with increasing oxygenation of the water column is evident from laminated sediments, and higher Fe/Ti and Fe/S ratios in the sediment. The sediment record archived characterizing shifts in depositional regimes and sediment sources from upland deposits and re-deposited sediments from drained thaw lake basins depending on the gradually changing shoreline configuration. These changes are evident from alternating organic inputs into the lake system which highlights the potential for thermokarst lakes to recycle old carbon from degrading permafrost deposits of its catchment. The lake sediment record from Herschel Island in the Yukon (Canada) covers the full Holocene period. After its initiation as a thermokarst lake at 11.7 cal ka BP and intense thermokarst activity until 10.0 cal ka BP, the steady sedimentation was interrupted by a depositional hiatus at 1.6 cal ka BP which likely resulted from lake drainage or allochthonous slumping due to collapsing shore lines. The specific setting of the lake on a push moraine composed of marine deposits is reflected in the sedimentary record. Freshening of the maturing lake is indicated by decreasing electrical conductivity in pore-water. Alternation of marine to freshwater ostracods and foraminifera confirms decreasing salinity as well but also reflects episodical re-deposition of allochthonous marine sediments. Based on permafrost and lacustrine sediment records, this thesis shows examples of the Late Quaternary evolution of typical Arctic permafrost landscapes in central-eastern Beringia and the complex interaction of local disturbance processes, regional environmental dynamics and global climate patterns. This study confirms that thermokarst lakes are important agents of organic matter recycling in complex and continuously changing landscapes. N2 - Derzeit werden deutliche Landschaftsveränderungen in der Arktis beobachtet, welche sich höchstwahrscheinlich zukünftig v.a. in den Permafrostregionen verstärken, da diese besonders empfindlich auf Klimaveränderungen reagieren. Um derzeitige und zukünftige Entwicklungen einschätzen zu können, ist es wichtig vergangene Umweltprozesse zu verstehen. Ursachen und Wechselwirkungen von Umweltveränderungen können nur bedingt durch instrumentelle Aufzeichnungen erklärt werden, doch Paleo-Umweltarchive können weit in die Vergangenheit reichende Umweltdynamiken aufzeichnen. Seesedimente sind wichtige Archive, die lokale limnogeologische Prozesse, aber auch direkt oder indirekt klimatisch gesteuerte Umweltveränderungen der Vergangenheit aufzeichnen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, spätquartäre Permafrost- und Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia zu rekonstruieren. Beringia umfasst jene terrestrische Landmasse, welche Eurasien und Nord-Amerika zu Zeiten von Meeresspiegeltiefständen verband. Um die Entwicklung, die Prozesse und den Einfluss von Thermokarstdynamik zu untersuchen, wurden mehrere Sedimentkerne von rezenten Seen und ausgelaufenen Seebecken analysiert, um folgende Forschungsfragen zu beantworten: 1. Zu welcher Zeit degradierte Permafrost und wann entwickelten sich Thermokarstseen? Was waren hemmende oder verstärkende Faktoren? 2. Was sind dominierende Prozesse während der Entwicklung von Thermokarstseen und wie spiegeln sich diese in Proxy-Aufzeichnungen wieder? 3. Wie hat Thermokarstdynamik damals und heute zur Bedeutung von organischer Substanz in Sedimenten und im Kohlenstoffkreislauf beigetragen? Die in dieser Arbeit angewandten Methoden basieren auf einem sogenannten „multi-proxy“ Ansatz, der sedimentologische, geochemische, geochronologische und mikropaläontologische Analysen, sowie die Untersuchung von stabilen Isotopen und die Hydrochemie von Porenwasser und -eis, verbindet. Feldmessungen der modernen Wasserqualität und Beckenmorphometrie komplettieren die Umweltuntersuchungen. Auf Grundlage der untersuchten Sedimentkerne lässt sich die Degradation von Permafrost und die Dynamik von Thermokarst auf zeitlich verschiedenen Skalen rekonstruieren. Die Analyse eines Sedimentkerns vom GG-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel (Alaska) zeigt eine vorwiegend terrestrische Akkumulation von Yedoma während des Früh- und Mittel-Wisconsin mit zwischenzeitlich feuchteren Verhältnissen zwischen 44,5 und 41,5 ka BP. Diese frühe Feuchtgebietsphase wurde durch die Akkumulation einer 1 m dicken Tephra-Lage beendet, welche sehr wahrscheinlich von der Eruption des heutigen South Killeak Maar vor etwa 42.000 Jahren stammt. Eine Schichtlücke im Sedimentkern von etwa 22,5 und 0,23 ka BP gibt einen Hinweis auf Thermokarstentwicklung in der Umgebung der Kernlokation, welche bis heute ein Yedoma-Rudiment bildet. Der Thermokarstsee, der GG-Becken formte, entstand 230 ± 30 cal a BP und drainierte im Frühling 2005 AD. Vier Jahre nach der Drainage war der Talik des Sees in einer Tiefe von 268 cm noch ungefroren. Ein Permafrostkern vom Mama Rhonda-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel archivierte eine vollständige limnische Fazies mit mehreren Seephasen. Die erste Seegeneration entstand am Übergang vom Spätglazial zum Frühholozän um etwa 11,8 cal ka BP; das alte Seebecken (Grandma Rhonda) ist bis heute südlich der Kernlokation erhalten. Etwa um 9,0 cal ka BP entwickelte sich ein eher flaches und dynamisches Seesystem mit aktiv erodierenden Ufern und potenziell zwischengeschalteten Flachwasser- oder Feuchtgebietsphasen (Mama Rhonda). Die Drainage vom Mama Rhonda-See etwa 1,1 cal ka BP wurde gefolgt von gradueller Torfakkumulation und einem von oben zurückfrierenden See-Talik Es wurde ein deutlich geringerer organischer Kohlenstoff-Gehalt in Grandma Rhonda-Ablagerungen (TOC im Mittel 2,5 Gew.-%) festgestellt, als in Mama Rhonda Ablagerungen (TOC im Mittel 7,9 Gew.-%). Dies zeigt den bedeutenden Einfluss von Thermokarst auf biogeochemische Kreisläufe, da in verschiedenen Seegenerationen organischen Kohlenstoff durch Permafrost-Tauen im Seesystem mobilisiert wird. Seesedimentkerne aus der Uferzone und dem zentralen Bereich von Peatball Lake auf der Arktischen Küstenebene von Alaska, ergaben eine junge Thermokarstdynamik von 1.400 Jahren, welche auf der Basis von absoluten Datierungen und Uferexpansionsraten rekonstruiert wurde. Nach der Seeinitiierung als Rest-See eines zuvor ausgelaufenen Seebeckens, vertiefte sich Peatball Lake verhältnismäßig schnell mit zunehmender Sauerstoffanreicherung der Wassersäule, wie aus laminierten Sedimenten und hohen Fe/Ti- und Fe/S-Verhältnissen im Sediment ersichtlich ist. Die Sedimente von Peatball Lake archivierten einen Wechsel des Ablagerungsregimes bei Ausdehnung der Seefläche und einen Wechsel der Sedimentquelle von ursprünglichen, rein terrestrischen Ablagerungen und bereits umgelagerten Sedimenten aus drainierten Seebecken. Angezeigt wird dieser Wechsel durch eine Veränderung im Eintrag organischen Materials in das Seesystem, was wiederum das Potential von Thermokarstseen bei der Aufarbeitung alten Kohlenstoffs aus degradierendem Permafrost im Einzugsgebiet verdeutlicht. Der Seesedimentkern von der Herschel Insel im Yukon (Kanada) deckt das gesamte Holozän ab. Nach der Seeentstehung um 11,7 cal ka BP und einer Zeit intensiver Thermokarstaktivität bis 11,0 cal ka BP, wird die Phase einer eher kontinuierlichen Sedimentation von einer Schichtlücke um 1,6 cal ka BP unterbrochen. Diese wurde entweder durch die Drainage des Sees oder einer allochthonen Rutschung instabiler Uferlinien verursacht. Die spezielle Situation des Sees auf einer Stauchendmoräne aus marinem Material spiegelt sich auch in dem Seesedimentarchiv wieder. Das Aussüßen des wachsenden Sees wird durch die abnehmende elektrische Leitfähigkeit im Porenwasser angezeigt. Der Wechsel von marinen und Süßwasserostrakoden- und Foraminiferengemeinschaften bestätigt zum einen die abnehmende Salinität des Sees, aber zeigt zum anderen auch episodische Umlagerung von allochthonem, marinem Sediment. Auf der Grundlange von Permafrost- und Seesedimentkernen zeigt diese Arbeit Beispiele spätquartärer Entwicklungsgeschichte typischer Arktischer Permafrostlandschaften im zentral-östlichen Beringia. Es werden komplexe Zusammenhänge zwischen lokalen Störungsprozessen, regionaler Umweltdynamik und globalen Klimaveränderungen aufgezeigt. Thermokarstseen spielen dabei eine wichtige Rolle im sich kontinuierlich verändernden Landschaftsbild der hohen Breiten und im Stoffkreislauf bei der Aufarbeitung organischer Substanz. KW - paleolimnology KW - permafrost degradation KW - periglacial landscape evolution KW - thermokarst processes KW - carbon cycling KW - central-eastern Beringia KW - Paläolimnologie KW - Permafrostdegradation KW - periglaziale Landschaftsentwicklung KW - Thermokarstprozesse KW - Kohlenstoffkreislauf KW - zentral-östliches Beringia Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101364 ER - TY - THES A1 - Bäse, Frank T1 - Interception loss of changing land covers in the humid tropical lowland of Latin America T1 - Der Zusammenhang von Interzeptionsverlust und Landnutzungswandel im feucht-tropischen Flachland Latein Amerikas BT - A synthesis of experimental and modeling approaches BT - Eine Synthese aus experimentellem und modellgestütztem Ansatz N2 - Das Gebiet der feuchten Tropen ist die am stärksten durch den Landnutzungswandel betroffene Region der Erde. Vor allem die Rodung tropischer Wälder, um Platz für Rinderweiden oder den Anbau von Soja zu schaffen, aber auch seit jüngster Zeit die Bemühungen um Wiederaufforstungen prägen diesen Landnutzungswandel. Dabei beeinflusst die Änderung der Vegetationsbedeckung den regionalen Wasserhaushalt auf vielfältige Weise. Betroffen ist unter anderem die Verdunstung von feuchten Oberflächen. Die so genannte Interzeptionsverdunstung bzw. der Interzeptionsverlust trägt erheblich zum Wasserdampfgehalt in der unteren Atmosphäre und schließlich zur Niederschlagsbildung bei. Ziele dieser Dissertation waren (1) die experimentelle Untersuchung der Interzeptionsverlustunterschiede zwischen einem natürlichen, tropischen Wald und einer Sojaplantage im südlichen Amazonasgebiet, (2) die Modellierung des Interzeptionsverlustes dieser beiden Vegetationsformen im Vergleich zu einem jungen Sekundärwald unter dem Aspekt der Unsicherheiten bei der Ableitung notwendiger Modellparameter sowohl im Südamazonas als auch im Einzugsgebietes des Panamakanals sowie (3) die Wasserhaushaltsanalyse eines vom Landnutzungswandel geprägten Teileinzugsgebietes des Panamakanals in Hinblick auf die Veränderung der Interzeptionsverdunstung durch sich verändernde Landnutzung und der Änderung der klimatischen Bedingungen. Die Messung des Interzeptionsverlustes zeigte, dass in der Hauptwachstumsphase vom Soja von dessen Oberfläche mehr Wasserverdunstet als von der Oberfläche des Waldes. Allerdings ist in der Jahresbilanz der Interzeptionsverlust vom Wald höher, da diese Studie nur eine Momentaufnahme zur Zeit der vollen Vegetationsentwicklung des Sojas mit einem Zeitfenster von zwei Monaten widerspiegelt. Durch die geringere ganzjährige Verdunstung von den mit Soja bestandenen Flächen, wird hier der Niederschlag schneller dem Abfluss zugeführt und schell aus der Region ausgetragen. Somit trägt der Landnutzungswandel von Wald zu Soja zu einer mittelfristigen Reduktion des in der Region verfügbaren Wassers bei. Die anschließende Modellierung des Interzeptionsverlustes zeigte Einerseits einen starken Einfluss der Datenqualität auf die Plausibilität der Ergebnisse und Andererseits, dass die Sensitivität der einzelnen Parameter zwischen den Untersuchungsgebieten variiert. Eine Schlüsselrolle nimmt die Wasserspeicherkapazität der Vegetationskrone ein. Dennoch ist die Evaporationsrate die treibende Größe im Interzeptionsprozess, so dass von ihr die größte Unsicherheit ausgeht. Je nach verwendeter Methode zur Ableitung dieses Parameters unterscheiden sich die gewonnenen Parameterwerte erheblich. Die Wirkungsanalyse der Interzeptionsverdunstung auf den Wasserhaushalt im Wirkungsgeflecht der Änderungen von Temperatur, Niederschlag und Landnutzung im Landschaftsmosaik eines Flusseinzugsgebiets mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodels zeigte den Einfluss der Landnutzungsänderung auf die Abflussbildung mittels verschiedener Landnutzungsszenarien. Die Ergebnisse belegen, dass die Landnutzungsänderung im Gebiet nur einen geringen Einfluss auf den Jahresabfluss hat. Stärker scheint sich der gemessene Temperaturanstieg auf die Verdunstung auszuwirken. Der mit einer höheren Temperatur einhergehende Anstieg der Transpiration und Interzeptionsverdunstung gleicht die gemessene Zunahme des Gebietsniederschlages aus, sodass keine signifikanten Änderungen im Jahresabfluss nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der drei Studien verdeutlichen den Einfluss der Landnutzung auf die Interzeptionsverdunstung. Allerdings veranschaulichten die Resultate der Wasserhaushalts-modellierung, wie sehr dieser Einfluss durch die Veränderung der äußeren Rahmenbedingungen, vor allem durch den Anstieg der Temperatur, überprägt werden kann. Dies belegt, dass eine einfache Übertragung der Ergebnisse zwischen den Untersuchungsgebiet nicht möglich ist. Somit bleibt die experimentelle Erhebung von Vegetationsparametern sowie des Interzeptionsverlustes an den jeweils zu untersuchenden Standort für die Anwendung von Modellen unerlässlich. N2 - The humid tropics are the region with the highest rate of land-cover change worldwide. Especially prevalent is the deforestation of old-growth tropical forests to create space for cattle pastures and soybean fields. The regional water cycle is influenced by vegetation cover in various ways. Especially evapotranspiration considerably contributes to water vapor content in the lower atmosphere. Besides active transpiration by plants, evaporation from wetted plant surfaces further known as interception loss is an important supply of water vapor. Changes in interception loss due to change in land cover and the related consequences on the regional water cycle in the humid tropics of Latin America are the research focus of my thesis. (1) In an experimental setup I assess differences in interception loss between an old-growth tropical forest and a soybean plantation. (2) In a modeling study, I examine interception losses of these two vegetation types compared to a younger secondary forest with the use of the Gash interception model, including an uncertainty analysis for the estimation of the necessary model parameters. (3) Studying the water balance of a 192-km² catchment I disentangle the influences of changes in land cover and climatic factors on interception loss. The three different research sites in my thesis represent a currently typical spectrum for land-cover changes in Latin America. In the first example I study the consequences of deforestation of transitional forest, which forms the transition from the Brazilian tree savanna (cerrado) to tropical rain forest, for the establishment of soybean fields in the southern Amazon basin. The second study site is a young secondary forest within the “Agua Salud” project area in Panama as an example of reforestation of former pastures. The third study site is the Cirí Grande river catchment which comprises a mixture of young and old forests as well as pastures, which is typical for the southern sub-catchments of the Panama Canal. The experimental approach consists of the indirect estimation of interception loss by measuring throughfall and stem flow. For the first experimental study I measured throughfall as well as stem flow manually. Measurements of the leaf area index of the two land covers do not show distinct differences; hence it could not serve as an explanation for the differences in the measured interception loss. The considerably higher interception loss at the soybean field is attributed to a possible underestimation of stemflow but also to the stronger ventilation within the well-structured plant rows causing higher evaporation rates. This situation is valid only for two months of the rainy season, when soybean plants are fully developed. In the annual balance evapotranspiration at the soybean site is clearly less than at the forest site, accelerating the development of fast runoff components and consequently discharge. In the medium term, a reduction of water availability in the study area can be expected. For the modeling study, throughfall in a young secondary forest is sampled automatically. The resulting temporally high-resolution dataset allows the distinction between different precipitation and interception events. The core of this study is the sensitivity and uncertainty analysis of the Gash interception model parameters and the consequences for its results. Canopy storage capacity plays a key role for the model and parameter uncertainty. With increasing storage capacity uncertainty in parameter delineation also increases. Evaporation rate as the driving component of the interception process incorporates in this context the largest parameter uncertainty. Depending on the selected method for parameter estimation, parameter values may vary tremendously. In the third study, I analyze the influence of interception loss on the water balance of the Cirí Grande catchment, incorporating the interlinked effects of temperature, precipitation and changes of the land use mosaic using the SWAT (soil water assessment tool) model. Constructing several land-cover scenarios I assess their influence on the catchment’s discharge. The results show that land-cover change exerts only a small influence on annual discharge in the Cirí Grande catchment whereas an increase in temperature markedly influences evapotranspiration. The temperature-induced larger transpiration and interception loss balances the simultaneous increase in annual precipitation, such that the resulting changes in annual discharge are negligible. The results of the three studies show the considerable effect of land cover on interception. However, the magnitude of this effect can be masked by changes in local conditions, especially by an increase in temperature. Hence, the results cannot be transferred easily between the different study sites. For modeling purposes, this means that measurements of vegetation characteristics as well as interception loss at the respective sites are indispensable. KW - geoecology KW - interception KW - hydrology KW - Geoökologie KW - Interzeptionsverdunstung KW - Hydrologie KW - Lateinamerika KW - Latin America Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Dräger, Nadine T1 - Holocene climate and environmental variability in NE Germany inferred from annually laminated lake sediments T1 - Rekonstruktion Holozäner Klima- und Umweltveränderungen in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten N2 - Understanding the role of natural climate variability under the pressure of human induced changes of climate and landscapes, is crucial to improve future projections and adaption strategies. This doctoral thesis aims to reconstruct Holocene climate and environmental changes in NE Germany based on annually laminated lake sediments. The work contributes to the ICLEA project (Integrated CLimate and Landscape Evolution Analyses). ICLEA intends to compare multiple high-resolution proxy records with independent chronologies from the N central European lowlands, in order to disentangle the impact of climate change and human land use on landscape development during the Lateglacial and Holocene. In this respect, two study sites in NE Germany are investigated in this doctoral project, Lake Tiefer See and palaeolake Wukenfurche. While both sediment records are studied with a combination of high-resolution sediment microfacies and geochemical analyses (e.g. µ-XRF, carbon geochemistry and stable isotopes), detailed proxy understanding mainly focused on the continuous 7.7 m long sediment core from Lake Tiefer See covering the last ~6000 years. Three main objectives are pursued at Lake Tiefer See: (1) to perform a reliable and independent chronology, (2) to establish microfacies and geochemical proxies as indicators for climate and environmental changes, and (3) to trace the effects of climate variability and human activity on sediment deposition. Addressing the first aim, a reliable chronology of Lake Tiefer See is compiled by using a multiple-dating concept. Varve counting and tephra findings form the chronological framework for the last ~6000 years. The good agreement with independent radiocarbon dates of terrestrial plant remains verifies the robustness of the age model. The resulting reliable and independent chronology of Lake Tiefer See and, additionally, the identification of nine tephras provide a valuable base for detailed comparison and synchronization of the Lake Tiefer See data set with other climate records. The sediment profile of Lake Tiefer See exhibits striking alternations between well-varved and non-varved sediment intervals. The combination of microfacies, geochemical and microfossil (i.e. Cladocera and diatom) analyses indicates that these changes of varve preservation are caused by variations of lake circulation in Lake Tiefer See. An exception is the well-varved sediment deposited since AD 1924, which is mainly influenced by human-induced lake eutrophication. Well-varved intervals before the 20th century are considered to reflect phases of reduced lake circulation and, consequently, stronger anoxic conditions. Instead, non-varved intervals indicate increased lake circulation in Lake Tiefer See, leading to more oxygenated conditions at the lake ground. Furthermore, lake circulation is not only influencing sediment deposition, but also geochemical processes in the lake. As, for example, the proxy meaning of δ13COM varies in time in response to changes of the oxygen regime in the lake hypolinion. During reduced lake circulation and stronger anoxic conditions δ13COM is influenced by microbial carbon cycling. In contrast, organic matter degradation controls δ13COM during phases of intensified lake circulation and more oxygenated conditions. The varve preservation indicates an increasing trend of lake circulation at Lake Tiefer See after ~4000 cal a BP. This trend is superimposed by decadal to centennial scale variability of lake circulation intensity. Comparison to other records in Central Europe suggests that the long-term trend is probably related to gradual changes in Northern Hemisphere orbital forcing, which induced colder and windier conditions in Central Europe and, therefore, reinforced lake circulation. Decadal to centennial scale periods of increased lake circulation coincide with settlement phases at Lake Tiefer See, as inferred from pollen data of the same sediment record. Deforestation reduced the wind shelter of the lake, which probably increased the sensitivity of lake circulation to wind stress. However, results of this thesis also suggest that several of these phases of increased lake circulation are additionally reinforced by climate changes. A first indication is provided by the comparison to the Baltic Sea record, which shows striking correspondence between major non-varved intervals at Lake Tiefer See and bioturbated sediments in the Baltic Sea. Furthermore, a preliminary comparison to the ICLEA study site Lake Czechowskie (N central Poland) shows a coincidence of at least three phases of increased lake circulation in both lakes, which concur with periods of known climate changes (2.8 ka event, ’Migration Period’ and ’Little Ice Age’). These results suggest an additional over-regional climate forcing also on short term increased of lake circulation in Lake Tiefer See. In summary, the results of this thesis suggest that lake circulation at Lake Tiefer See is driven by a combination of long-term and short-term climate changes as well as of anthropogenic deforestation phases. Furthermore, the lake circulation drives geochemical cycles in the lake affecting the meaning of proxy data. Therefore, the work presented here expands the knowledge of climate and environmental variability in NE Germany. Furthermore, the integration of the Lake Tiefer See multi-proxy record in a regional comparison with another ICLEA side, Lake Czechowskie, enabled to better decipher climate changes and human impact on the lake system. These first results suggest a huge potential for further detailed regional comparisons to better understand palaeoclimate dynamics in N central Europe. N2 - Es ist von großer Bedeutung die natürliche Klimavariabilität unter dem Einfluss menschlich verursachter Klimaänderungen zu verstehen, um Zukunftsprognosen und Adaptionsstrategien zu verbessern. Die Hauptzielsetzung der vorliegenden Doktorarbeit ist die Rekonstruktion von Klima- und Umweltveränderungen während des Holozäns in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten. Diese Arbeit ist ein Beitrag zum ICLEA Projekt (integrierte Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse). ICLEA strebt den Vergleich von mehreren hochaufgelösten Proxy- Archiven aus dem Nord-zentral europäischen Tiefland an, um Einflüsse von Mensch und Klima auf die Landschaftsentwicklung auseinander zu dividieren. Demnach werden in diesem Doktorprojekt zwei Gebiete untersucht: der Tiefe See und der verlandete See Wukenfurche. Während beide Sedimentarchive mit einer Kombination aus hochaufgelösten sedimentmikrofaziellen und -geochemischen Methoden untersucht werden, konzentriert sich die detaillierte Untersuchung der Proxy-Bedeutung auf den kontinuierlichen 7,7mlangen Sedimentkern vom Tiefer See, der die letzten 6000 Jahre abdeckt. Drei Hauptziele werden am Tiefen See verfolgt: (1) das Erstellen einer robusten und unabhängigen Chronologie (2) das Etablieren von mikrofaziellen und geochemischen Proxies als Indikatoren für Klima- und Landschaftsveränderungen und (3) das Ableiten von Klimaveränderungen und menschlichem Einfluss auf die Sedimentablagerung. Zum Erreichen des ersten Zieles wurde eine robuste Chronologie mit Hilfe eines multiplen Datierungsansatzes erstellt. Das Zusammenführen der Warvenzählung und Tephra-Funden bildet dabei das Gerüst für die Chronologie der letzten 6000 Jahre, deren Stabilität durch die gute Übereinstimmung mit unabhängigen Radiokarbondatierungen bestätigt wird. Diese robuste und unabhängige Chronologie und die zusätzlichen neun Tephra-Funde bieten die Basis für den detaillierten Vergleich und die Synchronisation des Tiefen See Datensatzes mit anderen Klimaarchiven. Das Sedimentprofil vom Tiefen See zeigt markante Wechsel zwischen gut warvierten und nicht warvierten Sedimentabschnitten auf. Die kombinierte Untersuchung der Mikrofazies, der Geochemie und von Mikrofossilien (d.h. Cladoceren und Diatomeen) zeigte, dass diese Veränderungen der Warvenerhaltung auf Änderungen der Seezirkulation zurückzuführen sind. Ausgenommen ist der rezente warvierte Abschnitt ab AD 1924, der hauptsächlich durch menschlich verursachte Seeeutrophierung beeinflusst ist. Warvierte Abschnitte vor dem 20. Jahrhundert sind durch verringerte Seezirkulation und die damit verbundenen stärkeren anoxischen Bedingungen im See hervorgerufen worden. Die Ablagerung von nicht warvierten Sedimenten weist auf stärkere Seezirkulation und sauerstoffreichere Bedingungen am Seegrund hin. Die Seezirkulation beeinflusst zusätzlich zum Sedimentmuster auch geochemische Prozesse im See. Zum Beispiel verändert sich die Proxy-Bedeutung der stabilen Kohlenstoffisotope von organischem Material (δ13COM) in Reaktion auf das veränderte Sauerstoffregime. Während geringer Seezirkulation und stärkeren anoxischen Bedingungen werden stark negative δ13COM Werte durch mikrobielle Aktivität hervorgerufen. Im Gegensatz verursachen Phasen mit verstärkter Seezirkulation positivere δ13COM Werte, was vermutlich auf stärkeren Abbau von organischem Material im sauerstoffangereicherten Milieu am Seegrund zurückzuführen ist. Die Warvenerhaltung zeigt einen ansteigenden Trend der Seezirkulation im Tiefen See nach ungefähr 4000 Jahre vor heute an. Dieser Trend ist überlagert mit kurzzeitigen Seezirkulationsveränderungen auf dekadischen Zeitskalen. Der Vergleich mit anderen Archiven in Zentral-Europa lässt darauf schließen, dass der Langzeittrend wahrscheinlich auf graduelle Veränderungen der orbitalen Parameter zurückzuführen ist, was kühlere und windigere Bedingungen in Zentral-Europa hervorgerufen hatte und damit die Seezirkulation im Tiefen See verstärkt hat. Die kurzzeitigen Phasen von verstärkter Seezirkulation fallen mit Siedlungsperioden am Tiefen See zusammen, die mit Pollendaten vom selben Sedimentkern rekonstruiert wurden. Die Waldrodung verringerte den Windschutz des Sees, was möglicherweise zu einer erhöhten Sensitivität der Seezirkulation zu Windstress geführt hat. Ein erster Vergleich des Tiefen Sees zu dem ICLEA Untersuchungsgebiet des Czechowskie See zeigt, dass in beiden Seen drei gemeinsame Phasen verstärkter Seezirkulation auftreten, die auch mit bekannten Zeiten veränderter Klimabedingungen zusammenfallen (2.8 ka event, Migrationsperiode und die Kleine Eiszeit). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Seezirkulation von einer Kombination aus Klimaveränderung auf langen und kurzen Zeitskalen und der Abholzung des Menschen angetrieben wird. Zusammengefasst erweitert die hier vorliegende Arbeit das Wissen von Klima und Umweltveränderungen in NO Deutschland. Zudem wird gezeigt, dass ein regionaler Vergleich verschiedener Untersuchungsgebieten mit unabhängigen Chronologien ein verbessertes Auseinanderhalten von Klimaeinflüssen und menschlichen Einflüssen auf die Seesysteme ermöglicht. Damit kann ein verbessertes Verständnis der Paläoklimadynamik in Zentral-Europa gewonnen werden. KW - palaeoclimate KW - Paläoklima KW - Holocene KW - Holozän KW - varved lake sediments KW - warvierte Seesedimente KW - Tiefer See KW - Tiefer See KW - human impact KW - menschliche Einflüsse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103037 ER - TY - THES A1 - Chen, Kejie T1 - Real-time GNSS for fast seismic source inversion and tsunami early warning T1 - Echtzeit-GNSS für schnelle seismischen Quelle Inversion und Tsunami-Frühwarnsystem N2 - Over the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, the change of ionospheric delay is almost linear, we constructed a linear model for each satellite to predict ionospheric delay. The effectiveness of this method has been validated by an out-door experiment and 2011 Tohoku event, which confirms feasibility of using dense GPS networks for geo-hazard early warning at an affordable cost. Secondly, we extended temporal point positioning from GPS-only to GPS/GLONASS and assessed the potential benefits of multi-GNSS for co-seismic displacement determination. Out-door experiments reveal that when observations are conducted in an adversary environment, adding a couple of GLONASS satellites could provide more reliable results. The case study of 2015 Illapel Mw 8.3 earthquake shows that the biases between co-seismic displacements derived from GPS-only and GPS/GLONASS vary from station to station, and could be up to 2 cm in horizontal direction and almost 3 cm in vertical direction. Furthermore, slips inverted from GPS/GLONASS co-seismic displacements using a layered crust structure on a curved plane are shallower and larger for the Illapel event. Thirdly, we tested different inversion tools and discussed the uncertainties of using real-time GNSS for tsunami early warning. To be exact, centroid moment tensor inversion, uniform slip inversion using a single Okada fault and distributed slip inversion in layered crust on a curved plane were conducted using co-seismic displacements recorded during 2014 Pisagua earthquake. While the inversion results give similar magnitude and the rupture center, there are significant differences in depth, strike, dip and rake angles, which lead to different tsunami propagation scenarios. Even though, resulting tsunami forecasting along the Chilean coast is close to each other for all three models. Finally, based on the fact that the positioning performance of BDS is now equivalent to GPS in Asia-Pacific area and Manila subduction zone has been identified as a zone of potential tsunami hazard, we suggested a conceptual BDS/GPS network for tsunami early warning in South China Sea. Numerical simulations with two earthquakes (Mw 8.0 and Mw 7.5) and induced tsunamis demonstrate the viability of this network. In addition, the advantage of BDS/GPS over a single GNSS system by source inversion grows with decreasing earthquake magnitudes. N2 - In den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist das hauptsächliche Hindernis für Einzelfrequenz-GPS die Verzögerung durch die Ionosphäre. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung in der ionosphärischen Verzögerung über mehrere Minuten hinweg linear ist, haben wir ein lineares Modell für jeden Satelliten konstruiert, um die ionosphärische Verzögerung vorherzusagen. Die Effizienz dieser Methode wurde bei einem Freiluft-Experiment und bei dem Tohoku Ereignis 2011 validiert, was die Verwendbarkeit eines dichten GPS Netzwerks für Frühwarnung vor Geo-Gefahren bei vertretbaren Kosten bestätigt. Als Zweites haben wir die zeitliche Punkt-Positionierung von GPS-only zu GPS/GLONASS erweitert und den potentiellen Nutzen von Multi-GPNSS für die Bestimmung seismischer Verschiebungen bewertet. Freiluft-Experimente zeigen, dass zusätzliche GLONASS Satelliten in feindlicher Umgebung verlässlichere Ergebnisse liefern könnten. Die Fallstudie vom 2015 Illapel Erdbeben mit 8,3 Mw zeigt, dass die mit GPS-only und GPS/GLONASS abgeleiteten seismischen Verschiebungen von Station zu Station variieren und bis zu 2 cm in horizontaler Richtung und beinahe 3 cm in vertikaler Richtung betragen könnten. Zudem sind Verwerfungen, die durch GPS/GLONASS seismische Verschiebungen umgekehrt sind und eine geschichtete Krustenstruktur benutzen, auf einer gekrümmten Ebene flacher und größer für das Illapel Ereignis. Als Drittes haben wir verschiedene Inversionstools getestet und die Unsicherheiten der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Tsunami Frühwarnung diskutiert. Um genau zu sein, wurden eine Schwerpunkts Momenten-Tensoren-Inversion, eine gleichmäßige Verwerfungsinversion bei Benutzung einer einzelnen Okada Verwerfung und eine verteilte Verwerfungs-Inversion in geschichteter Kruste auf einer gekrümmten Ebene durchgeführt. Dafür wurden seismische Verschiebungen genutzt, die beim Pisagua Erdbeben 2014 aufgezeichnet wurden. Während die Inversionsergebnisse ähnliche Magnituden und Bruchstellen liefern, gibt es signifikante Unterschiede bei Tiefe, Streichen, Einfalls- und Spanwinkel, was zu verschiedenen Tsunami Ausbreitungs-Szenarien führt. Trotzdem ist die resultierende Tsunami Vorhersage entlang der chilenischen Küste allen drei Modellen ähnlich. Schlussendlich und basierend auf der Tatsache, dass die Positionierungsleistung von BDS nun äquivalent zu GPS im Asia-Pazifischen Raum ist und die Manila Subduktionszone als potentielle Tsunami Gefährdungszone identifiziert wurde, schlagen wir ein Konzept für ein BDS/GPS Netzwerk für die Tsunami Frühwarnung im Südchinesischen Meer vor. Numerische Simulationen mit zwei Erdbeben (Mw 8.0 und Mw 7.5) und induzierten Tsunamis demonstrieren die Realisierbarkeit dieses Netzwerks. Zusätzlich wächst der Vorteil von BDS/GPS gegenüber einem einzelnen GNSS Sytem bei steigender Quelleninversion mit abnehmender Erdbebenmagnitude. KW - global navigation satellite systems KW - seismic source inversion KW - tsunami early warning KW - GNSS KW - Quelle Inversion KW - Tsunami-Frühwarnsystem Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93174 ER - TY - THES A1 - Wolter, Juliane T1 - Mid- to Late Holocene environmental dynamics on the Yukon Coastal Plain and Herschel Island (Canada) - envidence from polygonal peatlands and lake sediment Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Rieckh, Helene T1 - Hydropedological analysis of erosion-affected soils in a hummocky ground-moraine landscape - interactions of water flow, dissolved carbon and particle transport, grop growth, and pedogenesis Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Käthner, Jana T1 - Interaction of spatial variability characterized by soil electrical conductivity and plant water status related to generative growth of fruit trees T1 - Interaktion der räumlichen Variabilität der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens und des Pflanzenwasserzustandes auf das generative Wachstum von Obstbäumen N2 - Precision horticulture beschreibt ein neues Bewirtschaftungskonzept im Gartenbau, bei dem teilflächenspezifisch oder an den Einzelbaum angepasste Maßnahmen eine ressourcenschonende, intensitve Produktion ermöglichen. Die Datengrundlage wird aus räumlich aufgelösten Messungen aus der Produktionsanlage gewonnen, wobei sowohl kurzfristige Faktoren wie der effektive Pflanzenwasserzustand als auch langfristige Faktoren wie die Bodenvariabilität zur Informationsgewinnung genutzt werden können. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Untersuchung der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens (ECa), des Pflanzenwasserzustandes und der Fruchtqualität (zum Beispiel: Fruchtgröße) bei Prunus domestica L. (Pflaume) und Citrus x aurantium, Syn. Citrus paradisi (Grapefruit). Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit waren (i) die Charakterisierung der 3D-Verteilung der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens und Variabilität des Pflanzenwasserzustandes; (ii) die Untersuchung der Interaktion zwischen ECa, kumulativer Wassernutzungseffizienz (WUEc) und des crop water stress index (CWSI) bezogen auf die Fruchtqualität sowie (iii) eine Möglichkeit zur Einteilung von einzelnen Bäumen hinsichtlich der Bewässerung. Dazu fanden die Hauptuntersuchungen in der Pflaumenanlage statt. Diese Obstanlage befindet sich in Hanglage (3°) auf pleistozänen und postpleistozänen Substraten in semi-humiden Klima (Potsdam, Deutschland) und umfasst eine Fläche von 0,37 ha mit 156 Bäumen der Kultursorte ˈTophit Plusˈ auf der Unterlage Wavit. Die Anlage wurde 2009 mit ein und zwei-jährigen Bäumen in einem Pflanzabstand von 4 m entlang der Bewässerung und 5 m zwischen den Reihen angelegt. Dreimal pro Woche wurden die Bäume mit einer 50 cm über dem Boden installierten Tröpfchenbewässerung mit 1,6 l pro Baum bewässert. Mit Hilfe geoelektrischer Messungen wurde die scheinbare elektrische Leitfähigkeit des Oberbodens (0,25 m) mit einem Elektrodenabstand von 0,5 m (4-point light hp) an jedem Baum gemessen. Dadurch wurde die Anlage hinsichtlich ECa räumlich charakterisiert. Zusätzlich erfolgten Tomographiemessungen zur 3D-Charakterisierung der ECa und punktuell die Beprobung von Bohrlochprofilen bis 1 m Tiefe. Die vegetativen, generativen und Fruchtqualitätsdaten wurden an jedem Baum erhoben. Der momentane Pflanzenwasserzustand wurde mit der etablierten Scholander-Methode zur Wasserpotentialanalyse (Scholander Bombe) punktuell und mit Thermalaufnahmen flächendeckend bestimmt. Die Thermalaufnahmen erfolgten mit einer Infrarot-Kamera (ThermaCam SC 500), die auf einem Traktor in 3,3 m Höhe über dem Boden montiert war. Die Thermalaufnahmen (320 x 240 Pixel) der Kronenoberfläche wurden mit einem Öffnungswinkel von 45° und einer geometrischen Auflösung von 6,41 mm x 8,54 mm aufgenommen. Mit Hilfe der Kronentemperatur aus den Thermalbildern und den Temperaturen eines nassen und trockenen Referenzblattes wurde der CWSI berechnet. Es wurde die Anpassung des CWSI für die Messung in semi-humidem Klima erarbeitet, wobei die Erhebung der Referenztemperaturen automatisiert aus den Thermalbildern erfolgte. Die Boniturdaten wurden mit Hilfe eines Varianz-Stabilisierungsverfahrens in eine Normalverteilung transformiert. Die statistischen Analysen sowie die automatisierte Auswertungsroutine erfolgten mit eigenen Skripten in MATLAB® (R2010b sowie R2016a) und einem freien Programm (spatialtoolbox). Die Hot-spot Analysen dienten der Prüfung, ob ein beobachtetes Muster statistisch signifikant ist. Evaluiert wurde die Methode mit der etablierten k-mean Analyse. Zum Testen der Hot-spot Analyse wurden ECa, Stammumfang und Ertrag Daten aus einer Grapefruitanlage (Adana, Türkei) mit 179 Bäumen auf einem Boden vom Typ Xerofkuvent mit toniger und tonig-lehmiger Textur herangezogen. Die Überprüfung der Interaktion zwischen den kritischen Werten aus den Boden- und Pflanzenwasserzustandsinformationen zu den vegetativen und generativen Pflanzenwachtumsvariablen erfolgte durch die Anwendung der ANOVA und die Ermittlung des Korrelationskoeffizienten. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Variabilität der Boden- und Pflanzeninformationen in Obstanlagen auch kleinräumig hoch ist. Es konnte gezeigt werden, dass die räumlich gefundenen Muster in den ECa über die Jahre zwischen 2011-2012 (r = 0.88) beziehungsweise 2012-2013 (r = 0.71) stabil geblieben sind. Zum anderen wurde gezeigt, dass eine CWSI-Bestimmung auch im semi-humiden Klima möglich ist. Es wurde ein Zusammenhang (r = - 0.65, p < 0.0001) mit der etablierten Methode der Blattwasser-potentialanalyse ermittelt. Die Interaktion zwischen der ECa aus verschiedenen Tiefen und den Pflanzenvariablen ergab einen hoch signifikanten Zusammenhang mit dem Oberboden, in dem das Bewässerungswasser zu finden war. Es wurde eine Korrelation zwischen Ertrag und ECatopsoil von r = 0.52 ermittelt. Durch die Anwendung der Hot-spot Analyse konnten Extremwerte in den räumlichen Daten ermittelt werden. Diese Extrema dienten zur Einteilung der Zonen in cold-spot, random und hot-spot. Die random Zone weist die höchsten Korrelationen zu den Pflanzenvariablen auf. Ferner konnte gezeigt werden, dass bereits im semi-humiden Klima der Pflanzenwasserstatus entscheidend zur Fruchtqualität beiträgt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die räumliche Variabilität der Fruchtqualität durch die Interaktion von Wassernutzungseffizienz und CWSI sowie in geringerem Maße durch den ECa des Bodens. In der Pflaumenanlage im semi-humiden Klima war die Bewässerung ausschlaggebend für die Produktion von qualitativ hochwertigen Früchten. N2 - Precision horticulture encompasses site- or tree-specific management in fruit plantations. Of decisive importance is spatially resolved data (this means data from each tree) from the production site, since it may enable customized and, therefore, resource-efficient production measures. The present thesis involves an examination of the apparent electrical conductivity of the soil (ECa), the plant water status spatially measured by means of the crop water stress index (CWSI), and the fruit quality (e.g. fruit size) for Prunus domestica L. (plums) and Citrus x aurantium, Syn. Citrus paradisi (grapefruit). The goals of the present work were i) characterization of the 3D distribution of the apparent electrical conductivity of the soil and variability of the plant’s water status; ii) investigation of the interaction between ECa, CWSI, and fruit quality; and iii) an approach for delineating management zones with respect to managing trees individually. To that end, the main investigations took place in the plum orchard. This plantation got a slope of 3° grade on Pleistocene and post-Pleistocene substrates in a semi-humid climate (Potsdam, Germany) and encloses an area of 0.37 ha with 156 trees of the cultivar ˈTophit Plusˈ on a Wavit rootstock. The plantation was laid in 2009 with annual and biannual trees spaced 4 m distance along the irrigation system and 5 m between the rows. The trees were watered three times a week with a drip irrigation system positioned 50 cm above ground level providing 1.6 l per tree per event. With the help of geoelectric measurements, the apparent electrical conductivity of the upper soil (0.25 m) was measured for each tree with an electrode spacing of 0.5 m (4-point light hp). In this manner, the plantation was spatially charted with respect to the soil’s ECa. Additionally, tomography measurements were performed for 3D mapping of the soil ECa and spot checks of drilled cores with a profile of up to 1 m. The vegetative, generative, and fruit quality data were collected for each tree. The instantaneous plant water status was comprehensively determined in spot checks with the established Scholander method for water potential analysis (Scholander pressure bomb) as well as thermal imaging. An infrared camera was used for the thermal imaging (ThermaCam SC 500), mounted on a tractor 3.3 m above ground level. The thermal images (320 x 240 px) of the canopy surface were taken with an aperture of 45° and a geometric resolution of 8.54 x 6.41 mm. With the aid of the canopy temperature readings from the thermal images, cross-checked with manual temperature measurements of a dry and a wet reference leaf, the crop water stress index (CWSI) was calculated. Adjustments in CWSI for measurements in a semi-humid climate were developed, whereas the collection of reference temperatures was automatically collected from thermal images. The bonitur data were transformed with the help of a variance stabilization process into a normal distribution. The statistical analyses as well as the automatic evaluation routine were performed with several scripts in MATLAB® (R2010b and R2016a) and a free program (spatialtoolbox). The hot spot analysis served to check whether an observed pattern is statistically significant. The method was evaluated with an established k-mean analysis. To test the hot-spot analysis by comparison, data from a grapefruit plantation (Adana, Turkey) was collected, including soil ECa, trunk circumference, and yield data. The plantation had 179 trees on a soil of type Xerofkuvent with clay and clay-loamy texture. The examination of the interaction between the critical values from the soil and plant water status information and the vegetative and generative plant growth variables was performed with the application from ANOVA. The study indicates that the variability of the soil and plant information in fruit production is high, even considering small orchards. It was further indicated that the spatial patterns found in the soil ECa stayed constant through the years (r = 0.88 in 2011-2012 and r = 0.71 in 2012-2013). It was also demonstrated that CWSI determination may also be possible in semi-humid climate. A correlation (r = - 0.65, p < 0.0001) with the established method of leaf water potential analysis was found. The interaction between the ECa from various depths and the plant variables produced a highly significant connection with the topsoil in which the irrigation system was to be found. A correlation between yield and ECatopsoil of r = 0.52 was determined. By using the hot-spot analysis, extreme values in the spatial data could be determined. These extremes served to divide the zones (cold-spot, random, hot-spot). The random zone showed the highest correlation to the plant variables. In summary it may be said that the cumulative water use efficiency (WUEc) was enhanced with high crop load. While the CWSI had no effect on fruit quality, the interaction of CWSI and WUEc even outweighed the impact of soil ECa on fruit quality in the production system with irrigation. In the plum orchard, irrigation was relevant for obtaining high quality produce even in the semi-humid climate. KW - precision horticulture KW - plum KW - tree water status KW - spatial variability KW - Präzision Gartenbau KW - Pflaume KW - Pflanzenwasserzustand KW - räumliche Variabilität Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397666 ER - TY - THES A1 - Lontsi, Agostiny Marrios T1 - 1D shallow sedimentary subsurface imaging using ambient noise and active seismic data T1 - 1D Bildgebung oberflächennaher Sedimente mit Hilfe von Daten der allgemeinen, seismischen Bodenunruhe und Daten der aktiven Seismik N2 - The Earth’s shallow subsurface with sedimentary cover acts as a waveguide to any incoming wavefield. Within the framework of my thesis, I focused on the characterization of this shallow subsurface within tens to few hundreds of meters of sediment cover. I imaged the seismic 1D shear wave velocity (and possibly the 1D compressional wave velocity). This information is not only required for any seismic risk assessment, geotechnical engineering or microzonation activities, but also for exploration and global seismology where site effects are often neglected in seismic waveform modeling. First, the conventional frequency-wavenumber (f - k) technique is used to derive the dispersion characteristic of the propagating surface waves recorded using distinct arrays of seismometers in 1D and 2D configurations. Further, the cross-correlation technique is applied to seismic array data to estimate the Green’s function between receivers pairs combination assuming one is the source and the other the receiver. With the consideration of a 1D media, the estimated cross-correlation Green’s functions are sorted with interstation distance in a virtual 1D active seismic experiment. The f - k technique is then used to estimate the dispersion curves. This integrated analysis is important for the interpretation of a large bandwidth of the phase velocity dispersion curves and therefore improving the resolution of the estimated 1D Vs profile. Second, the new theoretical approach based on the Diffuse Field Assumption (DFA) is used for the interpretation of the observed microtremors H/V spectral ratio. The theory is further extended in this research work to include not only the interpretation of the H/V measured at the surface, but also the H/V measured at depths and in marine environments. A modeling and inversion of synthetic H/V spectral ratio curves on simple predefined geological structures shows an almost perfect recovery of the model parameters (mainly Vs and to a lesser extent Vp). These results are obtained after information from a receiver at depth has been considered in the inversion. Finally, the Rayleigh wave phase velocity information, estimated from array data, and the H/V(z, f) spectral ratio, estimated from a single station data, are combined and inverted for the velocity profile information. Obtained results indicate an improved depth resolution in comparison to estimations using the phase velocity dispersion curves only. The overall estimated sediment thickness is comparable to estimations obtained by inverting the full micortremor H/V spectral ratio. N2 - Oberflächennahe Sedimente wirken oft als Verstärker für einfallende seismische Wellenfelder. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konzentriere ich mich auf die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes von einigen zehn bis zu hundert Metern Sedimentabdeckung. Dabei leite ich Tiefenprofile (1D) der seismische Scherwellengeschwindigkeit (Vs) und wenn möglich auch der Kompressionswellengeschwindigkeit (Vp) aus seismischen Daten ab. Diese Informationen sind nicht nur für jede Erdbebenrisikobewertung, Geotechnik- oder Mikrozonierungsaktivität erforderlich, sondern sind auch für die seismische Erkundung und globale Seismologie von Bedeutung, da Standorteffekte in seismischen Wellenformmodellierungen oft vernachlässigt werden. Zuerst wird die herkömmliche Frequenz-Wellenzahl (f - k) Technik verwendet, um die Dispersionskurven der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen abzuleiten. Die zugrundeliegenden Daten stammen von Seismometerarrays in unterschiedlichen 1D- und 2D-Konfigurationen. In einem weiteren Schritt wird die Green’s Funktion zwischen verschiedenen Empfängerpaaren aus den Daten des seismischen Arrays geschätzt. Dabei wird die Kreuzkorrelationstechnik verwendet. In einem virtuellen 1D Experiment der aktiven Seismik werden die abgeleiteten Green’s Funktionen der Interstationsdistanz nach geordnet. Dann wird die f-k Technik verwendet um wiederum Dispersionskurven abzuleiten. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Analyse einer grösseren Bandbreite für die Dispersionskurven und daher eine verbesserte Auflösung des 1D Tiefenprofils der Scherwellengeschwindigkeit (Vs). In einem zweiten Schritt wird ein neuer Ansatz, basierend auf der diffusen Wellenfeldannahme (engl., Diffuse Field Assumption, DFA), zur Interpretation beobachteter horizontal zu vertikalen Spektralamplitudenverhältnissen (H/V-Spektralverhältnisse), die aus allgemeiner Bodenunruhe abgeleited wurden,genutzt. Diese Theorie wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erweitert, um nicht nur an der Oberfläche gemessene H/V- Spektralverhältnisse interpretieren zu können sondern auch Messungen in der Tiefe (Bohrloch) und in mariner Umgebung (Ozeanboden). Eine Modellierung und Inversion von synthetischen HV- Spektralverhältnissen für vordefinierte, einfache geologische Strukturen zeigt eine nahezu perfekte Identifikation/Rekonstruktion der Modellparameter (im wesentlichen Vs und in geringerem Maße Vp), wenn die zusätzliche Information von HV- Spektralverhältnissen eines Empfängers in der Tiefe bei der Inversion berücksichtigt wird. Letztlich wurden (i) Phasengeschwindigkeiten von Rayleighwellen, die aus einem Arraydatensatz geschätzt wurden, mit (ii) H/V-Spektralverhältnissen einer Einzelstation kombiniert invertiert, um Tiefen-profile seismischer Geschwindigkeiten (Vs, Vp) zu bestimmen. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass sich mit einer kombinierte Inversion seismische Geschwindigkeiten bis in größere Tiefen bestimmen lassen, verglichen mit der Inversion von nur Phasengeschwindigkeiten allein. Die geschätzte Gesamtmächtigkeit von Oberflächensedimenten aufgrund der kombinierten Inversion ist vergleichbar mit der, abgleitet von nur H/V-Spektralverhältnissen. KW - active seismic KW - passive seismic KW - virtual active seismic KW - dispersion curves KW - inversion KW - Vs profiles KW - inverse theory KW - interferometry KW - site effects KW - aktive Seismik KW - passive Seismik KW - virtuelle aktive Seismik KW - Dispersionskurven KW - Inversion KW - Vs Profile KW - Inversionstheorie KW - Interferometrie KW - Standorteffekte Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103807 ER - TY - THES A1 - Schintgen, Tom Vincent T1 - The geothermal potential of Luxembourg T1 - Das geothermische Potenzial von Luxemburg BT - geological and thermal exploration for deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the surroundings BT - geologische und thermische Erkundung nach tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und Umgebung N2 - The aim of this work is the evaluation of the geothermal potential of Luxembourg. The approach consists in a joint interpretation of different types of information necessary for a first rather qualitative assessment of deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the adjoining regions in the surrounding countries of Belgium, France and Germany. For the identification of geothermal reservoirs by exploration, geological, thermal, hydrogeological and structural data are necessary. Until recently, however, reliable information about the thermal field and the regional geology, and thus about potential geothermal reservoirs, was lacking. Before a proper evaluation of the geothermal potential can be performed, a comprehensive survey of the geology and an assessment of the thermal field are required. As a first step, the geology and basin structure of the Mesozoic Trier–Luxembourg Basin (TLB) is reviewed and updated using recently published information on the geology and structures as well as borehole data available in Luxembourg and the adjoining regions. A Bouguer map is used to get insight in the depth, morphology and structures in the Variscan basement buried beneath the Trier–Luxembourg Basin. The geological section of the old Cessange borehole is reinterpreted and provides, in combination with the available borehole data, consistent information for the production of isopach maps. The latter visualize the synsedimentary evolution of the Trier–Luxembourg Basin. Complementary, basin-wide cross sections illustrate the evolution and structure of the Trier–Luxembourg Basin. The knowledge gained does not support the old concept of the Weilerbach Mulde. The basin-wide cross sections, as well as the structural and sedimentological observations in the Trier–Luxembourg Basin suggest that the latter probably formed above a zone of weakness related to a buried Rotliegend graben. The inferred graben structure designated by SE-Luxembourg Graben (SELG) is located in direct southwestern continuation of the Wittlicher Rotliegend-Senke. The lack of deep boreholes and subsurface temperature prognosis at depth is circumnavigated by using thermal modelling for inferring the geothermal resource at depth. For this approach, profound structural, geological and petrophysical input data are required. Conceptual geological cross sections encompassing the entire crust are constructed and further simplified and extended to lithospheric scale for their utilization as thermal models. The 2-D steady state and conductive models are parameterized by means of measured petrophysical properties including thermal conductivity, radiogenic heat production and density. A surface heat flow of 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 for verification of the thermal models could be determined in the area. The models are further constrained by the geophysically-estimated depth of the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) defined by the 1300 °C isotherm. A LAB depth of 100 km, as seismically derived for the Ardennes, provides the best fit with the measured surface heat flow. The resulting mantle heat flow amounts to ∼40 mW m–2. Modelled temperatures are in the range of 120–125 °C at 5 km depth and of 600–650 °C at the crust/mantle discontinuity (Moho). Possible thermal consequences of the 10–20 Ma old Eifel plume, which apparently caused upwelling of the asthenospheric mantle to 50–60 km depth, were modelled in a steady-state thermal scenario resulting in a surface heat flow of at least 91 mW m–2 (for the plume top at 60 km) in the Eifel region. Available surface heat-flow values are significantly lower (65–80 mW m–2) and indicate that the plume-related heating has not yet entirely reached the surface. Once conceptual geological models are established and the thermal regime is assessed, the geothermal potential of Luxembourg and the surrounding areas is evaluated by additional consideration of the hydrogeology, the stress field and tectonically active regions. On the one hand, low-enthalpy hydrothermal reservoirs in Mesozoic reservoirs in the Trier–Luxembourg Embayment (TLE) are considered. On the other hand, petrothermal reservoirs in the Lower Devonian basement of the Ardennes and Eifel regions are considered for exploitation by Enhanced/Engineered Geothermal Systems (EGS). Among the Mesozoic aquifers, the Buntsandstein aquifer characterized by temperatures of up to 50 °C is a suitable hydrothermal reservoir that may be exploited by means of heat pumps or provide direct heat for various applications. The most promising area is the zone of the SE–Luxembourg Graben. The aquifer is warmest underneath the upper Alzette River valley and the limestone plateau in Lorraine, where the Buntsandstein aquifer lies below a thick Mesozoic cover. At the base of an inferred Rotliegend graben in the same area, temperatures of up to 75 °C are expected. However, geological and hydraulic conditions are uncertain. In the Lower Devonian basement, thick sandstone-/quartzite-rich formations with temperatures >90 °C are expected at depths >3.5 km and likely offer the possibility of direct heat use. The setting of the Südeifel (South Eifel) region, including the Müllerthal region near Echternach, as a tectonically active zone may offer the possibility of deep hydrothermal reservoirs in the fractured Lower Devonian basement. Based on the recent findings about the structure of the Trier–Luxembourg Basin, the new concept presents the Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) as a Cenozoic structure that remains tectonically active and subsiding, and therefore is relevant for geothermal exploration. Beyond direct use of geothermal heat, the expected modest temperatures at 5 km depth (about 120 °C) and increased permeability by EGS in the quartzite-rich Lochkovian could prospectively enable combined geothermal heat production and power generation in Luxembourg and the western realm of the Eifel region. N2 - Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bewertung des geothermischen Potenzials in Luxemburg. Der Ansatz besteht aus einer gemeinsamen Ausdeutung verschiedener Daten die für eine erste eher qualitative Abschätzung der tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und den angrenzenden Regionen in den benachbarten Ländern Belgien, Frankreich und Deutschland notwendig sind. Für die Erkennung geothermischer Lagerstätten durch Erkundung sind geologische, thermische, hydrogeologische und strukturgeologische Kenntnisse erforderlich. Bis vor kurzem jedoch waren verlässliche Informationen über das thermische Feld und die Geologie und somit über mögliche geothermische Lagerstätten nicht verfügbar. Bevor eine genaue Bewertung des geothermischen Potenzials durchgeführt werden kann müssen eine umfassende Untersuchung der regionalen Geologie und eine Abschätzung des thermischen Feldes erfolgen. Als erstes wird die Geologie und Struktur des Mesozoischen Trier–Luxemburger Beckens (TLB) mittels kürzlich erschienenen Erkenntnissen über die Geologie und Strukturen sowie verfügbaren Bohrdaten in Luxemburg und den angrenzenden Gebieten überprüft und aktualisiert. Eine Bouguer Schwerekarte liefert einen Einblick in die Tiefe, Morphologie und Strukturen des variskischen Grundgebirges welches unter dem Trier–Luxemburger Becken verborgen ist. Die Schichtenfolge in der alten Bohrung Cessingen wird neu gedeutet und bietet in der Gesamtdeutung der verfügbaren Bohrdaten einheitliche Angaben für die Erzeugung von Mächtigkeitskarten. Diese veranschaulichen die synsedimentäre Entwickung des Trier–Luxemburger Beckens. Ergänzende, beckenübergreifende geologische Schnitte verdeutlichen die Entwicklung und Struktur des Trier–Luxemburger Beckens. Die gewonnenen Erkenntnisse widerlegen das alte Konzept der Mulde von Weilerbach. Die beckenumspannenden Schnitte, sowie die strukturgeologischen und sedimentologischen Beobachtungen im Trier–Luxemburger Becken legen nahe dass die Beckenentwicklung wahrscheinlich über einer Schwächezone stattgefunden hat die durch einen verborgenen Rotliegendgraben erzeugt wird. Die vermutete Grabenstruktur mit der Bezeichnung ‚Südost-Luxemburg Graben‘ befindet sich in unmittelbarer südwestlicher Fortsetzung der Wittlicher Rotliegend-Senke. Das Fehlen von Tiefbohrungen und einer Vorhersage der Untergrundtemperaturen in der Tiefe wird durch thermische Modellierung als Mittel zur Bestimmung der tiefen geothermischen Resourcen umgangen. Für diese Herangehensweise werden tiefgreifende strukturgeologische, geologische und gesteinsphysikalische Eingangsdaten benötigt. Konzeptionelle geologische Krustenschnitte werden erstellt und dann für die Benutzung als thermische Modelle vereinfacht und auf Lithospärenmaßstab erweitert. Die thermisch stationären und konduktiven Modelle werden mittels im Labor gemessenen petrophysikalischen Eigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit, der radiogenen Wärmeproduktion und der Gesteinsdichte parameterisiert. Ein terrestrischer Oberflächenwärmestrom von 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 zur Überprufung der thermischen Modelle konnte im Untersuchungsgebiet ermittelt werden. Die Modelle sind weiter begrenzt durch die geophysikalisch ermittelte Tiefe der Lithospäre-Asthenosphärengrenze (LAB) die sich durch die 1300 °C Isotherme definiert. Eine LAB-Tiefe von 100 km, wie seismisch für den Bereich der Ardennen bekannt, führt zur besten Übereinstimmung mit dem ermittelten Oberflächenwärmestrom. Der sich ergebende Mantelwärmestrom beträgt ∼40 mW m–2. Die Modelltemperaturen liegen im Bereich von 120–125 °C in 5 km Tiefe und 600–650 °C an der Krustenuntergrenze (Moho). Die möglichen thermischen Auswirkungen des 10–20 Ma alten, sogenannten Eifelplumes, der offenbar einen Aufstieg des asthenosphärischen Mantels bis in 50–60 km Tiefe verursacht hat, wurden mit Hilfe eines thermisch stationären Szenarios modelliert und ergeben einen Oberflächenwärmestrom von mindestens 91 mW m–2 (im Fall eines Plume Top in 60 km Tiefe) im Gebiet der Eifel. Die vorliegenden Wärmestromwerte sind deutlich niedriger (65–80 mW m–2) und zeigen dass die durch den Plume bedingte Lithospären- und Krustenerwärmung die Oberfläche noch nicht erreicht hat. Nach der Erstellung der konzeptionellen geologischen Modelle und der Berechnung des thermischen Feldes kann das geothermische Potenzial von Luxemburg und den angrenzenden Gebieten abgeschätzt werden. Die Bewertung geschieht durch die Einbeziehung der Hydrogeologie, des Stressfeldes und unter Berücksichtigung tektonisch aktiver Gebiete. Zum einen werden Niedrigenthalpie-Lagerstätten in mesozoischen Aquiferen in der Trier–Luxemburger Bucht (TLE) in Betracht gezogen. Andererseits werden petrothermale Lagerstätten im unterdevonischen Grundgebirge der Ardennen und der Eifel für die Erschließung durch EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems) berücksichtigt. Unter den mesozoischen Aquiferen ist der Buntsandstein Aquifer mit Temperaturen bis 50 °C ein geeignetes hydrothermales Reservoir das mittels Wärmepumpen oder direkte Wärmebereitstellung für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten in Frage kommen könnte. Das thermisch günstigste Gebiet befindet sich im Bereich des Südost-Luxemburg Graben unter dem oberen Alzettetal sowie dem Kalksteinplateau im nördlichen Lothringen wo der Buntsandstein Aquifer unter einer mächtigen Mesozoischen Bedeckung liegt. An der Basis des vermuteten Rotliegendgrabens in demselben Gebiet werden Temperaturen bis 75 °C erwartet. Allerdings sind die geologischen Verhältnisse und die hydraulichen Eigenschaften unbekannt. In dem unterdevonischen Grundgebirge werden mächtige sandsteinlastige beziehungsweise quarzitreiche geologische Formationen mit Temperaturen >90 °C in Tiefen >3,5 km erwartet und ermöglichen wahrscheinlich eine direkte Wärmenutzung. Die geologische Situation der Südeifel einschliesslich der Region des Müllerthales nahe Echternach (Luxemburg) als tektonisch aktive Zone könnte tiefe hydrothermale Reservoire im geklüfteten unterdevonischen Grundgebirge zur Folge haben. Auf Basis der erarbeiteten Kenntnisse über das Trier–Luxemburger Becken in Luxemburg und speziell der Südeifel wurde das neue Konzept der Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) aufgestellt. Es handelt sich um eine gegenwärtig tektonisch aktive und absinkende känozoische Struktur und hat deshalb eine große Bedeutung für die zukünftige geothermische Erkundung. Neben der direkten Nutzung geothermischer Wärme ermöglichen die mäßigen Temperaturen von 120 °C in 5 km Tiefe und eine verbesserte Durchlässigkeit der quarzitreichen Schichten des Lochkoviums mittels EGS potentiell die kombinierte Wärmebereitstellung und Stromproduktion in Luxemburg und im westlichen Bereich der Eifel. KW - Mesozoikum KW - Perm KW - Beckenentwicklung KW - Beckenstruktur KW - Eifeler Nord-Süd-Zone KW - Weilerbach-Mulde KW - Pariser Becken KW - Wittlicher Senke KW - Trier-Luxemburger Becken KW - Trier-Luxemburger Bucht KW - Oberflächenwärmefluss KW - thermische Modellierung KW - Wärmeleitfähigkeit KW - radiogene Wärmeproduktion KW - Rhenohercynische Zone KW - Luxemburg KW - Geothermie KW - Südeifel KW - Buntsandstein KW - Unterdevon KW - hydrothermale Systeme KW - petrothermale Systeme KW - Mesozoic KW - Permian KW - basin evolution KW - basin structure KW - Eifel Depression KW - Paris Basin KW - Trier-Luxembourg Basin KW - Trier-Luxembourg Embayment KW - surface heat flow KW - thermal modelling KW - thermal conductivity KW - radiogenic heat production KW - Rhenohercynian Zone KW - Luxembourg KW - geothermal energy KW - South Eifel KW - Buntsandstein KW - Lower Devonian KW - hydrothermal systems KW - petrothermal systems KW - Enhanced Geothermal Systems Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87110 ER - TY - THES A1 - Bande, Alejandro T1 - The tectonic evolution of the western Tien Shan T1 - Die tektonische Entwicklung des westlichen Tien Shan N2 - Intracontinental deformation usually is a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, the evolution of mountain ranges and basins in this environment is strongly controlled by the distribution and geometries of preexisting structures. Thus, predictive models usually fail in forecasting the deformation evolution in these kinds of settings. Detailed information on each range and basin-fill is vital to comprehend the evolution of intracontinental mountain belts and basins. In this dissertation, I have investigated the complex Cenozoic tectonic evolution of the western Tien Shan in Central Asia, which is one of the most active intracontinental ranges in the world. The work presented here combines a broad array of datasets, including thermo- and geochronology, paleoenvironmental interpretations, sediment provenance and subsurface interpretations in order to track changes in tectonic deformation. Most of the identified changes are connected and can be related to regional-scale processes that governed the evolution of the western Tien Shan. The NW-SE trending Talas-Fergana fault (TFF) separates the western from the central Tien Shan and constitutes a world-class example of the influence of preexisting anisotropies on the subsequent structural development of a contractile orogen. While to the east most of ranges and basins have a sub-parallel E-W trend, the triangular-shaped Fergana basin forms a substantial feature in the western Tien Shan morphology with ranges on all three sides. In this thesis, I present 55 new thermochronologic ages (apatite fission track and zircon (U-Th)/He)) used to constrain exhumation histories of several mountain ranges in the western Tien Shan. At the same time, I analyzed the Fergana basin-fill looking for progressive changes in sedimentary paleoenvironments, source areas and stratal geometrical configurations in the subsurface and outcrops. The data presented in this thesis suggests that low cooling rates (<1°C Myr-1), calm depositional environments, and low depositional rates (<10 m Myr-1) were widely distributed across the western Tien Shan, describing a quiescent tectonic period throughout the Paleogene. Increased cooling rates in the late Cenozoic occurred diachronously and with variable magnitudes in different ranges. This rapid cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation and constrains the onset of Cenozoic deformation in the western Tien Shan. Time-temperature histories derived from the northwestern Tien Shan samples show an increase in cooling rates by ~25 Ma. This event is correlated with a synchronous pulse iv in the South Tien Shan. I suggest that strike-slip motion along the TFF commenced at the Oligo-Miocene boundary, facilitating CCW rotation of the Fergana basin and enabling exhumation of the linked horsetail splays. Higher depositional rates (~150 m Myr-1) in the Oligo-Miocene section (Massaget Fm.) of the Fergana basin suggest synchronous deformation in the surrounding ranges. The central Alai Range also experienced rapid cooling around this time, suggesting that the onset of intramontane basin fragmentation and isolation is coeval. These results point to deformation starting simultaneously in the late Oligocene – early Miocene in geographically distant mountain ranges. I suggest that these early uplifts are controlled by reactivated structures (like the TFF), which are probably the frictionally weakest and most-suitably oriented for accommodating and transferring N-S horizontal shortening along the western Tien Shan. Afterwards, in the late Miocene (~10 Ma), a period of renewed rapid cooling affected the Tien Shan and most mountain ranges and inherited structures started to actively deform. This episode is widely distributed and an increase in exhumation is interpreted in most of the sampled ranges. Moreover, the Pliocene section in the basin subsurface shows the higher depositional rates (>180 m Myr-1) and higher energy facies. The deformation and exhumation increase further contributed to intramontane basin partitioning. Overall, the interpretation is that the Tien Shan and much of Central Asia suffered a global increase in the rate of horizontal crustal shortening. Previously, stress transfer along the rigid Tarim block or Pamir indentation has been proposed to account for Himalayan hinterland deformation. However, the extent of the episode requires a different and broader geodynamic driver. N2 - Intra-kontinentale Deformation der Erdkruste ist in der Regel das Ergebnis weitreichender tektonischer Kräfte, die durch Interaktion der Erdplatten an entfernten Kontinentalrändern entstehen. Eine entscheidende Rolle bei der Entwicklungsgeschichte der so entstehenden Gebirge, spielt das Vorhandensein und die Orientierung präexistierender Strukturen in der Kruste. Diese Komplexität lässt bekannte Vorhersagemodelle zur Bestimmung der Deformationsgeschichte häufig scheitern. Um die Deformationsprozesse intra-kontinentaler Gebiete dennoch besser zu verstehen, sind detaillierte Informationen über die Entstehungsgeschichte einzelner Bergketten und benachbarter Becken von essentieller Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der känozoischen Entwicklung tektonischer Prozesse in einer der aktivsten intra-kontinentalen Gebirgsketten der Welt, dem westlichen Tian Shan Gebirge in Zentralasien. Um räumliche und zeitliche Veränderungen der tektonischen Deformation besser nachvollziehen zu können, wird in dieser Arbeit ein breites Spektrum an Datensätzen, aus Thermo- und Geochronologie, Paläoumwelt-Interpretation, Sediment-Provenienz und der Interpretationen seismischer Profile, kombiniert. Die somit identifizierten Prozesse deuten auf einen engen Bezug und können mit regional übergreifenden Prozessen in Beziehung gesetzt werden, die für die Entwicklung des westlichen Tian Shan Gebirges verantwortlich sind. Ein Paradebeispiel des Einflusses präexistierender Krustenanomalien auf die strukturelle Entstehung eines intra-kontinentalen Gebirges wie dem Tian Shan ist die NW-SE streichende Talas-Fergana-Störung, die den westlichen vom zentralen Tian Shan trennt. Während der östlich gelegene Zentralbereich des Orogens durch subparallele, E-W streichende Gebirgszüge und Becken charakterisiert ist, ist das markant dreieckförmige Fergana-Becken im westlichen Tian Shan von allen Seiten durch hohe Gebirgsrücken flankiert. Kern dieser Arbeit sind 55 neue thermochronologische Altersdatierungen (aus Apatit-Spaltspuren-Analyse und U-Th/He an Zirkonen), mit deren Hilfe die Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge im westlichen Tian Shan untersucht wurde. Des Weiteren wurde die sedimentäre Beckenfüllung des benachbarten Fergana-Beckens auf sukzessive Veränderungen der Paläoumweltbedingungen, der Sediment-Provenienz und der geometrischen Konfiguration der Sedimente, am Aufschluss und im Untergrund untersucht. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen niedrige Abkühlungs- (<1°C Myr-1) und Sedimentationsraten (<10 m Myr-1) im Gebiet des westlichen Tian Shan im Paläogen und deuten auf eine tektonisch ruhige und relativ stabile Region. Demgegenüber stehen erhöhte Abkühlungsraten im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzen. Diese zweite Phase deutet auf erhöhte Erosionsprozesse, hervorgerufen durch aktive Deformation, und markiert den Beginn der känozoischen Deformation im westlichen Tian Shan Gebirge. Temperaturgeschichten im Gebiet des NW Tian Shan zeigen erhöhte Abkühlungsraten vor ~25 Ma und korrelieren zeitlich mit ähnlichen Ereignissen im südlichen Tian Shan. Ich vermute, dass Horizontalverschiebungen entlang der Talas-Fergana-Störung an der Oligozän-Miozän-Grenze zur Rotation des Fergana-Beckens gegen den Uhrzeigersinn, und darüber hinaus zur Exhumation entlang diverser Nebenstörungen führten. Erhöhte Sedimentationsraten (~150 m Myr-1) der Oligo-Miozänen Einheiten im Fergana Becken (Massaget Fm.) deuten ebenfalls auf eine synchrone Deformationsphase umliegender Gebieten zu dieser Zeit. Dies ist durch erhöhte Abkühlungsraten im zentralen Alai (südlich des Fergana Beckens) gut dokumentiert und impliziert, dass die intra-montane Fragmentierung und Isolierung, der ehemals zusammenhängenden Sedimentbecken, zur gleichen Zeit erfolgte. Diese Beobachtungen deuten auf eine Deformationsgeschichte hin, die zeitgleich ihren Ursprung in zwei voneinander entfernten Regionen hat. Diese frühen Hebungen scheinen durch reaktivierte Strukturen (wie der Talas-Fergana-Störung) gesteuert worden zu sein, deren Orientierung optimal für eine N-S Einengung im Bereich des westlichen Tian Shan geeignet ist. Eine erneute Phase schneller Abkühlung im späten Miozän (~10 Ma) führte zur Aktivierung der meisten heutigen Gebirgszüge und der Reaktivierung prä-existierender Strukturen. Diese Deformationsphase zeigt eine weite Verbreitung und einen Anstieg der Exhumationsraten in den meisten beprobten Bereichen. Darüberhinaus steigen die pliozänen Sedimentationsraten (>180 m Myr-1) im Fergana-Becken und die Faziesanalyse der Sedimente zeigt hoch-energetische Ablagerungsbedingungen. Fazit dieser Arbeit ist, dass der Tian Shan und ein Großteil Zentralasiens durch erhöhte Verkürzungsraten der Kruste stark beeinflusst wurden. Früher ging man davon aus, dass Stresstransfer entlang des stabilen Tarim-Blocks oder die Indentation des Pamir-Gebirges zur Deformation im Hinterland des Himalaya führten. Die beobachteten Deformationsmuster deuten jedoch auf einen anderen, viel weitreichenderen geodynamischen Prozess hin. KW - tectonics KW - Tien Shan KW - thermochronology KW - Tektonik KW - Tien Shan KW - Thermochronologie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398933 ER - TY - THES A1 - Olonscheck, Mady T1 - Climate change impacts on electricity and residential energy demand T1 - Auswirkungen des Klimawandels auf den Stromsektor und den Energiebedarf von Wohngebäuden N2 - The energy sector is both affected by climate change and a key sector for climate protection measures. Energy security is the backbone of our modern society and guarantees the functioning of most critical infrastructure. Thus, decision makers and energy suppliers of different countries should be familiar with the factors that increase or decrease the susceptibility of their electricity sector to climate change. Susceptibility means socioeconomic and structural characteristics of the electricity sector that affect the demand for and supply of electricity under climate change. Moreover, the relevant stakeholders are supposed to know whether the given national energy and climate targets are feasible and what needs to be done in order to meet these targets. In this regard, a focus should be on the residential building sector as it is one of the largest energy consumers and therefore emitters of anthropogenic CO 2 worldwide. This dissertation addresses the first aspect, namely the susceptibility of the electricity sector, by developing a ranked index which allows for quantitative comparison of the electricity sector susceptibility of 21 European countries based on 14 influencing factors. Such a ranking has not been completed to date. We applied a sensitivity analysis to test the relative effect of each influencing factor on the susceptibility index ranking. We also discuss reasons for the ranking position and thus the susceptibility of selected countries. The second objective, namely the impact of climate change on the energy demand of buildings, is tackled by means of a new model with which the heating and cooling energy demand of residential buildings can be estimated. We exemplarily applied the model to Germany and the Netherlands. It considers projections of future changes in population, climate and the insulation standards of buildings, whereas most of the existing studies only take into account fewer than three different factors that influence the future energy demand of buildings. Furthermore, we developed a comprehensive retrofitting algorithm with which the total residential building stock can be modeled for the first time for each year in the past and future. The study confirms that there is no correlation between the geographical location of a country and its position in the electricity sector susceptibility ranking. Moreover, we found no pronounced pattern of susceptibility influencing factors between countries that ranked higher or lower in the index. We illustrate that Luxembourg, Greece, Slovakia and Italy are the countries with the highest electricity sector susceptibility. The electricity sectors of Norway, the Czech Republic, Portugal and Denmark were found to be least susceptible to climate change. Knowledge about the most important factors for the poor and good ranking positions of these countries is crucial for finding adequate adaptation measures to reduce the susceptibility of the electricity sector. Therefore, these factors are described within this study. We show that the heating energy demand of residential buildings will strongly decrease in both Germany and the Netherlands in the future. The analysis for the Netherlands focused on the regional level and a finer temporal resolution which revealed strong variations in the future heating energy demand changes by province and by month. In the German study, we additionally investigated the future cooling energy demand and could demonstrate that it will only slightly increase up to the middle of this century. Thus, increases in the cooling energy demand are not expected to offset reductions in heating energy demand. The main factor for substantial heating energy demand reductions is the retrofitting of buildings. We are the first to show that the given German and Dutch energy and climate targets in the building sector can only be met if the annual retrofitting rates are substantially increased. The current rate of only about 1 % of the total building stock per year is insufficient for reaching a nearly zero-energy demand of all residential buildings by the middle of this century. To reach this target, it would need to be at least tripled. To sum up, this thesis emphasizes that country-specific characteristics are decisive for the electricity sector susceptibility of European countries. It also shows for different scenarios how much energy is needed in the future to heat and cool residential buildings. With this information, existing climate mitigation and adaptation measures can be justified or new actions encouraged. N2 - Der Energiesektor ist sowohl vom Klimawandel betroffen als auch ein Schlüsselsektor für Maßnahmen zum Klimaschutz. Energiesicherheit ist das Rückgrat unserer modernen Gesellschaft und gewährleistet das Funktionieren der meisten kritischen Infrastrukturen. Daher sollten Entscheidungsträger und Energieversorger verschiedener Länder mit den Faktoren vertraut sein, welche die Anfälligkeit ihres Elektrizitätssektors gegenüber dem Klimawandel beeinflussen. Anfälligkeit meint die sozio-ökonomischen und strukturellen Eigenschaften des Elektrizitätssektors, die die Nachfrage nach und das Angebot an Strom unter sich änderndem Klima erhöhen oder verringern. Darüber hinaus sollten die relevanten Akteure wissen, ob die gesetzten nationalen Energie- und Klimaziele umsetzbar sind und was getan werden muss, um diese Ziele zu erreichen. In diesem Zusammenhang sollte ein Schwerpunkt auf dem Wohngebäudesektor liegen, da dieser einer der größten Energieverbraucher und damit anthropogen bedingter CO2-Emittenten weltweit ist. Diese Dissertation befasst sich mit dem ersten Aspekt, der Anfälligkeit des Elektrizitätssektors, durch die Entwicklung eines Rankings, welches einen quantitativen Vergleich der Anfälligkeit des Elektrizitätssektors von 21 europäischen Ländern anhand von 14 Einflussfaktoren ermöglicht. Solch ein Ranking wurde bisher noch nicht erstellt. Wir führten eine Sensitivitätsanalyse durch, um den relativen Einfluss eines jeden Einflussfaktors auf das Ranking gemäß der Anfälligkeit zu testen. Wir diskutieren zudem Gründe für die Ranking-Position und damit die Anfälligkeit ausgewählter Länder. Das zweite Thema, der Einfluss des Klimawandels auf den Gebäudeenergiebedarf, wird mittels eines neuen Modells bearbeitet, mit welchem der Heiz- und Kühlenergiebedarf von Wohngebäuden abgeschätzt werden kann. Wir wandten das Modell exemplarisch für Deutschland und die Niederlande an. Es berücksichtigt Prognosen für zukünftige Veränderungen der Bevölkerung, des Klimas und des Dämmstandards von Gebäuden, während die meisten der bestehenden Studien nur weniger als drei verschiedene Faktoren berücksichtigen, die den zukünftigen Energiebedarf von Gebäuden beeinflussen. Darüber hinaus haben wir einen umfassenden Sanierungsalgorithmus entworfen, mit welchem der gesamte Wohngebäudebestand erstmals für jedes Jahr in der Vergangenheit und Zukunft modelliert werden kann. Die Studie bestätigt, dass es keinen Zusammenhang zwischen der geographischen Lage eines Landes und seiner Position im Ranking gemäß der Anfälligkeit seines Elektrizitätssektors gibt. Wir fanden auch kein deutliches Muster der Einflussfaktoren für die Anfälligkeit zwischen Ländern, die beim Ranking schlechter oder besser abschnitten. Wir verdeutlichen, dass Luxemburg, Griechenland, die Slowakei und Italien die Länder mit der höchsten Anfälligkeit ihres Elektrizitätssektors sind. Die Elektrizitätssektoren von Norwegen, Tschechien, Portugal und Dänemark zeigten sich als am wenigsten anfällig gegenüber dem Klimawandel. Kenntnisse hinsichtlich der wichtigsten Faktoren für die schlechte bzw. gute Rankingposition dieser Länder sind von entscheidender Bedeutung, um geeignete Anpassungsmaßnahmen zu finden, welche die Anfälligkeit des Elektrizitätssektors reduzieren. Daher werden solche Faktoren in dieser Studie beschrieben. Wir zeigen, dass der Heizenergiebedarf von Wohngebäuden sowohl in Deutschland als auch in den Niederlanden in der Zukunft stark abnehmen wird. Die Analyse für die Niederlande konzentrierte sich auf die regionale Ebene und hatte eine feinere zeitliche Auflösung, wodurch starke zukünftige Veränderungen beim Heizenergiebedarf pro Provinz und Monat deutlich wurden. In der deutschen Studie untersuchten wir zusätzlich den zukünftigen Kühlenergiebedarf und konnten darlegen, dass dieser bis zur Mitte dieses Jahrhunderts nur leicht zunehmen wird. So werden Steigerungen beim Kühlenergiebedarf voraussichtlich nicht die Reduktionen des Heizenergiebedarfs wettmachen. Der wichtigste Faktor für beträchtliche Heizenergiebedarfssenkungen ist die Sanierung von Gebäuden. Wir sind die ersten, die zeigen, dass die festgelegten deutschen und niederländischen Energie- und Klimaziele im Gebäudesektor nur dann erfüllt werden können, wenn die jährliche Sanierungsrate deutlich erhöht wird. Die derzeitige Rate von nur etwa 1% des Gesamtgebäudebestandes pro Jahr reicht nicht aus, dass bis zur Mitte dieses Jahrhunderts alle Wohngebäude einen nahezu energieneutralen Standard erreichen. Dafür müsste sie mindestens verdreifacht werden. Diese Arbeit betont, dass länderspezifische Merkmale eine entscheidende Rolle spielen für die Anfälligkeit des Elektrizitätssektors europäischer Länder. Sie zeigt zudem für verschiedene Szenarien, wie viel Energie in der Zukunft benötigt wird, um Wohngebäude zu heizen und zu kühlen. Mit diesen Informationen lassen sich bestehende Klimaschutz- und Anpassungsmaßnahmen rechtfertigen oder neue Maßnahmen anregen. KW - climate change KW - energy demand KW - residential buildings KW - mitigation KW - susceptibility of the European electricity sector KW - Klimawandel KW - Stromsektor KW - Sanierung KW - Gebäudenergiebedarf KW - Haushalte KW - Europa Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98378 ER - TY - THES A1 - Hoffmann, Bernd T1 - Plant organic matter mobilization and export in fluvial systems T1 - Mobilisierung und Export pflanzlicher Biomasse in Flusssystemen BT - a case study from the eastern Nepalese Arun Valley BT - Fallstudie im ost-nepalesischen Arun-Tal N2 - The global carbon cycle is closely linked to Earth’s climate. In the context of continuously unchecked anthropogenic CO₂ emissions, the importance of natural CO₂ bond and carbon storage is increasing. An important biogenic mechanism of natural atmospheric CO₂ drawdown is the photosynthetic carbon fixation in plants and the subsequent longterm deposition of plant detritus in sediments. The main objective of this thesis is to identify factors that control mobilization and transport of plant organic matter (pOM) through rivers towards sedimentation basins. I investigated this aspect in the eastern Nepalese Arun Valley. The trans-Himalayan Arun River is characterized by a strong elevation gradient (205 − 8848 m asl) that is accompanied by strong changes in ecology and climate ranging from wet tropical conditions in the Himalayan forelad to high alpine tundra on the Tibetan Plateau. Therefore, the Arun is an excellent natural laboratory, allowing the investigation of the effect of vegetation cover, climate, and topography on plant organic matter mobilization and export in tributaries along the gradient. Based on hydrogen isotope measurements of plant waxes sampled along the Arun River and its tributaries, I first developed a model that allows for an indirect quantification of pOM contributed to the mainsetm by the Arun’s tributaries. In order to determine the role of climatic and topographic parameters of sampled tributary catchments, I looked for significant statistical relations between the amount of tributary pOM export and tributary characteristics (e.g. catchment size, plant cover, annual precipitation or runoff, topographic measures). On one hand, I demonstrated that pOMsourced from the Arun is not uniformly derived from its entire catchment area. On the other, I showed that dense vegetation is a necessary, but not sufficient, criterion for high tributary pOM export. Instead, I identified erosion and rainfall and runoff as key factors controlling pOM sourcing in the Arun Valley. This finding is supported by terrestrial cosmogenic nuclide concentrations measured on river sands along the Arun and its tributaries in order to quantify catchment wide denudation rates. Highest denudation rates corresponded well with maximum pOM mobilization and export also suggesting the link between erosion and pOM sourcing. The second part of this thesis focusses on the applicability of stable isotope records such as plant wax n-alkanes in sediment archives as qualitative and quantitative proxy for the variability of past Indian Summer Monsoon (ISM) strength. First, I determined how ISM strength affects the hydrogen and oxygen stable isotopic composition (reported as δD and δ18O values vs. Vienna Standard Mean Ocean Water) of precipitation in the Arun Valley and if this amount effect (Dansgaard, 1964) is strong enough to be recorded in potential paleo-ISM isotope proxies. Second, I investigated if potential isotope records across the Arun catchment reflect ISM strength dependent precipitation δD values only, or if the ISM isotope signal is superimposed by winter precipitation or glacial melt. Furthermore, I tested if δD values of plant waxes in fluvial deposits reflect δD values of environmental waters in the respective catchments. I showed that surface water δD values in the Arun Valley and precipitation δD from south of the Himalaya both changed similarly during two consecutive years (2011 & 2012) with distinct ISM rainfall amounts (~20% less in 2012). In order to evaluate the effect of other water sources (Winter-Westerly precipitation, glacial melt) and evapotranspiration in the Arun Valley, I analysed satellite remote sensing data of rainfall distribution (TRMM 3B42V7), snow cover (MODIS MOD10C1), glacial coverage (GLIMSdatabase, Global Land Ice Measurements from Space), and evapotranspiration (MODIS MOD16A2). In addition to the predominant ISM in the entire catchment I found through stable isotope analysis of surface waters indications for a considerable amount of glacial melt derived from high altitude tributaries and the Tibetan Plateau. Remotely sensed snow cover data revealed that the upper portion of the Arun also receives considerable winter precipitation, but the effect of snow melt on the Arun Valley hydrology could not be evaluated as it takes place in early summer, several months prior to our sampling campaigns. However, I infer that plant wax records and other potential stable isotope proxy archives below the snowline are well-suited for qualitative, and potentially quantitative, reconstructions of past changes of ISM strength. N2 - Da der globale Kohlenstoffkreislauf stark mit dem Klima der Erde verknüpft ist, sind im Zusammenhang mit dem weiterhin ungebremsten anthropogenen CO₂-Ausstoß die natürliche Bindung von CO₂ und die langfristige Speicherung von Kohlenstoff um so wichtiger. Einer der wesentlichen Mechanismen des natürlichen CO₂-Abbaus ist die photosynthetische Kohlenstoffbindung in Pflanzen verknüpft mit der anschließenden langfristigen Ablagerung von Pflanzenmaterial in Sedimenten. Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist daher, jene Faktoren zu identifizieren, die für den Abtransport toten Pflanzenmaterials in Flüssen hin zu Sedimentationsräumen verantwortlich sind. Das entsprechende Untersuchungsgebiet ist das ost-nepalesische Arun Tal. Der Arun durchschneidet den Himalaya von Nord nach Süd und sein Einzugsgebiet ist geprägt vom stärksten Höhengradienten der Erde (8848-205 m ü.N.N.). Entsprechend durchfließt er mehrere Klimazonen von alpiner Tundra auf dem Tibetischen Plateau hin zu subtropischen Bedingungen im Süden Nepals. Wegen dieses starken Gefälles bietet der Arun die Möglichkeit, die Mobilisierung und den Abtransport von Pflanzenmaterial unter sehr unterschiedlichen klimatischen, ökologischen und topographischen Gegenbenheiten zu untersuchen. Zunächst entwickelte ich ein auf Wasserstoff-Isotopen-Messungen an Pflanzenwachsen in Flusssedimenten basierendes Modell, das es ermöglicht, indirekt den Pflanzendetritus-Beitrag der Nebenflüsse in Relation zur Gesamtmasse des vom Arun abtransportierten Pflanzenmaterials zu quantifizieren. Um jene klimatischen und topografischen Eigenschaften der Seitenflüsse zu ermitteln, welche die jeweils exportierte Menge an Pflanzenmaterial kontrollieren, suchte ich im nächsten Schritt nach einem statistischen Zusammenhang zwischen exportierten Pflanzenrestmengen der Nebenflüsse sowie der Größe ihrer Einzugsgebiete, Pflanzenbedeckung, Niederschlagsmenge (bzw. Abfluss), und ihrer Topografie als Maß für Erosionsvermögen. Mit diesen Methoden kann ich einerseits klar belegen, dass das vom Arun transportierte Pflanzenmaterial nicht flächendeckend gleichmäßig aus seinem Einzugsgebiet stammt. Andererseits zeigt sich, dass dichter Pflanzenbewuchs zwar ein notwendiges, jedoch kein hinreichendes Kriterium für hohe Exportraten ist. Meine Untersuchung im Arun Tal führte letztlich zu dem Ergebnis, dass die für die Mobilisierung und den Export von Pflanzenmaterial wesentlichen Faktoren Niederschlagsmenge und Erosion sind, wobei Pflanzenbedeckung zwar vorausgesetzt ist, oft jedoch als Resultat hohen Niederschlags auftritt. Dass Erosion hierbei eine Schlüsselrolle zukommt, legt auch die Analyse von kosmogenen Nuklid-Konzentrationen in Flusssanden zur Bestimmung von Erosionsraten nahe. Ich fand eine sehr gute räumliche Übereinstimmung von hohen Erosionsraten und maximalem Pflanzendetritus-Abtransport, die den Zusammenhang beider Parameter zusätzlich belegt. Der zweite, im Rahmen der beschriebenen Untersuchung näher beleuchtete Aspekt, ist die potentielle Nutzung der Isotopenzusammensetzung von in Sedimenten enthaltenen Pflanzenwachsen als quantitativer Marker für Monsun-Variabilität in der Vergangenheit. Voraussetzung für eine entsprechende Nutzung ist einerseits, dass sich Schwankungen der Monsun-Intensität in der Isotopie des Regenwassers niederschlagen (der sogenannte amount effect, Dansgaard, 1964) und andererseits, dass die Blattwachsproduzierenden Pflanzen Monsun-Wasser aufnehmen und ausschließlich dessen Isotopie in ihre Blattwachse übernehmen. Die erste Voraussetzung konnte ich als gegeben bestätigen, da sich die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser im Arun-Tal während zwei aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlich starker Monsun-Regenzeiten (2011 & 2012) gleichermaßen änderte, wie es an einer Wetterstation südlich des Himalaya in Bangladesh beobachtet wurde. Zur Überprüfung der zweiten Bedingung wurde zunächst mit Fernerkundungsmethoden die Regenverteilung (TRMM 3B42V7) und Schneebedeckung (MODIS MOD10C1) im Arun-Tal vor und während der Probenkampagnen 2011 und 2012 ausgewertet. Unter Hinzuziehung der stabilen Wasserstoff und Sauerstoff Isotopen-Messungen an Oberflächenwassern konnte der Einfluss verschiedenerWasserquellen (Indischer Sommer-Monsun, Schnee der Winter-Westwinde, Gletscherschmelze) sehr gut beurteilt werden: Ich konnte zeigen, dass der Arun-Fluss stark von Monsun und Eisschmelze beeinflusst wird und dass darum davon auszugehen ist, dass Blattwachse seines Einzugsgebietes nicht nur die Isotopenzusammensetzung des Monsun-Regens repräsentieren. Die Nebenflüsse jedoch, welche südlich des Himalaya-Hauptkammes unterhalb der Schneegrenze liegen, sind klar dominiert von Monsun-Regen. Das bedeutet, dass potentielle stabile Isotopen-Archive in den entsprechenden Einzugsgebieten quantitativ interpretiert werden können und die Variabilität des Sommer-Monsuns in der Vergangenheit dort absolut rekonstruiert werden könnte. KW - Pflanzenwachs KW - stabile Isotope KW - Satelliten-Fernerkundung KW - Erosion KW - plant waxes KW - stable isotopes KW - remote sensing KW - erosion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99336 ER - TY - THES A1 - Teshebaeva, Kanayim T1 - SAR interferometry analysis of surface processes in the Pamir – Tien Shan active orogens - emphasis on coseismic deformation and landslides T1 - SAR Interferometrie Analyse von Erdoberflächen-Veränderungen im tektonisch aktiven Pamir-Tien Shan Gebirge - Schwerpunkt auf koseismische Verformung und Hangrutschungen N2 - This thesis presents new approaches of SAR methods and their application to tectonically active systems and related surface deformation. With 3 publications two case studies are presented: (1) The coseismic deformation related to the Nura earthquake (5th October 2008, magnitude Mw 6.6) at the eastern termination of the intramontane Alai valley. Located between the southern Tien Shan and the northern Pamir the coseismic surface displacements are analysed using SAR (Synthetic Aperture RADAR) data. The results show clear gradients in the vertical and horizontal directions along a complex pattern of surface ruptures and active faults. To integrate and to interpret these observations in the context of the regional active tectonics a SAR data analysis is complemented with seismological data and geological field observations. The main moment release of the Nura earthquake appears to be on the Pamir Frontal thrust, while the main surface displacements and surface rupture occurred in the footwall and along of the NE–SW striking Irkeshtam fault. With InSAR data from ascending and descending satellite tracks along with pixel offset measurements the Nura earthquake source is modelled as a segmented rupture. One fault segment corresponds to high-angle brittle faulting at the Pamir Frontal thrust and two more fault segments show moderate-angle and low-friction thrusting at the Irkeshtam fault. The integrated analysis of the coseismic deformation argues for a rupture segmentation and strain partitioning associated to the earthquake. It possibly activated an orogenic wedge in the easternmost segment of the Pamir-Alai collision zone. Further, the style of the segmentation may be associated with the presence of Paleogene evaporites. (2) The second focus is put on slope instabilities and consequent landslides in the area of prominent topographic transition between the Fergana basin and high-relief Alai range. The Alai range constitutes an active orogenic wedge of the Pamir – Tien Shan collision zone that described as a progressively northward propagating fold-and-thrust belt. The interferometric analysis of ALOS/PALSAR radar data integrates a period of 4 years (2007-2010) based on the Small Baseline Subset (SBAS) time-series technique to assess surface deformation with millimeter surface change accuracy. 118 interferograms are analyzed to observe spatially-continuous movements with downslope velocities up to 71 mm/yr. The obtained rates indicate slow movement of the deep-seated landslides during the observation time. We correlated these movements with precipitation and seismic records. The results suggest that the deformation peaks correlate with rainfall in the 3 preceding months and with one earthquake event. In the next step, to understand the spatial pattern of landslide processes, the tectonic morphologic and lithologic settings are combined with the patterns of surface deformation. We demonstrate that the lithological and tectonic structural patterns are the main controlling factors for landslide occurrence and surface deformation magnitudes. Furthermore active contractional deformation in the front of the orogenic wedge is the main mechanism to sustain relief. Some of the slower but continuously moving slope instabilities are directly related to tectonically active faults and unconsolidated young Quaternary syn-orogenic sedimentary sequences. The InSAR observed slow moving landslides represent active deep-seated gravitational slope deformation phenomena which is first time observed in the Tien Shan mountains. Our approach offers a new combination of InSAR techniques and tectonic aspects to localize and understand enhanced slope instabilities in tectonically active mountain fronts in the Kyrgyz Tien Shan. N2 - Die vorliegende Arbeit stellt neue Ansätze zu Methoden des „Synthetic Aperture Radar“ (SAR) vor und wendet diese auf tektonisch aktive Systeme und die damit einhergehende Oberflächenverformung an. In drei wissenschaftlich begutachteten Publikationen in internationalen Fachzeitschriften werden im wesentlichen zwei Fallstudien präsentiert: (1) Die koseismische Verformung in Folge des Nura-Erdbebens (5. Oktober 2008, Mw 6.6) am östlichen Rand des intramontanen Alai-Beckens. Die koseismischen Verformungen an der Erdoberfläche wurden im Bereich zwischen dem südlichen Tien Shan und dem nördlichen Pamir mit Hilfe von SAR („Synthetic Aperture Radar“) Daten analysiert. Die Ergebnisse zeigen klare, sowohl horizontale als auch vertikale Gradienten, die entlang eines komplexen Musters von Brüchen an der Oberfläche und aktiven Störungen ausgebildet sind. Um diese Beobachtungen interpretieren und in den regionalen tektonischen Zusammenhang stellen zu können, wurde die SAR-Analyse durch seismologische und geologische Felduntersuchungen ergänzt. Die hauptsächliche Freisetzung der seismischen Energie des Nura-Erdbebens scheint an der frontalen Pamir-Überschiebung erfolgt zu sein, während die Hauptverformung und Oberflächenrupturen im Liegenden und entlang der NE-SW streichenden Irkeshtam-Störung auftraten. Unter Nutzung von InSAR-Daten von den aufsteigenden und absteigenden Satelliten-Bahnen sowie von Pixel-Versatz-Messungen wurde das Nura-Erdbeben als ein segmentierter Bruch modelliert. Dabei entspricht ein Segment einer steilen spröden Verwerfung an der frontalen Pamir-Überschiebung, während zwei andere Segmente mittel-steile und reibungsarme Verwerfungen an der Irkeshtam-Störung zeigen. Die integrierte Analyse der koseismischen Deformation spricht für eine Segmentierung des Bruches und eine Verteilung der Verformung in Folge des Erdbebens. Dies hat möglicherweise einen Gebirgskeil im äußersten östlichen Teil der Pamir-Alai-Kollisionszone aktiviert. Zudem könnte die Art der Segmentierung mit der Ablagerung von Paläogenen Evaporiten assoziiert sein. (2) Der zweite Schwerpunkt wurde auf tief-liegende langsame Böschungsverformungen gelegt, die insbesondere im Gebiet des markanten Übergangs zwischen dem Fergana-Tal und dem Hochrelief der Alai-Gebirgskette ausgeprägt sind. Die Alai-Kette stellt einen aktiven Gebirgskeil der Pamir-Tien-Shan-Kollisionszone dar, welche als ein sich stufenweise nach Norden fortsetzender Falten- und Überschiebungsgürtel beschrieben wird. Die interferometrische Analyse von ALOS/PALSAR-Radardaten deckt einen Zeitraum von vier Jahren ab (2007-2010) und nutzt den „Small-Basline-Subset“ (SBAS) Zeitreihenansatz um Oberflächendeformationen mit Millimeter-Genauigkeit zu bestimmen. 