TY  - THES
A1  - Schifferle, Lukas
T1  - Optical properties of (Mg,Fe)O at high pressure
T1  - Optische Eigenschaften von (Mg,Fe)O unter Hochdruck
N2  - Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained.
In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+.
N2  - Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht.
Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen.
KW  - optical properties
KW  - optische Eigenschaften
KW  - high pressure
KW  - Hochdruck
KW  - earth mantle
KW  - Erdmantel
KW  - diamond anvil cell
KW  - Diamantstempelzelle
KW  - ferropericlase
KW  - Ferroperiklas
KW  - spectroscopy
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622166
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TY  - THES
A1  - Antonoglou, Nikolaos
T1  - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes
T1  - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden
N2  - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data.

The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient.

The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways.
N2  - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren.

Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen.

Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege.
KW  - remote sensing
KW  - GNSS
KW  - GPS
KW  - water vapour
KW  - soil moisture
KW  - Central Andes
KW  - zentrale Anden
KW  - globales Navigationssatellitensystem
KW  - globales Positionsbestimmungssystem
KW  - Fernerkundung
KW  - Bodenfeuchtigkeit
KW  - Wasserdampf
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256
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TY  - THES
A1  - Windirsch-Woiwode, Torben
T1  - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem
T1  - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems
N2  - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere.
By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region.
N2  - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern.
Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der 
n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können.
KW  - permafrost
KW  - carbon
KW  - climate change
KW  - grazing
KW  - Arctic
KW  - Arktis
KW  - Kohlenstoff
KW  - Klimawandel
KW  - Beweidung
KW  - Permafrost
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240
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TY  - THES
A1  - Müller, Daniel
T1  - Identification and monitoring of structures, controls, and evolution dynamics of hydrothermal systems and associated alteration through high-resolution remote sensing and in situ analysis
T1  - Identifizierung und Überwachung von Strukturen, Kontrollmechanismen und Entwicklungsdynamiken hydrothermaler Systeme und damit verbundener Alteration durch hochauflösende Fernerkundung und In-situ-Analyse
N2  - Volcanic hydrothermal systems are an integral part of most volcanoes and typically involve a heat source, adequate fluid supply, and fracture or pore systems through which the fluids can circulate within the volcanic edifice. Associated with this are subtle but powerful processes that can significantly influence the evolution of volcanic activity or the stability of the near-surface volcanic system through mechanical weakening, permeability reduction, and sealing of the affected volcanic rock. These processes are well constrained for rock samples by laboratory analyses but are still difficult to extrapolate and evaluate at the scale of an entire volcano. Advances in unmanned aircraft systems (UAS), sensor technology, and photogrammetric processing routines now allow us to image volcanic surfaces at the centimeter scale and thus study volcanic hydrothermal systems in great detail. This thesis aims to explore the potential of  UAS approaches for studying the structures, processes, and dynamics of volcanic hydrothermal systems but also to develop methodological approaches to uncover secondary information hidden in the data, capable of indicating spatiotemporal dynamics or potentially critical developments associated with hydrothermal alteration. To accomplish this, the thesis describes the investigation of two near-surface volcanic hydrothermal systems, the El Tatio geyser field in Chile and the fumarole field of La Fossa di Vulcano (Italy), both of which are among the best-studied sites of their kind. Through image analysis, statistical, and spatial analyses we have been able to provide the most detailed structural images of both study sites to date, with new insights into the driving forces of such systems but also revealing new potential controls, which are summarized in conceptual site-specific models. Furthermore, the thesis explores methodological remote sensing approaches to detect, classify and constrain hydrothermal alteration and surface degassing from UAS-derived data, evaluated them by mineralogical and chemical ground-truthing, and compares the alteration pattern with the present-day degassing activity. A significant contribution of the often neglected diffuse degassing activity to the total amount of degassing is revealed and constrains secondary processes and dynamics associated with hydrothermal alteration that lead to potentially critical developments like surface sealing. The results and methods used provide new approaches for alteration research, for the monitoring of degassing and alteration effects, and for thermal monitoring of fumarole fields, with the potential to be incorporated into volcano monitoring routines.
N2  - Vulkanische Hydrothermalsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler Vulkane und erfordern allgemein eine ausreichende Wärmequelle, eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr und Kluft- oder Porensysteme, durch die Flüssigkeiten zirkulieren können. Damit verbunden sind subtile, aber wirksame Prozesse, welche die Entwicklung der vulkanischen Aktivität oder die Stabilität des oberflächennahen Vulkansystems durch mechanische Schwächung, Verringerung der Durchlässigkeit und Versiegelung des betroffenen vulkanischen Gesteins erheblich beeinflussen können. Solche Prozesse sind für Gesteinsproben durch Laboranalysen gut definiert, aber es ist immer noch schwierig sie auf der Skala eines ganzen Vulkans zu bewerten. Fortschritte bei unbemannten Flugsystemen (UAS), Sensortechnologie und photogrammetrischen Prozessierungs-routinen ermöglichen es uns heute, Vulkanoberflächen im Zentimeterbereich abzubilden und damit vulkanische Hydrothermalsysteme sehr detailliert zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, deren Potenzial für die Untersuchung der Strukturen, Prozesse und Dynamik solcher Systeme zu erforschen, aber auch methodische Ansätze zu finden, um in den Daten verborgene Sekundärinformationen zu analysieren, die auf raum-zeitliche Dynamiken oder potenziell kritische Entwicklungen im Zusammenhang mit hydrothermaler Alteration hinweisen können. Wir haben zwei oberflächennahe vulkanische hydrothermale Systeme analysiert, das Geysirfeld von El Tatio in Chile und das Fumarolenfeld von La Fossa di Vulcano in Italien, die beide zu den am besten untersuchten Systemen ihrer Art gehören. Durch Bildanalyse, statistische und räumliche Analysen konnten wir das bisher detaillierteste Abbild des strukturellen Aufbaus beider Standorte erstellen, neue Einblicke in die oft faszinierende Systematik solcher Systeme geben, aber auch neue potenzielle Kontrollfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse werden in konzeptionellen Modellen zusammengefasst. Darüber hinaus haben wir methodische Ansätze der Fernerkundung zur Erkennung, Klassifizierung und räumlichen Eingrenzung hydrothermaler Alteration aus UAS-Daten untersucht, durch mineralogisches und chemisches „Ground-Truthing“ bewertet und die Alterationsmuster mit der aktuellen Entgasungsaktivität verglichen. Wir zeigen dass die oft nicht berücksichtigte diffuse Aktivität einen signifikanten Beitrag zur Gesamtaktivität liefert, aber auch Bereiche in denen sekundäre Prozesse hydrothermaler Alteration scheinbar zu potenziell kritischen Entwicklungen wie Oberflächenversiegelung führen. Die Ergebnisse und die verwendeten Methoden bieten neue Ansätze für die Alterationsforschung, für die Überwachung von Entgasungs- und Alterationseffekten und für die thermische Überwachung von Fumarolenfeldern, und haben Potential in Vulkanüberwachungsroutinen integriert zu werden.
KW  - volcano remote sensing
KW  - Fernerkundung an Vulkanen
KW  - volcanic hydrothermal systems
KW  - vulkanische Entgasungs-und Hydrothermalsysteme
KW  - Vulkanüberwachung
KW  - hydrothermale Alteration
KW  - vulkanische Entgasungssysteme
KW  - Drohnen-Fernerkundung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626683
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TY  - THES
A1  - Koyan, Philipp
T1  - 3D attribute analysis and classification to interpret ground-penetrating radar (GPR) data collected across sedimentary environments: Synthetic studies and field examples
T1  - 3D Attributanalyse und -klassifizierung zur Interpretation von Georadar-Daten in sedimentären Umgebungen: Synthetische Studien und Feldbeispiele
N2  - Die Untersuchung des oberflächennahen Untergrundes erfolgt heutzutage bei Frage- stellungen aus den Bereichen des Bauwesens, der Archäologie oder der Geologie und Hydrologie oft mittels zerstörungsfreier beziehungsweise zerstörungsarmer Methoden der angewandten Geophysik. Ein Bereich, der eine immer zentralere Rolle in Forschung und Ingenieurwesen einnimmt, ist die Untersuchung von sedimentären Umgebungen, zum Beispiel zur Charakterisierung oberflächennaher Grundwassersysteme. Ein in diesem Kontext häufig eingesetztes Verfahren ist das des Georadars (oftmals GPR - aus dem Englischen ground-penetrating radar). Dabei werden kurze elektromagnetische Impulse von einer Antenne in den Untergrund ausgesendet, welche dort wiederum an Kontrasten der elektromagnetischen Eigenschaften (wie zum Beispiel an der Grundwasseroberfläche) reflektiert, gebrochen oder gestreut werden. Eine Empfangsantenne zeichnet diese Signale in Form derer Amplituden und Laufzeiten auf. Eine Analyse dieser aufgezeichneten Signale ermöglicht Aussagen über den Untergrund, beispielsweise über die Tiefenlage der Grundwasseroberfläche oder die Lagerung und Charakteristika oberflächennaher Sedimentschichten. Dank des hohen Auflösungsvermögens der GPR-Methode sowie stetiger technologischer Entwicklungen erfolgt heutzutage die Aufzeichnung von GPR- Daten immer häufiger in 3D.
Trotz des hohen zeitlichen und technischen Aufwandes für die Datenakquisition und -bearbeitung werden die resultierenden 3D-Datensätze, welche den Untergrund hochauflösend abbilden, typischerweise von Hand interpretiert. Dies ist in der Regel ein äußerst zeitaufwendiger Analyseschritt. Daher werden oft repräsentative 2D-Schnitte aus dem 3D-Datensatz gewählt, in denen markante Reflektionsstrukuren markiert werden. Aus diesen Strukturen werden dann sich ähnelnde Bereiche im Untergrund als so genannte Radar-Fazies zusammengefasst. Die anhand von 2D-Schnitten erlangten Resultate werden dann als repräsentativ für die gesamte untersuchte Fläche angesehen. In dieser Form durchgeführte Interpretationen sind folglich oft unvollständig sowie zudem in hohem Maße von der Expertise der Interpretierenden abhängig und daher in der Regel nicht reproduzierbar.
Eine vielversprechende Alternative beziehungsweise Ergänzung zur manuellen In- terpretation ist die Verwendung von so genannten GPR-Attributen. Dabei werden nicht die aufgezeichneten Daten selbst, sondern daraus abgeleitete Größen, welche die markanten Reflexionsstrukturen in 3D charakterisieren, zur Interpretation herangezogen. In dieser Arbeit wird anhand verschiedener Feld- und Modelldatensätze untersucht, welche Attribute sich dafür insbesondere eignen. Zudem zeigt diese Arbeit, wie ausgewählte Attribute mittels spezieller Bearbeitungs- und Klassifizierungsmethoden zur Erstellung von 3D-Faziesmodellen genutzt werden können. Dank der Möglichkeit der Erstellung so genannter attributbasierter 3D-GPR-Faziesmodelle können zukünftige Interpretationen zu gewissen Teilen automatisiert und somit effizienter durchgeführt werden. Weiterhin beschreiben die so erhaltenen Resultate den untersuchten Untergrund in reproduzierbarer Art und Weise sowie umfänglicher als es bisher mittels manueller Interpretationsmethoden typischerweise möglich war.
N2  - Today, near-surface investigations are frequently conducted using non-destructive or minimally invasive methods of applied geophysics, particularly in the fields of civil engineering, archaeology, geology, and hydrology. One field that plays an increasingly central role in research and engineering is the examination of sedimentary environments, for example, for characterizing near-surface groundwater systems. A commonly employed method in this context is ground-penetrating radar (GPR). In this technique, short electromagnetic pulses are emitted into the subsurface by an antenna, which are then reflected, refracted, or scattered at contrasts in electromagnetic properties (such as the water table). A receiving antenna records these signals in terms of their amplitudes and travel times. Analysis of the recorded signals allows for inferences about the subsurface, such as the depth of the groundwater table or the composition and characteristics of near-surface sediment layers. Due to the high resolution of the GPR method and continuous technological advancements, GPR data acquisition is increasingly performed in three-dimensional (3D) fashion today.
Despite the considerable temporal and technical efforts involved in data acquisition and processing, the resulting 3D data sets (providing high-resolution images of the subsurface) are typically interpreted manually. This is generally an extremely time-consuming analysis step. Therefore, representative 2D sections highlighting distinctive reflection structures are often selected from the 3D data set. Regions showing similar structures are then grouped into so-called radar facies. The results obtained from 2D sections are considered representative of the entire investigated area. Interpretations conducted in this manner are often incomplete and highly dependent on the expertise of the interpreters, making them generally non-reproducible.
A promising alternative or complement to manual interpretation is the use of GPR attributes. Instead of using the recorded data directly, derived quantities characterizing distinctive reflection structures in 3D are applied for interpretation. Using various field and synthetic data sets, this thesis investigates which attributes are particularly suitable for this purpose. Additionally, the study demonstrates how selected attributes can be utilized through specific processing and classification methods to create 3D facies models. The ability to generate attribute-based 3D GPR facies models allows for partially automated and more efficient interpretations in the future. Furthermore, the results obtained in this manner describe the subsurface in a reproducible and more comprehensive manner than what has typically been achievable through manual interpretation methods.
KW  - ground-penetrating radar
KW  - sedimentary environments
KW  - 3D
KW  - applied geophysics
KW  - near-surface geophysics
KW  - Georadar
KW  - sedimentäre Systeme
KW  - angewandte Geophysik
KW  - oberflächennahe Geophysik
KW  - Attribute
KW  - attributes
KW  - geophysics
KW  - Geophysik
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639488
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TY  - THES
A1  - Lilienkamp, Henning
T1  - Enhanced computational approaches for data-driven characterization of earthquake ground motion and rapid earthquake impact assessment
T1  - Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen
N2  - Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation.

In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations.

The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model.

In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available.

The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets.
N2  - Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen.

In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt.

Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt.

Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen.

Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen.
KW  - seismology
KW  - machine learning
KW  - deep learning
KW  - ground motion modeling
KW  - seismic hazard
KW  - rapid earthquake impact assessment
KW  - geophysics
KW  - Deep Learning
KW  - Geophysik
KW  - Bodenbewegungsmodellierung
KW  - maschinelles Lernen
KW  - schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen
KW  - seismische Gefährdung
KW  - Seismologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631954
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sharma, Shubham
T1  - Integrated approaches to earthquake forecasting
T1  - Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben
BT  - insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences
BT  - Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen
N2  - A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment.

The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. 

To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault.

Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard.

The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies.
N2  - Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern.

Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird.

Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist.

Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr.

Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen.
KW  - earthquake
KW  - forecasting
KW  - hazards
KW  - seismology
KW  - Erdbeben
KW  - Vorhersage
KW  - Gefahren
KW  - Seismologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tella, Timothy Oluwatobi
T1  - Exploring the roles of sediment production by Photozoan and Heterozoan biotas on the evolution of carbonate system geometries through forward modelling
T1  - Untersuchung der Rolle der Sedimentproduktion durch Photozoen- und Heterozoenbiotope bei der Entwicklung der Geometrie von Karbonatsystemen durch Vorwärtsmodellierung
BT  - examples from Mallorca and Menorca
N2  - The role of biogenic carbonate producers in the evolution of the geometries of carbonate systems has been the subject of numerous research projects. Attempts to classify modern and ancient carbonate systems by their biotic components have led to the discrimination of biogenic carbonate producers broadly into Photozoans, which are characterised by an affinity for warm tropical waters and high dependence on light penetration, and Heterozoans which are generally associated with both cool water environments and nutrient-rich settings with little to no light penetration. These broad categories of carbonate sediment producers have also been recognised to dominate in specific carbonate systems. Photozoans are commonly dominant in flat-topped platforms with steep margins, while Heterozoans generally dominate carbonate ramps. However, comparatively little is known on how these two main groups of carbonate producers interact in the same system and impact depositional geometries responding to changes in environmental conditions such as sea level fluctuation, antecedent slope, sediment transport processes, etc. This thesis presents numerical models to investigate the evolution of Miocene carbonate systems in the Mediterranean from two shallow marine domains: 1) a Miocene flat-topped platform dominated by Photozoans, with a significant component of Hetrozoans in the slope and 2) a Heterozoan distally steepened ramp, with seagrass-influenced (Photozoan) inner ramp. The overarching aim of the three articles comprising this cumulative thesis is to provide a numerical study of the role of Photozoans and Heterozoans in the evolution of carbonate system geometries and how these biotas respond to changes in environmental conditions. This aim was achieved using stratigraphic forward modelling, which provides an approach to quantitatively integrate multi-scale datasets to reconstruct sedimentary processes and products during the evolution of a sedimentary system.
In a Photozoan-dominated carbonate system, such as the Miocene Llucmajor platform in Western Mediterranean, stratigraphic forward modelling dovetailed with a robust set of sensitivity tests reveal how the geometry of the carbonate system is determined by the complex interaction of Heterozoan and Photozoan biotas in response to variable conditions of sea level fluctuation, substrate configuration, sediment transport processes and the dominance of Photozoan over Heterozoan production. This study provides an enhanced understanding of the different carbonate systems that are possible under different ecological and hydrodynamic conditions. The research also gives insight into the roles of different biotic associations in the evolution of carbonate geometries through time and space. The results further show that the main driver of platform progradation in a Llucmajor-type system is the lowstand production of Heterozoan sediments, which form the necessary substratum for Photozoan production.
In Heterozoan systems, sediment production is mainly characterised by high transport deposits, that are prone to redistribution by waves and gravity, thereby precluding the development of steep margins. However, in the Menorca ramp, the occurrence of sediment trapping by seagrass led to the evolution of distal slope steepening. We investigated, through numerical modelling, how such a seagrass-influenced ramp responds to the frequency and amplitude of sea level changes, variable carbonate production between the euphotic and oligophotic zone, and changes in the configuration of the paleoslope. The study reinforces some previous hypotheses and presents alternative scenarios to the established concepts of high-transport ramp evolution. The results of sensitivity experiments show that steep slopes are favoured in ramps that develop in high-frequency sea level fluctuation with amplitudes between 20 m and 40 m. We also show that ramp profiles are significantly impacted by the paleoslope inclination, such that an optimal antecedent slope of about 0.15 degrees is required for the Menorca distally steepened ramp to develop.
The third part presents an experimental case to argue for the existence of a Photozoan sediment threshold required for the development of steep margins in carbonate platforms. This was carried out by developing sensitivity tests on the forward models of the flat-topped (Llucmajor) platform and the distally steepened (Menorca) platform. The results show that models with Photozoan sediment proportion below a threshold of about 40% are incapable of forming steep slopes. The study also demonstrates that though it is possible to develop steep margins by seagrass sediment trapping, such slopes can only be stabilized by the appropriate sediment fabric and/or microbial binding. In the Photozoan-dominated system, the magnitude of slope steepness depends on the proportion of Photozoan sediments in the system. Therefore, this study presents a novel tool for characterizing carbonate systems based on their biogenic components.
N2  - Die Rolle von biogenen Karbonatproduzenten bei der Ausbildung der Geometrien von Karbonatablagerungen war bereits Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten. Bisherige Versuche, moderne und alte Karbonatsysteme anhand ihrer biotischen Komponenten zu klassifizieren, führten dazu, dass biogene Karbonatproduzenten generell unterschieden werden in Photozoen, welche sich durch eine starke Neigung zu warmen, tropischen Gewässern und eine hohe Abhängigkeit von der Lichtdurchflutung auszeichnen, und in Heterozoen, die im Allgemeinen mit kühlen Wasserumgebungen mit wenig bis gar keiner Lichtdurchflutung assoziiert werden. Dabei wurde auch festgestellt, dass diese beiden Haupttypen von Karbonatproduzenten in bestimmten Karbonatsystemen dominierend sind. Photozoen sind in der Regel auf Karbonatplattformen mit flachem Oberbereich und steilen Rändern vorherrschend, während Heterozoen generell in Karbonatrampen dominieren. Allerdings herrscht immer noch große Unkenntnis darüber, wie diese Karbonatsysteme und ihre Geometrien auf Veränderungen der Umweltbedingungen, wie z. B. Schwankungen des Meeresspiegels, vorherige Geometrien der Karbonatablagerungen, Prozesse des Sedimenttransports, usw., reagieren. In dieser Dissertation werden numerische Modelle vorgestellt, mit Hilfe derer die Entwicklung miozäner Karbonatsysteme im Mittelmeerraum anhand des Beispiels zweier Flachwasserbereiche untersucht werden: 1) eine miozäne Plattform mit flachem Oberbereich, die von Photozoen dominiert wird, und 2) eine von Seegras beeinflusste und distal steil abfallende Rampe die von Heterozoen dominiert wird. Das übergeordnete Ziel der drei wissenschaftlichen Publikationen, aus denen diese kumulative Dissertation aufgebaut ist, beinhaltet die numerische Analyse der Rolle von Photozoen und Heterozoen bei der Entwicklung der Geometrien von Karbonatsystem, und die anschließende Auswertung, wie diese Biotope auf Veränderungen der Umweltbedingungen reagieren. Dies wurde mit Hilfe der stratigraphischen Vorwärtsmodellierung realisiert, welche einen methodologischen Ansatz zur quantitativen Integration von Datensätzen unterschiedlichster Größenordnungen bietet, um sedimentäre Prozesse und deren Produkte im Laufe der Entwicklung eines Sedimentsystems zu rekonstruieren. 
In einem von Photozoen dominierten Karbonatsystem, wie das der miozänen Llucmajor-Plattform im westlichen Mittelmeerraum, zeigt die stratigraphische Vorwärtsmodellierung in Übereinstimmung mit belastbaren Daten, die aus einer umfangreichen Reihe von Sensitivitätstests gewonnen wurden, wie die Geometrie des untersuchten Karbonatsystems durch die komplexe Interaktion von photozoischen und heterozoischen Biotopen als Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen wie Meeresspiegelschwankungen, Struktur des Substrates, Prozesse der Sedimentation und die Dominanz von Photozoen gegenüber Heterozoen bestimmt wird. Diese Analyse führt zu einem erweiterten Verständnis über den Aufbau und die Entwicklung der verschiedenen Arten von Karbonatsystemen, die unter den jeweiligen ökologischen und hydrodynamischen Umgebungsbedingungen potenziell möglich sind. Zusätzlich bieten die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsergebnisse neue Einblicke über die Rolle der verschiedenen biologischen Vergesellschaftungen bei der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Geometrie eines karbonatischen Flachwasserablagerungsraums. Außerdem konnte bewiesen werden, dass der Hauptfaktor, der für die Progradation einer Plattform des Llucmajortypus verantwortlich ist, die Karbonatproduktion durch Heterozoen während der ´lowstand´- Phase ist, wodurch sich das Substrat bildet, welches für die Karbonatproduktion durch Photozoen notwendig ist. 
In heterozoischen Systemen ist die Sedimentproduktion vor allem durch Prozesse mit hoher Transportdynamik gekennzeichnet, und unterliegt einer Sedimentumverteilung, die durch Wellenbewegungen und gravitative Prozesse ausgelöst wird, wodurch das Ausbilden steiler Plattformränder verhindert wird. In der Karbonatrampe von Menorca jedoch führte das Vorkommen von Sedimentablagerungen, die durch Seegras stabilisiert wurden, zur Versteilerung des distalen Bereichs der Karbonatrampe. Mit Hilfe numerischer Modelle wurde untersucht, wie eine solche von Seegras beeinflusste Rampe auf die Frequenz und Amplitude von Meeresspiegelschwankungen, auf die unterschiedlich ausgeprägte Karbonatproduktion innerhalb der euphotischen und der oligophotischen Zone, sowie auf Veränderungen in der Struktur der vorherigen Geometrie der Rampe, reagiert. Das Ergebnis dieser Analyse untermauert einige der früheren Hypothesen, bietet aber auch alternative Szenarien zu den bereits etablierten Konzepten der Entstehung und Entwicklung von Karbonatrampen, welche durch eine hohe Transportdynamik gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse der „Sensitivitätsanalysen“ zeigen, dass sich in einer Karbonatrampe bevorzugt steilere distalere Bereiche ausbilden, wenn die Entwicklung der Rampe durch hochfrequente Meeresspiegelschwankungen mit einer Amplitude zwischen 20 m bis 40 m geprägt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das Profil einer Rampe stark von der ursprünglichen Hangneigung beeinflusst wird, und ein optimaler Neigungswinkel des vorherigen Hanges von ungefähr 0.15 Grad benötigt wird, damit eine Rampe, wie die des Menorcatypus die im distalen Bereich steiler wird, sich ausbilden kann.
Im dritten Teil der Dissertation wird ein experimentelles Fallbeispiel vorgestellt, welches Hinweise auf das Vorhandensein eines spezifischen Schwellenwerts innerhalb der photozoischen Karbonatproduktion liefert, der essenziell für die Entwicklung von steilen Plattformrändern ist. Zu diesem Zweck wurden Sensibilitätstests für die Vorwärtsmodelle der Plattform mit flacher Topografie des oberen Bereiches (Llucmajor) und der im distalen Bereich steiler werdenden Plattform (Menorca) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Modelle, die einen Anteil an von Photozoen produzierten Sedimenten aufweisen, der unter einem Schwellenwert von etwa 40 % liegt, nicht in der Lage sind, steile Plattformränder auszubilden. Diese Analyse beweist auch, dass es grundsätzlich möglich ist, steile Plattformränder durch die Stabilisierung durch Seegras, welches Sediment einfängt und aufnimmt, aufzubauen. Voraussetzung dafür ist allerdings das Vorhandensein einer geeigneten internen Sedimenttextur und/oder der Verfestigung der Sedimente durch mikrobielle Aktivität. In Systemen, die durch Photozoen dominiert werden, hängt die Größe des Hangneigungswinkel stark vom Anteil des innerhalb des Systems photozoisch produzierten Sediments ab. In dieser Arbeit wird deshalb eine neue Herangehensweise zur Charakterisierung von Karbonatsystemen eingeführt, die auf deren Inhalt an biogenen Komponenten beruht.
KW  - carbonate
KW  - sedimentology
KW  - stratigraphic forward modelling
KW  - Photozoan
KW  - Heterozoan
KW  - carbonate platforms
KW  - carbonate ramps
KW  - Distally steepened ramps
KW  - distal steil ansteigende Rampen
KW  - Heterozoikum
KW  - Photozoikum
KW  - Karbonat
KW  - Karbonatplattformen
KW  - Karbonatrampen
KW  - Sedimentologie
KW  - stratigraphische Vorwärtsmodellierung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582257
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Smith, Taylor
A1  - Zotta, Ruxandra-Maria
A1  - Boulton, Chris A.
A1  - Lenton, Timothy M.
A1  - Dorigo, Wouter
A1  - Boers, Niklas
T1  - Reliability of resilience estimation based on multi-instrument time series
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Many widely used observational data sets are comprised of several overlapping instrument records. While data inter-calibration techniques often yield continuous and reliable data for trend analysis, less attention is generally paid to maintaining higher-order statistics such as variance and autocorrelation. A growing body of work uses these metrics to quantify the stability or resilience of a system under study and potentially to anticipate an approaching critical transition in the system. Exploring the degree to which changes in resilience indicators such as the variance or autocorrelation can be attributed to non-stationary characteristics of the measurement process – rather than actual changes in the dynamical properties of the system – is important in this context. In this work we use both synthetic and empirical data to explore how changes in the noise structure of a data set are propagated into the commonly used resilience metrics lag-one autocorrelation and variance. We focus on examples from remotely sensed vegetation indicators such as vegetation optical depth and the normalized difference vegetation index from different satellite sources. We find that time series resulting from mixing signals from sensors with varied uncertainties and covering overlapping time spans can lead to biases in inferred resilience changes. These biases are typically more pronounced when resilience metrics are aggregated (for example, by land-cover type or region), whereas estimates for individual time series remain reliable at reasonable sensor signal-to-noise ratios. Our work provides guidelines for the treatment and aggregation of multi-instrument data in studies of critical transitions and resilience.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1322 
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589120
SN  - 1866-8372
IS  - 1322
SP  - 173
EP  - 183
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Smith, Taylor
A1  - Zotta, Ruxandra-Maria
A1  - Boulton, Chris A.
A1  - Lenton, Timothy M.
A1  - Dorigo, Wouter
A1  - Boers, Niklas
T1  - Reliability of resilience estimation based on multi-instrument time series
JF  - Earth System Dynamics
N2  - Many widely used observational data sets are comprised of several overlapping instrument records. While data inter-calibration techniques often yield continuous and reliable data for trend analysis, less attention is generally paid to maintaining higher-order statistics such as variance and autocorrelation. A growing body of work uses these metrics to quantify the stability or resilience of a system under study and potentially to anticipate an approaching critical transition in the system. Exploring the degree to which changes in resilience indicators such as the variance or autocorrelation can be attributed to non-stationary characteristics of the measurement process – rather than actual changes in the dynamical properties of the system – is important in this context. In this work we use both synthetic and empirical data to explore how changes in the noise structure of a data set are propagated into the commonly used resilience metrics lag-one autocorrelation and variance. We focus on examples from remotely sensed vegetation indicators such as vegetation optical depth and the normalized difference vegetation index from different satellite sources. We find that time series resulting from mixing signals from sensors with varied uncertainties and covering overlapping time spans can lead to biases in inferred resilience changes. These biases are typically more pronounced when resilience metrics are aggregated (for example, by land-cover type or region), whereas estimates for individual time series remain reliable at reasonable sensor signal-to-noise ratios. Our work provides guidelines for the treatment and aggregation of multi-instrument data in studies of critical transitions and resilience.
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.5194/esd-14-173-2023
SN  - 2190-4987
VL  - 14
SP  - 173
EP  - 183
PB  - Copernicus Publications
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - THES
A1  - Olivotos, Spyros-Christos
T1  - Reconstructing the Landscape Evolution of South Central Africa by Surface Exposure Dating of Waterfalls
N2  - The East African Rift System (EARS) is a significant example of active tectonics, which provides opportunities to examine the stages of continental faulting and landscape evolution. The southwest extension of the EARS is one of the most significant examples of active tectonics nowadays, however, seismotectonic research in the area has been scarce, despite the fundamental importance of neotectonics. Our first study area is located between the Northern Province of Zambia and the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. Lakes Mweru and Mweru Wantipa are part of the southwest extension of the EARS. Fault analysis reveals that, since the Miocene, movements along the active Mweru-Mweru Wantipa Fault System (MMFS) have been largely responsible for the reorganization of the landscape and the drainage patterns across the southwestern branch of the EARS. To investigate the spatial and temporal patterns of fluvial-lacustrine landscape development, we determined in-situ cosmogenic 10Be and 26Al in a total of twenty-six quartzitic bedrock samples that were collected from knickpoints across the Mporokoso Plateau (south of Lake Mweru) and the eastern part of the Kundelungu Plateau (north of Lake Mweru). Samples from the Mporokoso Plateau and close to the MMFS provide evidence of temporary burial. By contrast, surfaces located far from the MMFS appear to have remained uncovered since their initial exposure as they show consistent 10Be and 26Al exposure ages ranging up to ~830 ka. Reconciliation of the observed burial patterns with morphotectonic and stratigraphic analysis reveals the existence of an extensive paleo-lake during the Pleistocene. Through hypsometric analyses of the dated knickpoints, the potential maximum water level of the paleo-lake is constrained to ~1200 m asl (present lake lavel: 917 m asl). High denudation rates (up to ~40 mm ka-1) along the eastern Kundelungu Plateau suggest that footwall uplift, resulting from normal faulting, caused river incision, possibly controlling paleo-lake drainage. The lake level was reduced gradually reaching its current level at ~350 ka. 
Parallel to the MMFS in the north, the Upemba Fault System (UFS) extends across the southeastern Katanga Province of the Democratic Republic of Congo. This part of our research is focused on the geomorphological behavior of the Kiubo Waterfalls. The waterfalls are the currently active knickpoint of the Lufira River, which flows into the Upemba Depression. Eleven bedrock samples along the Lufira River and its tributary stream, Luvilombo River, were collected. In-situ cosmogenic 10Be and 26Al were used in order to constrain the K constant of the Stream Power Law equation. Constraining the K constant allowed us to calculate the knickpoint retreat rate of the Kiubo Waterfalls at ~0.096 m a-1. Combining the calculated retreat rate of the knickpoint with DNA sequencing from fish populations, we managed to present extrapolation models and estimate the location of the onset of the Kiubo Waterfalls, revealing its connection to the seismicity of the UFS.
N2  - Die südwestliche Ausdehnung des Ostafrikanischen Grabenbruchsystems (East African Rift System, EARS) ist eines der bedeutendsten Beispiele aktiver Tektonik heutzutage, welches die Möglichkeit bietet, die Phasen der kontinentalen Verwerfung und der Landschaftsentwicklung zu untersuchen. Allerdings ist seismotektonische Forschung in diesem Gebiet trotz der fundamentalen Bedeutung der Neotektonik nur in geringem Umfang durchgeführt worden. Unser erstes Untersuchungsgebiet befindet sich zwischen der Nordprovinz Sambias und der Provinz Katanga im südöstlichen Teil der Demokratischen Republik Kongo. Die Seen Mweru und Mweru Wantipa sind Teil der südwestlichen Ausdehnung des EARS. Verwerfungsanalysen zeigen, dass seit dem Miozän Bewegungen entlang des aktiven Mweru–Mweru-Wantipa-Verwerfungssystems (MMFS) maßgeblich für die Reorganisation der Landschaft und der Entwässerungsmuster im südwestlichen Zweig des EARS verantwortlich sind. Um die räumlichen und zeitlichen Muster der fluvial-lakustrischen Landschaftsentwicklung zu untersuchen, haben wir in-situ kosmogenes 10Be und 26Al in insgesamt sechsundzwanzig Quarzit-Grundgesteinsproben bestimmt, die vorwiegend von Knickpunkten auf dem Mporokoso-Plateau (südlich des Mweru-Sees) und dem östlichen Teil des Kundelungu-Plateaus (nördlich des Mweru-Sees) gesammelt wurden. Proben vom Mporokoso-Plateau aus der Nähe des MMFS liefern Hinweise auf eine temporäre Bedeckung. Im Gegensatz dazu scheinen Oberflächen, die weit vom MMFS entfernt liegen, seit ihrer ersten Freilegung unbedeckt geblieben zu sein, da sie konsistente 10Be- und 26Al-Freilegungsalter bis zu ~830 ka aufweisen. Der Abgleich der beobachteten Bedeckungsmuster mit morphotektonischen und stratigraphischen Analysen zeigt die Existenz eines ausgedehnten Paläosees während des Pleistozäns. Durch hypsometrische Analysen der datierten Knickpunkte wird der potentielle maximale Wasserstand des Paläosees auf ~1200 m (heutige Seehöhe: 917 m) eingegrenzt. Hohe Denudationsraten (bis zu ~40 mm ka-1) entlang des östlichen Kundelungu-Plateaus deuten darauf hin, dass die durch normale Verwerfungen hervorgerufene Hebung des Fußes einen Flusseinschnitt verursachte, der möglicherweise die Entwässerung des Paläosees kontrollierte. Der Seespiegel wurde allmählich abgesenkt und erreichte sein heutiges Niveau bei ~350 ka. 
Parallel zum MMFS im Norden erstreckt sich das Upemba-Verwerfungssystem (UFS) über die südöstliche Katanga-Provinz der Demokratischen Republik Kongo. Dort konzentriert sich unsere Forschung auf das geomorphologische Verhalten der Kiubo-Wasserfälle. Diese Fälle sind der derzeit aktive Knickpunkt des Lufira-Flusses, der in die Upemba-Senke mündet. Elf Gesteinsproben entlang des Lufira-Flusses und seines Nebenflusses, des Luvilombo-Flusses, wurden gesammelt. In-situ kosmogenes 10Be und 26Al wurden verwendet, um die K-Konstante der „Strom-Power-Law“-Gleichung einzuschränken. Die Eingrenzung der K-Konstante ermöglichte uns die Berechnung der Rückzugsrate der Kiubo-Wasserfälle auf ~0,096 m a-1. Durch die Kombination der berechneten Rückzugsrate des Knickpunkts mit der DNA-Sequenzierung von Fischpopulationen konnten wir Extrapolationsmodelle formulieren und den Entstehungsort der Kiubo-Wasserfälle abschätzen. Diese Abschätzung legt einen Zusammenhang mit der Seismizität der UFS nahe.
T2  - Rekonstruktion der Landschaftsentwicklung im südlichen Zentralafrika durch Datierung der Oberflächenexposition von Wasserfällen
KW  - Quaternary
KW  - paleo-lake Mweru
KW  - East African Rift System
KW  - Knickpoint
KW  - Geochronology
KW  - Cosmogenic nuclides
KW  - Landscape Evolution
KW  - Neotectonics
KW  - Knickpoint retreat
KW  - Stream Power Law
KW  - Kosmogene Nuklide
KW  - Ostafrikanisches Grabensystem
KW  - Geochronologie
KW  - Knickpunkt
KW  - Knickpunkt-Rückzug
KW  - Landschaftsentwicklung
KW  - Neotektonik
KW  - Quartär
KW  - Paläo-See Mweru
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601699
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reich, Marvin
T1  - Advances in hydrogravimetry
T1  - Weiterentwicklung der Hydrogravimetrie
BT  - terrestrial gravimeters as field tools for hydrological applications
BT  - terrestrische Gravimeter als Messgeräte für hydrologische Anwendungen
N2  - The interest of the hydrological community in the gravimetric method has steadily increased within the last decade. This is reflected by numerous studies from many different groups with a broad range of approaches and foci. Many of those are traditionally rather hydrology-oriented groups who recognized gravimetry as a potential added value for their hydrological investigations. While this resulted in a variety of interesting and useful findings, contributing to extend the respective knowledge and confirming the methodological potential, on the other hand, many interesting and unresolved questions emerged.
This thesis manifests efforts, analyses and solutions carried out in this regard. Addressing and evaluating many of those unresolved questions, the research contributes to advancing hydrogravimetry, the combination of gravimetric and hydrological methods, in showing how gravimeters are a highly useful tool for applied hydrological field research.

In the first part of the thesis, traditional setups of stationary terrestrial superconducting gravimeters are addressed. They are commonly installed within a dedicated building, the impermeable structure of which shields the underlying soil from natural exchange of water masses (infiltration, evapotranspiration, groundwater recharge). As gravimeters are most sensitive to mass changes directly beneath the meter, this could impede their suitability for local hydrological process investigations, especially for near-surface water storage changes (WSC). By studying temporal local hydrological dynamics at a dedicated site equipped with traditional hydrological measurement devices, both below and next to the building, the impact of these absent natural dynamics on the gravity observations were quantified. A comprehensive analysis with both a data-based and model-based approach led to the development of an alternative method for dealing with this limitation. Based on determinable parameters, this approach can be transferred to a broad range of measurement sites where gravimeters are deployed in similar structures. Furthermore, the extensive considerations on this topic enabled a more profound understanding of this so called umbrella effect.

The second part of the thesis is a pilot study about the field deployment of a superconducting gravimeter. A newly developed field enclosure for this gravimeter was tested in an outdoor installation adjacent to the building used to investigate the umbrella effect. Analyzing and comparing the gravity observations from both indoor and outdoor gravimeters showed performance with respect to noise and stable environmental conditions was equivalent while the sensitivity to near-surface WSC was highly increased for the field deployed instrument. Furthermore it was demonstrated that the latter setup showed gravity changes independent of the depth where mass changes occurred, given their sufficiently wide horizontal extent. As a consequence, the field setup suits monitoring of WSC for both short and longer time periods much better. Based on a coupled data-modeling approach, its gravity time series was successfully used to infer and quantify local water budget components (evapotranspiration, lateral subsurface discharge) on the daily to annual time scale.

The third part of the thesis applies data from a gravimeter field deployment for applied hydrological process investigations. To this end, again at the same site, a sprinkling experiment was conducted in a 15 x 15 m area around the gravimeter. A simple hydro-gravimetric model was developed for calculating the gravity response resulting from water redistribution in the subsurface. It was found that, from a theoretical point of view, different subsurface water distribution processes (macro pore flow, preferential flow, wetting front advancement, bypass flow and perched water table rise) lead to a characteristic shape of their resulting gravity response curve. Although by using this approach it was possible to identify a dominating subsurface water distribution process for this site, some clear limitations stood out. Despite the advantage for field installations that gravimetry is a non-invasive and integral method, the problem of non-uniqueness could only be overcome by additional measurements (soil moisture, electric resistivity tomography) within a joint evaluation. Furthermore, the simple hydrological model was efficient for theoretical considerations but lacked the capability to resolve some heterogeneous spatial structures of water distribution up to a needed scale. Nevertheless, this unique setup for plot to small scale hydrological process research underlines the high potential of gravimetery and the benefit of a field deployment. 

The fourth and last part is dedicated to the evaluation of potential uncertainties arising from the processing of gravity observations. The gravimeter senses all mass variations in an integral way, with the gravitational attraction being directly proportional to the magnitude of the change and inversely proportional to the square of the distance of the change. Consequently, all gravity effects (for example, tides, atmosphere, non-tidal ocean loading, polar motion, global hydrology and local hydrology) are included in an aggregated manner. To isolate the signal components of interest for a particular investigation, all non-desired effects have to be removed from the observations. This process is called reduction. The large-scale effects (tides, atmosphere, non-tidal ocean loading and global hydrology) cannot be measured directly and global model data is used to describe and quantify each effect. Within the reduction process, model errors and uncertainties propagate into the residual, the result of the reduction. The focus of this part of the thesis is quantifying the resulting, propagated uncertainty for each individual correction. Different superconducting gravimeter installations were evaluated with respect to their topography, distance to the ocean and the climate regime. Furthermore, different time periods of aggregated gravity observation data were assessed, ranging from 1 hour up to 12 months. It was found that uncertainties were highest for a frequency of 6 months and smallest for hourly frequencies. Distance to the ocean influences the uncertainty of the non-tidal ocean loading component, while geographical latitude affects uncertainties of the global hydrological component. It is important to highlight that the resulting correction-induced uncertainties in the residual have the potential to mask the signal of interest, depending on the signal magnitude and its frequency. These findings can be used to assess the value of gravity data across a range of applications and geographic settings.

In an overarching synthesis all results and findings are discussed with a general focus on their added value for bringing hydrogravimetric field research to a new level. The conceptual and applied methodological benefits for hydrological studies are highlighted. Within an outlook for future setups and study designs, it was once again shown what enormous potential is offered by gravimeters as hydrological field tools.
N2  - Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann.

Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von traditionellen hydrologischen Messinstrumenten um das Gebäude herum diese verhinderten natürlichen Prozesse beschreiben kann.

Darauf folgend wird anhand eines erfolgreich getesteten Aufbaus eines Gravimeters außerhalb von einem Gebäude, also direkt im Gelände, demonstriert, was solch eine Außeninstallation für einen großen Vorteil für die hydrologische Feldforschung mit sich bringt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass dieser alternative Aufbau keinerlei Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Qualität, Rauschen oder Beherrschbarkeit von Umwelteinflüssen mit sich bringt, sondern vor allem die Empfindlichkeit für Messungen von Wassermassenänderungen in Oberflächennähe stark verbessert.

Anhand eines Beregnungsexperiments auf der Fläche um dieses im Gelände installierten Gravimeters werden die Vorzüge der gravimetrischen Methode für die hydrologische Prozessforschung aufgezeigt. Verschiedene mögliche Ausbreitungen des verregneten Wassers im Untergrund können mittels dieser Methode charakterisiert und identifiziert werden.

Im letzten Teil wird das Problem von Unsicherheiten besprochen, die aus der notwendigen Datenbearbeitung resultieren. Um die gravimetrischen Beobachtungen auf die Anteile zu reduzieren, die innerhalb einer Studie betrachtet werden sollen, müssen alle Komponenten die das Gravimeter misst, die aber die hydrologische Interpretation stören, beseitigt werden. Dabei handelt es sich vor allem um globale Komponenten wie Gezeiten, Luftdruckschwankungen, Gezeiten-unabhängige Meeresströmungen und globale Hydrologie. Es wird untersucht, welche Unsicherheiten bei deren Korrektur auftreten, wenn verschiedene Zeitintervalle von zu beobachtenden hydrologischen Signalen vorherrschen.

Alle gewonnenen Resultate und Erfahrungen werden in einer gesamtheitlichen Betrachtung dahingehend diskutiert, wie die hydrogravimetrische Methode aufgrund dieser neuen Erkenntnisse verbessert und vorangebracht werden konnte.
KW  - hydrology
KW  - gravimetry
KW  - hydrogravimetry
KW  - fieldwork
KW  - hydrological modelling
KW  - geophysical methods
KW  - Feldarbeit
KW  - geophysikalische Methoden
KW  - Gravimetrie
KW  - Hydrogravimetrie
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Hydrologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604794
ER  - 
TY  - THES
A1  - Libon, Lélia
T1  - Stability of magnesite in the Earth lower mantle: insight from high-pressure and high-temperature experiments
N2  - Carbonates carried in subducting slabs may play a major role in sourcing and storing carbon in the deep Earth’s interior. Current estimates indicate that between 40 to 66 million tons of carbon per year enter subduction zones, but it is uncertain how much of it reaches the lower mantle. It appears that most of this carbon might be extracted from subducting slabs at the mantle wedge and only a limited amount continues deeper and eventually reaches the deep mantle. However, estimations on deeply subducted carbon broadly range from 0.0001 to 52 million tons of carbon per year. This disparity is primarily due to the limited understanding of the survival of carbonate minerals during their transport to deep mantle conditions. Indeed, carbon has very low solubility in mantle silicates, therefore it is expected to be stored primarily in accessory phases such as carbonates. Among those carbonates, magnesite (MgCO3), as a single phase, is the most stable under all mantle conditions. However, experimental investigation on the stability of magnesite in contact with SiO2 at lower mantle conditions suggests that magnesite is stable only along a cold subducted slab geotherm. Furthermore, our understanding of magnesite’s stability when interacting with more complex mantle silicate phases remains incomplete. In the first part of this dissertation, laser-heated diamond anvil cells and multi-anvil apparatus experiments were performed to investigate the stability of magnesite in contact with iron-bearing mantle silicates. Sub-solidus reactions, melting, decarbonation and diamond formation were examined from shallow to mid-lower mantle conditions (25 to 68 GPa; 1300 to 2000 K). Multi-anvil experiments at 25 GPa show the formation of carbonate-rich melt, bridgmanite, and stishovite with melting occurring at a temperature corresponding to all geotherms except the coldest one. In situ X-ray diffraction, in laser-heating diamond anvil cells experiments, shows crystallization of bridgmanite and stishovite but no melt phase was detected in situ at high temperatures. To detect decarbonation phases such as diamond, Raman spectroscopy was used. Crystallization of diamonds is observed as a sub-solidus process even at temperatures relevant and lower than the coldest slab geotherm (1350 K at 33 GPa). Data obtained from this work suggest that magnesite is unstable in contact with the surrounding peridotite mantle in the upper-most lower mantle. The presence of magnesite instead induces melting under oxidized conditions and/or foster diamond formation under more reduced conditions, at depths ∼700 km. Consequently, carbonates will be removed from the carbonate-rich slabs at shallow lower mantle conditions, where subducted slabs can stagnate. Therefore, the transport of carbonate to deeper depths will be restricted, supporting the presence of a barrier for carbon subduction at the top of the lower mantle. Moreover, the reduction of magnesite, forming diamonds provides additional evidence that super-deep diamond crystallization is related to the reduction of carbonates or carbonated-rich melt.

