TY - THES A1 - Schuck, Bernhard T1 - Geomechanical and petrological characterisation of exposed slip zones, Alpine Fault, New Zealand T1 - Geomechanische und petrologische Charakterisierung aufgeschlossener Gleithorizonte, Alpine Fault, Neuseeland N2 - The Alpine Fault is a large, plate-bounding, strike-slip fault extending along the north-western edge of the Southern Alps, South Island, New Zealand. It regularly accommodates large (MW > 8) earthquakes and has a high statistical probability of failure in the near future, i.e., is late in its seismic cycle. This pending earthquake and associated co-seismic landslides are expected to cause severe infrastructural damage that would affect thousands of people, so it presents a substantial geohazard. The interdisciplinary study presented here aims to characterise the fault zone’s 4D (space and time) architecture, because this provides information about its rheological properties that will enable better assessment of the hazard the fault poses. The studies undertaken include field investigations of principal slip zone fault gouges exposed along strike of the fault, and subsequent laboratory analyses of these outcrop and additional borehole samples. These observations have provided new information on (I) characteristic microstructures down to the nanoscale that indicate which deformation mechanisms operated within the rocks, (II) mineralogical information that constrains the fault’s geomechanical behaviour and (III) geochemical compositional information that allows the influence of fluid- related alteration processes on material properties to be unraveled. Results show that along-strike variations of fault rock properties such as microstructures and mineralogical composition are minor and / or do not substantially influence fault zone architecture. They furthermore provide evidence that the architecture of the fault zone, particularly its fault core, is more complex than previously considered, and also more complex than expected for this sort of mature fault cutting quartzofeldspathic rocks. In particular our results strongly suggest that the fault has more than one principal slip zone, and that these form an anastomosing network extending into the basement below the cover of Quaternary sediments. The observations detailed in this thesis highlight that two major processes, (I) cataclasis and (II) authigenic mineral formation, are the major controls on the rheology of the Alpine Fault. The velocity-weakening behaviour of its fault gouge is favoured by abundant nanoparticles promoting powder lubrication and grain rolling rather than frictional sliding. Wall-rock fragmentation is accompanied by co-seismic, fluid-assisted dilatancy that is recorded by calcite cementation. This mineralisation, along with authigenic formation of phyllosilicates, quickly alters the petrophysical fault zone properties after each rupture, restoring fault competency. Dense networks of anastomosing and mutually cross-cutting calcite veins and intensively reworked gouge matrix demonstrate that strain repeatedly localised within the narrow fault gouge. Abundantly undeformed euhedral chlorite crystallites and calcite veins cross-cutting both fault gouge and gravels that overlie basement on the fault’s footwall provide evidence that the processes of authigenic phyllosilicate growth, fluid-assisted dilatancy and associated fault healing are processes active particularly close to the Earth’s surface in this fault zone. Exposed Alpine Fault rocks are subject to intense weathering as direct consequence of abundant orogenic rainfall associated with the fault’s location at the base of the Southern Alps. Furthermore, fault rock rheology is substantially affected by shallow-depth conditions such as the juxtaposition of competent hanging wall fault rocks on poorly consolidated footwall sediments. This means microstructural, mineralogical and geochemical properties of the exposed fault rocks may differ substantially from those at deeper levels, and thus are not characteristic of the majority of the fault rocks’ history. Examples are (I) frictionally weak smectites found within the fault gouges being artefacts formed at temperature conditions, and imparting petrophysical properties that are not typical for most of fault rocks of the Alpine Fault, (II) grain-scale dissolution resulting from subaerial weathering rather than deformation by pressure-solution processes and (III) fault gouge geometries being more complex than expected for deeper counterparts. The methodological approaches deployed in analyses of this, and other fault zones, and the major results of this study are finally discussed in order to contextualize slip zone investigations of fault zones and landslides. Like faults, landslides are major geohazards, which highlights the importance of characterising their geomechanical properties. Similarities between faults, especially those exposed to subaerial processes, and landslides, include mineralogical composition and geomechanical behaviour. Together, this ensures failure occurs predominantly by cataclastic processes, although aseismic creep promoted by weak phyllosilicates is not uncommon. Consequently, the multidisciplinary approach commonly used to investigate fault zones may contribute to increase the understanding of landslide faulting processes and the assessment of their hazard potential. N2 - Die Alpine Fault ist eine große Plattengrenze mit lateralem Versatz, die sich entlang des nordwestlichen Fußes der Südalpen, Südinsel Neuseeland, erstreckt. Regelmäßig ereignen sich große (MW > 8) Erdbeben und gegenwärtig befindet sich die Störung am Ende ihres Erdbebenzyklus, so dass ein baldiges Beben sehr wahrscheinlich ist. Die Alpine Fault stellt eine bedeutende Naturgefahr dar und so wird davon ausgegangen, dass tausende Menschen von dem anstehenden Erdbeben, ko-seismischen Hangrutschungen und den damit einhergehenden großen Schäden an der Infrastruktur betroffen sein werden. Daher zielt die hier vorgestellte interdisziplinäre Studie darauf ab, den Aufbau der Störungszone in 4D (räumlich und zeitlich) zu charakterisieren, weil dies Aufschluss über ihre rheologischen Eigenschaften liefert und damit einen Beitrag zur Einschätzung der von der Störung ausgehenden Gefahr leisten wird. Die durchgeführten Arbeiten umfassen Felduntersuchungen der entlang der Störung aufge- schlossenen Hauptscherzone und sich daran anschließende Laboruntersuchungen dieser Auf- schluss- und zusätzlicher Bohrlochproben. Diese geben Aufschluss über (I) charakteristis- che Mikrostrukturen bis in den Nanometerbereich, was erlaubt Deformationsmechanismen abzuleiten, (II) die Mineralogie und ihren Einfluss auf das geomechanische Verhalten und (III) die geochemische Zusammensetzung, die es ermöglicht, den Einfluss fluid-bezogener Alterationsprozesse auf Materialeigenschaften besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Variationen der Eigenschaften der Störungsgesteine, wie Mikrostrukturen und mineralogische Zusammensetzung, entlang der Störung nur untergeord- net auftreten und den Aufbau der Störungszone nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Darüber hinaus zeigen sie, dass der Aufbau der Störungszone, vor allem ihres Kerns, komplexer ist als bisher angenommen. Dies ist unerwartet für eine Störung in quartz- und feldspatreichem Gestein dieses Alters. Diese Sicht wird von Ergebnissen gestützt, die nahelegen, dass die Störung mehr als eine Hauptscherzone hat und dass diese ein anastomisierendes Netzwerk bilden, das sich bis in das Festgestein unterhalb der Deckschicht aus quartären Sedimenten erstreckt. Die Beobachtungen dieser Arbeit zeigen, dass zwei Prozesse, (I) Kataklase und (II) au- thigenes Mineralwachstum, den größten Einfluss auf die Rheologie der Alpine Fault haben. Das “velocity-weakening”-Verhalten der Hauptscherzonen und ihres Gesteinsmehls wird durch die große Anzahl von Nanopartikeln begünstigt, die das Rollen der Partikel zu Ungunsten von Gleitreibungsrutschen fördern. Die Zerstückelung des Umgebungsgesteins geht mit ko- seismischer, fluid-unterstützter Dilatanz einher, die die anschließende Zementierung durch Kalzit begünstigt. Diese, in Kombination mit authigenen Schichtsilikaten, stellt die petro- physikalischen Eigenschaften der Störungszone nach jedem Erdbeben schnell wieder her. Dichte Netzwerke anastomisierender und sich gegenseitig durchschlagender Kalzitadern und umfassend aufgearbeitetes Gesteinsmehl belegen, dass Verformung wiederholt in den dünnen Hauptscherbahnen lokalisiert wurde. Kalzitadern durschlagen sowohl das Gesteinsmehl der Hauptscherbahnen als auch das Geröll, das die oberflächennahe Sedimentabdeckung des Festgesteins im Liegenden darstellt. Dies und allgegenwärtige, undeformierte, euhedrale Chlorit-Kristalle belegen, dass authigenes Schichtsilikatwachstum, fluid-unterstütze Dilatanz und das damit einhergehende Heilen der Störung Prozesse sind, die auch nahe der Erdoberfläche wirken. Freigelegte Gesteine der Alpine Fault sind intensiver Verwitterung als direkter Folge des reichlich vorhandenen Steigungsregens, der sich aus der Lage der Störung am Fuß der Südalpen ergibt, ausgesetzt. Darüber hinaus wird die Rheologie der Störungsgesteine erheblich durch oberflächennahen Randbedingungen wie die Gegenüberstellung kompetenter Störungsgesteine des Hangenden mit wenig-konsolidierten Sedimenten des Liegenden beeinflusst. Dies hat zur Folge, dass sich mikrostrukturelle, mineralogische und geochemische Eigenschaften der freigelegten Störungsgesteine erheblich von denen in größeren Tiefen unterscheiden können und folglich nicht charakteristisch für den Großteil der Deformationsgeschichte sind. Beispiele hierfür sind (I) Smektitphasen in den Hauptscherzonen, die einen niedrigen Reibungskoeffizien- ten aufweisen, allerdings Artefakte von für die Mehrheit der Gesteine dieser Störung atypischer Temperaturen und petrophysikalischer Eigenschaften sind, (II) angelöste Minerale als Ergebnis oberflächennaher Verwitterung und nicht von Drucklösung und (III) ein interner Aufbau des Gesteinsmehls der Hauptscherbahnen, der komplexerer ist, als dies für das Äquivalent in größerer Tiefe zu erwarten wäre. Schließlich werden die Ergebnisse dieser Arbeit gemeinsam mit den Hauptbefunden und methodischen Ansätzen anderer Studien zu Störungszonen diskutiert und in Kontext zu Analysen von Scherzonen in Störungen und Hangrutschungen gestellt. Hangrutschungen sind, wie Störungen, bedeutende Naturgefahren, was die Notwendigkeit, ihre geomechanischen Eigenschaften zu charakterisieren, herausstreicht. Störungen, vor allem jene, die Ober- flächenprozessen ausgesetzt sind, und Hangrutschungen teilen viele Gemeinsamkeiten wie mineralogische Zusammensetzung und geomechanisches Verhalten, was vor allem zu Versagen mittels kataklastischer Mechanismen führt; allerdings ist aseismisches Kriechen, befördert durch Schichtsilikate mit niedrigem Reibungskoeffizienten, nicht ungewöhnlich. Folglich könnte der multidisziplinäre Ansatz, der in der Regel zur Untersuchung von Störungszonen herangezogen wird, dazu beitragen das Verständnis von Hangrutschungen zu verbessern und ihr Gefährdungspotential abzuschätzen. KW - Alpine Fault KW - fluid rock interaction KW - microstructures KW - fault healing KW - authigenic mineral formation KW - brittle deformation KW - fault zone architecture KW - strain localization KW - landslides KW - faults KW - mineral composition KW - deformation mechanisms KW - Alpine Fault KW - Fluid-Gesteins-Wechselwirkung KW - Mikrostrukturen KW - Fault Healing KW - authigene Mineralbildung KW - spröde Deformation KW - Störungszonenarchitektur KW - Lokalisierung von Verformung KW - Erdrutsche KW - Verwerfungen KW - Mineralzusammensetzung KW - Deformationsmechanismen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446129 ER - TY - THES A1 - Zorn, Edgar Ulrich T1 - Monitoring lava dome growth and deformation with photogrammetric methods and modelling N2 - Lava domes are severely hazardous, mound-shaped extrusions of highly viscous lava and commonly erupt at many active stratovolcanoes around the world. Due to gradual growth and flank oversteepening, such lava domes regularly experience partial or full collapses, resulting in destructive and far-reaching pyroclastic density currents. They are also associated with cyclic explosive activity as the complex interplay of cooling, degassing, and solidification of dome lavas regularly causes gas pressurizations on the dome or the underlying volcano conduit. Lava dome extrusions can last from days to decades, further highlighting the need for accurate and reliable monitoring data. This thesis