TY  - THES
A1  - Neugebauer, Ina
T1  - Reconstructing climate from the Dead Sea sediment record using high-resolution micro-facies analyses
T1  - Klimarekonstruktion an Sedimentkernen des Toten Meeres an Hand hochaufgelöster Mikrofaziesanalysen
T2  - Dissertation
N2  - The sedimentary record of the Dead Sea is a key archive for reconstructing climate in the eastern Mediterranean region, as it stores the environmental and tectonic history of the Levant for the entire Quaternary. Moreover, the lake is located at the boundary between Mediterranean sub-humid to semi-arid and Saharo-Arabian hyper-arid climates, so that even small shifts in atmospheric circulation are sensitively recorded in the sediments. This DFG-funded doctoral project was carried out within the ICDP Dead Sea Deep Drilling Project (DSDDP) that intended to gain the first long, continuous and high-resolution sediment core from the deep Dead Sea basin. The drilling campaign was performed in winter 2010-11 and more than 700 m of sediments were recovered. The main aim of this thesis was (1) to establish the lithostratigraphic framework for the ~455 m long sediment core from the deep Dead Sea basin and (2) to apply high-resolution micro-facies analyses for reconstructing and better understanding climate variability from the Dead Sea sediments. 
Addressing the first aim, the sedimentary facies of the ~455 m long deep-basin core 5017-1 were described in great detail and characterised through continuous overview-XRF element scanning and magnetic susceptibility measurements. Three facies groups were classified: (1) the marl facies group, (2) the halite facies group and (3) a group involving different expressions of massive, graded and slumped deposits including coarse clastic detritus. Core 5017-1 encompasses a succession of four main lithological units. Based on first radiocarbon and U-Th ages and correlation of these units to on-shore stratigraphic sections, the record comprises the last ca 220 ka, i.e. the upper part of the Amora Formation (parts of or entire penultimate interglacial and glacial), the last interglacial Samra Fm. (~135-75 ka), the last glacial Lisan Fm. (~75-14 ka) and the Holocene Ze’elim Formation. A major advancement of this record is that, for the first time, also transitional intervals were recovered that are missing in the exposed formations and that can now be studied in great detail.
Micro-facies analyses involve a combination of high-resolution microscopic thin section analysis and µXRF element scanning supported by magnetic susceptibility measurements. This approach allows identifying and characterising micro-facies types, detecting event layers and reconstructing past climate variability with up to seasonal resolution, given that the analysed sediments are annually laminated. Within this thesis, micro-facies analyses, supported by further sedimentological and geochemical analyses (grain size, X-ray diffraction, total organic carbon and calcium carbonate contents) and palynology, were applied for two time intervals:
(1) The early last glacial period ~117-75 ka was investigated focusing on millennial-scale hydroclimatic variations and lake level changes recorded in the sediments. Thereby, distinguishing six different micro-facies types with distinct geochemical and sedimentological characteristics allowed estimating relative lake level and water balance changes of the lake. Comparison of the results to other records in the Mediterranean region suggests a close link of the hydroclimate in the Levant to North Atlantic and Mediterranean climates during the time of the build-up of Northern hemisphere ice sheets during the early last glacial period.
(2) A mostly annually laminated late Holocene section (~3700-1700 cal yr BP) was analysed in unprecedented detail through a multi-proxy, inter-site correlation approach of a shallow-water core (DSEn) and its deep-basin counterpart (5017-1). Within this study, a ca 1500 years comprising time series of erosion and dust deposition events was established and anchored to the absolute time-scale through 14C dating and age modelling. A particular focus of this study was the characterisation of two dry periods, from ~3500 to 3300 and from ~3000 to 2400 cal yr BP, respectively. Thereby, a major outcome was the coincidence of the latter dry period with a period of moist and cold climate in Europe related to a Grand Solar Minimum around 2800 cal yr BP and an increase in flood events despite overall dry conditions in the Dead Sea region during that time. These contrasting climate signatures in Europe and at the Dead Sea were likely linked through complex teleconnections of atmospheric circulation, causing a change in synoptic weather patterns in the eastern Mediterranean.
In summary, within this doctorate the lithostratigraphic framework of a unique long sediment core from the deep Dead Sea basin is established, which serves as a base for any further high-resolution investigations on this core. It is demonstrated in two case studies that micro-facies analyses are an invaluable tool to understand the depositional processes in the Dead Sea and to decipher past climate variability in the Levant on millennial to seasonal time-scales. Hence, this work adds important knowledge helping to establish the deep Dead Sea record as a key climate archive of supra-regional significance.