The second part of this dissertation presents the development of a portable laser-heating system optimized for X-ray emission spectroscopy (XES) or nuclear inelastic scattering (NIS) spectroscopy with signal collection at near 90◦. The laser-heated diamond anvil cell is the only static pressure device that can replicate the pressure and temperatures of the Earth’s lower mantle and core. The high temperatures are reached by using high-powered lasers focused on the sample contained between the diamond anvils. Moreover, diamonds’ transparency to X-rays enables in situ X-ray spectroscopy measurements that can probe the sample under high-temperature and high-pressure conditions. Therefore, the development of portable laser-heating systems has linked high-pressure and temperature research with high-resolution X-ray spectroscopy techniques to synchrotron beamlines that do not have a dedicated, permanent, laser-heating system. A general description of the system is provided, as well as details on the use of a parabolic mirror as a reflective imaging objective for on-axis laser heating and radiospectrometric temperature measurements with zero attenuation of incoming X-rays. The parabolic mirror improves the accuracy of temperature measurements free from chromatic aberrations in a wide spectral range and its perforation permits in situ X-rays measurement at synchrotron facilities. The parabolic mirror is a well-suited alternative to refractive objectives in laser heating systems, which will facilitate future applications in the use of CO2 lasers.
N2  - Karbonate, die von subduzierenden Platten mitgeführt werden, könnten eine wichtige Rolle bei der Transport und Speicherung von Kohlenstoff im tiefen Erdinneren spielen. Aktuellen Schätzungen zufolge gelangen pro Jahr zwischen 40 und 66 Millionen Tonnen Kohlenstoff über Subduktionszonen ins Erdinnere, aber es ist unbekannt, wie viel davon den unteren Erdmantel erreicht. Es gibt Hinweise darauf, dass der größte Teil dieses Kohlenstoffs aus den subduzierenden Platten am Mantelkeil extrahiert wird und nur eine begrenzte Menge den tiefen Erdmantel erreicht. Die Schätzungen über tief subduzierten Kohlenstoff reichen von 0,0001 bis 52 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Diese Diskrepanz ist in erster Linie auf das begrenzte Wissen über die Stabilität von Karbonatmineralen während ihres Transports in den tiefen Erdmantel zurückzuführen. In der Tat hat Kohlenstoff eine sehr geringe Löslichkeit in Mantelsilikaten, daher wird erwartet, dass er hauptsächlich in akzessorischen Phasen wie Karbonaten gespeichert wird. Unter diesen Karbonaten nur Magnesit (MgCO3) ist unter allen Mantelbedingungen stabil. Experimentelle Untersuchungen über die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit SiO2 bei niedrigeren Mantelbedingungen legen jedoch nahe, dass Magnesit nur entlang einer kalten subduzierten Plattengeotherme stabil ist. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente unter Verwendung der laserbeheizten Diamantstempelzellen und Vielstempel-Pressen durchgeführt, um die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit eisenhaltigen Mantelsilikaten bei Bedingungen im unteren Mantel zu untersuchen. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Daten legen nahe, dass Magnesit im Kontakt mit dem umgebenden Peridotitmantel im oberen Teil des unteren Mantel instabil ist. Das Vorhandensein von Magnesit induziert stattdessen das Schmelzen unter oxidierten Bedingungen und/oder fördert die Bildung von Diamanten unter reduzierten Bedingungen in einer Tiefe von ~700 km. Infolgedessen werden die Karbonate aus den Platten entfernt und nicht in größere Tiefen transportiert, was für das Vorhandensein einer Barriere für die Kohlenstoffsubduktion an der Spitze des unteren Mantels spricht. Darüber hinaus liefert die Reduktion von Magnesit, aus der Diamanten entstehen, einen zusätzlichen Beweis dafür, dass die Kristallisation von Diamanten in großer Tiefe mit der Reduktion von Karbonaten oder karbonatreicher Schmelze zusammenhängt.
Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Entwicklung eines portabel Laserheizsystems vorgestellt, das für die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und die Spektroskopie mit nuklearer inelastischer Streuung (NIS) optimiert ist. Das Signal kann hierbei aus einer Diamantstempelzellein einem Winkel von nahezu 90◦ gesammelt werden. Die laserbeheizte Diamantstempelzelle ist das einzige statische Druckgerät, das den Druck und die Temperaturen des unteren Erdmantels und des Erdkerns erzeugenkann. Die hohen Temperaturen werden durch den Einsatz von Hochleistungslasern erreicht, die auf die Probe gerichtet sind, welche sich zwischen den Diamantstempeln befindet. Darüber hinaus ermöglicht die Transparenz von Diamanten im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung in-situ röntgenspektroskopische Messungen, mit denen die Probe unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen untersucht werden kann. Um hierbei ausreichende Intensitäten im ausgehenden Signal zu erreichen, wurde das portabel Laserheizsystem für den Einsatz an Synchrotronanlagen konzipiert, die über keine eigenen Laserheizanlagen für Diamantstempelzellen verfügen. Beschrieben wird der allgemeine Aufbau des Systems. Außerdem werden Einzelheiten der Verwendung eines Parabolspiegels als reflektivem abbildenden Objektivs für die Laserheizung dargelegt. Der Parabolspiegel ist eine gut geeignete Alternative zu refraktiven Objektiven in Laserheizsystemen und wird künftige Anwendungen beim Einsatz von CO2-Lasern erleichtern.
KW  - deep carbon
KW  - magnesite
KW  - laser heating
KW  - diamond anvil cells
KW  - lower mantle
KW  - carbonate stability
KW  - Karbonat-Stabilität
KW  - tiefer Kohlenstoff
KW  - Diamantstempelzellen
KW  - Laserheizsystem
KW  - unterer Mantel
KW  - Magnesit
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604616
ER  - 
TY  - THES
A1  - Li, Zhen
T1  - Formation of Sub-Permafrost Methane Hydrate Reproduced by Numerical Modeling
BT  - Insights from LArge-scale Reservoir Simulator (LARS) to Mallik Site, Canadian Arctic
N2  - Natural gas hydrates are ice-like crystalline compounds containing water cavities that trap natural gas molecules like methane (CH4), which is a potent greenhouse gas with high energy density. The Mallik site at the Mackenzie Delta in the Canadian Arctic contains a large volume of technically recoverable CH4 hydrate beneath the base of the permafrost. Understanding how the sub-permafrost hydrate is distributed can aid in searching for the ideal locations for deploying CH4 production wells to develop the hydrate as a cleaner alternative to crude oil or coal. Globally, atmospheric warming driving permafrost thaw results in sub-permafrost hydrate dissociation, releasing CH4 into the atmosphere to intensify global warming. It is therefore crucial to evaluate the potential risk of hydrate dissociation due to permafrost degradation. To quantitatively predict hydrate distribution and volume in complex sub-permafrost environments, a numerical framework was developed to simulate sub-permafrost hydrate formation by coupling the equilibrium CH4-hydrate formation approach with a fluid flow and transport simulator (TRANSPORTSE). In addition, integrating the equations of state describing ice melting and forming with TRANSPORTSE enabled this framework to simulate the permafrost evolution during the sub-permafrost hydrate formation. A modified sub-permafrost hydrate formation mechanism for the Mallik site is presented in this study. According to this mechanism, the CH4-rich fluids have been vertically transported since the Late Pleistocene from deep overpressurized zones via geologic fault networks to form the observed hydrate deposits in the Kugmallit–Mackenzie Bay Sequences. The established numerical framework was verified by a benchmark of hydrate formation via dissolved methane. Model calibration was performed based on laboratory data measured during a multi-stage hydrate formation experiment undertaken in the LArge scale Reservoir Simulator (LARS). As the temporal and spatial evolution of simulated and observed hydrate saturation matched well, the LARS model was therefore validated. This laboratory-scale model was then upscaled to a field-scale 2D model generated from a seismic transect across the Mallik site. The simulation confirmed the feasibility of the introduced sub-permafrost hydrate formation mechanism by demonstrating consistency with field observations. The 2D model was extended to the first 3D model of the Mallik site by using well-logs and seismic profiles, to investigate the geologic controls on the spatial hydrate distribution. An assessment of this simulation revealed the hydraulic contribution of each geological element, including relevant fault networks and sedimentary sequences. Based on the simulation results, the observed heterogeneous distribution of sub-permafrost hydrate resulted from the combined factors of the source-gas generation rate, subsurface temperature, and the permeability of geologic elements. Analysis of the results revealed that the Mallik permafrost was heated by 0.8–1.3 °C, induced by the global temperature increase of 0.44 °C and accelerated by Arctic amplification from the early 1970s to the mid-2000s. This study presents a numerical framework that can be applied to study the formation of the permafrost-hydrate system from laboratory to field scales, across timescales ranging from hours to millions of years. Overall, these simulations deepen the knowledge about the dominant factors controlling the spatial hydrate distribution in sub-permafrost environments with heterogeneous geologic elements. The framework can support improving the design of hydrate formation experiments and provide valuable contributions to future industrial hydrate exploration and exploitation activities.
N2  - Gashydrate sind eisähnliche kristalline Verbindungen, die Moleküle wie Methan (CH4) in Hohlräumen einschließen. Die Mallik-Lagerstätte im Mackenzie-Delta in der kanadischen Arktis enthält ein großes Volumen an technisch förderbarem CH4-Hydrat unter dem Permafrostboden. Das Verständnis, wie die Hydrate verteilt sind, kann bei der Suche nach idealen Standorten für Förderbohrungen zu ihrer Erschließung als saubere Alternative zu Erdöl oder Kohle helfen. Weltweit führt die Erwärmung der Atmosphäre zum Auftauen des Permafrosts und zur Zersetzung der Hydrate, wodurch CH4 in die Atmosphäre freigesetzt und die globale Erwärmung verstärkt wird. Es ist also entscheidend, das potenzielle Risiko der Hydratauflösung aufgrund der Permafrostdegradation zu bewerten.
Um die Verteilung und das Volumen von Hydraten in komplexen Sub-Permafrost Umgebungen quantitativ vorherzusagen, wurde ein numerischer Ansatz zur Simulation entwickelt. Hierzu wurde der Gleichgewichtsansatz für die CH4-Hydratbildung mit einem Strömungs- und Transportsimulator (TRANSPORTSE) kombiniert. Die zusätzliche Integrierung der Zustandsgleichungen, die das Schmelzen und die Bildung von Eis beschreiben, ermöglichte die Simulation der Permafrostentwicklung während der Hydratbildung. Für den Standort Mallik wird ein modifizierter Bildungsmechanismus in dieser Studie beschrieben. Demzufolge wurden die CH4-reichen Fluide seit dem späten Pleistozän aus tiefen Überdruckszonen vertikal über geologische Verwerfungssysteme transportiert, und haben die Hydratvorkommen gebildet.
Der numerische Ansatz wurde anhand eines Benchmarks zur Hydratbildung verifiziert. Messdaten eines mehrstufigen Hydratbildungsexperiments im LArge scale Reservoir Simulator (LARS) dienten zur Kalibrierung. Basierend auf der guten Übereinstimmung zwischen der simulierten und beobachteten Hydratsättigung, wurde das LARS-Modell validiert. Im Anschluss erfolgte die Übertragung auf ein 2D-Modell im Feldmaßstab, das mithilfe einer seismischen Transekte durch den Mallik-Standort erstellt wurde. Die Übereinstimmung mit den Feldbeobachtungen bestätigte den beschriebenen Mechanismus zur Hydratbildung unterhalb des Permafrosts. Das 2D-Modell wurde basierend auf Bohrlochprotokollen und seismischen Profilen zum ersten 3D-Modell des Mallik-Standorts erweitert, um die geologischen Einflüsse auf die Hydratverteilung zu untersuchen. Die Auswertung verdeutlichte den Beitrag jedes geologischen Elements zum hydraulischen System, einschließlich relevanter Verwerfungssysteme und sedimentärer Abfolgen. Die beobachtete heterogene räumliche Verteilung der Hydrate ist auf die Gasproduktionsrate der Quelle, die Untergrundtemperatur und die Durchlässigkeit der geologischen Einheiten zurückzuführen. Die Analyse der Ergebnisse ergab, dass der Mallik-Permafrost um 0,8–1,3 °C erwärmt wurde, was durch den globalen Temperaturanstieg von 0,44 °C verursacht und durch die sogenannte polare Verstärkung seit Anfang der 1970er bis Mitte der 2000er Jahre beschleunigt wurde.
Der in dieser Studie entwickelte numerische Ansatz zur Bildung von Permafrost-Hydrat-Systemen kann vom Labor- bis zum Feldmaßstab und über Zeitskalen von Stunden bis zu Millionen von Jahren angewendet werden. Mit den Simulationen konnten die dominierenden Faktoren identifiziert werden, welche die räumliche Hydratverteilung in Umgebungen mit heterogenen geologischen Strukturen steuern. Der Ansatz kann die Planung von Hydratbildungsexperimenten verbessern und einen wertvollen Beitrag für zukünftige industrielle Hydraterkundungen- und -erschließungen leisten.
T2  - Bildung von Sub-Permafrost-Methanhydraten dargestellt durch numerische Modellierung: Erkenntnisse aus dem LArge-sclae Reservoir Simulator (LARS), angewandt auf den Mallik-Standort, Kanadische Arktis
KW  - methane hydrate
KW  - geologic fault
KW  - numerical simulation
KW  - hydrate formation
KW  - climate change
KW  - Mackenzie Delta
KW  - Mackenzie-Delta
KW  - Klimawandel
KW  - geologische Verwerfung
KW  - Hydratbildung
KW  - Methanhydrat
KW  - numerische Simulation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arboleda Zapata, Mauricio
T1  - Adapted inversion strategies for electrical resistivity data to explore layered near-surface environments
N2  - The electrical resistivity tomography (ERT) method is widely used to investigate geological, geotechnical, and hydrogeological problems in inland and aquatic environments (i.e., lakes, rivers, and seas). The objective of the ERT method is to obtain reliable resistivity models of the subsurface that can be interpreted in terms of the subsurface structure and petrophysical properties. The reliability of the resulting resistivity models depends not only on the quality of the acquired data, but also on the employed inversion strategy. Inversion of ERT data results in multiple solutions that explain the measured data equally well. Typical inversion approaches rely on different deterministic (local) strategies that consider different smoothing and damping strategies to stabilize the inversion. However, such strategies suffer from the trade-off of smearing possible sharp subsurface interfaces separating layers with resistivity contrasts of up to several orders of magnitude. When prior information (e.g., from outcrops, boreholes, or other geophysical surveys) suggests sharp resistivity variations, it might be advantageous to adapt the parameterization and inversion strategies to obtain more stable and geologically reliable model solutions. Adaptations to traditional local inversions, for example, by using different structural and/or geostatistical constraints, may help to retrieve sharper model solutions. In addition, layer-based model parameterization in combination with local or global inversion approaches can be used to obtain models with sharp boundaries.

In this thesis, I study three typical layered near-surface environments in which prior information is used to adapt 2D inversion strategies to favor layered model solutions. In cooperation with the coauthors of Chapters 2-4, I consider two general strategies. Our first approach uses a layer-based model parameterization and a well-established global inversion strategy to generate ensembles of model solutions and assess uncertainties related to the non-uniqueness of the inverse problem. We apply this method to invert ERT data sets collected in an inland coastal area of northern France (Chapter~2) and offshore of two Arctic regions (Chapter~3). Our second approach consists of using geostatistical regularizations with different correlation lengths. We apply this strategy to a more complex subsurface scenario on a local intermountain alluvial fan in southwestern Germany (Chapter~4). Overall, our inversion approaches allow us to obtain resistivity models that agree with the general geological understanding of the studied field sites. These strategies are rather general and can be applied to various geological environments where a layered subsurface structure is expected. The flexibility of our strategies allows adaptations to invert other kinds of geophysical data sets such as seismic refraction or electromagnetic induction methods, and could be considered for joint inversion approaches.
N2  - Die ERT-Methode (Electrical Resistivity Tomography) wird häufig zur Untersuchung geologischer, geotechnischer und hydrogeologischer Probleme im Binnenland und in Gewässern wie beispielsweise Seen, Flüssen oder dem Meer eingesetzt. Das Ziel der ERT-Methode ist es, zuverlässige Widerstandsmodelle des Untergrunds zu erhalten, die in Bezug auf die Struktur des Untergrundes und dessen petrophysikalischer Eigenschaften interpretiert werden können. Die Zuverlässigkeit der resultierenden Widerstandsmodelle hängt nicht nur von der Qualität der erfassten Daten ab, sondern auch von der angewendeten Inversionsstrategie. Die Inversion von ERT-Daten führt zu mehreren Lösungen, die die gemessenen Daten gleich gut erklären. Typische Inversionsansätze basieren auf verschiedenen deterministischen (lokalen) Strategien, die verschiedene Glättungs- und Dämpfungsstrategien berücksichtigen, um die Inversion zu stabilisieren. Diese Strategien haben jedoch den Nachteil, möglicherweise auftretende scharfe Grenzflächen zu verwischen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen der Untergrund durch Schichten mit scharfen Grenzflächen gekennzeichnet ist, die Schichten mit hohem Widerstandskontrast (z. B. bis zu mehreren Größenordnungen) voneinander trennen. Wenn Vorwissen (z. B. aus Aufschlüssen, Bohrungen oder anderen geophysikalischen Untersuchungen) auf scharfe Widerstandsvariationen hindeutet, kann es von Vorteil sein, die Parametrisierungs- und Inversionsstrategien anzupassen, um stabilere und geologisch zuverlässige Modelllösungen zu erhalten. Anpassungen traditioneller lokaler Inversionen, beispielweise durch die Verwendung verschiedener struktureller und/oder geostatistischer Bedingungen, können helfen, schärfere Modelllösungen zu erhalten. Zusätzlich kann eine schichtbasierte Modellparametrisierung in Kombination mit lokalen oder globalen Inversionsansätzen verwendet werden, um Modelle mit scharfen Grenzen zu erhalten.

In dieser Arbeit habe ich drei typische geschichtete oberflächennahe Umgebungen untersucht, in denen Vorabinformationen verwendet werden, um 2D-Inversionsstrategien so anzupassen, dass geschichtete Untergrundlösungen bevorzugt werden. In Zusammenarbeit mit den Co-Autoren der Kapitel 2-4 habe ich zwei allgemeine Strategien in Betracht gezogen. Unser erster Ansatz verwendet eine schichtbasierte Modellparametrisierung und eine gut etablierte globale Inversionsstrategie. Diese Strategie erzeugt Ensembles von Modelllösungen mithilfe derer die Unsicherheiten im Zusammenhang der Nicht-Eindeutigkeit des inversen Problems bewertet werden können. Wir wenden diese Methode an, um ERT-Datensätze zu invertieren, die in einem Binnenküstengebiet in Nordfrankreich (Kapitel 2) und vor der Küste zweier arktischer Regionen (Kapitel 3) gesammelt wurden. Unser zweiter Ansatz besteht darin, geostatistische Regularisierungen mit unterschiedlichen Korrelationslängen zu verwenden. Wir wenden diese Strategie auf ein komplexeres Untergrundszenario an, das sich auf einen lokalen Schwemmfächer in einem Mittelgebirge im Südwesten Deutshclands umfasst (Kapitel 4). Insgesamt ermöglichen uns unsere Inversionsansätze, Widerstandsmodelle zu erhalten, die mit dem allgemeinen geologischen Verständnis der untersuchten Feldstandorte übereinstimmen. Diese Strategien sind allgemeingültig und können in verschiedenen geologischen Umgebungen angewandt werden, in denen eine geschichtete Struktur des Untergrunds zu erwarten ist. Zudem erlaubt es die Flexibilität unserer Strategien, dass diese an die Inversion anderer geophysikalischer Datensätze wie seismischer Refraktionsmessungen oder elektromagentischer Induktionsverfahren angepasst werden können. Außerdem könnten solche Strategien für gemeinsame Inversionsansätze in Betracht gezogen werden.
KW  - Near-surface geophysics
KW  - Electrical resistivity tomography
KW  - Non-uniqueness
KW  - Global inversion
KW  - Particle swarm optimization
KW  - Ensemble analysis
KW  - Oberflächennahe Geophysik
KW  - Tomographie des elektrischen Widerstands
KW  - Nicht-Einmaligkeit
KW  - Globale Inversion
KW  - Partikelschwarm-Optimierung
KW  - Ensemble-Analyse
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581357
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stoltnow, Malte
T1  - Magmatic-hydrothermal processes along the porphyry to epithermal transition
T1  - Magmatisch-hydrothermale Prozesse entlang des porphyrisch-epithermalen Übergangs
N2  - Magmatic-hydrothermal systems form a variety of ore deposits at different proximities to upper-crustal hydrous magma chambers, ranging from greisenization in the roof zone of the intrusion, porphyry mineralization at intermediate depths to epithermal vein deposits near the surface. The physical transport processes and chemical precipitation mechanisms vary between deposit types and are often still debated.
The majority of magmatic-hydrothermal ore deposits are located along the Pacific Ring of Fire, whose eastern part is characterized by the Mesozoic to Cenozoic orogenic belts of the western North and South Americas, namely the American Cordillera. Major magmatic-hydrothermal ore deposits along the American Cordillera include (i) porphyry Cu(-Mo-Au) deposits (along the western cordilleras of Mexico, the western U.S., Canada, Chile, Peru, and Argentina); (ii) Climax- (and sub−) type Mo deposits (Colorado Mineral Belt and northern New Mexico); and (iii) porphyry and IS-type epithermal Sn(-W-Ag) deposits of the Central Andean Tin Belt (Bolivia, Peru and northern Argentina).
The individual studies presented in this thesis primarily focus on the formation of different styles of mineralization located at different proximities to the intrusion in magmatic-hydrothermal systems along the American Cordillera. This includes (i) two individual geochemical studies on the Sweet Home Mine in the Colorado Mineral Belt (potential endmember of peripheral Climax-type mineralization); (ii) one numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment; and (iii) a numerical modeling study on the Central Andean Tin Belt-type Pirquitas Mine in NW Argentina.
Microthermometric data of fluid inclusions trapped in greisen quartz and fluorite from the Sweet Home Mine (Detroit City Portal) suggest that the early-stage mineralization precipitated from low- to medium-salinity (1.5-11.5 wt.% equiv. NaCl), CO2-bearing fluids at temperatures between 360 and 415°C and at depths of at least 3.5 km. Stable isotope and noble gas isotope data indicate that greisen formation and base metal mineralization at the Sweet Home Mine was related to fluids of different origins. Early magmatic fluids were the principal source for mantle-derived volatiles (CO2, H2S/SO2, noble gases), which subsequently mixed with significant amounts of heated meteoric water. Mixing of magmatic fluids with meteoric water is constrained by δ2Hw-δ18Ow relationships of fluid inclusions. The deep hydrothermal mineralization at the Sweet Home Mine shows features similar to deep hydrothermal vein mineralization at Climax-type Mo deposits or on their periphery. This suggests that fluid migration and the deposition of ore and gangue minerals in the Sweet Home Mine was triggered by a deep-seated magmatic intrusion.
The second study on the Sweet Home Mine presents Re-Os molybdenite ages of 65.86±0.30 Ma from a Mo-mineralized major normal fault, namely the Contact Structure, and multimineral Rb-Sr isochron ages of 26.26±0.38 Ma and 25.3±3.0 Ma from gangue minerals in greisen assemblages. The age data imply that mineralization at the Sweet Home Mine formed in two separate events: Late Cretaceous (Laramide-related) and Oligocene (Rio Grande Rift-related). Thus, the age of Mo mineralization at the Sweet Home Mine clearly predates that of the Oligocene Climax-type deposits elsewhere in the Colorado Mineral Belt. The Re-Os and Rb-Sr ages also constrain the age of the latest deformation along the Contact Structure to between 62.77±0.50 Ma and 26.26±0.38 Ma, which was employed and/or crosscut by Late Cretaceous and Oligocene fluids. Along the Contact Structure Late Cretaceous molybdenite is spatially associated with Oligocene minerals in the same vein system, a feature that precludes molybdenite recrystallization or reprecipitation by Oligocene ore fluids.
Ore precipitation in porphyry copper systems is generally characterized by metal zoning (Cu-Mo to Zn-Pb-Ag), which is suggested to be variably related to solubility decreases during fluid cooling, fluid-rock interactions, partitioning during fluid phase separation and mixing with external fluids. The numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment presents new advances of a numerical process model by considering published constraints on the temperature- and salinity-dependent solubility of Cu, Pb and Zn in the ore fluid. This study investigates the roles of vapor-brine separation, halite saturation, initial metal contents, fluid mixing, and remobilization as first-order controls of the physical hydrology on ore formation. The results show that the magmatic vapor and brine phases ascend with different residence times but as miscible fluid mixtures, with salinity increases generating metal-undersaturated bulk fluids. The release rates of magmatic fluids affect the location of the thermohaline fronts, leading to contrasting mechanisms for ore precipitation: higher rates result in halite saturation without significant metal zoning, lower rates produce zoned ore shells due to mixing with meteoric water. Varying metal contents can affect the order of the final metal precipitation sequence. Redissolution of precipitated metals results in zoned ore shell patterns in more peripheral locations and also decouples halite saturation from ore precipitation.
The epithermal Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn mine in NW Argentina is hosted in a domain of metamorphosed sediments without geological evidence for volcanic activity within a distance of about 10 km from the deposit. However, recent geochemical studies of ore-stage fluid inclusions indicate a significant contribution of magmatic volatiles. This study tested different formation models by applying an existing numerical process model for porphyry-epithermal systems with a magmatic intrusion located either at a distance of about 10 km underneath the nearest active volcano or hidden underneath the deposit. The results show that the migration of the ore fluid over a 10-km distance results in metal precipitation by cooling before the deposit site is reached. In contrast, simulations with a hidden magmatic intrusion beneath the Pirquitas deposit are in line with field observations, which include mineralized hydrothermal breccias in the deposit area.
N2  - Magmatisch-hydrothermale Systeme bilden eine Vielzahl von Erzlagerstätten in unterschiedlicher Entfernung zu wasserhaltigen Magmakammern in der oberen Erdkruste, von der Greisenbildung in der Dachzone der Intrusion über die Porphyrmineralisierung in mittleren Tiefen bis hin zu epithermalen Ganglagerstätten nahe der Erdoberfläche. Die physikalischen Transportprozesse und chemischen Ausfällungsmechanismen variieren zwischen den verschiedenen Lagerstättentypen und werden immer noch häufig diskutiert.
Die meisten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten befinden sich entlang des Pazifischen Feuerrings, dessen östlicher Teil durch die mesozoischen bis känozoischen orogenen Gürtel des westlichen Nord- und Südamerikas, zusammen die Amerikanische Kordillere, vertreten ist. Zu den wichtigsten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten entlang der Amerikanischen Kordillere gehören (i) Cu(-Mo-Au)-Porphyrlagerstätten (entlang der westlichen Kordilleren Mexikos, der westlichen USA, Kanadas, Chiles, Perus und Argentiniens); (ii) Mo-Lagerstätten vom Climax- (und Sub-)Typ (Colorado Mineral Belt und nördliches New Mexico); und (iii) porphyrische und epithermale Sn(-W-Ag)-Lagerstätten vom IS-Typ des Zentralandinen-Zinngürtels (Bolivien, Peru und Nordargentinien).
Die einzelnen Studien dieser Arbeit konzentrieren sich in erster Linie auf die Bildung verschiedener Vererzungsstypen, die sich in unterschiedlicher Entfernung zur Intrusion in magmatisch-hydrothermalen Systemen entlang der amerikanischen Kordillere befinden. Dazu gehören (i) zwei geochemische Einzelstudien über die Sweet Home-Mine im Colorado Mineral Belt (potenzielles Endglied der peripheren Mineralisierung des Climax-Typs); (ii) eine numerische Modellierungsstudie in einem generischen Cu-Porphyr-Setup; und (iii) eine numerische Modellierungsstudie über die Pirquitas-Mine des Zentralandinen-Zinn-Typs in Nordwest-Argentinien.
Mikrothermometrische Daten von Fluideinschlüssen, die in Greisenquarz und -fluorit aus der Sweet Home-Mine (Detroit City Portal) eingeschlossen sind, deuten darauf hin, dass die Mineralisierung im Frühstadium aus CO2-haltigen Fluiden mit niedrigem bis mittlerem Salzgehalt (1,5-11,5 Gew.-% NaCl-Äquivalent) bei Temperaturen zwischen 360 und 415 °C und in einer Tiefe von mindestens 3,5 km ausgefällt wurde. Daten zu stabilen Isotopen und Edelgasisotopen zeigen, dass die Greisenbildung und die Buntmetallvererzung in der Sweet Home-Mine mit Fluiden unterschiedlichen Ursprungs in Verbindung stehen. Frühe magmatische Fluide waren die Hauptquelle für aus dem Mantel stammende Volatile (CO2, H2S/SO2, Edelgase), die sich anschließend mit erheblichen Mengen erhitzten meteorischen Wassers vermischten. Die Vermischung von magmatischen Fluiden mit meteorischem Wasser wird durch die Zusammenhänge von δ2Hw-δ18Ow der Fluideinschlüsse belegt. Die tiefe hydrothermale Vererzung in der Sweet Home-Mine weist ähnliche Merkmale auf wie die tiefe hydrothermale Gangvererzung in Mo-Lagerstätten vom Climax-Typ oder in deren Peripherie. Dies deutet darauf hin, dass die Fluidmigration und die Ausfällung von Erz und Gangmineralen in der Sweet Home-Mine durch eine tief sitzende magmatische Intrusion angeregt wurde.
Die zweite Studie über die Sweet Home Mine präsentiert ein Re-Os-Molybdänit-Alter von 65,86±0,30 Ma aus einer Mo-vererzten Abschiebung, namentlich der Contact Structure, und ein multimineralisches Rb-Sr-Isochronen-Alter von 26,26±0,38 Ma und 25,3±3,0 Ma von Gangmineralen in Greisenvergesellschaftungen. Die Altersdaten deuten darauf hin, dass die Vererzungen in der Sweet Home Mine während zweier separater Ereignisse entstand: In der späten Kreidezeit (im Zusammenhang mit der Laramidischen Orogenese) und im Oligozän (im Zusammenhang mit dem Rio Grande Rift). Das Alter der Mo-Vererzung in der Sweet Home Mine liegt demnach eindeutig vor dem der oligozänen Climax-Lagerstätten anderswo im Colorado Mineral Belt. Die Re-Os- und Rb-Sr-Alter grenzen auch das Alter der jüngsten Deformation entlang der Contact Structure, die von spätkreidezeitlichen und oligozänen Fluiden genutzt und/oder geschnitten wurde, auf 62,77±0,50 Ma und 26,26±0,38 Ma ein. Entlang der Contact Structure ist spätkreidezeitlicher Molybdänit räumlich mit Mineralen aus dem Oligozän in demselben Gangsystem vergesellschaftet, was eine Rekristallisierung oder Ausfällung von Molybdänit durch oligozäne Fluide ausschließt.
Die Erzausfällung in porphyrischen Kupfersystemen ist im Allgemeinen durch eine Metallzonierung (Cu-Mo bis Zn-Pb-Ag) gekennzeichnet, die vermutlich mit der Abnahme der Löslichkeit während der Fluidabkühlung, den Wechselwirkungen zwischen Fluid und Gestein, der Partitionierung während der Phasenseparation des Fluids und der Mischung mit externen Fluiden in Zusammenhang steht. Die numerische Modellierung, die in einer generischen Porphyr-Cu-Umgebung durchgeführt wurde, stellt neue Fortschritte eines numerischen Prozessmodells dar, indem sie veröffentlichte Randbedingungen für die temperatur- und salinitätsabhängige Löslichkeit von Cu, Pb und Zn im Erzfluid berücksichtigt. Diese Studie untersucht die Rolle der Dampf-Sole-Separation, der Halitsättigung, des anfänglichen Metallgehalts, der Fluidmischung und der Remobilisierung als Einflussfaktoren erster Ordnung der physikalischen Hydrologie auf die Erzbildung. Die Ergebnisse zeigen, dass die magmatischen Dampf- und Solephasen mit unterschiedlichen Verweilzeiten, aber als mischbare Fluide aufsteigen, wobei eine Erhöhung des Salzgehalts zu einem metall-ungesättigten Gesamtfluid führt. Die Freisetzungsraten der magmatischen Fluide wirken sich auf die Lage der thermohalinen Fronten aus, was zu widersprüchlichen Mechanismen für die Erzausfällung führt: Höhere Raten führen zu einer Halitsättigung ohne signifikante Metallzonierung, niedrigere Raten erzeugen zonierte Erzschalen aufgrund der Mischung mit meteorischem Wasser. Unterschiedliche Metallgehalte können sich auf die Reihenfolge der endgültigen Metallausfällung auswirken. Die Wiederauflösung bereits ausgefällter Metalle führt zu zonierten Erzschalenmustern in periphereren Bereichen und entkoppelt auch die Halitsättigung von der Erzausfällung.
Die epithermale Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn-Mine im Nordwesten Argentiniens befindet sich in einem Bereich metamorphisierter Sedimente ohne geologische Hinweise auf vulkanische Aktivitäten in einer Entfernung von etwa 10 km zur Lagerstätte. Jüngste geochemische Untersuchungen von Fluideinschlüssen im Erzstadium deuten jedoch auf einen bedeutenden Beitrag von magmatischen Volatilen hin. In dieser Studie wurden verschiedene Entstehungsmodelle getestet, indem ein bestehendes numerisches Prozessmodell für porphyrisch-epithermale Systeme mit einer magmatischen Intrusion angewandt wurde, die sich entweder in einer Entfernung von etwa 10 km unterhalb des nächstgelegenen aktiven Vulkans oder verborgen unterhalb der Lagerstätte befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Migration der Erzflüssigkeit über eine Entfernung von 10 km zu einer Metallausfällung durch Abkühlung führt, bevor die Lagerstätte erreicht wird. Im Gegensatz dazu stimmen die Simulationen mit einer verborgenen magmatischen Intrusion unter der Pirquitas-Lagerstätte mit den Feldbeobachtungen überein, die mineralisierte hydrothermale Brekzien im Lagerstättenbereich umfassen.
KW  - magmatic
KW  - hydrothermal
KW  - ore
KW  - deposits
KW  - copper
KW  - lead
KW  - zinc
KW  - molybdenum
KW  - numerical
KW  - modeling
KW  - Sweet
KW  - Home
KW  - Pirquitas
KW  - Colorado
KW  - Argentina
KW  - Argentinien
KW  - Colorado
KW  - Home
KW  - Pirquitas
KW  - Sweet
KW  - Kupfer
KW  - Lagerstätte
KW  - hydrothermal
KW  - Blei
KW  - magmatisch
KW  - Modellierung
KW  - Molybdän
KW  - numerisch
KW  - Erz
KW  - Zink
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611402
ER  - 
TY  - THES
A1  - Khawaja, Muhammad Asim
T1  - Improving earthquake forecast modeling and testing using the multi-resolution grids
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pätzel, Jonas
T1  - Seismic site characterization using broadband and DAS ambient vibration measurements on Mt Etna, Italy
N2  - Both horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios and the spatial autocorrelation method (SPAC) have proven to be valuable tools to gain insight into local site effects by ambient noise measurements. Here, the two methods are employed to assess the subsurface velocity structure at the Piano delle Concazze area on Mt Etna. Volcanic tremor records from an array of 26 broadband seismometers is processed and a strong variability of H/V ratios during periods of increased volcanic activity is found. From the spatial distribution of H/V peak frequencies, a geologic structure in the north-east of Piano delle Concazze is imaged which is interpreted as the Ellittico caldera rim. The method is extended to include both velocity data from the broadband stations and distributed acoustic sensing data from a co-located 1.5 km long fibre optic cable. High maximum amplitude values of the resulting ratios along the trajectory of the cable coincide with known faults. The outcome also indicates previously unmapped parts of a fault. The geologic interpretation is in good agreement with inversion results from magnetic survey data. Using the neighborhood algorithm, spatial autocorrelation curves obtained from the modified SPAC are inverted alone and jointly with the H/V peak frequencies for 1D shear wave velocity profiles. The obtained models are largely consistent with published models and were able to validate the results from the fibre optic cable.
N2  - Sowohl die räumliche Autokorrelations-Methode (SPAC) als auch die Methode der horizontal-vertikal Spektralverhältnisse (H/V) sind wichtige Instrumente bei der seismischen Charakterisierung des Untergrundes mittels Bodenunruhe. In der vorliegenden Arbeit werden beide Techniken angewandt, um die Geschwindigkeitsstruktur der Piano delle Concazze Ebene auf dem Ätna zu untersuchen. Die Aufzeichnungen vulkanischen Tremors auf einem Array aus 26 Breitband-Seismometern werden prozessiert und starke Schwankungen des H/V Verhältnisses, insbesondere während Zeiten erhöhter vulkanischer Aktivität werden festgestellt. Die räumliche Verteilung der H/V Frequenzpeaks bildet eine geologische Struktur im nordöstlichen Bereichs des Untersuchungsgebietes ab. Diese wird als der alte Rand der Ellittico Caldera interpretiert. Die H/V-Methode wird um die kombinierte Verarbeitung von Geschwindigkeitsaufzeichnungen des Breitband-Arrays und faseroptischen Dehnungmessungen (distributed acoustic sensing, DAS) erweitert. Hierfür werden die Daten eines 1,5 km langen Glasfaserkabels, mit welchem das Seismometer-Array zusammen installiert wurde, genutzt. Erhöhte Werte der maximalen Amplitude der berechneten Spektralverhältnisse, stimmen mit der Lage bekannter Verwerfungen im Gebiet überein. Das Ergebnis deutet auf einen bisher nicht aufgezeichneten Verlauf einer der Verwerfungszonen hin. Die Interpretaion der Strukturen stimmt überein mit den Ergebnissen einer Geomagnetik-Studie der Piano delle Concazze. Mithilfe des Neighborhood-Algorithmus werden die räumlichen Autokorrelationskurven der modifizierten SPAC, sowohl einfach als auch in Kombination mit den H/V Frequenzpeaks, invertiert. So werden schließlich 1D Modelle der S-Wellengeschwindigkeit abgeleitet. Diese stimmen weitgehend überein mit den Resultaten anderer Studien und bestätigen darüberhinaus die Ergebnisse der DAS-Aufzeichnungen.
KW  - site characterization
KW  - Etna
KW  - DAS
KW  - ambient vibration
KW  - seismic noise
KW  - H/V
KW  - HVSR
KW  - velocity model
KW  - SPAC
KW  - MSPAC
KW  - spatial autocorrelation
KW  - Piano delle Concazze
KW  - site effects
KW  - microzonation
KW  - volcanic tremor
KW  - joint inversion
KW  - ortsverteile faseroptische Dehnungsmessung
KW  - Ätna
KW  - H/V
KW  - horizontal-vertikales Spektralverhältnis
KW  - räumliche Autkorrelationsmethode
KW  - modifizierte räumliche Autkorrelationsmethode
KW  - Bodenunruhe
KW  - gemeinsame Inversion
KW  - Mikrozonierung
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Ortscharakterisierung
KW  - Ortseffekte
KW  - räumliche Autokorrelation
KW  - Geschwindigkeitsmodell
KW  - vulkanischer Tremor
KW  - Piano delle Concazze
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613793
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kudriavtseva, Anna
T1  - Interactions between tectonics, climate, and surface processes in the Kyrgyz Tian Shan
N2  - During the Cenozoic, global cooling and uplift of the Tian Shan, Pamir, and Tibetan plateau modified atmospheric circulation and reduced moisture supply to Central Asia. These changes led to aridification in the region during the Neogene. Afterwards, Quaternary glaciations led to modification of the landscape and runoff. 
In the Issyk-Kul basin of the Kyrgyz Tian Shan, the sedimentary sequences reflect the development of the adjacent ranges and local climatic conditions. In this work, I reconstruct the late Miocene – early Pleistocene depositional environment, climate, and lake development in the Issyk-Kul basin using facies analyses and stable δ18O and δ13C isotopic records from sedimentary sections dated by magnetostratigraphy and 26Al/10Be isochron burial dating. Also, I present 10Be-derived millennial-scale modern and paleo-denudation rates from across the Kyrgyz Tian Shan and long-term exhumation rates calculated from published thermochronology data. This allows me to examine spatial and temporal changes in surface processes in the Kyrgyz Tian Shan.
In the Issyk-Kul basin, the style of fluvial deposition changed at ca. 7 Ma, and aridification in the basin commenced concurrently, as shown by magnetostratigraphy and the δ18O and δ13C data. Lake formation commenced on the southern side of the basin at ca. 5 Ma, followed by a ca. 2 Ma local depositional hiatus. 26Al/10Be isochron burial dating and paleocurrent analysis show that the Kungey range to the north of the basin grew eastward, leading to a change from fluvial-alluvial deposits to proximal alluvial fan conglomerates at 5-4 Ma in the easternmost part of the basin. This transition occurred at 2.6-2.8 Ma on the southern side of the basin, synchronously with the intensification of the Northern Hemisphere glaciation. The paleo-denudation rates from 2.7-2.0 Ma are as low as long-term exhumation rates, and only the millennial-scale denudation rates record an acceleration of denudation. 
This work concludes that the growth of the ranges to the north of the basin led to creation of the topographic barrier at ca. 7 Ma and a subsequent aridification in the Issyk-Kul basin. Increased subsidence and local tectonically-induced river system reorganization on the southern side of the basin enabled lake formation at ca. 5 Ma, while growth of the Kungey range blocked westward-draining rivers and led to sediment starvation and lake expansion. Denudational response of the Kyrgyz Tian Shan landscape is delayed due to aridity and only substantial cooling during the late Quaternary glacial cycles led to notable acceleration of denudation. Currently, increased glacier reduction and runoff controls a more rapid denudation of the northern slope of the Terskey range compared to other ranges of the Kyrgyz Tian Shan.
N2  - Während des Känozoikums veränderten die globale Abkühlung und die Hebung des Tian Shan, des Pamir und des tibetischen Plateaus die atmosphärische Zirkulation und verringerten die Feuchtigkeitszufuhr nach Zentralasien. Diese Veränderungen führten während des Neogens zur Aridifizierung der Region. Danach führten die Vergletscherungen des Quartärs zu einer Veränderung der Landschaft und des Abflusses.
Im Issyk-Kul-Becken des kirgisischen Tian Shan spiegeln die Sedimentabfolgen die Entwicklung der angrenzenden Gebirgszüge und die lokalen klimatischen Bedingungen wider. In dieser Arbeit rekonstruiere ich die spätmiozäne bis frühpleistozäne Ablagerungsumgebung, das Klima und die Entwicklung der Seen im Issyk-Kul-Becken anhand von Faziesanalysen und stabilen δ18O- und δ13C-Isotopenaufzeichnungen aus Sedimentabschnitten, die durch Magnetostratigraphie und 26Al/10Be-Isochron-Bestattungsdaten datiert wurden. Außerdem präsentiere ich 10Be-abgeleitete moderne und paläo-Denudationsraten aus dem kirgisischen Tian Shan und langfristige Exhumierungsraten, die aus veröffentlichten thermochronologischen Daten berechnet wurden. So kann ich räumliche und zeitliche Veränderungen der Oberflächenprozesse im kirgisischen Tian Shan untersuchen.
Im Issyk-Kul-Becken änderte sich der Stil der fluvialen Ablagerung bei ca. 7 Ma. Wie die Magnetostratigraphie und die δ18O- und δ13C-Daten zeigen, setzte gleichzeitig die Aridifizierung des Beckens ein. Die Bildung von Seen begann an der Südseite des Beckens bei ca. 5 Ma, gefolgt von einer lokalen Ablagerungspause von ca. 2 Ma. 26Al/10Be-Isochron-Vergrabungsdatierungen und Paläostromanalysen zeigen, dass das Kungey-Gebirge im Norden des Beckens nach Osten wuchs, was zu einem Übergang von fluvial-alluvialen Ablagerungen zu proximalen alluvialen Fächerkonglomeraten bei 5-4 Ma im östlichsten Teil des Beckens führte. Dieser Übergang vollzog sich um 2,6-2,8 Ma auf der Südseite des Beckens, zeitgleich mit der Intensivierung der Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre. Die Paläo-Denudationsraten von 2,7-2,0 Ma sind so niedrig wie die langfristigen Exhumierungsraten, und nur die Denudationsraten auf der Jahrtausendskala zeigen eine Beschleunigung der Denudation.
Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das Wachstum der Gebirgsketten im Norden des Beckens zur Entstehung der topografischen Barriere bei ca. 7 Ma und einer anschließenden Aridifizierung im Issyk-Kul-Becken führte. Eine verstärkte Absenkung und eine lokale tektonisch bedingte Umstrukturierung des Flusssystems auf der Südseite des Beckens ermöglichte die Bildung von Seen bei ca. 5 Ma, während das Wachstum des Kungey-Gebirges die nach Westen abfließenden Flüsse blockierte und zu einer Verknappung der Sedimente und einer Ausdehnung der Seen führte. Die Denudationsreaktion der kirgisischen Tian Shan-Landschaft verzögerte sich aufgrund der Trockenheit, und erst die erhebliche Abkühlung während der Gletscherzyklen des späten Quartärs führte zu einer merklichen Beschleunigung der Denudation. Gegenwärtig wird die Denudation des Nordhangs des Terskey-Gebirges im Vergleich zu anderen Gebirgszügen der kirgisischen Tian Shan durch den verstärkten Gletscherrückgang und den Abfluss beschleunigt.
KW  - Central Asia
KW  - δ18O and δ13C stable isotopes
KW  - 26Al/10Be cosmogenic radionuclides
KW  - magnetostratigraphy
KW  - Cenozoic aridification
KW  - denudation rates
KW  - Tian Shan
KW  - Zentralasien
KW  - δ18O and δ13C stabile Isotope
KW  - 26Al/10Be kosmogene Radionuklide
KW  - Magnetostratigraphie
KW  - Känozoische Aridifizierung
KW  - Denudationsraten
KW  - Tian Shan
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603728
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rembe, Johannes
T1  - Hercynian to Eocimmerian evolution of the North Pamir in Central Asia
T1  - Herzynische bis früh-kimmerische Entwicklung des Nordpamirs in Zentralasien
N2  - The North Pamir, part of the India-Asia collision zone, essentially formed during the late Paleozoic to late Triassic–early Jurassic. Coeval to the subduction of the Turkestan ocean—during the Carboniferous Hercynian orogeny in the Tien Shan—a portion of the Paleo-Tethys ocean subducted northward and lead to the formation and obduction of a volcanic arc. This Carboniferous North Pamir arc is of Andean style in the western Darvaz segment and trends towards an intraoceanic arc in the eastern, Oytag segment. A suite of arc-volcanic rocks and intercalated, marine sediments together with intruded voluminous plagiogranites (trondhjemite and tonalite) and granodiorites was uplifted and eroded during the Permian, as demonstrated by widespread sedimentary unconformities. Today it constitutes a major portion of the North Pamir.
In this work, the first comprehensive Uranium-Lead (U-Pb) laser-ablation inductively-coupled-plasma mass-spectrometry (LA-ICP-MS) radiometric age data are presented along with geochemical data from the volcanic and plutonic rocks of the North Pamir volcanic arc. Zircon U-Pb data indicate a major intrusive phase between 340 and 320 Ma. The magmatic rocks show an arc-signature, with more primitive signatures in the Oytag segment compared to the Darvaz segment. Volcanic rocks in the Chinese North Pamir were indirectly dated by determining the age of ocean floor alteration. We investigate calcite filled vesicles and show that oxidative sea water and the basaltic host rock are major trace element sources. The age of ocean floor alteration, within a range of 25 Ma, constrains the extrusion age of the volcanic rocks. In the Chinese Pamir, arc-volcanic basalts have been dated to the Visean-Serpukhovian boundary. This relates the North Pamir volcanic arc to coeval units in the Tien Shan. Our findings further question the idea of a continuous Tarim-Tajik continent in the Paleozoic.
From the Permian (Guadalupian) on, a progressive sea-retreat led to continental conditions in the northeastern Pamir. Large parts of Central Asia were affected by transcurrent tectonics, while subduction of the Paleo-Tethys went on south of the accreted North Pamir arc, likely forming an accretionary wedge, representing an early stage of the later Karakul-Mazar tectonic unit. Graben systems dissected the Permian carbonate platforms, that formed on top of the uplifted Carboniferous arc in the central and western North Pamir. A continental graben formed in the eastern North Pamir. Zircon U-Pb dating suggest initiation of volcanic activity at ~260 Ma. Extensional tectonics prevailed throughout the Triassic, forming the Hindukush-North Pamir rift system. New geochemistry and zircon U-Pb data tie volcanic rocks, found in the Chinese Pamir, to coeval arc-related plutonic rocks found within the Karakul-Mazar arc-accretionary complex. The sedimentary environment in the continental North Pamir rift evolved from an alluvial plain, lake dominated environment in the Guadalupian to a coarser-clastic, alluvial, braided river dominated in the Triassic. Volcanic activity terminated in the early Jurassic. We conducted Potassium-Argon (K-Ar) fine-fraction dating on the Shala Tala thrust fault, a major structure juxtaposing Paleozoic marine units of lower greenschist to amphibolite facies conditions against continental Permian deposits. Fault slip under epizonal conditions is dated to 204.8 ± 3.7 Ma (2σ), implying Rhaetian nappe emplacement. This pinpoints the Central–North Pamir collision, since the Shala Tala thrust was a back-thrust at that time.
N2  - Der Nordpamir, ein Teil der Kollisionszone zwischen Indien und Asien, bildete sich im Wesentlichen zwischen dem oberen Paläozoikum und der Trias–Jura Grenze. Zeitgleich mit der Subduktion des Turkestan-Ozeans—während der herzynischen Orogenese im heutigen Tien-Shan-Gebirge—subduzierte ein Teil der Paläotethys. Dies führte im Verlauf des Karbons zur Bildung und im Perm zur Obduktion eines Vulkan- bzw. Inselbogens. Dieser karbonische Vulkanbogen des Nordpamirs kann in einen westlichen Teil mit andinem Aufbau (Darvaz-Segment) und einen intraozeanischen östlichen Teil (Oytag-Segment) eingeteilt werden. Eine Abfolge aus Vulkaniten und zwischengeschalteten, marinen Sedimenten, zusammen mit in diese Folge intrudierten Plagiograniten (Trondhjemit und Tonalit) sowie Granodioriten, wurde während des Perms gehoben und erodiert. Dies wird durch weit verbreitete Sedimentationslücken im Nord Pamir belegt.
In dieser Arbeit werden erstmals umfassende Uran-Blei Isotopen (U-Pb) Altersdaten (basierend auf Laserablation mit induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektroskopie) und geochemische Daten der Vulkanite und Plutonite des karbonischen Vulkanbogens des Nordpamirs präsentiert. Die U-Pb Zirkonalter zeigen für die Plutonite eine Hauptintrusionsphase zwischen 340 Ma und 320 Ma. Sowohl die untersuchten Vulkanite als auch die Plutonite zeigen eine Inselbogensignatur. Dabei weisen die Magmatite des östlichen Oytag-Segmentes primitivere geochemische Eigenschaften als gleichalte Gesteine des Darvaz-Segmentes auf. Um das Alter der kaum datierten mafischen Vulkanite des Inselbogens genauer eingrenzen zu können, wurden während der Ozeanbodenmetamorphose gebildete Kalzite untersucht. Ausgehend von der Annahme, dass die in Hohlräumen der Basalte ausgebildeten Sekundärminerale in einem Zeitraum von etwa 25 Ma nach dem Austreten der Vulkanite entstehen, weisen diese auf ein viséisches bis serpukhovische Alter hin. Oxidatives Meerwasser und das basaltische Umgebungsgestein sind dabei Quellen der in den Kalziten eingebauten Spurenelemente. Die Untersuchungsergebnisse stellen eine geodynamische Beziehung des Vulkanbogens des Nordpamirs mit gleichalten Inselbogenkomplexen des Tien-Shan her. Des Weiteren stellen sie die Kontinuität kontinentaler Kruste zwischen Tarim und Karakum-Kraton im Paläozoikum in Frage.
Ab dem Perm setzte ein fortschreitender Rückzug des Meeres in der Region ein. Dies führte zu Erosion und kontinentalen Ablagerungsbedingungen im nordöstlichen Pamir spätestens ab dem Guadalupium (oberes Mittelperm). Das tektonische Regime Zentralasiens wurde im Perm durch Transversalverschiebungen und damit einhergehender Transpressions- und Transtensionstektonik bestimmt. Gleichzeitig dauerte die Subduktion der Paleotethys in Richtung Norden an. Dabei bildete sich schon im Perm ein Akkretionskeil—ein frühes Stadium des kimmerisch geprägten Karakul-Mazar Komplexes. Während des Perms zerschnitten Grabenstrukturen Teile der Karbonatplattform im zentralen und westlichen Nordpamir und formten ein kontinentales Grabensystem im nordöstlichen Pamir. Neue U-Pb Altersuntersuchungen an Zirkonen zeigen ein Einsetzen vulkanischer Aktivität vor etwa 260 Ma. Dehnungstektonik war auch während der Trias vorherrschend. Infolgedessen entwickelte sich das Hindukusch-Nordpamir-Rift-System. Zirkon U-Pb Altersdaten und Gesamtgesteinsgeochemie der triassischen Vulkanite der Riftbeckenablagerungen im Chinesischen Nordpamir stellen einen engen Zusammenhang zu zeitgleich intrudierenden, triassischen Plutoniten des Karakul-Mazar Akkretionskeils her. Das Ablagerungsmilieu des untersuchten Abschnitts des kontinentalen Beckens war im Guadalupium durch Schwemmebenen und Seen bestimmt. Es entwickelte sich zu einem von gröber-klastischen Schwemmfächern dominierten Ablagerungsraum während der Trias. Die vulkanische Aktivität endete während des Trias-Jura Übergangs.
Kalium-Argon (K-Ar) Altersdatierungen an Ton-Feinfraktionen einer großen Deckenüberschiebung (Shala-Tala-Überschiebung) belegen eine teilweise Schließung des nordöstlichen Hindukusch-Nordpamir-Riftbeckens in der ausgehenden Trias. Entlang der Shala-Tala-Überschiebung werden Paleozoische, marine Sedimentgesteine der unteren Grünschiefer- bis Amphibolitfazies gegen anchizonale, kontinentale Ablagerungen des Perms versetzt. Überschiebungsbewegungen unter epizonalen Bedingungen werden auf 204.8 ± 3.7 Ma (2σ) datiert. Dies gibt einen genauen Zeitmarker für die Kollision von Zentral und Nord Pamir, da sich ab diesem Zeitpunkt große Rücküberschiebungen bilden konnten.
KW  - geochronology
KW  - geochemistry
KW  - Pamir
KW  - Cimmerian orogeny
KW  - Hercynian orogeny
KW  - Central Asia
KW  - Zentralasien
KW  - kimmerische Orogenese
KW  - herzynische Orogenese
KW  - Pamir
KW  - Geochemie
KW  - Geochronologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-597510
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Zali, Zahra
A1  - Rein, Teresa
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ohrnberger, Matthias
A1  - Scherbaum, Frank
T1  - Ocean bottom seismometer (OBS) noise reduction from horizontal and vertical components using harmonic–percussive separation algorithms
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Records from ocean bottom seismometers (OBSs) are highly contaminated by noise, which is much stronger
compared to data from most land stations, especially on the horizontal components. As a consequence, the high energy of the oceanic noise at frequencies below 1 Hz considerably complicates the analysis of the teleseismic earthquake signals recorded by OBSs.
Previous studies suggested different approaches to remove low-frequency noises from OBS recordings but mainly focused on the vertical component. The records of horizontal components, which are crucial for the application of many methods in passive seismological analysis of body and surface waves, could not be much improved in the teleseismic frequency band. Here we introduce a noise reduction method, which is derived from the harmonic–percussive separation algorithms used in Zali et al. (2021), in order to separate long-lasting narrowband signals from broadband transients in the OBS signal. This leads to significant noise reduction of OBS records on both the vertical and horizontal components and increases the earthquake signal-to-noise ratio (SNR) without distortion of the broadband earthquake waveforms. This is demonstrated through tests with synthetic data. Both SNR and cross-correlation coefficients showed significant improvements for different realistic noise realizations. The application of denoised signals in surface wave analysis and receiver functions is discussed through tests with synthetic and real data.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1320 
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-588828
SN  - 1866-8372
IS  - 1320
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zali, Zahra
A1  - Rein, Teresa
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ohrnberger, Matthias
A1  - Scherbaum, Frank
T1  - Ocean bottom seismometer (OBS) noise reduction from horizontal and vertical components using harmonic–percussive separation algorithms
JF  - Solid earth
N2  - Records from ocean bottom seismometers (OBSs) are highly contaminated by noise, which is much stronger compared to data from most land stations, especially on the horizontal components. As a consequence, the high energy of the oceanic noise at frequencies below 1 Hz considerably complicates the analysis of the teleseismic earthquake signals recorded by OBSs.
Previous studies suggested different approaches to remove low-frequency noises from OBS recordings but mainly focused on the vertical component. The records of horizontal components, which are crucial for the application of many methods in passive seismological analysis of body and surface waves, could not be much improved in the teleseismic frequency band. Here we introduce a noise reduction method, which is derived from the harmonic–percussive separation algorithms used in Zali et al. (2021), in order to separate long-lasting narrowband signals from broadband transients in the OBS signal. This leads to significant noise reduction of OBS records on both the vertical and horizontal components and increases the earthquake signal-to-noise ratio (SNR) without distortion of the broadband earthquake waveforms. This is demonstrated through tests with synthetic data. Both SNR and cross-correlation coefficients showed significant improvements for different realistic noise realizations. The application of denoised signals in surface wave analysis and receiver functions is discussed through tests with synthetic and real data.
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.5194/se-14-181-2023
SN  - 1869-9529
VL  - 14
IS  - 2
SP  - 181
EP  - 195
PB  - Coepernicus Publ.
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - THES
A1  - Metzger, Sabrina
T1  - Neotectonic deformation over space and time as observed by space-based geodesy
T1  - Über die Vermessung neotektonischer Deformation in Raum und mit Hilfe von satellitengestützter Geodäsie
N2  - Alfred Wegeners ideas on continental drift were doubted for several decades until the discovery of polarization changes at the Atlantic seafloor and the seismic catalogs imaging oceanic subduction underneath the continental crust (Wadati-Benioff Zone). It took another 20 years until plate motion could be directly observed and quantified by using space geodesy. Since then, it is unthinkable to do neotectonic research without the use of satellite-based methods.