aims to improve our understanding of lava dome processes and to contribute to the monitoring and prediction of hazards posed by these domes. The recent rise and sophistication of photogrammetric techniques allows for the extraction of observational data in unprecedented detail and creates ideal tools for accomplishing this purpose. Here, I study natural lava dome extrusions as well as laboratory-based analogue models of lava dome extrusions and employ photogrammetric monitoring by Structure-from-Motion (SfM) and Particle-Image-Velocimetry (PIV) techniques. I primarily use aerial photography data obtained by helicopter, airplanes, Unoccupied Aircraft Systems (UAS) or ground-based timelapse cameras. Firstly, by combining a long time-series of overflight data at Volcán de Colima, México, with seismic and satellite radar data, I construct a detailed timeline of lava dome and crater evolution. Using numerical model, the impact of the extrusion on dome morphology and loading stress is further evaluated and an impact on the growth direction is identified, bearing important implications for the location of collapse hazards. Secondly, sequential overflight surveys at the Santiaguito lava dome, Guatemala, reveal surface motion data in high detail. I quantify the growth of the lava dome and the movement of a lava flow, showing complex motions that occur on different timescales and I provide insight into rock properties relevant for hazard assessment inferred purely by photogrammetric processing of remote sensing data. Lastly, I recreate artificial lava dome and spine growth using analogue modelling under controlled conditions, providing new insights into lava extrusion processes and structures as well as the conditions in which they form. These findings demonstrate the capabilities of photogrammetric data analyses to successfully monitor lava dome growth and evolution while highlighting the advantages of complementary modelling methods to explain the observed phenomena. The results presented herein further bear important new insights and implications for the hazards posed by lava domes. N2 - Lavadome sind kuppelförmige Aufstauungen aus zähflüssiger Lava und bilden sich häufig bei Eruptionen an aktiven Stratovulkanen. Sie stellen dabei oft eine erhebliche Gefahr für Menschen und Infrastruktur dar, weil Lavadome instabil werden können und bei einem Kollaps pyroklastische Ströme (auch Glutlawinen) erzeugen können. Diese können innerhalb von Minuten weite Flächen verwüsten, daher ist die Überwachung von Lavadomen und deren Wachstum mit genauen und zuverlässigen Daten von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Bewegungen von Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden (Vermessungen anhand von Fotos) und mit Modellierungen in drei Teilstudien getestet und untersucht. Dazu wurden Daten sowohl an Lavadomen von Vulkanen in Mexiko und Guatemala als auch mittels künstlich erzeugter Dome im Labor erhoben. Hierbei wurden insbesondere das Structure-from-Motion-Verfahren, bei dem mithilfe einer Serie von Luftaufnahmen ein hochauflösendes 3D-Modell des Lavadoms und des Vulkans erstellt wird, und das Particle-Image-Velocimetry-Verfahren, bei dem aus einer Zeitreihe von Fotos kleinste Bewegungen detailliert gemessen werden können, verwendet. In der ersten Teilstudie wird aus einer Kombination von Überflugsbildern, Radardaten eines Satelliten, und seismischen Daten eine detaillierte Zeitreihe des Lavadom-Wachstums und der Kraterentwickelung am Volcán de Colima, Méxiko, erstellt. Anschließend werden die dabei erfassten Richtungen des Domwachstums mit numerischen Modellen auf Basis der fotogrammetrischen 3D-Modelle simuliert, welche zeigen, dass sich lokale Änderungen der Topografie auf die Wachstumsrichtung auswirken können. In der zweiten Teilstudie werden Drohnen in verschiedenen Zeitintervallen über einen Lavadom am Santa Maria Vulkan, Guatemala, geflogen. Die Überflugsdaten zeigen dabei Bewegungen sowohl an einem Lavastrom als auch ein Anschwellen des Doms mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ferner können die Daten genutzt werden um Oberflächentemperatur und die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Lava zu vermessen, welche für die Gefahrenanalyse eine wichtige Rolle spielen. In der dritten Teilstudie werden künstliche Dom-Modelle mithilfe von Sand-Gips-Gemischen erzeugt. Diese können sowohl den Aufbau und Morphologie als auch die internen Strukturen von Lavadomen simulieren und anhand von Zeitraffer-Aufnahmen im Detail nachstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Fotogrammetrie und Modellierungen geeignete Mittel sind um Lavadome sowie deren Entstehungsprozesse und Gefahren zu verfolgen und neue Erkenntnisse zu gewinnen. T2 - Überwachung von Wachstum und Deformation an Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden und Modellierungen KW - Lava dome KW - Lavadom KW - Photogrammetry KW - Fotogrammetrie KW - Volcano KW - Vulkan KW - Analogue Model KW - Analogmodell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483600 ER - TY - THES A1 - Biedermann, Nicole T1 - Carbonate-silicate reactions at conditions of the Earth’s mantle and the role of carbonates as possible trace-element carriers N2 - Carbonates play a key role in the chemistry and dynamics of our planet. They are directly connected to the CO2 budget of our atmosphere and have a great impact on the deep carbon cycle. Moreover, recent studies have shown that carbonates are stable along the geothermal gradient down to Earth's lower mantle conditions, changing their crystal structure and related properties. Subducted carbonates may also react with silicates to form new phases. These reactions will redistribute elements, such as calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe) and carbon in the form of carbon dioxide (CO2), but also trace elements, that are carried by the carbonates. The trace elements of most interest are strontium (Sr) and rare earth elements (REE) which have been found to be important constituents in the composition of the primitive lower mantle and in mineral inclusions found in super-deep diamonds. However, the stability of carbonates in presence of mantle silicates at relevant temperatures is far from being well understood. Related to this, very little is known about distribution processes of trace elements between carbonates and mantle silicates. To shed light on these processes, we studied reactions between Sr- and REE-containing CaCO3 and Mg/Fe-bearing silicates of the system (Mg,Fe)2SiO4 - (Mg,Fe)SiO3 at high pressure and high temperature using synchrotron radiation based μ-X-ray diffraction (μ-XRD) and μ-X-ray fluorescence (μ-XRF) with μm-resolution in a laser-heated diamond anvil cell. X-ray diffraction is used to derive the structural changes of the phase reactions whereas X-ray fluorescence gives information on the chemical changes in the sample. In-situ experiments at high pressure and high temperature were performed at beamline P02.2 at PETRA III (Hamburg, Germany) and at beamline ID27 at ESRF (Grenoble, France). In addition to μ-XRD and μ-XRF, ex-situ measurements were made on the recovered sample material using transmission electron microscopy (TEM) and provided further insights into the reaction kinetics of carbonate-silicate reactions. Our investigations show that CaCO3 is unstable in presence of mantle silicates above 1700 K and a reaction takes place in which magnesite plus CaSiO3-perovskite are formed. In addition, we observed that a high content of iron in the carbonate-silicate system favours dolomite formation during the reaction. The subduction of natural carbonates with significant amounts of Sr leads to a comprehensive investigation of the stability not only of CaCO3 phases in contact with mantle silicates but also of SrCO3 (and of Sr-bearing CaCO3). We found that SrCO3 reacts with (Mg,Fe)SiO3-perovskite to form magnesite and gained evidence for the formation of SrSiO3-perovskite. To complement our study on the stability of SrCO3 at conditions of the Earth's lower mantle, we performed powder X-ray diffraction and single crystal X-ray diffraction experiments at ambient temperature and up to 49 GPa. We observed a transformation from SrCO3-I into a new high-pressure phase SrCO3-II at around 26 GPa with Pmmn crystal structure and a bulk modulus of 103(10) GPa. This information is essential to fully understand the phase behaviour and stability of carbonates in the Earth's lower mantle and to elucidate the possibility of introducing Sr into mantle silicates by carbonate-silicate reactions. Simultaneous recording of μ-XRD and μ-XRF in the μm-range over the heated areas provides spatial information not only about phase reactions but also on the elemental redistribution during the reactions. A comparison of the spatial intensity distribution of the XRF signal before and after heating indicates a change in the elemental distribution of Sr and an increase in Sr-concentration was found around the newly formed SrSiO3-perovskite. With the help of additional TEM analyses on the quenched sample material the elemental redistribution was studied at a sub-micrometer scale. Contrary to expectations from combined μ-XRD and μ-XRF measurements, we found that La and Eu were not incorporated into the silicate phases, instead they tend to form either isolated oxide phases (e.g. Eu2O3, La2O3) or hydroxyl-bastnäsite (La(CO3)(OH)). In addition, we observed the transformation from (Mg,Fe)SiO3-perovskite to low-pressure clinoenstatite during pressure release. The monoclinic structure (P21/c) of this phase allows the incorporation of Ca as shown by additional EDX analyses and, to a minor extent, Sr too. Based on our experiments, we can conclude that a detection of the trace elements in-situ at high pressure and high temperature remains challenging. However, our first findings imply that silicates may incorporate the trace elements provided by the carbonates and indicate that carbonates may have a major effect on the trace element contents of mantle phases. N2 - Karbonate spielen eine wesentliche Rolle in der Chemie und Dynamik unseres Planeten. Sie stehen im direkten Zusammenhang mit dem CO2-Haushalt unserer Atmosphäre und dem tiefen, erdinneren Kohlenstoff-Kreislauf. Darüber hinaus haben jüngste Studien gezeigt, dass subduzierte Karbonate entlang des geothermischen Gradienten bis hinunter zu unteren Erdmantelbedingungen stabil sind, wobei sich ihre Kristallstruktur und die damit verbundenen Eigenschaften ändern. Ebenso können subduzierte Karbonate mit Mantelsilikaten reagieren. Diese Reaktionen führen zu einer Umverteilung von Elementen, welche von den subduzierten Karbonaten hinunter in die Tiefen der Erde transportiert werden. Die Elemente, um die es sich hauptsächlich handelt, sind dabei Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Aber auch Spurenelemente, wie beispielsweise Strontium (Sr) und Seltene Erdelemente (REE), können über Karbonate in den unteren Erdmantelbereich gelangen. Die Stabilität der Karbonate in Gegenwart von Mantelsilikaten bei relevanten Erdmantelbedingungen ist jedoch bei Weitem nicht bekannt. Ebenso ist nur sehr wenig über die Verteilungsprozesse von Spurenelementen zwischen Karbonaten und Mantelsilikaten bekannt. Um diese Prozesse zu beleuchten, wurden Reaktionen zwischen Sr- und REE-haltigem CaCO3 und Mg/Fe-haltigen Silikaten aus dem System (Mg,Fe)2SiO4 - (Mg,Fe)SiO3 unter hohem Druck und hoher Temperatur mit μm-aufgelöster Röntgenbeugung (μ-XRD) und Röntgenfluoreszenz (μ-XRF) in einer lasergeheizten Diamantstempelzelle durchgeführt. Dabei wird Röntgenbeugung verwendet, um die strukturellen Änderungen der Phasenreaktionen abzuleiten, während Röntgenfluoreszenz Informationen über die chemischen Änderungen in der Probe liefert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass sowohl SrCO3 als auch CaCO3 in Gegenwart von Mantelsilikaten bei über 1700 K instabil sind und eine Reaktion stattfindet, bei der Magnesit und CaSiO3-Perowskit bzw. SrSiO3-Perowskit gebildet werden. Ein Vergleich der räumlichen Intensitätsverteilungen von XRF Signalen vor und nach dem Heizen zeigt eine Änderung in der Elementverteilung von Sr und eine Zunahme der Sr-Konzentration um den neugebildeten SrSiO3-Perowskit. Zusätzliche Aufnahmen am zurückgewonnenen, abgeschreckten Probenmaterial mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) lieferten weitere Erkenntnisse zur Reaktionskinetik. Entgegen den Erwartungen eines Einbaus der Seltenen Erdelemente in die neugebildeten Mantelsilikate, haben wir aus kombinierten μ-XRD-, μ-XRF- und TEM-Messungen festgestellt, dass La und Eu entweder isolierte Oxidphasen (Eu2O3, La2O3) oder Hydroxyl-Bastnäsit (La(CO3)(OH)) bilden. Zusätzlich war zu beobachten, dass (Mg,Fe)SiO3-Perowskit sich während der Druckentlastung in Clinoenstatit umgewandelt hat. Die monokline Struktur dieser Phase ermöglicht den Einbau von Ca und, im geringerem Maße, Sr, wie durch zusätzliche EDX-Analysen gezeigt wurde. Ergänzend zu unserer Studie führten wir Pulver-Röntgenbeugung in Kombination mit Einkristall-Röntgenbeugung bei Umgebungstemperatur und bis zu 49 GPa am Endglied Strontianit (SrCO3) durch. Wir beobachteten eine Umwandlung von SrCO3-I in eine neue Hochdruckphase SrCO3-II bei etwa 26 GPa mit Pmmn-Kristallstruktur und einem Kompressionsmodul von 103(10) GPa. Solche Informationen sind sehr wichtig, da sie Aufschlüsse sowohl über das Phasenverhalten als auch über die Stabilität von Karbonaten in Gegenwart von Mantelsilikaten geben und helfen, sie vollständig zu verstehen. Basierend auf den Erkenntnissen aus unseren Experimenten können wir schließen, dass ein Nachweis von Spurenelementen in-situ unter hohem Druck und hoher Temperatur eine Herausforderung bleibt. Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Silikate die Spurenelemente, welche von den Karbonaten transportiert werden, aufnehmen können und demzufolge Karbonate einen wesentlichen Einfluss auf den Spurenelementgehalt von Mantelphasen haben. T2 - Karbonat-Silikat-Reaktionen bei Erdmantelbedingungen und die Rolle der Karbonate als mögliche Spurenelementträger KW - laser-heated Diamond Anvil Cell KW - Carbonate-Silicate reactions KW - Earth's mantle KW - Karbonat-Silikat-Reaktionen KW - Erdmantel KW - laser-geheizte Diamantstempelzelle Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482772 ER - TY - THES A1 - Pick, Leonie Johanna Lisa T1 - The centennial evolution of geomagnetic activity and its driving mechanisms N2 - This cumulative thesis is concerned with the evolution of geomagnetic activity since the beginning of the 20th century, that is, the time-dependent response of the geomagnetic field to solar forcing. The focus lies on the description of the magnetospheric response field at ground level, which is particularly sensitive to the ring current system, and an interpretation of its variability in terms of the solar wind driving. Thereby, this work contributes to a comprehensive understanding of long-term solar-terrestrial interactions. The common basis of the presented publications is formed by a reanalysis of vector magnetic field measurements from geomagnetic observatories located at low and middle geomagnetic latitudes. In the first two studies, new ring current targeting geomagnetic activity indices are derived, the Annual and Hourly Magnetospheric Currents indices (A/HMC). Compared to existing indices (e.g., the Dst index), they do not only extend the covered period by at least three solar cycles but also constitute a qualitative improvement concerning the absolute index level and the ~11-year solar cycle variability. The analysis of A/HMC shows that (a) the annual geomagnetic activity experiences an interval-dependent trend with an overall linear decline during 1900–2010 of ~5 % (b) the average trend-free activity level amounts to ~28 nT (c) the solar cycle related variability shows amplitudes of ~15–45 nT (d) the activity level for geomagnetically quiet conditions (Kp<2) lies slightly below 20 nT. The plausibility of the last three points is ensured by comparison to independent estimations either based on magnetic field measurements from LEO satellite missions (since the 1990s) or the modeling of geomagnetic activity from solar wind input (since the 1960s). An independent validation of the longterm trend is problematic mainly because the sensitivity of the locally measured geomagnetic activity depends on geomagnetic latitude. Consequently, A/HMC is neither directly comparable to global geomagnetic activity indices (e.g., the aa index) nor to the partly reconstructed open solar magnetic flux, which requires a homogeneous response of the ground-based measurements to the interplanetary magnetic field and the solar wind speed. The last study combines a consistent, HMC-based identification of geomagnetic storms from 1930–2015 with an analysis of the corresponding spatial (magnetic local time-dependent) disturbance patterns. Amongst others, the disturbances at dawn and dusk, particularly their evolution during the storm recovery phases, are shown to be indicative of the solar wind driving structure (Interplanetary Coronal Mass Ejections vs. Stream or Co-rotating Interaction Regions), which enables a backward-prediction of the storm driver classes. The results indicate that ICME-driven geomagnetic storms have decreased since 1930 which is consistent with the concurrent decrease of HMC. Out of the collection of compiled follow-up studies the inclusion of measurements from high-latitude geomagnetic observatories into the third study’s framework seems most promising at this point. N2 - Diese kumulative Arbeit behandelt die Entwicklung der geomagnetischen Aktivität seit Beginn des 20. Jahrhunderts, also die zeitabhängige Antwort des Erdmagnetfeldes auf das Einwirken der Sonne. Der Fokus liegt auf einer Beschreibung des in der Magnetosphäre begründeten, magnetischen Störfeldes auf der Erdoberfläche. Die Variabilität dieses Störfeldes reagiert besonders sensibel auf das Ringstromsystem und wird hinsichtlich des Sonnenantriebs interpretiert. Damit trägt diese Arbeit dazu bei, die langfristige solar-terrestrische Interaktion umfassend zu verstehen. Die gemeinsame Basis der vorgestellen Publikationen ist eine Reanalyse der vektoriellen Magnetfeldmessungen von geomagnetischen Observatorien, die auf niedrigen und mittleren geomagnetischen Breitengraden liegen. In den beiden ersten Studien werden neue, auf den Ringstrom spezialisierte, geomagntische Aktivitätsindizes hergeleitet, die „Annual/Hourly Magnetopsheric Currents“ (A/HMC) Indizes. Verglichen mit existierenden Indizes (z.B. dem Dst Index) verlängern sie nicht nur die abgedeckte Zeitspanne, sondern sie stellen auch eine qualitative Verbesserung bezüglich des absoluten Niveaus und der mit dem ca. 11-jährigen Sonnenzyklus einhergehenden Variabilität dar. Die Auswertung des A/HMC zeigt, dass (a) die jährliche geomagnetiche Aktivität einem intervallabhängigen Trend unterliegt mit einer linearen Abnahme von ca. 5 % im Zeitraum 1900-2010 (b) das durchschnittliche, Trend-befreite Aktivitätsniveau bei ca. 28 Nanotesla (nT) liegt (c) die mit dem Sonnenzyklus zusammenhängende Variabilität eine Amplitude zwischen 15 und 45 nT aufweist (d) das Aktivitätsniveau für geomagnetisch ruhige Konditionen (Kp < 2 nT) bei knapp unter 20 nT liegt. Die Plausibilität der letztgenannten drei Punkte lässt sich über einen Vergleich mit unabhängigen Abschätzungen sicherstellen. Entweder zieht man hierzu Magnetfeldmessungen von „Low-Earth-Orbit“ Satellitenmissionen (seit den 1990er-Jahren), oder eine Modellierung der geomagnetischen Aktivität mittels der Parameter des Sonnenwindes (seit den 1960er-Jahren) heran. Eine unabhängige Validierung des langfristigen Trends ist jedoch problematisch, hauptsächlich, weil die Sensitivität der lokalen geomagnetischen Aktivität vom Breitengrad abhängt. Folglich ist A/HMC weder mit globalen, geomagnetischen Aktivitätindizes (z.B. mit dem aa Index), noch mit dem teils rekonstruierten, „offenen“ solaren Magnetfluss direkt vergleichbar. Die dritte Studie kombiniert eine konsistente, HMC-basierte Identifikation geomagnetischer Stürme aus dem Zeitraum 1930-2015 mit einer Analyse der entsprechenden räumlichen Störungsmuster. Die Studie zeigt, dass insbesondere die Entwicklung der Magnetfeldstörungen zu Sonnenauf- und Sonnenuntergang während der Erholungsphase der Stürme statistisch unterschiedlich auf die Art des Sonnenwindantriebs (Koronale Massenauswürfe (KM) oder korotierende Wechselwirkungsregionen) reagieren. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Antriebsklassen von historischen geomagnetischen Stürmen. Die Ergebnisse zeigen, dass KM-getriebene Stürme seit 1930 abgenommen haben, was mit der einhergehenden Verringerung von HMC zusammenpasst. Aus der Sammlung möglicher Folgestudien erscheint es zum jetzigen Zeitpunkt am vielversprechendsten, Observatoriumsmessungen aus hohen Breiten im Rahmen der dritten Studie einzubeziehen. T2 - Die hundertjährige Entwicklung der geomagnetischen Aktivität und ihre Antriebsmechanismen KW - Geomagnetic activity KW - Geomagnetic index KW - Geomagnetic observatory KW - Space climate KW - Space weather KW - Geomagnetische Aktivität KW - Geomagnetischer Index KW - Geomagnetisches Observatorium KW - Weltraumklima KW - Weltraumwetter Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472754 ER - TY - THES A1 - Liu, Sibiao T1 - Controls of foreland-deformation patterns in the orogen-foreland shortening system N2 - The Andean Plateau (Altiplano-Puna Plateau) of the southern Central Andes is the second-highest orogenic plateau on our planet after Tibet. The Andean Plateau and its foreland exhibit a pronounced segmentation from north to south regarding the style and magnitude of deformation. In the Altiplano (northern segment), more than 300 km of tectonic shortening has been recorded, which started during the Eocene. A well-developed thin-skinned thrust wedge located at the eastern flank of the plateau (Subandes) indicates a simple-shear shortening mode. In contrast, the Puna (southern segment) records approximately half of the shortening of the Altiplano - and the shortening started later. The tectonic style in the Puna foreland switches to a thick-skinned mode, which is related to pure-shear shortening. In this study, carried out in the framework of the StRATEGy project, high-resolution 2D thermomechanical models were developed to systematically investigate controls of deformation patterns in the orogen-foreland pair. The 2D and 3D models were subsequently applied to study the evolution of foreland deformation and surface topography in the Altiplano-Puna Plateau. The models demonstrate that three principal factors control the foreland-deformation patterns: (i) strength differences in the upper lithosphere between the orogen and its foreland, rather than a strength difference in the entire lithosphere; (ii) gravitational potential energy of the orogen (GPE) controlled by crustal and lithospheric thicknesses, and (iii) the strength and thickness of foreland-basin sediments. The high-resolution 2D models are constrained by observations and successfully reproduce deformation structures and surface topography of different segments of the Altiplano-Puna plateau and its foreland. The developed 3D models confirm these results and suggest that a relatively high shortening rate in the Altiplano foreland (Subandean foreland fold-and-thrust belt) is due to simple-shear shortening facilitated by thick and mechanically weak sediments, a process which requires a much lower driving force than the pure-shear shortening deformation mode in the adjacent broken foreland of the Puna, where these thick sedimentary basin fills are absent. Lower shortening rate in the Puna foreland is likely accommodated in the forearc by the slab retreat. N2 - Das Andenplateau (Altiplano-Puna-Plateau) in den südlichen Zentralanden ist nach Tibet das zweithöchste orogene Plateau auf unserem Planeten. Dieses Plateau und sein Vorland weisen eine ausgeprägte Segmentierung von Nord nach Süd hinsichtlich Art und Ausmaß der Verformung auf. Im Altiplano (nördliches Segment) wird seit der im Eozän stattfindenden Deformation mehr als 300 km tektonische Verkürzung dokumentiert. Ein gut entwickelter sedimentärer Schubkeil bzw. Vorland-Überschiebungsgürtel (Subandin) an der Ostflanke des Plateaus (thin-skinned foreland deformation) deutet in dieser Region des Vorlandes auf Prozesse einfacher Scherung hin (simple-shear modus). Im Gegensatz dazu weist die Puna (südliches Plateausegment) ungefähr die Hälfte der Verkürzung des Altiplano auf - und die Verkürzung begann später. Außerdem geht der tektonische Stil im Puna-Vorland zu einem zerbrochenen Vorland mit Kristallinblöcken (thick-skinned foreland) über, der mit der Verkürzung durch reine Scherung (pure-shear modus) erklärt werden kann. In dieser Studie, die im Rahmen des StRATEGy-Projekts durchgeführt wurde, wurden hochauflösende thermomechanische 2D-Modelle entwickelt, um systematisch die Kontrolle von Verformungsmustern im Orogen-Vorland-Paar zu untersuchen. Die 2D- und 3D-Modelle wurden anschließend angewendet, um die Entwicklung der Vorlanddeformation und der Oberflächentopographie im Altiplano-Puna-Plateau zu verstehen. Die Modelle zeigen, dass