N2  - Die Sedimente des Toten Meeres stellen ein wichtiges Archiv für Klimarekonstruktionen im ostmediterranen Raum dar, da die gesamte quartäre Umwelt- und Tektonikgeschichte der Levante darin gespeichert ist. Außerdem führt die Lage des Sees im Grenzbereich zwischen mediterranem subhumidem bis semiaridem Klima und saharo-arabischem hyperaridem Klima dazu, dass selbst kleine Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation sensibel in den Sedimenten verzeichnet werden. Diese Doktorarbeit wurde von der DFG finanziert und im Rahmen des ICDP Dead Sea Deep Drilling Project (DSDDP) durchgeführt, welches sich zur Aufgabe gestellt hat, den ersten langen, kontinuierlichen und hoch aufgelösten Sedimentkern vom tiefen Becken des Toten Meeres zu erlangen. Die Bohrkampagne fand im Winter 2010-11 statt, bei der mehr als 700 m Sedimente geteuft wurden. Die Zielsetzung dieser Doktorarbeit beinhaltete (1) den lithostratigraphischen Rahmen für den ~455 m langen Sedimentkern vom tiefen Becken des Toten Meeres zu erarbeiten und (2) hoch aufgelöste Mikrofazies-Analysen an den Sedimenten des Toten Meeres anzuwenden, um Klimavariabilität rekonstruieren und besser verstehen zu können.
Bezüglich erst genannter Zielsetzung wurden die Sedimentfazies des ~455 m langen Kerns 5017 1 vom tiefen Becken detailliert beschrieben und an Hand kontinuierlicher XRF Elementscanner-Daten und Messungen der magnetischen Suszeptibilität charakterisiert. Drei Faziesgruppen wurden unterschieden: (1) die Mergel-Faziesgruppe, (2) die Halit-Faziesgruppe und (3) eine verschiedene Ausprägungen massiver, gradierter oder umgelagerter Ablagerungen sowie grob-klastischen Detritus umfassende Gruppe. Der Kern 5017-1 ist durch die Abfolge von vier lithologischen Haupt-Einheiten charakterisiert. Basierend auf ersten Radiokarbon- und U Th- Altern und Korrelation dieser Einheiten mit den am Ufer aufgeschlossenen stratigraphischen Abschnitten, umfasst der Datensatz die letzten ca 220 Tausend Jahre (ka), einschließlich des oberen Abschnitts der Amora-Formation (Teile von oder gesamtes vorletztes Interglazial und Glazial), die Samra-Fm. des letzten Interglazials (~135-75 ka), die Lisan-Fm. des letzten Glazials (~75-14 ka) und die holozäne Ze’elim-Formation. Ein entscheidender Fortschritt dieses Records ist, dass erstmals Übergangsbereiche erfasst wurden, die in den aufgeschlossenen Formationen fehlen und nun detailliert studiert werden können.
Mikrofazies-Analysen umfassen eine Kombination hoch aufgelöster mikroskopischer Dünnschliff-Analysen und µXRF Elementscanning, die durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität unterstützt werden. Dieser Ansatz erlaubt es, Mikrofazies-Typen zu identifizieren und zu charakterisieren, Eventlagen aufzuzeichnen und die Klimavariabilität der Vergangenheit mit bis zu saisonaler Auflösung zu rekonstruieren, vorausgesetzt, dass die zu analysierenden Sedimente jährlich laminiert sind. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Mikrofazies-Analysen für zwei Zeitabschnitte angewendet, unterstützt durch weitere sedimentologische und geochemische Analysen (Korngrößen, Röntgen-Diffraktometrie, gesamter organischer Kohlenstoff- und Kalziumkarbonat-Gehalte) sowie Palynologie.
(1) Das frühe letzte Glazial ~117-75 ka wurde hinsichtlich hydroklimatischer Variationen und in den Sedimenten verzeichneter Seespiegeländerungen auf tausendjähriger Zeitskala untersucht. Dabei wurden sechs verschiedene Mikrofazies-Typen mit unterschiedlichen geochemischen und sedimentologischen Charakteristika bestimmt, wodurch relative Änderungen des Seespiegels und der Wasserbilanz des Sees abgeschätzt werden konnten. Ein Vergleich der Ergebnisse mit anderen Records aus dem Mittelmeerraum lässt vermuten, dass das Hydroklima der Levante eng mit dem nordatlantischen und mediterranen Klima während der Zeit des Aufbaus nordhemisphärischer Eisschilde im frühen letzten Glazial verknüpft war.