Thanks to a tremendeous increase of instrumental observations in space and time over the last decades we significantly increased our knowledge on the complexity of the seismic cycle, that is, the interplay of tectonic stress build up and release. Our classical assumption, earthquakes were the only significant phenomena of strain release previously accumulated in a linear fashion, is outdated. We now know that this concept is actually decorated with a wide range of slow and fast processes such as triggered slip, afterslip, post-seismic and visco-elastic relaxation of the lower crust, dynamic pore-pressure changes in the elastic crust, aseismic creep, slow slip events and seismic swarms. On the basis of eleven peer-reviewed papers studies I here present the diversity of crustal deformation processes. Based on time-series analyses of radar imagery and satellited-based positioning data I quantify tectonic surface deformation and use numerical and analytical models and independent geologic and seismologic data to better understand the underlying crustal processes.

The main part of my work focuses on the deformation observed in the Pamir, the Hindu Kush and the Tian Shan that together build the highly active continental collision zone between Northwest-India and Eurasia. Centered around the Sarez earthquake that ruptured the center of the Pamir in 2015 I present diverse examples of crustal deformation phenomena. Driver of the deformation is the Indian indenter, bulldozing into the Pamir, compressing the orogen that then collapses westward into the Tajik depression. A second natural observatory of mine to study tectonic deformation is the oceanic subduction zone in Chile that repeatedly hosts large earthquakes of magnitude 8 and more. These are best to study post-seismic relaxation processes and coupling of large earthquake.

My findings nicely illustrate how complex fashion and how much the different deformation phenomena are coupled in space and time. My publications contribute to the awareness that the classical concept of the seismic cycle needs to be revised, which, in turn, has a large influence in the classical, probabilistic seismic hazard assessment that primarily relies on statistically solid recurrence times.
N2  - Alfred Wegeners Thesen des Kontinentaldrifts fanden erst in den 1960er und 1970er Jahren Akzeptanz, als die krustalen Polarisationswechsel auf dem atlantischen Meeresboden entdeckt wurden und Erdbebenkataloge das Abtauchen von ozeanischer Kruste unter kontinentale Kruste abbildeten (Wadati-Benioff-Zone). Es dauerte jedoch weitere 20 Jahre, bis die Geodäsie erstmals Plattenbewegung sicht- und quantifizierbar machte. Seit dann sind satellitengestützte Messmethoden aus der neotektonischen Forschung nicht mehr wegzudenken.

Dank einer stetig (zeitlich und räumlich) wachsenden Anzahl instrumenteller Beobachtungsdaten wird unser Verständnis des Erdbebenzyklus—des Wechselspiels zwischen tektonischem Spannungsauf- und -abbau—immer komplexer. Das klassische Konzept, nur Erdbeben setzten die zuvor linear aufgebaute Spannungsenergie instantan frei, wird heutzutage durch eine Vielzahl von zusätzlichen schnelleren und langsameren Prozessen ergänzt. Beispiele dafür sind getriggerte Versätze (triggered slip), Nachbeben (afterslip), postseismische und visko-elastische Relaxation der tieferen Kruste, dynamische, elastische Veränderungen des Gesteins-Porendrucks, aseismisches Kriechen sowie Spannungsabbau durch kleine Erdbebenschwärme.

Anhand von elf begutachteten und bereits veröffentlichten Arbeiten präsentiere ich in meiner Habilitationsschrift die Diversität krustaler Deformationsprozesse. Ich analysiere Zeitreihen von Radar-Satellitenaufnahmen und satellitengestützten Positionierungssystemen um die tektonische Oberflächenbewegung zu quantifizieren. Der Vergleich von kinematischen Beobachtungen mit geologischen und seismischen Indizien sowie die Simulation ebenjener durch rechnergestützte Modelle ermöglichen mir, die verursachenden krustalen Prozesse besser verstehen.

Der Hauptteil meiner Arbeiten beschreibt rezente, krustale Bewegungen im Pamir, Hindu Kush und Tien Shan, welche zusammen das westliche Ende der kontinentalen Kollisionszone zwischen dem indischen und eurasischen Kontinent bilden. Rund um ein starkes Erdbeben, welches 2015 den Zentralpamir erschüttert hat, zeige ich vielseitige Beispiele von hochaktiver krustaler Deformation. Verursacht werden diese Bewegungen durch den nordwestindischen Kontinentalsporn, welcher (fast) ungebremst in den Pamir hineinrammt, ihn auftürmt, zusammenquetscht, und ihn gravitationsbedingt gegen Westen ins tadschikische Becken kollabieren lässt. Der zweite thematische Schwerpunkt liegt auf Prozessen, welche durch Megathrust-Erdbeben, also Beben mit einer Magnitude>8, hervorgerufen werden. Diese Anwendungen fokussieren sich auf die ozeanischen Subduktionszone von Chile und zeigen die Wichtigkeit vertikaler Hebungsdaten um, beispielsweise, den Einfluss tektonischer Prozesse auf den Gesteins-Porendruck zu verstehen.

Zusammenfassend veranschaulichen und bestätigen meine Arbeiten, wie stark und komplex die oben beschriebenen Prozesse räumlich und zeitlich korrelieren, und dass das klassische Konzept des Erdbebenzyklus überholt ist. Letztere Einsicht hat grossen Einfluss auf probabilistische seismische Gefährdungsanalysen, welche grundsätzlich statistische Vorhersagbarkeit annehmen.
KW  - radar satellite interferometry
KW  - tectonics
KW  - geodesy
KW  - seismology
KW  - earthquakes
KW  - InSAR
KW  - InSAR
KW  - Erdbeben
KW  - Geodäsie
KW  - Radar-Satelliteninterferometrie
KW  - Seismologie
KW  - Tektonik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599225
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pons, Michaël
T1  - The Nature of the tectonic shortening in Central Andes
T1  - Die Beschaffenheit der tektonischen Verkürzung in den Zentralanden
N2  - The Andean Cordillera is a mountain range located at the western South American margin and is part of the Eastern- Circum-Pacific orogenic Belt. The ~7000 km long mountain range is one of the longest on Earth and hosts the second largest orogenic plateau in the world, the Altiplano-Puna plateau. The Andes are known as a non-collisional subduction-type orogen which developed as a result of the interaction between the subducted oceanic Nazca plate and the South American continental plate. The different Andean segments exhibit along-strike variations of morphotectonic provinces characterized by different elevations, volcanic activity, deformation styles, crustal thickness, shortening magnitude and oceanic plate geometry. Most of the present-day elevation can be explained by crustal shortening in the last ~50 Ma, with the shortening magnitude decreasing from ~300 km in the central (15°S-30°S) segment to less than half that in the southern part (30°S-40°S). Several factors were proposed that might control the magnitude and acceleration of shortening of the Central Andes in the last 15 Ma. One important factor is likely the slab geometry. At 27-33°S, the slab dips horizontally at ~100 km depth due to the subduction of the buoyant Juan Fernandez Ridge, forming the Pampean flat-slab. This horizontal subduction is thought to influence the thermo-mechanical state of the Sierras Pampeanas foreland, for instance, by strengthening the lithosphere and promoting the thick-skinned propagation of deformation to the east, resulting in the uplift of the Sierras Pampeanas basement blocks. The flat-slab has migrated southwards from the Altiplano latitude at ~30 Ma to its present-day position and the processes and consequences associated to its passage on the contemporaneous acceleration of the shortening rate in Central Andes remain unclear. Although the passage of the flat-slab could offer an explanation to the acceleration of the shortening, the timing does not explain the two pulses of shortening at about 15 Ma and 4 Ma that are suggested from geological observations. I hypothesize that deformation in the Central Andes is controlled by a complex interaction between the subduction dynamics of the Nazca plate and the dynamic strengthening and weakening of the South American plate due to several upper plate processes. To test this hypothesis, a detailed investigation into the role of the flat-slab, the structural inheritance of the continental plate, and the subduction dynamics in the Andes is needed.  Therefore, I have built two classes of numerical thermo-mechanical models: (i) The first class of models are a series of generic E-W-oriented high-resolution 2D subduction models thatinclude flat subduction in order to investigate the role of the subduction dynamics on the temporal variability of the shortening rate in the Central Andes at Altiplano latitudes (~21°S). The shortening rate from the models was then validated with the observed tectonic shortening rate in the Central Andes. (ii) The second class of models are a series of 3D data-driven models of the present-day Pampean flat-slab configuration and the Sierras Pampeanas (26-42°S). The models aim to investigate the relative contribution of the present-day flat subduction and inherited structures in the continental lithosphere on the strain localization. Both model classes were built using the advanced finite element geodynamic code ASPECT. 
The first main finding of this work is to suggest that the temporal variability of shortening in the Central Andes is primarily controlled by the subduction dynamics of the Nazca plate while it penetrates into the mantle transition zone. These dynamics depends on the westward velocity of the South American plate that provides the main crustal shortening force to the Andes and forces the trench to retreat. When the subducting plate reaches the lower mantle, it buckles on it-self until the forced trench retreat causes the slab to steepen in the upper mantle in contrast with the classical slab-anchoring model. The steepening of the slab hinders the trench causing it to resist the advancing South American plate, resulting in the pulsatile shortening. This buckling and steepening subduction regime could have been initiated because of the overall decrease in the westwards velocity of the South American plate. In addition, the passage of the flat-slab is required to promote the shortening of the continental plate because flat subduction scrapes the mantle lithosphere, thus weakening the continental plate. This process contributes to the efficient shortening when the trench is hindered, followed by mantle lithosphere delamination at ~20 Ma. Finally, the underthrusting of the Brazilian cratonic shield beneath the orogen occurs at ~11 Ma due to the mechanical weakening of the thick sediments covered the shield margin, and due to the decreasing resistance of the weakened lithosphere of the orogen. 
The second main finding of this work is to suggest that the cold flat-slab strengthens the overriding continental lithosphere and prevents strain localization. Therefore, the deformation is transmitted to the eastern front of the flat-slab segment by the shear stress operating at the subduction interface, thus the flat-slab acts like an indenter that “bulldozes” the mantle-keel of the continental lithosphere. The offset in the propagation of deformation to the east between the flat and steeper slab segments in the south causes the formation of a transpressive dextral shear zone.  Here, inherited faults of past tectonic events are reactivated and further localize the deformation in an en-echelon strike-slip shear zone, through a mechanism that I refer to as “flat-slab conveyor”. Specifically, the shallowing of the flat-slab causes the lateral deformation, which explains the timing of multiple geological events preceding the arrival of the flat-slab at 33°S. These include the onset of the compression and of the transition between thin to thick-skinned deformation styles resulting from the crustal contraction of the crust in the Sierras Pampeanas some 10 and 6 Myr before the Juan Fernandez Ridge collision at that latitude, respectively.
N2  - Die Andenkordillere ist ein Gebirgszug am westlichen Rand Südamerikas und Teil des östlichen zirkumpazifischen Gebirgsgürtels. Der ~7000 km lange Gebirgszug ist einer der längsten der Erde und beherbergt mit dem Altiplano-Puna-Plateau das zweitgrößte orogenetische Plateau der Welt. Die Anden sind als nicht-kollisionsbedingtes Subduktionsgebirge bekannt, das durch die Wechselwirkung zwischen der subduzierten ozeanischen Nazca-Platte und der südamerikanischen Kontinentalplatte entstanden ist. Entlang des Höhenzugs der Anden lassen sich Segmente unterschiedlicher morphotektonischer Provinzen ausmachen, die durch Variationen in topographischer Höhe, vulkanischer Aktivität, Deformationsform, Krustendicke, Krustenverkürzung und ozeanischer Plattengeometrie gekennzeichnet sind. Der größte Teil der heutigen Hebung lässt sich durch die Krustenverkürzung der letzten 50 Mio. Jahre erklären, wobei das Ausmaß der Verkürzung von ca. 300 km im zentralen Segment (15°S-30°S) auf weniger als die Hälfte im südlichen Teil (30°S-40°S) abnimmt. Es wurden mehrere Faktoren vorgeschlagen, die das Ausmaß und die Beschleunigung der Verkürzung der zentralen Anden in den letzten 15 Mio. Jahren beeinflusst haben könnten. Ein wichtiger Faktor ist wahrscheinlich die Plattengeometrie. Durch die Subduktion des Juan-Fernandez-Rückens und dessen hohe Auftriebskraft fällt die Platte bei 27-33°S in ~100 km Tiefe horizontal ein und bildet den pampeanischen flat-slab. Es wird angenommen, dass die horizontale Subduktion den thermomechanischen Zustand des Sierras-Pampeanas-Vorlandes beeinflusst, indem sie beispielsweise die Lithosphäre stärkt und die dickschalige Verlagerung der Deformation nach Osten sowie die Hebung der kristallinen Basis der Sierras-Pampeanas fördert. Vor etwa 30 Mio. Jahren verschob sich der flat-slab von der geographischen Breite des Altiplano zu seiner heutigen Position nach Süden. Die mit der Positionsverlagerung verbundenen Prozesse und Folgen für die gleichzeitige Beschleunigung der Verkürzungsraten in den zentralen Anden sind noch immer unklar. Obwohl die Passage des flat-slab eine Erklärung für dafür sein könnte, erklärt ihr Zeitpunkt nicht die beiden aus der Geologie abgeleiteten Verkürzungsimpulse vor etwa 15 und 4 Mio. Jahren. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Deformation in den zentralen Anden durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Subduktionsdynamik der Nazca-Platte und der dynamischen Materialschwächung der südamerikanischen Platte aufgrund einer Reihe von Prozessen in der oberen Platte gesteuert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, ist eine detaillierte Untersuchung der Rolle des flat-slab, sowie der strukturellen Vererbung der Kontinentalplatte und der Subduktionsdynamik in den Anden erforderlich.  Daher habe ich zwei Klassen von numerischen thermomechanischen Modellen erstellt: (i) Die erste Klasse von Modellen umfasst eine Reihe von generischen E-W-orientierten 2D-Subduktionsmodellen mit hoher Auflösung. Diese beinhalten subhorizontalen Subduktion um die Rolle der Subduktionsdynamik auf die zeitliche Variabilität der Verkürzungsrate in den zentralen Anden auf dem Altiplano (~21°S) zu untersuchen. Die modellierte Verkürzungsrate wurde mit der beobachteten tektonischen Verkürzungsrate in den zentralen Anden validiert. (ii) Die zweite Klasse von Modellen besteht aus einer Reihe von datengesteuerten 3D-Modellen der heutigen pampeanischen flat-slab-Konfiguration und der Sierras Pampeanas (26-42°S). Diese Modelle zielen darauf ab, den relativen Beitrag der heutigen subhorizontalen Subduktion und der ererbten Strukturen in der kontinentalen Lithosphäre zur Dehnungslokalisierung zu untersuchen. Beide Modellklassen wurden mit Hilfe des fortschrittlichen geodynamischen Finite-Elemente-Codes ASPECT erstellt. 
Das erste Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass zeitliche Änderungen der Verkürzung in den Zentralanden in erster Linie durch die Subduktionsdynamik der Nazca-Platte gesteuert werden, während diese in die Mantelübergangszone eindringt. Die Dynamik hängt von der westwärts gerichteten Geschwindigkeit der südamerikanischen Platte ab, die die Hauptantriebskraft für die Krustenverkürzung in den Anden darstellt und den Subduktionsgraben zum Zurückziehen zwingt. Wenn die subduzierende Platte den unteren Erdmantel erreicht, wölbt sie sich auf, bis der erzwungene Rückzug des Grabens dazu führt, dass auch die Platte im oberen Erdmantel steiler wird. Die aufgesteilte Platte behindert wiederum den Graben, der sich der vorrückenden südamerikanischen Platte widersetzt, was eine pulsierende Verkürzung zur Folge hat. Dieses Subduktionsregime, bestehend aus Aufwölbung und Aufsteilung, könnte durch die allgemeine westwärts gerichtete Geschwindigkeitsabnahme der südamerikanischen Platte ausgelöst worden sein. Der Durchgang des flat-slab ist zudem eine notwendige Bedingung, um die Verkürzung der Kontinentalplatte voran zu treiben, da subhorizontale Subduktion Teile der Mantellithosphäre abträgt und so die Kontinentalplatte schwächt. Dieser Prozess trägt somit zur effizienten Verkürzung bei während der Graben behindert wird und ist gefolgt von der Ablösung der Mantellithosphäre vor etwa 20 Mio. Jahren. Das Subduzieren des brasilianischen kratonischen Schildes unter das Orogen erfolgte schließlich vor etwa 11 Mio. Jahren aufgrund der mechanischen Schwächung der dicken Sedimentschicht, die den Schildrand bedeckte, sowie wegen des abnehmenden Widerstands der geschwächten Gebirgslithosphäre.
Das zweite Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass der kalte flat-slab die darüber liegende kontinentale Lithosphäre stärkt und damit verhindert, dass sich Verformungen lokalisieren können. Daher wird die Deformation durch die an der Subduktionsfläche wirkende Scherspannung auf die östliche Front des flat-slab-Segments übertragen. Der flat-slab wirkt wie ein Eindringling, der die unter mantle-keel bekannte Anhäufung von abgelöstem Mantelmaterial  beiseite schiebt. Der Versatz in der ostwärts gerichteten Deformationsausbreitung der flachen und der steileren Plattensegmenten im Süden führt zur Bildung einer transpressiven dextralen Scherungszone. Hier werden ererbte Verwerfungen vergangener tektonischer Ereignisse reaktiviert und helfen bei der Lokalisierung neuer Deformation in einer en-echelon-artigen Scherungszone. Dies geschieht durch einen Mechanismus, den ich als "flat-slab-Conveyor" bezeichne. Das laterale Zusammenschieben wird besonders durch das Flacherwerden des flat-slab beeinflusst, welches den Zeitpunkt mehrerer geologischer Ereignisse erklärt, die der Ankunft des flat-slab bei 33°S vorangehen. Dazu gehören der Beginn der Kompression und der Übergang von dünn- zu dickschaliger Deformation, die sich aus der Krustenkontraktion in den Sierras Pampeanas etwa 10 bzw. 6 Mio. Jahre vor der Kollision mit dem Juan-Fernandez-Rücken auf diesem Breitengrad ergaben.
KW  - Andes
KW  - Orogen
KW  - tectonics
KW  - Subduction
KW  - Deformation
KW  - Shortening
KW  - Flat subduction
KW  - Geodynamics
KW  - Altiplano
KW  - Puna
KW  - Sierras Pampeanas
KW  - Foreland
KW  - Altiplano
KW  - Anden
KW  - Deformation
KW  - Flache Subduktion
KW  - Vorland
KW  - Geodynamik
KW  - Orogen
KW  - Puna
KW  - Verkürzung
KW  - Sierras Pampeanas
KW  - Subduktion
KW  - Tektonik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600892
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ribacki, Enrico
T1  - Intra-granitic pegmatites of the Las Chacras-Potrerillos batholith, Argentina
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jiménez Álvaro, Eliana
T1  - Análisis neotectónico y lito-tefroestratigráfico de los grandes movimientos en masa asociados al fallamiento activo de la cuenca intermontana Quito-Guayllabamba, Ecuador
T1  - Neotectonic and litho-tephrostratigraphic analysis of large mass movements associated with active faulting in the  Quito-Guayllabamba intermontane basin, Ecuador
T1  - Neotektonische und litho-tephrostratigraphische Auswertung der großen Massenbewegungen im Zusammenhang mit dem aktiven Verwerfungen im intermontanen Quito-Guayllabamba-Becken, Ecuador
N2  - Within the Quito-Guayllabamba intermontane basin of Ecuador, five unusually large colluvial deposits of ancient landslides have been identified and analyzed in this study. The voluminous rotational MM-5 Guayllabamba landslide is the largest one, with a volume of 1183 million m3. The mega debris-avalanches MM-1 Conocoto, MM-3 Oyacoto, and MM-4 San Francisco were originally triggered by an initial rupture that was associated with a rotational landslide, the corresponding deposits have volumes between 399 to 317 million m3. Finally, the deposit with the smallest volume, the MM-2 Batán rotational landslide and debris fall, has a volume of 8,7 million m3. In this thesis, a detailed study of these large mass movements was carried out using neotectonic and litho-tephrostratigraphic methods to understand the geological and geomorphological boundary conditions that might have been relevant for triggering such mass movements. The neotectonic part of the study was based on the qualitative and quantitative geomorphic analysis of these large mass-movement deposits through the structural characterization of anticlines located east of the Quito sub-basin and their collapsed flanks that constitute the break-off areas. This part of the analysis was furthermore supported by the application of different morphometric indices to reveal tectonically forced landscape evolution processes that may have aided mass-movement generation. The litho-tephrostratigraphic part of the study was based on the analysis of petrographic, geochemical, and geochronological characteristics of soil horizons and intercalated volcanic ashes with the aim to constrain the timing of individual mass-movement events and their potential correlation. The results were integrated into chronostratigraphic schemes using break-off surfaces, cross-cutting and superposition relationships of landslide deposits and subsequently deposited strata to understand the mass movements in the tectonic and temporal context of the intermontane basin setting, as well as to identify the triggering mechanisms for each event. The MM-5 Guayllabamba mass movement is the result of the collapse of the southwestern slope of the Mojanda volcano and was triggered by the interaction of geologic and morphologic conditions approximately 0,81 Ma. The first debris-avalanche episode of the MM-3 Oyacoto and MM-4 San Francisco mass movements could be related to both geological and morphological conditions, given the highly fractured rocks and uplift of the Bellavista-Catequilla anticline that was subsequently incised at the foot of the slope by fluvial erosion. This first episode of collapse most likely occurred around 0,8 Ma. The MM-2 Batán mass movement was possibly also facilitated by a combination of geological and morphological conditions, most likely associated with a reduction in the lithostatic stresses affecting the Chiche and Machángara formations and an increase of shear stresses during lateral fluvial scouring processes at the flanks of the source areas. This points to a linked process between river erosion and uplift processes associated with the evolution of the El Batán-La Bota anticline that could have occurred between 0,5 and 0,25 Ma. The voluminous MM-1 Conocoto debris avalanche, as well as the second debris avalanche episode that generated the MM-3 Oyacoto and MM-4 San Francisco mass movements, were caused by the gravitational collapse of the Mojanda and Cangahua formations that are characterized by the intercalation of volcanic ashes. The failure of the eastern flank of the anticlines probably was associated with increased available humidity related to regional Holocene climatic variations.  The results of paleosol chronology combined with regional chronostratigraphic and paleoclimate data suggests that these debris avalanches were triggered between 5 and 4 ka.
Active tectonics has shaped the morphological features of the Quito-Guayllabamba intermontane basin. The triggering of mass movements in this environment is associated with failure of Pleistocene lithologies (lake sediments, alluvial and volcanic deposits) subjected to ongoing deformation processes, seismic activity, and superposed episodes of climate variability. The Metropolitan District of Quito is an integral part of this complex environment and the geological, climatic, and topographic conditions that continue to influence the urban geographic space within this intermontane basin. The city of Quito comprises the area with the largest urban consolidation including the sub-basins of Quito and San Antonio, with a population of 2,872 million inhabitants, reflecting the importance of studying the inherent geological and climatic hazards that this region is confronted with.
N2  - Innerhalb des intermontanen Beckens von Quito-Guayllabamba in Ecuador wurden fünf ungewöhnlich große alte Erdrutschablagerungen identifiziert und in dieser Studie analysiert. Die voluminöse, mit einer Rotationsbewegung verbundene Ablagerung MM-5 von Guayllabamba ist mit einem Volumen von 1183 Mio. m3 die größte dieser Massenbewegungsablagerungen. Die Megaschuttlawinen MM-1 von Conocoto, MM-3 Oyacoto und MM-4 von San Francisco wurden ursprünglich durch eine Ruptur an den oberen Hängen ausgelöst, die ebenfalls mit Rotationsbewegungen verbunden waren, die entsprechenden Ablagerungen haben ein Volumen zwischen 399 und 317 Mio. m3. Die kleinste Ablagerung, die Ablagerung MM-2 von Batán, hat ein Volumen von 8,7 Mio. m3. In dieser Arbeit wurde eine detaillierte Untersuchung dieser großen Massenbewegungen mit neotektonischen, litho-tephrostratigraphischen und geomorphologischen Methoden durchgeführt, um die geologischen und geomorphologischen Randbedingungen zu verstehen, die für die Auslösung solcher Massenbewegungen relevant gewesen sein könnten. Der neotektonische Teil der Studie basierte auf der qualitativen und quantitativen geomorphologischen Analyse dieser voluminösen Ablagerungen über eine strukturelle Charakterisierung der Antiklinalen und ihrer kollabierten Flanken östlich des Quito-Subbbeckens, die Abrisszonen bilden. Dieser Teil der Analyse wurde durch die Anwendung verschiedener morphometrischer Indizes unterstützt, um tektonisch bedingte Landschaftsentwicklungsprozesse aufzuzeigen, welche die Entstehung der Massenbewegungen begünstigt haben könnten. Der litho-tephrostratigraphische Teil der Studie basierte auf der Analyse petrographischer, geochemischer und geochronologischer Merkmale von Paläo-Bodenhorizonten und zwischengeschalteten vulkanischen Aschen mit dem Ziel, die Chronologie einzelner Massenbewegungsereignisse zunächst einzugrenzen und Ablagerungen eventuell miteinander zu korrelieren. Die Ergebnisse wurden in chronostratigraphische Schemata integriert, die Abrisskanten, Aufschlüsse und stratigraphische Überlappungsbeziehungen von Erdrutschablagerungen und später abgelagerten Schichten verwenden, um die Massenbewegungen im tektonischen und zeitlichen Kontext der intermontanen, sowie die Auslösemechanismen der einzelnen Ereignisse zu identifizieren.
Die Massenbewegung MM-5 von Guayllabamba ist das Ergebnis des Kollapses des Südwesthangs des Vulkans Mojanda und wurde durch das Zusammenspiel geologischer und morphologischer Bedingungen vor etwa 0,81 Ma ausgelöst. Die erste Schuttlawinen-Episode MM-3 Oyacoto und MM-4 San Francisco könnte sowohl mit den geologischen als auch mit den morphologischen Bedingungen zusammenhängen, da das Gestein stark zerklüftet ist und die Bellavista-Catequilla-Antiklinale angehoben wurde, die anschließend am Fuß des Hanges durch fluviale Erosion eingeschnitten wurde. Höchstwahrscheinlich ereignete sich diese erste Massenbewegungsphase um 0,8 Ma. Die Massenbewegung der Ablagerung von MM-2 Batán wurde möglicherweise auch durch eine Kombination von geologischen und morphologischen Bedingungen begünstigt, die vermutlich mit einer Verringerung des lithostatischen Druckes in den Formationen Chiche und Machángara sowie einer Zunahme der Scherspannungen im Zuge der seitlichen fluvialen Kolkprozesse an den Flanken der Abrissregionen verbunden waren. Dies deutet auf einen verknüpften Prozess zwischen fluvialer Erosion und Hebungsprozessen im Zusammenhang mit der Entwicklung der El Batán-La Bota-Antiklinale hin, der zwischen 0,5 und 0,25 Ma stattgefunden haben könnte. Die voluminöse Schuttlawine MM-1 von Conocoto sowie die zweite Schuttlawine, welche die Ablagerungen von MM-3 Oyacoto und MM-4 San Francisco generierte, wurden durch den gravitativen Kollaps der Mojanda- und Cangahua-Formationen ausgelöst, der durch die zwischengeschalteten vulkanischen Aschen begünstigt wurde. Das Versagen der Bergflanken war möglicherweise auch begünstigt durch die Zunahme der verfügbaren Feuchtigkeit und des erhöhten Porendruckes im Zusammenhang mit regionalen klimatischen Schwankungen während des Holozäns.  Die Ergebnisse der Chronologie der Paläoböden in Verbindung mit regionalen chronostratigraphischen und paläoklimatischen Daten legen nahe, dass diese Schuttlawinen zwischen 5 und 4 ka ausgelöst wurden. Die aktive Tektonik hat die morphologischen Merkmale des intermontanen Quito-Guayllabamba-Beckens fundamental geprägt. Die Auslösung von Massenbewegungen in diesem Gebiet steht im Zusammenhang mit Verwerfungen in den pleistozänen Ablagerungen (lakustrische Sedimente, alluviale und vulkanische Ablagerungen), die laufenden Deformationsprozessen, seismischer Aktivität sowie überlagerten Episoden klimatischer Variabilität ausgesetzt sind. Der Stadtbezirk Quito ist ein integraler Bestandteil dieser komplexen Region und der geologischen, klimatischen und topografischen Bedingungen, die den städtischen Siedlungsraum in diesem intermontanen Becken weiterhin beeinflussen werden. Die Stadt Quito umfasst das Gebiet mit der größten urbanen Konsolidierung, einschließlich der Teileinzugsgebiete von Quito und San Antonio, mit einer Bevölkerung von 2,872 Millionen Einwohnern, was die Bedeutung der Untersuchung der inhärenten geologischen und klimatischen Gefahren widerspiegelt, mit denen diese Region konfrontiert ist.
N2  - Dentro de la cuenca intermontana de Quito-Guay llabamba de Ecuador, se han identificado y analizado en este estudio, cinco depósitos coluviales inusualmente grandes de antiguos deslizamientos. El gran deslizamiento rotacional MM-5 Guayllabamba es el más extenso, con un volumen de 1183 millones de m3. Las mega avalanchas de escombros MM-1 Conocoto, MM-3 Oyacoto, y MM-4 San Francisco fueron desencadenadas originalmente por una ruptura inicial que estuvo asociada a un deslizamiento rotacional, los depósitos correspondientes tienen volúmenes entre 399 a 317 millones de m3. Finalmente, el depósito de menor volumen, el deslizamiento rotacional y caída de detritos MM-2 Batán, tiene un volumen de 8,7 millones de m3. En esta tesis, se realizó un estudio detallado de estos grandes movimientos en masa utilizando métodos neotectónicos y lito-tefrostratigráficos para comprender las condiciones geológicas y geomorfológicas de contorno que podrían ser relevantes para desencadenar estos movimientos en masa. La parte neotectónica del estudio se basó en el análisis geomorfológico cualitativo y cuantitativo de estos grandes depósitos de movimientos en masa, a través de la caracterización estructural de anticlinales ubicados al este de la subcuenca de Quito y sus flancos colapsados que constituyen las áreas de ruptura. Esta parte del análisis fue además apoyada por la aplicación de diferentes índices morfométricos para revelar procesos de evolución del paisaje forzados tectónicamente que pueden haber contribuido a la generación de movimientos en masa. La parte lito-tefrostratigráfica del estudio se basó en el análisis de las características petrográficas, geoquímicas y geocronológicas de los horizontes del suelo y de las cenizas volcánicas intercaladas, con el objetivo de restringir la cronología de los eventos individuales de movimientos en masa y su posible de correlación. Los resultados se integraron en esquemas cronoestratigráficos utilizando superficies de ruptura, relaciones transversales y de superposición de depósitos de deslizamiento y estratos posteriores para comprender los movimientos en masa en el contexto tectónico y temporal del entorno de la cuenca intermontana, así como para identificar los mecanismos desencadenantes de cada evento. El movimiento en masa MM-5 Guayllabamba es el resultado del colapso de la ladera suroeste del volcán Mojanda y fue desencadenado por la interacción de condiciones geológicas y morfológicas hace aproximadamente 0,81 Ma. El primer episodio de avalancha de escombros de los movimientos en masa MM-3 Oyacoto y MM-4 San Francisco podría estar relacionado con condiciones tanto geológicas como morfológicas, dadas las rocas altamente fracturadas y el levantamiento del anticlinal Bellavista-Catequilla que posteriormente fue inciso al pie de la ladera por la erosión fluvial. Este primer episodio de colapso probablemente ocurrió alrededor de los 0,8 Ma. El movimiento en masa MM-2 Batán posiblemente también fue desencadenado por una combinación de condiciones geológicas y morfológicas, asociadas a una reducción de los esfuerzos litostáticos que afectaron a las formaciones Chiche y Machángara y a un aumento de los esfuerzos de cizalla durante procesos de socavación fluvial lateral en los flancos de las áreas de origen. Esto apunta a un proceso vinculado entre la erosión fluvial y los procesos de levantamiento asociados a la evolución del anticlinal El Batán-La Bota que podría haber ocurrido entre 0,5 y 0,25 Ma. La voluminosa avalancha de escombros MM-1 Conocoto, así como el segundo episodio de avalancha de escombros que generó los movimientos en masa MM-3 Oyacoto y MM-4 San Francisco, fueron provocados por el colapso gravitacional de las formaciones Mojanda y Cangahua que se caracterizan por la intercalación de cenizas volcánicas. La falla del flanco oriental de los anticlinales probablemente estuvo asociada al incremento de la humedad disponible relacionada con las variaciones climáticas regionales del Holoceno. Los resultados de la cronología de los paleosuelos combinados con los datos cronoestratigráficos y paleoclimáticos regionales sugieren que estas avalanchas de escombros se desencadenaron entre 5 y 4 ka. 
La tectónica activa ha modelado los rasgos morfológicos de la cuenca intermontana Quito-Guayllabamba. El desencadenamiento de movimientos en masa en este ambiente está asociado a rupturas en litologías del Pleistoceno (sedimentos lacustres, depósitos aluviales y volcánicos) sometidas a procesos de deformación, actividad sísmica y episodios superpuestos de variabilidad climática. El Distrito Metropolitano de Quito es parte integral de este complejo entorno y de las condiciones geológicas, climáticas y topográficas que continúan influyendo en el espacio geográfico urbano dentro de esta cuenca intermontana. La ciudad de Quito comprende el área de mayor consolidación urbana incluyendo las subcuencas de Quito y San Antonio, con una población de 2,872 millones de habitantes, lo que refleja la importancia del estudio de las amenazas geológicas y climáticas inherentes a esta región.
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KW  - aktive Verwerfungen
KW  - Auslösemechanismus
KW  - Klima
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KW  - clima
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622209
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kooten, Willemijn Sarah Maria Theresia van
T1  - Structural inheritance of the Salta Rift basin  and its control on exhumation patterns of the Eastern Cordillera between 23 and 24°S
T1  - Strukturelle Vererbung des Salta Riftbeckens und deren Einfluss auf die Heraushebungsmuster der Östlichen Kordillere zwischen 23 und 24°S
N2  - The deformation style of mountain belts is greatly influenced by the upper plate architecture created during preceding deformation phases. The Mesozoic Salta Rift extensional phase has created a dominant structural and lithological framework that controls Cenozoic deformation and exhumation patterns in the Central Andes. Studying the nature of these pre-existing anisotropies is a key to understanding the spatiotemporal distribution of exhumation and its controlling factors. The Eastern Cordillera in particular, has a structural grain that is in part controlled by Salta Rift structures and their orientation relative to Andean shortening. As a result, there are areas in which Andean deformation prevails and areas where the influence of the Salta Rift is the main control on deformation patterns. 
Between 23 and 24°S, lithological and structural heterogeneities imposed by the Lomas de Olmedo sub-basin (Salta Rift basin) affect the development of the Eastern Cordillera fold-and-thrust belt. The inverted northern margin of the sub-basin now forms the southern boundary of the intermontane Cianzo basin. The former western margin of the sub-basin is located at the confluence of the Subandean Zone, the Santa Barbara System and the Eastern Cordillera. Here, the Salta Rift basin architecture is responsible for the distribution of these morphotectonic provinces. In this study we use a multi-method approach consisting of low-temperature (U-Th-Sm)/He and apatite fission track thermochronology, detrital geochronology, structural and sedimentological analyses to investigate the Mesozoic structural inheritance of the Lomas de Olmedo sub-basin and Cenozoic exhumation patterns.
Characterization of the extension-related Tacurú Group as an intermediate succession between Paleozoic basement and the syn-rift infill of the Lomas de Olmedo sub-basin reveals a Jurassic maximum depositional age. Zircon (U-Th-Sm)/He cooling ages record a pre-Cretaceous onset of exhumation for the rift shoulders in the northern part of the sub-basin, whereas the western shoulder shows a more recent onset (140–115 Ma). Variations in the sedimentary thickness of syn- and post-rift strata document the evolution of accommodation space in the sub-basin. While the thickness of syn-rift strata increases rapidly toward the northern basin margin, the post-rift strata thickness decreases toward the margin and forms a condensed section on the rift shoulder.
Inversion of Salta Rift structures commenced between the late Oligocene and Miocene (24–15 Ma) in the ranges surrounding the Cianzo basin. The eastern and western limbs of the Cianzo syncline, located in the hanging wall of the basin-bounding Hornocal fault, show diachronous exhumation. At the same time, western fault blocks of Tilcara Range, south of the Cianzo basin, began exhuming in the late Oligocene to early Miocene (26–16 Ma). Eastward propagation to the frontal thrust and to the Paleozoic strata east of the Tilcara Range occurred in the middle Miocene (22–10 Ma) and the late Miocene–early Pliocene (10–4 Ma), respectively.
N2  - Der Deformationsstil von Gebirgsgürteln wird stark von der Architektur der oberen Platte beeinflusst, die während vorheriger Verformungsphasen entstanden ist. Die mesozoische Salta Rift Extensionsphase hat einen strukturellen und lithologischen Rahmen geschaffen, der die känozoischen Heraushebungsmuster in den Zentralanden kontrolliert. Die Charakterisierung dieser Anisotropien ist daher entscheidend, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Heraushebung und ihrer kontrollierenden Faktoren zu verstehen. Insbesondere die Östliche Kordillere weist einen strukturellen Rahmen auf, der teilweise von Salta Rift-Strukturen und ihrer Orientierung in Bezug auf die Verkürzung im Zuge der Gebirgsbildung der Anden kontrolliert wird. Dadurch wurden Gebiete geschaffen, in denen die jüngere Anden-Deformation überwiegt, und Gebiete, in denen der Einfluss des Salta Rifts die Deformationsmuster prägt.
Zwischen 23 und 24°S beeinflussen lithologische und strukturelle Heterogenitäten des Lomas de Olmedo Beckens (Teil des Salta Rift Beckens) die Entwicklung des Faltengürtels der Östlichen Kordillere. Der invertierte nördliche Rand des Beckens bildet dabei die südliche Grenze des Cianzo Beckens, welches während der andinen Orogenese angelegt wurde. Der ehemalige westliche Rand des Lomas de Olmedo Beckens befindet sich am Übergang der Subandinen Zone, des Santa Barbara Systems und der Östlichen Kordillere. Hier ist die Architektur des Salta Rift-Beckens für die räumliche Verteilung dieser morphotektonischen Provinzen verantwortlich. In dieser Studie verwenden wir einen multi-methodischen Ansatz, bestehend aus Niedertemperatur (U-Th-Sm)/He und Apatit Spaltspur Thermochronologie, detritische Geochronologie sowie strukturelle und sedimentologische Analyse, um das mesozoische strukturelle Erbe des Lomas de Olmedo Beckens und die känozoischen Heraushebungsmuster zu untersuchen.
Die mit Extension verbundene Tacurú-Gruppe bildet eine Einheit, die dem paläozoischen Grundgebirge und der syn-rift Auffüllung des Lomas de Olmedo Beckens zwischengeschaltet ist. Sie hat ein Jurassisches maximales Ablagerungsalter. Zirkon (U-Th-Sm)/He Abkühlungsalter zeigen einen präkretazischen Beginn der Heraushebung für die Riftschulter im nördlichen Teil des Beckens, während die westliche Schulter einen jüngeren Beginn aufweist (140–115 Ma). Variationen in der stratigraphischen Mächtigkeit von Syn- und Postrift-Gesteinen dokumentieren die Entwicklung des Akommodationsraums. Während die Mächtigkeit der Synrift-Gesteine zum nördlichen Beckenrand hin zunimmt, schwindet die Mächtigkeit der Postrift-Gesteine in Richtung des Beckenrandes und bildet dort eine kondensierte Abfolge. Die Inversion der Salta Rift Strukturen begann im Cianzo Becken zwischen dem späten Oligozän und Miozän (24–15 Ma) mit einer diachronen Heraushebung des östlichen und westlichen Schenkels der Cianzo Synklinale, welche sich im Hangenden der Hornocal Störung befindet. Gleichzeitig begann im Tilcara Gebirge, südlich des Cianzo Beckens, im späten Oligozän bis frühen Miozän (26–16 Ma) die Heraushebung westlicher Störungsblöcke. Die ostwärtige Ausbreitung zur frontalen Überschiebung erfolgte im mittleren Miozän (22–10 Ma) und zum San Lucas Block im späten Miozän bis frühen Pliozän (10–4 Ma).
KW  - Argentina
KW  - Argentinien
KW  - thermochronology
KW  - Thermochronologie
KW  - exhumation
KW  - structural inheritance
KW  - thermal modeling
KW  - Eastern Cordillera
KW  - östliche Kordillere
KW  - Modellierung
KW  - Salta Rift
KW  - Salta Rift
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617983
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lauer-Dünkelberg, Gregor
T1  - Extensional deformation and landscape evolution of the Central Andean Plateau
T1  - Dehnungsdeformation und Landschaftsentwicklung des zentralen Andenplateaus
N2  - Mountain ranges can fundamentally influence the physical and and chemical processes that shape Earths’ surface. With elevations of up to several kilometers they create climatic enclaves by interacting with atmospheric circulation and hydrologic systems, thus leading to a specific distribution of flora and fauna. As a result, the interiors of many Cenozoic mountain ranges are characterized by an arid climate, internally drained and sediment-filled basins, as well as unique ecosystems that are isolated from the adjacent humid, low-elevation regions along their flanks and forelands. These high-altitude interiors of orogens are often characterized by low relief and coalesced sedimentary basins, commonly referred to as plateaus, tectono-geomorphic entities that result from the complex interactions between mantle-driven geological and tectonic conditions and superposed atmospheric and hydrological processes. The efficiency of these processes and the fate of orogenic plateaus is therefore closely tied to the balance of constructive and destructive processes – tectonic uplift and erosion, respectively. In numerous geological studies it has been shown that mountain ranges are delicate systems that can be obliterated by an imbalance of these underlying forces. As such, Cenozoic mountain ranges might not persist on long geological timescales and will be destroyed by erosion or tectonic collapse. Advancing headward erosion of river systems that drain the flanks of the orogen may ultimately sever the internal drainage conditions and the maintenance of storage of sediments within the plateau, leading to destruction of plateau morphology and connectivity with the foreland. Orogenic collapse may be associated with the changeover from a compressional stress field with regional shortening and topographic growth, to a tensional stress field with regional extensional deformation and ensuing incision of the plateau. While the latter case is well-expressed by active extensional faults in the interior parts of the Tibetan Plateau and the Himalaya, for example, the former has been attributed to have breached the internally drained areas of the high-elevation sectors of the Iranian Plateau.
In the case of the Andes of South America and their internally drained Altiplano-Puna Plateau, signs of both processes have been previously described. However, in the orogenic collapse scenario the nature of the extensional structures had been primarily investigated in the northern and southern terminations of the plateau; in some cases, the extensional faults were even regarded to be inactive. After a shallow earthquake in 2020 within the Eastern Cordillera of Argentina that was associated with extensional deformation, the state of active deformation and the character of the stress field in the central parts of the plateau received renewed interest to explain a series of extensional structures in the northernmost sectors of the plateau in north-western Argentina. This study addresses (1) the issue of tectonic orogenic collapse of the Andes and the destruction of plateau morphology by studying the fill and erosion history of the  central eastern Andean Plateau using sedimentological and geochronological data and (2) the kinematics, timing and magnitude of extensional structures that form well-expressed fault scarps in sediments of the regional San Juan del Oro surface, which is an integral part of the Andean Plateau and adjacent morphotectonic provinces to the east. 
Importantly, sediment properties and depositional ages document that the San Juan del Oro Surface was not part of the internally-drained Andean Plateau, but rather associated with a foreland-directed drainage system, which was modified by the Andean orogeny and that became successively incorporated into the orogen by the eastward-migration of the Andean deformation front during late Miocene – Pliocene time. Structural and geomorphic observations within the plateau indicate that extensional processes must have been repeatedly active between the late Miocene and Holocene supporting the notion of plateau-wide extensional processes, potentially associated with Mw ~ 7 earthquakes. The close relationship between extensional joints and fault orientations underscores that 3 was oriented horizontally in NW-SE direction and 1 was vertical. This unambiguously documents that the observed deformation is related to gravitational forces that drive the orogenic collapse of the plateau. Applied geochronological analyses suggest that normal faulting in the northern Puna was active at about 3 Ma, based on paired cosmogenic nuclide dating of sediment fill units. Possibly due to regional normal faulting the drainage system within the plateau was modified, promoting fluvial incision.
N2  - Gebirge beeinflussen grundlegend die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Oberfläche der Erde formen. Mit Höhen von bis zu mehreren Tausend Metern können sie als topografische Barrieren fungieren, die mit atmosphärischen Zirkulationen und hydrologischen Systemen wechselwirken, klimatische Enklaven schaffen und dadurch die Verbreitung von Flora und Fauna einschränken. Infolgedessen sind die inneren Teile vieler känozoischer Gebirge durch geschlossene Beckenstrukturen gekennzeichnet, die einzigartige, von den niedriger gelegenen Bereichen des Vorlands isolierte Ökosysteme beherbergen. Diese durch niedriges Relief geprägte orographische Sektoren werden als Plateaus bezeichnet - das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen geologischer, hydrologischer und atmosphärischer Prozesse. Das Fortbestehen solcher orogenen Plateaus ist daher an das Gleichgewicht zwischen den konstruktiven und destruktiven Prozessen, tektonischer Hebung und Erosion gebunden. Aus geologischen Studien geht hervor, dass Gebirgszüge fragile Systeme sind, die durch ein Ungleichgewicht dieser zugrunde liegenden Kräfte kollabieren können. Daher erscheint es unumgänglich, dass moderne Gebirge auf geologischen Zeitskalen nicht überdauern werden und voraussichtlich dem Zahn der Zeit zum Opfer fallen. Viele Studien haben sich bereits mit der Aufgabe befasst, den momentanen Zustand känozoischer Gebirge zu erforschen, um zu entschlüsseln, ob sie bereits in eine Einebnungsphase übergegangen sind. Eine solche Einebnung kann auf zwei oberflächliche Anzeichen zurückgeführt werden: i) die fortschreitende Erosion durch Flusssysteme und ii) das Vorhandensein von Extensionsstrukturen, die sich entgegen des kompressiven Spannungsfelds durch Gravitationskräfte formen. Solche Strukturen wurden bereits im Inneren des tibetischen Plateaus des zentralasiatischen Himalaya beschrieben, während eine plateauweite Einschneidung durch Flusssysteme die intern entwässerten Gebiete der hoch gelegenen Sektoren des iranischen Plateaus beobachtet wurde.
Im Falle der südamerikanischen Anden und ihres intern entwässerten Altiplano-Puna-Plateaus wurden bereits Anzeichen beider Prozesse beschrieben. Im Szenario des orogenen Kollapses wurden Dehnungsstrukturen jedoch hauptsächlich an den nördlichen und südlichen Grenzen des Plateaus untersucht; in einigen Fällen wurden diese tektonischen Verwerfungen als inaktiv kategorisiert. Nach einem flachen Erdbeben im Jahr 2020 in der Ostkordillere Argentiniens, das mit solch einer Dehnungsstruktur in Verbindung gebracht wurde, weckte die Frage nach dem Zustand des aktiven Spannungsfeldes und der damit einhergehenden Deformation in den zentralen Teilen der Anden wieder neues Interesse. Die Analyse solcher Strukturen und die daraus resultierenden Erkenntnisse, würden helfen die quartäre Deformation in den hoch gelegenen Gebieten der Anden zu erklären.
Diese Dissertation befasst sich daher mit (1) der Frage des tektonisch-orogenen Zusammenbruchs der Anden und der Einschneidung in die Plateaumorphologie, indem die Auffüllungs- und Erosionsgeschichte des zentralen östlichen Andenplateaus anhand von sedimentologischen und geochronologischen Daten untersucht wird, und (2) mit der Kinematik, dem zeitlichen Ablauf und dem Ausmaß von Dehnungsdeformation, die ausgeprägte Geländestufen in den sölig gelagerten Sedimenten der regionalen San Juan del Oro-Oberfläche formte, die wiederum ein integraler Bestandteil des Andenplateaus und der angrenzenden morphotektonischen Provinzen im Osten ist.
Die Eigenschaften der beschriebenen Sedimente sowie deren Ablagerungsalter belegen, dass die San Juan del Oro-Oberfläche nicht Teil des intern entwässerten Andenplateaus ist, sondern vielmehr mit einem vorgelagerten Entwässerungssystem verbunden ist, das durch die Anden-Orogenese und die Ostwärtsbewegung der Deformationsfront im späten Miozän bis Pliozän sukzessive in das Orogen integriert wurde. Strukturelle und geomorphologische Beobachtungen innerhalb des Plateaus deuten darauf hin, dass eine tektonische Abschiebungen zwischen dem späten Miozän und dem Holozän wiederholt aktiv gewesen sein müssen, und möglicherweise mit Erdbeben der Stärke Mw ~ 7 in Verbindung standen. Die geometrische Beziehung zwischen Dehnungsklüften und dem Streichen der beobachteten Verwerfungen deutet darauf hin, dass die geringste Normalspannung (σ3) horizontal in NW-SE-Richtung und die maximale Normalspannung (σ1) vertikal orientiert war. Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür, dass die beobachtete Deformation mit Gravitationskräften zusammenhängt, die den orogenen Kollaps des Plateaus vorantreiben. Geochronologische Daten deuten darauf hin, dass die Abschiebungen in der nördlichen Puna vor ca. 3 Ma aktiv waren. Möglicherweise wurde dadurch auch das Entwässerungssystem innerhalb des Plateaus beeinflusst, was eine fluviale Einschneidung begünstigte und den Zerfall des Plateaus vorantreibt.
KW  - Andes
KW  - plateau
KW  - extension
KW  - tectonics
KW  - normal faulting
KW  - geodynamics
KW  - geology
KW  - Anden
KW  - Dehnungsdeformation
KW  - Geodynamik
KW  - Geologie
KW  - Verwerfungen
KW  - Hochplateau
KW  - Tektonik
KW  - surface exposure dating
KW  - uranium-lead-dating
KW  - Remote sensing
KW  - paleoseismology
KW  - Oberflächenexpositionsdatierung
KW  - Uran-Blei-Datierung
KW  - Fernerkundung
KW  - Paleoseismologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617593
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Bhattacharyya, Biswajit
A1  - Balischewski, Christian
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Günter, Christina
A1  - Mies, Stefan
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Taubert, Andreas
T1  - N-Butyl Pyridinium Diiodido Argentate(I)
BT  - A One-Dimensional Ag-I Network with Superior Solid-State Ionic Conductivity at Room Temperature
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - A new solid-state material, N-butyl pyridinium diiodido argentate(I), is synthesized using a simple and effective one-pot approach. In the solid state, the compound exhibits 1D ([AgI2](-))(n) chains that are stabilized by the N-butyl pyridinium cation. The 1D structure is further manifested by the formation of long, needle-like crystals, as revealed from electron microscopy. As the general composition is derived from metal halide-based ionic liquids, the compound has a low melting point of 100-101 degrees C, as confirmed by differential scanning calorimetry. Most importantly, the compound has a conductivity of 10(-6) S cm(-1) at room temperature. At higher temperatures the conductivity increases and reaches to 10(-4 )S cm(-1) at 70 degrees C. In contrast to AgI, however, the current material has a highly anisotropic 1D arrangement of the ionic domains. This provides direct and tuneable access to fast and anisotropic ionic conduction. The material is thus a significant step forward beyond current ion conductors and a highly promising prototype for the rational design of highly conductive ionic solid-state conductors for battery or solar cell applications.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1341 
KW  - AgI
KW  - ionic conductivity
KW  - Ionic liquids
KW  - thermal properties
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604874
SN  - 1866-8372
IS  - 1341
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zuhr, Alexandra
T1  - Proxy signal formation in palaeoclimate archives
T1  - Proxy-Signalbildung in Paläoklimaarchiven
BT  - a characterisation of climate signal deposition and modification in marine sediments and polar ice
BT  - eine Charakterisierung der  Ablagerung und Veränderung von Klimasignalen in Meeressedimenten und Polarem Ei
N2  - Throughout the last ~3 million years, the Earth's climate system was characterised by cycles of glacial and interglacial periods. The current warm period, the Holocene, is comparably stable and stands out from this long-term cyclicality. However, since the industrial revolution, the climate has been increasingly affected by a human-induced increase in greenhouse gas concentrations. While instrumental observations are used to describe changes over the past ~200 years, indirect observations via proxy data are the main source of information beyond this instrumental era. These data are indicators of past climatic conditions, stored in palaeoclimate archives around the Earth. The proxy signal is affected by processes independent of the prevailing climatic conditions. In particular, for sedimentary archives such as marine sediments and polar ice sheets, material may be redistributed during or after the initial deposition and subsequent formation of the archive. This leads to noise in the records challenging reliable reconstructions on local or short time scales. This dissertation characterises the initial deposition of the climatic signal and quantifies the resulting archive-internal heterogeneity and its influence on the observed proxy signal to improve the representativity and interpretation of climate reconstructions from marine sediments and ice cores.

