TY  - THES
A1  - Spallanzani, Roberta
T1  - Li and B in ascending magmas: an experimental study on their mobility and isotopic fractionation
T1  - Li und B in aufsteigenden Magmen: eine experimentelle Studie über ihre Mobilität und Isotopenfraktionierung
N2  - This research study focuses on the behaviour of Li and B during magmatic ascent, and decompression-driven degassing related to volcanic systems. The main objective of this dissertation is to determine whether it is possible to use the diffusion properties of the two trace elements as a tool to trace magmatic ascent rate. With this objective, diffusion-couple and decompression experiments have been performed in order to study Li and B mobility in intra-melt conditions first, and then in an evolving system during decompression-driven degassing.
Synthetic glasses were prepared with rhyolitic composition and an initial water content of 4.2 wt%, and all the experiments were performed using an internally heated pressure vessel, in order to ensure a precise control on the experimental parameters such as temperature and pressure.
Diffusion-couple experiments were performed with a fix pressure 300 MPa. The temperature was varied in the range of 700-1250 °C with durations between 0 seconds and 24 hours. The diffusion-couple results show that Li diffusivity is very fast and starts already at very low temperature. Significant isotopic fractionation occurs due to the faster mobility of 6Li compared to 7Li. Boron diffusion is also accelerated by the presence of water, but the results of the isotopic ratios are unclear, and further investigation would be necessary to well constrain the isotopic fractionation process of boron in hydrous silicate melts. The isotopic ratios results show that boron isotopic fractionation might be affected by the speciation of boron in the silicate melt structure, as 10B and 11B tend to have tetrahedral and trigonal coordination, respectively.
Several decompression experiments were performed at 900 °C and 1000 °C, with pressures going from 300 MPa to 71-77 MPa and durations of 30 minutes, two, five and ten hours, in order to trigger water exsolution and the formation of vesicles in the sample. Textural observations and the calculation of the bubble number density confirmed that the bubble size and distribution after decompression is directly proportional to the decompression rate.
The overall SIMS results of Li and B show that the two trace elements tend to progressively decrease their concentration with decreasing decompression rates. This is explained because for longer decompression times, the diffusion of Li and B into the bubbles has more time to progress and the melt continuously loses volatiles as the bubbles expand their volumes.
For fast decompression, Li and B results show a concentration increase with a δ7Li and δ11B decrease close to the bubble interface, related to the sudden formation of the gas bubble, and the occurrence of a diffusion process in the opposite direction, from the bubble meniscus to the unaltered melt. When the bubble growth becomes dominant and Li and B start to exsolve into the gas phase, the silicate melt close to the bubble gets depleted in Li and B, because of a stronger diffusion of the trace elements into the bubble.
Our data are being applied to different models, aiming to combine the dynamics of bubble nucleation and growth with the evolution of trace elements concentration and isotopic ratios. Here, first considerations on these models will be presented, giving concluding remarks on this research study. All in all, the final remarks constitute a good starting point for further investigations. These results are a promising base to continue to study this process, and Li and B can indeed show clear dependences on decompression-related magma ascent rates in volcanic systems.
N2  - Diese Forschungsstudie konzentriert sich auf das Verhalten von Li und B während des magmatischen Aufstiegs und der Druckentlastungsbedingten Entgasung im Zusammenhang mit vulkanischen Systemen. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, festzustellen, ob es möglich ist, die Diffusionseigenschaften der beiden Spurenelemente als Instrument zur Verfolgung der magmatischen Aufstiegsgeschwindigkeit zu nutzen. Unter Verwendung von synthetischen Gläsern mit rhyolitischer Zusammensetzung und einem Wassergehalt von 4,2 Gew.-% wurden Diffusionspaar- und Druckentlastungsexperimente durchgeführt, um die Mobilität von Li und B zunächst in der Schmelze und dann in einem sich entwickelnden System während der Druckentlastungsgetriebenen Entgasung zu untersuchen.
Diffusionspaar wurden mit einem festen Druck von 300 MPa durchgeführt. Die Temperatur wurde im Bereich von 700-1250 °C variiert, wobei die Dauer zwischen 0 Sekunden und 24 Stunden lag. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diffusionsfähigkeit von Li sehr schnell ist und bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Eine Isotopenfraktionierung findet aufgrund der schnelleren Mobilität von 6Li im Vergleich zu 7Li statt. Die Diffusion von Bor wird durch die Anwesenheit von Wasser ebenfalls beschleunigt, bleibt aber langsamer als die von Li. Die Ergebnisse der Isotopenverhältnisse zeigen, dass die Bor-Isotopenfraktionierung durch die Speziation von Bor in der Silikatschmelze beeinflusst werden könnte, da 10B und 11B tendenziell eine tetraedrische bzw. trigonale Koordination aufweisen.
Druckentlastungsversuche wurden bei 900 °C und 1000 °C mit Drücken von 300 MPa bis 71-77 MPa und einer Dauer von 30 Minuten, zwei, fünf und zehn Stunden durchgeführt, um die Wasserauflösung und die Bildung von Gasblasen in der Probe auszulösen. Texturbeobachtungen und die Berechnung der Blasenanzahldichte bestätigten, dass die Blasengröße und -verteilung nach der Druckentlastung direkt proportional zur Druckentlastungsrate ist.
Generell zeigen die SIMS-Analysergebnisse von Li und B, dass die Konzentration der beiden Spurenelemente mit abnehmender Druckentlastungsgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei längeren Druckentlastungszeiten mehr Zeit für die Diffusion von Li und B in die Blasen zur Verfügung steht und die Schmelze kontinuierlich flüchtige Bestandteile verliert, während die Blasen ihr Volumen ausdehnen.
Bei schnellen Druckentlastungen zeigen die Li- und B-Ergebnisse einen Konzentrationsanstieg mit einer δ7Li- und δ11B-Abnahme in der Nähe der Blasengrenzfläche, was mit der plötzlichen Bildung der Glasbläser und dem Auftreten eines Diffusionsprozesses in der entgegengesetzten Richtung, vom Blasenmeniskus zur unveränderten Schmelze, zusammenhängt. Wenn das Blasenwachstum dominiert und Li und B in die Gasphase übergehen, verarmt die Silikat Schmelze in der Nähe der Blase an Li und B, da die Spurenelemente stärker in die Blase diffundieren.
Unsere Daten werden auf verschiedene Modelle angewandt, die darauf abzielen, die Dynamik der Blasenkernbildung und des Blasenwachstums mit der Entwicklung der Spurenelementkonzentration und des Isotopenverhältnisses zu kombinieren. Hier werden erste Überlegungen zu diesen Modellen vorgestellt und abschließende Bemerkungen zu dieser Forschungsstudie gemacht. Diese Ergebnisse sind eine vielversprechende Grundlage für die weitere Untersuchung von Li und B, um dekompressionsbedingte Magma-Aufstiegsraten in vulkanischen Systemen zu ermitteln.
KW  - magma degassing
KW  - diffusion
KW  - stable isotopes
KW  - isotopic fractionation
KW  - Diffusion
KW  - Isotopenfraktionierung
KW  - Magma-Entgasung
KW  - stabile Isotope
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560619
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  - 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  - 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  -