118 Interferogramme wurden analysiert, um die räumlich-kontinuierlichen Bewegungen mit Hangabwärts-Geschwindigkeiten von bis zu 71 mm/Jahr zu beobachten. Die erhaltenen Raten weisen auf eine langsame Bewegung von tief-verwurzelten Hangrutschungen während der Beobachtungszeit hin. Wir korrelierten diese Bewegungen mit Niederschlags- und seismischen Beobachtungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die größten Deformationen mit den Regenmengen der drei vorhergehenden Monate und mit einem Erdbebenereignis korrelieren. Im nächsten Schritt wurden die tektonischen und lithologischen Verhältnisse mit den Mustern der Oberflächendeformation kombiniert, um das räumliche Muster der Hangrutschungsprozesse zu verstehen. Wir zeigen, dass die lithologischen und tektonischen Strukturen die Hauptkontrollmechanismen für das Auftreten von Hangrutschungen und für den Grad der Oberflächendeformation sind. Darüber hinaus ist die aktive Kontraktion und Einengungstektonik an der Vorderseite und Front des kontinentalen Akkretionskeils der hauptsächliche Mechanismus der Relieferhaltung. Einige der langsameren aber kontinuierlich in Bewegung befindlichen Instabilitäten stehen in direktem Zusammenhang mit der tektonisch aktiven Störungen und Hebung sowie mit unkonsolidierten, jung-quartären synorogenen Molassesedimenten. Unser Ansatz bietet eine neue Kombination von InSAR-Techniken und tektonischen Aspekten um Hanginstabilitäten in tektonisch aktiven Gebirgsfronten im Kirgisischen Tien Shan zu lokalisieren und zu verstehen. KW - Synthetic Aperture Radar KW - earthquake KW - landslide KW - Pamir-Tien Shan KW - InSAR KW - Synthetic Aperture Radar KW - Erdbeeben KW - Hangrutsch KW - Pamir-Tien Shan KW - InSAR- Techniken Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96743 ER - TY - THES A1 - Hohenbrink, Tobias Ludwig T1 - Turning a problem into a solution: heterogeneities in soil hydrology T1 - Ein Problem zur Lösung machen: Heterogenitäten in der Bodenhydrologie N2 - It is commonly recognized that soil moisture exhibits spatial heterogeneities occurring in a wide range of scales. These heterogeneities are caused by different factors ranging from soil structure at the plot scale to land use at the landscape scale. There is an urgent need for effi-cient approaches to deal with soil moisture heterogeneity at large scales, where manage-ment decisions are usually made. The aim of this dissertation was to test innovative ap-proaches for making efficient use of standard soil hydrological data in order to assess seep-age rates and main controls on observed hydrological behavior, including the role of soil het-erogeneities. As a first step, the applicability of a simplified Buckingham-Darcy method to estimate deep seepage fluxes from point information of soil moisture dynamics was assessed. This was done in a numerical experiment considering a broad range of soil textures and textural het-erogeneities. The method performed well for most soil texture classes. However, in pure sand where seepage fluxes were dominated by heterogeneous flow fields it turned out to be not applicable, because it simply neglects the effect of water flow heterogeneity. In this study a need for new efficient approaches to handle heterogeneities in one-dimensional water flux models was identified. As a further step, an approach to turn the problem of soil moisture heterogeneity into a solu-tion was presented: Principal component analysis was applied to make use of the variability among soil moisture time series for analyzing apparently complex soil hydrological systems. It can be used for identifying the main controls on the hydrological behavior, quantifying their relevance, and describing their particular effects by functional averaged time series. The ap-proach was firstly tested with soil moisture time series simulated for different texture classes in homogeneous and heterogeneous model domains. Afterwards, it was applied to 57 mois-ture time series measured in a multifactorial long term field experiment in Northeast Germa-ny. The dimensionality of both data sets was rather low, because more than 85 % of the total moisture variance could already be explained by the hydrological input signal and by signal transformation with soil depth. The perspective of signal transformation, i.e. analyzing how hydrological input signals (e.g., rainfall, snow melt) propagate through the vadose zone, turned out to be a valuable supplement to the common mass flux considerations. Neither different textures nor spatial heterogeneities affected the general kind of signal transfor-mation showing that complex spatial structures do not necessarily evoke a complex hydro-logical behavior. In case of the field measured data another 3.6% of the total variance was unambiguously explained by different cropping systems. Additionally, it was shown that dif-ferent soil tillage practices did not affect the soil moisture dynamics at all. The presented approach does not require a priori assumptions about the nature of physical processes, and it is not restricted to specific scales. Thus, it opens various possibilities to in-corporate the key information from monitoring data sets into the modeling exercise and thereby reduce model uncertainties. N2 - Es ist allgemein anerkannt, dass Bodenfeuchte auf verschiedenen Raumskalen räumliche Heterogenitäten aufweist. Diese Heterogenitäten werden durch verschiedene Faktoren verursacht, die auf den unterschiedlichen Skalen wirken. Dies können z.B. die Bodenstruktur auf Plotskala oder die Landnutzung auf Landschaftsskala sein. Es werden dringend effiziente Ansätze benötigt, um mit den Heterogenitäten der Bodenfeuchte umzugehen. Dies gilt be-sonders für große Skalen, auf denen in der Regel weitreichende Managemententscheidun-gen getroffen werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, effiziente Methoden zu testen, die es ermöglichen auf Basis bodenhydrologischer Daten sowohl Sickerwasserraten als auch die Haupteinflussfaktoren der Bodenfeuchtedynamik zu bestimmen. Dies bezieht Effekte von Bodenheterogenitäten mit ein. In einem ersten Schritt wurde die Eignung einer vereinfachten Buckingham-Darcy Methode zur Abschätzung von Sickerwasserflüssen auf Grundlage punktuell gemessener Zeitreihen der Bodenfeuchte untersucht. Hierzu wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, in der ein breites Spektrum an Bodentexturen und Texturheterogenitäten berücksichtigt wurde. Die Methode lieferte gute Ergebnisse für die meisten Texturklassen. In reinem Sand jedoch stell-te sie sich als nicht anwendbar heraus, da hier Sickerwasserflüsse von heterogenen Fließfel-dern dominiert wurden. In dieser Studie wurde ein Bedarf an neuen effizienten Ansätzen für den Umgang mit Heterogenitäten in eindimensionalen Wasserflussmodellen identifiziert. In einem weiteren Schritt wurde ein Ansatz vorgestellt, um aus dem Problem der Boden-feuchteheterogenität eine Lösung zu machen: In einer Hauptkomponentenanalyse wurde die Variabilität zwischen Bodenfeuchtezeitreihen genutzt, um die wahre Komplexität bo-denhydrologischer Systeme zu analysieren. Auf diesem Weg ist es möglich die Haupteinfluss-faktoren des hydrologischen Verhaltens zu identifizieren, ihre Relevanz zu quantifizieren und ihre jeweiligen Effekte als funktional gemittelte Zeitreihen zu beschreiben. Der Ansatz wurde zunächst mit simulierten Bodenfeuchtezeitreihen für unterschiedliche Texturklassen im ho-mogenen und heterogenen Fall getestet. Anschließend wurde die Methode auf 57 Boden-feuchtezeitreihen angewendet, die in einem Langzeitfeldexperiment in Nordostdeutschland gemessen wurden. Die Dimensionalität beider Datensätze war gering, da mehr als 85 % der gesamten Boden-feuchtevarianz bereits durch das hydrologische Eingangssignal und die Transformation dieses Signals mit zunehmender Bodentiefe erklärt werden konnten. Analysen der Signaltransfor-mation haben sich als wertvolle Ergänzung zu den weit verbreiteten Massenflussbetrachtun-gen herausgestellt. Hierbei wird untersucht, wie sich hydrologische Eingangssignale (z.B. Nie-derschlag oder Schneeschmelze) in der vadosen Zone fortpflanzen. Die generellen Muster der Signaltransformation wurden weder durch verschiedene Bodentexturen noch durch räumliche Heterogeneitäten beeinfluss. Dies zeigt, dass komplexe räumliche Strukturen nicht zwangsläufig ein komplexes hydrologisches Verhalten hervorrufen. Im Fall der Felddaten wurden weitere 3,6 % der Gesamtvarianz durch verschiedene Fruchtfolgen erklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Bodenbearbeitung keinen Einfluss auf die Boden-feuchtedynamik hatte. Der vorgestellte Ansatz erfordert keine Vorannahmen über physikalische Prozesse und ist nicht auf eine bestimmte Skala begrenzt. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, wichtige Informationen aus Monitoringdatensätzen in die Modellbildung einzubeziehen und damit Modell-unsicherheiten zu verringern. KW - soil hydrology KW - soil heterogeneity KW - soil moisture KW - deep seepage KW - time series analysis KW - transformation of hydrological signals KW - Bodenhydrologie KW - Bodenheterogenität KW - Bodenfeuchte KW - Tiefenversickerung KW - Zeitreihenanalyse KW - Transformation hydrologischer Signale Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101485 ER - TY - THES A1 - Dannberg, Juliane T1 - Dynamics of mantle plumes T1 - Dynamik von Mantelplumes BT - linking scales and coupling physics BT - gekoppelte und skalenübergreifende Modelle N2 - Mantle plumes are a link between different scales in the Earth’s mantle: They are an important part of large-scale mantle convection, transporting material and heat from the core-mantle boundary to the surface, but also affect processes on a smaller scale, such as melt generation and transport and surface magmatism. When they reach the base of the lithosphere, they cause massive magmatism associated with the generation of large igneous provinces, and they can be related to mass extinction events (Wignall, 2001) and continental breakup (White and McKenzie, 1989). Thus, mantle plumes have been the subject of many previous numerical modelling studies (e.g. Farnetani and Richards, 1995; d’Acremont et al., 2003; Lin and van Keken, 2005; Sobolev et al., 2011; Ballmer et al., 2013). However, complex mechanisms, such as the development and implications of chemical heterogeneities in plumes, their interaction with mid-ocean ridges and global mantle flow, and melt ascent from the source region to the surface are still not very well understood; and disagreements between observations and the predictions of classical plume models have led to a challenge of the plume concept in general (Czamanske et al., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Hence, there is a need for more sophisticated models that can explain the underlying physics, assess which properties and processes are important, explain how they cause the observations visible at the Earth’s surface and provide a link between the different scales. In this work, integrated plume models are developed that investigate the effect of dense recycled oceanic crust on the development of mantle plumes, plume–ridge interaction under the influence of global mantle flow and melting and melt migration in form of two-phase flow. The presented analysis of these models leads to a new, updated picture of mantle plumes: Models considering a realistic depth-dependent density of recycled oceanic crust and peridotitic mantle material show that plumes with excess temperatures of up to 300 K can transport up to 15% of recycled oceanic crust through the whole mantle. However, due to the high density of recycled crust, plumes can only advance to the base of the lithosphere directly if they have high excess temperatures, high plume volumes and the lowermost mantle is subadiabatic, or plumes rise from the top or edges of thermo-chemical piles. They might only cause minor surface uplift, and instead of the classical head–tail structure, these low-buoyancy plumes are predicted to be broad features in the lower mantle with much less pronounced plume heads. They can form a variety of shapes and regimes, including primary plumes directly advancing to the base of the lithosphere, stagnating plumes, secondary plumes rising from the core–mantle boundary or a pool of eclogitic material in the upper mantle and failing plumes. In the upper mantle, plumes are tilted and deflected by global mantle flow, and the shape, size and stability of the melting region is influenced by the distance from nearby plate boundaries, the speed of the overlying plate and the movement of the plume tail arriving from the lower mantle. Furthermore, the structure of the lithosphere controls where hot material is accumulated and melt is generated. In addition to melting in the plume tail at the plume arrival position, hot plume material flows upwards towards opening rifts, towards mid-ocean ridges and towards other regions of thinner lithosphere, where it produces additional melt due to decompression. This leads to the generation of either broad ridges of thickened magmatic crust or the separation into multiple thinner lines of sea mount chains at the surface. Once melt is generated within the plume, it influences its dynamics, lowering the viscosity and density, and while it rises the melt volume is increased up to 20% due to decompression. Melt has the tendency to accumulate at the top of the plume head, forming diapirs and initiating small-scale convection when the plume reaches the base of the lithosphere. Together with the introduced unstable, high-density material produced by freezing of melt, this provides an efficient mechanism to thin the lithosphere above plume heads. In summary, this thesis shows that mantle plumes are more complex than previously considered, and linking the scales and coupling the physics of different processes occurring in mantle plumes can provide insights into how mantle plumes are influenced by chemical heterogeneities, interact with the lithosphere and global mantle flow, and are affected by melting and melt migration. Including these complexities in geodynamic models shows that plumes can also have broad plume tails, might produce only negligible surface uplift, can generate one or several volcanic island chains in interaction with a mid–ocean ridge, and can magmatically thin the lithosphere. N2 - Mantelplumes verbinden Prozesse auf verschiedenen Skalen im Erdmantel: Sie sind ein wichtiger Teil der globalen Mantelkonvektion, sie transportieren Material und Wärmeenergie von der Kern-Mantel-Grenze zur Erdoberfläche, aber beeinflussen auch kleinskaligere Prozesse wie Schmelzbildung und -transport und die damit verbundenen magmatischen Ereignisse. Wenn Plumes die Unterseite der Lithosphäre erreichen, entstehen große Mengen partiell geschmolzenen Gesteins, was zu großräumigen Vulkaneruptionen sowie der Entstehung von Plateaubasaltprovinzen führt, und auch mit Massenaussterbeereignissen und dem Auseinanderbrechen von Kontinenten in Zusammenhang stehen kann. Aufgrund dieser erdgeschichtlichen Bedeutung wurde bereits eine große Anzahl an Studien über Plumes durchgeführt (z.B. Farnetani und Richards, 1995; d’Acremont u. a., 2003; Lin und van Keken, 2005; Sobolev u. a., 2011; Ballmer u. a., 2013). Trotzdem ist unser Verständnis komplexerer Vorgänge und Interaktionen in Plumes noch nicht vollständig: Beispiele sind die Entwicklung von chemisch heterogenen Plumes, der Einfluss dieses chemisch andersartigen Materials auf die Aufstiegsdynamik, die Wechselwirkung zwischen Plumes und mittelozeanischen Rücken sowie den globalen Konvektionsströmungen und das Aufsteigen von Schmelze von ihrer Entstehungsregion bis hin zur Erdoberfläche. Unterschiede zwischen Beobachtungen und den Aussagen klassischer Modelle werden als Argumente gegen das Plumekonzept insgesamt angeführt (Czamanske u. a., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Daher gibt es weiterhin einen Bedarf für ausgereiftere Modelle, welche die Skalen verschiedener Prozesse verbinden, den Einfluss dieser Prozesse sowie der Material- und Strömungseigenschaften berücksichtigen und quantifizieren, ihre Auswirkungen an der Erdoberfläche erklären und diese mit Beobachtungen vergleichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Plume-Modelle erstellt, welche den Einfluss dichter, recycelter ozeanischer Kruste auf die Entwicklung van Mantelplumes, die Interaktion von Plumes und mittelozeanischen Rücken und den Einfluss globaler Mantelkonvektion sowie Aufschmelzung und Schmelzaufstieg in Form von Zweiphasenströmung (“two-phase flow”) untersuchen. Die vorgestellte Analyse dieser Modelle ergibt ein neues, aktualisiertes Konzept von Mantelplumes: Wenn ein realistischer Dichteunterschied zwischen recycelter ozeanischer Kruste und peridotitischem Mantel angenommen wird, kann ein Plume bis zu 15% recyceltes Material durch den gesamten Mantel transportieren. Durch die hohe Dichte der recycelten Kruste können Plumes aber nur bis zur Lithosphäre aufsteigen, wenn ihre Temperatur und ihr Volumen hoch genug sind, und wenn die Temperatur im unteren Mantel subadiabatisch ist oder die Plumes von aufgewölbten thermo-chemischen “Piles” aufsteigen. Es ist durchaus möglich, dass diese Plumes nur eine geringe Hebung der Oberfläche verursachen, und anstatt der klassischen pilzförmigen Kopf-Tail-Struktur bilden sie breite Strukturen im unteren Mantel mit weitaus weniger ausgeprägtem Plumekopf. Dafür können sie in verschiedenen Formen und Regimes auftreten: Primäre Plumes, welche direkt von der Kern-Mantel-Grenze zur Lithosphäre aufsteigen, stagnierende Plumes, sekundäre Plumes von der Kernmantelgrenze oder einer Ansammlung eklogitischen Materials im oberen Mantel und scheiternde Plumes, die die Lithosphäre nicht erreichen. Im oberen Mantel werden Plumes durch globale Konvektion abgelenkt und geneigt, und die Form, Größe und Stabilität der Schmelzregion wird durch den Abstand zu nahen Plattengrenzen, der Geschwindigkeit der sich darüber bewegenden Platte und der Bewegung des aus dem unteren Mantel ankommenden Plume-Tails bestimmt. Weiterhin beeinflusst auch die Struktur der Lithosphäre wo sich warmes Material sammeln kann und Schmelze entsteht. Zusätzlich zur Aufschmelzung beim Erreichen der Untergrenze der Lithosphäre strömt heißes Plumematerial auch lateral und weiter nach oben zu sich öffnenden Rifts, zu mittelozeanischen Rücken sowie zu anderen Regionen dünnerer Lithosphäre, wo durch die Druckentlastung weitere Schmelze generiert wird. Diese führt an der Erdoberfläche zur Entwicklung von entweder breiten Rücken verdickter magmatischer Kruste oder der Aufteilung in mehrere ozeanischen Inselketten. Sobald Schmelze generiert wurde, beeinflusst diese auch die Dynamik des Plumes, indem sie Viskosität und Dichte verringert. Während des Plumeaufstiegs kann sich das Schmelzvolumen dabei durch die Dekompression um bis zu 20% vergrößern. Schmelze hat die Tendenz sich an der Oberseite des Plumes anzusammeln, wo sie Diapire formt und kleinräumige Konvektion auslöst, wenn der Plume die Lithosphäre erreicht. Zusammen mit dem dichten, instabilen Material, das entsteht, wenn die Schmelze wieder erstarrt, bildet dies einen effektiven Mechanismus zur Erosion der Lithosphäre durch Plume-Heads. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass Mantelplumes komplexer sind als bisher angenommen, und dass die Verbindung von Skalen und die Kombination verschiedener in Mantelplumes auftretender physikalischer Prozesse Erkenntnisse liefern kann, wie Mantelplumes durch chemische Heterogenität beeinflusst werden, wie sie mit mittelozeanischen Rücken und globaler Mantelkonvektion interagieren und wie sie durch Aufschmelzung und Schmelzmigraiton beeinflusst werden. Die Einbindung dieser Prozesse in geodynamische Modelle zeigt, dass Plumes breite Tails haben können, potentiell nur geringe Oberflächenhebung verursachen, in Interaktion mit einem mittelozeanischen Rücken eine oder mehrere vulkanische Inselketten erzeugen können und magmatisch die Lithosphäre erodieren können. KW - mantle plumes KW - numerical modelling KW - Mantelplumes KW - numerische Modellierung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91024 ER - TY - THES A1 - Mey, Jürgen T1 - Intermontane valley fills T1 - Intermontane Talverfüllungen BT - recorders of climate, tectonics and landscape evolution BT - Zeugen von Klima, Tektonik und Landschaftsentwicklung N2 - Sedimentary valley fills are a widespread characteristic of mountain belts around the world. They transiently store material over time spans ranging from thousands to millions of years and therefore play an important role in modulating the sediment flux from the orogen to the foreland and to oceanic depocenters. In most cases, their formation can be attributed to specific fluvial conditions, which are closely related to climatic and tectonic processes. Hence, valley-fill deposits constitute valuable archives that offer fundamental insight into landscape evolution, and their study may help to assess the impact of future climate change on sediment dynamics. In this thesis I analyzed intermontane valley-fill deposits to constrain different aspects of the climatic and tectonic history of mountain belts over multiple timescales. First, I developed a method to estimate the thickness distribution of valley fills using artificial neural networks (ANNs). Based on the assumption of geometrical similarity between exposed and buried parts of the landscape, this novel and highly automated technique allows reconstructing fill thickness and bedrock topography on the scale of catchments to entire mountain belts. Second, I used the new method for estimating the spatial distribution of post-glacial sediments that are stored in the entire European Alps. A comparison with data from exploratory drillings and from geophysical surveys revealed that the model reproduces the measurements with a root mean squared error (RMSE) of 70m and a coefficient of determination (R2) of 0.81. I used the derived sediment thickness estimates in combination with a model of the Last Glacial Maximum (LGM) icecap to infer the lithospheric response to deglaciation, erosion and deposition, and deduce their relative contribution to the present-day rock-uplift rate. For a range of different lithospheric and upper mantle-material properties, the results suggest that the long-wavelength uplift signal can be explained by glacial isostatic adjustment with a small erosional contribution and a substantial but localized tectonic component exceeding 50% in parts of the Eastern Alps and in the Swiss Rhône Valley. Furthermore, this study reveals the particular importance of deconvolving the potential components of rock uplift when interpreting recent movements along active orogens and how this can be used to constrain physical properties of the Earth’s interior. In a third study, I used the ANN approach to estimate the sediment thickness of alluviated reaches of the Yarlung Tsangpo River, upstream of the rapidly uplifting Namche Barwa massif. This allowed my colleagues and me to reconstruct the ancient river profile of the Yarlung Tsangpo, and to show that in the past, the river had already been deeply incised into the eastern margin of the Tibetan Plateau. Dating of basal sediments from drill cores that reached the paleo-river bed to 2–2.5 Ma are consistent with mineral cooling ages from the Namche Barwa massif, which indicate initiation of rapid uplift at ~4 Ma. Hence, formation of the Tsangpo gorge and aggradation of the voluminous valley fill was most probably a consequence of rapid uplift of the Namche Barwa massif and thus tectonic activity. The fourth and last study focuses on the interaction of fluvial and glacial processes at the southeastern edge of the Karakoram. Paleo-ice-extent indicators and remnants of a more than 400-m-thick fluvio-lacustrine valley fill point to blockage of the Shyok River, a main tributary of the upper Indus, by the Siachen Glacier, which is the largest glacier in the Karakoram Range. Field observations and 10Be exposure dating attest to a period of recurring lake formation and outburst flooding during the penultimate glaciation prior to ~110 ka. The interaction of Rivers and Glaciers all along the Karakorum is considered a key factor in landscape evolution and presumably promoted headward erosion of the Indus-Shyok drainage system into the western margin of the Tibetan Plateau. The results of this thesis highlight the strong influence of glaciation and tectonics on valley-fill formation and how this has affected the evolution of different mountain belts. In the Alps valley-fill deposition influenced the magnitude and pattern of rock uplift since ice retreat approximately 17,000 years ago. Conversely, the analyzed valley fills in the Himalaya are much older and reflect environmental conditions that prevailed at ~110 ka and ~2.5 Ma, respectively. Thus, the newly developed method has proven useful for inferring the role of sedimentary valley-fill deposits in landscape evolution on timescales ranging from 1,000 to 10,000,000 years. N2 - Sedimentäre Talverfüllungen sind ein häufiges Merkmal von Gebirgen auf der ganzen Welt. Sie speichern Abtragungsprodukte über Zeiträume von Tausenden bis Millionen von Jahren und beeinflussen den Sedimenttransport vom Gebirge in das Vorland und in die ozeanischen Becken. Die Bildung solcher Sedimentspeicher geht oft auf Zustände im fluvialen System zurück, welche mit bestimmten klimatischen und tektonischen Prozessen in Verbindung gebracht werden können. Talverfüllungen stellen daher wertvolle Archive dar, die über fundamentale Zusammenhänge in der Landschaftsgenese Aufschluss geben und deren Untersuchung dazu beiträgt, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Sedimentdynamik im Gebirge zu prognostizieren. In dieser Arbeit untersuchte ich intermontane Talverfüllungen, um die klimatische und tektonische Geschichte von Gebirgszügen über mehrere Zeitskalen hinweg zu ermitteln. Zuerst entwickelte ich eine Methode zur Abschätzung von Sedimentmächtigkeiten mit Hilfe von künstlichen neuralen Netzen, die auf der Annahme basiert, dass sich die zugeschütteten und die freiliegenden Bereiche der Landschaft geometrisch ähneln. Diese neuartige und hochautomatisierte Methode macht es möglich, Sedimentmächtigkeiten und Untergrundtopographien für einzelne Einzugsgebiete bis hin zu ganzen Gebirgen abzuschätzen. Als zweites benutzte ich die neue Methode, um die Mächtigkeitsverteilung der postglazialen Sedimentspeicher in den Europäischen Alpen zu rekonstruieren. Ein Vergleich mit Daten aus Bohrlochmessungen und geophysikalischen Explorationen zeigte, dass das Modell die gemessenen Mächtigkeiten mit einem quadratischen Mittelwert des Fehlers (RMSE) von 70m und einem Bestimmtheitsmaß (R2) von 0.81 reproduziert. Ich verwendete diese Sedimentverteilung in Kombination mit einem Modell der alpinen Eiskappe des letzten glazialen Maximums (LGM), um die Reaktion der Lithosphäre auf Abschmelzen, Erosion und Ablagerung zu berechnen und deren Beiträge zur derzeitigen Gesteinshebung abzuleiten. Unter Berücksichtigung einer Reihe verschiedener Eigenschaften der Lithosphäre und des oberen Erdmantels zeigten die Resultate, dass das langwellige Hebungsmuster im Wesentlichen durch Glazialisostasie erklärt werden kann und dass die Entlastung durch Erosion eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus postulierte ich eine tektonische Komponente von über 50% in Teilen der Ostalpen und im Schweizer Rhône Tal. Die Studie verdeutlicht, dass die Entflechtung der Prozesse, die zur Gesteinshebung beitragen, eine entscheidende Rolle spielt bei der Interpretation rezenter Bewegungen entlang aktiver Orogene und bei der Abschätzung von physikalischen Eigenschaften des Erdinneren. Im dritten Teil berechnete ich die Mächtigkeitsverteilung der sedimentären Talverfüllung des Yarlung Tsangpo Tales oberhalb des Namche Barwa Massivs am östlichen Rand des Tibet Plateaus. Dies ermöglichte meinen Kollegen und mir das ehemalige Flusslängsprofil zu rekonstruieren und zu zeigen, dass sich der Yarlung Tsangpo in der Vergangenheit bereits tief in den östlichen Rand des Tibet Plateaus einschnitt. Die Basis der Sedimente wurde erbohrt und beprobt und deren Ablagerung auf 2–2.5 Ma datiert was konsistent mit Abkühlungsaltern von Mineralen des Namche Barwa Massivs ist, die auf den Beginn einer beschleunigten Hebung vor ~4 Ma hindeuten. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass die Bildung der Tsangpo Schlucht und die Aggradation der Talsedimente höchstwahrscheinlich in Folge der schnellen Hebung des Namche Barwa Massivs geschah, welche letztendlich auf tektonische Aktivität zurück geht. Der vierte und letzte Teil behandelt die Interaktion fluvialer und glazialer Prozesse am südöstlichen Rand des Karakorums. Indikatoren für die frühere Eisausdehnung und die Überreste einer bis zu 400m mächtigen fluvio-lakustrinen Talverfüllung weisen auf eine Blockade des Shyok, eines Hauptzuflusses es Oberen Indus, durch den Siachen Gletscher, den größten Gletscher des Karakorums, hin. Weitere Geländebefunde und Oberflächendatierungen mittels kosmogenem 10Be bezeugen, dass es während des vorletzten Glaziales zu einem mehrfachen Aufstauen des Shyok und damit assoziierten Seeausbrüchen gekommen ist. Das Zusammenwirken von Flüssen und Gletschern entlang des Karakorums war maßgeblich für die Landschaftsentwicklung und führte möglicherweise zum Einschneiden von Tälern in den westlichen Rand des Tibet Plateaus. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Vergletscherung und Tektonik bei der Bildung von intermontanen Sedimentspeichern und deren Einwirken auf die Entwicklung zweier Gebirge. In den Alpen beeinflusst die Ablagerung von Talfüllungen die Raten und das Muster der Gesteinshebung seit Rückzug des Eises vor ca. 17,000 Jahren. Demgegenüber sind die in dieser Arbeit betrachteten Talfüllungen des Himalayas weit älter und geben Aufschluss über die Umweltbedingungen vor jeweils 110 ka und 2.5 Ma. Es zeigt sich, dass die neue Methode zur Abschätzung von Mächtigkeiten und Volumina intermontaner Talverfüllungen dazu beiträgt, die Landschaftsentwicklung über Zeiträume von 1,000 bis 10,000,000 Jahren zu rekonstruieren. KW - intermontane valley fill KW - sediment thickness KW - bedrock elevation KW - artificial neural networks KW - sediment volume KW - landscape evolution KW - glacial isostatic adjustment KW - isostatic uplift KW - LGM KW - Ice model KW - European Alps KW - outburst floods KW - glacial incision KW - Tibetan Plateau KW - Shyok River KW - cosmogenic nuclides KW - exposure age dating KW - ice dam KW - Karakoram KW - Namche Barwa KW - Yarlung-Tsangpo Gorge KW - burial dating KW - tectonic uplift KW - syntaxis KW - intermontane Talverfüllungen KW - Sedimentmächtigkeit KW - Grundgesteinshöhe KW - künstliche neurale Netzwerke KW - Sedimentvolumen KW - Landschaftsentwicklung KW - Glazialisostasie KW - isostatische Hebung KW - LGM KW - Eismodell KW - Europäische Alpen KW - Seeausbrüche KW - glaziale Einschneidung KW - Tibet Plateau KW - Shyok Fluss KW - kosmogene Nuklide KW - Expositionsaltersdatierung KW - Eisdamm KW - Karakorum KW - Namche Barwa KW - Yarlung-Tsangpo Schlucht KW - Verschüttungsaltersdatierung KW - tektonische Hebung KW - Syntaxe Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103158 ER - TY - THES A1 - Dey, Saptarshi T1 - Tectonic and climatic control on the evolution of the Himalayan mountain front T1 - Tektonische und klimatische Kontrolle über die Entwicklung der Himalaya-Gebirgsfront BT - a case study from the Kangra intermontane basin and the Dhauladhar range in the Northwestern Himalaya N2 - Variations in the distribution of mass within an orogen may lead to transient sediment storage, which in turn might affect the state of stress and the level of fault activity. Distinguishing between different forcing mechanisms causing variations of sediment flux and tectonic activity, is therefore one of the most challenging tasks in understanding the spatiotemporal evolution of active mountain belts. The Himalayan mountain belt is one of the most significant Cenozoic collisional mountain belt, formed due to collision between northward-bound Indian Plate and the Eurasian Plate during the last 55-50 Ma. Ongoing convergence of these two tectonic plates is accommodated by faulting and folding within the Himalayan arc-shaped orogen and the continued lateral and vertical growth of the Tibetan Plateau and mountain belts adjacent to the plateau as well as regions farther north. Growth of the Himalayan orogen is manifested by the development of successive south-vergent thrust systems. These thrust systems divide the orogen into different morphotectonic domains. From north to south these thrusts are the Main Central Thrust (MCT), the Main Boundary Thrust (MBT) and the Main Frontal Thrust (MFT). The growing topography interacts with moisture-bearing monsoonal winds, which results in pronounced gradients in rainfall, weathering, erosion and sediment transport toward the foreland and beyond. However, a fraction of this sediment is trapped and transiently stored within the intermontane valleys or ‘dun’s within the lower-elevation foothills of the range. Improved understanding of the spatiotemporal evolution of these sediment archives could provide a unique opportunity to decipher the triggers of variations in sediment production, delivery and storage in an actively deforming mountain belt and support efforts to test linkages between sediment volumes in intermontane basins and changes in the shallow crustal stress field. As sediment redistribution in mountain belts on timescales of 102-104 years can effect cultural characteristics and infrastructure in the intermontane valleys and may even impact the seismotectonics of a mountain belt, there is a heightened interest in understanding sediment-routing processes and causal relationships between tectonism, climate and topography. It is here at the intersection between tectonic processes and superposed climatic and sedimentary processes in the Himalayan orogenic wedge, where my investigation is focused on. The study area is the intermontane Kangra Basin in the northwestern Sub-Himalaya, because the characteristics of the different Himalayan morphotectonic provinces are well developed, the area is part of a region strongly influenced by monsoonal forcing, and the existence of numerous fluvial terraces provides excellent strain markers to assess deformation processes within the Himalayan orogenic wedge. In addition, being located in front of the Dhauladhar Range the region is characterized by pronounced gradients in past and present-day erosion and sediment processes associated with repeatedly changing climatic conditions. In light of these conditions I analysed climate-driven late Pleistocene-Holocene sediment cycles in this tectonically active region, which may be responsible for triggering the tectonic re-organization within the Himalayan orogenic wedge, leading to out-of-sequence thrusting, at least since early Holocene. The Kangra Basin is bounded by the MBT and the Sub-Himalayan Jwalamukhi Thrust (JMT) in the north and south, respectively and transiently stores sediments derived from the Dhauladhar Range. The Basin contains ~200-m-thick conglomerates reflecting two distinct aggradation phases; following aggradation, several fluvial terraces were sculpted into these fan deposits. 