TY  - THES
A1  - Munack, Henry
T1  - From phantom blocks to denudational noise
BT  - downwearing of the Himalaya-Tibet orogen from a multi-scale perspective
BT  - die Abtragung des Himalaya-Tibet Orogens aus multiskaliger Perspektive
N2  - Knowing the rates and mechanisms of geomorphic process that shape the Earth’s surface is crucial to understand landscape evolution. Modern methods for estimating denudation rates enable us to quantitatively express and compare processes of landscape downwearing that can be traced through time and space—from the seemingly intact, though intensely shattered, phantom blocks of the catastrophically fragmented basal facies of giant rockslides up to denudational noise in orogen-wide data sets averaging over several millennia. This great variety of spatiotemporal scales of denudation rates is both boon and bane of geomorphic process rates. Indeed, processes of landscape downwearing can be traced far back in time, helping us to understand the Earth’s evolution. Yet, this benefit may turn into a drawback due to scaling issues if these rates are to be compared across different observation timescales.
This thesis investigates the mechanisms, patterns and rates of landscape downwearing across the Himalaya-Tibet orogen.
Accounting for the spatiotemporal variability of denudation processes, this thesis addresses landscape downwearing on three distinctly different spatial scales, starting off at the local scale of individual hillslopes where considerable amounts of debris are generated from rock instantaneously: Rocksliding in active mountains is a major impetus of landscape downwearing. Study I provides a systematic overview of the internal sedimentology of giant rockslide deposits and thus meets the challenge of distinguishing them from macroscopically and microscopically similar glacial deposits, tectonic fault-zone breccias, and impact breccias. This distinction is important to avoid erroneous or misleading deduction of paleoclimatic or tectonic implications. -> Grain size analysis shows that rockslide-derived micro-breccia closely resemble those from meteorite impact or tectonic faults. -> Frictionite may occur more frequently that previously assumed. -> Mössbauer-spectroscopy derived results indicate basal rock melting in the absence of water, involving short-term temperatures of >1500°C.
Zooming out, Study II tracks the fate of these sediments, using the example of the upper Indus River, NW India. There we use river sand samples from the Indus and its tributaries to estimate basin-averaged denudation rates along a ~320-km reach across the Tibetan Plateau margin, to answer the question whether incision into the western Tibetan Plateau margin is currently active or not. -> We find an about one-order-of-magnitude upstream decay—from 110 to 10 mm kyr^-1—of cosmogenic Be-10-derived basin-wide denudation rates across the morphological knickpoint that marks the transition from the Transhimalayan ranges to the Tibetan Plateau. This trend is corroborated by independent bulk petrographic and heavy mineral analysis of the same samples. -> From the observation that tributary-derived basin-wide denudation rates do not increase markedly until ~150–200 km downstream of the topographic plateau margin we conclude that incision into the Tibetan Plateau is inactive. -> Comparing our postglacial Be-10-derived denudation rates to long-term (>10^6 yr) estimates from low-temperature thermochronometry, ranging from 100 to 750 mm kyr^-1, points to an order- of-magnitude decay of rates of landscape downwearing towards present. We infer that denudation rates must have been higher in the Quaternary, probably promoted by the interplay of glacial and interglacial stages.
Our investigation of regional denudation patterns in the upper Indus finally is an integral part of Study III that synthesizes denudation of the Himalaya-Tibet orogen. In order to identify general and time-invariant predictors for Be-10-derived denudation rates we analyze tectonic, climatic and topographic metrics from an inventory of 297 drainage basins from various parts of the orogen. Aiming to get insight to the full response distributions of denudation rate to tectonic, climatic and topographic candidate predictors, we apply quantile regression instead of ordinary least squares regression, which has been standard analysis tool in previous studies that looked for denudation rate predictors. -> We use principal component analysis to reduce our set of 26 candidate predictors, ending up with just three out of these: Aridity Index, topographic steepness index, and precipitation of the coldest quarter of the year. -> Topographic steepness index proves to perform best during additive quantile regression. Our consequent prediction of denudation rates on the basin scale involves prediction errors that remain between 5 and 10 mm kyr^-1. -> We conclude that while topographic metrics such as river-channel steepness and slope gradient—being representative on timescales that our cosmogenic Be-10-derived denudation rates integrate over—generally appear to be more suited as predictors than climatic and tectonic metrics based on decadal records.