drei Hauptfaktoren die Deformationsmuster des Vorlandes steuern: (i) Festigkeitsunterschiede in der oberen Lithosphäre zwischen dem Orogen und seinem Vorland - und nicht Festigkeitsunterschiede in der gesamten Lithosphäre; (ii) die gravitationsbezogene potentielle Energie des Orogens (GPE), die durch die Krusten- und Lithosphärenmächtigkeit gesteuert wird und (iii) die Festigkeit sowie Mächtigkeiten der Vorlandbeckensedimente. Die hochauflösenden 2D-Modelle sind auf tatsächliche Daten aus Beobachtungen beschränkt und reproduzieren erfolgreich Deformationsstrukturen sowie die topographischen Verhältnisse der verschiedenen Segmente des Altiplano-Puna-Plateaus und seines Vorlandes. Die entwickelten 3D-Modelle bestätigen diese Ergebnisse und legen nahe, dass die relativ hohe Verkürzungsrate im Altiplano-Vorland (Subandin) bei den vorhandenen mächtigen Sedimentabfolgen geringer mechanischer Festigkeit weniger Kraftaufwand erfordert als die Deformation des Puna-Vorlandes, wo diese Sedimente weitgehend fehlen. Die geringeren Verkürzungsbeträge im Puna-Vorland werden wahrscheinlich durch das Zurückweichen der Subduktionszone im Forearc-Bereich ausgeglichen. KW - geodynamics KW - numerical modeling KW - Central Andes KW - foreland deformation KW - geophysics KW - Geodynamik KW - numerische Modellierung KW - Zentralanden KW - Vorlanddeformation KW - Geophysik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445730 ER - TY - THES A1 - Purinton, Benjamin T1 - Remote sensing applications to earth surface processes in the Eastern Central Andes T1 - Fernerkundungsanwendungen für Erdoberflächenprozesse in den östlichen Zentralanden N2 - Geomorphology seeks to characterize the forms, rates, and magnitudes of sediment and water transport that sculpt landscapes. This is generally referred to as earth surface processes, which incorporates the influence of biologic (e.g., vegetation), climatic (e.g., rainfall), and tectonic (e.g., mountain uplift) factors in dictating the transport of water and eroded material. In mountains, high relief and steep slopes combine with strong gradients in rainfall and vegetation to create dynamic expressions of earth surface processes. This same rugged topography presents challenges in data collection and process measurement, where traditional techniques involving detailed observations or physical sampling are difficult to apply at the scale of entire catchments. Herein lies the utility of remote sensing. Remote sensing is defined as any measurement that does not disturb the natural environment, typically via acquisition of images in the visible- to radio-wavelength range of the electromagnetic spectrum. Remote sensing is an especially attractive option for measuring earth surface processes, because large areal measurements can be acquired at much lower cost and effort than traditional methods. These measurements cover not only topographic form, but also climatic and environmental metrics, which are all intertwined in the study of earth surface processes. This dissertation uses remote sensing data ranging from handheld camera-based photo surveying to spaceborne satellite observations to measure the expressions, rates, and magnitudes of earth surface processes in high-mountain catchments of the Eastern Central Andes in Northwest Argentina. This work probes the limits and caveats of remote sensing data and techniques applied to geomorphic research questions, and presents important progress at this disciplinary intersection. N2 - Die Geomorphologie versucht die Art, Geschwindigkeit und Ausmaße des Sediment- und Wassertransports zu charakterisieren welche zur Formung der Landschaften beitragen. Diese werden im Allgemeinen als Erdoberflächenprozesse bezeichnet, welche den Einfluss biologischer (z.B. Vegetation), klimatischer (z.B. Niederschlag) und tektonischer (z.B. Gebirgshebung) Faktoren auf den Transport von Wasser und das erodierte Material beschreiben. Im Hochgebirge entsteht eine dynamische Wechselwirkung zwischen hohen Reliefs und steilen Hängen und infolge dessen starke Regen- und Vegetationsgradienten. Die gleiche raue Topographie stellt wiederum eine Herausforderung bei der Datenerfassung und Prozessmessung dar, da hier herkömmliche Techniken zur detaillierten Beobachtung oder physikalischen Probenahmen im Maßstab ganzer Einzugsgebiete an ihre Grenzen stoßen. Hier zeigt sich der Nutzen der Fernerkundung. Fernerkundung ist definiert als Messung, welche die natürliche Umgebung nicht stört, typischerweise durch Aufnahme von Bildern im sichtbaren bis Radio-Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Fernerkundung ist eine besonders vorteilhafte Option für die Messung von Erdoberflächenprozessen, da großflächige Messungen mit wesentlich geringerem Aufwand als bei herkömmlichen Methoden durchgeführt werden können. Diese Messungen ermöglichen nicht nur das Erfassen der topografischen Form, sondern auch das der Klima- und Umwelteinflüsse, die wiederum bei der Untersuchung von Erdoberflächenprozessen miteinander verknüpft sind. In dieser Dissertation werden Fernerkundungsdaten verwendet, die von kamerabasierten Handaufnahmen bis zu weltraumgestützten Satellitenbeobachtungen reichen, um die Auswirkungen, Geschwindigkeiten und das Ausmaß von Erdoberflächenprozessen in hochgebirgigen Einzugsgebieten der östlichen Zentralanden im Nordwesten Argentiniens zu messen. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten und Grenzen von Fernerkundungsdaten und -techniken, die auf geomorphologische Forschungsfragen angewendet werden und präsentiert wichtige Fortschritte an diesem disziplinären Schnittpunkt. KW - Fernerkundung KW - remote sensing KW - Geomorphologie KW - geomorphology KW - Anden KW - Andes Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445926 ER - TY - THES A1 - Milewski, Robert T1 - Potential of optical remote sensing for the analysis of salt pan environments N2 - Salt pans also termed playas are common landscape features of hydrologically closed basins in arid and semiarid zones, where evaporation significantly exceeds the local precipitation. The analysis and monitoring of salt pan environments is important for the evaluation of current and future impact of these landscape features. Locally, salt pans have importance for the ecosystem, wildlife and human health, and through dust emissions they influence the climate on regional and global scales. Increasing economic exploitation of these environments in the last years, e.g. by brine extraction for raw materials, as well as climate change severely affect the water, material and energy balance of these systems. Optical remote sensing has the potential to characterise salt pan environments and to increase the understanding of processes in playa basins, as well as to assess wider impacts and feedbacks that exist between climate forcing and human intervention in their regions. Remote sensing techniques can provide information for extensive regions on a high temporal basis compared to traditional field samples and ground observations. Specifically, for salt pans that are often challenging to study because of their large size, remote location, and limited accessibility due to missing infrastructure and ephemeral flooding. Furthermore, the availability of current and upcoming hyperspectral remote sensing data opened the opportunity for the analyses of the complex reflectance signatures that relate to the mineralogical mixtures found in the salt pan sediments. However, these new advances in sensor technology, as well as increased data availability currently have not been fully explored for the study of salt pan environments. The potential of new sensors needs to be assessed and state of the art methods need to be adapted and improved to provide reliable information for in depth analysis of processes and characterisation of the recent condition, as well as to support long-term monitoring and to evaluate environmental impacts of changing climate and anthropogenic activity. This thesis provides an assessment of the capabilities of optical remote sensing for the study of salt pan environments that combines the information of hyperspectral data with the increased temporal coverage of multispectral observations for a more complete understanding of spatial and temporal complexity of salt pan environments using the Omongwa salt pan located in the south-west Kalahari as a test site. In particular, hyperspectral data are used for unmixing of the mineralogical surface composition, spectral feature-based modelling for quantification of main crust components, as well as time-series based classification of multispectral data for the assessment of the long-term dynamic and the analysis of the seasonal process regime. The results show that the surface of the Omongwa pan can be categorized into three major crust types based on diagnostic absorption features and mineralogical ground truth data. The mineralogical crust types can be related to different zones of surface dynamic as well as pan morphology that influences brine flow during the pan inundation and desiccation cycles. Using current hyperspectral imagery, as well as simulated data of upcoming sensors, robust quantification of the gypsum component could be derived. For the test site the results further indicate that the crust dynamic is mainly driven by flooding events in the wet season, but it is also influenced by temperature and aeolian activity in the dry season. Overall, the scientific outcomes show that optical remote sensing can provide a wide range of information helpful for the study of salt pan environments. The thesis also highlights that remote sensing approaches are most relevant, when they are adapted to the specific site conditions and research scenario and that upcoming sensors will increase the potential for mineralogical, sedimentological and geomorphological analysis, and will improve the monitoring capabilities with increased data availability. N2 - Salzpfannen, auch Playas genannt, sind häufige Landschaftsformen endorheischer Becken in ariden und semi-ariden Zonen, in denen die Evaporation den lokalen Niederschlag deutlich übersteigt. Die Analyse und das Monitoring von Salzpfannen sind wichtig für die Bewertung des aktuellen und zukünftigen Wandels dieser Systeme. Salzpfannen haben große Bedeutung für das lokale Ökosystem, für die Gesundheit von Mensch und Tier, und durch ihre Staubemissionen können sie das Klima auf regionaler und globaler Ebene beeinflussen. Die zunehmende industrielle Nutzung dieser Räume in den letzten Jahren, z.B. durch Soleförderung zur Rohstoffgewinnung, sowie der Klimawandel haben erhebliche Auswirkungen auf ihre Wasser-, Stoff- und Energiebilanz. Die optische Fernerkundung bietet das Potenzial diese Landschaftsformen zu charakterisieren, Veränderungen zu erkennen und das Prozessverständnis zu fördern, sowie umfassende Auswirkungen und Rückkopplungen zwischen klimatischen und anthropogenen Einflüssen in diesen Regionen zu erkennen. Im Vergleich zu traditionellen Feldmethoden bietet der Einsatz von Fernerkundung eine Basis für großräumige und wiederholte Untersuchungen. Das gilt insbesondere für Salzpfannen, die aufgrund ihrer Größe, abgelegener Lage und durch begrenzte Zugänglichkeit, aufgrund fehlender Infrastruktur und episodischen Überschwemmungen, häufig schwer zu untersuchen sind. Darüber hinaus eröffnete die aktuelle und zukünftig gesteigerte Verfügbarkeit von hyperspektralen Fernerkundungsdaten die Möglichkeit zur detaillierten Analyse der Reflexionseigenschaften der komplexen Mineralogie und Sedimenteigenschaften von Salzpfannenoberflächen. Der Einsatz neuer Sensorik sowie die erhöhte Datenverfügbarkeit sind jedoch derzeit noch nicht ausreichend für die Untersuchung von Salzpfannen erforscht. Das Potenzial neuer Sensoren muss bewertet und die aktuelle Methodik angepasst und verbessert werden, um zuverlässige Informationen für die Charakterisierung und Analyse des aktuellen Zustands zu liefern, sowie eine langfristige Überwachung und Bewertung der Auswirkungen von Klimaveränderung und der anthropogenen Aktivität auf Salzpfannen und deren Regionen zu ermöglichen. Diese Arbeit bietet eine Bewertung des Potentials der optischen Fernerkundung für die Untersuchung von Salzpfannen. Der Fokus liegt insbesondere auf der kombinierten Nutzung der analytischer Stärke von hyperspektralen Daten mit der erhöhten zeitlichen Auflösung von multispektralen Beobachtungen, um ein gesteigertes Verständnis der räumlichen und zeitlichen Komplexität von Salzpfannen zu erreichen. Als Testgebiet hierfür dient die Omongwa Salzpfanne in der Süd-Westlichen Kalahari. Im Rahmen dieser Arbeit werden hyperspektrale Fernerkundungsdaten für die spektrale Entmischung der mineralogischen Oberflächenzusammensetzung und für die Quantifizierung mittels spektraler Parameter genutzt. Gleichzeitig ermöglicht die multitemporale Klassifikation von Multispektraldaten die Beurteilung der Langzeitdynamik und die Analyse des saisonalen Prozessgeschehens. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche der Omongwa-Salzpfanne in drei Hauptklassen, dominiert von verschiedenen Evaporitmineralen, eingeteilt werden kann, die aufgrund diagnostischen Absorptionsmerkmalen und durch die Analyse von in-situ Daten unterschieden werden können. Diese mineralogischen Hauptklassen korrelieren mit Zonen unterschiedlicher zeitlicher Dynamik, sowie mit dem morphologischen Aufbau der Salzpfanne, die die räumliche Verteilung von Oberflächenwasser während episodischer Flutungen und die Ausfällung von Salzen während der Trockenzeiten beeinflussen. Des Weiteren konnte auf Grundlage hyperspektralen Daten von aktuellen Sensoren, sowie anhand simulierten Daten von in Planung befindlicher Sensoren eine robuste Quantifizierung der Gipskomponente in den Oberflächensedimenten abgeleitet werden. Für das Untersuchungsgebiet deuten die Ergebnisse der Zeitreihenanalyse darauf hin, dass die Krustendynamik und Oberflächenmineralogie hauptsächlich durch die wiederkehrenden Überschwemmungsereignisse in der Regenzeit geprägt sind, aber auch durch die Temperatur und äolische Aktivität in der Trockenzeit beeinflusst wird. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die optische Fernerkundung großes Potenzial zur genaueren Erforschung von Salzpfannen bietet und detaillierte Informationen zu saisonalen und langzeitlichen Veränderungen liefern kann. Die Arbeit hebt auch hervor, dass der Einsatz von Fernerkundungsmethoden am erfolgreichsten ist, wenn sie an die lokalen Bedingungen und die Forschungsfrage angepasst werden. Der Ausblick zeigt, dass zukünftige Sensoren die Möglichkeiten für die Erforschung dieser Räume weiter erhöhen und ein systematisches Monitoring durch die größere Datenverfügbarkeit verbessert wird. T2 - Potential der Optischen Fernerkundung für die Analyse von Salzpfannen KW - Optische Fernerkundung KW - Hyperspektral KW - Salzpfanne KW - Playa KW - Sedimente KW - Optical remote sensing KW - Salt pan KW - Playa KW - sediments Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473732 ER - TY - THES A1 - Ramezani Ziarani, Maryam T1 - Characterization of atmospheric processes related to hydro-meteorological extreme events over the south-central Andes N2 - The significant environmental and socioeconomic consequences of hydrometeorological extreme events, such as extreme rainfall, are constituted as a most important motivation for analyzing these events in the south-central Andes of NW Argentina. The steep topographic and climatic gradients and their interactions frequently lead to the formation of deep convective storms and consequently trigger extreme rainfall generation. In this dissertation, I focus on identifying the dominant climatic variables and atmospheric conditions and their spatiotemporal variability leading to deep convection and extreme rainfall in the south-central Andes. This dissertation first examines the significant contribution of temperature on atmospheric humidity (dew-point temperature, Td) and on convection (convective available potential energy, CAPE) for deep convective storms and hence, extreme rainfall along the topographic and climatic gradients. It was found that both climatic variables play an important role in extreme rainfall generation. However, their contributions differ depending on topographic and climatic sub-regions, as well as rainfall percentiles. Second, this dissertation explores if (near real-time) the measurements conducted by the Global Navigation Satellite System (GNSS) on integrated water vapor (IWV) provide reliable data for explaining atmospheric humidity. I argue that GNSS-IWV, in conjunction with other atmospheric stability parameters such as CAPE, is able to decipher the extreme rainfall in the eastern central Andes. In my work, I rely on a multivariable regression analysis described by a theoretical relationship and fitting function analysis. Third, this dissertation identifies the local impact of convection on extreme rainfall in the eastern Andes. Relying on a Principal Component Analysis (PCA) it was found that during the existence of moist and warm air, extreme rainfall is observed more often during local night hours. The analysis includes the mechanisms for this observation. Exploring the atmospheric conditions and climatic variables leading to extreme rainfall is one of the main findings of this dissertation. The conditions and variables are a prerequisite for understanding the dynamics of extreme rainfall and predicting these events in the eastern Andes. N2 - Die entscheidenden ökologischen und sozioökonomischen Folgen hydrometeorologischer Extremereignisse, wie z.B. extremer Niederschläge, stellen eine wichtige Motivation für die Analyse dieser Ereignisse in den südlich-zentralen Anden von NW Argentinien dar. Die steilen topographischen und klimatischen Gradienten und deren Wechselwirkungen führen häufig zu einer starken konvektiven Regenfallbildung und sind häufig auch die Auslöser von Starkniederschlägen. In dieser Dissertation konzentriere ich mich auf die Identifizierung der dominanten klimatischen Variablen und atmosphärischen Rahmenbedingungen und ihrer räumlich-zeitliche Variabilität, die zu starker Konvektion und extremen Niederschlägen in den südlich-zentralen Anden führt. Diese Dissertation untersucht zunächst den wichtigen Beitrag der Temperatur zur Luftfeuchtigkeit(Taupunkttemperatur, Td) und zur Konvektion (konvektive verfügbare potenzielle Energie, CAPE) für starke, konvektive Stürme und damit extreme Niederschläge entlang der topographischen und klimatischen Gradienten. Es wurde festgestellt, dass beide klimatischen Variablen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung extremer Niederschläge spielen. Ihr Beitrag hängt jedoch von den topographischen und klimatischen Teilregionen sowie den Niederschlagsperzentilen ab. Zweitens, auf der Grundlage einer multivariablen Regressionsanalyse, die durch eine theoretische Beziehungs- und Anpassungsfunktionsanalyse beschrieben wird, untersucht diese Arbeit, ob integrierter Wasserdampf (IWV) auf der Grundlage von GNSS (Global Navigation Satellite System) Messungen zuverlässige Daten sind, um die Luftfeuchtigkeit zu erklären. Das GNSS-IWV in Verbindung mit anderen atmosphärischen Stabilitätsparametern wie z.B. CAPE ist in der Lage, die extremen Niederschläge in den östlichen zentralen Anden zu entschlüsseln. Drittens, diese Dissertation identifiziert die lokalen Auswirkungen der Konvektion auf extreme Niederschläge in den östlichen Anden. Auf der Grundlage einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde festgestellt, dass die extremen Niederschläge häufiger während der lokalen Nachtstunden beobachtet werden, wenn feuchte und warme Luft vorhanden ist. Die Erforschung der atmosphärischen Rahmenbedingungen und klimatischen Variablen, die zu extremen Niederschlägen führen, ist eines der wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit. Sie ist Voraussetzung für das Verständnis der Dynamik von extremen Niederschlägen und wichtig für die Vorhersage dieser Ereignisse in den östlichen Anden. T2 - Charakterisierung der atmosphärischen Prozesse im Zusammenhang mit hydro-meteorologischen Extremereignissen über den süd-zentralen Anden KW - eastern south–central Andes KW - extreme rainfall KW - deep convection KW - östlich-südzentrale Anden KW - Extremniederschläge KW - starker Konvektion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471755 ER - TY - THES A1 - Wang, Xia T1 - Reef ecosystem recovery following the Middle Permian (Capitanian) mass extinction T1 - Die Erholung des Ökosystems von Riffen nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium BT - a multi-scale analysis from South China BT - eine skalenübergreifende Analyse aus Südchina N2 - To find out the future of nowadays reef ecosystem turnover under the environmental stresses such as global warming and ocean acidification, analogue studies from the geologic past are needed. As a critical time of reef ecosystem innovation, the Permian-Triassic transition witnessed the most severe demise of Phanerozoic reef builders, and the establishment of modern style symbiotic relationships within the reef-building organisms. Being the initial stage of this transition, the Middle Permian (Capitanian) mass extinction coursed a reef eclipse in the early Late Permian, which lead to a gap of understanding in the post-extinction Wuchiapingian reef ecosystem, shortly before the radiation of Changhsingian reefs. Here, this thesis presents detailed biostratigraphic, sedimentological, and palaeoecological studies of the Wuchiapingian reef recovery following the Middle Permian (Capitanian) mass extinction, on the only recorded Wuchiapingian reef setting, outcropping in South China at the Tieqiao section. Conodont biostratigraphic zonations were revised from the Early Permian Artinskian to the Late Permian Wuchiapingian in the Tieqiao section. Twenty main and seven subordinate conodont zones are determined at Tieqiao section including two conodont zone below and above the Tieqiao reef complex. The age of Tieqiao reef was constrained as early to middle Wuchiapingian. After constraining the reef age, detailed two-dimensional outcrop mapping combined with lithofacies study were carried out on the Wuchiapingian Tieqiao Section to investigate the reef growth pattern stratigraphically as well as the lateral changes of reef geometry on the outcrop scale. Semi-quantitative studies of the reef-building organisms were used to find out their evolution pattern within the reef recovery. Six reef growth cycles were determined within six transgressive-regressive cycles in the Tieqiao section. The reefs developed within the upper part of each regressive phase and were dominated by different biotas. The timing of initial reef recovery after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction was updated to the Clarkina leveni conodont zone, which is earlier than previous understanding. Metazoans such as sponges were not the major components of the Wuchiapingian reefs until the 5th and 6th cycles. So, the recovery of metazoan reef ecosystem after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction was obviously delayed. In addition, although the importance of metazoan reef builders such as sponges did increase following the recovery process, encrusting organisms such as Archaeolithoporella and Tubiphytes, combined with microbial carbonate precipitation, still played significant roles to the reef building process and reef recovery after the mass extinction. Based on the results from outcrop mapping and sedimentological studies, quantitative composition analysis of the Tieqiao reef complex were applied on selected thin sections to further investigate the functioning of reef building components and the reef evolution after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction. Data sets of skeletal grains and whole rock components were analyzed. The results show eleven biocommunity clusters/eight rock composition clusters dominated by different skeletal grains/rock components. Sponges, Archaeolithoporella and Tubiphytes were the most ecologically important components within the Wuchiapingian Tieqiao reef, while the clotted micrites and syndepositional cements are the additional important rock components for reef cores. The sponges were important within the whole reef recovery. Tubiphytes were broadly distributed in different environments and played a key-role in the initial reef communities. Archaeolithoporella concentrated in the shallower part of reef cycles (i.e., the upper part of reef core) and was functionally significant for the enlargement of reef volume. In general, the reef recovery after the Middle Permian (Capitanian) mass extinction has some similarities with the reef recovery following the end-Permian mass extinction. It shows a delayed recovery of metazoan reefs and a stepwise recovery pattern that was controlled by both ecological and environmental factors. The importance of encrusting organisms and microbial carbonates are also similar to most of the other post-extinction reef ecosystems. These findings can be instructive to extend our understanding of the reef ecosystem evolution under environmental perturbation or stresses. N2 - Um die zukünftige Entwicklung der aktuell sehr dramatischen