(2) Ein weitestgehend jährlich laminierter spätholozäner Abschnitt (~3700-1700 kal. J. BP – kalibrierte Jahre vor heute) wurde in größtem Detail an Hand eines Multiproxie-Ansatzes und durch Korrelation eines Flachwasser-Bohrkerns (DSEn) mit seinem Gegenstück aus dem tiefen Becken (5017-1) untersucht. In dieser Studie wurde eine ca. 1500 Jahre umfassende Zeitreihe von Erosions- und Staubablagerungs-Ereignissen erstellt und an Hand von 14C-Datierung und Altersmodellierung mit der absoluten Zeitskala verankert. Ein besonderer Fokus dieser Studie lag in der Charakterisierung zweier Trockenphasen, von ~3500 bis 3300 beziehungsweise von ~3000 bis 2400 kal. J. BP. Dabei war ein wichtiges Resultat, dass letztgenannte Trockenphase mit einer Phase feuchten und kühlen Klimas in Europa, in Zusammenhang mit einem solaren Minimum um 2800 kal. J. BP, zusammen fällt und dass trotz der generell trockeneren Bedingungen in der Toten Meer Region zu dieser Zeit verstärkt Flutereignisse verzeichnet wurden. Diese unterschiedlichen Klimasignaturen in Europa und am Toten Meer waren wahrscheinlich durch komplexe Telekonnektionen der atmosphärischen Zirkulation verknüpft, was eine Veränderung synoptischer Wettermuster im ostmediterranen Raum zur Folge hatte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass innerhalb dieser Doktorarbeit der lithostratigraphische Rahmen eines einzigartigen, langen Sedimentkerns vom tiefen Becken des Toten Meeres erstellt wurde, welcher als Basis für jegliche weitere hoch aufgelöste Untersuchungen an diesem Kern dient. In zwei Fallstudien wird demonstriert, dass Mikrofazies-Analysen ein unschätzbares Werkzeug darstellen, Ablagerungsprozesse im Toten Meer zu verstehen und die Klimavariabilität der Vergangenheit in der Levante auf tausendjährigen bis saisonalen Zeitskalen zu entschlüsseln. Diese Arbeit enthält daher wichtige Erkenntnisse, die dabei helfen die Schlüsselstellung des Records vom tiefen Toten Meer als Klimaarchiv überregionaler Bedeutung zu etablieren.
KW  - Dead Sea
KW  - palaeoclimate
KW  - lake sediments
KW  - varves
KW  - Totes Meer
KW  - Paläoklima
KW  - Seesedimente
KW  - Warven
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85266
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hakimhashemi, Amir Hossein
T1  - Time-dependent occurrence rates of large earthquakes in the Dead Sea fault zone and applications to probabilistic seismic hazard assessments
T1  - Zeitabhängige Auftretensrate großer Erdbeben entlang der Tote-Meer-Störungszone und ihre Einbeziehung in eine probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung
N2  - Die relativ hohe seismische Aktivität der Tote-Meer-Störungszone (Dead Sea Fault Zone - DSFZ) ist mit einem hohen Gefahrenpotential verbunden, welches zu einem erheblichen Erdbebenrisiko für die Ballungszentren in den Ländern Syrien, Libanon, Palästina, Jordanien und Israel führt. Eine Vielzahl massiver, zerstörerischer Erdbeben hat sich in diesem Raum in den letzten zwei Jahrtausenden ereignet. Ihre Wiederholungsrate zeigt Anzeichen für eine zeitliche Abhängigkeit, insbesondere wenn lange Zeiträume in Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung der zeitlichen Abhängigkeit des Auftretens von Erdbeben ist für eine realistische seismische Gefährdungseinschätzung von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhand des zeitabhängigen Auftretens von Erdbeben eine robuste wahrscheinlichkeitstheoretische seismische Gefährdungseinschätzung am Beispiel der DSFZ zu entwickeln. Mittels dieser Methode soll die zeitliche Abhängigkeit des Auftretens von großen Erdbeben (Mw ≥ 6) untersucht und somit eine Gefährdungseinschätzung für das Untersuchungsgebiet getroffen werden. Primär gilt es zu prüfen, ob das Auftreten von großen Erdbeben tatsächlich einer zeitlichen Abhängigkeit unterliegt und wenn ja, inwiefern diese bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden insgesamt vier zeitabhängige statistische Verteilungen (Weibull, Gamma, Lognormal und Brownian Passage Time (BPT)) sowie die zeitunabhängige Exponentialverteilung (Poisson-Prozess) getestet. Zur Abschätzung der jeweiligen Modellparameter wird eine modifizierte Methode der gewichteten Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE) verwendet. Um einzuschätzen, ob die Wiederholungsrate von Erdbeben einer unimodalen oder multimodalen Form folgt, wird ein nichtparametrischer Bootstrap-Test für Multimodalität durchgeführt. Im Falle einer multimodalen Form wird neben der MLE zusätzlich eine Erwartungsmaximierungsmethode (EM) herangezogen. Zur Auswahl des am besten geeigneten Modells wird zum einem das Bayesschen Informationskriterium (BIC) und zum anderen der modifizierte Kolmogorow-Smirnow-Goodness-of-Fit-Test angewendet. Abschließend werden mittels der Bootstrap-Methode die Konfidenzintervalle der geschätzten Parameter berechnet. Als Datengrundlage werden Erdbeben mit Mw ≥ 6 seit dem Jahre 300 n. Chr. herangezogen. Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich von 29.5° N bis 37° N und umfasst ein ca. 40 km breites Gebiet entlang der DSFZ. Aufgrund der seismotektonischen Situation im Untersuchungsgebiet wird zwischen einer südlichen, zentralen und nördlichen Subzone unterschieden. Dabei kann die südliche Subzone aus Mangel an Daten nicht für die Analysen herangezogen werden. Die Ergebnisse für die zentrale Subzone zeigen keinen signifikanten multimodalen Verlauf der Wiederholungsrate von Erdbeben. Des Weiteren ist kein signifikanter Unterschied zwischen den zeitabhängigen und dem zeitunabhängigem Modell zu verzeichnen. Da das zeitunabhängige Modell vergleichsweise einfach interpretierbar ist, wird die Wiederholungsrate von Erdbeben in dieser Subzone unter Annahme der Exponentialverteilungs-Hypothese abgeschätzt. Sie wird demnach als zeitunabhängig betrachtet und beträgt 9.72 * 10-3 Erdbeben (mit Mw ≥ 6) pro Jahr. Einen besonderen Fall stellt die nördliche Subzone dar. In diesem Gebiet tritt im Durchschnitt alle 51 Jahre ein massives Erdbeben (Mw ≥ 6) auf. Das letzte Erdbeben dieser Größe ereignete sich 1872 und liegt somit bereits 137 Jahre zurück. Somit ist in diesem Gebiet ein Erdbeben dieser Stärke überfällig. Im statistischen Mittel liegt die Zeit zwischen zwei Erdbeben zu 96% unter 137 Jahren. Zudem wird eine deutliche zeitliche Abhängigkeit der Erdbeben-Wiederauftretensrate durch die Ergebnisse der in der Arbeit neu entwickelten statistischen Verfahren bestätigt. Dabei ist festzustellen, dass die Wiederholungsrate insbesondere kurz nach einem Erdbeben eine sehr hohe zeitliche Abhängigkeit aufweist. Am besten repräsentiert werden die seismischen Bedingungen in der genannten Subzone durch ein bi-modales Weibull-Weibull-Modell. Die Wiederholungsrate ist eine glatte Zeitfunktion, welche zwei Häufungen von Datenpunkten in der Zeit nach dem Erdbeben zeigt. Dabei umfasst die erste Häufung einen Zeitraum von 80 Jahren, ausgehend vom Zeitpunkt des jeweiligen Bebens. Innerhalb dieser Zeitspanne ist die Wiederholungsrate extrem zeitabhängig. Die Wiederholungsrate direkt nach einem Beben ist sehr niedrig und steigert sich in den folgenden 10 Jahren erheblich bis zu einem Maximum von 0.024 Erdbeben/Jahr. Anschließend sinkt die Rate und erreicht ihr Minimum nach weiteren 70 Jahren mit 0.0145 Erdbeben/Jahr. An dieses Minimum schließt sich die zweite Häufung von Daten an, dessen Dauer abhängig von der Erdbebenwiederholungszeit ist. Innerhalb dieses Zeitfensters nimmt die Erdbeben-Wiederauftretensrate annähernd konstant um 0.015 Erdbeben/Jahr zu. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine zeitabhängige probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung (PSHA) für die seismische Quellregion, die den nördlichen Raum der DSFZ umfasst.
