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Photogrammetry and distinct element geomechanical modelling of sinkholes and large-scale karstic depressions

Photogrammetrie und geomechanische Diskrete-Elemente-Modellierung von Erdfällen und großskaligen Karstsenken

  • Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over differentSinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas.show moreshow less
  • Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nachDolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Djamil Al-HalbouniORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432159
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43215
Referee:Torsten DahmORCiDGND, Francisco Gutiérrez, Eoghan P. HolohanORCiD
Advisor:Torsten Dahm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2019/08/01
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/06/19
Release Date:2019/08/01
Tag:Angewandte Geophysik; Diskrete-Elemente-Methode; Erdfälle; Geomechanische Modellierung; Karst; Naturgefahren; Photogrammetrie
Applied Geophysics; Discrete Element Method; Geomechanical Modelling; Karst; Natural Hazards; Photogrammetry; Sinkholes
Pagenumber:137
RVK - Regensburg Classification:TG 03300, TF 4999, TG 6420, TG 7060
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
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