To this end, the horizontal and vertical variation in radiocarbon content of a box-core from the South China Sea is investigated. The three-dimensional resolution is used to quantify the true uncertainty in radiocarbon age estimates from planktonic foraminifera with an extensive sampling scheme, including different sample volumes and replicated measurements of batches of small and large numbers of specimen. An assessment on the variability stemming from sediment mixing by benthic organisms reveals strong internal heterogeneity. Hence, sediment mixing leads to substantial time uncertainty of proxy-based reconstructions with error terms two to five times larger than previously assumed.

A second three-dimensional analysis of the upper snowpack provides insights into the heterogeneous signal deposition and imprint in snow and firn. A new study design which combines a structure-from-motion photogrammetry approach with two-dimensional isotopic data is performed at a study site in the accumulation zone of the Greenland Ice Sheet. The photogrammetry method reveals an intermittent character of snowfall, a layer-wise snow deposition with substantial contributions by wind-driven erosion and redistribution to the final spatially variable accumulation and illustrated the evolution of stratigraphic noise at the surface. The isotopic data show the preservation of stratigraphic noise within the upper firn column, leading to a spatially variable climate signal imprint and heterogeneous layer thicknesses. Additional post-depositional modifications due to snow-air exchange are also investigated, but without a conclusive quantification of the contribution to the final isotopic signature. 

Finally, this characterisation and quantification of the complex signal formation in marine sediments and polar ice contributes to a better understanding of the signal content in proxy data which is needed to assess the natural climate variability during the Holocene.
N2  - Während der letzten ~3 Millionen Jahre war das Klimasystem der Erde durch Zyklen von Glazialen und Interglazialen gekennzeichnet. Die aktuelle Warmperiode, das Holozän, ist vergleichsweise stabil und hebt sich von dieser langen Zyklizität ab. Seit der industriellen Revolution wird das Klima jedoch zunehmend durch einen vom Menschen verursachten Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen beeinflusst. Während instrumentelle Beobachtungen die Veränderungen der letzten ~200 Jahre beschreiben können, liefern Proxydaten die meisten klimatischen Informationen für den Zeitraum vor diesen Beobachtungen. Proxies zeichnen vergangene Klimabedingungen auf und sind in Paläoklimaarchiven rund um die Erde gespeichert. Das Proxysignal wird durch eine Vielzahl an Prozessen beeinflusst, die unabhängig von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen sind. Insbesondere bei sedimentären Archiven wie Meeressedimenten und Eisschilden kann es während oder nach der Ablagerung zu einer Umverteilung des Materials und einer Änderung des Signals kommen. Dies führt zu nicht-klimatischen Unsicherheiten in den Daten, was zuverlässige Rekonstruktionen auf lokalen oder kurzen zeitlichen Skalen erschwert. Diese Dissertation charakterisiert die Ablagerung des Klimasignals und quantifiziert die daraus resultierende archiv-interne Heterogenität und ihren Einfluss auf das beobachtete Proxysignal, um die Repräsentativität und Interpretation von Klimarekonstruktionen aus marinen Sedimenten und Eiskernen zu verbessern.

Zu diesem Zweck wird die horizontale und vertikale Variabilität des Radiokarbongehalts in einem Sedimentkern aus dem Südchinesischen Meer untersucht. Die dreidimensionale Auflösung des Kastenbohrers wird genutzt, um die tatsächliche Unsicherheit in Alterabschätzung von planktonische Foraminiferen mittels der Radiokarbonmethode zu quantifizieren. Mit Hilfe von verschiedene Probenvolumina und wiederholten Messungen von kleinen und großen Anzahlen an Lebewesen wird eine Quantifizierung der Variabilität, die auf die Durchmischung des Sediments durch benthische Organismen zurückzuführen ist, durchgeführt. Die Durchmischung der Sedimente verursacht eine starke interne Heterogenität, was zu Fehlertermen, die zwei bis fünf Mal größer sind als bisher angenommen, und einer erheblichen zeitlichen Unsicherheit von Rekonstruktionen basierend auf Proxydaten führt. 

Eine zweite dreidimensionale Analyse liefert Einblicke in die heterogene Signalablagerung in Schnee und Firn. Hierzu wird ein neues Studiendesign in der Akkumulationszone des grönländischen Eisschilds angewandt, wobei ein Structure-from-Motion Photogrammetrie Ansatz mit zweidimensionalen Isotopendaten kombiniert wird. Die photogrammetrische Methode zeigt, dass die Akkumulation von Schnee sehr variable ist. Die Entwicklung der Schneeablagerung an der Oberfläche erfolgt primär schichtweise mit erheblichen Veränderungen durch eine windgestriebene Erosion und Umverteilung des Schnees. Diese Dynamik führt zu einer räumlich variablen Akkumulation und sratigraphischem Rauschens an der Oberfläche. Die heterogene Akkumulation bestimmt die räumliche Ablagerung der klimatischen Informationen, die in der Isotopenzusammensetzung des Schness enthalten ist. Stratigraphische Rauschen der Oberfläche bleibt in der oberen Firnsäule erhalten, was zu einem räumlich variablen Signaleindruck führt. Weiterhin werden zusätzliche Veränderungen nach der Ablagerung durch Austauschprozesse zwischen dem Schnee und der Atmosphäre untersucht, jedoch ohne eine schlüssige Quantifizierung dieses Beitrags zur endgültigen Isotopensignatur.

Die Charakterisierung und Quantifizierung der komplexen und heterogenen Signalbildung in marinen Sedimenten und Gletschereis verbessert letztlich das Verständnis des Signalgehalts in Proxydaten und trägt dazu bei, die natürliche Klimavariabilität des Holozäns besser abzuschätzen.
KW  - polar ice
KW  - marine sediments
KW  - palaeoclimatology
KW  - signal formation
KW  - climatolgoy
KW  - Klimatologie
KW  - Meeressedimente
KW  - Paläoklimatologie
KW  - polares Eis
KW  - Signalbildung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582864
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mester, Benedikt
T1  - Modeling flood-induced human displacement risk under global change
T1  - Modellierung des hochwasserbedingten Risikos der Vertreibung von Menschen unter globalen Veränderungen
N2  - Extreme flooding displaces an average of 12 million people every year. Marginalized populations in low-income countries are in particular at high risk, but also industrialized countries are susceptible to displacement and its inherent societal impacts. The risk of being displaced results from a complex interaction of flood hazard, population exposed in the floodplains, and socio-economic vulnerability. Ongoing global warming changes the intensity, frequency, and duration of flood hazards, undermining existing protection measures. Meanwhile, settlements in attractive yet hazardous flood-prone areas have led to a higher degree of population exposure. Finally, the vulnerability to displacement is altered by demographic and social change, shifting economic power, urbanization, and technological development. These risk components have been investigated intensively in the context of loss of life and economic damage, however, only little is known about the risk of displacement under global change.
This thesis aims to improve our understanding of flood-induced displacement risk under global climate change and socio-economic change. This objective is tackled by addressing the following three research questions. First, by focusing on the choice of input data, how well can a global flood modeling chain reproduce flood hazards of historic events that lead to displacement? Second, what are the socio-economic characteristics that shape the vulnerability to displacement? Finally, to what degree has climate change potentially contributed to recent flood-induced displacement events?
To answer the first question, a global flood modeling chain is evaluated by comparing simulated flood extent with satellite-derived inundation information for eight major flood events. A focus is set on the sensitivity to different combinations of the underlying climate reanalysis datasets and global hydrological models which serve as an input for the global hydraulic model. An evaluation scheme of performance scores shows that simulated flood extent is mostly overestimated without the consideration of flood protection and only for a few events dependent on the choice of global hydrological models. Results are more sensitive to the underlying climate forcing, with two datasets differing substantially from a third one. In contrast, the incorporation of flood protection standards results in an underestimation of flood extent, pointing to potential deficiencies in the protection level estimates or the flood frequency distribution within the modeling chain.
Following the analysis of a physical flood hazard model, the socio-economic drivers of vulnerability to displacement are investigated in the next step. For this purpose, a satellite- based, global collection of flood footprints is linked with two disaster inventories to match societal impacts with the corresponding flood hazard. For each event the number of affected population, assets, and critical infrastructure, as well as socio-economic indicators are computed. The resulting datasets are made publicly available and contain 335 displacement events and 695 mortality/damage events. Based on this new data product, event-specific displacement vulnerabilities are determined and multiple (national) dependencies with the socio-economic predictors are derived. The results suggest that economic prosperity only partially shapes vulnerability to displacement; urbanization, infant mortality rate, the share of elderly, population density and critical infrastructure exhibit a stronger functional relationship, suggesting that higher levels of development are generally associated with lower vulnerability.
Besides examining the contextual drivers of vulnerability, the role of climate change in the context of human displacement is also being explored. An impact attribution approach is applied on the example of Cyclone Idai and associated extreme coastal flooding in Mozambique. A combination of coastal flood modeling and satellite imagery is used to construct factual and counterfactual flood events. This storyline-type attribution method allows investigating the isolated or combined effects of sea level rise and the intensification of cyclone wind speeds on coastal flooding. The results suggest that displacement risk has increased by 3.1 to 3.5% due to the total effects of climate change on coastal flooding, with the effects of increasing wind speed being the dominant factor.
In conclusion, this thesis highlights the potentials and challenges of modeling flood- induced displacement risk. While this work explores the sensitivity of global flood modeling to the choice of input data, new questions arise on how to effectively improve the reproduction of flood return periods and the representation of protection levels. It is also demonstrated that disentangling displacement vulnerabilities is feasible, with the results providing useful information for risk assessments, effective humanitarian aid, and disaster relief. The impact attribution study is a first step in assessing the effects of global warming on displacement risk, leading to new research challenges, e.g., coupling fluvial and coastal flood models or the attribution of other hazard types and displacement events. This thesis is one of the first to address flood-induced displacement risk from a global perspective. The findings motivate for further development of the global flood modeling chain to improve our understanding of displacement vulnerability and the effects of global warming.
N2  - Durch extreme Überschwemmungen werden jedes Jahr durchschnittlich 12 Millionen Menschen vertrieben. Vor allem marginalisierte Bevölkerungsgruppen in Ländern mit niedrigem Einkommen sind stark gefährdet, aber auch Industrieländer sind anfällig für Vertreibungen und die damit verbundenen gesellschaftlichen Auswirkungen. Das Risiko der Vertreibung ergibt sich aus einer komplexen Wechselwirkung zwischen der Hochwassergefahr, der Exposition der in den Überschwemmungsgebieten lebenden Bevölkerung und der sozioökonomischen Vulnerabilität. Die fortschreitende globale Erderwärmung verändert die Intensität, Häufigkeit und Dauer von Hochwassergefahren und untergräbt die bestehenden Schutzmaßnahmen. Gleichzeitig hat die Besiedlung attraktiver, aber gefährdeter Überschwemmungsgebiete zu einem höheren Maß an Exposition der Bevölkerung geführt. Schließlich wird die Vulnerabilität für Vertreibungen durch den demografischen und sozialen Wandel, die Verlagerung der Wirtschaftskräfte, die Urbanisierung und die technologische Entwicklung verändert. Diese Risikokomponenten wurden im Zusammenhang mit dem Verlust von Menschenleben und wirtschaftlichen Schäden intensiv untersucht, über das Risiko der Vertreibung im Rahmen des globalen Wandels ist jedoch nur wenig bekannt.
Diese Arbeit zielt darauf ab, unser Verständnis des durch Überschwemmungen verursachten Vertreibungsrisikos unter dem Einfluss des globalen Klimawandels und des sozioökonomischen Wandels zu verbessern. Dieses Ziel wird durch die Beantwortung der folgenden drei Forschungsfragen erreicht. Erstens: Wie gut kann eine globale Hochwassermodellierungskette die Hochwassergefahren historischer Ereignisse, die zu Vertreibung geführt haben, reproduzieren, wobei ein Fokus auf die Wahl der Eingangsdaten gelegt wird? Zweitens: Welches sind die sozioökonomischen Merkmale, die die Vulnerabilität für Vertreibung beeinflussen? Und schließlich, inwieweit hat der Klimawandel möglicherweise zu den jüngsten hochwasserbedingten Vertreibungsereignissen beigetragen?
Zur Beantwortung der ersten Frage wird eine globale Hochwassermodellierungskette durch den Vergleich der simulierten Überschwemmungsfläche mit satellitengestützten Überschwemmungsdaten für acht große Hochwasserereignisse überprüft. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Sensitivität gegenüber verschiedenen Kombinationen der zugrunde liegenden Klimareanalysedatensätzen und globalen hydrologischen Modellen, die als Input für das globale Hydraulikmodell dienen. Ein Bewertungsschema von Leistungsindikatoren zeigt, dass die simulierte Überschwemmungsfläche ohne Berücksichtigung des Hochwasserschutzes meist überschätzt wird und nur bei wenigen Ereignissen von der Wahl der globalen hydrologischen Modelle abhängt. Die Ergebnisse sind empfindlicher gegenüber dem zugrunde liegenden Climate Forcing, wobei sich zwei Datensätze erheblich von einem dritten unterscheiden. Im Gegensatz dazu führt die Einbeziehung von Hochwasserschutznormen zu einer Unterschätzung der Überschwemmungsfläche, was auf mögliche Mängel bei der Schätzung des Schutzniveaus oder der Hochwasserhäufigkeitsverteilung innerhalb der Modellierungskette hinweist.
Nach der Analyse des physikalischen Hochwassergefahrenmodells werden in einem nächsten Schritt die sozioökonomischen Triebkräfte für die Vulnerabilität für Vertreibungen untersucht. Zu diesem Zweck wird eine satellitengestützte, globale Sammlung von Hochwasseüberschwemmungsflächen mit zwei Katastrophendatenbänken verknüpft, um die gesellschaftlichen Auswirkungen mit der entsprechenden Hochwassergefahr zusammenzuführen. Für jedes Ereignis werden die Anzahl der betroffenen Menschen, Vermögenswerte und kritischen Infrastrukturen sowie sozioökonomische Indikatoren berechnet. Die daraus resultierenden Datensätze werden öffentlich zugänglich gemacht und enthalten 335 Vertreibungsereignisse und 695 Todesopfer-/Schadensereignisse. Auf der Grundlage dieses neuen Datenprodukts werden ereignisspezifische Vertreibungsvulnerabilitäten bestimmt und vielfältige (nationale) Abhängigkeiten mit den sozioökonomischen Prädiktoren abgeleitet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wirtschaftlicher Wohlstand nur teilweise die Anfälligkeit für Vertreibungen beeinflusst; Urbanisierung, Kindersterblichkeitsrate, der Anteil älterer Menschen, Bevölkerungsdichte und kritische Infrastrukturen weisen eine stärkere funktionale Beziehung auf, was den Schluss zulässt, dass ein höheres Entwicklungsniveau im Allgemeinen mit einer geringeren Vulnerabilität verbunden ist.
Neben der Untersuchung der kontextabhängigen Faktoren der Vulnerabilität wird auch die Rolle des Klimawandels im Zusammenhang mit der Vertreibung von Menschen untersucht. Am Beispiel des Zyklons Idai und den damit verbundenen extremen Küstenüberschwemmungen in Mosambik wird ein Ansatz zur Attribution der Auswirkungen angewandt. Eine Kombination aus Küstenüberflutungsmodellierung und Satellitenbildern wird verwendet, um faktische und kontrafaktische Überschwemmungsereignisse zu konstruieren. Diese Storyline-artige Attributionsmethode ermöglicht die Untersuchung der isolierten oder kombinierten Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs und der Intensivierung der Windgeschwindigkeiten von Zyklonen auf die Küstenüberflutung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vertreibungsrisiko durch die Gesamtwirkung des Klimawandels auf Küstenüberschwemmungen um 3,1 bis 3,5 % gestiegen ist, wobei die Auswirkungen der zunehmenden Windgeschwindigkeit der dominierende Faktor sind.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Potentiale und Herausforderungen der Modellierung von hochwasserbedingten Vertreibungsrisiken auf. Während diese Arbeit die Sensitivität der globalen Hochwassermodellierung in Bezug auf die Wahl der Eingabedaten untersucht, ergeben sich neue Fragen, wie die Reproduktion von Wiederkehrintervallen und die Darstellung von Schutzniveaus effektiv verbessert werden kann. Die Ergebnisse liefern nützliche Informationen für Risikobewertungen, effektive humanitäre Hilfe und Katastrophenhilfe. Die Studie zur Auswirkungs-Attribution ist ein erster Schritt zur Bewertung der Effekte der globalen Erwärmung auf das Vertreibungsrisiko und führt zu neuen Forschungsherausforderungen, z. B. zur Kopplung von Fluss- und Küstenhochwassermodellen oder zur Untersuchung anderer Gefahrenarten. Diese Arbeit ist eine der ersten, die das durch Überschwemmungen verursachte Vertreibungsrisiko aus einer globalen Perspektive heraus betrachtet. Die Ergebnisse motivieren dazu, die globale Hochwassermodellierungskette weiterzuentwickeln, um unser Verständnis der Vertreibungsvulnerabilität und der Auswirkungen der globalen Erderwärmung zu vertiefen.
KW  - displacement
KW  - flooding
KW  - remote sensing
KW  - vulnerability
KW  - global flood model
KW  - Vertreibung
KW  - Überschwemmungen
KW  - Fernerkundung
KW  - Vulnerabilität
KW  - globales Überschwemmungsmodell
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-609293
ER  - 
TY  - THES
A1  - Quiroga  Carrasco, Rodrigo Adolfo
T1  - Cenozoic style of deformation and spatiotemporal variations of the tectonic stress field in the southern central Andes
T1  - Estudio del estilo de deformación y variación espacio
T1  - Känozoischer Deformationsstil und raum-zeitliche Variationen des tektonischen Spannungsfeldes in den südlichen Zentralanden
BT  - temporal del campo de esfuerzos imperante durante el cenozoico a lo largo de la transecta Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero (26°30-27°30´s), Andes centrales del sur
BT  - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30´s)
BT  - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30's)
N2  - The central Andean plateau is the second largest orogenic plateau in the world and has formed in a non-collisional orogenic system. It extends from southern Peru (15°S) to northern Argentina and Chile (27°30'S) and reaches an average elevation of 4,000 m.a.s.l. South of 24°S, the Andean plateau is called Puna and it is characterized by a system of endorheic basins with thick sequences where clastic and evaporitic strata are preserved. Between 26° and 27°30'S, the Puna terminates in a structurally complex zone which coincides with the transition from a normal subduction zone to a flat subduction ("flat slab") zone, which extends to 33°S. This transition zone also coincides with important morphostructural provinces that, from west to east, correspond to i) the Cordillera Frontal, where the Maricunga Belt is located; ii) the Famatina system; and iv) the north-western, thick-skinned Sierras Pampeanas. Various structural, sedimentological, thermochronological and geochronological studies in this region have documented a complex history of deformation and uplift during successive Cenozoic deformation events. These processes caused the increase of crustal thickness, as well as episodes of diachronic uplift, which attained its present configuration during the late Miocene. Subsequently, the plateau experienced a change in deformation style from contraction to extension and transtension documented by ubiquitous normal faults, earthquakes, and magmatic rocks. However, at the southern edge of the Puna plateau and in the transition to the other morphostructural provinces, the variation of deformation processes and the changes in the tectonic stress field are not fully understood. This location is thus ideally located to evaluate how the tectonic stress field may have evolved and how it may have been affected by the presence/absence of an orogenic plateau, as well as by the existence of inherited structural anisotropies within the different tectonic provinces.
This thesis investigates the relationship between shallow crustal deformation and the spatiotemporal evolution of the tectonic stress field in the southern sector of the Andean plateau, during pre-, syn- and post-uplift periods of this plateau. To carry out this research, multiple methodological approaches were chosen that include (U-Pb) radiometric dating; the analysis of mesoscopic faults to obtain stress tensors and the orientation of the principal stress axes; the determination of magnetic susceptibility anisotropy in sedimentary and volcanoclastic rocks to identify shortening directions or directions of sedimentary transport; kinematic modeling to infer deep crustal structures and deformation; and finally, a morphometric analysis to identify geomorphological indicators associated with Quaternary tectonism. 
Combining the obtained results with data from published studies, this study reveals a complex history of the tectonic stress field that has been characterized by changes in orientation and by vertical permutations of the principal stress axes during each deformation regime over the last ~24 Ma. The evolution of the tectonic stress field can be linked with three orogenic phases at this latitude of the Andean orogen: (1) a first phase with an E-W-oriented compression documented between Eocene and middle Miocene, which coincided with Andean crustal thickening, lateral growth, and topographic uplift; (2) a second phase characterized by a compressive transpressional stress regime, starting at ~11 Ma and ~5 Ma on the western and eastern edge of the Puna plateau, respectively, and a compressive stress regime in the Famatina system and the Sierras Pampeanas, which is interpreted to reflect  a transition between Neogene orogenic construction and the maximum accumulation of deformation and topographic uplift of the Puna plateau; and (3) a third phase, when the tectonic regime caused a changeover to a tensional stress state that followed crustal thickening and the maximum uplift of the plateau between ~5-4 Ma; this is especially well expressed in the Puna, in its western border area with the Maricunga-Valle Ancho Belt, and along its eastern border in the transition with the Sierras Pampeanas. The results of the study thus document that the plateau rim experienced a shift from a compressional to a transtensional regime, which differs from the tensional state of stress of the Andean Plateau in the northern sectors for the same period. Similar stress changes have been documented during the construction of the Tibetan plateau, where a predominantly compressional stress regime changed to a transtensional regime, but which was superseded by a purely tensional regime, between 14 and 4 Ma.
N2  - El plateau Andino es el segundo plateau orogénico más grande del mundo y se ubica en los Andes Centrales, desarrollado en un sistema orogénico no colisional. Se extiende desde el sur del Perú (15°S), hasta el norte de Argentina y Chile (27°30´S). A partir de los 24°S y prologándose hacia el sur, el plateau Andino se denomina Puna y está caracterizado por un sistema de cuencas endorreicas y salares delimitados por cordones montañosos. Entre los 26° y 27°30´S, la Puna encuentra su límite austral en una zona de transición entre una zona de subducción normal y una zona de subducción plana o “flat slab” que se prolonga hasta los 33°S. Diversos estudios documentan la ocurrencia de un aumento del espesor cortical, y levantamiento episódico y diacrónico del relieve, alcanzando su configuración actual durante el Mioceno tardío. Posteriormente, el plateau habría experimentado un cambio en el estilo de deformación dominado por procesos extensionales evidenciado por fallas y terremotos de cinemática normal. Sin embargo, en el borde sur del plateau de la Puna y en las áreas delimitadas con el resto del orógeno, la variación del campo de esfuerzo no está del todo comprendida, reflejando una excelente oportunidad para evaluar cómo el campo de esfuerzo puede evolucionar durante el desarrollo del orógeno y cómo puede verse afectado por la presencia/ausencia de un plateau orogénico, así como también por la existencia de anisotropías estructurales propias de cada unidad morfotectónica.
Esta Tesis investiga la relación entre la deformación cortical somera y la evolución en tiempo y espacio del campo de esfuerzos en el sector sur del plateau Andino, durante el cenozoico tardío. Para realizar esta investigación, se utilizaron técnicas de obtención de edades radiométricas con el método Uranio-Plomo (U-Pb), análisis de fallas mesoscópicas para la obtención de tensores de esfuerzos y delimitación de la orientación de los ejes principales de esfuerzos, análisis de anisotropía de susceptibilidad magnética en rocas sedimentarias y volcanoclásticas para estimar direcciones de acortamiento o direcciones de transporte sedimentario, técnicas de modelado cinemático para llegar a una aproximación de las estructuras corticales profundas asociadas a la deformación allí registrada, y un análisis morfométrico para la identificación de indicadores geomorfológicos asociados a deformación producto de la actividad tectónica cuaternaria.
Combinando estos resultados con los antecedentes previamente documentados, el estudio revela una compleja variación del campo de esfuerzo caracterizado por cambios en la orientación y permutaciones verticales de los ejes principales de esfuerzos, durante cada régimen de deformación, durante los últimos ~24 Ma. La evolución del campo de esfuerzos puede ser asociada temporalmente a tres fases orogénicas involucradas con la evolución de los Andes Centrales en esta latitud: (1) una primera fase con un régimen de esfuerzos compresivos de acortamiento E-O documentado desde el Eoceno, Oligoceno tardío hasta el Mioceno medio en el área, coincide con la fase de construcción andina, engrosamiento y crecimiento de la corteza y levantamiento topográfico; (2) una segunda fase caracterizada por un régimen de esfuerzos de transcurrencia, a partir de los ~11 Ma en el borde occidental y compresión y transcurrencia a los~5 Ma en el borde oriental del plateau de la Puna, y un régimen de esfuerzo compresivos en Famatina y las Sierras Pampeanas interpretado como una transición entre la construcción orogénica del Neógeno y la máxima acumulación de deformación y el alzamiento topográfico del plateau de la Puna, y (3) una tercera fase donde el régimen se caracteriza por la transcurrencia en la Puna y en su borde occidental y en su borde oriental con las Sierras Pampeanas, después de ~5-4 Ma, interpretado como un régimen de esfuerzos controlados por el engrosamiento cortical desarrollado a lo largo del borde sur del plateau Altiplano/Puna, previo a un colapso orogénico. Los resultados dejan en evidencia que el borde del plateau experimentó el paso desde un régimen compresivo hacia uno transcurrente, que se diferencia de la extensión documentada hacia el norte en el plateau Andino para el mismo período. Cambios en los esfuerzos similares han sido documentado durante la construcción del plateau Tibetano, en donde un régimen de esfuerzo predominantemente compresivo cambió a un régimen de transcurrente cuando el plateau habría alcanzado la mitad de su elevación actual, y que posteriormente derivó en un régimen extensional, entre 14 y 4 Ma, cuando la altitud del plateau fue superior al 80% respecto a su actitud actual, lo que podría estar indicando que los regímenes transcurrentes representan etapas transicionales entre las zonas externas del plateau bajo compresión y las zonas internas, en las que los regímenes extensionales son más viables de ocurrir.
N2  - Die südlichen Zentralen Anden beherbergen das zweitgrößte orogene Plateau der Welt (Altiplano-Puna); im Gegensatz zu Tibet hat sich dieses Plateau in einem nicht-kollisionalen Gebirgsbildungssystem gebildet. Es erstreckt sich vom Süden Perus (15°S) bis zum Norden Argentiniens und Chiles (27°30'S) und erreicht eine durchschnittliche Höhe von 4.000 m.ü.d.M. Südlich von 24°S wird das Andenplateau Puna genannt und ist durch ein System von endorheischen Becken mit mächtigen sedimentären Abfolgen gekennzeichnet, in denen klastische und evaporitische Schichten erhalten sind. Zwischen 26° und 27°30'S endet die Puna in einer strukturell komplexen Zone, die mit dem Übergang von einer normalen Subduktionszone zu einer flachen Subduktionszone ("flat slab") zusammenfällt, die sich bis 33°S erstreckt. Diese Übergangszone fällt auch mit wichtigen morphostrukturellen Provinzen zusammen, die von Westen nach Osten i) der Cordillera Frontal, wo sich der Maricunga-Gürtel befindet, ii) dem Famatina-System und iv) den nordwestlichen Sierras Pampeanas entsprechen. Verschiedene strukturelle, sedimentologische, thermochronologische und geochronologische Studien in dieser Region haben eine komplexe Geschichte der Deformation und Hebung während aufeinanderfolgender känozoischer Deformationsereignisse dokumentiert. Diese Prozesse führten zu einer Zunahme der Krustendicke sowie Episoden diachroner Hebung, die im späten Miozän zur heutigen Form des Orogens führten. In der Folgezeit änderte sich der Deformationsstil des Plateaus von Kontraktion zu Extension und Transtension, was durch die allgegenwärtigen Abschiebungen, Erdbeben und magmatischen Gesteine dokumentiert wird. Am südlichen Rand des Puna-Plateaus und im Übergang zu den anderen morphostrukturellen Provinzen sind die Variation der Deformationsprozesse und die Veränderungen im tektonischen Spannungsfeld jedoch noch nicht vollständig verstanden. Diese Region des Orogens ist daher ideal, um zu untersuchen, wie sich das tektonische Spannungsfeld entwickelt hat und wie es durch das Vorhandensein bzw. das Fehlen eines orogenen Plateaus sowie durch strukturelle Anisotropien innerhalb der verschiedenen tektonischen Provinzen beeinflusst wurde.
 
In dieser Arbeit wird die Beziehung zwischen der bruchhaften Krustendeformation und der räumlich-zeitlichen Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes im südlichen Sektor des Puna-Plateaus während der Prä-, Syn- und Post-Hebungs-Perioden untersucht. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden mehrere methodische Ansätze gewählt, darunter radiometrische Datierungen (U-Pb), die Analyse mesoskopischer Verwerfungen zur Ermittlung von Spannungstensoren und der Ausrichtung der Hauptspannungsachsen, die Bestimmung der Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität in sedimentären und vulkanoklastischen Gesteinen zur Identifizierung von Verkürzungsrichtungen oder Richtungen des Sedimenttransports, kinematische Modellierung zur Ableitung tiefer Krustenstrukturen und Deformation sowie schließlich eine morphometrische Analyse zur Identifizierung geomorphologischer Indikatoren im Zusammenhang mit der quartären Tektonik.
 