Änderungen des Ökosystems von Riffen vorherzusagen, welche durch Umweltbelastungen wie die globale Erwärmung und die zunehmende Versauerung der Ozeane verursacht wird, müssen analoge Beispiele aus der geologischen Vergangenheit genauer unter die Lupe genommen werden. Als eine wichtige Zeit der Neugestaltung von Riffsystemen beinhaltet der Übergang vom Perm in die Trias den wohl einschneidendsten Rückgang von phanerozoischen Riffbildnern, und die dauerhafte Festsetzung von modernen symbiotischen Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen riffbildenden Organismen. Zu Beginn dieses Übergangs und nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium fand eine langsame Erholung der Riffe im Wuchiapingium statt, welche sich vor der Radiation der Riffe im Changhsingium bildeten, deren Ursache aber immer noch nicht vollends verstanden wurde. In dieser Arbeit wird eine detaillierte biostratigraphische, sedimentologische und paläoökologische Untersuchung der Rifferholung im Wuchiapingium nach dem mittelpermischen Massenaussterben vorgestellt. Dies wird an den einzigen jemals in Südchina dokumentierten Riffsedimenten aus dieser Zeit im sogenannten Tieqiao-Riffkomplex durchgeführt. Biostratigraphische Einteilungen anhand von Konodonten zwischen dem frühpermischen Artinskium bis zum spätpermischen Wuchiapingium im Tieqiao-Riffkomplex wurden überarbeitet. Zwanzig Haupt- und sieben untergeordnete Konodontenzonen wurden definiert, wobei sich zwei Zonen oberhalb und unterhalb des Riffkomplexes befinden. Das Alter des Tieqiao-Riffkomplexes wurde dabei auf das frühe bis mittlere Wuchiapingium festgelegt. Nachdem das Alter des Tieqiao-Riffes bestimmt wurde, führte die zweidimensionale Kartierung des Aufschluss sowie die detaillierte Untersuchung der Lithofazies zu einem besseren Verständnis des stratigraphischen Riffwachstums und der lateralen Änderung der Riffmorphologie im Aufschlussmaßstab. Eine semiquantitative Analyse der riffbildenden Organismen wurde angewandt, um deren Entwicklungsmuster während der Erholungsphase des Riffes zu verstehen. Sechs Wachstumszyklen der Riffe innerhalb von sechs regressiven Zyklen der Tieqiao wurden dabei bestimmt. Die Riffe entwickelten sich überwiegend im oberen Teil der regressiven Phase und wurden von unterschiedlichsten Arten dominiert. Der Zeitpunkt der initialen Erholung der Riffe nach dem mittelpermischen Massenaussterben im Capitanium wurde auf die Clarkina leveni Konodontenzone aktualisiert, also älter als bisher angenommen. Metazoen wie Schwämme waren bis zum 5. und 6. Zyklus nicht die Hauptbildner des Riffes. Folglich war die Erholung des metazoischen Riff-Ökosystems nach dem mittelpermischen Massenaussterben verzögert. Auch wenn die Wichtigkeit von metazoischen Riffbildnern während des Erholungsprozesses zunahm, spielten enkrustierende Organismen wie Archaeolithoporella und Tubiphytes zusammen mit mikrobiellen Mikriten immer noch eine signifikante Rolle im Prozess der Rifferholung und des -aufbaus. Anhand der Resultate der Kartierung und der sedimentologischen Untersuchung wurden quantitative Analysen der einzelnen Bestandteile an Dünnschliffen ausgeführt. Dies ermöglichte die weiterführende Untersuchung der riffbildenden Bestandteile und die Entwicklung des Riffes nach dem mittelpermischen Massenaussterben. Dafür wurden Daten der einzelnen fossilen Bestandteile und des gesamten Gesteins analysiert. Dabei wurden elf Fossilvergesellschaftungen identifiziert, welche jede von unterschiedlichen fossilen Bestandteilen dominiert wurde. Schwämme, Archaeolithoporella und Tubiphytes waren die ökologisch wichtigsten Komponenten im Tieqiao-Riff, während mikrobielle Mikrite und syndepositionale Zemente zusätzliche Bausteine der Riffe darstellen. Schwämme waren dabei besonders wichtig für die Rifferholung. Tubiphytes war in den verschiedenen Ablagerungsräumen weit verbreitet und spielte eine Hauptrolle in den ersten Riffzyklen. Archaeolithoporella dagegen konzentrierte sich in den flacheren Bereichen des Riffzyklus (d.h. im oberen Teil des Riffes) und war maßgeblich daran beteiligt, das Riffvolumen zu erweitern. Grundsätzlich besitzt die Erholung der Riffe nach dem mittelpermischen Massenaussterben große Ähnlichkeit mit der die dem Massenaussterben an der Perm-Trias Grenze folgte. Typisch dafür ist eine verzögerte Erholung der metazoischen Riffe und ein Muster der schrittweisen Erholung, die ihrerseits durch ökologische und umweltbedingte Faktoren kontrolliert wird. Die Wichtigkeit von enkrustierenden Organismen und mikrobiellen Karbonaten sind ebenfalls vergleichbar zu den meisten anderen Riffsystemen, die sich nach einem Massenaussterben entwickelten. Diese Ergebnisse sind äußerst wichtig um unser Wissen über die Entwicklung von Riffsystemen nach Massenaussterben zu erweitern. KW - mass extinction KW - reef KW - Permian KW - Wuchiapingian KW - Archaeolithoporella KW - Massenaussterben KW - Riff KW - Perm KW - Wuchiapingium KW - Archaeolithoporella Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487502 ER - TY - THES A1 - Barrionuevo, Matías T1 - The role of the upper plate in the Andean tectonic evolution (33-36°S): insights from structural geology and numerical modeling T1 - El rol de la placa superior en la evolución tectónica andina (33-36°S): aportes desde la geología estructural y el modelado numérico T1 - Die Rolle der oberen Platte in der tektonischen Entwicklung der Anden (33-36°S): Erkenntnisse aus der Strukturgeologie und der numerischen Modellierung N2 - Los Andes Centrales del Sur (33-36°S) son un gran laboratorio para el estudio de los procesos de deformación orogénica, donde las condiciones de borde, como la geometría de la placa subductada, imponen un importante control sobre la deformación andina. Por otro lado, la Placa Sudamericana presenta una serie de heterogeneidades que también imparten un control sobre el modo de deformación. El objetivo de esta tesis es probar el control de este último factor sobre la construcción del sistema orogénico andino. A partir de la integración de la información superficial y de subsuelo en el área sur (34°-36°S), se estudió la evolución de la deformación andina sobre el segmento de subducción normal. Se desarrolló un modelo estructural que evalúa el estado de esfuerzos desde el Mioceno hasta la actualidad, el rol de estructuras previas y su influencia en la migración de fluidos. Con estos datos y publicaciones previas de la zona norte del área de estudio (33°-34ºS), se realizó un modelado numérico geodinámico para probar la hipótesis del papel de las heterogeneidades de la placa superior en la evolución andina. Se utilizaron dos códigos (LAPEX-2D y ASPECT) basados en elementos finitos/diferencias finitas, que simulan el comportamiento de materiales con reologías elastoviscoplásticas bajo deformación. Los resultados del modelado sugieren que la deformación contraccional de la placa superior está significativamente controlada por la resistencia de la litósfera, que está definida por la composición de la corteza superior e inferior y por la proporción del manto litosférico, que a su vez está definida por eventos tectónicos previos. Estos eventos previos también definieron la composición de la corteza y su geometría, que es otro factor que controla la localización de la deformación. Con una composición de corteza inferior más félsica, la deformación sigue un modo de cizalla pura mientras que las composiciones más máficas provocan un modo de deformación tipo cizalla simple. Por otro lado, observamos que el espesor inicial de la litósfera controla la localización de la deformación, donde zonas con litósfera más fina es propensa a concentrar la deformación. Un límite litósfera-astenósfera asimétrico, como resultado del flujo de la cuña mantélica tiende a generar despegues vergentes al E. N2 - The Southern Central Andes (33°-36°S) are an excellent natural laboratory to study orogenic deformation processes, where boundary conditions, such as the geometry of the subducted plate, impose an important control on the evolution of the orogen. On the other hand, the South American plate presents a series of heterogeneities that additionally impart control on the mode of deformation. This thesis aims to test the control of this last factor over the construction of the Cenozoic Andean orogenic system. From the integration of surface and subsurface information in the southern area (34-36°S), the evolution of Andean deformation over the steeply dipping subduction segment was studied. A structural model was developed evaluating the stress state from the Miocene to the present-day and its influence in the migration of magmatic fluids and hydrocarbons. Based on these data, together with the data generated by other researchers in the northern zone of the study area (33-34°S), geodynamic numerical modeling was performed to test the hypothesis of the decisive role of upper-plate heterogeneities in the Andean evolution. Geodynamic codes (LAPEX-2D and ASPECT) which simulate the behavior of materials with elasto-visco-plastic rheologies under deformation, were used. The model results suggest that upper-plate contractional deformation is significantly controlled by the strength of the lithosphere, which is defined by the composition of the upper and lower crust, and by the proportion of lithospheric mantle, which in turn is determined by previous tectonic events. In addition, the previous regional tectono-magmatic events also defined the composition of the crust and its geometry, which is another factor that controls the localization of deformation. Accordingly, with more felsic lower crustal composition, the deformation follows a pure-shear mode, while more mafic compositions induce a simple-shear deformation mode. On the other hand, it was observed that initial lithospheric thickness may fundamentally control the location of deformation, with zones characterized by thin lithosphere are prone to concentrate it. Finally, it was found that an asymmetric lithosphere-astenosphere boundary resulting from corner flow in the mantle wedge of the eastward-directed subduction zone tends to generate east-vergent detachments. N2 - Die südlichen Zentralanden (33°-36°S) sind eine ausgezeichnete, natürliche Forschungsumgebung zur Untersuchung gebirgsbildender Deformationsprozesse, in der Randbedingungen, wie die Geometrie der subduzierten Platte, einen starken Einfluss auf die Evolution des Gebirges besitzen. Anderseits sind die Deformationsmechanismen geprägt von der Heterogenität der Südamerikanischen Platte. In dieser Arbeit wird die Bedeutung dieses Mechanismus für die Herausbildung der Anden während des Känozoikums untersucht. Im südlichen Teil (34-36°S), in dem die subduzierte Platte in einem steileren Winkel in den Erdmantel absinkt, wird die Entwicklung der Andendeformation mithilfe von oberflächlich aufgezeichneten und in tiefere Erdschichten reichenden Daten untersucht. Das darauf aufbauende Strukturmodell ermöglicht die Abschätzung der tektonischen Spannungen vom Miozän bis in die Neuzeit und den Einfluss der Bewegungen von magmatischen Fluiden, sowie Kohlenwasserstoffen. Auf Grundlage dieser Daten und solcher, die von Wissenschaftlern im nördlichen Bereich des Untersuchungsgebietes (33-34°S) erfasst wurden, wurde eine geodynamische, numerische Modellierung durchgeführt, um die Hypothese des Einflusses der Heterogenität der oberen Platten auf die Gebirgsbildung der Anden zu überprüfen. Die genutzte geodynamische Softwares (LAPEX-2D und ASPECT) simulieren das Verhalten von elasto-viskoplastischen Materialien, wenn diese unter Spannung stehen. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass die Kontraktionsprozesse hauptsächlich durch die Stärke der Lithosphäre beeinflusst werden. Diese Kenngröße wird aus der Zusammensetzung von Ober- und Unterkruste und dem Anteil des lithosphärischen Mantels, der durch vorhergehende tektonische Vorgänge überprägt ist, bestimmt. Diese räumlich begrenzten tektono-magmatischen Events definieren ebenfalls die Zusammensetzung und die Geometrie der Erdkruste, welche einen großen Einfluss auf das räumliche Auftreten von Deformationsprozessen hat. Eine eher felsische Unterkruste führt vorrangig zu pure-shear, während eine eher mafisch zusammengesetzte Unterkruste primär zu einem Deformationsmechanismus führt, der simple-shear genannt wird. Weiterhing wurde beobachtet, dass die Dicke der Lithosphäre vor der Deformation einen fundamentalen Einfluss auf die räumliche Eingrenzung von Deformation hat, wobei Regionen mit einer dünnen Lithosphärenschicht verstärkt Deformation aufweisen. Eine asymmetrische Grenzschicht zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre ist das Resultat von Fließprozessen im Erdmantel, im Keil zwischen der obenliegenden Platte und der sich ostwärts absinkenden Subduktionszone, und verstärkt die Herausbildung von nach Osten gerichteten Abscherungen in der Erdkruste. KW - structural geology KW - tectonics KW - subduction KW - geodynamic modeling KW - geodynamische Modellierung KW - Strukturgeologie KW - Subduktion KW - Tektonik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515909 ER - TY - THES A1 - Zeckra, Martin T1 - Seismological and seismotectonic analysis of the northwestern Argentine Central Andean foreland N2 - After a severe M W 5.7 earthquake on October 17, 2015 in El Galpón in the province of Salta NW Argentina, I installed a local seismological network around the estimated epicenter. The network covered an area characterized by inherited Cretaceous normal faults and neotectonic faults with unknown recurrence intervals, some of which may have been reactivated normal faults. The 13 three-component seismic stations recorded data continuously for 15 months. The 2015 earthquake took place in the Santa Bárbara System of the Andean foreland, at about 17km depth. This region is the easternmost morphostructural region of the central Andes. As a part of the broken foreland, it is bounded to the north by the Subandes fold-and-thrust belt and the Sierras Pampeanas to the south; to the east lies the Chaco-Paraná basin. A multi-stage morphotectonic evolution with thick-skinned basement uplift and coeval thin-skinned deformation in the intermontane basins is suggested for the study area. The release of stresses associated with the foreland deformation can result in strong earthquakes, as the study area is known for recurrent and historical, destructive earthquakes. The available continuous record reaches back in time, when the strongest event in 1692 (magnitude 7 or intensity IX) destroyed the city of Esteco. Destructive earthquakes and surface deformation are thus a hallmark of this part of the Andean foreland. With state-of-the-art Python packages (e.g. pyrocko, ObsPy), a semi-automatic approach is followed to analyze the collected continuous data of the seismological network. The resulting 1435 hypocenter locations consist of three different groups: 1.) local crustal earthquakes (nearly half of the events belong to this group), 2.) interplate activity, of regional distance in the slab of the Nazca-plate, and 3.) very deep earthquakes at about 600km depth. My major interest focused on the first event class. Those crustal events are partly aftershock events of the El Galpón earthquake and a second earthquake, in the south of the same fault. Further events can be considered as background seismicity of other faults within the study area. Strikingly, the seismogenic zone encompass the whole crust and propagates brittle deformation down, close to the Moho. From the collected seismological data, a local seismic velocity model is estimated, using VELEST. After the execution of various stability tests, the robust minimum 1D-velocity model implies guiding values for the composition of the local, subsurface structure of the crust. Afterwards, performing a hypocenter relocation enables the assignment of individual earthquakes to aftershock clusters or extended seismotectonic structures. This allows the mapping of previously unknown seismogenic faults. Finally, focal mechanisms are modeled for events with acurately located hypocenters, using the newly derived local velocity model. A compressive regime is attested by the majority of focal mechanisms, while the strike direction of the individual seismogenic structures is in agreement with the overall north – south orientation of the Central Andes, its mountain front, and individual mountain ranges in the southern Santa-Bárbara-System. N2 - Nach einem schweren Erdbeben der Magnitude M W 5.7 am 17. Oktober 2015 in El Galpón, in der Provinz Salta im Nordwesten Argentiniens, habe ich ein lokales seismologisches Netzwerk, um das vermutete Epizentrum herum, aufgebaut. Dabei haben 13 Stationen kontinuierlich für 15 Monate gemessen. Das Netzwerk wurde in einem Gebiet installiert, welches durch tektonische Störungen charakterisiert ist, die entweder in der Kreidezeit zunächst als Abschiebungen initiiert und später als Aufschiebungen reaktiviert wurden oder in der geologischen jüngeren Vergangenheit erst entstanden sind. Die Intervallzeiten zwischen zwei Erdbeben sind dabei häufig unbekannt. Das Erdbeben von 2015 trat im Santa-Barbara-System im Argentinischen Vorland, 17 km unter der Erdoberfläche auf. Diese Region ist die östlichste strukturgeologische Provinz der Zentralanden und dem broken-foreland-Typus zuzuordnen. Im Norden schließt sich der Bolivianische Faltengürtel (Sierras Subandinas) und im Süden die Sierras Pampeanas an; im Osten liegt das Chaco-Paraná Becken. Eine mehrstufige morphotektonische Entwicklung wird hier vermutet, bei der das Grundgebirge durch als thick-skinned bezeichnete Deformation herausgehoben wurde und die dazwischen liegenden Intermontanbecken gleichzeitig Deformation des Typs thin-skinned erfahren haben. Die plötzliche Spannungsfreisetzung, die mit dieser Vorlanddeformation einhergeht, kann zu starken Erdbeben führen. Das Untersuchungsgebiet ist für wiederkehrende und historische, zerstörerische Erdbeben bekannt. Der zur Verfügung stehenden Aufzeichnungen reichen bis in das Jahr 1692 zurück, als ein Erdbeben der Magnitude M 7 (oder Intensität IX) die Stadt Esteco zerstörte. Daher sind zerstörerische Erdbeben ein besonderes Kennzeichen in diesem Teil des Andenvorlands. Für die Analyse der im seismologischen Netzwerk aufgezeichneten kontinuierlichen Daten wurde ein semiautomatischer Ansatz verfolgt, der mittels hochmoderner Python-Bibliotheken informationstechnisch umgesetzt wurde. Die resultierenden 1435 Erdbeben bestehen aus drei verschiedenen Gruppen: 1.) lokale Erdbeben in der Erdkruste (die etwa die Hälfte aller Events ausmachen), 2.) weiter entfernte Interplattenaktivität, die durch die Subduktion der Nazca-Platte unter den Südamerikanischen Kontinent hervorgerufen wird und 3.) sehr tiefen Erdbeben in etwa 600 km Tiefe. Mein Hauptaugenmerk lag dabei auf der ersten Gruppe. Diese krustalen Ereignisse sind teilweise Nachbeben des El Galpón Erdbebens und eines weiteren Bebens, welches sich weiter im Süden an der gleichen Störung ereignete. Die restlichen Beben können der allgemeinen Hintergrundaktivität entlang weiterer Störungen im Untersuchungsgebiet zugeschrieben werden. Beachtenswert ist dabei der Umstand, dass die Erdbebenaktivität in der gesamten Kruste beobachtet werden kann und sich dadurch die Deformation bis a fast an den Erdmantel ausbreitet. Mit den gesammelten Daten kann, unter der Verwendung der VELEST Software, ein lokales seismisches Geschwindigkeitsmodell bestimmt werden. Nach der Durchführung verschiedener Stabilitätstests, können aus dem robusten eindimensionalen Modell Richtwerte für die Zusammensetzung und den Aufbau der Erdkruste gewonnen werden. Dieanschließende Relokalisierung von Erdbebenherden erlaubt die Zuordnung einzelner Erdbeben zu Erdbebenclustern oder ausgedehnten seismotektonischen Strukturen. Dadurch können sogar zuvor unbekannte seismogene Störungen kartiert werden. Schlussendlich, werden Herdflächenlösungen für Beben mit präzise lokalisierten Erdbebenherden und unter der Einbeziehung des neu bestimmten lokalen Geschwindigkeitsmodells modelliert. Der Großteil der resultierenden Lösungen bestätigt das vorherrschende kompressive Regime. Das Streichen der einzelnen seismogenen Strukturen stimmt größtenteils mit der allgemeinen Nord – Süd Ausrichtugn der Zentralanden, ihrer Gebirgsfront und den einzelnen Höhenzügen im Santa-Barbará-System überein. T2 - Seismologische und Seismotektonische Analyse des Vorlandsystems der nordwestargentinischen Zentralanden KW - Seismology KW - Seismotektonik KW - Geophysics KW - Andes KW - Geosciences KW - Argentina KW - Anden KW - Seismologie KW - Geophysik KW - Geowissenschaften KW - Argentinien Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473240 ER - TY - THES A1 - Karamzadeh Toularoud, Nasim T1 - Earthquake source and receiver array optimal configuration T1 - Optimale Konfiguration von Quell- und Empfängerarray für Erdbeben N2 - Seismic receiver arrays have variety of applications in seismology, particularly when the signal enhancement is a prerequisite to detect seismic events, and in situations where installing and maintaining sparse networks are impractical. This thesis has mainly focused on the development of a new approach for seismological source and receiver array design.The proposed approach deals with the array design task as an optimization problem. The criteria and prerequisite constraints in array design task are integrated in objective function definition and evaluation of a optimization process. Three cases are covered in this thesis: (1) a 2-D receiver array geometry optimization, (2) a 3-D source array optimization, and (3) an array application to monitor microseismic data, where the effect of different types of noise are evaluated. A flexible receiver array design framework implements a customizable scenario modelling and optimization scheme by making use of synthetic seismograms. Using synthetic seismograms to evaluate array performance makes it possible to consider additional constraints, e.g. land ownership, site-specific noise levels or characteristics of the seismic sources under investigation. The use of synthetic array beamforming as an array design criteria is suggested. The framework is customized by designing a 2-D small scale receiver array to monitor earthquake swarm activity in northwest Bohemia/ Vogtland in central Europe. Two sub-functions are defined to verify the accuracy of horizontal slowness estimation; one to suppress aliasing effects due to possible secondary lobes of synthetic array beamforming calculated in horizontal slowness space, and the other to reduce the event's mislocation caused by miscalculation of the horizontal slowness vector. Subsequently, a weighting technique is applied to combine the sub-functions into one single scalar objective function to use in the optimization process. The idea of optimal array is employed to design a 3-D source array, given a well-located catalog of events. The conditions to make source arrays are formulated in four objective functions and a weighted sum technique is used to combine them in one single scalar function. The criteria are: (1) accurate slowness vector estimation, (2) high waveform coherency, (3) low location error and (4) high energy of coda phases. The method is evaluated by two experiments, (1) a synthetic test using realistic synthetic seismograms, (2) using real seismograms, and for each case optimized SA elements are configured using the data from the Vogtland area. The location of a possible scatterer in the velocity model, that makes the converted/reflected phases, e.g. sp-phases, is retrieved by a grid search method using the optimized SA. The accuracy of the approach and the obtained results demonstrated that the method is applicable to study the crustal structure and the location of crustal scatterers when the strong converted phases are observed in the data and a well-located catalog is available. Small aperture arrays are employed in seismology for a variety of applications, ranging from pure event detection to monitor and study of microcosmic activities. The monitoring of microseismicity during temporary human activities is often difficult, as the signal-to-noise ratio is very low and noise is strongly increased during the operation. The combination of small aperture seismic arrays with shallow borehole sensors offers a solution. We tested this monitoring approach at two different sites, (1) accompanying a fracking experiment in sedimentary shale at 4~km depth, and (2) above a gas field under depletion. Arrays recordings are compared with recordings available from shallow borehole sensors and examples of detection and location performance of the array are given. The effect of different types of noise at array and borehole stations are compared and discussed. N2 - Seismische Arrays haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Seismologie, insbesondere wenn die Signalverbesserung eine Voraussetzung ist für die seismische Ereignisse erkennen, und in Situationen, in denen die Installation und Wartung spärlicher Netzwerke ist unpraktisch. Diese Arbeit hat sich vor allem auf die Entwicklung eines neuen Ansatzes für seismologische Quellen und Empfänger-Array-Design konzentriert. Der vorgeschlagene Ansatz beschäftigt sich