TY  - GEN
A1  - Skinner, Christopher J.
A1  - Coulthard, Tom J.
A1  - Schwanghart, Wolfgang
A1  - Van De Wiel, Marco J.
A1  - Hancock, Greg
T1  - Global sensitivity analysis of parameter uncertainty in landscape evolution models
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The evaluation and verification of landscape evolution models (LEMs) has long been limited by a lack of suitable observational data and statistical measures which can fully capture the complexity of landscape changes. This lack of data limits the use of objective function based evaluation prolific in other modelling fields, and restricts the application of sensitivity analyses in the models and the consequent assessment of model uncertainties. To overcome this deficiency, a novel model function approach has been developed, with each model function representing an aspect of model behaviour, which allows for the application of sensitivity analyses. The model function approach is used to assess the relative sensitivity of the CAESAR-Lisflood LEM to a set of model parameters by applying the Morris method sensitivity analysis for two contrasting catchments. The test revealed that the model was most sensitive to the choice of the sediment transport formula for both catchments, and that each parameter influenced model behaviours differently, with model functions relating to internal geomorphic changes responding in a different way to those relating to the sediment yields from the catchment outlet. The model functions proved useful for providing a way of evaluating the sensitivity of LEMs in the absence of data and methods for an objective function approach.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1084 
KW  - self-organized criticality
KW  - rainfall variability
KW  - sediment transport
KW  - periglacial engine
KW  - hydraulic models
KW  - numerical models
KW  - mountain erosion
KW  - river
KW  - catchment
KW  - scale
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468013
SN  - 1866-8372
IS  - 1084
SP  - 4873
EP  - 4888
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Baes, Marzieh
A1  - Gerya, Taras V.
A1  - Sobolev, Stephan Vladimir
T1  - 3-D thermo-mechanical modeling of plume-induced subduction initiation
JF  - Earth & planetary science letters
N2  - Here, we study the 3-D subduction initiation process induced by the interaction between a hot thermochemical mantle plume and oceanic lithosphere using thermo-mechanical viscoplastic finite difference marker-in-cell models. Our numerical modeling results show that self-sustaining subduction is induced by plume-lithosphere interaction when the plume is sufficiently buoyant, the oceanic lithosphere is sufficiently old and the plate is weak enough to allow the buoyant plume to. pass through it. Subduction initiation occurs following penetration of the lithosphere by the hot plume and the downward displacement of broken, nearly circular segments of lithosphere (proto-slabs) as a result of partially molten plume rocks overriding the proto-slabs. Our experiments show four different deformation regimes in response to plume-lithosphere interaction: a) self-sustaining subduction initiation, in which subduction becomes self-sustaining; b) frozen subduction initiation, in which subduction stops at shallow depths; c) slab break-off, in which the subducting circular slab breaks off soon after formation; and d) plume underplating, in which the plume does not pass through the lithosphere and instead spreads beneath it (i.e., failed subduction initiation). These regimes depend on several parameters, such as the size, composition, and temperature of the plume, the brittle/plastic strength and age of the oceanic lithosphere, and the presence/absence of lithospheric heterogeneities. The results show that subduction initiates and becomes self-sustaining when the lithosphere is older than 10 Myr and the non dimensional ratio of the plume buoyancy force and lithospheric strength above the plume is higher than approximately 2. The outcomes of our numerical experiments are applicable for subduction initiation in the modern and Precambrian Earth and for the origin of plume-related corona structures on Venus. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.
