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 - Schröder, Sarah T1 - Modelling surface evolution coupled with tectonics T1 - Modellierung von Oberflächenprozessen gekoppelt mit Tektonik BT - A case study for the Pamir BT - Eine Fallstudie zum Pamir N2 - This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west. N2 - Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung, berechnet durch einen neuen Verteilungs-Algorithmus, verbessert die Modellierung von Flusssystemen. Flüsse sind dabei repräsentiert durch eine unterschiedliche Anzahl an Zellen orthogonal zur Fließrichtung. Ihre Breite wird nach empirischen Gesetzen ermittelt. Die präsentierten Anwendungen dienen der Studie des Pamirgebirges. Zunächst werden die Modellparameter anhand von Einschneidungs- und Erosionsraten sowie Sedimentdurchflüssen kalibriert. Ein digitales Höhenmodell dient als Anfangstopographie und zur Extraktion von Flussprofilen. Laterale Einschneidung zeigt eine deutliche Verbesserung zu bisher vorhandenen Modellen. Sie ermöglicht die Erhaltung der Flussbreite und zeigt hohe Einschneidungsraten in engen Flusspassagen. Modelle von Flussanzapfungen in einem System paralleler Verwerfungen bestätigen die Wichtigkeit von lateraler Einschneidung für Flussanzapfungsmodelle, die Hangerosion einbeziehen. Während die Modelle eine geringe Wahrscheinlichkeit von Flussanzapfungen mit hohem Ablenkungswinkel zeigen, belegen sie auch, dass deren (allgemeine) Wahrscheinlichkeit direkt von der Hebungsrate der Verwerfungen abhängt. Die Erodibilität beschleunigt lediglich die Geschwindigkeit von Flussanzapfungen. Ein Modell, das die Codes SLIM 3D und DANSER koppelt, dokumentiert die vielseitige Verwendbarkeit des neuen Codes: Es zeigt einen geringen Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Lithosphärendeformation, während die Sedimentationsroutine erheblich auf spröde Oberflächendeformationen einwirkt. Das Modell legt nahe, dass Sedimentation ein zwischen zwei entstehenden Gebirgen gelegenes Becken weitet. Außerdem weitet sich der südlich von der interkontinentalen Kollisionszone gelegene Teil des Gebirge-Models ebenfalls durch Sedimentation. KW - erosion KW - coupling KW - SEC KW - surface evolution KW - thermo-mechanics KW - surface processes KW - DANSER KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - tectonics KW - modelling KW - modeling KW - numerical model KW - simulation KW - surface KW - fluvial incision KW - hillslope diffusion KW - finite differences KW - finite elements KW - Eulerian grid KW - DANSER KW - DANSER KW - Erosion KW - Modellierung KW - Tektonik KW - Koppelung KW - SEC KW - numerische Modellierung KW - Oberflächenprozesse KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - Tiefendeformation KW - Software KW - Simulation KW - Oberfläche KW - fluviale Einschneidung KW - Hangerosion KW - finite Differenzen KW - finite Elemente KW - Eulerische Gitter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385 ER -