10Be CRN surface exposure dating of these terrace levels provides an age of 53.4±3.2 ka for the highest-preserved terrace (AF1); subsequently, this surface was incised until ~15 ka, when the second fan (AF2) began to form. AF2 fan aggradation was superseded by episodic Holocene incision, creating at least four terrace levels. We find a correlation between variations in sediment transport and ∂18O records from regions affected by the Indian Summer Monsoon (ISM). During strengthened ISMs sand post-LGM glacial retreat, aggradation occurred in the Kangra Basin, likely due to high sediment flux, whereas periods of a weakened ISM coupled with lower sediment supply coincided with renewed re-incision. However, the evolution of fluvial terraces along Sub-Himalayan streams in the Kangra sector is also forced by tectonic processes. Back-tilted, folded terraces clearly document tectonic activity of the JMT. Offset of one of the terrace levels indicates a shortening rate of 5.6±0.8 to 7.5±1.0 mm.a-1 over the last ~10 ka. Importantly, my study reveals that late Pleistocene/Holocene out-of-sequence thrusting accommodates 40-60% of the total 14±2 mm.a-1 shortening partitioned throughout the Sub-Himalaya. Importantly, the JMT records shortening at a lower rate over longer timescales hints towards out-of-sequence activity within the Sub-Himalaya. Re-activation of the JMT could be related to changes in the tectonic stress field caused by large-scale sediment removal from the basin. I speculate that the deformation processes of the Sub-Himalaya behave according to the predictions of critical wedge model and assume the following: While >200m of sediment aggradation would trigger foreland-ward propagation of the deformation front, re-incision and removal of most of the stored sediments (nearly 80-85% of the optimum basin-fill) would again create a sub-critical condition of the wedge taper and trigger the retreat of the deformation front. While tectonism is responsible for the longer-term processes of erosion associated with steepening hillslopes, sediment cycles in this environment are mainly the result of climatic forcing. My new 10Be cosmogenic nuclide exposure dates and a synopsis of previous studies show the late Pleistocene to Holocene alluvial fills and fluvial terraces studied here record periodic fluctuations of sediment supply and transport capacity on timescales of 1000-100000 years. To further evaluate the potential influence of climate change on these fluctuations, I compared the timing of aggradation and incision phases recorded within remnant alluvial fans and terraces with continental climate archives such as speleothems in neighboring regions affected by monsoonal precipitation. Together with previously published OSL ages yielding the timing of aggradation, I find a correlation between variations in sediment transport with oxygen-isotope records from regions affected by the Indian Summer Monsoon (ISM). Accordingly, during periods of increased monsoon intensity (transitions from dry and cold to wet and warm periods – MIS4 to MIS3 and MIS2 to MIS1) (MIS=marine isotope stage) and post-Last Glacial Maximum glacial retreat, aggradation occurred in the Kangra Basin, likely due to high sediment flux. Conversely, periods of weakened monsoon intensity or lower sediment supply coincide with re-incision of the existing basin-fill. Finally, my study entails part of a low-temperature thermochronology study to assess the youngest exhumation history of the Dhauladhar Range. Zircon helium (ZHe) ages and existing low-temperature data sets (ZHe, apatite fission track (AFT)) across this range, together with 3D thermokinematic modeling (PECUBE) reveals constraints on exhumation and activity of the range-bounding Main Boundary Thrust (MBT) since at least mid-Miocene time. The modeling results indicate mean slip rates on the MBT-fault ramp of ~2 – 3 mm.a-1 since its activation. This has lead to the growth of the >5-km-high frontal Dhauladhar Range and continuous deep-seated exhumation and erosion. The obtained results also provide interesting constraints of deformation patterns and their variation along strike. The results point towards the absence of the time-transient ‘mid-crustal ramp’ in the basal decollement and duplexing of the Lesser Himalayan sequence, unlike the nearby regions or even the central Nepal domain. A fraction of convergence (~10-15%) is accommodated along the deep-seated MBT-ramp, most likely merging into the MHT. This finding is crucial for a rigorous assessment of the overall level of tectonic activity in the Himalayan morphotectonic provinces as it contradicts recently-published geodetic shortening estimates. In these studies, it has been proposed that the total Himalayan shortening in the NW Himalaya is accommodated within the Sub-Himalaya whereas no tectonic activity is assigned to the MBT. N2 - Die sich verändernde Massenverteilung in einem Gebirge kann zu einer variierenden Sedimentablagerung führen, welche in Folge die Spannungszustände und Verwerfungsaktivitäten beeinflusst. Eine der herausforderndsten Aufgaben im Verständnis der Evolution aktiver Gebirge wie dem Himalaja, ist die Unterscheidung der verschiedenen treibenden Mechanismen wie der Variation im Sedimentfluss und der tektonischen Aktivitäten in Raum und Zeit. Der Himalaja ist einer der bedeutendsten känozoischen Gebirgszüge, der durch die Kollision zwischen der nordwärts wandernden indischen Platte und der eurasischen Kontinentalplatte vor 55-50 Ma entstand. Die anhaltende Konvergenz der beiden tektonischen Platten wird durch Verwerfungen und Auffaltungen innerhalb des bogenförmigen Gebirges aufgenommen, aber auch durch das fortwährende laterale und vertikale Wachstum des Tibetischen Plateaus, der angegliederten Gebirgszüge und den Gebirgsregionen weiter nördlich. Das Gebirgswachstum zeigt sich durch die Entwicklung von aufeinanderfolgenden in südlicher Richtung verkippten Verwerfungssystemen. Von Norden nach Süden unterteilen die Hauptstörungen Main Central Thrust (MCT), Main Boundary Thrust (MBT) und Main Frontal Thrust (MFT) den Himalaja in verschiedene morphotektonische Bereiche. Die anwachsende Topographie interagiert mit den feuchten Monsunwinden was zu einem ausgeprägten Regen-, Verwitterung-, Erosion- und Sedimenttransportgradienten zum Vorland hin und darüber hinaus führt. In den intermontanen Tälern, der tiefgelegenen Ausläufern des Himalajas ist ein Teil dieser Sedimente eingeschlossen und vorübergehend gelagert. Das verbesserte Verständnis über die Entwicklung dieser Sedimentarchive bietet eine einmalige Möglichkeit die Auslöser der veränderlichen Sedimentproduktion, -anlieferung und -lagerung in einem sich aktiv deformierenden Gebirge über Raum und Zeit zu entschlüsseln und unterstützt dabei die Anstrengungen eine Verbindung zwischen Sedimentvolumen in intermontanen Becken und den Veränderungen des Spannungszustandes in geringfügiger Krustentiefe zu untersuchen. Die Sedimentumverteilung in Gebirgen kann, über einen Zeitraum von 102-104 Jahren, kulturelle Eigenheiten, die Infrastruktur in den intermontanen Tälern und sogar die Seismotektonik eines Gebirgsgürtels, beeinflussen. Es besteht ein verstärktes Interesse die Prozesse über die Sedimentführung und den kausalen Zusammenhang zwischen Tektonik, Klima und Topographie zu verstehen. An dieser Schnittstelle zwischen den tektonischen Prozessen und den überlagernden klimatischen und sedimentären Prozessen im Gebirgskeil setzten meine Untersuchungen an. Das Untersuchungsgebiet umfasst das intermontane Kangra-Becken im nordwestlichen Sub-Himalaja, da hier die Eigenschaften der verschiedenen morphotektonischen Gebieten des Himalajas gut ausgeprägt sind. Dieses Gebiet gehört zu einer Region, die stark durch den Monsun geprägt wird. Zahlreiche Flussterrassen bieten hervorragende Markierungen für die Beurteilung der Deformationsprozesse innerhalb des Himalajischen Gebirgskeils. Durch ihre Situation direkt vor der Dhauladhar-Kette ist die Region sowohl früher als auch heute durch ausgeprägte Erosionsgradienten und Sedimentprozessen charakterisiert, die den wiederholend wechselnden Klimabedingungen zugeordnet werden können. Angesichts dieser Bedingungen untersuchte ich in dieser tektonisch aktiven Region, klimatisch gesteuerte jungpleistozäne-holozäne Sedimentzyklen, welche sich möglicherweise als Auslöser für die tektonische Umorganisation innerhalb himalajischen Gebirgskeils verantwortlich zeichnen und zumindest seit dem frühen Holozän zu out-of-sequence Aufschiebungen führen. Das Kangra-Becken ist durch die MBT und den Jwalamukhi Thrust (JMT) im Sub-Himalaja nach Norden und Süden begrenzt und lagert vorübergehend aus der Dhauladhar-Kette angelieferte Sedimente. Im Becken sind ~200-m dicke Konglomerate abgelagert, welche zwei ausgeprägte Aggradationsphasen wiederspiegeln. Nachfolgend auf die Aggradationsphasen wurden mehrere Flussterrassen in die Schuttfächerablagerungen eingeschnitten. Die Datierung der Terrassenoberflächen mittels kosmogener 10Beryllium Nuklide ergab für die höchste erhaltene Terrasse ein Alter von 53.4±3.2 ka (AF1). Diese Oberfläche wurde daraufhin bis ~15 ka fortwährend eingeschnitten, bis sich ein zweiter Schuttfächer (AF2) zu bilden begann. Die Aufschüttung des AF2 wurde durch episodische holozäne Einschneidungen verdrängt, wobei sich mindestens vier Terrassenebenen bildeten. Wir haben eine Korrelation zwischen dem variierenden Sedimenttransport und ∂18O Aufzeichnungen aus Regionen, die vom indischen Sommermonsun (ISM) betroffen sind, gefunden. Die Aggradation fand wohl durch einen erhöhten Sedimentfluss während verstärkten Phasen des ISM und der Enteisung nach dem letzteiszeitlichen Maximum statt, wobei Perioden eines geschwächten ISM mit einem tieferen Sedimentzufluss verbunden sind und auch mit erneuten Einschneidungen zusammentreffen. Die Evolution fluvialer Terrassen entlang von sub-himaljischen Flüssen im Kangra-Sektor wurde auch durch tektonische Prozesse erzwungen. Rückwärts gekippte und gefaltete Terrassen dokumentieren deutlich die tektonische Aktivität der JMT. Der Versatz einer der Terrassenebenen weist auf eine Verkürzungsrate von 5.6±0.8 bis 7.5±1.0 mm.a-1 über die letzten ~10 ka hin. Darüber hinaus zeigt meine Studie, dass jungpleistozäne/holozäne out-of-sequence Aufschiebungen 40-60 % der gesamten 14.2±2 mm.a-1 Verkürzung aufgeteilt über den ganzen Sub-Himalaja hinweg aufnehmen. Die Aufzeichnungen an der JMT dokumentieren niedrigere Verkürzungsraten über längere Zeiträume, was auf out-of-sequence Aktivität im Sub-Himalaja hindeutet. Die erneute Aktivierung der JMT kann mit Veränderungen im tektonischen Spannungsfeld durch großflächigen Sedimenttransport aus dem Becken in Verbindung gebracht werden. Ich spekuliere daher darauf, dass die Deformationsprozesse im Sub-Himalaja sich entsprechend der Voraussagen des Modelles der kritischen Keilform verhalten und treffe folgende Annahmen: >200 m Sedimentaggradation würde eine gegen das Vorland gerichtete Ausbreitung der Deformationsfront, eine Wiedereinschneidung und die Beseitigung der meisten gelagerten Sedimente (beinahe 80-85 % der optimalen Beckenfüllung) auslösen. Daraus folgten wiederum sub-kritische Bedingungen der kritischen Keilformtheorie und der Rückzug der Deformationsfront würde somit ausgelöst. Während Erosionsproszesse und die damit verbundene Versteilung der Hänge über einen längeren Zeitraum der Tektonik zuzuschreiben sind, sind Sedimentzyklen in diesem Umfeld hauptsächlich das Resultat aus klimatischen Zwängen. Meine neuen Oberflächenexpositionsdaten aus kosmogenen Nukliden 10Be und die Zusammenstellung bisheriger Studien jungpleistozäner bis holozäner Flussterrassen und sowie alluviale Verfüllungen zeigen periodische Fluktuationen in der Sedimentanlieferung und der Transportkapazität in einem Zeitraum von 10³ bis 10⁵ Jahren. Um den möglichen Einfluss des Klimawandels auf diese Fluktuationen zu bewerten, habe ich den in den Schuttfächern und Terrassen aufgezeichneten zeitlichen Ablauf der Aggradations- und Einschneidungsphasen mit kontinentalen Klimaarchiven wie z. B. Speläotheme (stalagmiten) aus Monsun beeinflussten Nachbarregionen verglichen. Zusammen mit bisherigen publizierten OSL Altern, welche den Zeitpunkt der Aggradation anzeigen, finde ich eine Korrelation zwischen Variationen des Sedimenttransportes durch Sauerstoff-Isotopen Aufzeichnungen aus den von ISM betroffenen Gebieten. Dementsprechend kam es im Kangra-Becken während Zeiten der verstärkten Monsunintensität (Wechsel von trockenen, kalten und feuchten, warmen Perioden – MIS4 bis MIS3 und MIS2 bis MIS1) (MIS = marines Isotopenstadium) und der Enteisung des letzteiszeitlichen Maximums wahrscheinlich durch erhöhten Sedimentfluss zur Aggradation. Im Gegenzug stimmen schwache Perioden der Monsunintensität oder niedrigeren Sedimentlieferung mit der Wiedereinschneidung der bestehenden Becken überein. Zum Schluss enthält meine Studie einen Teil einer Tieftemperatur-Thermochronologie Studie, welche die jüngste Exhumationsgeschichte der Dhauladhar-Kette beurteilt. Zirkon-Helium (ZHe) Alter und publizierte Tieftemperatur-Daten (ZHe, Apatit-Spaltspuren (AFT)) dieses Höhenzuges belegen zusammen mit einer 3D thermokinematischen Modellierung (PECUBE) die Einschränkungen der Exhumation und der an die Gebirgskette gebundene MBT-Aktivität mindestens seit dem mittleren Miozän. Die Resultate der Modellierung deuten auf mittlere Gleitraten auf der MBT-Überschiebungsrampe von ~2–3 mm/yr seit ihrer Aktivierung hin. Dies führte zum Wachstum der >5-km hohen Front der Dhauladhar-Kette und einer kontinuierlichen, tiefsitzenden Exhumation und Erosion. Die erzielten Ergebnisse zeigen die Einschränkungen der Deformationsmuster und ihrer Variation entlang des Streichens. Die Resultate deuten auf eine Abwesenheit einer über die zeit-veränderlichen Rampe des basalen Abscherhorizontes in der mittleren Krustentiefe und einer Duplexbildung des Niederen Himalajas hin, dies im Gegensatz zu den nahegelegenen Gebieten oder sogar zu Zentralnepal. Ein Bruchteil der Konvergenz (~10-15%) wird entlang der tiefsitzenden MBT-Rampe aufgenommen, die aller Wahrscheinlichkeit nach in die MHT übergeht. Diese Erkenntnis ist maßgeblich für eine gründliche Beurteilung der Gesamtgröße der tektonischen Aktivitäten in den morphotektonischen Provinzen des Himalajas, da sie kürzlich publizierten geodätischen Schätzungen von Verkürzungsraten widerspricht. In jenen Studien wurde vorgeschlagen, dass die gesamte Verkürzung des Gebirges im nordwestlichen Himalaja innerhalb des Sub-Himalajas aufgenommen wird, wobei der MBT keine tektonische Aktivität zugeschrieben werden wird. KW - tectonic geomorphology KW - cosmogenic radionuclide-based dating KW - neotectonics KW - tektonische Geomorphologie KW - kosmogene Radionuklid-basierte Datierung KW - Neotektonik Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103390 ER - TY - THES A1 - Olen, Stephanie M. T1 - Understanding Himalayan denudation at the catchment and orogen scale T1 - Verständnis von Denudation auf regionalem und orogenem Maßstab im Himalaja N2 - Understanding the rates and processes of denudation is key to unraveling the dynamic processes that shape active orogens. This includes decoding the roles of tectonic and climate-driven processes in the long-term evolution of high- mountain landscapes in regions with pronounced tectonic activity and steep climatic and surface-process gradients. Well-constrained denudation rates can be used to address a wide range of geologic problems. In steady-state landscapes, denudation rates are argued to be proportional to tectonic or isostatic uplift rates and provide valuable insight into the tectonic regimes underlying surface denudation. The use of denudation rates based on terrestrial cosmogenic nuclide (TCN) such as 10Beryllium has become a widely-used method to quantify catchment-mean denudation rates. Because such measurements are averaged over timescales of 102 to 105 years, they are not as susceptible to stochastic changes as shorter-term denudation rate estimates (e.g., from suspended sediment measurements) and are therefore considered more reliable for a comparison to long-term processes that operate on geologic timescales. However, the impact of various climatic, biotic, and surface processes on 10Be concentrations and the resultant denudation rates remains unclear and is subject to ongoing discussion. In this thesis, I explore the interaction of climate, the biosphere, topography, and geology in forcing and modulating denudation rates on catchment to orogen scales. There are many processes in highly dynamic active orogens that may effect 10Be concentrations in modern river sands and therefore impact 10Be-derived denudation rates. The calculation of denudation rates from 10Be concentrations, however, requires a suite of simplifying assumptions that may not be valid or applicable in many orogens. I investigate how these processes affect 10Be concentrations in the Arun Valley of Eastern Nepal using 34 new 10Be measurements from the main stem Arun River and its tributaries. The Arun Valley is characterized by steep gradients in climate and topography, with elevations ranging from <100 m asl in the foreland basin to >8,000 asl in the high sectors to the north. This is coupled with a five-fold increase in mean annual rainfall across strike of the orogen. Denudation rates from tributary samples increase toward the core of the orogen, from <0.2 to >5 mm/yr from the Lesser to Higher Himalaya. Very high denudation rates (>2 mm/yr), however, are likely the result of 10Be TCN dilution by surface and climatic processes, such as large landsliding and glaciation, and thus may not be representative of long-term denudation rates. Mainstem Arun denudation rates increase downstream from ~0.2 mm/yr at the border with Tibet to 0.91 mm/yr at its outlet into the Sapt Kosi. However, the downstream 10Be concentrations may not be representative of the entire upstream catchment. Instead, I document evidence for downstream fining of grains from the Tibetan Plateau, resulting in an order-of-magnitude apparent decrease in the measured 10Be concentration. In the Arun Valley and across the Himalaya, topography, climate, and vegetation are strongly interrelated. The observed increase in denudation rates at the transition from the Lesser to Higher Himalaya corresponds to abrupt increases in elevation, hillslope gradient, and mean annual rainfall. Thus, across strike (N-S), it is difficult to decipher the potential impacts of climate and vegetation cover on denudation rates. To further evaluate these relationships I instead took advantage of an along-strike west-to-east increase of mean annual rainfall and vegetation density in the Himalaya. An analysis of 136 published 10Be denudation rates from along strike of the revealed that median denudation rates do not vary considerably along strike of the Himalaya, ~1500 km E-W. However, the range of denudation rates generally decreases from west to east, with more variable denudation rates in the northwestern regions of the orogen than in the eastern regions. This denudation rate variability decreases as vegetation density increases (R=- 0.90), and increases proportionately to the annual seasonality of vegetation (R=0.99). Moreover, rainfall and vegetation modulate the relationship between topographic steepness and denudation rates such that in the wet, densely vegetated regions of the Himalaya, topography responds more linearly to changes in denudation rates than in dry, sparsely vegetated regions, where the response of topographic steepness to denudation rates is highly nonlinear. Understanding the relationships between denudation rates, topography, and climate is also critical for interpreting sedimentary archives. However, there is a lack of understanding of how terrestrial organic matter is transported out of orogens and into sedimentary archives. Plant wax lipid biomarkers derived from terrestrial and marine sedimentary records are commonly used as paleo- hydrologic proxy to help elucidate these problems. I address the issue of how to interpret the biomarker record by using the plant wax isotopic composition of modern suspended and riverbank organic matter to identify and quantify organic matter source regions in the Arun Valley. Topographic and geomorphic analysis, provided by the 10Be catchment-mean denudation rates, reveals that a combination of topographic steepness (as a proxy for denudation) and vegetation density is required to capture organic matter sourcing in the Arun River. My studies highlight the importance of a rigorous and careful interpretation of denudation rates in tectonically active orogens that are furthermore characterized by strong climatic and biotic gradients. Unambiguous information about these issues is critical for correctly decoding and interpreting the possible tectonic and climatic forces that drive erosion and denudation, and the manifestation of the erosion products in sedimentary archives. N2 - Schlüssel im Verständnis der dynamischen Prozesse in aktiven Orogenen ist die Kenntnis der Abtragungsraten und -prozesse. Eine breite Auswahl geologischer Fragen können mit well-constrained Abtragungsraten erörtert werden. Sind Landschaften im Gleichgewicht so sind die Denudationsraten proportional zu den tektonischen und isostatischen Hebungsraten und geben somit wichtige Hinweise über die tektonischen Eigenschaften der Region. Eine weit verbreitete und etablierte Methode zur Bestimmung mittlerer Denudationsraten eines bestimmten Einzugsgebietes ist Beryllium-10, ein terrestrisches kosmogenes Nuklid (10Be TCN). 10Be TCN Messungen stellen durchschnittliche Abtragungsraten über einen Zeitraum von 10^2 – 10^5 Jahren dar und sind daher weniger verletzlich gegenüber stochastischen Änderungen wie Erosionsraten, die über einen kurzen Zeitraum ermittelt werden z.B. in Suspension. Sie sind daher zuverlässig einsetzbar um langfristige Prozesse zu vergleichen. Allerdings ist unklar welche Einfluss verschiedene klimatische, biologische oder erdoberflächen Prozesse auf die 10Be Konzentration ausüben und somit auch auf die resultierenden Abtragungsraten. In dieser Doktorarbeit, setze ich mich mit dem Zwischenspiel von Klima, Biosphäre, Topographie und Geologie auseinander und dem Einfluss, den sie auf Abtragungsraten ausüben sowohl auf regionalem wie auch auf orogenem Maßstab. In hoch dynamischen aktiven Gebirgen gibt es viele Prozesse, welche die 10Be Konzentration in heutigen Flusssanden beeinflussen und damit auch die, mittels 10Be berechneten, Abtragungsraten. Um diese Raten mittels 10Be Konzentrationen zu berechnen benötigen wir einige vereinfachende Annahmen, die möglicherweise in anderen Regionen keine Gültigkeit haben. Ich untersuche den Einfluss dieser Prozesse auf die 10Be Konzentration. Dazu haben wir im Arun Tal im Osten Nepals 34 neue 10Be Konzentrationen des Arun Flusses und seinen Zuflüssen untersucht. Charakteristisch für das Arun Tal sind die steilen Gradienten im Klima mit einem fünffachen Anstieg des mittleren jährlichen Regenfalls über das Orogens, und in der Topographie mit Höhen von weniger als 100 m über Meer im Vorlandbecken bis über 8000 m über Meer im Gebirge. Die Abtragungsraten der Proben der Zuflüsse nehmen gegen das Zentrum des Gebirges von weniger <0.2 zu mehr als >5 mm/yr zu d.h. ansteigend vom Lesser zum Higher Himalaya. Sehr hohe Denudationsraten (> 2mm/yr) können durch erdoberflächen und klimatische Prozesse verwässert werden z. B. grosse Erdrutsche und Vergletscherungen, und sind daher nicht unbedingt repräsentativ für langzeitliche Abtragungsraten. Im Arun nehmen die Raten des Hauptflusses flussabwärts von 0.2 mm/yr im Bereich der Grenze zu Tibet auf 0.91 mm/yr am Ausfluss in Sapt Kosi zu. Es ist möglich, dass diese 10Be Konzentrationen nicht das vollständige flussauswärtsliegende Einzugsgebiet repräsentieren. Stattdessen lege ich dar wie sich die Korngrösse ab dem tibetischen Plateau verfeinert und dazu führt, dass die 10Be Konzentrationen offenkundig im Bereich einer Grössenordnung abnehmen. Im Arun Tal und sowie über den ganzen Himalaja sind Topographie, Klima und Vegetation sehr stark miteinander verbunden. Das Ansteigen der Denudationsraten im Übergang vom Lesser zum Higher Himalaya stimmt mit dem abrupten Ansteigen der Höhe, des Hangneigungsgradienten und des mittleren jährlichen Regenfalles überein. Es ist schwierig die möglichen Einflüssen von Klima und der Vegetationsdichte auf die Abtragungsraten über das Orogen hinweg (N-S) zu entziffern. Stattdessen, nutzen wir den Vorteil der, von West nach Ost, parallel zum Himalaja verlaufenden, Zunahme des mittleren jährlichen Regenfalles und der Vegetationsdichte. Eine Analyse 136 publizierter 10Be TCN Abtragungsraten entlang des Gebirges, zeigt dass die im Streichen liegenden mittleren Denudationsraten (ca. 1500 km Ost-West) nicht deutlich variieren. Generell sinkt die Wertebereich der Denudationsraten vom Westen gegen Osten, wobei in den nordwestlichen Regionen des Himalajas variablere Abtragungsraten vorherrschen als in den östlichen Regionen. Diese Vielfalt in den Denudationsraten sinkt mit steigender Vegetationsdichte (R=-0.90) und steigt proportional zur (jährlichen) Saisonalität der Vegetation (R=0.99). Vielmehr noch wird das Verhältnis zwischen der topographischen Steilheit und den Abtragungsraten durch Regen und Vegetation beeinflusst z. B. in feuchten Gebieten mit starker Vegetation reagiert die Topographie linearer auf Wechsel in den Abtragungsraten als in trockenen, kaum bewachsenen Regionen, wo die Reaktion der topographischen Steilheit auf die Denudationsraten äusserst nicht-linear ist. Das Verständnis der Beziehung zwischen Erosion, Topographie und Klima ist auch entscheidend für die Interpretation von Sedimentarchiven. Unser Wissen über die Repräsentativität von terrestrisches organisches Material, abgelagert in z.B. Flussdeltas, für die Einzugsgebiete der entsprechenden Flüsse, ist nach wie vor nur vage. Dennoch sind Blattwachse höherer Landpflanzen, extrahiert aus terrestrischen und marinen Sedimenten, ein häufig verwendeter paläohydrologischer Proxy. Im Rahmen dieser Arbeit nutzen wir die Isotopenzusammensetzung von Pflanzenwachsen aus Suspensionsmaterial und aus Flusssedimenten als Herkunftsmarker und zur Quantifizierung des organischen Materials im Arun Tal. Die Analyse von Vegetationsdichte und Regenverteilung in Kombination mit Abtragungsraten des Einzugsgebietes, welche durch die mittleren 10Be-Erosionsraten gestützt werden, zeigen, dass das Vorhandensein dichter Vegetation ein zwar notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium für hohen OM-Export ist. Vielmehr können wir zeigen, dass nur eine Kombination aus dichter Vegetationsdecke und Erosion zu hohem OM-Export führt. Für die Interpretation entspechender Archive bedeutet das, dass sie im Wesentlichen jene Bereiche des Einzugsgebietes repräsentieren, welche durch hohe Pflanzendichte und starke Erosion charakterisiert sind. Diese Studien belegen wie wichtig es ist die Abtragungsraten in aktiven Gebirgen umfassend zu verstehen. Für die Interpretation kann dieses Verständnis der möglichen tektonischen und klimatischen Gewalten, welche Erosion und Abtragung steuern, und auch das Verständnis der Sedimentarchive aus den Gebirgen stammend, entscheidend sein. KW - geology KW - geomorphology KW - Himalaya KW - Geologie KW - Geomorphologie KW - Himalaja Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91423 ER - TY - THES A1 - Grewe, Sina T1 - Hydro- and biogeochemical investigations of lake sediments in the Kenyan Rift Valley T1 - Hydro- und biogeochemische Untersuchungen von Seesedimenten aus dem Kenianischen Rift Valley N2 - Die Seen im kenianischen Riftsystem bieten die einmalige Gelegenheit eine große Bandbreite an hydrochemischen Umweltbedingungen zu studieren, die von Süßwasserseen bis hin zu hochsalinen und alkalinen Seen reichen. Da wenig über die hydro- und biogeochemischen Bedingungen in den darunterliegenden Seesedimenten bekannt ist, war es das Ziel dieser Arbeit, bereits existierende Datensätze mit Daten aus der Porenwasser- und Biomarker-Analyse zu erweitern. Zusätzlich wurden reduzierte Schwefelkomponenten und Sulfatreduktionsraten in den Sedimenten bestimmt. Mit den neu gewonnenen Daten wurde der anthropogene und mikrobielle Einfluss auf die Seesedimente untersucht sowie der Einfluss der Wasserchemie auf den Abbau und den Erhalt von organischem Material im Sediment. Zu den untersuchten Seen gehörten: Logipi, Eight (ein kleiner Kratersee in der Region Kangirinyang), Baringo, Bogoria, Naivasha, Oloiden und Sonachi. Die Biomarker-Zusammensetzungen in den untersuchten Seesedimenten waren ähnlich; allerdings gab es einige Unterschiede zwischen den salinen Seen und den Süßwasserseen. Einer dieser Unterschiede war das Vorkommen eines mit β-Carotin verwandten Moleküls, das nur in den salinen Seen gefunden wurde. Dieses Molekül stammt wahrscheinlich von Cyanobakterien, Einzellern die in großer Anzahl in salinen Seen vorkommen. In den beiden Süßwasserseen wurde Stigmasterol gefunden, ein für Süßwasseralgen charakteristisches Sterol. In dieser Studie hat sich gezeigt, dass Bogoria und Sonachi für Umweltrekonstruktionen mit Biomarkern besonders gut geeignet sind, da die Abwesenheit von Sauerstoff an deren Seegründen den Abbau von organischem Material verlangsamt. Andere Seen, wie zum Beispiel Naivasha, sind aufgrund des großen anthropogenen Einflusses weniger gut für solche Rekonstruktionen geeignet. Die Biomarker-Analyse bot jedoch die Möglichkeit, den menschlichen Einfluss auf den See zu studieren. Desweiteren zeigte diese Studie, dass sich Horizonte mit einem hohen Anteil an elementarem Schwefel als temporale Marker nutzen lassen. Diese Horizonte wurden zu einer Zeit abgelagert, als die Wasserpegel sehr niedrig waren. Der Schwefel wurde von Mikroorganismen abgelagert, die zu anoxygener Photosynthese oder Sulfidoxidation fähig sind. N2 - The lakes in the Kenyan Rift Valley offer the unique opportunity to study a wide range of hydrochemical environmental conditions, ranging from freshwater to highly saline and alkaline lakes. Because little is known about the hydro- and biogeochemical conditions in the underlying lake sediments, it was the aim of this study to extend the already existing data sets with data from porewater and biomarker analyses. Additionally, reduced sulphur compounds and sulphate reduction rates in the sediment were determined. The new data was used to examine the anthropogenic and microbial influence on the lakes sediments as well as the influence of the water chemistry on the degradation and preservation of organic matter in the sediment column. The lakes discussed in this study are: Logipi, Eight (a small crater lake in the region of Kangirinyang), Baringo, Bogoria, Naivasha, Oloiden, and Sonachi. The biomarker compositions were similar in all studied lake sediments; nevertheless, there were some differences between the saline and freshwater lakes. One of those differences is the occurrence of a molecule related to β-carotene, which was only found in the saline lakes. This molecule most likely originates from cyanobacteria, single-celled organisms which are commonly found in saline lakes. In the two freshwater lakes, stigmasterol, a sterol characteristic for freshwater algae, was found. In this study, it was shown that Lakes Bogoria and Sonachi can be used for environmental reconstructions with biomarkers, because the absence of oxygen at the lake bottoms slowed the degradation process. Other lakes, like for example Lake Naivasha, cannot be used for such reconstructions, because of the large anthropogenic influence. But the biomarkers proved to be a useful tool to study those anthropogenic influences. Additionally, it was observed that horizons with a high concentration of elemental sulphur can be used as temporal markers. Those horizons were deposited during times when the lake levels were very low. The sulphur was deposited by microorganisms which are capable of anoxygenic photosynthesis or sulphide oxidation. KW - Ostafrikansches Rift KW - saline Seen KW - Biomarker KW - Umweltrekonstruktion KW - Sulfatreduktion KW - Seesediment KW - East African Rift KW - saline lakes KW - biomarker KW - environmental reconstruction KW - sulphate reduction KW - lake sediment Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98342 ER - TY - THES A1 - Bierkandt, Robert T1 - Pressure from future sea-level rise on coastal power plants: near-term extremes and long-term commitment Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Castino, Fabiana T1 - Climate variability and extreme hydro-meteorological events in the Southern Central Andes, NW Argentina T1 - Klimavariabilität und extreme hydro-meteorologische Ereignisse in den südlichen Zentralanden, NW Argentinien N2 - Extreme hydro-meteorological events, such as severe droughts or heavy rainstorms, constitute primary manifestations of climate variability and exert a critical impact on the natural environment and human society. This is particularly true for high-mountain areas, such as the eastern flank of the southern Central Andes of NW Argentina, a region impacted by deep convection processes that form the basis of extreme events, often resulting in floods, a variety of mass movements, and hillslope processes. This region is characterized by pronounced E-W gradients in topography, precipitation, and vegetation cover, spanning low to medium-elevation, humid and densely vegetated areas to high-elevation, arid and sparsely vegetated environments. This strong E-W gradient is mirrored by differences in the efficiency of surface processes, which mobilize and transport large amounts of sediment through the fluvial system, from the steep hillslopes to the intermontane basins and further to the foreland. In a highly sensitive high-mountain environment like this, even small changes in the spatiotemporal distribution, magnitude and rates of extreme events may strongly impact environmental conditions, anthropogenic activity, and the well-being of mountain communities and beyond. However, although the NW Argentine Andes comprise the catchments for the La Plata river that traverses one of the most populated and economically relevant areas of South America, there are only few detailed investigations of climate variability and extreme hydro-meteorological events. In this thesis, I focus on deciphering the spatiotemporal variability of rainfall and river discharge, with particular emphasis on extreme hydro-meteorological events in the subtropical southern Central Andes of NW Argentina during the past seven decades. I employ various methods to assess and quantify statistically significant trend patterns of rainfall and river discharge, integrating high-quality daily time series from gauging stations (40 rainfall and 8 river discharge stations) with gridded datasets (CPC-uni and TRMM 3B42 V7), for the period between 1940 and 2015. Evidence for a general intensification of the hydrological cycle at intermediate elevations (~ 0.5 – 3 km asl) at the eastern flank of the southern Central Andes is found both from rainfall and river-discharge time-series analysis during the period from 1940 to 2015. This intensification is associated with the increase of the annual total amount of rainfall and the mean annual discharge. However, most pronounced trends are found at high percentiles, i.e. extreme hydro-meteorological events, particularly during the wet season from December to February.An important outcome of my studies is the recognition of a rapid increase in the amount of river discharge during the period between 1971 and 1977, most likely linked to the 1976-77 global climate shift, which is associated with the North Pacific Ocean sea surface temperature variability. Interestingly, after this rapid increase, both rainfall and river discharge decreased at low and intermediate elevations along the eastern flank of the Andes. In contrast, during the same time interval, at high elevations, extensive areas on the arid Puna de Atacama plateau have recorded increasing annual rainfall totals. This has been associated with more intense extreme hydro-meteorological events from 1979 to 2014. This part of the study reveals that low-, intermediate, and high-elevation sectors in the Andes of NW Argentina respond differently to changing climate conditions. Possible forcing mechanisms of the pronounced hydro-meteorological variability observed in the study area are also investigated. For the period between 1940 and 2015, I analyzed modes of oscillation of river discharge from small to medium drainage basins (102 to 104 km2), located on the eastern flank of the orogen. First, I decomposed the relevant monthly time series using the Hilbert-Huang Transform, which is particularly appropriate for non-stationary time series that result from non-linear natural processes. I observed that in the study region discharge variability can be described by five quasi-periodic oscillatory modes on timescales varying from 1 to ~20 years. Secondly, I tested the link between river-discharge variations and large-scale climate modes of variability, using different climate indices, such as the BEST ENSO (Bivariate El Niño-Southern Oscillation Time-series) index. This analysis reveals that, although most of the variance on the annual timescale is associated with the South American Monsoon System, a relatively large part of river-discharge variability is linked to Pacific Ocean variability (PDO phases) at multi-decadal timescales (~20 years). To a lesser degree, river discharge variability is also linked to the Tropical South Atlantic (TSA) sea surface temperature anomaly at multi-annual timescales (~2-5 years). Taken together, these findings exemplify the high degree of sensitivity of high-mountain environments with respect to climatic variability and change. This is particularly true for the topographic transitions between the humid, low-moderate elevations and the semi-arid to arid highlands of the southern Central Andes. Even subtle changes in the hydro-meteorological regime of these areas of the mountain belt react with major impacts on erosional hillslope processes and generate mass movements that fundamentally impact the transport capacity of mountain streams. Despite more severe storms in these areas, the fluvial system is characterized by pronounced variability of the stream power on different timescales, leading to cycles of sediment aggradation, the loss of agriculturally used land and severe impacts on infrastructure. N2 - Extreme hydro-meteorologische Ereignisse, wie langanhaltende Dürren oder Starkregen, gelten als Haupterscheinungsform der Klimavariabilität und haben einen entscheidenden Einfluss auf Umwelt und Gesellschaft. Dies gilt im Besonderen für die großen Gebirgsregionen dieser Erde. In einer extrem sensiblen Hochgebirgsregion wie den NW argentinischen Anden haben selbst geringe Veränderungen in der Intensität solcher Extremereignisse, sowie deren Häufigkeit und räumliche Verteilung, nicht nur einen großen Einfluss auf die Landschaftsentwicklung; flussabwärtsliegende Gemeinden sind zudem wirtschaftlich