N2  - Die Kenntnis von Raten und Mechanismen geomorphologischer Prozesse, die die Erdoberfläche gestalten, ist entscheidend für das Verständnis von quartärer Landschaftsgeschichte. Denudationsraten sind dabei das Mittel zur Quantifizierung und zum Vergleich von Oberflächenabtrag; hinweg über zeitliche und räumliche Größenordnungen – von den optisch unversehrten, jedoch durchgehend zerrütteten “Phantom Blocks” der basalen Fazies katastrophaler Bergstürze bis hin zum “Denudational Noise”, dem durchaus informativen Rauschen in Datensätzen, die über ganze Orogene und tausende Jahre von Landschaftsgeschichte integrieren. Diese große räumlich-zeitliche Variabilität von Denudationsprozessen ist Chance und Herausforderung zugleich. Zum einen können Denudationsprozesse weit in der Zeit zurückverfolgt werden, was hilft, Landschaftsgeschichte nachzuvollziehen. Andererseits hat es sich gezeigt, dass geomorphologische Prozessraten mit dem Zeitraum ihrer Beobachtung skalieren, was einen Vergleich über zeitliche Größenordnungen hinweg erschwert.
Diese Dissertation untersucht in drei Studien die Mechanismen, Muster und Raten von Denudation im Himalaja-Tibet Orogen.
Der räumlichen (und zeitlichen) Variabilität von Denudationsprozessen folgend beginnt diese Arbeit dort, wo bedeutende Mengen von Festgestein schlagartig in erodierbaren Schutt umgewandelt werden: Bergstürze sind ein Hauptantrieb der Abtragung von aktiven Gebirgen. Studie I systematisiert die interne Sedimentologie gigantischer Bergsturzablagerungen. Sie adressiert damit Herausforderungen durch die makro- und mikroskopische Ähnlichkeit von Bergsturzablagerungen mit glazialen Ablagerungen, tektonischen Störungsbrekkzien und Impaktbrekkzien. Ziel einer solchen Systematisierung ist die Vermeidung fehlerhafter paläoklimatischer oder -tektonischer Interpretationen. -> Bergsturzbrekkzien sind auf mikroskopischer Ebene nicht von tektonischen oder Impaktbrekkzien unterscheidbar. -> Friktionit könnte weit häufiger vorkommen, als bisher angenommen. -> Mössbauer-Spektroskopie deutet auf Temperaturen ≥ 1500° C sowie die Abwesenheit von Wasser als Schmiermittel hin.
Auf der mesoskaligen Ebene von Einzugsgebieten verfolgt Studie II, am Beispiel des oberen Indus in NW Indien den Weg dieser Sedimente, denn sie geben Auskunft über beckenweite Denudationsraten, sowie Pfade und Muster des Sedimenttransports am westlichen Tibetplateaurand. Diese Informationen sollen helfen, die Mechanismen der Einschneidung großer Flüsse in das Tibetplateau, sowie den gegenwärtigen erosionalen Status des Plateaurandes zu verstehen. -> Die beckenweiten Denudationsraten in den Tributären des Indus nehmen stromabwärts – und damit über den morphologischen Tibetplateaurand hinweg – von 10 auf 110 mm kyr^-1 zu. Dieser Trend wird durch unabhängige Petrographie- und Schwermineralanalysen aus denselben Proben nachgezeichnet. -> Es zeigt sich allerdings, dass der morphologische Plateaurand und der hierfür erwartbare Anstieg der Denudationsraten um ~150–200 km versetzt sind. Hieraus schließen wir, dass der westliche Rand des Tibetischen Plateaus rezent nicht maßgeblich erodiert wird. -> Ein Vergleich unserer postglazialen Denudationsraten von kosmogenem Be-10 mit Langzeit- (>10^6 yr)-Thermochronometriedaten von 100 bis 750 mm kyr^-1 deutet auf einen spätquartären Rückgang von Denudationsraten im Transhimalaya hin. Folglich muss es früher während des Quartärs Zeiten höherer erosionaler Effizienz gegeben haben.
Studie III fokussiert schließlich, in einer Analyse beckenweiter Be-10-Denudationsraten, auf Denudationsmuster und -mechanismen für das gesamte Himalaja-Tibet Orogen. Auf der Suche nach zeit-invarianten tektonischen, klimatischen oder topographischen Prädiktoren für Denudationsraten wird ein Datensatz von 297 orogenweit verteilten Einzugsgebieten untersucht. Um Einblicke in die gesamte Response-Verteilung zwischen Denudationsrate und Prädiktor zu erhalten nutzen wir – anstelle der in diesem Zusammenhang vielbenutzten Methode der kleinsten Quadrate – Quantil-Regression. -> Dafür reduzieren wir einen Satz von 26 möglichen Prädiktoren, unter Nutzung der Hauptkomponentenanalyse, auf drei Prädiktoren: Ariditätsindex, topographischer Steilheitsindex und Niederschlag des kältesten Quartals. -> Die additive Quantil-Regression dieser drei Prädiktoren zeigt, dass der Steilheitsindex die besten Ergebnisse im Sinne einer zeit-invarianten Beziehung zwischen Denudationsrate und Prädiktoren liefert. -> Zusammenfassend zeigt sich, dass topographisch basierte Prädiktoren geeigneter für die Vorhersage von kosmogenen beckenweiten Denudationsraten sind als klimatische oder tektonische Prädiktoren. Wir erklären dieses Resultat mit den jeweils über Jahrtausende integrierenden Maßzahlen für Topographie und kosmogenen Denudationsraten, und der daraus folgenden Inkompatibilität der kosmogenen Denudationsraten mit den tektonischen und klimatischen Prädiktoren, die lediglich auf Jahrzehnten von Messungen beruhen.