KW  - subduction initiation
KW  - mantle plume
KW  - oceanic lithosphere
KW  - numerical models
Y1  - 2016
U6  - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.08.023
SN  - 0012-821X
SN  - 1385-013X
VL  - 453
SP  - 193
EP  - 203
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kellner, Antje
T1  - Different styles of deformation of the fore-arc wedge along the Chilean convergent margin : insights from 3D numerical experiments
T1  - Unterschiedliche Deformationsmuster des Fore-Arc Keils entlang des konvergenten chilenischen Plattenrandes : Einblicke aus 3D numerischen Experimenten
N2  - The styles of deformation of the fore-arc wedges along the Chilean convergent margin are observed to vary significantly, despite similar plate kinematic conditions. Here, I focus on the analysis of fore-arc deformation on two regions along the Chilean convergent margin at 20°-24°S and 37°-42°S. Although both regions are subjected to the oblique subduction of the oceanic Nazca plate and backstopped by the Andes mountain chain; they display different patterns of deformation. The northern Chilean study area (20° - 24°S) is characterized by an exceptionally thick crust of about 60 km beneath the Altiplano – Puna plateau, lack of an accretionary wedge in the fore-arc due to hyperarid climate, and consequently a sediment starved trench. Two major margin parallel strike slip faults are observed in this area, the Atacama Fault Zone (AFZ) and the Precordilleran Fault System (PFS). Both strike-slip faults do not exhibit significant recent displacement. The southern study area (37° - 42°S), compared to the northern study area, is characterized by lower topography, high precipitation rates (~2000 mm/yr), and a younger subducted oceanic plate. An active strike-slip fault, the Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), shows ~1 cm/yr recent dextral movement and shapes the surface of this area. Thus, the southern Chilean study area exhibits localized strike-slip motion. Within this area the largest earthquake ever recorded, the 1960 Valdivia earthquake, occurred with a moment magnitude of MW=9.5. I have constructed 2D thermal models and 3D mechanical models for both Chilean study areas to study processes related to active subduction. The applied numerical method is the finite element technique by means of the commercial software package ABAQUS. The thermal models are focused on the thermal conditions along the plate interface. The thermal structure along the plate interface reveals the limits of coupling but also the type of transition from coupled to uncoupled and vice versa. The model results show that shear heating at the plate interface is an important mechanism that should be taken into account. The models also show that the thermal condition at the downdip limit of the coupling zone leads to a sharp decrease of friction along the interface. Due to the different geometries of the two Chilean study areas, such as the slab dip and the thickness of the continental crust, the downdip limit of the southern study area is slightly shallower than that of the northern study area. The results of the 2D thermal models are used to constrain the spatial extent of the coupling zone in the 3D mechanical models. 3D numerical simulations are used to investigate how geometry, rheology and mechanical parameters influence strain partitioning and styles of deformation in the Chilean fore-arc. The general outline of the models is based on the fore-arc geometry and boundary conditions as derived from geophysical and geological field data. I examined the influence of different rheological approaches and varying physical properties of the fore-arc to identify and constrain the parameters controlling the difference in surface deformation between the northern and southern study area. The results of numerical studies demonstrate that a small slab dip, a high coefficient of basal friction, a high obliquity of convergence, and a high Young’s modulus favour localisation of deformation in the fore-arc wedge. This parameter study helped me to constrain preferred models for the two Chilean study areas that fit to first order observations. These preferred models explain the difference in styles of deformation as controlled by the angle of obliquity, the dip of subducting slab, and the strength of wedge material. The difference in styles can be even larger if I apply stronger coupling between plates within the southern area; however, several independent observations indicate opposite tendency showing southward decrease of intensity of coupling. The weaker wedge material of the preferred model for the northern study area is associated with advanced development of the adjacent orogen, the Central Andes. Analysis of world-wide examples of oblique subduction zones supports the conclusion that more mature subduction zones demonstrate less pronounced localization of strike-slip motion.