als auch humanitär einem hohen Risiko ausgesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich im Wesentlichen mit der räumlich-zeitlichen Verteilung von Niederschlags- und Abflussmengen über den Zeitraum der letzten sieben Jahrzente, mit besonderem Fokus auf extreme hydro-meteorologische Ereignisse der subtropischen Zentralanden NW-Argentiniens. Um räumliche und zeitliche statistisch signifikante Trends der Niederschlags- und Abflussmengen bestimmen und quantifizieren zu können, finden in dieser Arbeit verschiedene Methoden Anwendung, in denen hochaufgelöste Zeitreihen von Niederschlags- und Abflussmengenstationen mit diversen Rasterdatensätzen von 1940 bis 2015 kombiniert werden. Über den betrachteten Zeitraum hinweg lässt sich eine allgemeine Intensivierung des hydrologischen Kreislaufes auf mittleren Höhen (500 - 3.000 m ü. NN) belegen. Diese Intensivierung steht einerseits im Zusammenhang mit dem Ansteigen von Extremwetterereignissen, besonders während der Regenzeit von Dezember bis Februar. Der beobachtete Anstieg in der Intensität dieser Wetterlagen deutet auf einen Zusammenhang der schweren Regenstürme und der Verlandung der Abflussbecken in der untersuchten, intermontanen Region hin. Ein rapider Anstieg in der Abflussmenge in Flüssen um bis zu 40% ist für den Zeitraum zwischen 1971 und 1977 dokumentiert. Dieser steht höchstwahrscheinlich mit der globalen Klimaverschiebung von 1976-77 in Zusammenhang, welche wiederum durch die Variabilität der Oberflächentemperatur des Pazifischen Ozeans beeinflusst wird. Nach diesem starken Anstieg können jedoch abnehmende Trends in Niederschlags- wie auch Abflussmengen auf niedrigen und mittleren Höhen der Ostflanken der Anden beobachtet werden. Im Gegensatz dazu belegen ein Anstieg der jährlichen Gesamtniederschlagsmenge sowie der Magnitude von extremen hydro-meterologischen Ereignissen in hohen Höhenlagen der trockenen Puna de Atacama Plateaus, dass niedrige, mittlere und hohe Sektoren der NW argentinischen Anden unterschiedlich auf Änderungen des Klimas reagieren. Schlussendlich kann die in der Region beobachtete, stark ausgeprägte Variabilität in der Hydro-meteorologie über jährliche Zeiträume zum größten Teil mit dem Südamerikanischen Monsunsystem erklärt werden. Jedoch sind große Anteile in der Variabilität der Abflussmenge auch stark an die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) in Zeiträumen über mehrereJahrzehnte (~20 Jahre) gekoppelt und zu einem geringeren Anteil auch an die Meeresoberflächentemperatur-Anomalie des tropischen Südatlantiks (TSA) über mehrjährige Zeiträume hinweg (~2-5 Jahre). Interessanterweise wurden nur weniger stark ausgeprägte Zusammenhänge zwischen der Abflussvariabilität und El Niño-Southern Oscillation in unserem Untersuchungsgebiet gefunden. KW - climate variability KW - extreme hydrometeorological events KW - Central Andes KW - Klimavariabilität KW - extreme hydro-meteorologische Ereignisse KW - Zentralanden Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396815 ER - TY - THES A1 - Georgieva, Viktoria T1 - Neotectonics & Cooling History of the Southern Patagonian Andes T1 - Neotektonik und Abkühlgeschichte der Südpatagonschen Anden BT - assessing the Role of Ridge Collision and Slab Window Formation inboard of the Chile Triple Junction (46-47°S) BT - die Rolle von ozeanischer Rückenkollision und der Bilding eines “slab window” am Chile-Triplepunkt (47°S) N2 - The collision of bathymetric anomalies, such as oceanic spreading centers, at convergent plate margins can profoundly affect subduction dynamics, magmatism, and the structural and geomorphic evolution of the overriding plate. The Southern Patagonian Andes of South America are a prime example for sustained oceanic ridge collision and the successive formation and widening of an extensive asthenospheric slab window since the Middle Miocene. Several of the predicted upper-plate geologic manifestations of such deep-seated geodynamic processes have been studied in this region, but many topics remain highly debated. One of the main controversial topics is the interpretation of the regional low-temperature thermochronology exhumational record and its relationship with tectonic and/or climate-driven processes, ultimately manifested and recorded in the landscape evolution of the Patagonian Andes. The prominent along-strike variance in the topographic characteristics of the Andes, combined with coupled trends in low-temperature thermochronometer cooling ages have been interpreted in very contrasting ways, considering either purely climatic (i.e. glacial erosion) or geodynamic (slab-window related) controlling factors. This thesis focuses on two main aspects of these controversial topics. First, based on field observations and bedrock low-temperature thermochronology data, the thesis addresses an existing research gap with respect to the neotectonic activity of the upper plate in response to ridge collision - a mechanism that has been shown to affect the upper plate topography and exhumational patterns in similar tectonic settings. Secondly, the qualitative interpretation of my new and existing thermochronological data from this region is extended by inverse thermal modelling to define thermal histories recorded in the data and evaluate the relative importance of surface vs. geodynamic factors and their possible relationship with the regional cooling record. My research is centered on the Northern Patagonian Icefield (NPI) region of the Southern Patagonian Andes. This site is located inboard of the present-day location of the Chile Triple Junction - the juncture between the colliding Chile Rise spreading center and the Nazca and Antarctic Plates along the South American convergent margin. As such this study area represents the region of most recent oceanic-ridge collision and associated slab window formation. Importantly, this location also coincides with the abrupt rise in summit elevations and relief characteristics in the Southern Patagonian Andes. Field observations, based on geological, structural and geomorphic mapping, are combined with bedrock apatite (U-Th)/He and apatite fission track (AHe and AFT) cooling ages sampled along elevation transects across the orogen. This new data reveals the existence of hitherto unrecognized neotectonic deformation along the flanks of the range capped by the NPI. This deformation is associated with the closely spaced oblique collision of successive oceanic-ridge segments in this region over the past 6 Ma. I interpret that this has caused a crustal-scale partitioning of deformation and the decoupling, margin-parallel migration, and localized uplift of a large crustal sliver (the NPI block) along the subduction margin. The location of this uplift coincides with a major increase of summit elevations and relief at the northern edge of the NPI massif. This mechanism is compatible with possible extensional processes along the topographically subdued trailing edge of the NPI block as documented by very recent and possibly still active normal faulting. Taken together, these findings suggest a major structural control on short-wavelength variations in topography in the Southern Patagonian Andes - the region affected by ridge collision and slab window formation. The second research topic addressed here focuses on using my new and existing bedrock low-temperature cooling ages in forward and inverse thermal modeling. The data was implemented in the HeFTy and QTQt modeling platforms to constrain the late Cenozoic thermal history of the Southern Patagonian Andes in the region of the most recent upper-plate sectors of ridge collision. The data set combines AHe and AFT data from three elevation transects in the region of the Northern Patagonian Icefield. Previous similar studies claimed far-reaching thermal effects of the approaching ridge collision and slab window to affect patterns of Late Miocene reheating in the modelled thermal histories. In contrast, my results show that the currently available data can be explained with a simpler thermal history than previously proposed. Accordingly, a reheating event is not needed to reproduce the observations. Instead, the analyzed ensemble of modelled thermal histories defines a Late Miocene protracted cooling and Pliocene-to-recent stepwise exhumation. These findings agree with the geological record of this region. Specifically, this record indicates an Early Miocene phase of active mountain building associated with surface uplift and an active fold-and-thrust belt, followed by a period of stagnating deformation, peneplanation, and lack of synorogenic deposition in the Patagonian foreland. The subsequent period of stepwise exhumation likely resulted from a combination of pulsed glacial erosion and coeval neotectonic activity. The differences between the present and previously published interpretation of the cooling record can be reconciled with important inconsistencies of previously used model setup. These include mainly the insufficient convergence of the models and improper assumptions regarding the geothermal conditions in the region. This analysis puts a methodological emphasis on the prime importance of the model setup and the need for its thorough examination to evaluate the robustness of the final outcome. N2 - Die Kollision ozeanischer Rückensysteme entlang aktiver Subduktionszonen kann eine nachhaltige Wirkung auf die geodynamische, magmatische, strukturelle und geomorphologische Entwicklung der Oberplatte ausüben. Die Südpatagonischen Anden repräsentieren ein außergewöhnliches Beispiel für eine aktive ozeanische Rückenkollision mit einem Kontinentalrand, die über mehrere Millionen Jahre hinweg aufrechterhalten wurde. Dieser Prozess wurde begleitet von großräumigen Mantelprozessen mit der gleichzeitigen Bildung eines asthenosphärischen Fensters unter Südpatagonien – eine weiträumige Öffnung zwischen den divergierenden ozeanischen Platten unter der Oberplatte, die den Kontakt des asthenosphärischen Mantels mit der kontinentalen Lithosphäre ermöglicht hat. Auch wenn die daraus resultierenden geologischen Erscheinungsformen der Oberplatte bereits in unterschiedlichen Regionen studiert wurden, bleiben viele Fragen hinsichtlich der assoziierten Exhumations- Abkühlungs- und Deformationsprozesse noch offen. Eine kontroverse Frage in diesem Zusammenhang bezieht sich auf die Interpretation von Niedrigtemperatur-Thermochronologiedaten, welche die jüngste Abkühlungs- und Deformationsgeschichte der Erdkruste und die Landschaftsentwicklung in Südpatagonien dokumentieren. Diese Abkühlgeschichte kann theoretisch zeitliche und/oder räumliche Variationen im Erosionspotential von Oberflächenprozessen und der daraus resultierenden jüngsten Exhumation beleuchten oder auch den Einfluss überlagerter thermischer Effekte des hochliegenden Mantels widerspiegeln. Die ausgeprägten topographischen Änderungen entlang des Streichens der Patagonischen Anden, die offenbar auch an Trends in den thermochronometrischen Daten gekoppelt sind, wurden in der Vergangenheit bereits äußerst kontrovers interpretiert. Endglieder dieser Diskussion sind entweder klimatisch gesteuerte Prozessmodelle und eine damit verbundene räumliche Variabilität in der Exhumation (glaziale Erosion) oder geodynamischen Prozesse, die insbesondere eine regional begrenzte Deformation und Hebung mit der Kollision des ozeanischen Chile-Rückens in Verbindung bringen. Diese Dissertation ist daher auf zwei wesentliche Aspekte dieser Problematik fokussiert. Sie befasst sich einerseits mit der soweit kaum erforschten Existenz junger (neotektonischer) Deformationsphänomene, die unmittelbar mit der Rückenkollision in Verbindung steht und das Potenzial hat, die Topographie und die thermochronometrisch dokumentierte Abkühlgeschichte des Patagonischen Gebirgszuges mitbeeinflusst zu haben. Ein weiterer Forschungsfokus liegt auf der erweiterten Interpretation eines Teils der im Rahmen dieser Arbeit erstellten sowie von vorhandenen thermochronometrischen Datensätzen durch inverse numerische Modellierungen. Diese Modellierungen hatten das Ziel, die thermische Geschichte der Proben, die am besten die beobachteten Daten reproduzieren kann, zu definieren und die relative Bedeutung geodynamischer und oberflächennaher Prozesse abzuschätzen. Das Untersuchungsgebiet liegt in dem Gebirgsmassiv des Nordpatagonischen Eisfeldes von Südostpatagonien. Dieser Teil der Südpatagonischen Anden liegt in der Region, wo die derzeitig aktive Kollision des Chile-Rückens seit 6 Millionen Jahren im Gange ist. Der Nordrand des Gebirgsmassivs fällt zusammen mit der abrupten Zunahme der Topographie am Übergang von den Nord- in den Südpatagonischen Anden - das Gebiet, das von ozeanischer Rückenkollision betroffen wurde und durch die Bildung des asthenosphärischen Fensters gekennzeichnet ist. Diverse Feldbeobachtungen, kombiniert mit neuen thermochronometrischen Daten ((U-Th)/He- und Spaltspurendatierungen an Apatiten von Festgesteinsproben, AHe und AFT), dokumentieren die bisher unbekannte Existenz junger tektonischer Bewegungen entlang der Flanken dieses erhöhten Gebirgszuges, welche die topographischen, geomorphologischen und thermochronometrischen Charakteristika der Region deutlich beeinflusst haben. Diese Deformation wurde ausgelöst durch die schräge Kollision von Segmenten des Chile- Rückens, die eine Partitionierung in der Krustendeformation in Komponenten die jeweils parallel und orthogonal zum konvergenten Plattenrand orientiert sind, nach sich zog. Dieser hierbei entstandene Krustenblock des Nordpatagonischen Eisfeldes wurde entlang der Plattengrenze entkoppelt und nordwärts bewegt. Diese Kinematik führte zur lokalen Hebung und Extension (Absenkung) jeweils entsprechend am Nord- und Südrand des Krustenblocks. Die resultierende differentielle Hebung und Extension dieses Krustenblocks korreliert sehr gut mit Muster der räumlichen Verteilung der Topographie und den regionalen thermochronometrischen Daten und legt somit eine direkte Beziehung zwischen geodynamischen Randbedingungen, tektonischer Deformation, Exhumation und Landschaftsentwicklung nahe. Der zweite Forschungsfokus liegt auf der Implementierung meiner neuen sowie bereits publizierter thermochronometrischer Daten in Vorwärts- und inversen numerischen Modellierungen. Es wurden die frei verfügbaren Modellierungsplattformen HeFTy und QTQt benutzt, um die Abkühlungsgeschichte der Südpatagonischen Anden im Gebiet der jüngsten ozeanischen Rückenkollision zu definieren. Der Datensatz kombiniert AHe und AFT Abkühlalter aus drei Höhenprofilen in der Region des Nordpatagonischen Eisfeldes. Kürzlich publizierte Studien, die auf identischen Datierungsmethoden und numerischen Ansätzen beruhen, postulieren, dass ein signifikanter und räumlich weitreichender thermischer Effekt, , sich bereits während des Obermiozäns in den thermochronometrischen Daten manifestiert und auf die Bildung des asthenosphärischen Fensters zurückzuführen ist. Im Unterschied dazu zeigen meine Ergebnisse, dass die verfügbaren thermochronometrischen Daten mit einem einfacheren thermischen Szenario erklärt werden können und ein thermischer Puls nicht notwendig ist, um die Abkühlalter in der vorliegenden Form zu reproduzieren. Das kumulative Ergebnis der Modellierungen dokumentiert eine alternative Möglichkeit mit einer langsamen und/oder stagnierenden Abkühlung im Obermiozän, auf die dann im Pliozän eine schnelle und ausgeprägte schrittweise Abkühlung stattfand. Diese Ergebnisse sind kompatibel mit der geologischen Geschichte der Region. So wurde in diesem Gebiet eine Phase aktiver Einengung, Hebung und Exhumation im Unteren Miozän nachgewiesen. Dieser Episode folgte eine Phase der Ruhe in der Deformation, eine großräumige Einebnung der Deformationsfront durch fluviatile Prozesse und eine drastische Abnahme synorogener Ablagerungen. Die darauffolgende Phase schrittweiser Abkühlung resultierte aus einer Kombination von einerseits rekurrenten weiträumigen Vergletscherungen und damit einhergehender glazialer Erosion und andererseits von gleichzeitigen lokalen tektonischen Vertikalbewegungen durch Störungen, die im plattentektonischen Kontext aktiver ozeanischer Rückenkollision entstanden. Die signifikanten Unterschiede zwischen bereits publizierten und den hier präsentierten Ergebnissen beruhen auf der Erkenntnis wichtiger Nachteile der früher benutzten Modellannahmen. Diese beinhalten z.B. die unzureichende Konvergenz (unzureichende Anzahl an Iterationen) und Vorgaben bezüglich der regionalen geothermischen Bedingungen. Diese kritische Betrachtung zeigt, dass methodische Schwerpunkte und Annahmen dieser Modellierungen gründlich geprüft werden müssen, um eine objektive Abschätzung der Ergebnisse zu erzielen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Impakt bisher unbekannter neotektonischer Strukturen entlang des konvergenten Plattenrandes von Südpatagonien sehr weitreichende Folgen hat. Diese Strukturen stehen räumlich und zeitlich in direkter Beziehung zur seit dem Obermiozän andauernden Subduktion verschiedener Segmente des Chile-Spreizungszentrums; sie unterstreichen die fundamentale Bedeutung der Subduktion bathymetrischer Anomalien für die tektonische und geomorphologische Entwicklung der Oberplatte, besonders in Regionen mit ausgeprägten Erosionsprozessen. Die hier dokumentierten Ergebnisse aus der inversen numerischen Modellierung thermochronometrischer Daten stellen bereits publizierte Befunde aus Studien infrage, die auf ähnlichen Ansätzen beruhen und welche den regionalen thermischen Effekt des asthenosphärischen Fensters in Südpatagonien hervorheben. Meine Ergebnisse dokumentieren stattdessen eine Abkühlungsgeschichte, die durch eine synergistische, klimatisch und tektonisch bedingte schrittweise Exhumation definiert ist. Eine abschließende synoptische Betrachtung der gesamten thermochronometrischen Daten in Südpatagonien belegt das Fehlen von Mustern in der regionalen Verteilung von Abkühlaltern entlang des Streichens des Orogens. Die Existenz eines solchen Trends wurde früher postuliert und im Rahmen eines transienten Pulses dynamischer Topographie und Exhumation interpretiert, der mit der Bildung und Migration des asthenosphärischen Fensters assoziiert wurde. Meine neue Zusammenstellung und Interpretation der Thermochronometrie zeigt stattdessen, dass die regionale Verteilung von Abkühlaltern in Südpatagonien vor allem durch die langfristig wirksame räumliche Verteilung glazialer Erosionsprozesse bestimmt wird, die u.a. zu einer tieferen Exhumation im Zentrum des Orogens geführt hat. Dieses regionale Exhumationsmuster wird allerdings lokal durch differentielle Hebung von Krustenblöcken modifiziert, die mit den neotektonischen Bewegungen im Rahmen der Kollision des Kontinentalrandes mit dem ozeanischen Chile-Rücken und der Partitionierung der Deformation in Zusammenhang stehen. KW - neotectonics KW - ridge-collision KW - asthenospheric slab-window KW - thermochronology KW - Patagonia KW - Apatite (U-Th)/He, apatite fission track dating KW - thermal modeling KW - Apatit-(U-Th)/He Datierung KW - Apatit-Spaltspurendatierung KW - Patagonia KW - asthenospherisches "slab-window" KW - Neotektonik KW - Rückenkollision KW - thermische Modellierung KW - Thermochronologie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104185 ER - TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Vormoor, Klaus Josef T1 - The changing role of snowmelt- and rainfall dominated floods in Norway under climate change BT - observations, projections, uncertainties Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Stagl, Judith C. T1 - Ecosystems' exposure to climate change - Modeling as support for nature conservation management Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Osudar, Roman T1 - Methane distribution and oxidation across aquatic interfaces T1 - Verteilung und Oxidation von Methan in aquatischen Ökosystemen BT - case studies from Arctic water bodies and the Elbe estuary BT - Fallstudien aus arktischen Wasserkörpern und dem Elbe Ästuar N2 - The increase in atmospheric methane concentration, which is determined by an imbalance between its sources and sinks, has led to investigations of the methane cycle in various environments. Aquatic environments are of an exceptional interest due to their active involvement in methane cycling worldwide and in particular in areas sensitive to climate change. Furthermore, being connected with each other aquatic environments form networks that can be spread on vast areas involving marine, freshwater and terrestrial ecosystems. Thus, aquatic systems have a high potential to translate local or regional environmental and subsequently ecosystem changes to a bigger scale. Many studies neglect this connectivity and focus on individual aquatic or terrestrial ecosystems. The current study focuses on environmental controls of the distribution and aerobic oxidation of methane at the example of two aquatic ecosystems. These ecosystems are Arctic fresh water bodies and the Elbe estuary which represent interfaces between freshwater-terrestrial and freshwater-marine environments, respectively. Arctic water bodies are significant atmospheric sources of methane. At the same time the methane cycle in Arctic water bodies is strongly affected by the surrounding permafrost environment, which is characterized by high amounts of organic carbon. The results of this thesis indicate that the methane concentrations in Arctic lakes and streams substantially vary between each other being regulated by local landscape features (e.g. floodplain area) and the morphology of the water bodies (lakes, streams and river). The highest methane concentrations were detected in the lake outlets and in a floodplain lake complex. In contrast, the methane concentrations measured at different sites of the Lena River did not vary substantially. The lake complexes in comparison to the Lena River, thus, appear as more individual and heterogeneous systems with a pronounced imprint of the surrounding soil environment. Furthermore, connected with each other Arctic aquatic environments have a large potential to transport methane from methane-rich water bodies such as streams and floodplain lakes to aquatic environments relatively poor in methane such as the Lena River. Estuaries represent hot spots of oceanic methane emissions. Also, estuaries are intermediate zones between methane-rich river water and methane depleted marine water. Substantiated through this thesis at the example of the Elbe estuary, the methane distribution in estuaries, however, cannot entirely be described by the conservative mixing model i.e. gradual decrease from the freshwater end-member to the marine water end-member. In addition to the methane-rich water from the Elbe River mouth substantial methane input occurs from tidal flats, areas of significant interaction between aquatic and terrestrial environments. Thus, this study demonstrates the complex interactions and their consequences for the methane distribution within estuaries. Also it reveals how important it is to investigate estuaries at larger spatial scales. Methane oxidation (MOX) rates are commonly correlated with methane concentrations. This was shown in previous research studies and was substantiated by the present thesis. In detail, the highest MOX rates in the Arctic water bodies were detected in methane-rich streams and in the floodplain area while in the Elbe estuary the highest MOX rates were observed at the coastal stations. However, in these bordering environments, MOX rates are affected not only via the regulation through methane concentrations. The MOX rates in the Arctic lakes were shown to be also dependent on the abundance and community composition of methane-oxidising bacteria (MOB), that in turn are controlled by local landscape features (regardless of the methane concentrations) and by the transport of MOB between neighbouring environments. In the Elbe estuary, the MOX rates in addition to the methane concentrations are largely affected by the salinity, which is in turn regulated by the mixing of fresh- and marine waters. The magnitude of the salinity impact on MOX rates thereby depends on the MOB community composition and on the rate of the salinity change. This study extends our knowledge of environmental controls of methane distribution and aerobic methane oxidation in aquatic environments. It also illustrates how important it is to investigate complex ecosystems rather than individual ecosystems to better understand the functioning of whole biomes. N2 - Aufgrund des Anstiegs der Methankonzentration in der Atmosphäre, der durch ein Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senken hervorgerufen wird, steht der Methankreislauf im Fokus der Forschung. Aquatische Ökosysteme, und im Speziellen solche, die vom Klimawechsel besonders betroffen sind, spielen eine wichtige Rolle im globalen Methankreislauf. Darüber hinaus können sie über große Areale miteinander verknüpft sein und terrestrische mit marinen Ökosystemen verbinden. In aquatischen Systemen können sich daher lokale und regionale Umweltänderungen auf sehr große räumliche Skalen auswirken. Viele Untersuchungen berücksichtigen diesen Zusammenhang nicht und betrachten aquatische unabhängig von den sich angrenzenden Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Methankonzentration und die mikrobielle aerobe Methanoxidation. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei aquatischen Ökosystemen, arktische Süßwassertransekte und Ästuare, und auf deren mikrobieller Ökologie. Diese beiden Ökosysteme beschreiben typische terrestrisch-limnische und limnisch-marine Übergangsbereiche. Arktische Gewässer stellen eine wichtige Quelle für atmosphärisches Methan dar. Sie werden außerdem stark durch den umgebenden Permafrost, der reich an organischer Substanz ist, beeinflusst. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen am Beispiel des Lena-Deltas, dass sich die Methankonzentrationen in arktischen Seen und Fließgewässern wesentlich voneinander unterscheiden. Besonderen Einfluss üben hierbei das örtliche Landschaftsbild (z.B. Überflutungsbereiche) und die Charakteristika der Wasserkörper (Seen, Wasserläufe und Flüsse) aus. Die höchsten Methankonzentrationen wurden in Seeabläufen und in Seen einer Überflutungsebene (Seekomplex) gemessen. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die Methankonzentrationen an verschiedenen Messpunkten der Lena nur unwesentlich. Der Seekomplex erscheint daher im Vergleich zur Lena heterogener und stark vom umgebenden Bodenökosystem beeinflusst. Die miteinander vernetzten arktischen aquatischen Ökosysteme haben darüber hinaus ein hohes Potential, Methan von methan-reichen Gewässern, wie Wasserläufen und Überflutungsgebieten, zu relativ methan-armen Gewässern wie der Lena zur transportieren. Ästuare sind „hot spots“ der Methanemission von marin beeinflussten Systemen. Sie stellen Übergangszonen zwischen methan-reichem Flusswasser und methan-armem Meerwasser dar. Wie die Untersuchungen am Elbe Ästuar zeigen, kann die Methanverteilung jedoch nicht immer hinreichend durch das konservative Durchmischungs-Model (graduelle Abnahme vom Süß- zum Meerwasser hin) beschrieben werden. Zusätzlich zum methan-reichen Wasser der Elbemündung konnte der Eintrag von Methan in Wattbereichen, Gegenden starker aquatischer und terrestrischer Interaktion, gezeigt werden. Diese Studie verdeutlicht demnach die Komplexität von Ästuarsystemen hinsichtlich der Methanverteilung und die Notwendigkeit, diese in größeren Maßstäben zu untersuchen. Methanoxidationsraten (MOX-Raten) korrelieren gewöhnlich mit den Methankonzentrationen. Dies zeigen die hier vorliegenden Daten aber auch vorherige Studien. Die höchsten MOX-Raten der arktischen Gewässer wurden im Rahmen dieser Arbeit in methan-reichen Fließgewässern sowie einer Überflutungsebene gemessen. Im Elbeästuar wurden die höchsten Werte an den Küstenstationen aufgezeichnet. In den jeweils untersuchten Übergangszonen werden die MOX-Raten jedoch nicht nur durch die Methankonzentrationen gekennzeichnet. In den arktischen Seen werden sie zusätzlich durch die Zellzahl und Populationsstruktur von Methan oxidierenden Bakterien (MOB) bestimmt, welche wiederum durch lokale Umweltfaktoren (unabhängig von der Methankonzentration) und den Transport von MOB zwischen benachbarten Ökosystemen beeinflusst werden. Im Elbeästuar hingegen werden die MOX-Raten neben den Methankonzentrationen größtenteils von der Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, bedingt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass im Elbeästuar die Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, einen großen Einfluss auf die MOX-Raten hat. Das Ausmaß dieses Einflusses hängt dabei von der Populationsstruktur der MOB und der Geschwindigkeit des Salinitätswechsels ab. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, Zusammenhänge zwischen Methankonzentration, dem Prozess und Mikrobiom der aeroben Methanoxidation und bestimmten Umweltfaktoren wie beispielsweise der Salinität in aquatischen Systemen besser zu verstehen. Sie verdeutlicht außerdem, wie bedeutsam es ist, aquatische Ökosysteme in ihrer räumlichen Komplexität und nicht entkoppelt zu betrachten. KW - microbial methane oxidation KW - mikrobielle aerobe Methanoxidation KW - aquatic ecosystems KW - aquatischen Ökosystemen KW - Elbe estuary KW - Elbe Ästuar KW - Lena Delta KW - arktische Gewässer KW - arctic water bodies Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96799 ER - TY - THES A1 - Marc, Odin T1 - Earthquake-induced landsliding T1 - Erdbeben induzierten Hangrutschungen BT - earthquakes as erosional agents across timescales BT - Erdbeben als Erosions-Agenten über Zeitskalen N2 - Earthquakes deform Earth's surface, building long-lasting topographic features and contributing to landscape and mountain formation. However, seismic waves produced by earthquakes may also destabilize hillslopes, leading to large amounts of soil and bedrock moving downslope. Moreover, static deformation and shaking are suspected to damage the surface bedrock and therefore alter its future properties, affecting hydrological and erosional dynamics. Thus, earthquakes participate both in mountain building and stimulate directly or indirectly their erosion. Moreover, the impact of earthquakes on hillslopes has important implications for the amount of sediment and organic matter delivered to rivers, and ultimately to oceans, during episodic catastrophic seismic crises, the magnitude of life and property losses associated with landsliding, the perturbation and recovery of landscape properties after shaking, and the long term topographic evolution of mountain belts. Several of these aspects have been addressed recently through individual case studies but additional data compilation as well as theoretical or numerical modelling are required to tackle these issues in a more systematic and rigorous manner. This dissertation combines data compilation of earthquake characteristics, landslide mapping, and seismological data interpretation with physically-based modeling in order to address how earthquakes impact on erosional processes and landscape evolution. Over short time scales (10-100 s) and intermediate length scales (10 km), I have attempted to improve our understanding and ability to predict the amount of landslide debris triggered by seismic shaking in epicentral areas. Over long time scales (1-100 ky) and across a mountain belt (100 km) I have modeled the competition between erosional unloading and building of topography associated with earthquakes. Finally, over intermediate time scales (1-10 y) and at the hillslope scale (0.1-1 km) I have collected geomorphological and seismological data that highlight persistent effects of earthquakes on landscape properties and behaviour. First, I compiled a database on earthquakes that produced significant landsliding, including an estimate of the total landslide volume and area, and earthquake characteristics such as seismic moment and source depth. A key issue is the accurate conversion of landslide maps into volume estimates. Therefore I also estimated how amalgamation - when mapping errors lead to the bundling of multiple landslide into a single polygon - affects volume estimates from various earthquake-induced landslide inventories and developed an algorithm to automatically detect this artifact. The database was used to test a physically-based prediction of the total landslide area and volume caused by earthquakes, based on seismological scaling relationships and a statistical description of the landscape properties. The model outperforms empirical fits in accuracy, with 25 out of 40 cases well predicted, and allows interpretation of many outliers in physical terms. Apart from seismological complexities neglected by the model I found that exceptional rock strength properties or antecedent conditions may explain most outliers. Second, I assessed the geomorphic effects of large earthquakes on landscape dynamics by surveying the temporal evolution of precipitation-normalized landslide rate. I found strongly elevated landslide rates following earthquakes that progressively recover over 1 to 4 years, indicating that regolith strength drops and recovers. The relaxation is clearly non-linear for at least one case, and does not seem to correlate with coseismic landslide reactivation, water table level increase or tree root-system recovery. I suggested that shallow bedrock is damaged by the earthquake and then heals on annual timescales. Such variations in ground strength must be translated into shallow subsurface seismic velocities that are increasingly surveyed with ambient seismic noise correlations. With seismic noise autocorrelation I computed the seismic velocity in the epicentral areas of three earthquakes where I constrained a change in landslide rate. We found similar recovery dynamics and timescales, suggesting that seismic noise correlation techniques could be further developed to meaningfully assess ground strength variations for landscape dynamics. These two measurements are also in good agreement with the temporal dynamics of post-seismic surface displacement measured by GPS. This correlation suggests that the surface healing mechanism may be driven by tectonic deformation, and that the surface regolith and fractured bedrock may behave as a granular media that slowly compacts as it is sheared or vibrated. Last, I compared our model of earthquake-induced landsliding with a standard formulation of surface deformation caused by earthquakes to understand which parameters govern the competition between the building and destruction of topography caused by earthquakes. In contrast with previous studies I found that very large (Mw>8) earthquakes always increase the average topography, whereas only intermediate (Mw ~ 7) earthquakes in steep landscapes may reduce topography. Moreover, I illustrated how the net effect of earthquakes varies with depth or landscape steepness implying a complex and ambivalent role through the life of a mountain belt. Further I showed that faults producing a Gutenberg-Richter distribution of earthquake sizes, will limit topography over a larger range of fault sizes than faults producing repeated earthquakes with a characteristic size. N2 - Erdbeben gestalten die Erdoberfläche, sie tragen langfristig zum Aufbau von Topografie sowie zur Landschafts- und Gebirgsbildung bei. Die von Erdbeben erzeugten seismischen Erschütterungen können Gebirge jedoch auch destabilisieren und grosse Mengen an Boden sowie Grundgestein zum Abrutschen bringen und zerrüten. Erdbeben wirken daher sowohl auf die Gebirgsbildung als auch auf ihre Denudation. Ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen von Erdbeben auf Hangstabilität ist eine wichtige Voraussetzung um die Zusammenhänge mit anderen Prozesse besser nachzuvollziehen: der kurzfristige Transport von Sedimenten und organischem Material in Flüsse und ihre Ablagerung bis in die Ozeane; der Verlust von Leben und Infrastruktur durch Hangrutschungen verbunden mit episodischen, katastrophalen, seismischen Ereignissen; die Störung und Wiederherstellung von Landschaftseigenschaften nach Erdbeben; sowie die langfristigen topographischen Entwicklung von ganzen Gebirgsketten. Einige dieser Forschungsfragen wurden kürzlich in einzelnen Fallstudien betrachtet aber zusätzliche Datenerfassung, theoretische und numerische Modellierung sind erforderlich, um diese Prozesse detaillierter zu erfassen. In dieser Dissertation werden Daten zu Eigenschaften der Erdbeben sowie aus Hangrutsch kartierungen und die Interpretation seismologischer Daten mit physikalischer Modellierung kombiniert, um die folgende übergreifende Frage zu beantworten: Wie beeinflussen Erdbeben die Erosionsprozesse in der Landschaftsentwicklung? Auf einer kurzen Zeitskala (10-100 s) und einer mittleren räumlichen Skala (10 km), habe ich versucht sowohl unser Prozessverständnis zu vertiefen als auch Vorhersagen über das gesamte Volumen der Rutschungen welche durch seismische Beben in der unmittelbaren Umgebung von Epizentren ausgelöst wurden, zu treffen und zu verbessern Auf einer langen Zeitskala (1-100 ky) und über einen Gebirgsgürtel (100 km) habe ich die durch Erdbeben ausgelösten konkurrierenden Prozesse von Abflachung von Topografie durch Erosion und den Aufbau von Topografie durch Hebung, modelliert. Auf einer mittleren Zeitskala (1-10 Jahre) und einer relativ kleinen Hangskala (0,1-1 km) habe ich geomorphologische und seismologische Daten erhoben, welche die anhaltenden Auswirkungen von Erdbeben auf Landschaftseigenschaften und deren Dynamic hervorheben. Zuerst habe ich eine Datenbank von Erdbeben erstellt, welche erhebliche Hangrutschungen ausgelöst hatten, einschliesslich einer Schätzung des gesamten Hangrutschungsvolumens und der Erdbebencharakteristiken wie z.B. seismischer Moment und Lage des Hypozentrums. Ich habe auch beurteilt, wie die Kartierung von Erdrutschen die Abschätzungen des Gesamtvolumens fehlerhaft beeinflussen können und präsentiere einen Algorithmus, um solche Fehler automatisch zu erkennen. Diese Datenbank wurde verwendet, um eine physisch-basierte Vorhersage der durch Erdbeben verursachten gesamten Hangrutschungsflächen und Volumen zu testen, welche auf seismologischen Skalierungsbeziehungen und auf einer statistischen Beschreibung der Landschaftseigenschaften basiert. Zweitens untersuchte ich den Einfluss von starken Erdbeben auf die Landschaftsdynamik durch das Vermessen der temporalen Entwicklung der Suszeptibilität von Hangrutschungen. Ich habe gezeigt, dass die stark erhöhte Hangrutschrate nach dem Erdbeben schrittweise nach einigen Jahren zurückging. Diesen Rückgang über die Zeit interpretiere ich als die Zerrüttung von oberflächennahem Gestein durch das Erdbeben und die Heilung der dadurch entstandenen Risse über der Zeit. Meine Daten deuten darauf hin, dass die Zerrüttungen und die anschliessende Heilung des Festgesteins in dem epizentralen Gebieten mit ambienten, seismischen Hintergrundrauschen überwacht werden kann. Möglicherweise wird die Heilung zusätzlich durch andauernde post-seismische Deformation angetrieben. Am Ende der Arbeit vergleiche ich meine entwickelten Modelle von erdbebenbedingten Hangrutschungen mit einer Standardformel für erdbebenverursachte Oberflächendeformierung. Mit diesem Vergleich zeige ich welche Parameter den Wettstreit zwischen der Hebung von Topografie und der gleichzeitigen Zerstörung von Topografie durch Erdbeben bestimmen. Ich zeige, dass nur mittlere - Mw ~ 7 - Erdbeben die Topografie reduzieren können im Gegensatz zu stärkeren - Mw > 8 - Beben die immer einen effektive Bildung von Topografie verursachen. Meine Ergebnisse zeigen die komplexen Zusammenhänge von Erdbeben in der Gebirgsbildung. KW - earthquake KW - landslide KW - erosion KW - Erdbeben KW - Erdrutsch KW - Erosion KW - topography KW - Topographie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96808 ER - TY - THES A1 - Emberson, Robert T1 - Chemical weathering driven by bedrock landslides Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Hannemann, Katrin T1 - Seismological investigation of the oceanic crust und upper mantle using an ocean bottom station array in the vicinity of the Gloria fault (easter mid Atlantic) Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Jara Muñoz, Julius T1 - Quantifying forearc deformation patterns using coastal geomorphic markers T1 - Quantifizierung von Deformationsmustern mit Hilfe von Kustengeomorphologischen Markern BT - A comprehensive study of marine terraces along the 2010 Maule earthquake (M8.8) rupture zone N2 - Rapidly uplifting coastlines are frequently associated with convergent tectonic boundaries, like subduction zones, which are repeatedly breached by giant megathrust earthquakes. The coastal relief along tectonically active realms is shaped by the effect of sea-level variations and heterogeneous patterns of permanent tectonic deformation, which are accumulated through several cycles of megathrust earthquakes. However, the correlation between earthquake deformation patterns and the sustained long-term segmentation of forearcs, particularly in Chile, remains poorly understood. Furthermore, the methods used to estimate permanent deformation from geomorphic markers, like marine terraces, have remained qualitative and are based on unrepeatable methods. This contrasts with the increasing resolution of digital elevation models, such as Light Detection and Ranging (LiDAR) and high-resolution bathymetric surveys. Throughout this thesis I study permanent deformation in a holistic manner: from the methods to assess deformation rates, to the processes involved in its accumulation. My research focuses particularly on two aspects: Developing methodologies to assess permanent deformation using marine terraces, and comparing permanent deformation with seismic cycle deformation patterns under different spatial scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Two methods are developed to determine deformation rates from wave-built and wave-cut terraces respectively. I selected an archetypal example of a wave-built terrace at Santa Maria Island studying its stratigraphy and recognizing sequences of reoccupation events tied with eleven radiocarbon sample ages (14C ages). I developed a method to link patterns of reoccupation with sea-level proxies by iterating relative sea level curves for a range of uplift rates. I find the best fit between relative sea-level and the stratigraphic patterns for an uplift rate of 1.5 +- 0.3 m/ka. A Graphical User Interface named TerraceM® was developed in Matlab®. This novel software tool determines shoreline angles in wave-cut terraces under different geomorphic scenarios. To validate the methods, I select test sites in areas of available high-resolution LiDAR topography along the Maule earthquake rupture zone and in California, USA. The software allows determining the 3D location of the shoreline angle, which is a proxy for the estimation of permanent deformation rates. The method is based on linear interpolations to define the paleo platform and cliff on swath profiles. The shoreline angle is then located by intersecting these interpolations. The accuracy and precision of TerraceM® was tested by comparing its results with previous assessments, and through an experiment with students in a computer lab setting at the University of Potsdam. I combined the methods developed to analyze wave-built and wave-cut terraces to assess regional patterns of permanent deformation along the (2010) Maule earthquake rupture. Wave-built terraces are tied using 12 Infra Red Stimulated luminescence ages (IRSL ages) and shoreline angles in wave-cut terraces are estimated from 170 aligned swath profiles. The comparison of coseismic slip, interseismic coupling, and permanent deformation, leads to three areas of high permanent uplift, terrace warping, and sharp fault offsets. These three areas correlate with regions of high slip and low coupling, as well as with the spatial limit of at least eight historical megathrust ruptures (M8-9.5). I propose that the zones of upwarping at Arauco and Topocalma reflect changes in frictional properties of the megathrust, which result in discrete boundaries for the propagation of mega earthquakes. To explore the application of geomorphic markers and quantitative morphology in offshore areas I performed a local study of patterns of permanent deformation inferred from hitherto unrecognized drowned shorelines at the Arauco Bay, at the southern part of the (2010) Maule earthquake rupture zone. A multidisciplinary approach, including morphometry, sedimentology, paleontology, 3D morphoscopy, and a landscape Evolution Model is used to recognize, map, and assess local rates and patterns of permanent deformation in submarine environments. Permanent deformation patterns are then reproduced using elastic models to assess deformation rates of an active submarine splay fault defined as Santa Maria Fault System. The best fit suggests a reverse structure with a slip rate of 3.7 m/ka for the last 30 ka. The register of land level changes during the earthquake cycle at Santa Maria Island suggest that most of the deformation may be accrued through splay fault reactivation during mega earthquakes, like the (2010) Maule event. Considering a recurrence time of 150 to 200 years, as determined from historical and geological observations, slip between 0.3 and 0.7 m per event would be required to account for the 3.7 m/ka millennial slip rate. However, if the SMFS slips only every ~1000 years, representing a few megathrust earthquakes, then a slip of ~3.5 m per event would be required to account for the long- term rate. Such event would be equivalent to a magnitude ~6.7 earthquake capable to generate a local tsunami. The results of this thesis provide novel and fundamental information regarding the amount of permanent deformation accrued in the crust, and the mechanisms responsible for this accumulation at millennial time-scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Furthermore, the results of this thesis highlight the application of quantitative geomorphology and the use of repeatable methods to determine permanent deformation, improve the accuracy of marine terrace assessments, and estimates of vertical deformation rates in tectonically active coastal areas. This is vital information for adequate coastal-hazard assessments and to anticipate realistic earthquake and tsunami scenarios. N2 - Küstenregionen, die von schnellen Hebungsraten gekennzeichnet sind, werden häufig mit konvergierenden Plattengrenzen assoziiert, beispielsweise mit Subduktionszonen, die wiederholt von Mega-Erdbeben betroffen sind. Das Küstenrelief tektonisch aktiver Gebiete formt sich durch die Effekte von Meeresspiegelschwankungen und die heterogenen Muster der permanenten tektonischen Deformation, die im Zuge von mehreren Erdbebenzyklen entstand. Jedoch die Korrelation zwischen den Deformationsmustern von Erdbeben und der langfristig anhaltenden Segmentation der ‚Forearcs’ ist noch wenig erforscht, insbesondere in Chile. Darüber hinaus sind die Methoden zur Schätzung der permanenten Deformation geomorphologischer Marker, wie beispielsweise mariner Terrassen, lediglich qualitativ oder basieren nicht auf wiederholbaren Messungen. Dies steht im Kontrast zu der mittlerweile höheren Auflösung verfügbarer digitaler Geländemodelle, die z.B. mit LiDAR (Light Detection and Ranging) oder durch hochauflösende bathymetrische Studien gewonnen werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird die permanente Deformation einer ganzheitlichen Betrachtung unterzogen, die von den zu Grunde liegenden Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten bis hin zu den involvierten Prozessen bei deren Akkumulation reicht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf zwei Aspekte gerichtet: Einerseits die Entwicklung von Methoden zur Messung permanenter Deformation anhand von marinen Terrassen, und andererseits der Vergleich zwischen permanenter Deformation und Deformationsmustern des seismischen Zyklus anhand unterschiedlicher räumlicher Ausmaße entlang der Bruchzone des M8.8 Maule (2010) Erdbebens entstanden. Es werden zwei Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten von ’wave-built’ und ‘wave-cut’ Terrassen entwickelt. Ein archetypischer Beispiel einer ‘wave-built’ Terrasse wird auf der Insel Santa Maria untersucht. Durch die detaillierte Studie der Sedimentabfolge, werden wiederkehrende Ereignisse der Reaktivierung der Terrasse identifiziert, die anhand von Messungen an Kohlenstoffisotopen (C14- Datierung) von 11 Proben zeitlich eingegrenzt werden. Es wird eine Methode entwickelt, um solche Reaktivierungsmuster mit Meeresspiegelindikatoren in Verbindung zu bringen, wobei die relativen Meeresspiegelkurven mit einer Reihe von Hebungsraten korreliert werden. Die beste Korrelation zwischen Meeresspiegelschwankungen und dem stratigrafischen Muster wird unter Berücksichtigung einer Hebungsrate von 1.5 ± 0.3 m/ka erreicht. Unter Verwendung der Software Matlab® wird die grafische Benutzeroberfläche TerraceM® entwickelt. Diese neue Methode erlaubt die Bestimmung von Küstenwinkels in ‘wave-cut’ Terrassen in verschiedenen geomorphischen Szenarien. Zur Validierung der Methoden werden Regionen entlang der Bruchzone des Maule-Erdbebens und in Kalifornien ausgewählt, für die hochauflösende LiDAR-Daten der Topografie zur Verfügung stehen. Die Software ermöglicht es, den 3D Standort des Küstenwinkels zu bestimmen, der als Proxy für die Schätzung permanenter Deformationsraten fungiert. Dabei nutzt die Methode lineare Interpolation um die Paleo Plattform und die Klippen mit Swath Profilen zu definieren. Im Anschluss wird der Küstenwinkel durch die Überschneidung dieser Interpolationen lokalisiert. Die Genauigkeit und Robustheit von „TerraceM“ wird durch den Vergleich der Ergebnisse mit denen vorangegangener Untersuchungen überprüft. Um regionale Muster permanenter Deformationen entlang der (2010) Maule Bruchzone zu untersuchen werden die Methoden für die ‚wave-built’ und ‚wave-cut’ Terrassen kombiniert. ‘Wave-built’ Terrassen werden mittels 12 Infrarot-Optisch-Stimulierten Lumineszenz (IRSL) Proben datiert, während die Küstenwinkel der ‘wave-cut’ Terrassen anhand von 170 abgestimmten SWATH-Profilen geschätzt wurden. Durch den Vergleich von co-seismischem Versatz, interseismischer Kopplung und permanenter Deformation ergaben sich drei Gebiete mit hoher permanenter Erhebung, Terrassenkrümmung und abruptem, störungsbedingtem Versatz. Diese drei Gebiete korrelieren mit Regionen von hohem Versatz und niedriger Kopplung, sowie mit der räumlichen Begrenzung der Bruchzonen von mindestens acht historischen Mega-Erdbeben. Es wird argumentiert, dass die ansteigenden Zonen bei Arauco und Topocalma Änderungen der Reibungseigenschaften von Mega-Erdbeben widerspiegeln, was diskrete Grenzen für die Ausbreitung von Mega-Erdbeben zur Folge hat. Ein weiterer Beitrag dieser Dissertation ist die lokale Untersuchung permanenter Deformationsmuster von bislang unbekannten überflutete Küstenlinien in der Arauco-Bucht bei der Santa Maria Insel, die ebenfalls vom Maule Erdbeben betroffen wurde. Ein multidisziplinärer Ansatz wird verwendet, um lokale Muster permanenter Deformation in submarinen Umgebungen zu erkennen, abzubilden und zu untersuchen. Dabei kommen Morphometrie, Sedimentologie, Paläontologie, 3D Morphoskopie und ein Landschafts-Entwicklungs-Model zum Einsatz. Permanente Deformationsmuster werden anhand eines elastischen Models nachgebildet und bestimmen die Deformationsraten einer aktiven, submarinen Aussenstörung (‘splay fault’), die als Santa Maria Störungszone definiert wird und durch eine Versatzrate von 3.7 m/ka für die letzten 30 ka charakterisiert ist. Die Aufzeichnungen zu Veränderungen der Elevation der Erdoberfläche während des Santa Maria Erdbebenzyklus deuten darauf hin, dass der wesentliche Teil der Deformation auf die Reaktivierung einer ‘Splay Fault’ während Mega-Erdbeben (wie z.B. das Maule (2010) Erdbeben) zurückzuführen ist. Allerdings die Sismizität in geringer Tiefe, die während der letzten zehn Jahre vor dem Maule-Erdbeben registriert wurde, deutet auf vorübergehende Störungsaktivität in der interseismischen Phase hin. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern neuartige und fundamentale Daten bezüglich der Menge und Mechanismen der Akkumulierung permanenter Deformation in der Erdkruste über mehrere tausend Jahre hinweg in der Region des M8.8 Maule Erdbebens (2010). Die in dieser Dissertation präsentierten neuen Methoden zur Charakterisierung permanenter Deformation mithilfe von geomorpologischen Küstenmarkern bieten einen breiteren quantitativen Ansatz zur Interpretation aktiver Deformation dar und können somit zu einem besseren Verständnis der Geologie in tektonisch aktiven Küstengebieten beitragen. N2 - Las regiones costeras tectónicamente activas están generalmente asociadas con zonas de subducción, las cuales son recurrentemente afectadas por megaterremotos de gran magnitud. El relieve costero es modelado por el efecto combinado de variaciones eustáticas y patrones de alzamiento tectónico heterogéneos, los cuales son acumulados luego de varios ciclos de megaterremotos. Sin embargo, la correlación entre los patrones de deformación asociados a megaterremotos y la persistente segmentación de las zonas de antearco, especialmente en Chile, no han sido aún entendidos del todo. Por otra parte, los métodos normalmente usados para estimar deformación permanente y basados en marcadores geomorfológicos, como las terrazas marinas, han permanecido basados en aproximaciones cualitativas y no repetibles. Esta situación es contrastante con el rápido avance de modelos de elevación digital de alta resolución como Light Detection and Ranging (LiDAR) y batimetrías de última generación. A lo largo de esta tesis me enfoco en estudiar la deformación permanente desde un punto de vista holístico: Desde los métodos usados para medir deformación permanente, hasta el estudio de los procesos responsables de su acumulación en la corteza. Mi investigación se enfoca específicamente en dos aspectos: Desarrollar nuevos métodos para medir deformación permanente usando terrazas marinas y comparar la magnitud de la deformación permanente con diferentes escalas temporales de deformación registrada durante las distintas fases del ciclo sísmico a lo largo de la zona de ruptura del (M8.8) Terremoto Maule 2010. En esta tesis he desarrollado dos métodos para determinar tasas de deformación en terrazas marinas del tipo wave-built y wave-cut. Para el primero, me enfoco en estudiar un ejemplo arquetípico de terraza marina tipo wave-built en Isla Santa María, mapeando su estratigrafía en detalle y reconociendo patrones de eventos de reocupación datados mediante once edades de radiocarbono (14C). He desarrollado un método para vincular los patrones de reocupación con variaciones del nivel del mar mediante la iteración de curvas relativas del nivel del mar para un rango de tasas de alzamiento. El mejor ajuste entre nivel del mar relativo y los patrones estratigráficos señala una tasa de alzamiento de 1.5 ± 0.3 m/ka. El segundo método es un software de interfaz gráfica llamado TerraceM® y desarrollado usando Matlab®. Esta novedosa herramienta permite determinar el shoreline-angle en terrazas del tipo wave-cut para diferentes escenarios geomorfológicos. Para validar estos métodos he seleccionado zonas de prueba con disponibilidad de topografía LiDAR a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010), en Chile, y en California, USA. TerraceM permite determinar la ubicación tridimensional del shoreline-angle, el cual es usado para calcular tasas de deformación permanente. El shoreline-angle es localizado mediante la intersección de interpolaciones lineales, las que son usadas para definir la paleo plataforma y el paleo acantilado en perfiles topográficos swath. La precisión y exactitud de las mediciones con TerraceM es testeada comprando los resultados con mapeos previos y mediante un experimento de respetabilidad con estudiantes en el laboratorio de computación de la Universidad de Potsdam. He combinado los métodos creados anteriormente, para analizar terrazas del tipo wave-cut y wave-built, con el objetivo de medir la deformación permanente acumulada a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Las terrazas tipo wave-built fueron datadas usando doce edades de Luminiscencia Estimulada por Luz Infrarroja (IRSL), las terrazas wave-cut fueron estudiadas utilizando 170 perfiles swaths alineados. Mediante la comparación de deslizamiento co-sísmico, acople intersísmico y tasas de deformación permanente he detectado tres áreas de alto alzamiento tectónico, plegamiento de terrazas marinas y zonas desplazadas por fallas activas. Estas tres áreas coinciden con zonas de alto deslizamiento cosísmico y acople, y con el limite espacial de al menos ocho megaterremotos históricos (M8-9.5). Propongo que las zonas de plegamiento de terrazas marinas en Arauco y Topocalma reflejan cambios en fricción de la zona de interplaca, que da como resultado la formación de barreras discretas para la propagación de megaterremotos. Con el objetivo de explorar la aplicación de geomorfología cuantitativa y marcadores geomorfológicos en ambientes submarinos, he desarrollado un estudio local de para determinar tasas de alzamiento tectónico utilizando líneas de costa sumergidas en el Golfo de Arauco, en la parte sur de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Utilizo una metodología multidisciplinaria que incluye: morfometría, sedimentología, paleontología, morfoscopía 3D y un modelo de evolución del relieve, con el objetivo de reconocer, cartografiar, y medir tasas y patrones de deformación permanente en ambientes submarinos. Luego, se utilizó un modelo elástico para reproducir los patrones de deformación permanente de una falla ramificada (splay- fault) definida como Sistema de Falla Santa María. El mejor modelo sugiere una estructura inversa con una tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka durante los últimos ~30 ka. El registro de cambios del nivel del terreno durante el ciclo sísmico en Isla Santa María sugiere que la mayor parte de la deformación es acumulada a través de la reactivación de fallas ramificadas durante megaterremotos como el Maule (2010). Si consideramos 150 a 200 años como tiempo de recurrencia de estos mega eventos, un deslizamiento de entre 0.3 y 0.7 metros por evento sería necesario para equilibrar la tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka. Sin embargo, si la falla se deslizara cada ~1000 años, sugiriendo que solo algunos terremotos podrían reactivarla, un deslizamiento de ~3.5 metros por evento serían necesarios para equilibrar la tasa de deslizamiento. Tal evento sería equivalente a un terremoto magnitud ~6.7 que sería capaz de producir un tsunami local. Los resultados de esta tesis entregan información nueva y fundamental acerca de la cantidad de deformación permanente y los posibles mecanismos asociados a esta deformación a escala de miles de años a lo largo de la zona de ruptura del M8.8 Terremoto Maule (2010). Además, los resultados de esta tesis destacan la aplicación de métodos de geomorfología cuantitativa, incluyendo nuevas herramientas computacionales como TerraceM®, el cual ayudará a expandir el uso de la geomorfología cuantitativa y métodos repetibles, además de mejorar la precisión y exactitud de estimaciones de deformación permanente en zonas costeras. Esta información es imprescindible para una adecuada ponderación de riesgos geológicos en zonas costeras y para anticipar escenarios de terremotos y tsunamis realísticos. KW - marine terraces KW - geomorphology KW - earthquake KW - subduction zone KW - permanent deformation KW - shorelines KW - Erdbeben KW - Geomorphologie KW - marine Terrassen KW - permanente Verformung KW - Küstenlinien KW - Subduktionszone Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102652 ER - TY - THES A1 - Falter, Daniela T1 - A novel approach for large-scale flood risk assessments T1 - Ein neuartiger Ansatz für großskalige Hochwasserrisikoanalysen BT - continuous and long-term simulation of the full flood risk chain BT - kontinuierliche Langzeitsimulation der gesamten Hochwasserrisikokette N2 - In the past, floods were basically managed by flood control mechanisms. The focus was set on the reduction of flood hazard. The potential consequences were of minor interest. Nowadays river flooding is increasingly seen from the risk perspective, including possible consequences. Moreover, the large-scale picture of flood risk became increasingly important for disaster management planning, national risk developments and the (re-) insurance industry. Therefore, it is widely accepted that risk-orientated flood management ap-proaches at the basin-scale are needed. However, large-scale flood risk assessment methods for areas of several 10,000 km² are still in early stages. Traditional flood risk assessments are performed reach wise, assuming constant probabilities for the entire reach or basin. This might be helpful on a local basis, but where large-scale patterns are important this approach is of limited use. Assuming a T-year flood (e.g. 100 years) for the entire river network is unrealistic and would lead to an overestimation of flood risk at the large scale. Due to the lack of damage data, additionally, the probability of peak discharge or rainfall is usually used as proxy for damage probability to derive flood risk. With a continuous and long term simulation of the entire flood risk chain, the spatial variability of probabilities could be consider and flood risk could be directly derived from damage data in a consistent way. The objective of this study is the development and application of a full flood risk chain, appropriate for the large scale and based on long term and continuous simulation. The novel approach of ‘derived flood risk based on continuous simulations’ is introduced, where the synthetic discharge time series is used as input into flood impact models and flood risk is directly derived from the resulting synthetic damage time series. The bottleneck at this scale is the hydrodynamic simu-lation. To find suitable hydrodynamic approaches for the large-scale a benchmark study with simplified 2D hydrodynamic models was performed. A raster-based approach with inertia formulation and a relatively high resolution of 100 m in combination with a fast 1D channel routing model was chosen. To investigate the suitability of the continuous simulation of a full flood risk chain for the large scale, all model parts were integrated into a new framework, the Regional Flood Model (RFM). RFM consists of the hydrological model SWIM, a 1D hydrodynamic river network model, a 2D raster based inundation model and the flood loss model FELMOps+r. Subsequently, the model chain was applied to the Elbe catchment, one of the largest catchments in Germany. For the proof-of-concept, a continuous simulation was per-formed for the period of 1990-2003. Results were evaluated / validated as far as possible with available observed data in this period. Although each model part introduced its own uncertainties, results and runtime were generally found to be adequate for the purpose of continuous simulation at the large catchment scale. Finally, RFM was applied to a meso-scale catchment in the east of Germany to firstly perform a flood risk assessment with the novel approach of ‘derived flood risk assessment based on continuous simulations’. Therefore, RFM was driven by long term synthetic meteorological input data generated by a weather generator. Thereby, a virtual time series of climate data of 100 x 100 years was generated and served as input to RFM providing subsequent 100 x 100 years of spatially consistent river discharge series, inundation patterns and damage values. On this basis, flood risk curves and expected annual damage could be derived directly from damage data, providing a large-scale picture of flood risk. In contrast to traditional flood risk analysis, where homogenous return periods are assumed for the entire basin, the presented approach provides a coherent large-scale picture of flood risk. The spatial variability of occurrence probability is respected. Additionally, data and methods are consistent. Catchment and floodplain processes are repre-sented in a holistic way. Antecedent catchment conditions are implicitly taken into account, as well as physical processes like storage effects, flood attenuation or channel–floodplain interactions and related damage influencing effects. Finally, the simulation of a virtual period of 100 x 100 years and consequently large data set on flood loss events enabled the calculation of flood risk directly from damage distributions. Problems associated with the transfer of probabilities in rainfall or peak runoff to probabilities in damage, as often used in traditional approaches, are bypassed. RFM and the ‘derived flood risk approach based on continuous simulations’ has the potential to provide flood risk statements for national planning, re-insurance aspects or other questions where spatially consistent, large-scale assessments are required. N2 - In der Vergangenheit standen bei der Betrachtung von Hochwasser insbesondere technische Schutzmaßnahmen und die Reduzierung der Hochwassergefahr im Mittelpunkt. Inzwischen wird Hochwasser zunehmend aus der Risikoperspektive betrachtet, d.h. neben der Gefährdung werden auch die Auswirkungen berücksichtigt. In diesem Zuge wurde auch die Notwendigkeit von großräumigen Hochwasserrisikoanalysen für das Management von Naturgefahren und als Planungsgrundlage auf nationaler Ebene sowie für die Rückversicherungsindustrie erkannt. Insbesondere durch die Einführung der Europäischen Hochwasserrisikomanagement Richtlinie sind risikoorientierte Managementpläne auf Einzugsgebietsebene obligatorisch. Allerdings befinden sich großräumige Hochwasserrisikoanalysen von mehreren 10.000 km², noch in den Anfängen. Traditionell werden Hochwasserrisikoanalysen für Gewässerabschnitte durchgeführt, wobei homogene Wiederkehrintervalle für das ganze Untersuchungsgebiet angenommen werden. Für lokale Fragestellungen ist diese Vorgehensweise sinnvoll, dies gilt allerdings nicht für die großräumige Analyse des Hochwasserrisikos. Die Annahme eines beispielsweise 100-jährigen Hochwassers im gesamten Gebiet ist unrealistisch und das Hochwasserrisiko würde dabei stark überschätzt werden. Aufgrund unzureichender Schadensdaten werden bei der Berechnung des Risikos oftmals die Wahrscheinlichkeiten des Niederschlags oder der Hochwasserscheitelabflüsse als Annäherung für die Wahrscheinlichkeit des Schadens angenommen. Durch eine kontinuierliche Langzeit-Simulation der gesamten Hochwasserrisikokette könnte sowohl die räumliche Verteilung der Wiederkehrintervalle berücksichtig werden, als auch das Hochwasserrisiko direkt aus Schadenszeitreihen abgeleitet werden. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung einer, für großräumige Gebiete geeigneten, kontinuierlichen Hochwasserrisikomodellkette. Damit wird ein neuartiger Ansatz des ‚abgeleiteten Hochwasserrisikos basierend auf kontinuierlichen Simulationen‘ eingeführt, der das Hochwasserrisiko direkt aus den simulierten Abflusszeitreichen und den daraus resultierenden Schadenzeitreihen ableitet. Die größte Herausforderung der Hochwasserrisikokette liegt bei den sehr rechenintensiven, detaillierten hydraulischen Simulationen. Um geeignete hydraulische Modelle für die großräumige Anwendung zu identifizieren, wurde eine Benchmark-Studie mit 2D Modellen unterschiedlicher Komplexität durchgeführt. Auf dieser Grundlage wurde für die Hochwasserrisikomodellkette ein rasterbasierter Ansatz mit einer relativ hohen Auflösung von 100 m in Kombination mit einem schnellen 1D Fließgewässermodell ausgewählt. Um die Eignung einer kontinuierlichen Simulation der gesamten Hochwasserrisikokette für großräumige Anwendungen zu prüfen, wurden zunächst alle Komponenten der Modellkette im ‚Regional Flood Model‘ (RFM) zusammengeführt. RFM besteht aus dem hydrologischen Modell SWIM, 1D und 2D hydraulischen Modellen, sowie dem Schadensmodell FELMOps+r. Nachfolgend wurde die Modellkette für das Elbe-Einzugsgebiet (>60.000 km²) angewendet. Es wurde eine kontinuierliche Simulation für den Zeitraum 1990-2003 durchgeführt. Die Ergebnisse wurden nach Möglichkeit mit vorhandenen Messdaten validiert/evaluiert. Auch wenn jede Komponente zu Unsicherheiten in den Ergebnissen der Modellkette beiträgt, sind die Ergebnisse und Rechenzeiten für die Anwendung auf großskaliger Einzugsgebietsebene als adäquat anzusehen. Schließlich wurde RFM in einem mesoskaligen Einzugsgebiet (6.000 km²) im Osten von Deutschland angewendet, um erstmals eine Hochwasserrisikoanalyse mit dem neuartigen Ansatz des ‚abgeleiteten Hochwasserrisikos basierend auf kontinuierlichen Simulationen‘ durchzuführen. Als Input wurde eine 100 x 100-jährige Zeitreihe meteorologischer Daten von einem Wettergenerator erzeugt. Die somit erzeugte 100 x 100-jährige konsistente Abflusszeitreihe, Überschwemmungsmuster und Schadenswerte dienten als Basis für die nachfolgende Erstellung von Hochwasserrisikokurven und Schadenserwartungswerten für das Untersuchungsgebiet. Diese ermöglichen eine großräumige Analyse des Hochwasserrisikos. Dabei wurde die räumliche Variation der Wahrscheinlichkeiten berücksichtigt. Die verwendeten Daten und Methoden waren außerdem im gesamten Untersuchungsgebiet einheitlich. Einzugsgebietsprozesse und Prozesse der Überschwemmungsflächen werden holistisch dargestellt. Die Vorbedingungen im Einzugsgebiet sowie physikalische Prozesse, wie Rückhalteeffekte, Überlagerungseffekte im Gewässernetz oder Interaktionen zwischen Fluss und Überschwemmungsflächen, werden implizit berücksichtigt. Die Simulation von 100 x 100 Jahren und die daraus resultierende große Anzahl an Schadensdaten ermöglichen die direkte Berechnung des Hochwasserrisikos aus Schadenswahrscheinlichkeiten. Die Probleme, die durch die Übertragung von Wahrscheinlichkeiten von Niederschlag oder Scheitelabfluss auf die Wahrscheinlichkeiten im Schaden resultieren, werden umgangen. RFM und der Ansatz des ‚abgeleiteten Hochwasserrisikos basierend auf kontinuierlichen Simulationen‘ haben das Potential Hochwasserrisikoaussagen für nationale Planungen, Rückversicherungsaspekte oder andere Fragestellungen, bei denen räumlich konsistente und großräumige Analysen nötig sind, zu treffen. KW - flood risk KW - hydraulic simulation KW - flood risk analysis KW - risk model chain KW - floodplain inundation KW - Hochwasserrisikoanalysen KW - Hochwasserrisikokette KW - Überschwemmungsflächen KW - kontinuierlicher Simulationsansatz Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90239 ER - TY - THES A1 - Nied, Manuela T1 - The role of soil moisture and weather patterns for flood occurrence and characteristics at the river basin scale T1 - Die Bedeutung von Mustern der Bodenfeuchte und des Wetters für das Auftreten und die Ausprägung von Hochwasserereignissen auf der Skala des Flusseinzugsgebietes N2 - Flood generation at the scale of large river basins is triggered by the interaction of the hydrological pre-conditions and the meteorological event conditions at different spatial and temporal scales. This interaction controls diverse flood generating processes and results in floods varying in magnitude and extent, duration as well as socio-economic consequences. For a process-based understanding of the underlying cause-effect relationships, systematic approaches are required. These approaches have to cover the complete causal flood chain, including the flood triggering meteorological event in combination with the hydrological (pre-)conditions in the catchment, runoff generation, flood routing, possible floodplain inundation and finally flood losses. In this thesis, a comprehensive probabilistic process-based understanding of the causes and effects of floods is advanced. The spatial and temporal dynamics of flood events as well as the geophysical processes involved in the causal flood chain are revealed and the systematic interconnections within the flood chain are deciphered by means of the classification of their associated causes and effects. This is achieved by investigating the role of the hydrological pre-conditions and the meteorological event conditions with respect to flood occurrence, flood processes and flood characteristics as well as their interconnections at the river basin scale. Broadening the knowledge about flood triggers, which up to now has been limited to linking large-scale meteorological conditions to flood occurrence, the influence of large-scale pre-event hydrological conditions on flood initiation is investigated. Using the Elbe River basin as an example, a classification of soil moisture, a key variable of pre-event conditions, is developed and a probabilistic link between patterns of soil moisture and flood occurrence is established. The soil moisture classification is applied to continuously simulated soil moisture data which is generated using the semi-distributed conceptual rainfall-runoff model SWIM. Applying successively a principal component analysis and a cluster analysis, days of similar soil moisture patterns are identified in the period November 1951 to October 2003. The investigation of flood triggers is complemented by including meteorological conditions described by a common weather pattern classification that represents the main modes of atmospheric state variability. The newly developed soil moisture classification thereby provides the basis to study the combined impact of hydrological pre-conditions and large-scale meteorological event conditions on flood occurrence at the river basin scale. A process-based understanding of flood generation and its associated probabilities is attained by classifying observed flood events into process-based flood types such as snowmelt floods or long-rain floods. Subsequently, the flood types are linked to the soil moisture and weather patterns. Further understanding of the processes is gained by modeling of the complete causal flood chain, incorporating a rainfall-runoff model, a 1D/2D hydrodynamic model and a flood loss model. A reshuffling approach based on weather patterns and the month of their occurrence is developed to generate synthetic data fields of meteorological conditions, which drive the model chain, in order to increase the flood sample size. From the large number of simulated flood events, the impact of hydro-meteorological conditions on various flood characteristics is detected through the analysis of conditional cumulative distribution functions and regression trees. The results show the existence of catchment-scale soil moisture patterns, which comprise of large-scale seasonal wetting and drying components as well as of smaller-scale variations related to spatially heterogeneous catchment processes. Soil moisture patterns frequently occurring before the onset of floods are identified. In winter, floods are initiated by catchment-wide high soil moisture, whereas in summer the flood-initiating soil moisture patterns are diverse and the soil moisture conditions are less stable in time. The combined study of both soil moisture and weather patterns shows that the flood favoring hydro-meteorological patterns as well as their interactions vary seasonally. In the analysis period, 18 % of the weather patterns only result in a flood in the case of preceding soil saturation. The classification of 82 past events into flood types reveals seasonally varying flood processes that can be linked to hydro-meteorological patterns. For instance, the highest flood potential for long-rain floods is associated with a weather pattern that is often detected in the presence of so-called ‘Vb’ cyclones. Rain-on-snow and snowmelt floods are associated with westerly and north-westerly wind directions. The flood characteristics vary among the flood types and can be reproduced by the applied model chain. In total, 5970 events are simulated. They reproduce the observed event characteristics between September 1957 and August 2002 and provide information on flood losses. A regression tree analysis relates the flood processes of the simulated events to the hydro-meteorological (pre-)event conditions and highlights the fact that flood magnitude is primarily controlled by the meteorological event, whereas flood extent is primarily controlled by the soil moisture conditions. Describing flood occurrence, processes and characteristics as a function of hydro-meteorological patterns, this thesis is part of a paradigm shift towards a process-based understanding of floods. The results highlight that soil moisture patterns as well as weather patterns are not only beneficial to a probabilistic conception of flood initiation but also provide information on the involved flood processes and the resulting flood characteristics. N2 - Hochwasserereignisse in großen Flusseinzugsgebieten entstehen durch das Zusammenwirken der hydrologischen Vorbedingungen und der meteorologischen Ereignisbedingungen. Das Zusammenwirken findet auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen statt und steuert dabei unterschiedliche Prozesse der Hochwasserentstehung. Diese führen zu Hochwassern mit vielfältigen Eigenschaften, die sich unter anderem in maximalem Pegelstand, räumlicher Ausdehnung, Andauer und sozio-ökonomischen Folgen unterscheiden. Für ein prozessbasiertes Verständnis der zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung sind systematische Ansätze notwendig. Diese müssen die gesamte kausale Hochwasserprozesskette, von dem Hochwasser auslösenden meteorologischen Ereignis welches auf die hydrologischen Vorbedingungen im Einzugsgebiet trifft, über Abflussbildung, Wellenablauf und mögliche Überflutungen, bis hin zum Hochwasserschaden umfassen. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, zu einem umfassenden probabilistischen, prozessbasierten Verständnis der Ursachen und Auswirkungen von Hochwassern beizutragen. Neben der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Hochwasserereignissen werden die an der kausalen Hochwasserprozesskette beteiligten geophysikalischen Prozesse analysiert. Systematische Zusammenhänge von Ursachen und Wirkungen innerhalb der Hochwasserprozesskette werden durch die Analyse von Klassifizierungen der hydrologischen Vorbedingungen und der meteorologischen Ereignisbedingungen offengelegt. Des Weiteren wird der Einfluss der klassifizierten Bedingungen bezüglich Hochwasserentstehung, Hochwasserprozessen und Hochwassereigenschaften sowie deren Verbindungen untereinander auf Ebene des Flusseinzugsgebiets quantifiziert. Das Wissen über hochwasserauslösende Bedingungen, welches bisher auf die Analyse von Großwetterlagen und deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung beschränkt war, wird um den Einflussfaktor der großskaligen hydrologischen Vorbedingungen ergänzt. Am Beispiel des Einzugsgebiets der Elbe wird eine Klassifizierungsmethode für die Bodenfeuchte, einer bedeutenden hydrologischen Vorbedingung, entwickelt. Durch die Klassifizierung der Bodenfeuchte kann ein probabilistischer Zusammenhang zwischen räumlichen Bodenfeuchtemustern und dem Auftreten von Hochwasser hergestellt werden. Die Bodenfeuchteklassifizierung wird angewandt auf Bodenfeuchtedaten, die mit dem konzeptionellen Niederschlags-Abfluss-Modell SWIM durch kontinuierliche Simulation erzeugt werden. Eine Hauptkomponenten- und anschließende Clusteranalyse identifizieren dabei Tage ähnlicher räumlicher Bodenfeuchteverteilung im Zeitraum November 1951 bis Oktober 2003. Die meteorologischen Ereignisbedingungen werden durch eine gängige Wetterlagenklassifikation beschrieben, welche die charakteristischen atmosphärischen Zustände abbildet. Gemeinsam mit der neu entwickelten Bodenfeuchteklassifizierung bildet dies die Grundlage für die Untersuchung des kombinierten Einflusses der hydrologischen Vorbedingungen und der großräumigen meteorologischen Ereignisbedingungen auf die Entstehung von Hochwasser auf Flussgebietsskala. Das prozessorientierte Verständnis der Hochwasserentstehung und die damit einhergehenden Wahrscheinlichkeiten werden durch die Klassifizierung von vergangenen Hochwasserereignissen in prozessbasierte Hochwassertypen wie Schneeschmelzhochwasser oder Hochwasser auf Grund von langanhaltendendem Regen erzielt. Anschließend werden den Hochwassertypen die jeweils vorliegenden Bodenfeuchtemuster und Wetterlagen zugeordnet. Die Hochwasserprozesse werden zudem durch Simulation der gesamten kausalen Hochwasserprozesskette unter Einbeziehung eines Niederschlags-Abfluss-Modells, eines 1D/2D hydrodynamischen Modells sowie eines Hochwasserschadensmodells modelliert. Ein neu entwickelter Permutationsansatz basierend auf der Wetterlage und dem Monat ihres Auftretens generiert synthetische meteorologische Datensätze, welche der Modellkette als Eingangsdaten dienen, um eine repräsentative Anzahl von Hochwasserereignissen zu erzeugen. Durch die Vielzahl an simulierten Hochwasserereignissen kann der systematische Einfluss der hydro-meteorologischen Bedingungen auf verschiedene Hochwassermerkmale mit Hilfe von bedingten Verteilungsfunktionen und Regressionsbäumen gezeigt werden. Die Ergebnisse belegen die Existenz von Mustern der Bodenfeuchte auf Ebene von Flusseinzugsgebieten. Die Muster bilden sowohl großräumige jahreszeitliche Schwankungen der Bodenfeuchte als auch kleinskalige heterogene Prozesse im Einzugsgebiet ab. Häufig vor Hochwassern auftretende Bodenfeuchtemuster werden identifiziert. Im Winter wird Hochwasser vornehmlich durch eine flächendeckend hohe Bodenfeuchte eingeleitet. Im Sommer sind die Bodenfeuchtemuster zeitlich variabler und die mit Hochwasser in Verbindung stehenden Muster zahlreicher. Die Ergänzung der Bodenfeuchtemuster um die Wetterlagenklassifikation zeigt für die Hochwasserentstehung, dass die Beiträge der einzelnen hydro-meteorologischen Muster sowie deren Zusammenwirken jahreszeitlich variieren. Im Untersuchungszeitraum resultieren 18 % der Wetterlagen nur bei vorangehender Bodensättigung in einem Hochwasser. Die Zuordnung von 82 Hochwasserereignissen zu prozess-basierten Hochwassertypen zeigt ebenfalls saisonal unterschiedliche Prozesse auf, welche mit den hydro-meteorologischen Mustern in Verbindung gebracht werden können. Beispielsweise ist das größte Hochwasserpotenzial auf Grund von langanhaltendem Regen auf eine Wetterlage zurückzuführen, die häufig in Gegenwart von sogenannten "Vb" Zyklonen beobachtet wird. Regen-auf-Schnee und Schneeschmelz-Ereignisse werden im Zusammenhang mit westlichen und nordwestlichen Windrichtungen beobachtet. Die prozessbasierten Hochwassertypen und die resultierenden Hochwassereigenschaften können durch die angewandte Modellkette wiedergegeben werden. Insgesamt werden 5970 Ereignisse simuliert, welche die beobachteten Hochwassereigenschaften zwischen September 1957 und August 2002 reproduzieren. Zusätzlich können durch die Modellkette auch Aussagen über auftretende Hochwasserschäden gemacht werden. Eine Regressionsbaum-Analyse setzt die Hochwasserprozesse der simulierten Ereignisse in Beziehung zu den hydro-meteorologischen Bedingungen. Dabei wird deutlich, dass der Pegelstand primär durch die meteorologischen Ereignisbedingungen bestimmt wird, wohingegen die räumliche Ausdehnung des Hochwassers primär durch die Bodenfeuchtebedingungen beeinflusst wird. Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Paradigmenwechsels hin zu einem prozessbasierten Hochwasserverständnis. Die Beschreibung von Hochwasserentstehung, Hochwasserprozessen und Hochwassereigenschaften in Abhängigkeit von hydro-meteorologischen Mustern zeigt, dass Bodenfeuchtemuster sowie Wetterlagen nicht nur zu einer probabilistischen Analyse der Hochwasserentstehung beitragen, sondern auch Aufschluss über die ablaufenden Hochwasserprozesse und die daraus resultierenden Hochwassereigenschaften geben. KW - floods KW - antecedent conditions KW - soil moisture patterns KW - weather patterns KW - flood types KW - Hochwasser KW - hydrologische Vorbedingungen KW - Muster der Bodenfeuchte KW - Wetterlagen KW - Hochwassertypen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94612 ER - TY - THES A1 - Molkenthin, Christian T1 - Sensitivity analysis in seismic Hazard assessment using algorithmic differentiation Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Niemeyer, Bastian T1 - Vegetation reconstruction and assessment of plant diversity at the treeline ecotone in northern Siberia Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Meier, Tobias T1 - Borehole Breakouts in Transversely Isotropic Posidonia Shale T1 - Bohrlochrandausbrüche in transversal isotropen Posidonienschiefer N2 - Borehole instabilities are frequently encountered when drilling through finely laminated, organic rich shales (Økland and Cook, 1998; Ottesen, 2010; etc.); such instabilities should be avoided to assure a successful exploitation and safe production of the contained unconventional hydrocarbons. Borehole instabilities, such as borehole breakouts or drilling induced tensile fractures, may lead to poor cementing of the borehole annulus, difficulties with recording and interpretation of geophysical logs, low directional control and in the worst case the loss of the well. If these problems are not recognized and expertly remedied, pollution of the groundwater or the emission of gases into the atmosphere can occur since the migration paths of the hydrocarbons in the subsurface are not yet fully understood (e.g., Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). In addition, it is often mentioned that the drilling problems encountered and the resulting downtimes of the wellbore system in finely laminated shales significantly increase drilling costs (Fjaer et al., 2008; Aadnoy and Ong, 2003). In order to understand and reduce the borehole instabilities during drilling in unconventional shales, we investigate stress-induced irregular extensions of the borehole diameter, which are also referred to as borehole breakouts. For this purpose, experiments with different borehole diameters, bedding plane angles and stress boundary conditions were performed on finely laminated Posidonia shales. The Lower Jurassic Posidonia shale is one of the most productive source rocks for conventional reservoirs in Europe and has the greatest potential for unconventional oil and gas in Europe (Littke et al., 2011). In this work, Posidonia shale specimens from the North (PN) and South (PS) German basins were selected and characterized petrophysically and mechanically. The composition of the two shales is dominated by calcite (47-56%) followed by clays (23-28%) and quartz (16-17%). The remaining components are mainly pyrite and organic matter. The porosity of the shales varies considerably and is up to 10% for PS and 1% for PN, which is due to a larger deposition depth of PN. Both shales show marked elasticity and strength anisotropy, which can be attributed to a macroscopic distribution and orientation of soft and hard minerals. Under load the hard minerals form a load-bearing, supporting structure, while the soft minerals compensate the deformation. Therefore, if loaded parallel to the bedding, the Posidonia shale is more brittle than loaded normal to the bedding. The resulting elastic anisotropy, which can be defined by the ratio of the modulus of elasticity parallel and normal to the bedding, is about 50%, while the strength anisotropy (i.e., the ratio of uniaxial compressive strength normal and parallel to the bedding) is up to 66%. Based on the petrophysical characterization of the two rocks, a transverse isotropy (TVI) was derived. In general, PS is softer and weaker than PN, which is due to the stronger compaction of the material due to the higher burial depth. Conventional triaxial borehole breakout experiments on specimens with different borehole diameters showed that, when the diameter of the borehole is increased, the stress required to initiate borehole breakout decreases to a constant value. This value can be expressed as the ratio of the tangential stress and the uniaxial compressive strength of the rock. The ratio increases exponentially with decreasing borehole diameter from about 2.5 for a 10 mm diameter hole to ~ 7 for a 1 mm borehole (increase of initiation stress by 280%) and can be described by a fracture mechanic based criterion. The reduction in borehole diameter is therefore a considerable aspect in reducing the risk of breakouts. New drilling techniques with significantly reduced borehole diameters, such as "fish-bone" holes, are already underway and are currently being tested (e.g., Xing et al., 2012). The observed strength anisotropy and the TVI material behavior are also reflected in the observed breakout processes at the borehole wall. Drill holes normal to the bedding develop breakouts in a plane of isotropy and are not affected by the strength or elasticity anisotropy. The observed breakouts are point-symmetric and form compressive shear failure planes, which can be predicted by a Mohr-Coulomb failure approach. If the shear failure planes intersect, conjugate breakouts can be described as "dog-eared” breakouts. While the initiation of breakouts for wells oriented normal to the stratification has been triggered by random local defects, reduced strengths parallel to bedding planes are the starting point for breakouts for wells parallel to the bedding. In the case of a deflected borehole trajectory, therefore, the observed failure type changes from shear-induced failure surfaces to buckling failure of individual layer packages. In addition, the breakout depths and widths increased, resulting in a stress-induced enlargement of the borehole cross-section and an increased output of rock material into the borehole. With the transition from shear to buckling failure and changing bedding plane angle with respect to the borehole axis, the stress required for inducing wellbore breakouts drops by 65%. These observations under conventional triaxial stress boundary conditions could also be confirmed under true triaxial stress conditions. Here breakouts grew into the rock as a result of buckling failure, too. In this process, the broken layer packs rotate into the pressure-free drill hole and detach themselves from the surrounding rock by tensile cracking. The final breakout shape in Posidonia shale can be described as trapezoidal when the bedding planes are parallel to the greatest horizontal stress and to the borehole axis. In the event that the largest horizontal stress is normal to the stratification, breakouts were formed entirely by shear fractures between the stratification and required higher stresses to initiate similar to breakouts in conventional triaxial experiments with boreholes oriented normal to the bedding. In the content of this work, a fracture mechanics-based failure criterion for conventional triaxial loading conditions in isotropic rocks (Dresen et al., 2010) has been successfully extended to true triaxial loading conditions in the transverse isotropic rock to predict the initiation of borehole breakouts. The criterion was successfully verified on the experiments carried out. The extended failure criterion and the conclusions from the laboratory and numerical work may help to reduce the risk of borehole breakouts in unconventional shales. N2 - Bei Bohrungen in feinlaminierten, organikreichen Schiefern werden häufig Bohrlochinstabilitäten beobachtet (Økland und Cook, 1998; Ottesen, 2010 und weitere), welche für eine sichere und erfolgreiche Erschließung der darin gespeicherten unkonventionellen Kohlenwasserstoffe vermieden werden sollten. Bohrlochinstabilitäten, wie zum Beispiel Bohrlochrandausbrüche oder bohrungsbedingte Zugrisse, führen unter Umständen zu einer schlechten bzw. unzureichenden Zementierung des Ringraum, zu Schwierigkeiten bei der Aufnahme und späteren Interpretation bohrlochgeophysikalischer Messungen sowie zu einer verringerten Kontrolle über die Auslenkung der Bohrung und im schlimmsten Fall zum Verlust der Bohrung. Werden diese Probleme nicht erkannt und fachmännisch behoben, kann es zur Verschmutzung des Grundwassers oder zum Austritt von Gasen in die Atmosphäre kommen, da die Migrationspfade der Kohlenwasserstoffe im Untergrund noch nicht vollständig verstanden sind (z.B. Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). Darüber hinaus wird häufig erwähnt, dass die angetroffenen Bohrprobleme und die daraus entstehenden Ausfallzeiten der Bohrlochanlage in feinlaminierten Schiefern die Bohrkosten erheblich erhöhen (Fjaer et al., 2008; Aadnoy und Ong, 2003). Um die Bohrlochinstabilitäten während des Bohrens in unkonventionellen Speichergesteinen zu verstehen und zu reduzieren, untersuchen wir in dieser Arbeit spannungsbedingte unregelmäßige Erweiterungen des Bohrlochdurchmessers, die auch als Bohrlochrandausbrüche (borehole breakouts) bezeichnet werden. Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern, Schichteinfallswinkeln und Belastungsrandbedingungen an feinlaminierten Posidonienschiefern durchgeführt. Der aus dem Unteren Jura stammende Posidonienschiefer ist eines der produktivsten Muttergesteine für konventionelle Lagerstätten in Europa und besitzt zeitgleich das größte Potential für unkonventionelles Öl und Gas in Europa (Littke et al., 2011). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Posidonienschieferproben aus dem Norddeutschen (PN) und Süddeutschen (PS) Becken ausgewählt und petrophysikalisch sowie mechanisch charakterisiert. Die Zusammensetzung der beiden Schiefer wird dominiert von Kalzit (47-56%) gefolgt von Tonen (23-28%) und Quarz (16-17%). Die verbleibenden Komponenten sind hauptsächlich Pyrit und organische Substanz. Die Porosität des Schiefers schwankt beträchtlich und beträgt bis zu 10% für PS und 1% für PN, was auf eine größere Versenkungstiefe von PN zurückzuführen ist. Beide Schiefer zeigen ausgeprägte Elastizitäts- und Festigkeitsanisotropie, welche einer makroskopischen Verteilung und Orientierung von weichen und harten Mineralen zugeschrieben werden kann. Unter Belastung bilden die harten Minerale eine tragende Struktur, während die weichen Minerale die Verformung kompensieren. Daher verhält sich der Posidonienschiefer bei Belastung parallel zur Schichtfläche spröder als bei einer Belastung normal zur Schichtfläche. Die resultierende elastische Anisotropie, die über das Verhältnis des Elastizitätsmoduls parallel und normal zu Schichtung definiert werden kann, beträgt circa 50%, während die Festigkeitsanisotropie (d.h. das Verhältnis der uniaxialen Druckfestigkeit normal und parallel zur Schichtung) bis zu 66% beträgt. Basierend auf der petrophysikalischen Charakterisierung der beiden Gesteine konnte eine transversale Isotropie (TVI) abgeleitet werden. Im Allgemeinen ist PS weicher und schwächer als PN, was auf der stärkeren Verdichtung des Materials aufgrund der höheren Versenkungstiefe beruht. Konventionelle triaxiale Experimente zur Entstehung von Bohrlochrandausbrüchen an Proben mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern zeigten, dass bei Vergrößerung des Bohrlochdurchmessers die zum Auslösen des Randausbruches erforderliche Spannung gegen einen konstanten Wert absinkt. Dieser kann als Verhältnis der Tangentialspannung und der einachsialen Druckfestigkeit des Gesteins ausgedrückt werden. Das Verhältnis erhöht sich exponentiell mit kleiner werdendem Bohrlochdurchmesser von circa 2,5 für ein 10 mm großes Bohrloch auf ~7 für ein 1 mm großes Bohrloch (Zunahme der Initiierungsspannung um 280%) und kann durch ein bruchmechanisch basiertes Kriterium beschrieben werden. Die Verringerung des Bohrlochdurchmessers stellt daher einen beträchtlichen Aspekt bei der Verringerung des Risikos für Bohrlochausbrüche dar. Neue Bohrtechniken mit deutlich reduzierten Bohrlochdurchmessern wie zum Beispiel „fish-bone“ Bohrungen nehmen dieses Konzept bereits auf und werden derzeit getestet (z. B. Xing et al., 2012). Die beobachtete Festigkeitsanisotropie und das TVI Materialverhalten spiegeln sich auch in den beobachteten Ausbruchsprozessen am Bohrlochrand wider. Bohrlöcher normal zur Schichtung entwickeln Randausbrüche in einer Ebene der Isotropie und werden nicht durch die Festigkeitsoder Elastizitätsanisotropie beeinflusst. Die beobachteten Ausbrüche sind punktsymmetrisch und bilden kompressive Schubversagensebenen, die durch einen Mohr-Coulomb-Versagensansatz vorhergesagt werden können. Falls sich die Schubversagensebenen schneiden, bilden sich konjugierte Ausbrüche die als „hundeohrförmig“ (dog-eared breakout) beschrieben werden können. Während die Initiierung von Randausbrüchen für Bohrlöcher normal zur Schichtung durch zufällige lokale Defekte ausgelöst wurde, sind reduzierte Festigkeiten parallel zur Schichtung der Ausgangspunkt für Bohrlochrandausbrüche für Bohrlöcher parallel zur Schichtung. Im Falle einer abgelenkten Bohrlochtrajektorie ändert sich daher der beobachtete Versagenstyp von schubdominiertem Versagensflächen zu Knickversagen einzelner Schichtpakete. Darüber hinaus nahmen die Ausbruchtiefen und -breiten zu, was zu einer spannungsbedingten Vergrößerung des Bohrlochquerschnitts und einem vermehrten Ausstoß von Gesteinsmaterial in das Bohrloch führte. Zeitgleich sinkt beim Übergang von Schub- zu Knickversagen und sich ändernden Schichteinfallswinkel, die für das Induzieren von Bohrlochrandausbrüchen notwendige Spannung um 65%, deutlich ab. Diese Beobachtungen unter konventionellen triaxialen Belastungsrandbedingungen konnten auch unter echt-triaxialen Belastungsrandbedingungen bestätigt werden. Hier wuchsen die Randausbrüche ebenfalls normal zur Schichtfläche durch Knickfehler in das Gestein. Dabei rotierten die gebrochenen Schichtpakete in das druckfreie Bohrloch und lösten sich vom umgebenden Gestein durch Zugrisse ab. Die endgültige Ausbruchform im Posidonienschiefer kann als trapezförmig beschrieben werden, wenn die Schichtfläche parallel zur größten horizontalen Spannung liegt. In dem Fall, dass die größte horizontale Spannung normal zur Schichtung orientiert ist, wurden Ausbrüche vollständig durch Scherbrüche zwischen den Schichtflächen gebildet und benötigten höhere Spannungen zur Initiierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bruchmechanisch-basiertes Versagenskriterium für konventionelle triaxiale Belastungsbedingungen in isotropen Gesteinen (Dresen et al., 2010) erfolgreich auf echte triaxiale Belastungsbedingungen im transversal isotropen Gestein erweitert, um die Initiierung von Bohrlochrandausbrüchen vorherzusagen. Das Kriterium konnte erfolgreich an den durchgeführten Versuchen verifiziert werden. Das erweiterte Versagenskriterium und die Schlussfolgerungen aus dem Labor und der numerischen Arbeit helfen, das Risiko von Bohrlochausbrüchen in unkonventionellen Schiefern zu reduzieren. KW - borehole breakouts KW - unconventional shale KW - Posidonia shale KW - hollow cylinder experiments KW - shale strength KW - Bohrlochrandausbrüche KW - unkonventionelle Schiefer KW - Posidonienschiefer KW - Hohlzylinderversuche KW - Festigkeit des Schiefer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400019 ER - TY - THES A1 - Weege, Stefanie T1 - Climatic drivers of retrogressive thaw slump activity and resulting sediment and carbon release to the nearshore zone of Herschel Island, Yukon Territory, Canada T1 - Einfluss des Klimas auf das Auftauen einer rückschreitenden Erosionsfront und die daraus resultierende Sediment- und Kohlenstofffreigabe in den Küstenbereich von Herschel Island, Kanada N2 - The Yukon Coast in Canada is an ice-rich permafrost coast and highly sensitive to changing environmental conditions. Retrogressive thaw slumps are a common thermoerosion feature along this coast, and develop through the thawing of exposed ice-rich permafrost on slopes and removal of accumulating debris. They contribute large amounts of sediment, including organic carbon and nitrogen, to the nearshore zone. The objective of this study was to 1) identify the climatic and geomorphological drivers of sediment-meltwater release, 2) quantify the amount of released meltwater, sediment, organic carbon and nitrogen, and 3) project the evolution of sediment-meltwater release of retrogressive thaw slumps in a changing future climate. The analysis is based on data collected over 18 days in July 2013 and 18 days in August 2012. A cut-throat flume was set up in the main sediment-meltwater channel of the largest retrogressive thaw slump on Herschel Island. In addition, two weather stations, one on top of the undisturbed tundra and one on the slump floor, measured incoming solar radiation, air temperature, wind speed and precipitation. The discharge volume eroding from the ice-rich permafrost and retreating snowbanks was measured and compared to the meteorological data collected in real time with a resolution of one minute. The results show that the release of sediment-meltwater from thawing of the ice-rich permafrost headwall is strongly related to snowmelt, incoming solar radiation and air temperature. Snowmelt led to seasonal differences, especially due to the additional contribution of water to the eroding sediment-meltwater from headwall ablation, lead to dilution of the sediment-meltwater composition. Incoming solar radiation and air temperature were the main drivers for diurnal and inter-diurnal fluctuations. In July (2013), the retrogressive thaw slump released about 25 000 m³ of sediment-meltwater, containing 225 kg dissolved organic carbon and 2050 t of sediment, which in turn included 33 t organic carbon, and 4 t total nitrogen. In August (2012), just 15 600 m³ of sediment-meltwater was released, since there was no additional contribution from snowmelt. However, even without the additional dilution, 281 kg dissolved organic carbon was released. The sediment concentration was twice as high as in July, with sediment contents of up to 457 g l-1 and 3058 t of sediment, including 53 t organic carbon and 5 t nitrogen, being released. In addition, the data from the 36 days of observations from Slump D were upscaled to cover the main summer season of 1 July to 31 August (62 days) and to include all 229 active retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast. In total, all retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast contribute a minimum of 1.4 Mio. m³ sediment-meltwater each thawing season, containing a minimum of 172 000 t sediment with 3119 t organic carbon, 327 t nitrogen and 17 t dissolved organic carbon. Therefore, in addition to the coastal erosion input to the Beaufort Sea, retrogressive thaw slumps additionally release 3 % of sediment and 8 % of organic carbon into the ocean. Finally, the future evolution of retrogressive thaw slumps under a warming scenario with summer air temperatures increasing by 2-3 °C by 2081-2100, would lead to an increase of 109-114% in release of sediment-meltwater. It can be concluded that retrogressive thaw slumps are sensitive to climatic conditions and under projected future Arctic warming will contribute larger amounts of thawed permafrost material (including organic carbon and nitrogen) into the environment. N2 - Die Yukon Küste in Kanada ist eine eisreiche Permafrost Küste und reagiert hoch sensibel auf verändernde Umweltbedingungen. Rückschreitende auftaubedingte Rutschungen sind vielzählig entlang der Küste und entstehen, wenn exponierter eisreicher Permafrost an Hängen auftaut und der daraus resultierende Schlamm abtransportiert wird. Diese Rutschungen tragen große Mengen von Sediment, inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff, in den küstennahen Bereich. Das Ziel dieser Studie war 1) die klimatischen und geomorphologischen Antriebskräfte für die Freisetzung von Sediment-Schmelzwasser zu identifizieren 2) die Mengen an Schmelzwasser, Sediment, organischen Kohlenstoff und Stickstoff zu quantifizieren und 3) die Entwicklung der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von rückschreitenden Rutschungen unter zukünftigen klimatischen Veränderungen abzuschätzen. Die größte rückschreitende Rutschung auf Herschel Island wird als „Slump D“ bezeichnet und steht im Fokus dieser Arbeit. Die Analysen basierten auf den Daten, die über 18 Tage im Juli (2013) und 18 Tage im August (2012) erhoben wurden. Eine Abfluss-Messrinne wurde in den Haupt-Sediment-Schmelzwasser-Kanal eingebaut, um die Sediment-Schmelzwassermassen zu erfassen. Zusätzlich wurden zwei Wetterstationen aufgebaut (auf der unberührten Tundra und innerhalb der Erosionsfläche), die Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Niederschlagsmenge aufzeichneten. Das Abflussvolumen, das vom auftauenden, eisreichen Permafrost und den schmelzenden Schneebänken ablief, wurde gemessen und mit den meteorologischen Daten in Echtzeit mit einer Auflösung von einer Minute verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Freigabe von Sediment-Schmelzwasser beim Auftauen der eisreichen Permafrost-Steilklippe stark von Schneeschmelze, Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur abhängen. Die Schneeschmelze führt zu saisonalen Unterschieden, besonders durch den zusätzlichen Betrag von Wasser zu dem erodierenden Sediment-Schmelzwasser der auftauenden Steilklippe. Dies führt zu einer Verdünnung des Sediment-Schmelzwassers. Sonneneinstrahlung und Lufttemperaturen waren die Hauptantriebskräfte für die Schwankungen im Tagesverlauf und die Unterschiede zwischen den Tagen. Die rückschreitende Rutschung gab im Juli (2013) ungefähr 25 000 m³ Sediment-Schmelzwasser frei, welches 225 kg gelösten organischen Kohlenstoff, 2050 t Sediment, inklusive 33 t organischen Kohlenstoff und 4 t Stickstoff enthielt. Im August (2012) fehlte der zusätzliche Eintrag der Schneeschmelze und das Sediment-Schmelzwasser-Volumen war geringer mit 15 600 m³. Dennoch, ohne die zusätzliche Verdünnung, wurden 281 kg gelöster organischer Kohlenstoff freigesetzt. Die Sedimentkonzentration war doppelt so hoch und führte zu einem Sedimentgehalt mit bis zu 457 g l-1 zu 3058 t Sediment, inklusive 53 t organischen Kohlenstoff und 5 t Stickstoff. Zusätzlich wurden die Daten der 36-tägigen Abflussmessung der rückschreitenden Rutschung auf 62 Tage, von 1. Juli bis 31. August auf alle 229 aktiven Rutschungen entlang der Yukon Küste hochgerechnet. Es wurde diskutiert, dass alle rückschreitenden Rutschungen entlang der Yukon Küste zusammen mindestens 1,4 Mio. m³ Sediment-Schmelzwasser während jeder Auftausaison freigeben. Diese enthalten ein Minimum von 172 000 t Sediment, 3119 t organischen Kohlenstoff, 327 t Stickstoff und 17 t gelösten organischen Kohlenstoff. Daher kann zusammengefasst werden, dass zusätzlich zur Küstenerosion von allen Rutschungen noch ein zusätzlicher Beitrag von 3 % Sediment und 8 % organischen Kohlenstoff in die Beaufort See eingetragen wird. Schließlich wurde die zukünftige Entwicklung dieser rückschreitenden Rutschungen bei einem Temperaturanstieg von 2-3 °C bis 2081-2100 diskutiert. Dies könnte zu einem Anstieg der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von 109-114 % führen. Es kann daraus geschlossen werden, dass rückschreitende Rutschungen sensibel auf Klimabedingungen reagieren und mit der Arktischen Erwärmung größere Mengen an auftauenden Permafrost (inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff) in die Umwelt freigeben werden. KW - permafrost KW - arctic KW - Canada KW - coast KW - erosion KW - Permafrost KW - Arktik KW - Kanada KW - Küste KW - Erosion Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397947 ER -