Durch die Kombination der erzielten Ergebnisse mit Daten aus bereits veröffentlichten Studien dokumentiert diese Untersuchung eine komplexe Geschichte des tektonischen Spannungsfeldes, die durch Veränderungen in der Ausrichtung und durch vertikale Permutationen der Hauptspannungsachsen während jedes Deformationsregimes in den letzten 24 Millionen Jahren gekennzeichnet war. Die Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes in dieser Region kann mit drei orogenen Phasen des Anden-Orogens in Verbindung gebracht werden: (1) eine erste Phase mit einer E-W-orientierten Kompression, die zwischen dem Eozän und dem mittleren Miozän dokumentiert ist und mit einer Verdickung der Kruste des Orogens, einem lateralen Wachstum sowie einer topografischen Hebung einherging; (2) eine zweite Phase, die durch ein kompressives, transpressives Spannungsregime gekennzeichnet ist, das bei ~11 Ma bzw. ~5 Ma am westlichen bzw. östlichen Rand der Puna-Hochebene manifestiert ist, sowie durch ein kompressives Spannungsregime im benachbarten Famatina-System und in den Sierras Pampeanas, das als Übergang zwischen der neogenen Krustenverdickung und der maximalen Akkumulation von Deformation und topographischer Hebung der Puna-Hochebene interpretiert wird; und (3) eine dritte Phase, in der das tektonische Regime zu einem Spannungszustand überging, der auf eine Krustenverdickung und die maximale Hebung des Plateaus zwischen ~5-4 Ma folgte; dieses Stadium ist besonders gut in der Puna, in ihrem westlichen Grenzgebiet zum Maricunga-Valle Ancho-Gürtel und entlang ihrer östlichen Grenze im Übergang zu den Sierras Pampeanas zu erkennen und zeigt weiträumige Krustenextension. Die Ergebnisse der Studie belegen somit, dass der Plateaurand einen Wechsel von einem Kompressions- zu einem Transtensionsregime erlebte, das sich von dem Spannungszustand des Andenplateaus in den nördlichen Sektoren für denselben Zeitraum unterscheidet. Ähnliche Spannungsänderungen wurden während des Aufbaus des tibetischen Plateaus dokumentiert, wo ein vorwiegend kompressiver Spannungszustand in einen transtensionalen Zustand überging, der jedoch zwischen 14 und 4 Ma von einem rein tensionalen Spannungszustand abgelöst wurde.
KW  - Central Andes
KW  - Puna plateau
KW  - late cenozoic stress field
KW  - Andes Centrales
KW  - Puna plateau
KW  - campo de esfuerzo del Cenozoico tardío
KW  - Zentralanden
KW  - Andenplateau Puna
KW  - Spannungsfeld des späten Känozoikums
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610387
ER  - 
TY  - THES
A1  - Manu, Evans
T1  - Hydrogeochemical characterization of water resources in the Pra Basin (Ghana) for quality assessment and water management
T1  - Hydrogeochemische Charakterisierung der Wasserressourcen im Pra-Becken (Ghana) zur Qualitätsbewertung und Wasserbewirtschaftung
BT  - field observations and geochemical modelling
BT  - Feldbeobachtungen und geochemische Modellierung
N2  - Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry.
N2  - Die Bewirtschaftung von Wassereinzugsgebieten erfordert ein Verständnis der wichtigsten hydrochemischen Prozesse. Das Pra-Becken ist eines der fünf großen Flusseinzugsgebiete Ghanas mit einer Bevölkerung von über 4,2 Millionen Menschen. Die Bewirtschaftung der Wasserressourcen wird derzeit durch die Verschmutzung der Oberflächengewässer erschwert, die durch die unkontrollierte Einleitung von unbehandelten Haushalts- und Industrieabfällen in die aquatischen Ökosysteme und durch illegale Bergbauaktivitäten entsteht. Dies hat den Bedarf an Grundwasser als zuverlässigste Wasserversorgung erhöht. Unser Verständnis der Mechanismen der Grundwasserneubildung und der chemischen Entwicklung im Einzugsgebiet ist bislang unzureichend, was eine wirksame Bewirtschaftung erschwert. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit Einblicke in die Prozesse zu bekommen, welche die hydrogeochemische Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken bestimmen. Die kombinierte Verwendung von Daten stabiler Isotope, der Hydrochemie und von Wasserständen bildet die Grundlage für die Konzeption der chemischen Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken. Dafür wurden die Herkunft und die Verdunstungsraten des in die ungesättigte Zone infiltrierenden Wassers bewertet. Darüber hinaus wurden die Chlorid-Massenbilanz und die Wasserspiegelschwankungen betrachtet, um die Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet zu quantifizieren. Indizes wie der Wasserqualitätsindex (WQI), das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR), das Wilcox-Diagramm und der Salzgehalt (USSL) wurden in dieser Studie verwendet, um die Qualität der Ressource für die Verwendung als Trinkwasser und zu Bewässerungszwecken zu bestimmen. Aufgrund der Heterogenität der hydrochemischen Daten wurden die statistischen Verfahren der hierarchischen Cluster- und Faktorenanalyse angewandt, um die Daten entsprechend ihrer räumlichen Korrelation zu unterteilen. Ein konzeptionelles hydrogeochemisches Modell wurde entwickelt und anschließend durch Anwendung kombinatorischer inverser und reaktionspfadbasierter geochemischer Modelle validiert, um plausible mineralische Assemblagen zu bestimmen, welche die chemische Zusammensetzung des Grundwassers kontrollieren.  Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die Grundwasserqualität im Pra-Becken. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Grundwasser eine gute Qualität aufweist und als Trinkwasser und für Bewässerungszwecke genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass ein großes Grundwasserpotenzial vorhanden ist, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf des gesamten Pra-Beckens zu decken. Als Hauptneubildungsgebiet wurde die nördliche Zone im Gebiet identifiziert, während die südliche Zone das Abflussgebiet ist. Der vorherrschende Einfluss der Verwitterung von Silikatmineralen spielt bei der chemischen Entwicklung des Grundwassers eine zentrale Rolle. Die hier vorgestellte Arbeit gibt grundlegende Einblicke in die Hydrochemie des Pra-Beckens und liefert für das Wassermanagement wichtige Daten für eine fundierte Entscheidungsfindung bei der Planung und Zuweisung von Wasserressourcen für verschiedene Zwecke. Ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierungwurde in dieser Studie eingesetzt, um unterschiedliche Mineralzusammensetzungen zu ermitteln, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen. Diese Modellierungstechnik hat das Potenzial, die Zusammensetzung eines Grundwassers auf der Skala eines Beckens mit großer hydrochemischer Heterogenität zu simulieren, wobei die durchschnittliche Wasserzusammensetzung zur Darstellung der etablierten räumlichen Gruppierungen der Wasserchemie verwendet wird.
KW  - PHREEQC
KW  - PHREEQC
KW  - combinatorial inverse modelling
KW  - kombinatorische inverse Modellierung
KW  - reaction path modelling
KW  - Reaktionspfadmodellierung
KW  - groundwater evolution
KW  - Grundwasserentwicklung
KW  - water quality
KW  - Wasserqualität
KW  - rock-water interaction
KW  - Gestein-Wasser-Wechselwirkung
KW  - silicate weathering
KW  - Silikatverwitterung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628062
ER  - 
TY  - THES
A1  - Erbello Doelesso, Asfaw
T1  - Cenozoic magma-assisted continental rifting and crustal block rotations in an extensional overlap zone between two rift segments, Southwest Ethiopia, East Africa
N2  - Continental rifts are key geodynamic regions where the complex interplay of magmatism and faulting activity can be studied to understand the driving forces of extension and the formation of new divergent plate boundaries. Well-preserved rift morphology can provide a wealth of information on the growth, interaction, and linkage of normal-fault systems through time. If rift basins are preserved over longer geologic time periods, sedimentary archives generated during extensional processes may mirror tectonic and climatic influences on erosional and sedimentary processes that have varied over time. Rift basins are furthermore strategic areas for hydrocarbon and geothermal energy exploration, and they play a central role in species dispersal and evolution as well as providing or inhibiting hydrologic connectivity along basins at emerging plate boundaries.
The Cenozoic East African rift system (EARS) is one of the most important continental extension zones, reflecting a range of evolutionary stages from an early rift stage with isolated basins in Malawi to an advanced stage of continental extension in southern Afar. Consequently, the EARS is an ideal natural laboratory that lends itself to the study of different stages in the breakup of a continent. The volcanically and seismically active eastern branch of the EARS is characterized by multiple, laterally offset tectonic and magmatic segments where adjacent extensional basins facilitate crustal extension either across a broad deformation zone or via major transfer faulting. The Broadly Rifted Zone (BRZ) in southern Ethiopia is an integral part of the eastern branch of the EARS; in this region, rift segments of the southern Ethiopian Rift (sMER) and northern Kenyan Rift (nKR) propagate in opposite directions in a region with one of the earliest manifestations of volcanism and extensional tectonism in East Africa. The basin margins of the Chew-Bahir Basin and the Gofa Province, characterized by a semi-arid climate and largely uniform lithology, provide ideal conditions for studying the tectonic and geomorphologic features of this complex kinematic transfer zone, but more importantly, this area is suitable for characterizing and quantifying the overlap between the propagating structures of the sMER and nKR and the resulting deformation patterns of the BRZ transfer zones.
In this study, I have combined data from thermochronology, thermal modeling, morphometry, paleomagnetic analysis, geochronology, and geomorphological field observations with information from published studies to reconstruct the spatiotemporal relationship between volcanism and fault activity in the BRZ and quantify the deformation patterns of the overlapping rift segments. I present the following results: (1) new thermochronological data from the en-échelon basin margins and footwall blocks of the rift flanks and morphometric results verified in the field to link different phases of magmatism and faulting during extension and infer geomorphological landscape features related to the current tectonic interaction between the nKR and the sMER; (2) temporally constrained paleomagnetic data from the BRZ overlap zone between the Ethiopian and Kenyan rifts to quantitatively determine block rotation between the two segments. Combining the collected data, time-temperature histories of thermal modeling results from representative samples show well-defined deformation phases between 25–20 Ma, 15–9Ma, and ~5 Ma to the present. Each deformation phase is characterized by the onset of rapid cooling (>2°C/Ma) of the crust associated with uplift or exhumation of the rift shoulder. After an initial, spatially very diffuse phase of extension, the rift has gradually evolved into a system of connected structures formed in an increasingly focused rift zone during the last 5 Ma. Regarding the morphometric analysis of the rift structures, it can be shown that normalized slope indices of the river courses, spatial arrangement of knickpoints in the river longitudinal profiles of the footwall blocks, local relief values, and the average maximum values of the slope of the river profiles indicate a gradual increase in the extension rate from north (Sawula basin: mature) to south (Chew Bahir: young). The complexity of the structural evolution of the BRZ overlap zone between nKR and sMER is further emphasized by the documentation of crustal blocks around a vertical axis. A comparison of the mean directions obtained for the Eo-Oligocene (Ds=352.6°, Is=-17.0°, N=18, α95=5.5°) and Miocene (Ds=2.9°, Is=0.9°, N=9, α95=12.4°) volcanics relative to the pole for stable South Africa and with respect to the corresponding ages of the analyzed units record a significant counterclockwise rotation of ~11.1°± 6.4° and insignificant CCW rotation of ~3.2° ± 11.5°, respectively.
N2  - Wie Kontinentalverschiebungen entstehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln, ist nach wie vor eine offene Frage in den Geowissenschaften. Hier untersuche ich das Rifting entlang der EARS, insbesondere in der BRZ zwischen dem nKR und dem sMER, einem aktiven Rift auf der Erde. Einige Studien legen nahe, dass ein Mantelquellenauftrieb von geschmolzenem Material und die damit verbundenen Mantelkonvektionsströme eine Krustenschwächung und -dehnung verursachen, die zur Bildung des vulkanisch und seismisch aktiven Rifts in Ostafrika führt. Im Gegensatz dazu argumentieren andere, dass eine Fernfeldbelastung im Zusammenhang mit einer benachbarten Plattenkonfiguration zwischen der eurasischen und der arabischen Platte das Rifting in EARS ausgelöst haben könnte. In diesem Projekt habe ich mit Hilfe von Tieftemperatur-Thermochronologie, Paläomagnetismus und Flusseinzugsgebietsmorphometrie die Beziehungen zwischen Magmatismus, Verwerfungen, einer Blockdeformation zwischen den Rifts und der Entwicklung der Oberflächentopographie während des Riftings untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der Modellierung der Zeit-Temperatur-Geschichte stelle ich fest, dass die frühe Deformation in Verbindung mit Verwerfungen bei ~22 Ma begann, nach dem Ende des massiven Vulkanismus, der zwischen 45-27 Ma stattfand. Die räumlich verteilte anfängliche Deformation wanderte auf eine schmale Zone zu und breitete sich entlang der Gofa-Provinz nach Norden aus, bevor sich die aktuelle Verformung in der südlichen Gofa-Provinz und im Chew Bahir-Becken während einer späten Phase des Riftings bei ~15-9 Ma bzw. in der Gegenwart lokalisierte. Die räumliche Verschiebung der Deformation entspricht zeitlich einem erneuten Magmatismus. Kombinierte paläomagnetische und geochronologische Ergebnisse zeigen eine gegen den Uhrzeigersinn gerichtete vertikale Achsenblockrotation zwischen der sich ausbreitenden nKR und sMER, die im Laufe der Zeit abnahm. Die Abnahme der vertikalen Blockrotation gegen den Uhrzeigersinn in Verbindung mit der räumlichen und zeitlichen Veränderung der Deformation könnte auf eine charakteristische Rift-Evolutionsphase hinweisen, die von einer verteilten Anfangsdeformation und dem seitlichen Wachstum normaler Verwerfungen bis hin zur Lokalisierung der Dehnungen in der Spätphase des Rifting reicht, bevor sich ein durchgehendes größeres Riftbecken entwickelt. Die Ergebnisse meiner Studie, die zeigen, dass die anfängliche Deformation nach dem Ende des massiven Vulkanismus auftrat, unterstützen die Vorstellung einer Schwächung der Kruste durch massiven Vulkanismus vor dem anfänglichen Rifting als Vorläufer einer weit verbreiteten Dehnungsverwerfung und bieten somit weitere Einblicke in magmengestützte Deformationsprozesse im ostafrikanischen Riftsystem.
KW  - magma assisted continental rifting
KW  - rift segments interaction
KW  - counterclockwise block rotation between overlapping rift segments
KW  - magmagestütztes kontinentales Rifting
KW  - Interaktion zwischen sich ausbreitenden Riftsegmenten
KW  - gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Rotation von Krustenblöcken zwischen zwei überlappenden Riftsegmenten
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610968
ER  - 
TY  - THES
A1  - Freisleben, Roland
T1  - Deciphering the mechanisms of permanent forearc deformation based on marine terraces
T1  - Untersuchung der Mechanismen dauerhafter Forearc-Deformation anhand von marinen Terrassen
N2  - The Andes reflect Cenozoic deformation and uplift along the South American margin in the context of regional shortening associated with the interaction between the subducting Nazca plate and the overriding continental South American plate. Simultaneously, multiple levels of uplifted marine terraces constitute laterally continuous geomorphic features related to the accumulation of permanent forearc deformation in the coastal realm. However, the mechanisms responsible for permanent coastal uplift and the persistency of current/decadal deformation patterns over millennial timescales are still not fully understood. This dissertation presents a continental-scale database of last interglacial terrace elevations and uplift rates along the South American coast that provides the basis for an analysis of a variety of mechanisms that are possibly responsible for the accumulation of permanent coastal uplift. Regional-scale mapping and analysis of multiple, late Pleistocene terrace levels in central Chile furthermore provide valuable insights regarding the persistency of current seismic asperities, the role of upper-plate faulting, and the impact of bathymetric ridges on permanent forearc deformation.
The database of last interglacial terrace elevations reveals an almost continuous signal of background-uplift rates along the South American coast at ~0.22 mm/yr that is modified by various short- to long-wavelength changes. Spatial correlations with crustal faults and subducted bathymetric ridges suggest long-term deformation to be affected by these features, while the latitudinal variability of climate forcing factors has a profound impact on the generation and preservation of marine terraces. Systematic wavelength analyses and comparisons of the terrace-uplift rate signal with different tectonic parameters reveal short-wavelength deformation to result from crustal faulting, while intermediate- to long-wavelength deformation might indicate various extents of long-term seismotectonic segments on the megathrust, which are at least partially controlled by the subduction of bathymetric anomalies. The observed signal of background-uplift rate is likely accumulated by moderate earthquakes near the Moho, suggesting multiple, spatiotemporally distinct phases of uplift that manifest as a continuous uplift signal over millennial timescales.
Various levels of late Pleistocene marine terraces in the 2015 M8.3 Illapel-earthquake area reveal a range of uplift rates between 0.1 and 0.6 mm/yr and indicate decreasing uplift rates since ~400 ka. These glacial-cycle uplift rates do not correlate with current or decadal estimates of coastal deformation suggesting seismic asperities not to be persistent features on the megathrust that control the accumulation of permanent forearc deformation over long timescales of 105 years. Trench-parallel, crustal normal faults modulate the characteristics of permanent forearc-deformation; upper-plate extension likely represents a second-order phenomenon resulting from subduction erosion and subsequent underplating that lead to regional tectonic uplift and local gravitational collapse of the forearc. In addition, variable activity with respect to the subduction of the Juan Fernández Ridge can be detected in the upper plate over the course of multiple interglacial periods, emphasizing the role of bathymetric anomalies in causing local increases in terrace-uplift rate. This thesis therefore provides new insights into the current understanding of subduction-zone processes and the dynamics of coastal forearc deformation, whose different interacting forcing factors impact the topographic and geomorphic evolution of the western South American coast.
N2  - Die känozoischen Anden resultieren aus der regionalen Verkürzung und Hebung der kontinentalen Kruste entlang des südamerikanischen Kontinentalrandes infolge der Interaktion zwischen der subduzierenden Nazca-Platte und der südamerikanischen Platte. Zahlreiche, durch tektonische Prozesse angehobene marine Abrasionsplattformen entlang der Küsten am westlichen Kontinentalrand Südamerikas bilden lateral kontinuierliche Stufen, welche die Akkumulation dauerhafter Deformation im küstennahen Forearc-Bereich widerspiegeln. Die Mechanismen, welche für die dauerhafte Hebung der Küste und die Beständigkeit derzeitiger/dekadischer Deformationsmuster auch über Jahrtausende hinweg verantwortlich sind, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Dissertation zunächst eine kontinentale Datenbank der gehobenen marinen Terrassen des letzten Interglazials (125,000 Jahre), ihrer Höhenverteilung sowie der daraus abgeleiteten Hebungsraten für die Westküste von Südamerika vorgestellt. Diese Datenbank bildet die Grundlage für die Analyse einer Vielzahl von Mechanismen, welche möglicherweise für die Akkumulation dauerhafter Küstenhebung und Deformation verantwortlich sind. In einem weiteren Schritt wurden zusätzlich spätpleistozäne Terrassenniveaus in Zentralchile regionalmaßstäblich kartiert und hinsichtlich ihrer räumlich-zeitlichen Entwicklung analysiert. Diese Informationen liefern wertvolle Erkenntnisse über die Beständigkeit von seismischen Asperitäten, den Einfluss bathymetrischer Rücken auf die dauerhafte Deformation der Oberplatte sowie die Rolle von krustalen Störungen hinsichtlich der lokalen topographischen Differenzierung seismotektonischer Segmente.
Die Datenbank der im letzten Interglazial entstandenen marinen Terrassen und der abgeleiteten Hebungsraten zeigt ein nahezu kontinuierliches Signal von Hintergrund-Hebungsraten entlang der südamerikanischen Küste von ~0,22 mm/Jahr, das durch verschiedene kurz- bis langwellige Modifikationen gekennzeichnet ist. Räumliche Übereinstimmungen mit krustalen Störungen und subduzierten bathymetrischen Rücken deuten darauf hin, dass die langfristige Deformation von diesen Parametern beeinflusst wird, während die breitengradabhängige Variabilität von Klimafaktoren tiefgreifende Auswirkungen auf die Entstehung und Erhaltung von marinen Terrassen hat. Systematische Wellenlängenanalysen und Vergleiche des Signals der Terrassenhebungsrate mit verschiedenen tektonischen Parametern zeigen, dass Deformation im kurzwelligen Bereich auf krustale Störungen zurückzuführen ist. Die Deformation im mittel- bis langwelligen Bereich könnte hingegen auf verschiedene Ausdehnungen langfristig aktiver seismotektonischer Segmente der Subduktionszone hindeuten, die zumindest teilweise durch die Subduktion bathymetrischer Anomalien kontrolliert werden. Das beobachtete Signal der Hintergrund-Hebungsrate wird wahrscheinlich durch Erdbeben mittlerer Magnituden in der Nähe der Moho generiert, was auf mehrere, räumlich und zeitlich getrennte Hebungsphasen hindeutet, die sich über Jahrtausende hinweg als kontinuierliches Hebungssignal manifestieren.
Gehobene spätpleistozäne marine Terrassen im Illapel-Erdbebengebiet von 2015 weisen eine Hebungsrate zwischen 0,1 und 0,6 mm/Jahr auf und deuten insgesamt auf abnehmende tektonische Hebungsraten seit ~400,000 Jahren hin. Diese langfristigen Hebungsraten auf glazialen Zeitskalen korrelieren nicht mit den Hebungsraten auf kurzen Zeitskalen, was darauf schließen lässt, dass seismische Asperitäten im Bereich der Subduktionszone keine dauerhaften Merkmale sind, welche die Deformation und Hebung der Forearc-Regionen über lange Zeiträume von mehreren 105 Jahren steuern. Wie auch an anderen aktiven konvergenten Plattenrändern existieren in Zentralchile krustale Abschiebungen parallel zum Plattenrand, die das Erscheinungsbild dauerhafter Forearc-Deformation stark beeinflussen. Die Extensionsprozesse der Oberplatte sind dabei wahrscheinlich ein Phänomen zweiter Ordnung, welches durch Subduktionserosion und anschließende Akkretion hervorgerufen wird und sich in regionaler tektonischer Hebung sowie einem gravitativen Kollaps der Forearc-Region äußert. Darüber hinaus lassen sich über verschiedene Glazial- und Interglazialzyklen hinweg Änderungen in der Bedeutung des Juan-Fernández-Rückens hinsichtlich der Deformations-prozesse in der Oberplatte nachweisen; dies unterstreicht die transiente Rolle bathymetrischer Anomalien bei der Beeinflussung lokaler Änderungen der Terrassenhebungsrate. Die vorgelegte Arbeit liefert daher neue Einblicke für ein besseres Verständnis der Deformationsprozesse in Subduktionszonen und den küstennahen Forearc-Regionen sowie ihrer unterschiedlich interagierenden Antriebsfaktoren, welche die topographische und geomorphologische Entwicklung der westlichen südamerikanischen Küste beeinflussen.
KW  - South America
KW  - marine terrace
KW  - tectonic geomorphology
KW  - subduction
KW  - Südamerika
KW  - marine Terrassen
KW  - Subduktion
KW  - tektonische Geomorphologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610359
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bhattacharyya, Biswajit
A1  - Balischewski, Christian
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Günter, Christina
A1  - Mies, Stefan
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Taubert, Andreas
T1  - N-Butyl Pyridinium Diiodido Argentate(I)
BT  - A One-Dimensional Ag-I Network with Superior Solid-State Ionic Conductivity at Room Temperature
JF  - Advanced materials interfaces
N2  - A new solid-state material, N-butyl pyridinium diiodido argentate(I), is synthesized using a simple and effective one-pot approach. In the solid state, the compound exhibits 1D ([AgI2](-))(n) chains that are stabilized by the N-butyl pyridinium cation. The 1D structure is further manifested by the formation of long, needle-like crystals, as revealed from electron microscopy. As the general composition is derived from metal halide-based ionic liquids, the compound has a low melting point of 100-101 degrees C, as confirmed by differential scanning calorimetry. Most importantly, the compound has a conductivity of 10(-6) S cm(-1) at room temperature. At higher temperatures the conductivity increases and reaches to 10(-4 )S cm(-1) at 70 degrees C. In contrast to AgI, however, the current material has a highly anisotropic 1D arrangement of the ionic domains. This provides direct and tuneable access to fast and anisotropic ionic conduction. The material is thus a significant step forward beyond current ion conductors and a highly promising prototype for the rational design of highly conductive ionic solid-state conductors for battery or solar cell applications.
KW  - AgI
KW  - ionic conductivity
KW  - Ionic liquids
KW  - thermal properties
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1002/admi.202202363
SN  - 2196-7350
VL  - 10
IS  - 12
PB  - Wiley
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - THES
A1  - Metz, Malte
T1  - Finite fault earthquake source inversions
T1  - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion
BT  - implementation and testing of a novel physics-based rupture model
BT  - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels
N2  - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing.

As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface.

The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended.

I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. 

The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks.

The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods.
N2  - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche.

Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als  Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht.

Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich?

Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. 

Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben.   

Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen.
KW  - seismology
KW  - inversion
KW  - source model
KW  - Seismologie
KW  - Inversion
KW  - Bruchmodel
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mantiloni, Lorenzo
T1  - Modeling stress and dike pathways in calerdas
T1  - Modellierung von Spannung und Magmagängen in Calderen
BT  - towards a physics-based forecast of eruptive vent locations
BT  - Entwicklung physikbasierter Vorhersagen von Eruptionsschlot-Lokationen
N2  - Volcanic hazard assessment relies on physics-based models of hazards, such as lava flows and pyroclastic density currents, whose outcomes are very sensitive to the location where future eruptions will occur. On the contrary, forecast of vent opening locations in volcanic areas typically relies on purely data-driven approaches, where the spatial density of past eruptive vents informs the probability maps of future vent opening. Such techniques may be suboptimal in volcanic systems with missing or scarce data, and where the controls on magma pathways may change over time. An alternative approach was recently proposed, relying on a model of stress-driven pathways of magmatic dikes. In that approach, the crustal stress was optimized so that dike trajectories linked consistently the location of the magma chamber to that of past vents. The retrieved information on the stress state was then used to forecast future dike trajectories. The validation of such an approach requires extensive application to nature. Before doing so, however, several important limitations need to be removed, most importantly the two-dimensional (2D) character of the models and theoretical concepts. In this thesis, I develop methods and tools so that a physics-based strategy of stress inversion and eruptive vent forecast in volcanoes can be applied to three dimensional (3D) problems. In the first part, I test the stress inversion and vent forecast strategy on analog models, still within a 2D framework, but improving on the efficiency of the stress optimization. In the second part, I discuss how to correctly account for gravitational loading/unloading due to complex 3D topography with a Boundary-Element numerical model. Then, I develop a new, simplified but fast model of dike pathways in 3D, designed for running large numbers of simulations at minimal computational cost, and able to backtrack dike trajectories from vents on the surface. Finally, I combine the stress and dike models to simulate dike pathways in synthetic calderas. In the third part, I describe a framework of stress inversion and vent forecast strategy in 3D for calderas. The stress inversion relies on, first, describing the magma storage below a caldera in terms of a probability density function. Next, dike trajectories are backtracked from the known locations of past vents down through the crust, and the optimization algorithm seeks for the stress models which lead trajectories through the regions of highest probability. I apply the new strategy to the synthetic scenarios presented in the second part, and I exploit the results from the stress inversions to produce probability maps of future vent locations for some of those scenarios. In the fourth part, I present the inversion of different deformation source models applied to the ongoing ground deformation observed across the Rhenish Massif in Central Europe. The region includes the Eifel Volcanic Fields in Germany, a potential application case for the vent forecast strategy. The results show how the observed deformation may be due to melt accumulation in sub-horizontal structures in the lower crust or upper mantle. The thesis concludes with a discussion of the stress inversion and vent forecast strategy, its limitations and applicability to real volcanoes. Potential developments of the modeling tools and concepts presented here are also discussed, as well as possible applications to other geophysical problems.
N2  - Die Analyse vulkanischer Gefahren basiert auf physikalischen Gefahrenmodellen wie Lavaströmen und pyroklastischen Dichteströmen, deren Ergebnisse von den Lokationen der Eruptionen abhängt. Die Vorhersage der Lokationen von Spaltenöffungen (eruptive vent opening) in Vulkangebieten basiert typischerweise auf rein datengesteuerten Ansätzen, bei denen die räumliche Verteilung vergangener Eruptionsspalten die Wahrscheinlichkeitskarten zukünftiger Spaltöffnungen beeinflusst. Solche Techniken sind in Vulkansystemen mit fehlenden oder knappen Daten suboptimal, ebenso wie dort, wo sich physikalische Bedingungen der Magmapfade im Laufe der Zeit verändern können. Kürzlich wurde ein alternativer Ansatz vorgeschlagen, der auf einem Modell spannungsbedingter Magmagänge basiert. Bei diesem Ansatz wurde die Krustenspannung so optimiert, dass die Verläufe der Magmagänge- sowohl mit der Lage der Magmakammer als auch mit der Lage früherer Spaltenöffnungen konsistent sind Die erlangten Informationen über den Spannungszustand werden dann zur Vorhersage zukünftiger Magmagänge verwendet. Die Validierung eines solchen Ansatzes erfordert eine umfassende Anwendung auf natürliche Vulkansysteme. Zuvor müssen jedoch einige wichtige Einschränkungen beseitigt werden, insbesondere der zweidimensionale (2D) Charakter der Modelle und theoretischen Konzepte. In dieser Arbeit entwickle ich Methoden und Software, um physikbasierte Strategien der Spannungsinversion und der Vorhersage von Lokationen von Magmagängen in Vulkanen auf dreidimensionale (3D) Probleme anwenden zu können. Im ersten Teil teste ich die Spannungsinversion und die Vorhersage von eruptiven Magmagängen an analogen Modellen, immer noch innerhalb eines 2D-Rahmens, aber mit verbesserter Effizienz der Spannungsoptimierung. Im zweiten Teil diskutiere ich, wie die gravitative Belastung/Entlastung aufgrund einer komplexen 3D-Topographie mit einem numerischen Grenzelementmodell berücksichtigt werden kann. Anschließend entwickle ich ein neues, vereinfachtes, aber effizientes Modell der Magmagang-Ausbreitung in 3D Dieses ist für die Durchführung einer großen Anzahl von Simulationen mit minimalem Rechenaufwand konzipiert und dabei in der Lage, Magmagang-Ausbreitungen an der Oberfläche zurückzuverfolgen. Schließlich kombiniere ich die Spannungs- und Magma-Ausbreitungsmodelle, um Magmagänge in synthetischen Calderas zu simulieren. Im dritten Teil erarbeite ich ein Rahmenmodell für Spannungsinversion und dreidimensionale Magmagang-Vorhersagen für Calderas. Die Spannungsinversion beruht auf der Annahme einer Magmaspeicherung unterhalb einer Caldera, deren Geometrie durch eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beschrieben wird. Vergangene Eruptionsstandorte werden durch die Erdkruste zurück propagiert, dabei werden die Spannungsmodelle so optimiert, dass die Endpunkte der Optimierung (Starpunkte der Magmagänge) mit der angenommenen Magmakammer übereinstimmen. Ich verwende die synthetischen Szenarien aus dem zweiten Teil, um die Spannungsinversion in kontrollieren Szenarien zu testen. Im vierten Teil analysieren wir die Bodenverformung im Rheinischen Massiv, Mitteleuropa. Die Region umfasst die Eifel-Vulkanfelder in Deutschland, die einen potenziellen Anwendungsfall für die Strategie zur Vorhersage von Spalteneruptionen darsetellen. Dabei nutze ich in den Inversionen unterschiedliche Deformations-Quellmodelle, um jährliche Magmavolumenänderungen aufzulösen, unter der Annahme, das Magma in die Lithosphäre injiziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die beobachtete Verformung auf die Ansammlung von Schmelze in subhorizontalen Strukturen in der unteren Kruste oder im oberen Mantel zurückzuführen sein könnte. Abschließend diskutiere ich die Limitationen der erarbeiteten Konzepte und die Möglichkeiten für Anwendungen sowohl in verschiedenen Hochrisko-Vulkanen, als auch in anderen Kontexten, wie besispielsweise in tektonischen und geothermischen Modellierungen.
KW  - dike pathways
KW  - stress modeling
KW  - volcanic hazard assessment
KW  - Calderas
KW  - Magmagänge
KW  - Stressmodellierung
KW  - Risikobewertung von Vulkanausbrüchen
KW  - Calderas
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612621
ER  - 
TY  - THES
A1  - Illien, Luc
T1  - Time-dependent properties of the shallow subsurface
BT  - groundwater and earthquake damage dynamics from seismic interferometry
N2  - The shallow Earth’s layers are at the interplay of many physical processes: some being driven by atmospheric forcing (precipitation, temperature...) whereas others take their origins at depth, for instance ground shaking due to seismic activity. These forcings cause the subsurface to continuously change its mechanical properties, therefore modulating the strength of the surface geomaterials and hydrological fluxes. Because our societies settle and rely on the layers hosting these time-dependent properties, constraining the hydro-mechanical dynamics of the shallow subsurface is crucial for our future geographical development. One way to investigate the ever-changing physical changes occurring under our feet is through the inference of seismic velocity changes from ambient noise, a technique called seismic interferometry. In this dissertation, I use this method to monitor the evolution of groundwater storage and damage induced by earthquakes. Two research lines are investigated that comprise the key controls of groundwater recharge in steep landscapes and the predictability and duration of the transient physical properties due to earthquake ground shaking. These two types of dynamics modulate each other and influence the velocity changes in ways that are challenging to disentangle. A part of my doctoral research also addresses this interaction. Seismic data from a range of field settings spanning several climatic conditions (wet to arid climate) in various seismic-prone areas are considered. I constrain the obtained seismic velocity time-series using simple physical models, independent dataset, geophysical tools and nonlinear analysis. Additionally, a methodological development is proposed to improve the time-resolution of passive seismic monitoring.
N2  - Die oberflächennahen Erdschichten sind ein Zusammenspiel vieler physikalischer Prozesse: Einige werden durch atmosphärische Einflüsse (Niederschlag, Temperatur...) angetrieben, während andere ihren Ursprung im Untergrund haben, beispielsweise Bodenerschütterungen aufgrund seismischer Aktivität. Diese Kräfte führen zu sich ständig ändernden mechanische Eigenschaften des Untergrunds, und damit auch Änderungen der Festigkeit der Geomaterialien der Oberfläche, sowie der Wasserflüsse. Als Gesellschaft leben wir auf der Erdoberfläche, und sind auf diese zeitabhängigen Eigenschaften angewiesen. Für unsere zukünftige, geographische Entwicklung ist es daher essentiell, die hydromechanischen Dynamiken des flachen Untergrunds zu verstehen. Eine Möglichkeit, die sich stetig ändernden physikalischen Eigenschaften unter unseren Füßen zu untersuchen, ist die Ableitung seismischer Geschwindigkeitsänderungen aus dem Umgebungslärm, mit Hilfe einer Technik namens seismische Interferometrie. In dieser Dissertation verwende ich diese Methode, um die Entwicklung der Grundwasserspeicherung, sowie durch Erdbeben verursachte Schäden zu untersuchen. Es werden zwei Forschungslinien untersucht, diese umfassen die Hauptkontrollen der Grundwasserneubildung in steilen Landschaften und die Vorhersagbarkeit und Dauer der transienten physikalischen Eigenschaften aufgrund von Erdbebenerschütterungen. Beide Dynamiken beeinflussen sich gegenseitig, sowie die Geschwindigkeitsänderungen im Untergrund in einer Weise, die schwer zu entschlüsseln ist. Ein Teil dieser Doktorarbeit behandelt daher auch diese Wechselwirkung. Wir verwenden seismische Daten, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (feuchtes bis trockenes Klima) in mehreren, seismisch gefährdeten Gebieten erhoben wurden. Die gewonnenen seismischen Geschwindigkeitszeitreihen werden mit Hilfe einfacher, physikalischer Modelle, unabhängiger Datensätze, geophysikalischer Instrumente und nichtlinearer Analysen untersucht. Darüber hinaus wird eine methodische Entwicklung vorgeschlagen, um die zeitliche Auflösung des passiven, seismischen Monitorings zu verbessern.
KW  - seismology
KW  - seismic noise
KW  - mountain hydrology
KW  - earthquake damage
KW  - geomechanics
KW  - geophysics
KW  - Erdbebenschäden
KW  - Geomechanik
KW  - Geophysik
KW  - Gebirgshydrologie
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Seismologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599367
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Krassakis, Pavlos
A1  - Karavias, Andreas
A1  - Zygouri, Evangelia
A1  - Roumpos, Christos
A1  - Louloudis, Georgios
A1  - Pyrgaki, Konstantina
A1  - Koukouzas, Nikolaos
A1  - Kempka, Thomas
A1  - Karapanos, Dimitris
T1  - GIS-based assessment of hybrid pumped hydro storage as a potential solution for the clean energy transition
BT  - the case of the Kardia lignite mine, Western Greece
JF  - Sensors
N2  - Planned decommissioning of coal-fired plants in Europe requires innovative technical and economic strategies to support coal regions on their path towards a climate-resilient future. The repurposing of open pit mines into hybrid pumped hydro power storage (HPHS) of excess energy from the electric grid, and renewable sources will contribute to the EU Green Deal, increase the economic value, stabilize the regional job market and contribute to the EU energy supply security. This study aims to present a preliminary phase of a geospatial workflow used to evaluate land suitability by implementing a multi-criteria decision making (MCDM) technique with an advanced geographic information system (GIS) in the context of an interdisciplinary feasibility study on HPHS in the Kardia lignite open pit mine (Western Macedonia, Greece). The introduced geospatial analysis is based on the utilization of the constraints and ranking criteria within the boundaries of the abandoned mine regarding specific topographic and proximity criteria. The applied criteria were selected from the literature, while for their weights, the experts' judgement was introduced by implementing the analytic hierarchy process (AHP), in the framework of the ATLANTIS research program. According to the results, seven regions were recognized as suitable, with a potential energy storage capacity from 1.09 to 5.16 GWh. Particularly, the present study's results reveal that 9.27% (212,884 m(2)) of the area had a very low suitability, 15.83% (363,599 m(2)) had a low suitability, 23.99% (550,998 m(2)) had a moderate suitability, 24.99% (573,813 m(2)) had a high suitability, and 25.92% (595,125 m(2)) had a very high suitability for the construction of the upper reservoir. The proposed semi-automatic geospatial workflow introduces an innovative tool that can be applied to open pit mines globally to identify the optimum design for an HPHS system depending on the existing lower reservoir.
KW  - hybrid pumped hydro power storage
KW  - hydro power
KW  - hydro storage
KW  - GIS
KW  - Kardia mine
KW  - AHP
KW  - MCDM
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3390/s23020593
SN  - 1424-8220
VL  - 23
IS  - 2
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gómez Zapata, Juan Camilo
T1  - Towards unifying approaches in exposure modelling for scenario-based multi-hazard risk assessments
N2  - This cumulative thesis presents a stepwise investigation of the exposure modelling process for risk assessment due to natural hazards while highlighting its, to date, not much-discussed importance and associated uncertainties. Although “exposure” refers to a very broad concept of everything (and everyone) that is susceptible to damage, in this thesis it is narrowed down to the modelling of large-area residential building stocks. Classical building exposure models for risk applications have been constructed fully relying on unverified expert elicitation over data sources (e.g., outdated census datasets), and hence have been implicitly assumed to be static in time and in space. Moreover, their spatial representation has also typically been simplified by geographically aggregating the inferred composition onto coarse administrative units whose boundaries do not always capture the spatial variability of the hazard intensities required for accurate risk assessments. These two shortcomings and the related epistemic uncertainties embedded within exposure models are tackled in the first three chapters of the thesis. The exposure composition of large-area residential building stocks is studied on the scope of scenario-based earthquake loss models. Then, the proposal of optimal spatial aggregation areas of exposure models for various hazard-related vulnerabilities is presented, focusing on ground-shaking and tsunami risks. Subsequently, once the experience is gained in the study of the composition and spatial aggregation of exposure for various hazards, this thesis moves towards a multi-hazard context while addressing cumulative damage and losses due to consecutive hazard scenarios. This is achieved by proposing a novel method to account for the pre-existing damage descriptions on building portfolios as a key input to account for scenario-based multi-risk assessment. Finally, this thesis shows how the integration of the aforementioned elements can be used in risk communication practices. This is done through a modular architecture based on the exploration of quantitative risk scenarios that are contrasted with social risk perceptions of the directly exposed communities to natural hazards.
In Chapter 1, a Bayesian approach is proposed to update the prior assumptions on such composition (i.e., proportions per building typology). This is achieved by integrating high-quality real observations and then capturing the intrinsic probabilistic nature of the exposure model. Such observations are accounted as real evidence from both: field inspections (Chapter 2) and freely available data sources to update existing (but outdated) exposure models (Chapter 3). In these two chapters, earthquake scenarios with parametrised ground motion fields were transversally used to investigate the role of such epistemic uncertainties related to the exposure composition through sensitivity analyses. Parametrised scenarios of seismic ground shaking were the hazard input utilised to study the physical vulnerability of building portfolios. The second issue that was investigated, which refers to the spatial aggregation of building exposure models, was investigated within two decoupled vulnerability contexts: due to seismic ground shaking through the integration of remote sensing techniques (Chapter 3); and within a multi-hazard context by integrating the occurrence of associated tsunamis (Chapter 4). Therein, a careful selection of the spatial aggregation entities while pursuing computational efficiency and accuracy in the risk estimates due to such independent hazard scenarios (i.e., earthquake and tsunami) are discussed. Therefore, in this thesis, the physical vulnerability of large-area building portfolios due to tsunamis is considered through two main frames: considering and disregarding the interaction at the vulnerability level, through consecutive and decoupled hazard scenarios respectively, which were then contrasted.
Contrary to Chapter 4, where no cumulative damages are addressed, in Chapter 5, data and approaches, which were already generated in former sections, are integrated with a novel modular method to ultimately study the likely interactions at the vulnerability level on building portfolios. This is tested by evaluating cumulative damages and losses after earthquakes with increasing magnitude followed by their respective tsunamis. Such a novel method is grounded on the possibility of re-using existing fragility models within a probabilistic framework. The same approach is followed in Chapter 6 to forecast the likely cumulative damages to be experienced by a building stock located in a volcanic multi-hazard setting (ash-fall and lahars). In that section, special focus was made on the manner the forecasted loss metrics are communicated to locally exposed communities. Co-existing quantitative scientific approaches (i.e., comprehensive exposure models; explorative risk scenarios involving single and multiple hazards) and semi-qualitative social risk perception (i.e., level of understanding that the exposed communities have about their own risk) were jointly considered. Such an integration ultimately allowed this thesis to also contribute to enhancing preparedness, science divulgation at the local level as well as technology transfer initiatives. 
Finally, a synthesis of this thesis along with some perspectives for improvement and future work are presented.
N2  - Diese kumulative Diplomarbeit stellt eine schrittweise Untersuchung des Expositionsmodellierungsprozesses für die Risikobewertung durch Naturgefahren dar und weist auf seine bisher wenig diskutierte Bedeutung und die damit verbundenen Unsicherheiten hin. Obwohl sich „Exposition“ auf einen sehr weiten Begriff von allem (und jedem) bezieht, der für Schäden anfällig ist, wird er in dieser Arbeit auf die Modellierung von großräumigen Wohngebäudebeständen eingeengt. Klassische Gebäudeexpositionsmodelle für Risikoanwendungen wurden vollständig auf der Grundlage unbestätigter Expertenerhebungen über Datenquellen (z. B. veraltete Volkszählungsdatensätze) erstellt und wurden daher implizit als zeitlich und räumlich statisch angenommen. Darüber hinaus wurde ihre räumliche Darstellung typischerweise auch vereinfacht, indem die abgeleitete Zusammensetzung geografisch auf grobe Verwaltungseinheiten aggregiert wurde, deren Grenzen nicht immer die räumliche Variabilität der Gefahrenintensitäten erfassen, die für genaue Risikobewertungen erforderlich sind. Diese beiden Mängel und die damit verbundenen epistemischen Unsicherheiten, die in Expositionsmodellen eingebettet sind, werden in den ersten drei Kapiteln der Dissertation verfolgt. Die Exposure-Zusammensetzung von großflächigen Wohngebäudebeständen wird im Rahmen szenariobasierter Erdbebenschadenmodelle untersucht. Anschließend wird der Vorschlag optimaler räumlicher Aggregationsbereiche von Expositionsmodellen für verschiedene gefahrenbezogene Anfälligkeiten präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf Bodenerschütterungs- und Tsunami-Risiken liegt. Anschließend, sobald die Erfahrung in der Untersuchung der Zusammensetzung und räumlichen Aggregation der Exposition für verschiedene Gefahren gesammelt wurde, bewegt sich diese Arbeit in Richtung eines Kontextes mit mehreren Gefahren, während sie sich mit kumulativen Schäden und Verlusten aufgrund aufeinanderfolgender Gefahrenszenarien befasst. Dies wird erreicht, indem eine neuartige Methode vorgeschlagen wird, um die bereits bestehenden Schadensbeschreibungen an Gebäudeportfolios als Schlüsseleingabe für die Berücksichtigung einer szenariobasierten Multi-Risiko-Bewertung zu berücksichtigen. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie die Integration der oben genannten Elemente in der Risikokommunikation genutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine modulare Architektur, die auf der Untersuchung quantitativer Risikoszenarien basiert, die mit der sozialen Risikowahrnehmung der direkt von Naturgefahren betroffenen Gemeinschaften kontrastiert werden.
In Kapitel 1 wird ein bayesianischer Ansatz vorgeschlagen, um die früheren Annahmen zu einer solchen Zusammensetzung (d. h. Anteile pro Gebäudetypologie) zu aktualisieren. Dies wird erreicht, indem hochwertige reale Beobachtungen integriert und dann die intrinsische Wahrscheinlichkeitsnatur des Expositionsmodells erfasst wird. Solche Beobachtungen werden sowohl aus Feldbegehungen (Kapitel 2) als auch aus frei verfügbaren Datenquellen zur Aktualisierung bestehender (aber veralteter) Expositionsmodelle (Kapitel 3) als echte Beweise gewertet. In diesen beiden Kapiteln wurden Erdbebenszenarien mit parametrisierten Bodenbewegungsfeldern transversal verwendet, um die Rolle solcher epistemischen Unsicherheiten in Bezug auf die Expositionszusammensetzung durch Sensitivitätsanalysen zu untersuchen. Parametrisierte Szenarien seismischer Bodenerschütterungen waren der Gefahreneingang, der verwendet wurde, um die physische Anfälligkeit von Gebäudeportfolios zu untersuchen. Das zweite untersuchte Problem, das sich auf die räumliche Aggregation von Gebäudeexpositionsmodellen bezieht, wurde in zwei entkoppelten Vulnerabilitätskontexten untersucht: durch seismische Bodenerschütterungen durch die Integration von Fernerkundungstechniken (Kapitel 3); und innerhalb eines Multi-Hazard-Kontextes durch Einbeziehung des Auftretens assoziierter Tsunamis (Kapitel 4). Darin wird eine sorgfältige Auswahl der räumlichen Aggregationseinheiten bei gleichzeitigem Streben nach Recheneffizienz und Genauigkeit bei den Risikoschätzungen aufgrund solcher unabhängiger Gefahrenszenarien (d. h. Erdbeben und Tsunami) diskutiert. Daher wird in dieser Arbeit die physische Vulnerabilität von großen Gebäudeportfolios durch Tsunamis durch zwei Hauptrahmen betrachtet: Berücksichtigung und Nichtberücksichtigung der Wechselwirkung auf der Vulnerabilitätsebene, durch aufeinanderfolgende bzw. entkoppelte Gefahrenszenarien, die dann gegenübergestellt wurden.
Im Gegensatz zu Kapitel 4, wo keine kumulativen Schäden angesprochen werden, werden in Kapitel 5 Daten und Ansätze, die bereits in früheren Abschnitten generiert wurden, mit einer neuartigen modularen Methode integriert, um letztendlich die wahrscheinlichen Wechselwirkungen auf der Schwachstellenebene beim Aufbau von Portfolios zu untersuchen. Dies wird getestet, indem kumulative Schäden und Verluste nach Erdbeben mit zunehmender Magnitude gefolgt von den jeweiligen Tsunamis bewertet werden. Eine solche neuartige Methode basiert auf der Möglichkeit, bestehende Fragilitätsmodelle innerhalb eines probabilistischen Rahmens wiederzuverwenden. Derselbe Ansatz wird in Kapitel 6 verfolgt, um die wahrscheinlichen kumulativen Schäden zu prognostizieren, denen ein Gebäudebestand ausgesetzt sein wird, der sich in einer vulkanischen Umgebung mit mehreren Gefahren (Aschefall und Lahare) befindet. In diesem Abschnitt wurde besonderes Augenmerk auf die Art und Weise gelegt, wie die prognostizierten Verlustmetriken an lokal exponierte Gemeinden kommuniziert werden. Koexistierende quantitative wissenschaftliche Ansätze (d. h. umfassende Expositionsmodelle; explorative Risikoszenarien mit Einzel- und Mehrfachgefahren) und semiqualitative soziale Risikowahrnehmung (d. h. Grad des Verständnisses, das die exponierten Gemeinschaften über ihr eigenes Risiko haben) wurden gemeinsam berücksichtigt. Eine solche Integration ermöglichte es dieser Arbeit schließlich auch, zur Verbesserung der Bereitschaft, der wissenschaftlichen Verbreitung auf lokaler Ebene sowie zu Technologietransferinitiativen beizutragen.
Abschließend wird eine Zusammenfassung dieser These zusammen mit einigen Perspektiven für Verbesserungen und zukünftige Arbeiten präsentiert.
KW  - exposure
KW  - multi-hazard
KW  - risk analysis
KW  - risk communication
KW  - uncertainty analysis
KW  - tsunami risk
KW  - spatial aggregation
KW  - seismic risk
KW  - Expositionsmodellen
KW  - Multi-Hazard
KW  - Risikoanalyse
KW  - Risikokommunikation
KW  - seismisches Risiko
KW  - räumliche Aggregation
KW  - Tsunami-Risiko
KW  - Unsicherheitsanalyse
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586140
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zali, Zahra
T1  - Volcanic tremor analysis based on advanced signal processing concepts including music information retrieval (MIR) strategies
N2  - Volcanoes are one of the Earth’s most dynamic zones and responsible for many changes in our planet. Volcano seismology aims to provide an understanding of the physical processes in volcanic systems and anticipate the style and timing of eruptions by analyzing the seismic records. Volcanic tremor signals are usually observed in the seismic records before or during volcanic eruptions. Their analysis contributes to evaluate the evolving volcanic activity and potentially predict eruptions. Years of continuous seismic monitoring now provide useful information for operational eruption forecasting. The continuously growing amount of seismic recordings, however, poses a challenge for analysis, information extraction, and interpretation, to support timely decision making during volcanic crises. Furthermore, the complexity of eruption processes and precursory activities makes the analysis challenging.

A challenge in studying seismic signals of volcanic origin is the coexistence of transient signal swarms and long-lasting volcanic tremor signals. Separating transient events from volcanic tremors can, therefore, contribute to improving our understanding of the underlying physical processes. Some similar issues (data reduction, source separation, extraction, and classification) are addressed in the context of music information retrieval (MIR). The signal characteristics of acoustic and seismic recordings comprise a number of similarities. This thesis is going beyond classical signal analysis techniques usually employed in seismology by exploiting similarities of seismic and acoustic signals and building the information retrieval strategy on the expertise developed in the field of MIR.

First, inspired by the idea of harmonic–percussive separation (HPS) in musical signal processing, I have developed a method to extract harmonic volcanic tremor signals and to detect transient events from seismic recordings. This provides a clean tremor signal suitable for tremor investigation along with a characteristic function suitable for earthquake detection. Second, using HPS algorithms, I have developed a noise reduction technique for seismic signals. This method is especially useful for denoising ocean bottom seismometers, which are highly contaminated by noise. The advantage of this method compared to other denoising techniques is that it doesn’t introduce distortion to the broadband earthquake waveforms, which makes it reliable for different applications in passive seismological analysis. Third, to address the challenge of extracting information from high-dimensional data and investigating the complex eruptive phases, I have developed an advanced machine learning model that results in a comprehensive signal processing scheme for volcanic tremors. Using this method seismic signatures of major eruptive phases can be automatically detected. This helps to provide a chronology of the volcanic system. Also, this model is capable to detect weak precursory volcanic tremors prior to the eruption, which could be used as an indicator of imminent eruptive activity. The extracted patterns of seismicity and their temporal variations finally provide an explanation for the transition mechanism between eruptive phases.
N2  - Vulkane gehören zu den dynamischsten Zonen der Erde und sind für viele Veränderungen auf unserem Planeten verantwortlich. Die Vulkanseismologie zielt darauf ab, physikalischen Prozesse in Vulkansystemen besser zu verstehen und die Art und den Zeitpunkt von Eruptionen durch die Analyse der seismischen Aufzeichnungen vorherzusagen. Die Signale vulkanischer Tremore werden normalerweise vor oder während Vulkanausbrüchen beobachtet und müssen überwacht werden, um die vulkanische Aktivität zu bewerten. Die Untersuchung vulkanischer Tremore ist ein wichtiger Teil der Vulkanüberwachung, die darauf abzielt, Anzeichen für das Erwachen oder Wiedererwachen von Vulkanen zu erkennen und möglicherweise Ausbrüche vorherzusagen.  Mehrere Dekaden kontinuierlicher seismischer Überwachung liefern nützliche Informationen für die operative Eruptionsvorhersage. Die ständig wachsende Menge an seismischen Aufzeichnungen stellt jedoch eine Herausforderung für die Analyse, Informationsextraktion und Interpretation für die zeitnahe Entscheidungsfindung während Vulkankrisen dar. Darüber hinaus erschweren die Komplexität der Eruptionsprozesse und Vorläuferaktivitäten die Analyse.