N2  - Die Deformationsmuster der Fore-Arc Keile entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes variieren beachtlich, trotz ähnlicher plattenkinematischer Randbedingungen. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Analyse der Deformation des Fore-Arcs in zwei Gebieten entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes zwischen 20°-24°S und 37°-42°S. Obwohl beide Gebiete durch schiefe Subduktion der ozeanischen Nazca Platte und der östlichen Begrenzung durch die Andine Gebirgskette gekennzeichnet sind, zeigen sie unterschiedliche Deformationsmuster an der Oberfläche. Das nördliche chilenische Gebiet (20° - 24°S) ist gekennzeichnet durch eine außergewöhnliche Krustendicke von ~ 60 km unterhalb des Altiplano - Puna Plateaus, dem Fehlen eines akkretionären Prismas im Fore-Arc aufgrund des trockenen Klimas und somit einer nahezu sedimentfreien Tiefseerinne. Zwei große Plattenrand-parallele Strike-Slip Störungen werden in diesem Gebiet beobachtet, die Atacama Fault Zone (AFZ) und das Precordilleran Fault System (PFS). Beide Strike-Slip Störungen zeigen keine signifikanten aktuellen Bewegungsraten. Das südliche Gebiet (37° - 42°S) ist im Vergleich zum nördlichen Gebiet durch eine niedrigere Topographie, hohe Niederschlagsraten (~2000 mm/a) und eine jüngere abtauchende ozeanische Platte gekennzeichnet. Die aktive Strike-Slip Störung, Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), ist gekennzeichnet durch aktuelle dextrale Bewegungsraten von 1 cm/a und prägt die Oberflächenstruktur in dieser Region. Folglich ist der südliche Arbeitsbereich durch lokalisierte Strike-Slip Bewegung charakterisiert. Innerhalb dieses Gebietes ereignete sich das größte instrumentell aufgezeichnete Erdbeben, das 1960 Valdivia Erdbeben, mit einer Stärke von MW=9.5. 2D thermische Modelle und 3D mechanische Modelle wurden für die beiden chilenischen Gebiete konstruiert, um Prozesse im Zusammenhang mit aktiver Subduktion zu untersuchen. Als numerisches Verfahren wurde die Finite Elemente Methode mit Hilfe des kommerziellen Softwarepakets ABAQUS angewandt. Die thermischen Modelle sind auf die thermischen Konditionen entlang der Plattengrenzfläche fokussiert. Die thermische Struktur entlang der Plattengrenzfläche zeigt die Grenzen der Kopplung an aber auch die Art des Überganges von gekoppelt zu nicht gekoppelt und umgekehrt. Die Modellergebnisse zeigen, dass Heizen infolge der Scherung an der Plattengrenzfläche ein wichtiger Faktor ist, der in Betracht gezogen werden sollte. Die Modelle zeigen auch, dass die thermische Struktur an der unteren Begrenzung der Koppelzone zu einer deutlichen Abnahme der Reibung entlang der Grenzfläche führt. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der zwei chilenischen Untersuchungsgebiete, z.B. Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und Krustendicke, ist die untere Begrenzung der Koppelzone des südlichen Untersuchungsgebietes in geringerer Tiefe als die des nördlichen Gebietes. Die Ergebnisse der thermischen 2D Modelle werden genutzt, um die räumliche Ausdehnung der Koppelzone in den mechanischen 3D Modellen festzulegen. Numerische 3D Simulationen werden genutzt, um zu verstehen, wie Geometrien, Rheologien und mechanische Parameter die Verformungspartitionierung und das Deformationsmuster im chilenischen Fore-Arc beeinflussen. Ich habe den Einfluss unterschiedlicher rheologischer Ansätze und unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften auf den Fore-Arc untersucht, um Parameter zu identifizieren und zu bestimmen, die den Unterschied des Deformationsmusters zwischen dem nördlichen und südlichen Gebiet steuern. Die Ergebnisse der numerischen Studien stellen heraus, dass ein kleinerer Abtauchwinkel der ozeanischen Platte, ein hoher basaler Reibungskoeffizient, eine hohe Konvergenzschiefe und ein großer Elastizitätsmodul die Lokalisierung der Deformation im Fore-Arc Keil begünstigen. Basierend auf dieser Parameterstudie habe ich Modelle für die beiden chilenischen Gebiete ausgewählt, die in Beobachtungen erster Ordnung übereinstimmen. Diese ausgewählten Modelle erklären die unterschiedlichen Deformationsmuster durch eine größere Konvergenzschiefe, einen kleineren Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und ein härteres Keilmaterial für das südliche Untersuchungsgebiet. Der Unterschied bezüglich der Deformationsmuster kann sogar größer sein, wenn ich eine größere Reibung zwischen den Platten im südlichen Gebiet anwende; jedoch zeigen einige unabhängige Beobachtungen eine umgekehrte Tendenz: eine Abnahme der Intensität der Koppelung von Nord nach Süd. Das schwächere Keilmaterial des ausgewählten Modells für das nördliche Untersuchungsgebiet steht im Zusammenhang mit der fortgeschrittenen Entwicklung des angrenzenden Orogens, der zentralen Anden. Die Analyse weltweiter Beispiele von schiefen Subduktionzonen unterstützt die Schlussfolgerung, dass ältere Subduktionzonen weniger ausgeprägte Lokalisierung von Strike-Slip Bewegung aufzeigen.
KW  - Fore-Arc
KW  - chilenische Anden
KW  - Subduktionszone
KW  - numerische Modelle
KW  - Strike-Slip Störungen
KW  - fore-arc
KW  - Chilean Andes
KW  - subduction zone
KW  - numerical models
KW  - strike-slip faults
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15898
ER  -