N2  - The seismicity of the Dead Sea fault zone (DSFZ) during the last two millennia is characterized by a number of damaging and partly devastating earthquakes. These events pose a considerable seismic hazard and seismic risk to Syria, Lebanon, Palestine, Jordan, and Israel. The occurrence rates for large earthquakes along the DSFZ show indications to temporal changes in the long-term view. The aim of this thesis is to find out, if the occurrence rates of large earthquakes (Mw ≥ 6) in different parts of the DSFZ are time-dependent and how. The results are applied to probabilistic seismic hazard assessments (PSHA) in the DSFZ and neighboring areas. Therefore, four time-dependent statistical models (distributions), including Weibull, Gamma, Lognormal and Brownian Passage Time (BPT), are applied beside the exponential distribution (Poisson process) as the classical time-independent model. In order to make sure, if the earthquake occurrence rate follows a unimodal or a multimodal form, a nonparametric bootstrap test of multimodality has been done. A modified method of weighted Maximum Likelihood Estimation (MLE) is applied to estimate the parameters of the models. For the multimodal cases, an Expectation Maximization (EM) method is used in addition to the MLE method. The selection of the best model is done by two methods; the Bayesian Information Criterion (BIC) as well as a modified Kolmogorov-Smirnov goodness-of-fit test. Finally, the confidence intervals of the estimated parameters corresponding to the candidate models are calculated, using the bootstrap confidence sets. In this thesis, earthquakes with Mw ≥ 6 along the DSFZ, with a width of about 20 km and inside 29.5° ≤ latitude ≤ 37° are considered as the dataset. The completeness of this dataset is calculated since 300 A.D. The DSFZ has been divided into three sub zones; the southern, the central and the northern sub zone respectively. The central and the northern sub zones have been investigated but not the southern sub zone, because of the lack of sufficient data. The results of the thesis for the central part of the DSFZ show that the earthquake occurrence rate does not significantly pursue a multimodal form. There is also no considerable difference between the time-dependent and time-independent models. Since the time-independent model is easier to interpret, the earthquake occurrence rate in this sub zone has been estimated under the exponential distribution assumption (Poisson process) and will be considered as time-independent with the amount of 9.72 * 10-3 events/year. The northern part of the DSFZ is a special case, where the last earthquake has occurred in 1872 (about 137 years ago). However, the mean recurrence time of Mw ≥ 6 events in this area is about 51 years. Moreover, about 96 percent of the observed earthquake inter-event times (the time between two successive earthquakes) in the dataset regarding to this sub zone are smaller than 137 years. Therefore, it is a zone with an overdue earthquake. The results for this sub zone verify that the earthquake occurrence rate is strongly time-dependent, especially shortly after an earthquake occurrence. A bimodal Weibull-Weibull model has been selected as the best fit for this sub zone. The earthquake occurrence rate, corresponding to the selected model, is a smooth function of time and reveals two clusters within the time after an earthquake occurrence. The first cluster begins right after an earthquake occurrence, lasts about 80 years, and is explicitly time-dependent. The occurrence rate, regarding to this cluster, is considerably lower right after an earthquake occurrence, increases strongly during the following ten years and reaches its maximum about 0.024 events/year, then decreases over the next 70 years to its minimum about 0.0145 events/year. The second cluster begins 80 years after an earthquake occurrence and lasts until the next earthquake occurs. The earthquake occurrence rate, corresponding to this cluster, increases extremely slowly, such as it can be considered as an almost constant rate about 0.015 events/year. The results are applied to calculate the time-dependent PSHA in the northern part of the DSFZ and neighbouring areas.
KW  - Zeitanhängig
KW  - seismische Gefährdung
KW  - Tote Meer
KW  - Auftretensrate
KW  - Erdbeben
KW  - time dependent
KW  - seismic hazard
KW  - Dead Sea
KW  - occurrence rate
KW  - earthquake
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52486
ER  -