Eine Herausforderung bei der Untersuchung seismischer Signale vulkanischen Ursprungs ist die Koexistenz von transienten Signalschwärmen und lang anhaltenden vulkanischen Tremoren. Die Trennung dieser beiden Signaltypen kann daher dazu beitragen, unser Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu verbessern. Einige ähnliche Probleme (Datenreduktion, Quellentrennung, Extraktion und Klassifizierung) werden im Zusammenhang mit Music Information Retrieval (MIR, dt. Etwa Musik-Informationsabruf) behandelt. Die Signaleigenschaften von akustischen und seismischen Aufzeichnungen weisen eine Reihe von Gemeinsamkeiten auf. Ich gehe über die klassischen Signalanalysetechniken hinaus, die normalerweise in der Seismologie verwendet werden, indem ich die Ähnlichkeiten von seismischen und akustischen Signalen  und das Fachwissen aus dem Gebiet der MIR zur Informationsgewinnung nutze. 

Inspiriert von der Idee der harmonisch-perkussiven Trennung (HPS) in der musikalischen Signalverarbeitung habe ich eine Methode entwickelt, mit der harmonische vulkanische Erschütterungssignale extrahiert und transiente Ereignisse aus seismischen Aufzeichnungen erkannt werden können. Dies liefert ein sauberes Tremorsignal für die Tremoruntersuchung, sowie eine charakteristischen Funktion, die für die Erdbebenerkennung geeignet ist. Weiterhin habe ich unter Verwendung von HPS-Algorithmen eine Rauschunterdrückungstechnik für seismische Signale entwickelt. Diese kann zum Beispiel verwendet werden, um klarere Signale an Meeresbodenseismometern zu erhalten, die  sonst durch zu starkes Rauschen überdeckt sind. Der Vorteil dieser Methode im Vergleich zu anderen Denoising-Techniken besteht darin, dass sie keine Verzerrung in der Breitbandantwort der Erdbebenwellen einführt, was sie für verschiedene Anwendungen in der passiven seismologischen Analyse zuverlässiger macht. Um Informationen aus hochdimensionalen Daten zu extrahieren und komplexe Eruptionsphasen zu untersuchen, habe ich ein fortschrittliches maschinelles Lernmodell entwickelt, aus dem ein umfassendes Signalverarbeitungsschema für vulkanische Erschütterungen abgeleitet werden kann. Mit dieser Methode können  automatisch seismische Signaturen größerer Eruptionsphasen identifizieren werden. Dies ist nützlich, um die Chronologie eines Vulkansystems zu verstehen. Außerdem ist dieses Modell in der Lage, schwache vulkanische Vorläuferbeben zu erkennen, die als Indikator für bevorstehende Eruptionsaktivität verwendet werden könnten. Basierend auf den extrahierten Seismizitätsmustern und ihren zeitlichen Variationen liefere ich eine Erklärung für den Übergangsmechanismus zwischen verschiedenen Eruptionsphasen.
KW  - seismic signal processing
KW  - machine learning
KW  - volcano seismology
KW  - music information retrieval
KW  - noise reduction
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610866
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Timmerman, Martin Jan
A1  - Krmicek, Lukas
A1  - Krmíčková, Simona
A1  - Slama, Jiri
A1  - Sudo, Masafumi
A1  - Sobel, Edward
T1  - Tonian-Ediacaran evolution of the Brunovistulian microcontinent (Czech Republic) deciphered from LA-ICP-MS U-Pb zircon and 40Ar/39Ar muscovite ages
JF  - Precambrian research
N2  - Granitoids of the Slavkov Domain of the Brunovistulian microcontinent (BVM) in the Czech Republic have Ediacaran U-Pb zircon crystallization ages with the dominant magmatic activity occurring between ca. 597 and 595 Ma. The ages overlap published ages for the adjacent Thaya Domain, showing that both domains formed coevally in the same subduction setting. The data support published models in which the Slavkov Domain formed as arc crust. The main stage of magmatism stopped after ca. 595-590 Ma and was quickly followed by cooling accompanied by intrusion of small volumes of rhyolite dykes at ca. 594 Ma. Slavkov Domain metasedimentary rocks are dominated by Cryogenian-Ediacaran detrital zircon populations and their protoliths were locally derived erosional products of Cryogenian to Ediacaran arc rocks of the Thaya and Slavkov domains. Metasedi-mentary rocks from the NE part of the BVM contain younger, ca. 550 Ma zircons indicating that the BVM grew northeastward by accretion of progressively younger material derived from magmatic rocks with latest Ediacaran crystallization ages. In contrast to the Thaya and Slavkov domains, the Metavolcanic Zone that lies between them formed between ca. 740 and 725 Ma in the late Tonian to early Cryogenian. It predates the main stage magmatic activity in the BVM by 135 to 150 Ma and is probably a relic of older crust that formed during rifting of the Rodinia supercontinent. At ca. 552-551 Ma in the latest Ediacaran, parts of the BVM were exposed at the surface, during which time red, terrestrial siliciclastic sediments (Basal Clastics) were deposited. These largely had (very) proximal sources such as the main stage granitoids of the Thaya and Slavkov domains. Clasts of (meta)sandstones contain much older zircon populations and provide evidence that Neoarchaean and Palaeo-, meso- and early Neoproterozoic crustal rocks were exposed in erosional position nearby.
KW  - Brunovistulicum
KW  - Cryogenian
KW  - Ediacaran
KW  - Basal Clastics
KW  - U -Pb dating
KW  - Ar
KW  - Ar dating
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1016/j.precamres.2023.106981
SN  - 0301-9268
SN  - 1872-7433
VL  - 387
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schmidt, Lena Katharina
A1  - Francke, Till
A1  - Grosse, Peter Martin
A1  - Mayer, Christoph
A1  - Bronstert, Axel
T1  - Reconstructing five decades of sediment export from two glacierized high-alpine catchments in Tyrol, Austria, using nonparametric regression
JF  - Hydrology and earth system sciences : HESS
N2  - Knowledge on the response of sediment export to recent climate change in glacierized areas in the European Alps is limited, primarily because long-term records of suspended sediment concentrations (SSCs) are scarce. Here we tested the estimation of sediment export of the past five decades using quantile regression forest (QRF), a nonparametric, multivariate regression based on random forest. The regression builds on short-term records of SSCs and long records of the most important hydroclimatic drivers (discharge, precipitation and air temperature - QPT). We trained independent models for two nested and partially glacier-covered catchments, Vent (98 km(2)) and Vernagt (11.4 km(2)), in the upper otztal in Tyrol, Austria (1891 to 3772 m a.s.l.), where available QPT records start in 1967 and 1975. To assess temporal extrapolation ability, we used two 2-year SSC datasets at gauge Vernagt, which are almost 20 years apart, for a validation. For Vent, we performed a five-fold cross-validation on the 15 years of SSC measurements. Further, we quantified the number of days where predictors exceeded the range represented in the training dataset, as the inability to extrapolate beyond this range is a known limitation of QRF. Finally, we compared QRF performance to sediment rating curves (SRCs). We analyzed the modeled sediment export time series, the predictors and glacier mass balance data for trends (Mann-Kendall test and Sen's slope estimator) and step-like changes (using the widely applied Pettitt test and a complementary Bayesian approach).Our validation at gauge Vernagt demonstrated that QRF performs well in estimating past daily sediment export (Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) of 0.73) and satisfactorily for SSCs (NSE of 0.51), despite the small training dataset. The temporal extrapolation ability of QRF was superior to SRCs, especially in periods with high-SSC events, which demonstrated the ability of QRF to model threshold effects. Days with high SSCs tended to be underestimated, but the effect on annual yields was small. Days with predictor exceedances were rare, indicating a good representativity of the training dataset. Finally, the QRF reconstruction models outperformed SRCs by about 20 percent points of the explained variance.Significant positive trends in the reconstructed annual suspended sediment yields were found at both gauges, with distinct step-like increases around 1981. This was linked to increased glacier melt, which became apparent through step-like increases in discharge at both gauges as well as change points in mass balances of the two largest glaciers in the Vent catchment. We identified exceptionally high July temperatures in 1982 and 1983 as a likely cause. In contrast, we did not find coinciding change points in precipitation. Opposing trends at the two gauges after 1981 suggest different timings of "peak sediment". We conclude that, given large-enough training datasets, the presented QRF approach is a promising tool with the ability to deepen our understanding of the response of high-alpine areas to decadal climate change.
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.5194/hess-27-1841-2023
SN  - 1027-5606
SN  - 1607-7938
VL  - 27
IS  - 9
SP  - 1841
EP  - 1863
PB  - Copernicus
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Stoltnow, Malte
A1  - Weis, Philipp
A1  - Korges, Maximilian
T1  - Hydrological controls on base metal precipitation and zoning at the porphyry-epithermal transition constrained by numerical modeling
JF  - Scientific reports
N2  - Ore precipitation in porphyry copper systems is generally characterized by metal zoning (Cu-Mo to Zn-Pb-Ag), which is suggested to be variably related to solubility decreases during fluid cooling, fluid-rock interactions, partitioning during fluid phase separation and mixing with external fluids. Here, we present new advances of a numerical process model by considering published constraints on the temperature- and salinity-dependent solubility of Cu, Pb and Zn in the ore fluid. We quantitatively investigate the roles of vapor-brine separation, halite saturation, initial metal contents, fluid mixing and remobilization as first-order controls of the physical hydrology on ore formation. The results show that the magmatic vapor and brine phases ascend with different residence times but as miscible fluid mixtures, with salinity increases generating metal-undersaturated bulk fluids. The release rates of magmatic fluids affect the location of the thermohaline fronts, leading to contrasting mechanisms for ore precipitation: higher rates result in halite saturation without significant metal zoning, lower rates produce zoned ore shells due to mixing with meteoric water. Varying metal contents can affect the order of the final metal precipitation sequence. Redissolution of precipitated metals results in zoned ore shell patterns in more peripheral locations and also decouples halite saturation from ore precipitation.
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1038/s41598-023-30572-5
SN  - 2045-2322
VL  - 13
IS  - 1
PB  - Springer Nature
CY  - London
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sharma, Shubham
A1  - Hainzl, Sebastian
A1  - Zöller, Gert
T1  - Seismicity parameters dependence on main shock-induced co-seismic stress
JF  - Geophysical journal international
N2  - The Gutenberg-Richter (GR) and the Omori-Utsu (OU) law describe the earthquakes' energy release and temporal clustering and are thus of great importance for seismic hazard assessment. Motivated by experimental results, which indicate stress-dependent parameters, we consider a combined global data set of 127 main shock-aftershock sequences and perform a systematic study of the relationship between main shock-induced stress changes and associated seismicity patterns. For this purpose, we calculate space-dependent Coulomb Stress (& UDelta;CFS) and alternative receiver-independent stress metrics in the surrounding of the main shocks. Our results indicate a clear positive correlation between the GR b-value and the induced stress, contrasting expectations from laboratory experiments and suggesting a crucial role of structural heterogeneity and strength variations. Furthermore, we demonstrate that the aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the OU parameters c and p systematically decrease for increasing stress changes. Our partly unexpected findings can have an important impact on future estimations of the aftershock hazard.
KW  - Earthquake hazards
KW  - Earthquake interaction
KW  - forecasting
KW  - and prediction
KW  - Statistical seismology
KW  - b-value
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1093/gji/ggad201
SN  - 0956-540X
SN  - 1365-246X
VL  - 235
IS  - 1
SP  - 509
EP  - 517
PB  - Oxford Univ. Press
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Arboleda-Zapata, Mauricio
A1  - Guillemoteau, Julien
A1  - Tronicke, Jens
T1  - A comprehensive workflow to analyze ensembles of globally inverted 2D electrical resistivity models
JF  - Journal of applied geophysics
N2  - Electrical resistivity tomography (ERT) aims at imaging the subsurface resistivity distribution and provides valuable information for different geological, engineering, and hydrological applications. To obtain a subsurface resistivity model from measured apparent resistivities, stochastic or deterministic inversion procedures may be employed. Typically, the inversion of ERT data results in non-unique solutions; i.e., an ensemble of different models explains the measured data equally well. In this study, we perform inference analysis of model ensembles generated using a well-established global inversion approach to assess uncertainties related to the nonuniqueness of the inverse problem. Our interpretation strategy starts by establishing model selection criteria based on different statistical descriptors calculated from the data residuals. Then, we perform cluster analysis considering the inverted resistivity models and the corresponding data residuals. Finally, we evaluate model uncertainties and residual distributions for each cluster. To illustrate the potential of our approach, we use a particle swarm optimization (PSO) algorithm to obtain an ensemble of 2D layer-based resistivity models from a synthetic data example and a field data set collected in Loon-Plage, France. Our strategy performs well for both synthetic and field data and allows us to extract different plausible model scenarios with their associated uncertainties and data residual distributions. Although we demonstrate our workflow using 2D ERT data and a PSObased inversion approach, the proposed strategy is general and can be adapted to analyze model ensembles generated from other kinds of geophysical data and using different global inversion approaches.
KW  - Near-surface geophysics
KW  - Electrical resistivity tomography
KW  - Non-uniqueness
KW  - Global inversion
KW  - Particle swarm optimization
KW  - Ensemble
KW  - analysis
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2021.104512
SN  - 0926-9851
SN  - 1879-1859
VL  - 196
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tofelde, Stefanie
A1  - Bufe, Aaron
A1  - Turowski, Jens M.
T1  - Hillslope Sediment Supply Limits Alluvial Valley Width
JF  - AGU Advances
N2  - River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2021AV000641
SN  - 2576-604X
PB  - American Geophysical Union (AGU); Wiley
CY  - Hoboken, New Jersey, USA
ER  - 
TY  - BOOK
A1  - Trauth, Martin H.
T1  - Python Recipes for Earth Sciences
T3  - Springer Textbooks in Earth Sciences, Geography and Environment
N2  - Python is used in a wide range of geoscientific applications, such as in processing images for remote sensing, in generating and processing digital elevation models, and in analyzing time series. This book introduces methods of data analysis in the geosciences using Python that include basic statistics for univariate, bivariate, and multivariate data sets, time series analysis, and signal processing; the analysis of spatial and directional data; and image analysis. The text includes numerous examples that demonstrate how Python can be used on data sets from the earth sciences. The supplementary electronic material (available online through Springer Link) contains the example data as well as recipes that include all the Python commands featured in the book.
KW  - computational geosciences
KW  - geoinformatics
KW  - geostatistics
KW  - mathematical geology
KW  - geomodeling
KW  - digital elevation models
KW  - climate time series analysis
Y1  - 2022
SN  - 978-3-031-07719-7
SN  - 978-3-031-07718-0
SN  - 978-3-031-07720-3
SN  - 978-3-031-07721-0
U6  - https://doi.org/10.1007/978-3-031-07719-7
SN  - 2510-1307
SN  - 2510-1315
PB  - Springer
CY  - Cham
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Arboleda-Zapata, Mauricio
A1  - Angelopoulos, Michael
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Grosse, Guido
A1  - Jones, Benjamin M.
A1  - Tronicke, Jens
T1  - Exploring the capabilities of electrical resistivity tomography to study subsea permafrost
JF  - The Cryosphere
N2  - Sea level rise and coastal erosion have inundated large areas of Arctic permafrost. Submergence by warm and saline waters increases the rate of inundated permafrost thaw compared to sub-aerial thawing on land. Studying the contact between the unfrozen and frozen sediments below the seabed, also known as the ice-bearing permafrost table (IBPT), provides valuable information to understand the evolution of sub-aquatic permafrost, which is key to improving and understanding coastal erosion prediction models and potential greenhouse gas emissions. In this study, we use data from 2D electrical resistivity tomography (ERT) collected in the nearshore coastal zone of two Arctic regions that differ in their environmental conditions (e.g., seawater depth and resistivity) to image and study the subsea permafrost. The inversion of 2D ERT data sets is commonly performed using deterministic approaches that favor smoothed solutions, which are typically interpreted using a user-specified resistivity threshold to identify the IBPT position. In contrast, to target the IBPT position directly during inversion, we use a layer-based model parameterization and a global optimization approach to invert our ERT data. This approach results in ensembles of layered 2D model solutions, which we use to identify the IBPT and estimate the resistivity of the unfrozen and frozen sediments, including estimates of uncertainties. Additionally, we globally invert 1D synthetic resistivity data and perform sensitivity analyses to study, in a simpler way, the correlations and influences of our model parameters. The set of methods provided in this study may help to further exploit ERT data collected in such permafrost environments as well as for the design of future field experiments.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.5194/tc-16-4423-2022
SN  - 1994-0424
VL  - 16
SP  - 4423
EP  - 4445
PB  - Copernicus
CY  - Katlenburg-Lindau
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Berner, Nadine
A1  - Trauth, Martin H.
A1  - Holschneider, Matthias
T1  - Bayesian inference about Plio-Pleistocene climate transitions in Africa
JF  - Quaternary science reviews : the international multidisciplinary research and review journal
N2  - During the last 5 Ma the Earth's ocean-atmosphere system passed through several major transitions, many of which are discussed as possible triggers for human evolution. A classic in this context is the possible influence of the closure of the Panama Strait, the intensification of Northern Hemisphere Glaciation, a stepwise increase in aridity in Africa, and the first appearance of the genus Homo about 2.5 - 2.7 Ma ago. Apart from the fact that the correlation between these events does not necessarily imply causality, many attempts to establish a relationship between climate and evolution fail due to the challenge of precisely localizing an a priori unknown number of changes potentially underlying complex climate records. The kernel-based Bayesian inference approach applied here allows inferring the location, generic shape, and temporal scale of multiple transitions in established records of Plio-Pleistocene African climate. By defining a transparent probabilistic analysis strategy, we are able to identify conjoint changes occurring across the investigated terrigenous dust records from Ocean Drilling Programme (ODP) sites in the Atlantic Ocean (ODP 659), Arabian (ODP 721/722) and Mediterranean Sea (ODP 967). The study indicates a two-step transition in the African climate proxy records at (2.35-2.10) Ma and (1.70 - 1.50) Ma, that may be associated with the reorganization of the Hadley-Walker Circulation. .
KW  - Plio-Pleistocene
KW  - Hadley-Walker Circulation
KW  - climate transition
KW  - Bayesian inference
KW  - time series analysis
KW  - ODP 659
KW  - ODP 721/722
KW  - ODP 967
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.107287
SN  - 0277-3791
SN  - 1873-457X
VL  - 277
PB  - Elsevier
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tranter, Morgan Alan
T1  - Numerical quantification of barite reservoir scaling and the resulting injectivity loss in geothermal systems
N2  - Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system.

The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. 

Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (< 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. 

In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency.
N2  - Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. 

Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (< 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. 

In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz.
KW  - geothermal energy
KW  - formation damage
KW  - reactive transport
KW  - radial flow
KW  - barite
KW  - Geothermie
KW  - radiale Strömung
KW  - Baryt
KW  - reaktiver Transport
KW  - Formationsschaden
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561139
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neuharth, Derek
T1  - Evolution of divergent and strike-slip boundaries in response to surface processes
T1  - Die Entwicklung divergenter und transversaler Plattengrenzen unter dem Einfluss von Erdoberflächenprozessen
N2  - Plate tectonics describes the movement of rigid plates at the surface of the Earth as well as their complex deformation at three types of plate boundaries: 1) divergent boundaries such as rift zones and mid-ocean ridges, 2) strike-slip boundaries where plates grind past each other, such as the San Andreas Fault, and 3) convergent boundaries that form large mountain ranges like the Andes. The generally narrow deformation zones that bound the plates exhibit complex strain patterns that evolve through time. During this evolution, plate boundary deformation is driven by tectonic forces arising from Earth’s deep interior and from within the lithosphere, but also by surface processes, which erode topographic highs and deposit the resulting sediment into regions of low elevation. Through the combination of these factors, the surface of the Earth evolves in a highly dynamic way with several feedback mechanisms. At divergent boundaries, for example, tensional stresses thin the lithosphere, forcing uplift and subsequent erosion of rift flanks, which creates a sediment source. Meanwhile, the rift center subsides and becomes a topographic low where sediments accumulate. This mass transfer from foot- to hanging wall plays an important role during rifting, as it prolongs the activity of individual normal faults. When rifting continues, continents are eventually split apart, exhuming Earth’s mantle and creating new oceanic crust. Because of the complex interplay between deep tectonic forces that shape plate boundaries and mass redistribution at the Earth’s surface, it is vital to understand feedbacks between the two domains and how they shape our planet.
In this study I aim to provide insight on two primary questions: 1) How do divergent and strike-slip plate boundaries evolve? 2) How is this evolution, on a large temporal scale and a smaller structural scale, affected by the alteration of the surface through erosion and deposition? This is done in three chapters that examine the evolution of divergent and strike-slip plate boundaries using numerical models. Chapter 2 takes a detailed look at the evolution of rift systems using two-dimensional models. Specifically, I extract faults from a range of rift models and correlate them through time to examine how fault networks evolve in space and time. By implementing a two-way coupling between the geodynamic code ASPECT and landscape evolution code FastScape, I investigate how the fault network and rift evolution are influenced by the system’s erosional efficiency, which represents many factors like lithology or climate. In Chapter 3, I examine rift evolution from a three-dimensional perspective. In this chapter I study linkage modes for offset rifts to determine when fast-rotating plate-boundary structures known as continental microplates form. Chapter 4 uses the two-way numerical coupling between tectonics and landscape evolution to investigate how a strike-slip boundary responds to large sediment loads, and whether this is sufficient to form an entirely new type of flexural strike-slip basin.
N2  - Plattentektonik beschreibt die Bewegung starrer tektonischer Platten an der Erdoberfläche sowie deren komplexe Deformation an drei Arten von Plattengrenzen: 1) divergenten Grenzen wie Grabenbrüchen und mittelozeanische Rücken, 2) transversalen Grenzen, an denen Platten gegeneinander verschoben werden, wie die San-Andreas-Verwerfung, und 3) konvergenten Grenzen, die große Gebirgszüge wie die Anden bilden. Diese schmalen Deformationszonen, die Platten begrenzen, weisen meist komplexe Dehnungsmuster auf, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Während dieser Entwicklung wird die Verformung der Plattengrenzen durch tektonische Kräfte aus dem tiefen Erdinneren und der Lithosphäre, aber auch durch Oberflächenprozesse, welche topografische Erhebungen erodieren und die daraus resultierenden Sedimente in tiefer gelegenen Gebieten ablagern, angetrieben. Durch das Zusammenwirken und die Rückkopplung dieser Faktoren entwickelt sich die Erdoberfläche in einer extrem dynamischen Art und Weise. An divergenten Grenzen beispielsweise dünnen Zugspannungen die Lithosphäre aus, was zu einer Hebung und anschließenden Erosion der Flanken eines Grabenbruchs führt, wobei wiederum Sedimente freigesetzt werden. Währenddessen sinkt das Zentrum des Grabens ab und wird zu einer topografischen Senke, in der sich Sedimente ablagern. Diese Massenumverteilung vom Fuß zum Hang einer Verwerfung spielt eine wichtige Rolle, da er die Aktivität einzelner Verwerfungen verlängert. Durch anhaltende Divergenz werden Kontinente schließlich auseinandergerissen, wodurch der Erdmantel an die Erdoberfläche gefördert und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen tektonischen Kräften aus dem tiefen Erdinneren und der Massenumverteilung an der Erdoberfläche ist es von entscheidender Bedeutung, die Rückkopplungen zwischen diesen beiden Bereichen zu verstehen.
In dieser Studie möchte ich Einblicke zu zwei Hauptfragen geben: 1) Wie entwickeln sich divergierende Plattengrenzen? 2) Wie wird diese Entwicklung auf einer großen zeitlichen und einer kleinen strukturellen Skala durch die Veränderung der Oberfläche durch Erosion und Sedimentation beeinflusst? In drei Kapiteln untersuche ich die Entwicklung von divergenten und streichenden Plattengrenzen anhand numerischer Modelle. In Kapitel 2 wird die Entwicklung von Grabenbrüchen anhand zweidimensionaler Modelle im Detail erforscht. Dabei extrahiere ich Verwerfungen aus einer Reihe von Modellen und korreliere sie über die Zeit, um zu untersuchen, wie sich Verwerfungsnetzwerke räumlich und zeitlich entwickeln. Durch die bidirektionale Kopplung des Geodynamik-Codes ASPECT und des Erdoberflächen-Codes FastScape untersuche ich, wie diese Verwerfungsnetzwerk und der Grabenbruch im Allgemeinen durch die Erosionseffizienz des Systems, welche viele Faktoren wie Lithologie oder Klima abbildet, beeinflusst werden. In Kapitel 3 untersuche ich die Entwicklung eines Grabenbruchs aus einer dreidimensionalen Perspektive. In diesem Kapitel analysiere ich wie sich gegeneinander versetzte Grabenbrüche verbinden und wann sich dabei schnell rotierende kontinentale Mikroplatten bilden. In Kapitel 4 nutze ich die entwickelte bidirektionale Kopplung zwischen Geodynamik und Erdoberflächenprozessen, um zu verstehen, wie transversale Plattengrenzen auf Sedimentlasten reagieren und ob die ausreicht, um einen völlig neue Art von Sedimentbecken in dieser Umgebung zu formen.
KW  - geodynamics
KW  - numerical modelling
KW  - rift
KW  - strike-slip
KW  - surface processes
KW  - microplate
KW  - FastScape
KW  - ASPECT
KW  - ASPECT
KW  - FastScape
KW  - Geodynamik
KW  - Mikroplatte
KW  - numerische Modellierung
KW  - Rift
KW  - Blattverschiebung
KW  - Oberflächenprozesse
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549403
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Scholz, Carolin
A1  - Voigt, Christian C.
T1  - Diet analysis of bats killed at wind turbines suggests large-scale losses of trophic interactions
JF  - Conservation science and practice
N2  - Agricultural practice has led to landscape simplification and biodiversity decline, yet recently, energy-producing infrastructures, such as wind turbines, have been added to these simplified agroecosystems, turning them into multi-functional energy-agroecosystems. Here, we studied the trophic interactions of bats killed at wind turbines using a DNA metabarcoding approach to shed light on how turbine-related bat fatalities may possibly affect local habitats. Specifically, we identified insect DNA in the stomachs of common noctule bats (Nyctalus noctula) killed by wind turbines in Germany to infer in which habitats these bats hunted. Common noctule bats consumed a wide variety of insects from different habitats, ranging from aquatic to terrestrial ecosystems (e.g., wetlands, farmland, forests, and grasslands). Agricultural and silvicultural pest insects made up about 20% of insect species consumed by the studied bats. Our study suggests that the potential damage of wind energy production goes beyond the loss of bats and the decline of bat populations. Bat fatalities at wind turbines may lead to the loss of trophic interactions and ecosystem services provided by bats, which may add to the functional simplification and impaired crop production, respectively, in multi-functional ecosystems.
KW  - bat fatalities
KW  - biodiversity decline
KW  - food web
KW  - green-green dilemma
KW  - renewable energy
KW  - wind energy production
KW  - wind energy-biodiversity conflict
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1111/csp2.12744
SN  - 2578-4854
VL  - 4
IS  - 7
PB  - Wiley
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Daniela
T1  - Abrupt climate changes and extreme events in two different varved lake sediment records
T1  - Abrupte Klimaveränderungen und Extremevents in Sedimentprofilen zweier verschiedener warvierter Seen
N2  - Different lake systems might reflect different climate elements of climate changes, while the responses of lake systems are also divers, and are not completely understood so far. Therefore, a comparison of lakes in different climate zones, during the high-amplitude and abrupt climate fluctuations of the Last Glacial to Holocene transition provides an exceptional opportunity to investigate distinct natural lake system responses to different abrupt climate changes. The aim of this doctoral thesis was to reconstruct climatic and environmental fluctuations down to (sub-) annual resolution from two different lake systems during the Last Glacial-Interglacial transition (~17 and 11 ka). Lake Gościąż, situated in the temperate central Poland, developed in the Allerød after recession of the Last Glacial ice sheets. The Dead Sea is located in the Levant (eastern Mediterranean) within a steep gradient from sub-humid to hyper-arid climate, and formed in the mid-Miocene. Despite their differences in sedimentation processes, both lakes form annual laminations (varves), which are crucial for studies of abrupt climate fluctuations. This doctoral thesis was carried out within the DFG project PALEX-II (Paleohydrology and Extreme Floods from the Dead Sea ICDP Core) that investigates extreme hydro-meteorological events in the ICDP core in relation to climate changes, and ICLEA (Virtual Institute of Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses) that intends to better the understanding of climate dynamics and landscape evolutions in north-central Europe since the Last Glacial. Further, it contributes to the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change and Humans) Research Theme 3 “Extreme events across temporal and spatial scales” that investigates extreme events using climate data, paleo-records and model-based simulations. The three main aims were to (1) establish robust chronologies of the lakes, (2) investigate how major and abrupt climate changes affect the lake systems, and (3) to compare the responses of the two varved lakes to these hemispheric-scale climate changes.
Robust chronologies are a prerequisite for high-resolved climate and environmental reconstructions, as well as for archive comparisons. Thus, addressing the first aim, the novel chronology of Lake Gościąż was established by microscopic varve counting and Bayesian age-depth modelling in Bacon for a non-varved section, and was corroborated by independent age constrains from 137Cs activity concentration measurements, AMS radiocarbon dating and pollen analysis. The varve chronology reaches from the late Allerød until AD 2015, revealing more Holocene varves than a previous study of Lake Gościąż suggested. Varve formation throughout the complete Younger Dryas (YD) even allowed the identification of annually- to decadal-resolved leads and lags in proxy responses at the YD transitions. 
The lateglacial chronology of the Dead Sea (DS) was thus far mainly based on radiocarbon and U/Th-dating. In the unique ICDP core from the deep lake centre, continuous search for cryptotephra has been carried out in lateglacial sediments between two prominent gypsum deposits – the Upper and Additional Gypsum Units (UGU and AGU, respectively). Two cryptotephras were identified with glass analyses that correlate with tephra deposits from the Süphan and Nemrut volcanoes indicating that the AGU is ~1000 years younger than previously assumed, shifting it into the YD, and the underlying varved interval into the Bølling/Allerød, contradicting previous assumptions. 
Using microfacies analyses, stable isotopes and temperature reconstructions, the second aim was achieved at Lake Gościąż. The YD lake system was dynamic, characterized by higher aquatic bioproductivity, more re-suspended material and less anoxia than during the Allerød and Early Holocene, mainly influenced by stronger water circulation and catchment erosion due to stronger westerly winds and less lake sheltering. Cooling at the YD onset was ~100 years longer than the final warming, while environmental proxies lagged the onset of cooling by ~90 years, but occurred contemporaneously during the termination of the YD. Chironomid-based temperature reconstructions support recent studies indicating mild YD summer temperatures. Such a comparison of annually-resolved proxy responses to both abrupt YD transitions is rare, because most European lake archives do not preserve varves during the YD. 
To accomplish the second aim at the DS, microfacies analyses were performed between the UGU (~17 ka) and Holocene onset (~11 ka) in shallow- (Masada) and deep-water (ICDP core) environments. This time interval is marked by a huge but fluctuating lake level drop and therefore the complete transition into the Holocene is only recorded in the deep-basin ICDP core. In this thesis, this transition was investigated for the first time continuously and in detail. The final two pronounced lake level drops recorded by deposition of the UGU and AGU, were interrupted by one millennium of relative depositional stability and a positive water budget as recorded by aragonite varve deposition interrupted by only a few event layers. Further, intercalation of aragonite varves between the gypsum beds of the UGU and AGU shows that these generally dry intervals were also marked by decadal- to centennial-long rises in lake level. While continuous aragonite varves indicate decadal-long stable phases, the occurrence of thicker and more frequent event layers suggests general more instability during the gypsum units. These results suggest a pattern of complex and variable hydroclimate at different time scales during the Lateglacial at the DS.
The third aim was accomplished based on the individual studies above that jointly provide an integrated picture of different lake responses to different climate elements of hemispheric-scale abrupt climate changes during the Last Glacial-Interglacial transition. In general, climatically-driven facies changes are more dramatic in the DS than at Lake Gościąż. Further, Lake Gościąż is characterized by continuous varve formation nearly throughout the complete profile, whereas the DS record is widely characterized by extreme event layers, hampering the establishment of a continuous varve chronology. The lateglacial sedimentation in Lake Gościąż is mainly influenced by westerly winds and minor by changes in catchment vegetation, whereas the DS is primarily influenced by changes in winter precipitation, which are caused by temperature variations in the Mediterranean. Interestingly, sedimentation in both archives is more stable during the Bølling/Allerød and more dynamic during the YD, even when sedimentation processes are different. 
In summary, this doctoral thesis presents seasonally-resolved records from two lake archives during the Lateglacial (ca 17-11 ka) to investigate the impact of abrupt climate changes in different lake systems. New age constrains from the identification of volcanic glass shards in the lateglacial sediments of the DS allowed the first lithology-based interpretation of the YD in the DS record and its comparison to Lake Gościąż. This highlights the importance of the construction of a robust chronology, and provides a first step for synchronization of the DS with other eastern Mediterranean archives. Further, climate reconstructions from the lake sediments showed variability on different time scales in the different archives, i.e. decadal- to millennial fluctuations in the lateglacial DS, and even annual variations and sub-decadal leads and lags in proxy responses during the rapid YD transitions in Lake Gościąż. This showed the importance of a comparison of different lake archives to better understand the regional and local impacts of hemispheric-scale climate variability. An unprecedented example is demonstrated here of how different lake systems show different lake responses and also react to different climate elements of abrupt climate changes. This further highlights the importance of the understanding of the respective lake system for climate reconstructions.
N2  - Verschiedene Seesysteme können unterschiedliche Klimaelemente während Klimaveränderungen wiederspiegeln und auch diverse Seesystemreaktionen aufweisen, wobei letztere bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Ein Vergleich von Seesystemen in verschiedenen Klimazonen während der hoch-amplituden und abrupten Klimaveränderung innerhalb des Übergangs vom Letzten Glazial zum Holozän, ermöglicht die Untersuchung deutlicher natürlicher Seesystemreaktionen in Bezug zu abrupten Klimaänderungen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Rekonstruktion von Klima- und Umweltschwankungen von zwei verschiedenen Seesystemen während des Letzten Glazial-Interglazial-Übergangs (~17.000-11.000 BP) bis hinunter zu saisonaler Auflösung. Der Gościąż See liegt in der gemäßigten Klimazone in Zentralpolen und entwickelte sich im Allerød nach dem Rückgang der Eisschilde des letzten Glazials. Das Tote Meer liegt in der Levante (östlicher Mittelmeerraum) innerhalb eines steilen Gradienten von subhumidem zu hyperaridem Klima und entstand im mittleren Miozän. Trotz ihrer unterschiedlichen Sedimentationsprozesse bilden beide Seen jährliche Laminierungen (Warven) aus. Dies ist essentiell für Studien abrupter Klimaveränderungen. Diese Doktorarbeit wurde innerhalb des DFG-Projektes PALEX-II (Paläohydrologie und Sturzfluten vom ICDP-Kern des Toten Meeres) und ICELA (Virtuelles Institut zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse) durchgeführt. PALEX-II untersucht hydrometeorologische Extremereignisse im ICDP-Kern in Bezug zu Klimaveränderungen, während ICLEA beabsichtig das Verständnis von Klimadynamiken und Landschaftsevolution in Nord- und Zentraleuropa seit dem letzten Glazial zu verbessern. Zudem, trägt diese Doktorarbeit auch zum Forschungsthema 3 „Extremevents auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen“ der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionale Klimaänderungen und Mensch) bei, das basierend auf Klimadaten, Paläoarchiven und modelbasierten Simulationen Extremevents untersucht. 
Robuste Chronologien sind Voraussetzung für hochaufgelöste Klima- und Umweltstudien, sowie für den Vergleich von Archiven. Um das erste Ziel zu erreichen, wurde für den Gościąż See mithilfe von mikroskopischer Warvenzählung und einer bayesschen Alters-Tiefen-Modellierung eine neue Chronologie erstellt. Diese wurde durch unabhängige Altersinformationen von 137Cs Konzentrationsmessungen, AMS Radiokarbondatierung und Pollenanalyse bestätigt. Die Warvenchronologie beginnt im späten Allerød und endet AD 2015. Sie offenbart mehr Warven im Holozän als in einer früheren Studie vom Gościąż See gezeigt wurde. Warvenbildung durch die gesamte Jüngere Dryaszeit (JD) hindurch ermöglicht sogar die Identifizierung von jährlich bis dekadisch aufgelösten Abfolgen in Proxyreaktion während der Übergangszonen der JD.
Die spätglaziale Chronologie des Toten Meeres basierte bisher auf Radiokarbon- und U/Th-Datierungen. In den spätglazialen Sedimenten des einzigartigen ICDP-Kern vom tiefen Seezentrum wurde zwischen zwei markanten Gipseinheiten – den Oberen und Zusätzlichen Gipseinheiten (UGU bzw. AGU) – kontinuierlich nach Kryptotephra gesucht. Gläser zweier Kryptotephren korrelieren mit Aschenablagerungen der Süphan und Nemrut Vulkane. Dies deutet darauf hin, dass die AGU ~1000 Jahre jünger ist als bisher angenommen, was sie komplett in die JD verlagert und das darunterliegende warvierte Intervall in das Bølling/Allerød. Diese Ergebnisse widersprechen bisherigen Annahmen.
Unter Verwendung von Mikrofaziesanalysen, stabiler Isotope und Temperaturrekonstruktionen, wurde das zweite Ziel am Gościąż See erreicht. Das Seesystem war während der JD dynamisch und durch höhere aquatische Bioproduktivität, Resuspension und geringere anoxische Bedingungen als das Allerød und frühe Holozän gekennzeichnet. Dies wurde hauptsächlich durch eine verstärkte Wasserzirkulation und Erosion im Einzugsgebiet hervorgerufen, die wiederum durch stärkere Westwinde und geringeren Schutz vor Wind im Einzugsgebiet verursacht wurden. Die Abkühlung am Beginn der JD war etwa 100 Jahre länger als die finale Erwärmung an ihrem Ende, während die Umweltproxies ca. 90 Jahre nach Beginn der Abkühlung, aber gleichzeitig mit der Erwärmung auftraten. Auf Chironomiden basierende Temperatur-rekonstruktionen unterstützen neueste Studien, die milde Sommertemperaturen während der JD anzeigen. Da die meisten europäischen Seearchive keine Warven während der JD erhalten, ist ein solcher Vergleich von jährlich aufgelösten Proxyreaktionen während beiden JD Übergangszonen sehr selten.
Um das zweite Ziel auch am Toten Meer zu realisieren, wurden Mikrofaziesanalysen zwischen der UGU (~17.000 BP) und dem Beginn des Holozäns (~11.000 BP) in Sedimenten aus dem Flachwasserbereich (Masada) und aus dem tiefen Becken (ICDP-Kern) durchgeführt. In diesem Intervall sinkt der Seespiegel gewaltig ab, wobei er von Schwankungen betroffen ist. Daher ist der komplette Übergang in das Holozän nur im ICDP-Kern enthalten, der im tiefen Becken gezogen wurde. In dieser Doktorarbeit wurde dieser Übergang zum ersten Mal kontinuierlich und im Detail untersucht. Während der beiden finalen Seespiegelabfälle wurden die UGU und AGU abgelagert. Zwischen den beiden Gipseinheiten zeugen jedoch Aragonitwarven und nur wenige Extremevents von sedimentärer Stabilität und einem positiven Wasserbudget für beinahe ein Jahrtausend. Selbst innerhalb der UGU und AGU deutet die Ablagerung von Aragonitwarven zwischen Gipslagen auf Dekaden bis Jahrhunderte andauernde Anstiege im Seespiegel hin, was zeigt, dass UGU und AGU nicht kontinuierlich von Trockenheit gekennzeichnet waren. Die kontinuierliche Bildung von Aragonitwarven zeigt hier stabile Phasen über Dekaden, wohingegen mächtigere und häufigere Extremevents generell auf eine erhöhte Instabilität während der Gipseinheiten hindeuten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein komplexes und variables Hydroklima auf unterschiedlichen Zeitskalen während des Spätglazials am Toten Meer operierte. 
Das dritte Ziel wurde basierend auf den individuellen Studien erreicht, die zusammen ein ganzheitliches Bild zu verschiedenen Seesystemreaktionen liefern, die während des Übergangs vom letzten Glazial zum Holozän durch diverse Klimaelemente während abrupter Klimaveränderungen mit hemisphärischen Ausmaßen beeinflusst sind. Grundsätzlich sind die durch Klimaänderungen ausgelösten Faziesänderungen ausgeprägter am Toten Meer als im Gościąż See. Zudem ist der Gościąż See beinahe durchgängig warviert, während die Sedimente des Toten Meeres weithin durch Ablagerungen von Extremevents geprägt sind, welche die Konstruktion einer kontinuierlichen Warvenchronologie verhindern. Die spätglaziale Sedimentation im Gościąż See ist hauptsächlich durch Westwinde beeinflusst und untergeordnet auch durch Vegetationsänderungen im Einzugsgebiet. Im Gegensatz dazu ist die spätglaziale Sedimentation im Toten Meer überwiegend von Schwankungen im Niederschlag während des Winters beeinflusst. Diese wiederum werden durch Temperaturschwankungen im Mittelmeer verursacht. Obwohl die Sedimentationsprozesse so verschieden sind, ist die Sedimentation interessanterweise in beiden Archiven stabiler im Bølling/Allerød und dynamischer in der JD. 
Kurz zusammengefasst, präsentiert diese Doktorarbeit saisonal-aufgelöste Sedimentprofile zweier Seearchive während des Spätglazials (ca. 17.000-11.000 BP), um die Auswirkungen abrupter Klimaveränderungen in verschiedenen Seesystemen zu untersuchen. Neue Altersinformationen anhand der Identifizierung von vulkanischen Aschen in den spätglazialen Sedimenten des Toten Meeres erlaubten die erste Lithologie-basierte Interpretation der JD im Sedimentprofil des Toten Meeres und den Vergleich mit dem Gościąż See. Dies hebt die Bedeutung der Erstellung einer robusten Chronologie hervor und liefert einen ersten Schritt für die Synchronisierung des Toten Meeres mit anderen Archiven im östlichen Mittelmeerraum. Des Weiteren haben die Klimarekonstruktionen anhand der Seesedimente Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen in den Archiven gezeigt. Diese umfassen dekadische bis tausendjährige Schwankungen im Toten Meer und sogar jährliche und sub-dekadische Schwankungen in Proxys während der rapiden Übergangszonen der JD im Gościąż See. Dies zeigt wie bedeutend es ist verschiedene Seearchive zu vergleichen um die regionalen und lokalen Auswirkungen von hemisphärischen Klimaschwankungen besser zu verstehen. Hier wurde eine beispiellose Fallstudie gezeigt, die die diversen Reaktionen unterschiedlicher Seen beleuchtet und aufzeigt wie diese von verschiedenen Klimaelementen abrupter Klimaveränderungen beeinflusst werden können. Dies hebt auch hervor, wie bedeutsam es für Klimarekonstruktionen ist das jeweilige Seesystem zu verstehen.
KW  - paleoclimatology
KW  - Paläoklimatologie
KW  - varved lake sediments
KW  - warvierte Seesedimente
KW  - extreme events
KW  - Extremereignisse
KW  - lake system responses
KW  - Seesystemreaktionen
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558331
ER  - 
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  - GEN
A1  - Arboleda-Zapata, Mauricio
A1  - Angelopoulos, Michael
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Grosse, Guido
A1  - Jones, Benjamin M.
A1  - Tronicke, Jens
T1  - Exploring the capabilities of electrical resistivity tomography to study subsea permafrost
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Sea level rise and coastal erosion have inundated large areas of Arctic permafrost. Submergence by warm and saline waters increases the rate of inundated permafrost thaw compared to sub-aerial thawing on land. Studying the contact between the unfrozen and frozen sediments below the seabed, also known as the ice-bearing permafrost table (IBPT), provides valuable information to understand the evolution of sub-aquatic permafrost, which is key to improving and understanding coastal erosion prediction models and potential greenhouse gas emissions. In this study, we use data from 2D electrical resistivity tomography (ERT) collected in the nearshore coastal zone of two Arctic regions that differ in their environmental conditions (e.g., seawater depth and resistivity) to image and study the subsea permafrost. The inversion of 2D ERT data sets is commonly performed using deterministic approaches that favor smoothed solutions, which are typically interpreted using a user-specified resistivity threshold to identify the IBPT position. In contrast, to target the IBPT position directly during inversion, we use a layer-based model parameterization and a global optimization approach to invert our ERT data. This approach results in ensembles of layered 2D model solutions, which we use to identify the IBPT and estimate the resistivity of the unfrozen and frozen sediments, including estimates of uncertainties. Additionally, we globally invert 1D synthetic resistivity data and perform sensitivity analyses to study, in a simpler way, the correlations and influences of our model parameters. The set of methods provided in this study may help to further exploit ERT data collected in such permafrost environments as well as for the design of future field experiments.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1285 
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571234
SN  - 1866-8372
IS  - 1285
SP  - 4423
EP  - 4445
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Tofelde, Stefanie
A1  - Bufe, Aaron
A1  - Turowski, Jens M.
T1  - Hillslope Sediment Supply Limits Alluvial Valley Width
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1289 
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572879
SN  - 1866-8372
IS  - 1289
ER  - 
TY  - THES
A1  - Farkas, Marton Pal
T1  - Hydraulic fracturing in hard rock – numerical studies from laboratory to reservoir scale
T1  - Hydraulische Brüche in Hartgestein - Numerische Studien vom Labor- bis zum Reservoirmaßstab
N2  - Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled?
In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). 
In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2).
In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3).
The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on far-field stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydro-mechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges.
N2  - Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden?
In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1).
Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2).
In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3).
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h.  bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen.
KW  - hydraulic fracturing
KW  - enhanced geothermal system
KW  - stress measurement
KW  - numerical modelling
KW  - hydraulische Risserzeugung
KW  - petrothermales System (EGS)
KW  - Spannungsmessung
KW  - numerische Modellierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549343
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steding, Svenja
T1  - Geochemical and Hydraulic Modeling of Cavernous Structures in Potash Seams
T1  - Geochemische und hydraulische Modellierung kavernöser Strukturen in Kaliflözen
N2  - Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits.

The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration.

The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures.
N2  - Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern.

Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren  Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden.

Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden.
KW  - reactive transport
KW  - reaktiver Transport
KW  - salt rock
KW  - Salzgestein
KW  - water rock interactions
KW  - Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen
KW  - density-driven flow
KW  - dichtegetriebene Strömung
KW  - PHREEQC
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548182
ER  - 
TY  - THES
A1  - Richter, Maximilian Jacob Enzo Amandus
T1  - Continental rift dynamics across the scales
T1  - Dynamiken kontinentaler Grabenbrüche über die Skalen
BT  - numerical modelling of localisation processes
BT  - numerische Modellierung von Lokalisations-Prozessen
N2  - Localisation of deformation is a ubiquitous feature in continental rift dynamics and observed across drastically different time and length scales. This thesis comprises one experimental and two numerical modelling studies investigating strain localisation in (1) a ductile shear zone induced by a material heterogeneity and (2) in an active continental rift setting. The studies are related by the fact that the weakening mechanisms on the crystallographic and grain size scale enable bulk rock weakening, which fundamentally enables the formation of shear zones, continental rifts and hence plate tectonics. Aiming to investigate the controlling mechanisms on initiation and evolution of a shear zone, the torsion experiments of the experimental study were conducted in a Patterson type apparatus with strong Carrara marble cylinders with a weak, planar Solnhofen limestone inclusion. Using state-of-the-art numerical modelling software, the torsion experiments were simulated to answer questions regarding localisation procedure like stress distribution or the impact of rheological weakening. 2D numerical models were also employed to integrate geophysical and geological data to explain characteristic tectonic evolution of the Southern and Central Kenya Rift. Key elements of the numerical tools are a randomized initial strain distribution and the usage of strain softening. During the torsion experiments, deformation begins to localise at the limestone inclusion tips in a process zone, which propagates into the marble matrix with increasing deformation until a ductile shear zone is established. Minor indicators for coexisting brittle deformation are found close to the inclusion tip and presumed to slightly facilitate strain localisation besides the dominant ductile deformation processes. The 2D numerical model of the torsion experiment successfully predicts local stress concentration and strain rate amplification ahead of the inclusion in first order agreement with the experimental results. A simple linear parametrization of strain weaking enables high accuracy reproduction of phenomenological aspects of the observed weakening. The torsion experiments suggest that loading conditions do not affect strain localisation during high temperature deformation of multiphase material with high viscosity contrasts. A numerical simulation can provide a way of analysing the process zone evolution virtually and extend the examinable frame. Furthermore, the nested structure and anastomosing shape of an ultramylonite band was mimicked with an additional second softening step. Rheological weakening is necessary to establish a shear zone in a strong matrix around a weak inclusion and for ultramylonite formation.
Such strain weakening laws are also incorporated into the numerical models of the
Southern and Central Kenya Rift that capture the characteristic tectonic evolution. A three-stage early rift evolution is suggested that starts with (1) the accommodation of strain by a single border fault and flexure of the hanging-wall crust, after which (2) faulting in the hanging-wall and the basin centre increases before (3) the early-stage asymmetry is lost and basinward localisation of deformation occurs. Along-strike variability of rifts can be produced by modifying the initial random noise distribution. In summary, the three studies address selected aspects of the broad range of mechanisms and processes that fundamentally enable the deformation of rock and govern the localisation patterns across the scales. In addition to the aforementioned results, the first and second manuscripts combined, demonstrate a procedure to find new or improve on existing numerical formulations for specific rheologies and their dynamic weakening. These formulations are essential in addressing rock deformation from the grain to the global scale. As within the third study of this thesis, where geodynamic controls on the evolution of a rift were examined and acquired by the integration of geological and geophysical data into a numerical model.
N2  - Die Lokalisierung von Deformation ist ein allgegenwärtiges Merkmal in der Dynamik von Grabenbrüchen bzw. Riftzonen und wird über verschiedene Zeit- und Längenskalen beobachtet. Diese Arbeit umfasst eine experimentelle und zwei numerische Studien zur Untersuchung der Lokalisierung von Deformation in (1) einer durch eine Materialheterogenität induzierten duktilen Scherzone und (2) in einem aktiven Kontinentalgraben. Die Studien verbindet, dass die Schwächungsmechanismen auf der kristallographischen Skala und der Korngrößenskala eine Enthärtung eines Gesteinkörpers ermöglicht, was im Wesentlichen die Bildung von Scherzonen, Grabenbrüchen und damit Plattentektonik ermöglicht.
Um die Kontrollmechanismen für die Initiierung und Entwicklung einer Scherzone zu untersuchen, wurden die Torsionsexperimente der experimentellen Studie in einem Patterson-Gerät an starken Carrara-Marmorzylinder mit einer schwachen, planaren Solnhofen-Kalksteineinschluss durchgeführt. Mit modernster numerischer Modellierungssoftware wurden die Torsionsexperimente simuliert, um weitere Fragen zum Lokalisierungsablauf wie die Verteilung der Spannung oder den Einfluss rheologischer Schwächung zu beantworten. Numerische 2D-Modelle wurden auch verwendet, um geophysikalische und geologische Daten zu kombinieren, um die charakteristische tektonische Entwicklung des südlichen und zentralen Kenia-Rifts zu erklären. Schlüsselelemente der verwendeten numerischen Werkzeuge sind eine randomisierte Anfangsverteilung des Strain und der Einsatz von Strain basierter Enthärtung. Während der Torsionsversuche lokalisiert die Deformation zunächst an den Kalksteineinschlussspitzen in einer Prozesszone, die sich mit zunehmender Deformation in die Marmormatrix ausbreitet bis sich eine duktile Scherzone einstellt. Neben den dominierenden duktilen Verformungsprozessen werden geringfügige Indikatoren für eine koexistierende spröde Verformung nahe der Einschlussspitzen gefunden und es wird angenommen, dass diese die Lokalisierung der Deformation geringfügig erleichtern. In erster Ordnung sagt das numerische 2D-Modell des Torsionsexperiments erfolgreich lokale Spannungskonzentration und Strainratenverstärkung vor der Inklusion in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorher. Eine einfache lineare Parametrisierung der Enthärtung durch Strain ermöglicht eine genaue Reproduktion phänomenologischer Aspekte der beobachteten Schwächung. Die Torsionsexperimente legen nahe, dass die Randbedingungen die Lokalisierung des Strain während der Hochtemperaturverformung von Mehrphasenmaterial mit hohen Viskositätskontrasten nicht beeinflussen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die Entwicklung der Prozesszone virtuell zu analysieren und den Untersuchungsrahmen zu erweitern. Darüber hinaus wurde die verschachtelte Struktur und anastomosierende Form eines Ultramylonitbandes mit einem zusätzlichen zweiten Enthärtungsschritt nachgeahmt. Die rheologische Schwächung ist notwendig, um eine Scherzone in einer starken Matrix um einen schwachen Einschluss herum und für die Ultramylonitbildung zu etablieren. Solche Schwächungsgesetze, die auf Strain basieren, fließen auch in die numerischen Modelle des südlichen und zentralen Kenia-Rifts ein, die die charakteristische tektonische Entwicklung erfassen. Es wird eine dreistufige frühe Riftentwicklung vorgeschlagen, die mit (1) der Anpassung von Spannungen durch eine einzelne Grenzstörung und Biegung der hangenden Kruste beginnt, wonach (2) die Verwerfung im Hangenden und im Beckenzentrum zunimmt, bevor (3) die Asymmetrie des Frühstadiums verloren geht und es zu einer beckenseitigen Deformationslokalisierung kommt. Die Variabilität von Rissen entlang des Rifts kann durch Modifizieren der anfänglichen zufälligen Rauschverteilung erzeugt werden.
Zusammenfassend befassen sich die drei Studien mit ausgewählten Aspekten der breiten Palette von Mechanismen und Prozessen, die die Deformation von Gestein grundlegend ermöglichen und die Lokalisierungsmuster über die Skalen bestimmen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen demonstrieren das erste und zweite Manuskript in Kombination ein Verfahren, um neue oder bestehende numerische Formulierungen für spezifische Rheologien und deren dynamische Schwächung zu finden oder zu verbessern. Diese Formulierungen sind essenziell, um Gesteinsverformung von der Korngrößen bis zur globalen Skala zu untersuchen. Wie in der dritten Studie dieser Dissertation, in der geodynamische Kontrollen auf die Entwicklung eines Grabenbruchs durch die Integration geologischer und geophysikalischer Daten in ein numerisches Modell untersucht und erfasst wurden.
KW  - Strain Localisation
KW  - Continental Rifts
KW  - Torsion Experiments
KW  - Geodynamic Modelling
KW  - 2D Numerical Modelling
KW  - Lokalisierung von Deformation
KW  - Grabenbrüche
KW  - Geodynamische Modellierung
KW  - Torsionsexperimente
KW  - Numerische 2D Modellierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550606
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hennig, Theresa
T1  - Uranium migration in the Opalinus Clay quantified on the host rock scale with reactive transport simulations
T1  - Uranmigration im Opalinuston quantifiziert für die Wirtsgesteinsskala mit reaktiven Transportsimulationen
N2  - Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (>100 m). 

Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale.

Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. 

Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients.

The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 > hydrogeology > mineralogy.  

The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m.
N2  - Zum Schutz von Mensch und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen abgebrannter Brennelemente, wird weltweit die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen favorisiert. Daher ist das Rückhaltevermögen potenzieller Wirtsgesteine gegenüber Radionukliden ein wichtiges Kriterium. Sicherheitsbewertungen basieren auf der Quantifizierung der Migration mit numerischen Simulationen, da Experimente die erforderlichen zeitlichen (1 Ma) und räumlichen Skalen (>100 m) nicht abdecken können. 

Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala.

Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. 

Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden.

Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 > Hydrogeologie > Mineralogie.  

Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen.
KW  - uranium
KW  - Opalinus Clay
KW  - PHREEQC
KW  - diffusion
KW  - sorption
KW  - nuclear waste disposal
KW  - reactive transport simulation
KW  - host rock scale
KW  - Opalinuston
KW  - PHREEQC
KW  - Diffusion
KW  - Wirtsgesteinsskala
KW  - Endlagerung nuklearer Abfälle
KW  - reaktive Transportsimulation
KW  - Sorption
KW  - Uran
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552700
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sudibyo, Maria R. P.
A1  - Eibl, Eva P. S.
A1  - Hainzl, Sebastian
A1  - Hersir, Gylfi Páll
T1  - Eruption Forecasting of Strokkur Geyser, Iceland, Using Permutation Entropy
JF  - Journal of geophysical research : Solid earth
N2  - A volcanic eruption is usually preceded by seismic precursors, but their interpretation and use for forecasting the eruption onset time remain a challenge. A part of the eruptive processes in open conduits of volcanoes may be similar to those encountered in geysers. Since geysers erupt more often, they are useful sites for testing new forecasting methods. We tested the application of Permutation Entropy (PE) as a robust method to assess the complexity in seismic recordings of the Strokkur geyser, Iceland. Strokkur features several minute-long eruptive cycles, enabling us to verify in 63 recorded cycles whether PE behaves consistently from one eruption to the next one. We performed synthetic tests to understand the effect of different parameter settings in the PE calculation. Our application to Strokkur shows a distinct, repeating PE pattern consistent with previously identified phases in the eruptive cycle. We find a systematic increase in PE within the last 15 s before the eruption, indicating that an eruption will occur. We quantified the predictive power of PE, showing that PE performs better than seismic signal strength or quiescence when it comes to forecasting eruptions.
KW  - permutation entropy
KW  - forecasting
KW  - geyser
KW  - eruption
KW  - hydrothermal system;
KW  - volcano-seismology
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2022JB024840
SN  - 2169-9313
SN  - 2169-9356
VL  - 127
IS  - 10
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Rolph, Rebecca
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Ravens, Thomas
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Langer, Moritz
T1  - ArcticBeach v1.0
BT  - a physics-based parameterization of pan-Arctic coastline erosion
JF  - Frontiers in Earth Science
N2  - In the Arctic, air temperatures are increasing and sea ice is declining, resulting in larger waves and a longer open water season, all of which intensify the thaw and erosion of ice-rich coasts. Climate change has been shown to increase the rate of Arctic coastal erosion, causing problems for Arctic cultural heritage, existing industrial, military, and civil infrastructure, as well as changes in nearshore biogeochemistry. Numerical models that reproduce historical and project future Arctic erosion rates are necessary to understand how further climate change will affect these problems, and no such model yet exists to simulate the physics of erosion on a pan-Arctic scale. We have coupled a bathystrophic storm surge model to a simplified physical erosion model of a permafrost coastline. This Arctic erosion model, called ArcticBeach v1.0, is a first step toward a physical parameterization of Arctic shoreline erosion for larger-scale models. It is forced by wind speed and direction, wave period and height, sea surface temperature, all of which are masked during times of sea ice cover near the coastline. Model tuning requires observed historical retreat rates (at least one value), as well as rough nearshore bathymetry. These parameters are already available on a pan-Arctic scale. The model is validated at three study sites at 1) Drew Point (DP), Alaska, 2) Mamontovy Khayata (MK), Siberia, and 3) Veslebogen Cliffs, Svalbard. Simulated cumulative retreat rates for DP and MK respectively (169 and 170 m) over the time periods studied at each site (2007-2016, and 1995-2018) are found to the same order of magnitude as observed cumulative retreat (172 and 120 m). The rocky Veslebogen cliffs have small observed cumulative retreat rates (0.05 m over 2014-2016), and our model was also able to reproduce this same order of magnitude of retreat (0.08 m). Given the large differences in geomorphology between the study sites, this study provides a proof-of-concept that ArcticBeach v1.0 can be applied on very different permafrost coastlines. ArcticBeach v1.0 provides a promising starting point to project retreat of Arctic shorelines, or to evaluate historical retreat in places that have had few observations.
KW  - permafrost
KW  - erosion
KW  - modelling
KW  - arctic
KW  - climate change
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/feart.2022.962208
SN  - 2296-6463
VL  - 10
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Klein, Konstantin
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Rolph, Rebecca
T1  - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic)
JF  - Water / Molecular Diversity Preservation International (MDPI)
N2  - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion.
KW  - ocean color remote sensing
KW  - Arctic ocean
KW  - suspended sediment
KW  - Landsat
KW  - Sentinel 2
KW  - ERA5
KW  - nearshore zone
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/w14111751
SN  - 2073-4441
VL  - 14
SP  - 1
EP  - 13
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 11
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schönfeldt, Elisabeth
T1  - Giant landslides in Patagonia, Argentina
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Klein, Konstantin
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Rolph, Rebecca
T1  - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic)
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1270 
KW  - ocean color remote sensing
KW  - Arctic ocean
KW  - suspended sediment
KW  - Landsat
KW  - Sentinel 2
KW  - ERA5
KW  - nearshore zone
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561765
SN  - 1866-8372
SP  - 1
EP  - 13
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klein, Konstantin Paul
T1  - Remote Sensing of Suspended Sediment Dynamics in the Arctic Nearshore Zone
T1  - Sedimentdynamiken im arktischen Nahküstenbereich analysiert mit Fernerkundungsdaten
N2  - The Arctic nearshore zone plays a key role in the carbon cycle. Organic-rich sediments get eroded off permafrost affected coastlines and can be directly transferred to the nearshore zone. Permafrost in the Arctic stores a high amount of organic matter and is vulnerable to thermo-erosion, which is expected to increase due to climate change. This will likely result in higher sediment loads in nearshore waters and has the potential to alter local ecosystems by limiting light transmission into the water column, thus limiting primary production to the top-most part of it, and increasing nutrient export from coastal erosion. Greater organic matter input could result in the release of greenhouse gases to the atmosphere. Climate change also acts upon the fluvial system, leading to greater discharge to the nearshore zone. It leads to decreasing sea-ice cover as well, which will both increase wave energy and lengthen the open-water season. Yet, knowledge on these processes and the resulting impact on the nearshore zone is scarce, because access to and instrument deployment in the nearshore zone is challenging. 
Remote sensing can alleviate these issues in providing rapid data delivery in otherwise non-accessible areas. However, the waters in the Arctic nearshore zone are optically complex, with multiple influencing factors, such as organic rich suspended sediments, colored dissolved organic matter (cDOM), and phytoplankton. The goal of this dissertation was to use remotely sensed imagery to monitor processes related to turbidity caused by suspended sediments in the Arctic nearshore zone. In-situ measurements of water-leaving reflectance and surface water turbidity were used to calibrate a semi-empirical algorithm which relates turbidity from satellite imagery. Based on this algorithm and ancillary ocean and climate variables, the mechanisms underpinning nearshore turbidity in the Arctic were identified at a resolution not achieved before.
The calibration of the Arctic Nearshore Turbidity Algorithm (ANTA) was based on in-situ measurements from the coastal and inner-shelf waters around Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) in the western Canadian Arctic from the summer seasons 2018 and 2019. It performed better than existing algorithms, developed for global applications, in relating turbidity from remotely sensed imagery. These existing algorithms were lacking validation data from permafrost affected waters, and were thus not able to reflect the complexity of Arctic nearshore waters. The ANTA has a higher sensitivity towards the lowest turbidity values, which is an asset for identifying sediment pathways in the nearshore zone. Its transferability to areas beyond HIQ was successfully demonstrated using turbidity measurements matching satellite image recordings from Adventfjorden, Svalbard. The ANTA is a powerful tool that provides robust turbidity estimations in a variety of Arctic nearshore environments.
Drivers of nearshore turbidity in the Arctic were analyzed by combining ANTA results from the summer season 2019 from HIQ with ocean and climate variables obtained from the weather station at HIQ, the ERA5 reanalysis database, and the Mackenzie River discharge. ERA5 reanalysis data were obtained as domain averages over the Canadian Beaufort Shelf. Nearshore turbidity was linearly correlated to wind speed, significant wave height and wave period. Interestingly, nearshore turbidity was only correlated to wind speed at the shelf, but not to the in-situ measurements from the weather station at HIQ. This shows that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, gets influenced by the weather conditions multiple kilometers away, rather than in its direct vicinity. The large influence of wave energy on nearshore turbidity indicates that freshly eroded material off the coast is a major contributor to the nearshore sediment load. This contrasts results from the temperate and tropical oceans, where tides and currents are the major drivers of nearshore turbidity. The Mackenzie River discharge was not identified as a driver of nearshore turbidity in 2019, however, the analysis of 30 years of Landsat archive imagery from 1986 to 2016 suggests a direct link between the prevailing wind direction, which heavily influences the Mackenzie River plume extent, and nearshore turbidity around HIQ. This discrepancy could be caused by the abnormal discharge behavior of the Mackenzie River in 2019.
This dissertation has substantially advanced the understanding of suspended sediment processes in the Arctic nearshore zone and provided new monitoring tools for future studies. The presented results will help to understand the role of the Arctic nearshore zone in the carbon cycle under a changing climate.
N2  - Der arktische Nahküstenbereich spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Küsten, die Permafrostböden aufweisen, sind sehr anfällig für Thermoerosion, wodurch Sediment und unzersetzte, organische Überreste in den Arktischen Ozean gelangen können. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass Thermoerosion in Zukunft größere Erosionsraten hervorrufen wird. Permafrostböden enthalten große Mengen organischer Überreste, die nach dem Auftauen von Mikroorganismen zersetzt werden, wodurch Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen können. Erhöhte Sedimentmengen in den Küstengewässern verhindert außerdem das Eindringen elektromagnetischer Strahlung in die Wassersäule, wodurch die auf Photosynthese basierte Primärproduktion in tieferen Wasserschichten stark reduziert wird. Durch den Klimawandel transportieren Flüsse in der Arktis mehr Frischwasser und Sediment in die Nahküstenbereiche, und erhöhte Temperaturen verringern die Meereisausdehnung. All diese Prozesse können das Ökosystem des arktischen Nahküstenbereiches nachhaltig verändern, allerdings ist das Verständnis von Interaktionen untereinander und deren Resultate begrenzt, da sich die Datensammlung in arktischen Nahküstenbereichen sehr herausfordernd gestaltet.
Fernerkundungsmethoden bieten die Möglichkeit der vergleichsweise unkomplizierten Datenaufnahme nur schwer erreichbarer Regionen wie dem arktischen Nahküstenbereich. Arktische Küstengewässer sind allerdings optisch komplex, und Wasserinhaltsstoffe wie Sediment, organische Überreste, gelöstes Material und Plankton erschweren genaue Analysen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Satellitenbilder zu analysieren und Sedimentdynamiken zu identifizieren, die die Wassertrübung beeinflussen. In einem empirischen Algorithmus wird die von der Wasseroberfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung genutzt, um die Wassertrübung zu berechnen. Zusammen mit einer Sammlung von Wetterdaten und anderen Umwelteinflüssen wurden Mechanismen identifiziert, die die Wassertrübung arktischer Küstengewässer beeinflussen.
Die Kalibrierung des Algorithmus zur Berechnung der Wassertrübung (ANTA) wurde mit Messungen aus den Küstengewässern in der Nähe von Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) auf dem Kanadischen Beaufortschelf durchgeführt. Seine Anwendung führt verglichen mit bereits existierenden Algorithmen zu besseren Ergebnissen, die für den weltweiten Gebrauch vorgesehen sind. Für die Kalibrierung dieser Algorithmen wurden keine Messungen arktischer Nahküstenbereiche genutzt, wodurch die optische Komplexität nur unzureichend wiedergegeben werden kann. Der ANTA ist besser geeignet, um Transportwege von Sediment an der Wasseroberfläche zu identifizieren, weil nahezu klare Gewässer mit höherer Genauigkeit klassifiziert werden. Messungen aus dem Adventfjord in Spitzbergen zeigen, dass der ANTA auch außerhalb der Kanadischen Beaufortsee akkurate Ergebnisse produziert, was ihn zu einem wichtigen Werkzeug zukünftiger Untersuchungen arktischer Nahküstenbereiche macht.
Um Prozesse zu identifizieren, die die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern beeinflussen, wurden ANTA-Ergebnisse aus dem Sommer 2019 von HIQ, Messungen der Wetterstation auf HIQ, Wetter- und Klimamodellierungen des Kanadischen Beaufortschelfes und Abflussdaten des Mackenzie genutzt. Die Wassertrübung korreliert linear mit der Windgeschwindigkeit, der Wellenhöhe und der Wellenperiodendauer. Es ist beachtenswert, dass die Wassertrübung nur mit der Windgeschwindigkeit auf dem Beaufortschelf, nicht aber mit der Windgeschwindigkeit auf HIQ korreliert. Dies zeigt, dass weit entfernte Prozesse großen Einfluss auf die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern haben können, obwohl die Wassertrübung selber nur ein kleines Gebiet beeinflusst. Der große Einfluss von Wellenenergie aus die Wassertrübung unterstreicht sowohl die Wirksamkeit von Erosion als auch, dass kürzlich erodiertes Sediment einen erheblichen Anteil der Sedimentfracht im Nahküstenbereich ausmacht. Dies unterscheidet den Arktischen Ozean von den gemäßigten und tropischen Ozeanen, wo Gezeiten und Strömungen die größten Einflüsse auf die Wassertrübung im Nahküstenbereich sind. Die vom Mackenzie transportierten Sedimente haben keinen Einfluss auf die Wassertrübung um HIQ im Sommer 2019, allerdings zeigt die Analyse des dreißigjährigen Bildarchives der Landsat-Satelliten, dass die Windrichtung, welche maßgeblichen Einfluss auf die Verteilung der transportierten Sedimente nimmt, ein wichtiger Faktor sein kann. Diese Diskrepanz könnte jedoch auch dem untypischen Abflussverhalten des Mackenzie im Jahr 2019 geschuldet sein.
Diese Dissertation hat maßgeblichen Anteil am derzeitigen Verständnis der Prozesse im dynamischen Nahküstenbereich des Arktischen Ozeans. Die vorgestellten Methoden und erlangten Ergebnisse werden helfen, in zukünftigen Studien die Rolle des arktischen Nahküstenbereiches im Kohlenstoffkreislauf zu analysieren und quantifizieren.
KW  - ocean color remote sensing
KW  - Arctic nearhore zone
KW  - turbidity modelling
KW  - arktischer Nahküstenbereich
KW  - Gewässerfernerkundung
KW  - Modellierung der Wassertrübung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576032
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zhang, Di
A1  - Cao, Kai
A1  - Yuan, Xiaoping
A1  - Wang, Guocan
A1  - van der Beek, Peter
T1  - Late Oligocene-early Miocene origin of the First Bend of the Yangtze River explained by thrusting-induced river reorganization
JF  - Geomorphology
N2  - The origin of the First Bend of the Yangtze River is key to understanding the birth of the modern Yangtze River. Despite considerable efforts, the timing and mechanism of formation of the First Bend remain highly debated. Inverse river-profile modeling of three tributaries (Chongjiang, Lima, and Gudu) of the Jinsha River, integrated with regional tectonic and geomorphic interpretations, allows the onset of incision at the First Bend to be constrained to 28-20 Ma. The spatio-temporal coincidence of initial river incision and activity of Yulong Thrust Belt in southeastern Tibet highlights thrusting to be fundamental in reshaping the pre-existing stream network at the First Bend. These results enable us to reinterpret a change in sedimentary environment from a braided river to a swamp-like lake in the Jianchuan Basin south of the First Bend, recording the destruction of the hypothesized southwards-flowing paleo-Jinsha and Shuiluo Rivers at ~36-35 Ma by magmatism. During the late Oligoceneearly Miocene, the paleo-Shuiluo River was diverted to the north by focused rock uplift due to thrusting along the Yulong Thrust Belt, which also led to exhumation of the Jianchuan Basin. Diversion of the paleo-Shuiluo River can be explained by capture from a downstream river in the footwall of the Yulong Thrust Belt. Subsequent rapid headward erosion, that was caused by thrusting-induced drop of local base level, is recorded by upstream younging ages for the onset of incision and led to the formation of the First Bend. The combination of new ages for the onset of incision at 28-20 Ma at the First Bend and younger ages upstream indicates northwards expansion of the Jinsha River at a rate of 62 +/- 18 mm/yr. Our results suggest that the origin of the First Bend was likely triggered by thrusting at 28-20 Ma, after which the Yangtze River formed.
KW  - Tibetan Plateau
KW  - Yangtze River
KW  - river incision
KW  - inverse modeling
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108303
SN  - 0169-555X
SN  - 1872-695X
VL  - 411
PB  - Elsevier Science
CY  - Amsterdam [u.a.]
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Braun, Jean
T1  - Comparing the transport-limited and ξ-q models for sediment transport
JF  - Earth surface dynamics
N2  - Here I present a comparison between two of the most widely used reduced-complexity models for the representation of sediment transport and deposition processes, namely the transport-limited (or TL) model and the under-capacity (or xi-q) model more recently developed by Davy and Lague (2009). Using both models, I investigate the behavior of a sedimentary continental system of length L fed by a fixed sedimentary flux from a catchment of size A(0) in a nearby active orogen through which sediments transit to a fixed base level representing a large river, a lake or an ocean. This comparison shows that the two models share the same steady-state solution, for which I derive a simple 1D analytical expression that reproduces the major features of such sedimentary systems: a steep fan that connects to a shallower alluvial plain. The resulting fan geometry obeys basic observational constraints on fan size and slope with respect to the upstream drainage area, A(0). The solution is strongly dependent on the size of the system, L, in comparison to a distance L-0, which is determined by the size of A(0), and gives rise to two fundamentally different types of sedimentary systems: a constrained system where L < L-0 and open systems where L > L-0. I derive simple expressions that show the dependence of the system response time on the system characteristics, such as its length, the size of the upstream catchment area, the amplitude of the incoming sedimentary flux and the respective rate parameters (diffusivity or erodibility) for each of the two models. I show that the xi-q model predicts longer response times. I demonstrate that although the manner in which signals propagates through the sedimentary system differs greatly between the two models, they both predict that perturbations that last longer than the response time of the system can be recorded in the stratigraphy of the sedimentary system and in particular of the fan. Interestingly, the xi-q model predicts that all perturbations in the incoming sedimentary flux will be transmitted through the system, whereas the TL model predicts that rapid perturbations cannot. I finally discuss why and under which conditions these differences are important and propose observational ways to determine which of the two models is most appropriate to represent natural systems.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.5194/esurf-10-301-2022
SN  - 2196-6311
SN  - 2196-632X
VL  - 10
IS  - 2
SP  - 301
EP  - 327
PB  - Copernicus
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mukherjee, Shreya
A1  - Adhikari, Avishek
A1  - Nicoli, Gautier
A1  - Vadlamani, Ravikant
T1  - Neoarchean (similar to 2.73-2.70 Ga) accretionary history of the eastern Dharwar Craton, India
BT  - Lu-Hf and Sm-Nd garnet geochronologic constraints from the Karimnagar granulite-facies supracrustal enclaves
JF  - Precambrian research
N2  - Cratonic mid-crustal plutons may contain supracrustal enclaves that preserve evidence of an earlier growth history. The Eastern Dharwar craton records Neoarchean two-stage accretionary sequential growth (2.70 and 2.55 Ga) and a chronology of their enclaves could refine orogenic models. To test whether the metamorphic history of their enclaves was related to any of these stages, phase equilibria modelling and combined Lu-Hf and Sm-Nd geochronology on garnet were conducted on metapsammite, now preserved as garnet-orthopyroxene-cordierite gneiss. Phase equilibria modelling indicates peak metamorphic conditions, similar to 850 degrees C and similar to 8.5 kbar (M1a), were followed by near isothermal decompression to 5-6 kbar (M1b) and isobaric cooling to similar to 800 degrees C (M1c). The thermobaric gradient related to peak metamorphic conditions, similar to 30 degrees C kbar(-1), is typical of collisional orogens. Regression of the whole-rock and garnet, for sample S17b, yield Lu-Hf isochron ages of 2733 +/- 29 Ma, and for sample S18, 2724 +/- 13 Ma. A Lu-Hf weighted mean age for the porphyroblastic garnet suggests growth at 2725.5 +/- 11.9 Ma during the M1a-M1b stages. In contrast, the whole-rock sample S17b and the garnet fractions yield a Sm-Nd isochron age of 2696 +/- 10 Ma. From sample S18 the whole rock, garnet fractions, and orthopyroxene yield an isochron age of 2683 +/- 15 Ma. The garnet Sm-Nd weighted mean age at 2692.0 +/- 8.3 Ma constrains the M1b-M1c stages. We suggest that the protoliths to these supracrustal enclaves were deposited in an arc tectonic setting and underwent thickening followed by heating during peeled-back lithospheric convergence. Therefore, the earliest of the craton-forming accretionary stages is preserved as the similar to 2.73 Ga granulite-facies enclaves, marginally older than the 2.70-2.65 Ga cratonic greenstone volcanism. Tectonic exhumation of these mid-crustal granulite enclaves was in response to the late-Proterozoic (similar to 1.7 Ga) Bhopalpatnam orogeny.
KW  - Eastern Dharwar craton
KW  - Granulite enclaves
KW  - Garnet-orthopyroxene-cordierite gneiss
KW  - Lu-Hf
KW  - Sm-Nd
KW  - Geochronology
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.precamres.2022.106657
SN  - 0301-9268
VL  - 375
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Valerian
T1  - Mechanical and hydraulic properties of Opalinus Clay
T1  - Mechanische und hydraulische Eigenschaften von Opalinuston
BT  - influence of compositional heterogeneity and thermodynamic boundary conditions
BT  - Einfluss von kompositorischer Heterogenität und thermodynamischen Randbedingungen
N2  - Deep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties.
Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents the results of deformation experiments performed on intact and artificially fractured specimens of the quartz-rich, sandy and clay-rich, shaly facies of OPA. The experiments focus on the influence of mineralogical composition on the deformation behavior as well as the reactivation and sealing properties of pre-existing faults and fractures at different boundary conditions (e.g., pressure, temperature, strain rate).
The anisotropic mechanical properties of the sandy facies of OPA are presented in the first section, which were determined from triaxial deformation experiments using dried and resaturated samples loaded at 0°, 45° and 90° to the bedding plane orientation. A Paterson-type deformation apparatus was used that allowed to investigate how the deformation behavior is influenced by the variation of confining pressure (50 – 100 MPa), temperature (25 – 200 °C), and strain rate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1). Constant strain rate experiments revealed brittle to semi-brittle deformation behavior of the sandy facies at the applied conditions. Deformation behavior showed a strong dependence on confining pressure, degree of water saturation as well as bedding orientation, whereas the variation of temperature and strain rate had no significant effect on deformation. Furthermore, the sandy facies displays higher strength and stiffness compared to the clay-rich shaly facies deformed at similar conditions by Nüesch (1991). From the obtained results it can be concluded that cataclastic mechanisms dominate the short-term deformation behavior of dried samples from both facies up to elevated pressure (<200 MPa) and temperature (<200 °C) conditions.
The second part presents triaxial deformation tests that were performed to investigate how structural discontinuities affect the deformation behavior of OPA and how the reactivation of preexisting faults is influenced by mineral composition and confining pressure. To this end, dried cylindrical samples of the sandy and shaly facies of OPA were used, which contained a saw-cut fracture oriented at 30° to the long axis. After hydrostatic pre-compaction at 50 MPa, constant strain rate deformation tests were performed at confining pressures of 5, 20 or 35 MPa. With increasing confinement, a gradual transition from brittle, highly localized fault slip including a stress drop at fault reactivation to semi-brittle deformation behavior, characterized by increasing delocalization and non-linear strain hardening without dynamic fault reactivation, can be observed. Brittle localization was limited by the confining pressure at which the fault strength exceeded the matrix yield strength, above which strain partitioning between localized fault slip and distributed matrix deformation occurred. The sandy facies displayed a slightly higher friction coefficient (≈0.48) compared to the shaly facies (≈0.4). In addition, slide-hold-slide tests were conducted, revealing negative or negligible frictional strengthening, which suggests stable creep and long-term weakness of faults in both facies of OPA. The conducted experiments demonstrate that dilatant brittle fault reactivation in OPA may be favored at high overconsolidation ratios and shallow depths, increasing the risk of seismic hazard and the creation of fluid pathways.
The final section illustrates how the sealing capacity of fractures in OPA is affected by mineral composition. Triaxial flow-through experiments using Argon-gas were performed with dried samples from the sandy and shaly facies of OPA containing a roughened, artificial fracture. Slate, graywacke, quartzite, natural fault gouge, and granite samples were also tested to highlight the influence of normal stress, mineralogy and diagenesis on the sustainability of fracture transmissivity. With increasing normal stress, a non-linear decrease of fracture transmissivity can be observed that resulted in a permanent reduction of transmissivity after stress release. The transmissivity of rocks with a high portion of strong minerals (e.g., quartz) and high unconfined compressive strength was less sensitive to stress changes. In accordance with this, the sandy facies of OPA displayed a higher initial transmissivity that was less sensitive to stress changes compared to the shaly facies. However, transmissivity of rigid slate was less sensitive to stress changes than the sandy facies of OPA, although the slate is characterized by a higher phyllosilicate content. This demonstrates that in addition to mineral composition, other factors such as the degree of metamorphism, cementation and consolidation have to be considered when evaluating the sealing capacity of phyllosilicate-rich rocks.
The results of this thesis highlighted the role of confining pressure on the failure behavior of intact and artificially fractured OPA. Although the quartz-rich sandy facies may be considered as being more favorable for underground constructions due to its higher shear strength and stiffness than the shaly facies, the results indicate that when fractures develop in the sandy facies, they are more conductive and remain more permeable compared to fractures in the clay-dominated shaly facies at a given stress. The results may provide the basis for constitutive models to predict the integrity and evolution of a future repository. Clearly, the influence of composition and consolidation, e.g., by geological burial and uplift, on the mechanical sealing behavior of OPA highlights the need for a detailed site-specific material characterization for a future repository.
N2  - Geologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. 
Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eine verbesserte Beurteilung des wirksamen Einschlusses sowie der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers in OPA ermöglichen. Vor diesem Hintergrund präsentiert diese Arbeit die Ergebnisse von triaxialen Verformungsexperimenten, die an intakten und künstlich gestörten Proben der quarzreichen, sandigen sowie tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden sind. Ein besonderer Fokus ist hierbei auf den Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung auf das Verformungsverhalten sowie die Reaktivierungs- und Abdichtungseigenschaften von bereits bestehenden Scherzonen und Rissen bei unterschiedlichen Randbedingungen (z. B. Druck, Temperatur, Dehnungsrate) gelegt worden. 
Im ersten Abschnitt werden die anisotropen mechanischen Eigenschaften der sandigen Fazies von OPA vorgestellt. Hierfür sind triaxiale Verformungsexperimente an getrockneten und wassergesättigten Proben durchgeführt worden, die in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur relativ zur vorhandenen Schichtung belastet worden sind. Mittels einer Paterson Gasdruckapparatur ist der Einfluss von Mantelspannung (50 – 100 MPa), Temperatur (25 – 200 °C) und Verformungsrate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1) auf das Deformationsverhalten untersucht worden. Die Experimente zeigen ein sprödes bis halbsprödes Verformungsverhalten der sandigen Fazies, wobei ein deutlicher Einfluss von Manteldruck, Wassersättigung sowie Schichtungsorientierung festgestellt werden konnte. Im Gegensatz dazu zeigt die Änderung von Temperatur und Verformungsrate keinen signifikanten Einfluss auf das Deformationsverhalten und die Festigkeitseigenschaften der sandigen Fazies. Verglichen mit der tonigen Fazies (Nüesch 1991) weist die sandige Fazies des OPA eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das kurzfristige Verformungsverhalten getrockneter Proben beider Faziestypen bis zu erhöhten Druck- (<200 MPa) und Temperaturbedingungen (<200 °C) von kataklastischen Deformationsmechanismen dominiert wird.
Im zweiten Teil werden die Ergebnisse von triaxialen Deformationsexperimenten beschrieben, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss von bereits bestehenden Störungen auf das Verformungsverhalten von OPA zu untersuchen und wie die Reaktivierung von Scherflächen durch die Mineralzusammensetzung und den Manteldruck beeinflusst wird. Dazu sind getrocknete zylindrische Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA verwendet worden, die zuvor in einem Winkel von 30° zur Längsachse halbiert worden sind. Nach einer hydrostatischen Vorkonsolidierung bei 50 MPa Druck, sind die Proben bei einer konstanten axialen Verformungsrate und Mantelspannungen von 5, 20 und 35 MPa deformiert worden. Bei niedriger Mantelspannung wird die Reaktivierung der Scherfläche durch einen Spannungsabfall eingeleitet, wobei weitere Verformung durch stark lokalisierte Scherung aufgenommen wird. Mit zunehmender Mantelspannung kann ein Übergang zu halbsprödem Verformungsverhalten beobachtet werden, das durch einen zunehmenden Anteil von Matrixdeformation ohne dynamische Verwerfungsreaktivierung gekennzeichnet ist. Dabei weist die sandige Fazies einen höheren Reibungskoeffizienten (≈0,48) als die tonige Fazies (≈0,4) auf. Die Experimente zeigen, dass spröde Reaktivierung der Scherfläche bis zu einer Mantelspannung erfolgt, ab der die Scherfestigkeit der künstlichen Störung die Fließspannung der Matrix übersteigt. Entsprechend beginnt mit weiter ansteigender Mantelspannung die Partitionierung von Deformation in Scherung und Matrixverformung. Relaxations- und Wiederbelastungstests (Slide-Hold-Slide) zeigen negative bzw. vernachlässigbare Reibungsverheilung auf, was auf eine geringe Wiederverfestigung und folglich aseismisches Kriechen als Langzeitverhalten von Scherzonen in OPA hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass die spröde Reaktivierung von Scherzonen in OPA durch eine starke Überkonsolidierung und in geringen Tiefen begünstigt werden kann, was das Risiko von Seismizität und die Bildung hydraulischer Fließwege erhöht.
Der letzte Abschnitt veranschaulicht, wie die Transmissivität von Rissen in OPA von der wirkenden Normalspannung und Mineralzusammensetzung beeinflusst wird. Hierfür sind triaxiale Durchströmungsexperimente an getrockneten Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden, die eine künstlich angeraute Rissfläche enthielten. Um den Einfluss von Normalspannung, Mineralogie und Diagenese auf die hydraulische Rissverschließung zu untersuchen, sind darüber hinaus auch Risse in Schiefer, Grauwacke, Quarzit, Proben aus natürlichen Störungszonen und Granit getestet worden. Mit zunehmender Normalspannung konnte eine nichtlineare Abnahme der Risstransmissivität beobachtet werden, die nach Entlastung zu einer irreversiblen Reduktion der Transmissivität führt. Die Transmissivität von Gesteinen, die durch einen hohen Anteil mechanisch fester Minerale (z.B. Quarz) sowie einer hohen einaxialen Druckfestigkeit charakterisiert werden, reagieren robuster auf Spannungsänderungen. Dementsprechend zeigt die sandige Fazies von OPA im Vergleich zur tonigen Fazies eine höhere initale Risstransmissivität, die weniger empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Obwohl die sandige Fazies im Vergleich zu der untersuchten Schieferprobe einen niedrigeren Schichtsilikatgehalt aufweist, reagiert die Risstransmissivität des Schiefers deutlich geringer auf Spannungsänderungen. Aus den Experimenten kann abgeleitet werden, dass für die Bewertung der hydraulischen Rissverschließung in schichtsilikatreichen Gesteinen neben der mineralischen Zusammensetzung weitere Faktoren, wie der Grad der Metamorphose sowie Zementierung und Konsolidierung, berücksichtigt werden müssen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichten die Rolle der Mantelspannung auf das Deformationsverhalten von intaktem und künstlich gestörten OPA. Obwohl die quarzreiche sandige Fazies von OPA aufgrund ihrer höheren Scherfestigkeit und Steifigkeit als günstiger für die Konstruktion von Untertagebauwerken angesehen werden kann, weisen die präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften mit einer Verringerung der hydraulischen Abdichtungskapazität verbunden sind, d.h. wenn sich Risse in der sandigen Fazies entwickeln, sind diese hydraulisch leitfähiger und bleiben durchlässiger im Vergleich zu Rissen in der tonigen Fazies bei einer gegebenen Spannung. Die Ergebnisse können die Grundlage für die Entwicklung konstitutiver Modelle bilden, die zur Einschätzung der Integrität eines zukünftigen Endlagers herangezogen werden können. Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Konsolidierung auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von OPA zeigen die Notwendigkeit einer detaillierten, standortspezifischen Materialcharakterisierung für ein zukünftiges Endlager.
KW  - Opalinus Clay
KW  - triaxial deformation experiments
KW  - microstructural deformation mechanisms
KW  - fault reactivation
KW  - fracture transmissivity
KW  - Opalinuston
KW  - Reaktivierung von Störungszonen
KW  - Risstransmissivität
KW  - Mikrostrukturelle
KW  - Deformationsmechanismen
KW  - triaxiale Deformationsexperimente
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566786
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tella, Timothy Oluwatobi
A1  - Winterleitner, Gerd
A1  - Mutti, Maria
T1  - Investigating the role of differential biotic production on carbonate geometries through stratigraphic forward modelling and sensitivity analysis
BT  - the Llucmajor example
JF  - Petroleum geoscience
N2  - The geometry of carbonate platforms reflects the interaction of several factors. However, the impact of carbonate-producing organisms has been poorly investigated so far. This study applies stratigraphic forward modelling (SFM) and sensitivity analysis to examine, referenced to the Miocene Llucmajor Platform, the effect of changes of dominant biotic production in the oligophotic and euphotic zones on platform geometry. Our results show that the complex interplay of carbonate production rates, bathymetry and variations in accommodation space control the platform geometry. The main driver of progradation is the oligophotic production of rhodalgal sediments during the lowstands. This study demonstrates that platform geometry and internal architecture varies significantly according to the interaction of the predominant carbonate-producing biotas. The input parameters for this study are based on well-understood Miocene carbonate biotas with characteristic euphotic, oligophotic and photo-independent carbonate production in which it is crucial that each carbonate-producing class is modelled explicitly within the simulation run and not averaged with a single carbonate production-depth profile. This is important in subsurface exploration studies based on stratigraphic forward models where the overall platform geometry may be approximated through calibration runs, and constrained by seismic surveys and wellbores. However, the internal architecture is likely to be oversimplified without an in-depth understanding of the target carbonate system and a transfer to forward modelling parameters.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1144/petgeo2021-053
SN  - 1354-0793
SN  - 2041-496X
VL  - 28
IS  - 2
PB  - Geological Soc. Publ. House
CY  - Bath
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Li, Zhen
A1  - Spangenberg, Erik
A1  - Schicks, Judith Maria
A1  - Kempka, Thomas
T1  - Numerical simulation of hydrate formation in the LArge-Scale Reservoir Simulator (LARS)
JF  - Energies : open-access journal of related scientific research, technology development and studies in policy and management
N2  - The LArge-scale Reservoir Simulator (LARS) has been previously developed to study hydrate dissociation in hydrate-bearing systems under in-situ conditions. In the present study, a numerical framework of equations of state describing hydrate formation at equilibrium conditions has been elaborated and integrated with a numerical flow and transport simulator to investigate a multi-stage hydrate formation experiment undertaken in LARS. A verification of the implemented modeling framework has been carried out by benchmarking it against another established numerical code. Three-dimensional (3D) model calibration has been performed based on laboratory data available from temperature sensors, fluid sampling, and electrical resistivity tomography. The simulation results demonstrate that temperature profiles, spatial hydrate distribution, and bulk hydrate saturation are consistent with the observations. Furthermore, our numerical framework can be applied to calibrate geophysical measurements, optimize post-processing workflows for monitoring data, improve the design of hydrate formation experiments, and investigate the temporal evolution of sub-permafrost methane hydrate reservoirs.
KW  - methane hydrate
KW  - temperature sensor
KW  - electrical resistivity tomography
KW  - hydrate formation
KW  - numerical simulation
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/en15061974
SN  - 1996-1073
VL  - 15
IS  - 6
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Li, Zhen
A1  - Spangenberg, Erik
A1  - Schicks, Judith Maria
A1  - Kempka, Thomas
T1  - Numerical Simulation of Coastal Sub-Permafrost Gas Hydrate Formation in the Mackenzie Delta, Canadian Arctic
JF  - Energies
N2  - The Mackenzie Delta (MD) is a permafrost-bearing region along the coasts of the Canadian Arctic which exhibits high sub-permafrost gas hydrate (GH) reserves. The GH occurring at the Mallik site in the MD is dominated by thermogenic methane (CH4), which migrated from deep conventional hydrocarbon reservoirs, very likely through the present fault systems. Therefore, it is assumed that fluid flow transports dissolved CH4 upward and out of the deeper overpressurized reservoirs via the existing polygonal fault system and then forms the GH accumulations in the Kugmallit-Mackenzie Bay Sequences. We investigate the feasibility of this mechanism with a thermo-hydraulic-chemical numerical model, representing a cross section of the Mallik site. We present the first simulations that consider permafrost formation and thawing, as well as the formation of GH accumulations sourced from the upward migrating CH4-rich formation fluid. The simulation results show that temperature distribution, as well as the thickness and base of the ice-bearing permafrost are consistent with corresponding field observations. The primary driver for the spatial GH distribution is the permeability of the host sediments. Thus, the hypothesis on GH formation by dissolved CH4 originating from deeper geological reservoirs is successfully validated. Furthermore, our results demonstrate that the permafrost has been substantially heated to 0.8-1.3 degrees C, triggered by the global temperature increase of about 0.44 degrees C and further enhanced by the Arctic Amplification effect at the Mallik site from the early 1970s to the mid-2000s.
KW  - gas hydrate
KW  - permafrost
KW  - methane
KW  - faults
KW  - climate change
KW  - Mallik
KW  - numerical simulations
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/en15144986
SN  - 1996-1073
VL  - 15
IS  - 14
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Atmani, Farid
A1  - Bookhagen, Bodo
A1  - Smith, Taylor
T1  - Measuring Vegetation Heights and Their Seasonal Changes in the Western Namibian Savanna Using Spaceborne Lidars
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) with its land and vegetation height data product (ATL08), and Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) with its terrain elevation and height metrics data product (GEDI Level 2A) missions have great potential to globally map ground and canopy heights. Canopy height is a key factor in estimating above-ground biomass and its seasonal changes; these satellite missions can also improve estimated above-ground carbon stocks. This study presents a novel Sparse Vegetation Detection Algorithm (SVDA) which uses ICESat-2 (ATL03, geolocated photons) data to map tree and vegetation heights in a sparsely vegetated savanna ecosystem. The SVDA consists of three main steps: First, noise photons are filtered using the signal confidence flag from ATL03 data and local point statistics. Second, we classify ground photons based on photon height percentiles. Third, tree and grass photons are classified based on the number of neighbors. We validated tree heights with field measurements (n = 55), finding a root-mean-square error (RMSE) of 1.82 m using SVDA, GEDI Level 2A (Geolocated Elevation and Height Metrics product): 1.33 m, and ATL08: 5.59 m. Our results indicate that the SVDA is effective in identifying canopy photons in savanna ecosystems, where ATL08 performs poorly. We further identify seasonal vegetation height changes with an emphasis on vegetation below 3 m; widespread height changes in this class from two wet-dry cycles show maximum seasonal changes of 1 m, possibly related to seasonal grass-height differences. Our study shows the difficulties of vegetation measurements in savanna ecosystems but provides the first estimates of seasonal biomass changes.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1275 
KW  - ICESat-2
KW  - GEDI
KW  - canopy height
KW  - lidar
KW  - savanna
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569915
SN  - 1866-8372
IS  - 1275
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Atmani, Farid
A1  - Bookhagen, Bodo
A1  - Smith, Taylor
T1  - Measuring vegetation heights and their seasonal changes in the Western Namibian Savanna using spaceborne lidars
JF  - Remote sensing / Molecular Diversity Preservation International (MDPI)
N2  - The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) with its land and vegetation height data product (ATL08), and Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) with its terrain elevation and height metrics data product (GEDI Level 2A) missions have great potential to globally map ground and canopy heights. Canopy height is a key factor in estimating above-ground biomass and its seasonal changes; these satellite missions can also improve estimated above-ground carbon stocks. This study presents a novel Sparse Vegetation Detection Algorithm (SVDA) which uses ICESat-2 (ATL03, geolocated photons) data to map tree and vegetation heights in a sparsely vegetated savanna ecosystem. The SVDA consists of three main steps: First, noise photons are filtered using the signal confidence flag from ATL03 data and local point statistics. Second, we classify ground photons based on photon height percentiles. Third, tree and grass photons are classified based on the number of neighbors. We validated tree heights with field measurements (n = 55), finding a root-mean-square error (RMSE) of 1.82 m using SVDA, GEDI Level 2A (Geolocated Elevation and Height Metrics product): 1.33 m, and ATL08: 5.59 m. Our results indicate that the SVDA is effective in identifying canopy photons in savanna ecosystems, where ATL08 performs poorly. We further identify seasonal vegetation height changes with an emphasis on vegetation below 3 m; widespread height changes in this class from two wet-dry cycles show maximum seasonal changes of 1 m, possibly related to seasonal grass-height differences. Our study shows the difficulties of vegetation measurements in savanna ecosystems but provides the first estimates of seasonal biomass changes.
KW  - ICESat-2
KW  - GEDI
KW  - canopy height
KW  - lidar
KW  - savanna
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/rs14122928
SN  - 2072-4292
VL  - 14
IS  - 12
SP  - 1
EP  - 20
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 12
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Viltres, Renier
A1  - Nobile, Adriano
A1  - Vasyura-Bathke, Hannes
A1  - Trippanera, Daniele
A1  - Xu, Wenbin
A1  - Jónsson, Sigurjón
T1  - Transtensional rupture within a diffuse plate boundary zone during the 2020 M-w 6.4 Puerto Rico earthquake
JF  - Seismological research letters
N2  - On 7 January 2020, an M-w 6.4 earthquake occurred in the northeastern Caribbean, a few kilometers offshore of the island of Puerto Rico. It was the mainshock of a complex seismic sequence, characterized by a large number of energetic earthquakes illuminating an east-west elongated area along the southwestern coast of Puerto Rico. Deformation fields constrained by Interferometric Synthetic Aperture Radar and Global Navigation Satellite System data indicate that the coseismic movements affected only the western part of the island. To assess the mainshock's source fault parameters, we combined the geodetically derived coseismic deformation with teleseismic waveforms using Bayesian inference. The results indicate a roughly east-west oriented fault, dipping northward and accommodating similar to 1.4 m of transtensional motion. Besides, the determined location and orientation parameters suggest an offshore continuation of the recently mapped North Boqueron Bay-Punta Montalva fault in southwest Puerto Rico. This highlights the existence of unmapped faults with moderate-to-large earthquake potential within the Puerto Rico region.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1785/0220210261
SN  - 0895-0695
SN  - 1938-2057
VL  - 93
IS  - 2A
SP  - 567
EP  - 583
PB  - Seismological Society of America
CY  - Boulder, Colo.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Foerster, Verena
A1  - Asrat, Asfawossen
A1  - Ramsey, Christopher Bronk
A1  - Brown, Erik T.
A1  - Chapot, Melissa S.
A1  - Deino, Alan
A1  - Düsing, Walter
A1  - Grove, Matthew
A1  - Hahn, Annette
A1  - Junginger, Annett
A1  - Kaboth-Bahr, Stefanie
A1  - Lane, Christine S.
A1  - Opitz, Stephan
A1  - Noren, Anders
A1  - Roberts, Helen M.
A1  - Stockhecke, Mona
A1  - Tiedemann, Ralph
A1  - Vidal, Celine M.
A1  - Vogelsang, Ralf
A1  - Cohen, Andrew S.
A1  - Lamb, Henry F.
A1  - Schaebitz, Frank
A1  - Trauth, Martin H.
T1  - Pleistocene climate variability in eastern Africa influenced hominin evolution
JF  - Nature geoscience
N2  - Despite more than half a century of hominin fossil discoveries in eastern Africa, the regional environmental context of hominin evolution and dispersal is not well established due to the lack of continuous palaeoenvironmental records from one of the proven habitats of early human populations, particularly for the Pleistocene epoch. Here we present a 620,000-year environmental record from Chew Bahir, southern Ethiopia, which is proximal to key fossil sites. Our record documents the potential influence of different episodes of climatic variability on hominin biological and cultural transformation. The appearance of high anatomical diversity in hominin groups coincides with long-lasting and relatively stable humid conditions from similar to 620,000 to 275,000 years bp (episodes 1-6), interrupted by several abrupt and extreme hydroclimate perturbations. A pattern of pronounced climatic cyclicity transformed habitats during episodes 7-9 (similar to 275,000-60,000 years bp), a crucial phase encompassing the gradual transition from Acheulean to Middle Stone Age technologies, the emergence of Homo sapiens in eastern Africa and key human social and cultural innovations. Those accumulative innovations plus the alignment of humid pulses between northeastern Africa and the eastern Mediterranean during high-frequency climate oscillations of episodes 10-12 (similar to 60,000-10,000 years bp) could have facilitated the global dispersal of H. sapiens.
KW  - Evolutionary ecology
KW  - Limnology
KW  - Palaeoclimate
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1038/s41561-022-01032-y
SN  - 1752-0894
SN  - 1752-0908
VL  - 15
IS  - 10
SP  - 805
EP  - 811
PB  - Nature Publ. Group
CY  - London
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Greenfield, Tim
A1  - Winder, Tom
A1  - Rawlinson, Nicholas
A1  - Maclennan, John
A1  - White, Robert S.
A1  - Ágústsdóttir, Thorbjörg
A1  - Bacon, Conor Andrew
A1  - Brandsdóttir, Bryndis
A1  - Eibl, Eva P. S.
A1  - Glastonbury-Southern, Esme
A1  - Gudnason, Egill Árni
A1  - Hersir, Gylfi Páll
A1  - Horálek, Josef
T1  - Deep long period seismicity preceding and during the 2021 Fagradalsfjall eruption, Iceland
JF  - Bulletin of volcanology : official journal of the International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior (IAVCEI)
N2  - We use a dense seismic network on the Reykjanes Peninsula, Iceland, to image a group of earthquakes at 10-12 km depth, 2 km north-east of 2021 Fagradalsfjall eruption site. These deep earthquakes have a lower frequency content compared to earthquakes located in the upper, brittle crust and are similar to deep long period (DLP) seismicity observed at other volcanoes in Iceland and around the world. We observed several swarms of DLP earthquakes between the start of the study period (June 2020) and the initiation of the 3-week-long dyke intrusion that preceded the eruption in March 2021. During the eruption, DLP earthquake swarms returned 1 km SW of their original location during periods when the discharge rate or fountaining style of the eruption changed. The DLP seismicity is therefore likely to be linked to the magma plumbing system beneath Fagradalsfjall. However, the DLP seismicity occurred similar to 5 km shallower than where petrological modelling places the near-Moho magma storage region in which the Fagradalsfjall lava was stored. We suggest that the DLP seismicity was triggered by the exsolution of CO2-rich fluids or the movement of magma at a barrier to the transport of melt in the lower crust. Increased flux through the magma plumbing system during the eruption likely adds to the complexity of the melt migration process, thus causing further DLP seismicity, despite a contemporaneous magma channel to the surface.
KW  - deep long-period earthquakes
KW  - magma plumbing system
KW  - Iceland
KW  - Reykjanes
KW  - low-frequency
KW  - Fagradalsfjall
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1007/s00445-022-01603-2
SN  - 0258-8900
SN  - 1432-0819
VL  - 84
IS  - 12
PB  - Springer
CY  - Berlin ; Heidelberg ; New York
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Regmi, Shakil
A1  - Bookhagen, Bodo
T1  - The spatial pattern of extreme precipitation from 40 years of gauge data in the central Himalaya
JF  - Weather and climate extremes
N2  - The topography of the Himalaya exerts a substantial control on the spatial distribution of monsoonal rainfall, which is a vital water source for the regional economy and population. But the occurrence of short-lived and high-intensity precipitation results in socio-economic losses. This study relies on 40 years of daily data from 204 ground stations in Nepal to derive extreme precipitation thresholds, amounts, and days at the 95th percentile. We additionally determine the precipitation magnitude-frequency relation. We observe that extreme precipitation amounts follow an almost uniform band parallel to topographic contour lines in the southern Himalaya mountains in central and eastern Nepal but not in western Nepal. The relationship of extreme precipitation indices with topographic relief shows that extreme precipitation thresholds decrease with increasing elevation, but extreme precipitation days increase in higher elevation areas. Furthermore, stations above 1 km elevation exhibit a power-law relation in the rainfall magnitude-frequency framework. Stations at higher elevations generally have lower values of power-law exponents than low elevation areas. This suggests a fundamentally different behaviour of the rainfall distribution and an increased occurrence of extreme rainfall storms in the high elevation areas of Nepal.
KW  - Himalaya
KW  - Nepal
KW  - Indian summer monsoon
KW  - Precipitation
KW  - Extreme
KW  - precipitation
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.wace.2022.100470
SN  - 2212-0947
VL  - 37
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Franz, Gerhard
A1  - Sudo, Masafumi
A1  - Khomenko, Vladimir
T1  - 40Ar/39Ar dating of a hydrothermal pegmatitic buddingtonite–muscovite assemblage from Volyn, Ukraine
JF  - European journal of mineralogy : EJM : an international journal on mineralogy, petrology, geochemistry, and related sciences
N2  - We determined Ar-40/Ar-39 ages of buddingtonite, occurring together with muscovite, with the laser-ablation method. This is the first attempt to date the NH4-feldspar buddingtonite, which is typical for sedimentary-diagenetic environments of sediments, rich in organic matter, or in hydrothermal environments, associated with volcanic geyser systems. The sample is a hydrothermal breccia, coming from the Paleoproterozoic pegmatite field of the Korosten Plutonic Complex, Volyn, Ukraine. A detailed characterization by optical methods, electron microprobe analyses, backscattered electron imaging, and IR analyses showed that the buddingtonite consists of euhedral-appearing platy crystals of tens of micrometers wide, 100 or more micrometers in length, which consist of fine-grained fibers of <= 1 mu m thickness. The crystals are sector and growth zoned in terms of K-NH4-H3O content. The content of K allows for an age determination with the Ar-40/Ar-39 method, as well as in the accompanying muscovite, intimately intergrown with the buddingtonite. The determinations on muscovite yielded an age of 1491 +/- 9 Ma, interpreted as the hydrothermal event forming the breccia. However, buddingtonite apparent ages yielded a range of 563 +/- 14 Ma down to 383 +/- 12 Ma, which are interpreted as reset ages due to Ar loss of the fibrous buddingtonite crystals during later heating. We conclude that buddingtonite is suited for Ar-40/Ar-39 age determinations as a supplementary method, together with other methods and minerals; however, it requires a detailed mineralogical characterization, and the ages will likely represent minimum ages.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.5194/ejm-34-7-2022
SN  - 0935-1221
SN  - 1617-4011
VL  - 34
IS  - 1
SP  - 7
EP  - 18
PB  - Copernicus
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Behrens, Karsten
A1  - Balischewski, Christian
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Menski, Antonia Isabell
A1  - Balderas-Valadez, Ruth Fabiola
A1  - Pacholski, Claudia
A1  - Günter, Christina
A1  - Lubahn, Susanne
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Taubert, Andreas
T1  - Mixed chloridometallate(ii) ionic liquids with tunable color and optical response for potential ammonia sensors
JF  - RSC Advances
N2  - Eight d-metal-containing N-butylpyridinium ionic liquids (ILs) with the nominal composition (C4Py)2[Ni0.5M0.5Cl4] or (C4Py)2[Zn0.5M0.5Cl4] (M = Cu, Co, Mn, Ni, Zn; C4Py = N-butylpyridinium) were synthesized, characterized, and investigated for their optical properties. Single crystal and powder X-ray analysis shows that the compounds are isostructural to existing examples based on other d-metal ions. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy measurements confirm that the metal/metal ratio is around 50 : 50. UV-Vis spectroscopy shows that the optical absorption can be tuned by selection of the constituent metals. Moreover, the compounds can act as an optical sensor for the detection of gases such as ammonia as demonstrated via a simple prototype setup.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1039/d2ra05581c
SN  - 2046-2069
VL  - 12
SP  - 35072
EP  - 35082
PB  - RSC
CY  - London
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Balischewski, Christian
A1  - Bhattacharyya, Biswajit
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Günter, Christina
A1  - Beqiraj, Alkit
A1  - Klamroth, Tillmann
A1  - Behrens, Karsten
A1  - Mies, Stefan
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Lubahn, Susanne
A1  - Holtzheimer, Lea
A1  - Nitschke, Anne
A1  - Taubert, Andreas
T1  - Tetrahalidometallate(II) ionic liquids with more than one metal
BT  - the effect of bromide versus chloride
JF  - Chemistry - a European journal
N2  - Fifteen N-butylpyridinium salts - five monometallic [C4Py](2)[MBr4] and ten bimetallic [C4Py](2)[(M0.5M0.5Br4)-M-a-Br-b] (M=Co, Cu, Mn, Ni, Zn) - were synthesized, and their structures and thermal and electrochemical properties were studied. All the compounds are ionic liquids (ILs) with melting points between 64 and 101 degrees C. Powder and single-crystal X-ray diffraction show that all ILs are isostructural. The electrochemical stability windows of the ILs are between 2 and 3 V. The conductivities at room temperature are between 10(-5) and 10(-6) S cm(-1). At elevated temperatures, the conductivities reach up to 10(-4) S cm(-1) at 70 degrees C. The structures and properties of the current bromide-based ILs were also compared with those of previous examples using chloride ligands, which illustrated differences and similarities between the two groups of ILs.
KW  - electrochemistry
KW  - ionic liquids
KW  - metal-containing ionic liquids;
KW  - N-butylpyridinium bromide
KW  - tetrahalidometallates
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1002/chem.202201068
SN  - 1521-3765
VL  - 28
IS  - 64
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sieber, Melanie Jutta
A1  - Yaxley, Greg
A1  - Hermann, Jörg
T1  - COH-fluid induced metasomatism of peridotites in the forearc mantle
JF  - Contributions to Mineralogy and Petrology
N2  - Devolatilization of subducting lithologies liberates COH-fluids. These may become partially sequestered in peridotites in the slab and the overlying forearc mantle, affecting the cycling of volatiles and fluid mobile elements in subduction zones. Here we assess the magnitudes, timescales and mechanism of channelized injection of COH-fluids doped with Ca-aq(2+), Sr-aq(2+) and Ba-aq(2+) into the dry forearc mantle by performing piston cylinder experiments between 1-2.5 GPa and 600-700 degrees C. Cylindrical cores of natural spinel-bearing harzburgites were used as starting materials. Based on mineral assemblage and composition three reaction zones are distinguishable from the rim towards the core of primary olivine and orthopyroxene grains. Zone 1 contains carbonates + quartz +/- kyanite and zone 2 contains carbonates + talc +/- chlorite. Olivine is further replaced in zone 3 by either antigorite+ magnesite or magnesite +talc within or above antigorite stability, respectively. Orthopyroxene is replaced in zone 3 by talc + chlorite. Mineral assemblages and the compositions of secondary minerals depend on fluid composition and the replaced primary silicate. The extent of alteration depends on fluid CO2 content and fluid/rock-ratio, and is further promoted by fluid permeable reaction zones and reaction driven cracking. Our results show that COH-fluid induced metasomatism of the forearc mantle is self-perpetuating and efficient at sequestering Ca-aq(2+), Sr-aq(2+), Ba-aq(2+) and CO2aq into newly formed carbonates. This process is fast with 90% of the available C sequestered and nearly 50% of the initial minerals altered at 650 degrees C, 2 GPa within 55 h. The dissolution of primary silicates under high COH-fluid/rock-ratios, as in channelized fluid flow, enriches SiO2aq in the fluid, while CO2aq is sequestered into carbonates. In an open system, the remaining CO2-depleted, Si-enriched aqueous fluid may cause Si-metasomatism in the forearc further away from the injection of the COH-fluid into peridotite.
KW  - Carbonation
KW  - Deep carbon cycle
KW  - COH-fluid
KW  - Forearc
KW  - HP-experiments
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1007/s00410-022-01905-w
SN  - 0010-7999
SN  - 1432-0967
VL  - 177
IS  - 4
PB  - Springer
CY  - New York
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schifferle, Lukas
A1  - Lobanov, Sergey S.
T1  - Evolution of chemical bonding and spin-pairing energy in ferropericlase across Its spin transition
JF  - ACS Earth and Space Chemistry
N2  - The evolution of chemical bonding in ferropericlase, (Mg,Fe)O, with pressure may affect the physical and chemical properties of the Earth's lower mantle. Here, we report high-pressure optical absorption spectra of single-crystalline ferropericlase ((Mg0.87Fe0.13)O) up to 135 GPa. Combined with a re-evaluation of published partial fluorescence yield X-ray absorption spectroscopy data, we show that the covalency of the Fe-O bond increases with pressure, but the iron spin transition at 57-76.5 GPa reverses this trend. The qualitative crossover in chemical bonding suggests that the spin-pairing transition weakens the Fe-O bond in ferropericlase. We find, that the spin transition in ferropericlase is caused by both the increase of the ligand field-splitting energy and the decrease in the spin-pairing energy of high-spin Fe2+.
KW  - high-pressure
KW  - diamond anvil cell
KW  - covalency
KW  - bond strength
KW  - iron
KW  - spin
KW  - transition
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.2c00014
SN  - 2472-3452
VL  - 6
IS  - 3
SP  - 788
EP  - 799
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Smith, Taylor
A1  - Traxl, Dominik
A1  - Boers, Niklas
T1  - Empirical evidence for recent global shifts in vegetation resilience
JF  - Nature climate change
N2  - The authors demonstrate that a vegetation system's ability to recover from disturbances-its resilience-can be estimated from its natural variability. Global patterns of resilience loss and gains since the early 1990s reveal shifts towards widespread resilience loss since the early 2000s. 
The character and health of ecosystems worldwide is tightly coupled to changes in Earth's climate. Theory suggests that ecosystem resilience-the ability of ecosystems to resist and recover from external shocks such as droughts and fires-can be inferred from their natural variability. Here, we quantify vegetation resilience globally with complementary metrics based on two independent long-term satellite records. We first empirically confirm that the recovery rates from large perturbations can be closely approximated from internal vegetation variability across vegetation types and climate zones. On the basis of this empirical relationship, we quantify vegetation resilience continuously and globally from 1992 to 2017. Long-term vegetation resilience trends are spatially heterogeneous, with overall increasing resilience in the tropics and decreasing resilience at higher latitudes. Shorter-term trends, however, reveal a marked shift towards a global decline in vegetation resilience since the early 2000s, particularly in the equatorial rainforest belt.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1038/s41558-022-01352-2
SN  - 1758-678X
SN  - 1758-6798
VL  - 12
IS  - 5
SP  - 477
EP  - 484
PB  - Nature Publ. Group
CY  - London
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Porȩba, Tomasz
A1  - Racioppi, Stefano
A1  - Garbarino, Gaston
A1  - Morgenroth, Wolfgang
A1  - Mezouar, Mohamed
T1  - Investigating the structural symmetrization of CsI3 at high pressures through combined X-ray diffraction experiments and theoretical analysis
JF  - Inorganic chemistry
N2  - ABSTRACT: Structural evolution of cesium triiodide at high pressures has been revealed by synchrotron single-crystal X-ray diffraction. Cesium triiodide undergoes a first-order phase transition above 1.24(3) GPa from an orthorhombic to a trigonal system. This transition is coupled with severe reorganization of the polyiodide network from a layered to three-dimensional architecture. Quantum chemical calculations show that even though the two polymorphic phases are nearly isoenergetic under ambient conditions, the PV term is decisive in stabilizing the trigonal polymorph above the transition point. Phonon calculations using a non-local correlation functional that accounts for dispersion interactions confirm that this polymorph is dynamically unstable under ambient conditions. The high-pressure behavior of crystalline CsI3 can be correlated with other alkali metal trihalides, which undergo a similar sequence of structural changes upon load.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c01690
SN  - 0020-1669
SN  - 1520-510X
VL  - 61
IS  - 28
SP  - 10977
EP  - 10985
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wutzler, Bianca
A1  - Hudson, Paul
A1  - Thieken, Annegret
T1  - Adaptation strategies of flood-damaged businesses in Germany
JF  - Frontiers in water
N2  - Flood risk management in Germany follows an integrative approach in which both private households and businesses can make an important contribution to reducing flood damage by implementing property-level adaptation measures. While the flood adaptation behavior of private households has already been widely researched, comparatively less attention has been paid to the adaptation strategies of businesses. However, their ability to cope with flood risk plays an important role in the social and economic development of a flood-prone region. Therefore, using quantitative survey data, this study aims to identify different strategies and adaptation drivers of 557 businesses damaged by a riverine flood in 2013 and 104 businesses damaged by pluvial or flash floods between 2014 and 2017. Our results indicate that a low perceived self-efficacy may be an important factor that can reduce the motivation of businesses to adapt to flood risk. Furthermore, property-owners tended to act more proactively than tenants. In addition, high experience with previous flood events and low perceived response costs could strengthen proactive adaptation behavior. These findings should be considered in business-tailored risk communication.
KW  - risk management
KW  - climate change adaptation
KW  - floods
KW  - disaster risk
KW  - reduction
KW  - Germany
KW  - precaution
KW  - emergency management
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.932061
SN  - 2624-9375
VL  - 4
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Vorogushyn, Sergiy
A1  - Apel, Heiko
A1  - Kemter, Matthias
A1  - Thieken, Annegret
T1  - Analyse der Hochwassergefährdung im Ahrtal unter Berücksichtigung historischer Hochwasser
T1  - Analysis of flood hazard in the Ahr Valley considering historical floods
JF  - Hydrologie und Wasserbewirtschaftung
N2  - The flood disaster in July 2021 in western Germany calls for a critical discussion on flood hazard assessment, revision of flood hazard maps and communication of extreme flood scenarios. In the presented work, extreme value analysis was carried out for annual maximum peak flow series at the Altenahr gauge on the river Ahr. We compared flood statistics with and without considering historical flood events. An estimate for the return period of the recent flood based on the Generalized Extreme Value (GEV) distribution considering historical floods ranges between about 2600 and above 58700 years (90% confidence interval) with a median of approximately 8600 years, whereas an estimate based on the 74-year long systematically recorded flow series would theoretically exceed 100 million years. Consideration of historical floods dramatically changes the flood quantiles that are used for the generation of official flood hazard maps. The fitting of the GEV to the time series with historical floods reveals, however, that the model potentially inadequately reflects the flood population. In this case, we might face a mixed sample, in which extreme floods result from very different processes compared to smaller floods. Hence, the probabilities of extreme floods could be much larger than those resulting from a single GEV model. The application of a process-based mixed flood distribution should be explored in future work. <br /> The comparison of the official HQextrem flood maps for the AhrValley with the inundation areas from July 2021 shows a striking discrepancy in the affected areas and calls for revision of design values used to define extreme flood scenarios. The hydrodynamic simulations of a 1000-year return period flood considering historical events and of the 1804 flood scenario compare much better to the flooded areas from July 2021, though both scenarios still underestimated the flood extent. <br /> Particular effects such as clogging of bridges and geomorphological changes of the river channel led to considerably larger flooded areas in July 2021 compared to the simulation results. Based on this analysis, we call for a consistent definition of HQextrem for flood hazard mapping in Germany, and suggest using high flood quantiles in the range of a 1,000-year flood. Flood maps should additionally include model-based reconstructions of the largest, reliably documented historical floods and/or synthetic worst-case scenarios. This would be an important step towards protecting potentially affected population and disaster management from surprises due to very rare and extreme flood events in future.
N2  - Die Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland erfordert eine kritische Diskussion über die Abschätzung der Hochwassergefährdung, Aktualisierung von Hochwassergefahrenkarten und Kommunikation von extremen Hochwasserszenarien. In der vorliegenden Arbeit wurde die Extremwertstatistik für die jährlichen maximalen Spitzenabflüsse am Pegel Altenahr im Ahrtal mit und ohne Berücksichtigung historischer Hochwasser berechnet und verglichen. Die Schätzung der Wiederkehrperiode für das aktuelle Hochwasser mittels Generalisierter Extremwertverteilung (GEV) unter Berücksichtigung historischer Hochwasser schwankt zwischen etwa 2.600 und über 58.700 Jahren (90%-Konfidenzintervall) mit einem Median bei etwa 8.600 Jahren, wogegen die Schätzung, die nur auf der systematisch gemessenen Abflusszeitreihe von 74 Jahren basiert, theoretisch eine Wiederkehrperiode von über 100 Millionen Jahren ergeben würde. Die Berücksichtigung der historischen Hochwasser führt zu einer dramatischen Änderung der Hochwasserquan-
tile, die für eine Gefahrenkartierung zugrunde gelegt werden. Die Anpassung der GEV an die Zeitreihe mit historischen Hochwassern zeigt dennoch, dass das GEV-Modell möglicherweise die Grundgesamtheit der Hochwasser im Ahrtal nicht adäquat abbilden kann. Es könnte sich im vorliegenden Fall um eine gemischte Stichprobe handeln, in der die extremen Hochwasser im Vergleich zu kleineren Ereignissen durch besondere Prozesse hervorgerufen werden. Somit könnten die Wahrscheinlichkeiten von extremen Hochwassern deutlich größer sein, als aus dem GEV-Modell hervorgeht. Hier sollte in Zukunft die Anwendung einer prozessbasierten Mischverteilung
untersucht werden. Der Vergleich von amtlichen Gefahrenkarten zu Extremhochwassern (HQextrem) im Ahrtal mit den Überflutungsflächen vom Juli 2021
zeigt eine deutliche Diskrepanz in den betroffenen Gebieten und die Notwendigkeit, die Grundlagen zur Erstellung der Extremszenarien zu überdenken. Die hydrodynamisch-numerischen Simulationen von 1.000-jährlichen Hochwassern (HQ1000) unter Berücksichtigung historischer Ereignisse und des größten historischen Hochwassers 1804 können die Gefährdung des Juli-Hochwassers 2021 deutlich besser widerspiegeln, wenngleich auch diese beiden Szenarien die Überflutungsflächen unterschätzen. Besondere Effekte wie die Verklausung von Brücken und die geomorphologischen Änderungen im Flussschlauch führten zu noch größeren Überflutungs- flächen im Juli 2021, als die Simulationsergebnisse zeigten. Basierend auf dieser Analyse wird eine einheitliche Festlegung von HQextrem bei Hochwassergefahrenkartierungen in Deutschland vorgeschlagen, die sich an höheren Hochwasserquantilen im Bereich von HQ1000 orientiert. Zusätzlich sollen simulationsbasierte Rekonstruktionen von den größten verlässlich dokumentierten historischen Hochwassern und/oder synthetische Worst-Case-Szenarien in den Hochwassergefahrenkarten gesondert dargestellt werden. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, um die potenziell betroffene Bevölkerung und das Katastrophenmanagement vor Überraschungen durch sehr seltene und extreme Hochwasser in Zukunft besser zu schützen.
KW  - Extreme value statistics
KW  - historical floods
KW  - flood hazard mapping;
KW  - inundation simulation
KW  - Ahr River
KW  - Extremwertstatistik
KW  - historische Hochwasser
KW  - Gefahrenkarten
KW  - Überflutungssimulation
KW  - Ahr
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.5675/HyWa_2022.5_2
SN  - 1439-1783
VL  - 66
IS  - 5
SP  - 244
EP  - 254
PB  - Bundesanst. für Gewässerkunde
CY  - Koblenz
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wilhelms, Andre
A1  - Börsig, Nicolas
A1  - Yang, Jingwei
A1  - Holbach, Andreas
A1  - Norra, Stefan
T1  - Insights into phytoplankton dynamics and water quality monitoring with the BIOFISH at the Elbe River, Germany
JF  - Water
N2  - Understanding the key factors influencing the water quality of large river systems forms an important basis for the assessment and protection of cross-regional ecosystems and the implementation of adapted water management concepts. However, identifying these factors requires in-depth comprehension of the unique environmental systems, which can only be achieved by detailed water quality monitoring.
Within the scope of the joint science and sports event "Elbschwimmstaffel" (swimming relay on the river Elbe) in June/July 2017 organized by the German Ministry of Education and Research, water quality data were acquired along a 550 km long stretch of the Elbe River in Germany. During the survey, eight physiochemical water quality parameters were recorded in high spatial and temporal resolution with the BIOFISH multisensor system. Multivariate statistical methods were applied to identify and delineate processes influencing the water quality. 
The BIOFISH dataset revealed that phytoplankton activity has a major impact on the water quality of the Elbe River in the summer months. The results suggest that phytoplankton biomass constitutes a substantial proportion of the suspended particles and that photosynthetic activity of phytoplankton is closely related to significant temporal changes in pH and oxygen saturation.
An evaluation of the BIOFISH data based on the combination of statistical analysis with weather and discharge data shows that the hydrological and meteorological history of the sampled water body was the main driver of phytoplankton dynamics. This study demonstrates the capacity of longitudinal river surveys with the BIOFISH or similar systems for water quality assessment, the identification of pollution sources and their utilization for online in situ monitoring of rivers.
KW  - water quality
KW  - phytoplankton
KW  - river dynamics
KW  - multisensor system
KW  - online
KW  - monitoring
KW  - high spatial resolution
KW  - multivariate statistics
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/w14132078
SN  - 2073-4441
VL  - 14
IS  - 13
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Scholz, Carolin
A1  - Voigt, Christian C.
T1  - Diet analysis of bats killed at wind turbines suggests large-scale losses of trophic interactions
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Agricultural practice has led to landscape simplification and biodiversity decline, yet recently, energy-producing infrastructures, such as wind turbines, have been added to these simplified agroecosystems, turning them into multi-functional energy-agroecosystems. Here, we studied the trophic interactions of bats killed at wind turbines using a DNA metabarcoding approach to shed light on how turbine-related bat fatalities may possibly affect local habitats. Specifically, we identified insect DNA in the stomachs of common noctule bats (Nyctalus noctula) killed by wind turbines in Germany to infer in which habitats these bats hunted. Common noctule bats consumed a wide variety of insects from different habitats, ranging from aquatic to terrestrial ecosystems (e.g., wetlands, farmland, forests, and grasslands). Agricultural and silvicultural pest insects made up about 20% of insect species consumed by the studied bats. Our study suggests that the potential damage of wind energy production goes beyond the loss of bats and the decline of bat populations. Bat fatalities at wind turbines may lead to the loss of trophic interactions and ecosystem services provided by bats, which may add to the functional simplification and impaired crop production, respectively, in multi-functional ecosystems.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1358 
KW  - bat fatalities
KW  - biodiversity decline
KW  - food web
KW  - green-green dilemma
KW  - renewable energy
KW  - wind energy production
KW  - wind energy-biodiversity
KW  - conflict
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591568
SN  - 1866-8372
IS  - 7
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tawfik, Ahmed Y.
A1  - Ondrak, Robert
A1  - Winterleitner, Gerd
A1  - Mutti, Maria
T1  - Source rock evaluation and petroleum system modeling of the East Beni Suef Basin, north Eastern Desert, Egypt
JF  - Journal of African earth sciences
N2  - This study deals with the East Beni Suef Basin (Eastern Desert, Egypt) and aims to evaluate the source-generative potential, reconstruct the burial and thermal history, examine the most influential parameters on thermal maturity modeling, and improve on the models already published for the West Beni Suef to ultimately formulate a complete picture of the whole basin evolution.
Source rock evaluation was carried out based on TOC, Rock-Eval pyrolysis, and visual kerogen petrography analyses. Three kerogen types (II, II/III, and III) are distinguished in the East Beni Suef Basin, where the Abu Roash "F" Member acts as the main source rock with good to excellent source potential, oil-prone mainly type II kerogen, and immature to marginal maturity levels. 
The burial history shows four depositional and erosional phases linked with the tectonic evolution of the basin. A hiatus (due to erosion or non-deposition) has occurred during the Late Eocene-Oligocene in the East Beni Suef Basin, while the West Beni Suef Basin has continued subsiding. 
Sedimentation began later (Middle to Late Albian) with lower rates in the East Beni Suef Basin compared with the West Beni Suef Basin (Early Albian). The Abu Roash "F" source rock exists in the early oil window with a present-day transformation ratio of about 19% and 21% in the East and West Beni Suef Basin, respectively, while the Lower Kharita source rock, which is only recorded in the West Beni Suef Basin, has reached the late oil window with a present-day transformation ratio of about 70%. 
The magnitude of erosion and heat flow have proportional and mutual effects on thermal maturity. 
We present three possible scenarios of basin modeling in the East Beni Suef Basin concerning the erosion from the Apollonia and Dabaa formations. 
Results of this work can serve as a basis for subsequent 2D and/or 3D basin modeling, which are highly recommended to further investigate the petroleum system evolution of the Beni Suef Basin.
KW  - source rock evaluation
KW  - Kerogen petrography
KW  - basin modeling
KW  - sensitivity
KW  - analysis
KW  - Beni Suef Basin
KW  - Egypt
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2022.104575
SN  - 1464-343X
SN  - 1879-1956
VL  - 193
PB  - Elsevier
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Rembe, Johannes
A1  - Sobel, Edward
A1  - Kley, Jonas
A1  - Terbishalieva, Baiansulu
A1  - Musiol, Antje
A1  - Chen, Jie
A1  - Zhou, Renjie
T1  - Geochronology, Geochemistry, and Geodynamic Implications of Permo-Triassic Back-Arc Basin Successions in the North Pamir, Central Asia
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Permo-Triassic period marks the time interval between Hercynian (Variscan) orogenic events in the Tien Shan and the North Pamir, and the Cimmerian accretion of the Gondwana-derived Central and South Pamir to the southern margin of the Paleo-Asian continent. A well-preserved Permo-Triassic volcano-sedimentary sequence from the Chinese North Pamir yields important information on the geodynamic evolution of Asia’s pre-Cimmerian southern margin. The oldest volcanic rocks from that section are dated to the late Guadalupian epoch by a rhyolite and a dacitic dike that gave zircon U-Pb ages of ~260 Ma. Permian volcanism was largely pyroclastic and mafic to intermediate. Upsection, a massive ignimbritic crystal tuff in the Chinese Qimgan valley was dated to 244.1 +/- 1.1 Ma, a similar unit in the nearby Gez valley to 245 +/- 11 Ma, and an associated rhyolite to 233.4 +/- 1.1 Ma. Deposition of the locally ~200 m thick crystal tuff unit follows an unconformity and marks the onset of intense, mainly mafic to intermediate, calc-alkaline magmatic activity. Triassic volcanic activity in the North Pamir was coeval with the major phase of Cimmerian intrusive activity in the Karakul-Mazar arc-accretionary complex to the south, caused by northward subduction of the Paleo-Tethys. It also coincided with the emplacement of basanitic and carbonatitic dikes and a thermal event in the South Tien Shan, to the north of our study area. Evidence for arc-related magmatic activity in a back-arc position provides strong arguments for back-arc extension or transtension and basin formation. This puts the Qimgan succession in line with a more than 1000 km long realm of extensional Triassic back-arc basins known from the North Pamir in the Kyrgyz Altyn Darya valley (Myntekin formation), the North Pamir of Tajikistan and Afghanistan, and the Afghan Hindukush (Doab formation) and further west from the Paropamisus and Kopet Dag (Aghdarband, NE Iran).
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1309 
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583318
SN  - 1866-8372
IS  - 1309
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Khurana, Swamini
A1  - Heße, Falk
A1  - Hildebrandt, Anke
A1  - Thullner, Martin
T1  - Predicting the impact of spatial heterogeneity on microbially mediated nutrient cycling in the subsurface
JF  - Biogeosciences
N2  - The subsurface is a temporally dynamic and spatially heterogeneous compartment of the Earth's critical zone, and biogeochemical transformations taking place in this compartment are crucial for the cycling of nutrients. 
The impact of spatial heterogeneity on such microbially mediated nutrient cycling is not well known, which imposes a severe challenge in the prediction of in situ biogeochemical transformation rates and further of nutrient loading contributed by the groundwater to the surface water bodies. 
Therefore, we used a numerical modelling approach to evaluate the sensitivity of groundwater microbial biomass distribution and nutrient cycling to spatial heterogeneity in different scenarios accounting for various residence times. 
The model results gave us an insight into domain characteristics with respect to the presence of oxic niches in predominantly anoxic zones and vice versa depending on the extent of spatial heterogeneity and the flow regime. 
The obtained results show that microbial abundance, distribution, and activity are sensitive to the applied flow regime and that the mobile (i.e. observable by groundwater sampling) fraction of microbial biomass is a varying, yet only a small, fraction of the total biomass in a domain. Furthermore, spatial heterogeneity resulted in anaerobic niches in the domain and shifts in microbial biomass between active and inactive states. The lack of consideration of spatial heterogeneity, thus, can result in inaccurate estimation of microbial activity. In most cases this leads to an overestimation of nutrient removal (up to twice the actual amount) along a flow path. 
We conclude that the governing factors for evaluating this are the residence time of solutes and the Damkohler number (Da) of the biogeochemical reactions in the domain. We propose a relationship to scale the impact of spatial heterogeneity on nutrient removal governed by the logioDa. 
This relationship may be applied in upscaled descriptions of microbially mediated nutrient cycling dynamics in the subsurface thereby resulting in more accurate predictions of, for example, carbon and nitrogen cycling in groundwater over long periods at the catchment scale.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.5194/bg-19-665-2022
SN  - 1726-4170
SN  - 1726-4189
VL  - 19
IS  - 3
SP  - 665
EP  - 688
PB  - Copernicus
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Rembe, Johannes
A1  - Sobel, Edward
A1  - Kley, Jonas
A1  - Terbishalieva, Baiansulu
A1  - Musiol, Antje
A1  - Chen, Jie
A1  - Zhou, Renjie
T1  - Geochronology, Geochemistry, and Geodynamic Implications of Permo-Triassic Back-Arc Basin Successions in the North Pamir, Central Asia
JF  - Lithosphere
N2  - The Permo-Triassic period marks the time interval between Hercynian (Variscan) orogenic events in the Tien Shan and the North Pamir, and the Cimmerian accretion of the Gondwana-derived Central and South Pamir to the southern margin of the Paleo-Asian continent. A well-preserved Permo-Triassic volcano-sedimentary sequence from the Chinese North Pamir yields important information on the geodynamic evolution of Asia’s pre-Cimmerian southern margin. The oldest volcanic rocks from that section are dated to the late Guadalupian epoch by a rhyolite and a dacitic dike that gave zircon U-Pb ages of ~260 Ma. Permian volcanism was largely pyroclastic and mafic to intermediate. Upsection, a massive ignimbritic crystal tuff in the Chinese Qimgan valley was dated to 244.1 +/- 1.1 Ma, a similar unit in the nearby Gez valley to 245 +/- 11 Ma, and an associated rhyolite to 233.4 +/- 1.1 Ma. Deposition of the locally ~200 m thick crystal tuff unit follows an unconformity and marks the onset of intense, mainly mafic to intermediate, calc-alkaline magmatic activity. Triassic volcanic activity in the North Pamir was coeval with the major phase of Cimmerian intrusive activity in the Karakul-Mazar arc-accretionary complex to the south, caused by northward subduction of the Paleo-Tethys. It also coincided with the emplacement of basanitic and carbonatitic dikes and a thermal event in the South Tien Shan, to the north of our study area. Evidence for arc-related magmatic activity in a back-arc position provides strong arguments for back-arc extension or transtension and basin formation. This puts the Qimgan succession in line with a more than 1000 km long realm of extensional Triassic back-arc basins known from the North Pamir in the Kyrgyz Altyn Darya valley (Myntekin formation), the North Pamir of Tajikistan and Afghanistan, and the Afghan Hindukush (Doab formation) and further west from the Paropamisus and Kopet Dag (Aghdarband, NE Iran).
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.2113/2022/7514691
SN  - 1947-4253
VL  - 2022
IS  - 1
PB  - GeoScienceWorld, Geological Society of America
CY  - Boulder, Colorado, USA
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Erbello Doelesso, Asfaw
A1  - Melnick, Daniel
A1  - Zeilinger, Gerold
A1  - Bookhagen, Bodo
A1  - Pingel, Heiko
A1  - Strecker, Manfred
T1  - Geomorphic expression of a tectonically active rift-transfer zone in southern Ethiopia
JF  - Geomorphology : an international journal on pure and applied geomorphology
N2  - The Gofa Province and the Chew Bahir Basin of southern Ethiopia constitute tectonically active regions, where the Southern Main Ethiopian Rift converges with the Northern Kenya Rift through a wide zone of extensional deformation with several north to northeast-trending, left-stepping en-e & PRIME;chelon basins. This sector of the Southern Main Ethiopian Rift is characterized by a semi-arid climate and a largely uniform lithology, and thus provides ideal conditions for studying the different parameters that define the tectonic and geomorphic features of this complex kinematic transfer zone. In this study, the degree of tectonic activity, spatiotemporal variations in extension, and the nature of kinematic linkage between different fault systems of the transfer zone are constrained by detailed quantitative geomorphic analysis of river catchments and focused field work. We analyzed fluvial and landscape morphometric characteristics in combination with structural, seismicity, and climatic data to better evaluate the tectono-geomorphic history of this transfer zone. Our data reveal significant north-south variations in the degree of extension from the Sawula Basin in the north (mature) to the Chew Bahir Basin in the south (juvenile). First, normalized channel-steepness indices and the spatial arrangement of knickpoints in footwall-draining streams suggest a gradual, southward shift in extensional deformation and recent tectonic activity. Second, based on 1-k(m) radius local relief and mean-hillslope maximum values that are consistent with ksn anomalies, we confirm strain localization within zones of fault interaction. Third, morphometric indices such as hypsometry, basin asymmetry factor, and valley floor width to valley height ratio also indicate a north to south gradient in tectonic activity, highlighting the importance of such a wide transfer zone with diffuse extension linking different rift segments during the break-up of continental crust.
KW  - rift transfer zone
KW  - Ethiopia rift
KW  - renya Rift
KW  - morphometric indices
KW  - knickpoints
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108162
SN  - 0169-555X
SN  - 1872-695X
VL  - 403
PB  - Elsevier Science
CY  - Amsterdam [u.a.]
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Riedl, Simon
A1  - Melnick, Daniel
A1  - Njue, Lucy
A1  - Sudo, Masafumi
A1  - Strecker, Manfred
T1  - Mid-Pleistocene to recent crustal extension in the inner graben of the Northern Kenya Rift
JF  - Geochemistry, geophysics, geosystems
N2  - Magmatic continental rifts often constitute nascent plate boundaries, yet long-term extension rates and transient rate changes associated with these early stages of continental breakup remain difficult to determine. Here, we derive a time-averaged minimum extension rate for the inner graben of the Northern Kenya Rift (NKR) of the East African Rift System for the last 0.5 m.y. We use the TanDEM-X science digital elevation model to evaluate fault-scarp geometries and determine fault throws across the volcano-tectonic axis of the inner graben of the NKR. Along rift-perpendicular profiles, amounts of cumulative extension are determined, and by integrating four new Ar-40/Ar-39 radiometric dates for the Silali volcano into the existing geochronology of the faulted volcanic units, time-averaged extension rates are calculated. This study reveals that in the inner graben of the NKR, the long-term extension rate based on mid-Pleistocene to recent brittle deformation has minimum values of 1.0-1.6 mm yr(-1), locally with values up to 2.0 mm yr(-1). A comparison with the decadal, geodetically determined extension rate reveals that at least 65% of the extension must be accommodated within a narrow, 20-km-wide zone of the inner rift. In light of virtually inactive border faults of the NKR, we show that extension is focused in the region of the active volcano-tectonic axis in the inner graben, thus highlighting the maturing of continental rifting in the NKR.
KW  - extensional tectonics
KW  - Kenya Rift
KW  - TanDEM-X DEM
KW  - DEM analysis
KW  - geochronology
KW  - normal faults
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2021GC010123
SN  - 1525-2027
VL  - 23
IS  - 3
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Böhnke, Denise
A1  - Krehl, Alice
A1  - Moermann, Kai
A1  - Volk, Rebekka
A1  - Lützkendorf, Thomas
A1  - Naber, Elias
A1  - Becker, Ronja
A1  - Norra, Stefan
T1  - Mapping urban green and its ecosystem services at microscale-a methodological approach for climate adaptation and biodiversity
JF  - Sustainability / Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
N2  - The current awareness of the high importance of urban green leads to a stronger need for tools to comprehensively represent urban green and its benefits. A common scientific approach is the development of urban ecosystem services (UES) based on remote sensing methods at the city or district level. Urban planning, however, requires fine-grained data that match local management practices. Hence, this study linked local biotope and tree mapping methods to the concept of ecosystem services. The methodology was tested in an inner-city district in SW Germany, comparing publicly accessible areas and non-accessible courtyards. The results provide area-specific [m(2)] information on the green inventory at the microscale, whereas derived stock and UES indicators form the basis for comparative analyses regarding climate adaptation and biodiversity. In the case study, there are ten times more micro-scale green spaces in private courtyards than in the public space, as well as twice as many trees. The approach transfers a scientific concept into municipal planning practice, enables the quantitative assessment of urban green at the microscale and illustrates the importance for green stock data in private areas to enhance decision support in urban development. Different aspects concerning data collection and data availability are critically discussed.
KW  - climate adaptation
KW  - urban green
KW  - mapping
KW  - ecosystem service cascade
KW  - model
KW  - surface type-function-concept
KW  - planning indicators
KW  - city district
KW  - level
KW  - urban planning practice
KW  - climate change
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/su14159029
SN  - 2071-1050
VL  - 14
IS  - 15
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ribacki, Enrico
A1  - Trumbull, Robert B.
A1  - Lopez De Luchi, Monica Graciela
A1  - Altenberger, Uwe
T1  - The chemical and B-Isotope composition of Tourmaline from intra-granitic Pegmatites in the Las Chacras-Potrerillos Batholith, Argentina
JF  - The Canadian mineralogist : journal of the Mineralogical Association of Canada
N2  - The Devonian Las Chacras-Potrerillos batholith comprises six nested monzonitic to granitic intrusions with metaluminous to weakly peraluminous composition and a Sr-Nd isotopic signature indicating a dominantly juvenile mantle-derived source. The chemically most evolved units in the southern batholith contain a large number of intra-granitic, pod-shaped tourmaline-bearing pegmatites. This study uses in situ chemical and boron isotopic analyses of tourmaline from nine of these pegmatites to discuss their relationship to the respective host intrusions and the implications of their B-isotope composition for the source and evolution of the magmas. The tourmalines reveal a diversity in element composition (e.g., FeO, MgO, TiO2, CaO, MnO, F) which distinguishes individual pegmatites from one another. However, all have a narrow 5 11 B range of -13.7 to -10.5%0 (n = 100) which indicates a relatively uniform magmatic system and similar temperature conditions during tourmaline crystallization. The average delta(11) B value of -11.7%0 is typical for S-type granites and is within the range reported for peraluminous granites. pegmatites, and metamorphic units of the Ordovician basement into which the Las Chacras-Potrerillos batholith intruded. The B-isotope evidence argues for a crustal boron source like that of the Ordovician basement, in contrast to the metaluminous to weakly peraluminous composition and juvenile initial Sr and Nd isotope ratios of the Las Chacras-Potrerillos batholith magmas. We propose that the boron was not derived from the magma source region but was incorporated from dehydration melting of elastic metasedimentary rocks higher up in the crustal column.
KW  - pegmatite
KW  - tourmaline
KW  - SIMS
KW  - B-isotopes
KW  - Las Chacras-Potrerillos
KW  - Sierra de San Luis
KW  - Argentina
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3749/canmin.2100036
SN  - 0008-4476
SN  - 1499-1276
VL  - 60
IS  - 1
SP  - 49
EP  - 66
PB  - Association of Canada
CY  - Ottawa
ER  -