T2  - Von Phantomblöcken zu Denudationsrauschen
KW  - geomorphology
KW  - quaternary
KW  - denudation
KW  - Himalaya-Tibet orogen
KW  - cosmogenic nuclides
KW  - rockslide
KW  - Geomorphologie
KW  - Quartär
KW  - Denudation
KW  - Himalaya-Tibet Orogen
KW  - kosmogene Nuklide
KW  - Bergsturz
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72629
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bamberg, Marlene
T1  - Planetary mapping tools applied to floor-fractured craters on Mars
T1  - Planetare Analysewerkzeuge am Anwendungsgebiet von Kratern mit zerbrochenen Boeden auf dem Mars
N2  - Planetary research is often user-based and requires considerable skill, time, and effort. Unfortunately, self-defined boundary conditions, definitions, and rules are often not documented or not easy to comprehend due to the complexity of research. This makes a comparison to other studies, or an extension of the already existing research, complicated. Comparisons are often distorted, because results rely on different, not well defined, or even unknown boundary conditions. The purpose of this research is to develop a standardized analysis method for planetary surfaces, which is adaptable to several research topics. The method provides a consistent quality of results. This also includes achieving reliable and comparable results and reducing the time and effort of conducting such studies. A standardized analysis method is provided by automated analysis tools that focus on statistical parameters. Specific key parameters and boundary conditions are defined for the tool application. The analysis relies on a database in which all key parameters are stored. These databases can be easily updated and adapted to various research questions. This increases the flexibility, reproducibility, and comparability of the research. However, the quality of the database and reliability of definitions directly influence the results. To ensure a high quality of results, the rules and definitions need to be well defined and based on previously conducted case studies. The tools then produce parameters, which are obtained by defined geostatistical techniques (measurements, calculations, classifications). The idea of an automated statistical analysis is tested to proof benefits but also potential problems of this method. In this study, I adapt automated tools for floor-fractured craters (FFCs) on Mars. These impact craters show a variety of surface features, occurring in different Martian environments, and having different fracturing origins. They provide a complex morphological and geological field of application. 433 FFCs are classified by the analysis tools due to their fracturing process. Spatial data, environmental context, and crater interior data are analyzed to distinguish between the processes involved in floor fracturing. Related geologic processes, such as glacial and fluvial activity, are too similar to be separately classified by the automated tools. Glacial and fluvial fracturing processes are merged together for the classification. The automated tools provide probability values for each origin model. To guarantee the quality and reliability of the results, classification tools need to achieve an origin probability above 50 %. This analysis method shows that 15 % of the FFCs are fractured by intrusive volcanism, 20 % by tectonic activity, and 43 % by water & ice related processes. In total, 75 % of the FFCs are classified to an origin type. This can be explained by a combination of origin models, superposition or erosion of key parameters, or an unknown fracturing model. Those features have to be manually analyzed in detail. Another possibility would be the improvement of key parameters and rules for the classification. This research shows that it is possible to conduct an automated statistical analysis of morphologic and geologic features based on analysis tools. Analysis tools provide additional information to the user and are therefore considered assistance systems.
N2  - Planetenforschung umfasst oft zeitintensive Projekte, bei denen Expertise und Erfahrung eine wesentliche Rolle spielen. Auf Grund äusserst komplexer und sich selten wiederholender Forschungsfragen sind Annahmen, Definitionen und Regeln zur Lösung dieser Fragen nicht leicht nachvollziehbar oder aber nicht eindeutig dokumentiert. Ein Vergleich der Ergebnisse unterschiedlicher Forscher zum selben Thema oder eine Erweiterung der Forschungsfrage macht dies somit nur schwer möglich. Vergleiche liefern oftmals verzerrte Ergebnisse, da die Ausgangslage und Randbedingungen unterschiedlich definiert worden sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine Standardmethode zur Oberflächenanalyse zu entwickeln, die auf zahlreiche Untersuchungsfragen angewandt werden kann. Eine gleichbleibende Qualität der Ergebnisse muss durch diese Methode gewährleistet sein. Ein weiteres Ziel ist es, dass diese Methode ohne Vorwissen und Expertise angewandt werden kann und die Ergebnisse in kurzer Zeit vorliegen. Ausserdem müssen die Ergebnisse vergleichbar und nachvollziehbar sein. Automatisch operierende Analysewerkzeuge können die zahlreichen Anforderungen erfüllen und als Standardmethode dienen. Statistische Ergebnisse werden durch diese Methode erzielt. Die Werkzeuge basieren auf vordefinierten, geowissenschaftlichen Techniken und umfassen Messungen, Berechnungen und Klassifikationen der zu untersuchenden Oberflächenstrukturen. Für die Anwendung dieser Werkzeuge müssen Schlüsselstrukturen und Randbedingungen definiert werden. Des Weiteren benötigen die Werkzeuge eine Datenbank, in der alle Oberflächenstrukturen, aber auch Informationen zu den Randbedingungen gespeichert sind. Es ist mit geringem Aufwand möglich, Datenbanken zu aktualisieren und sie auf verschiedenste Fragestellungen zu adaptieren. Diese Tatsache steigert die Flexibilität, Reproduzierbarkeit und auch Vergleichbarkeit der Untersuchung. Die vordefinierten Randbedingungen und die Qualität der Datenbank haben jedoch auch direkten Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse. Um eine gleichbleibend hohe Qualität der Untersuchung zu gewährleisten muss sichergestellt werden, dass alle vordefinierten Bedingungen eindeutig sind und auf vorheriger Forschung basieren. Die automatisch operierenden Analysewerkzeuge müssen als mögliche Standardmethode getestet werden. Hierbei geht es darum Vorteile, aber auch Nachteile zu identifizieren und zu bewerten. In dieser Arbeit werden die Analysewerkzeuge auf einen bestimmten Einschlagskratertyp auf dem Mars angewandt. Krater mit zerbrochenen Kraterböden (Floor-Fractured Craters) sind in verschiedensten Regionen auf dem Mars zu finden, sie zeigen zahlreiche Oberflächenstrukturen und wurden durch unterschiedliche Prozesse geformt. All diese Fakten machen diesen Kratertyp zu einem interessanten und im geologischen und morphologischen Sinne sehr komplexen Anwendungsgebiet. 433 Krater sind durch die Werkzeuge analysiert und je nach Entstehungsprozess klassifiziert worden. Für diese Analyse sind Position der Krater, Art des Umfeldes und Strukturen im Kraterinneren ausschlaggebend. Die kombinierten Informationen geben somit Auskunft über die Prozesse, welche zum Zerbrechen des Kraterbodens geführt haben. Die entwickelten Analysewerkzeuge können geologische Prozesse, die sehr ähnlich zueinander sind, von einander abhängig sind und zusätzlich auch dieselben Oberflächenstrukturen formen, nicht eindeutig unterscheiden. Aus diesem Grund sind fluviale und glaziale Entstehungsprozesse für den untersuchten Kratertyp zusammengefasst. Die Analysewerkzeuge liefern Wahrscheinlichkeitswerte für drei mögliche Entstehungsarten. Um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern muss eine Wahrscheinlichkeit über 50 % erreicht werden. Die Werkzeuge zeigen, dass 15 % der Krater durch Vulkanismus, 20 % durch Tektonik und 43 % durch Wasser- und Eis-bedingte Prozesse gebildet wurden. Insgesamt kann für 75 % des untersuchten Kratertyps ein potentieller Entstehungsprozess zugeordnet werden. Für 25 % der Krater ist eine Klassifizierung nicht möglich. Dies kann durch eine Kombination von geologischen Prozessen, einer Überprägung von wichtigen Schlüsselstrukturen, oder eines bisher nicht berücksichtigten Prozesses erklärt werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass es möglich ist planetare Oberflächenstrukturen quantitativ durch automatisch operierende Analysewerkzeuge zu erfassen und hinsichtlich einer definierten Fragestellung zu klassifizieren. Zusätzliche Informationen können durch die entwickelten Werkzeuge erhalten werden, daher sind sie als Assistenzsystem zu betrachten.
KW  - Datenbank
KW  - Automatisierung
KW  - Klassifizierung
KW  - geologische Prozesse
KW  - Geomorphologie
KW  - database
KW  - automation
KW  - classification
KW  - geological processes
KW  - geomorphology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72104
ER  -