mit der Array-Design-Aufgabe als Optimierungsproblem. Die notwendigen Kriterien und Randbedingungen, die für die seismologische Array-Design-Aufgabe wichtig sind, werden in die objektive Funktionsdefinition und Bewertung eines Optimierungsprozesses integriert. In dieser Arbeit werden drei Fälle behandelt. (1) eine 2-D-Empfänger-Array-Geometrieoptimierung, (2) eine 3D-Quellfeldoptimierung, und (3) eine Array-Anwendung zum Überwachen mikroseismischer Daten, wobei die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm werden bewertet. Ein flexibles Empfänger-Array-Design-Framework wird eingeführt, das ein anpassbares Szenario-Modellierungs- und Optimierungsschema unter Verwendung synthetischer Seismogramme implementiert. Die Verwendung synthetischer Seismogramme zur Bewertung der Array-Leistung ermöglicht es, zusätzliche Einschränkungen, wie z.B. Landbesitz, zu berücksichtigen, standortspezifische Lärmpegel oder Eigenschaften der seismischen Quellen unter Berücksichtigung von Untersuchung. Die Verwendung von synthetischem Array-Strahlformung als Array-Design-Kriterium wird vorgeschlagen. Das Array-Design-Framework wird durch die Entwicklung eines 2-D-Kleinempfänger-Arrays zur Überwachung der Erdbebenschwarmaktivität im Vogtland in Mitteleuropa angepasst. Es werden zwei Teilfunktionen definiert, um die Genauigkeit der horizontalen Langsamkeitsschätzung zu überprüfen. Eine zur Unterdrückung von Aliasing-Effekten aufgrund möglicher Nebenkeulen der synthetischen Strahlformung, berechnet im horizontalen Langsamkeitsraum, und zum anderen, um die Fehlstellung des Ereignisses durch eine Fehlberechnung des horizontalen Langsamkeitsvektors zu reduzieren. Anschliessend wird eine Gewichtungstechnik angewendet, um die Kombination von die Unterfunktionen zu einer einzigen skalaren Zielfunktion zusammenfassen, die in der Optimierungsprozess verwendet werden kann. Die Idee des Array Optimal Design wird verwendet, um ein 3-D Source Array zu entwerfen, das einen gut lokalisierten Katalog von Erdbebenereignissen enthält. Die Bedingungen für die Herstellung von Quellarrays werden in vier Zielfunktionen formuliert, und eine gewichtete Summentechnik wird verwendet, um sie in einer einzigen skalaren Funktion zu kombinieren. Die Kriterien sind: (1) genaue Langsamkeitsvektorschätzung, (2) hohe Wellenform-Kohärenz, (3) niedriger Ortsfehler und (4) bis hohe Energie der Coda-Phasen. Die Methode wird durch zwei Experimente bewertet, (1) ein synthetischer Test mit realistischen synthetischen Seismogrammen, (2) mit realen Seismogrammen und optimierte SA-Elemente werden für jeden Fall unter Verwendung der Daten aus dem Vogtland gefunden. Die Position eines möglichen Streuers im Geschwindigkeitsmodell, der die konvertierten/reflektierten Phasen, z.B. sp-Phasen, erzeugt, wird durch ein Rastersuchverfahren mit dem optimierten SA ermittelt. Die Genauigkeit des Ansatzes und die erhaltenen Ergebnisse sind überzeugend, dass die Methode anwendbar ist, um die Krustenstruktur und die Position von Krustalstreuern zu untersuchen, wenn die stark konvertierten Phasen in den Daten beobachtet werden und ein gut lokalisierter Katalog verfügbar ist. Die Überwachung der Mikroseismizität bei solchen temporären menschlichen Aktivitäten ist oft schwierig, da der Signal-Rausch-Verhältnis sehr niedrig ist und das Rauschen während des Betriebs stark erhöht wird. Die Kombination von seismischen Arrays mit kleiner Apertur und flachen Bohrlochsensoren bietet eine Lösung. Wir haben diesen Überwachungsansatz an zwei verschiedenen Standorten getestet. (1) Begleiten eines Fracking-Experiments in sedimentärem Schiefer in 4 km Tiefe und (2) über einem Gasfeld unter Erschöpfung. Die Aufzeichnungen von Arrays werden mit den Aufzeichnungen von flachen Bohrlochsensoren verglichen, und es werden Beispiele für die Detektions- und Standortleistung der Arrays gegeben. Die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm an Array- und Bohrlochstationen werden verglichen und diskutiert. KW - seismic array KW - earthquake source array KW - array design KW - optimal array configuration KW - source array optimal design KW - scatterer location KW - scattered phases KW - seismicity modelling KW - synthetic array beam power KW - Array-Entwurf KW - Erdbebenquellen-Array KW - optimale Array-Konfiguration KW - gestreute Phasen KW - Standort des Streuers KW - seismisches Array KW - Seismizitätsmodellierung KW - Quell-Array optimales Design KW - synthetische Array-Strahlleistung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459828 ER - TY - THES A1 - Nooshiri, Nima T1 - Improvement of routine seismic source parameter estimation based on regional and teleseismic recordings T1 - Verbesserung von Standard-Verfahren zur Abschätzung von seismischen Quellparametern auf regionalen und teleseismischen Distanzen N2 - Seismological agencies play an important role in seismological research and seismic hazard mitigation by providing source parameters of seismic events (location, magnitude, mechanism), and keeping these data accessible in the long term. The availability of catalogues of seismic source parameters is an important requirement for the evaluation and mitigation of seismic hazards, and the catalogues are particularly valuable to the research community as they provide fundamental long-term data in the geophysical sciences. This work is well motivated by the rising demand for developing more robust and efficient methods for routine source parameter estimation, and ultimately generation of reliable catalogues of seismic source parameters. Specifically, the aim of this work is to develop some methods to determine hypocentre location and temporal evolution of seismic sources based on regional and teleseismic observations more accurately, and investigate the potential of these methods to be integrated in near real-time processing. To achieve this, a location method that considers several events simultaneously and improves the relative location accuracy among nearby events has been provided. This method tries to reduce the biasing effects of the lateral velocity heterogeneities (or equivalently to compensate for limitations and inaccuracies in the assumed velocity model) by calculating a set of timing corrections for each seismic station. The systematic errors introduced into the locations by the inaccuracies in the assumed velocity structure can be corrected without explicitly solving for a velocity model. Application to sets of multiple earthquakes in complex tectonic environments with strongly heterogeneous structure such as subduction zones and plate boundary region demonstrate that this relocation process significantly improves the hypocentre locations compared to standard locations. To meet the computational demands of this location process, a new open-source software package has been developed that allows for efficient relocation of large-scale multiple seismic events using arrival time data. Upon that, a flexible location framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales. The latest version of the software distribution including source codes, a user guide, an example data set, and a change history, is freely available to the community. The developed relocation algorithm has been modified slightly and then its performance in a simulated near real-time processing has been evaluated. It has been demonstrated that applying the proposed technique significantly reduces the bias in routine locations and enhance the ability to locate the lower magnitude events using only regional arrival data. Finally, to return to emphasis on global seismic monitoring, an inversion framework has been developed to determine the seismic source time function through direct waveform fitting of teleseismic recordings. The inversion technique can be systematically applied to moderate- size seismic events and has the potential to be performed in near real-time applications. It is exemplified by application to an abnormal seismic event; the 2017 North Korean nuclear explosion. The presented work and application case studies in this dissertation represent the first step in an effort to establish a framework for automatic, routine generation of reliable catalogues of seismic event locations and source time functions. N2 - Seismologische Dienste spielen eine wichtige Rolle in der seismologischen Forschung und Gefährdungsanalyse, indem sie Quellparameter für seismische Ereignisse (Lokalisierung, Stärke, Mechanismus) bereitstellen und diese Daten langfristig verfügbar machen. Die Verfügbarkeit von Katalogen seismischer Quellparameter ist eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der seismischen Gefährdung und Minderung der Auswirkungen von Erdbeben. Die seismischen Kataloge sind für die Forschungsgemeinschaft besonders wertvoll, da sie grundlegende Hintergrundsdaten über lange Zeiträume liefern. Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die steigende Nachfrage nach der Entwicklung robusterer und effizienterer Methoden für die routinemäßige Schätzung von Quellparametern und schließlich die Verbesserung der Qualität und Quantität der seismischen Kataloge. Ziel dieser Arbeit ist es insbesondere Methoden zu entwickeln, um die Lokalisierung von Hypozentren und die zeitliche Entwicklung der Momentfreisetzung bei einem Erdbeben auf der Grundlage regionaler und teleseismischer Beobachtungen genauer zu bestimmen, und das Potenzial dieser Methoden für eine zeitnahe Verarbeitung zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lokalisierungsmethode bereitgestellt, die mehrere Ereignisse gleichzeitig berücksichtigt und die relative Genauigkeit der Hypozentren zwischen benachbarten Ereignissen verbessert. Dieses Verfahren versucht, die Verzerrungen durch Geschwindigkeits-heterogenitäten zu reduzieren, oder äquivalent Einschränkungen und Ungenauigkeiten in dem angenommenen Geschwindigkeitsmodell auszugleichen, indem richtungsabhängige Zeitkorrekturen für jede seismische Station berechnet werden. Die systematischen Fehler, die durch die Ungenauigkeiten in der angenommenen Geschwindigkeitsstruktur in die Lokalisierung projiziert werden, können korrigiert werden, ohne explizit nach einem Geschwindigkeitsmodell zu lösen. Die Anwendung auf Ensemble von Erdbeben in tektonischen Situationen mit stark heterogener, komplexer Struktur wie Subduktionszonen und Plattengrenzregionen zeigt, dass diese Relokalisierung die Hypozentren im Vergleich zu Standardlokalisierungen signifikant verbessert. Um den rechnerischen Anforderungen der Lokalisierung gerecht zu werden, wurde ein neues Open-Source-Softwarepaket entwickelt, das eine effiziente Relokalisierung einer großen Anzahl von Erdbeben unter Verwendung von Ankunftszeitdaten ermöglicht. Daraufhin wird ein flexibler Lokalisierungsrahmen bereitgestellt, der an verschiedene Fälle auf lokaler, regionaler und globaler Ebene angepasst werden kann. Die neueste Version der Software einschließlich Quellcodes, Benutzerhandbuch, Beispieldatensatz und Änderungsverlauf ist für die Öffentlichkeit frei verfügbar. Der entwickelte Relokalisierungs-Algorithmus wurde geringfügig verändert und anschließend seine Leistung in einem simulierten Echtzeit Prozess bewertet. Es zeigte sich, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Technik die Verzerrung der Hypozentren der Routineauswertung erheblich verringert und die Fähigkeit zum Lokalisieren der Ereignisse mit niedriger Magnitude unter Verwendung nur regionaler Ankunftsdaten verbessert. Um sich wieder auf die globale seismische Überwachung zu konzentrieren, wurde schließlich ein Inversionssystem entwickelt, um die Zeitfunktion der seismischen Quelle durch direkte Wellenformanpassung von teleseismischen Aufzeichnungen zu bestimmen. Die Inversionstechnik kann systematisch auf seismische Ereignisse mittlerer Größe angewendet werden und hat das Potenzial, in nahezu Echtzeitanwendungen ausgeführt zu werden. Dies wird beispielhaft durch die Anwendung auf ein abnormales seismisches Ereignis veranschaulicht: die nordkoreanische Atomexplosion 2017. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeits- und Anwendungsfallstudien stellen den ersten Schritt dar, um einen Rahmen für die automatische, routinemäßige Erzeugung zuverlässiger Kataloge von seismischen Ereignisorten und Quellzeitfunktion zu schaffen. KW - observational seismology KW - earthquake bulletin data KW - seismic event localization KW - seismic source-time function estimation KW - beobachtende Seismologie KW - Erdbebenkatalogdaten KW - seismische Ereignislokalisierung KW - Herdzeit Parameter Abschätzung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459462 ER - TY - THES A1 - Holm, Stine T1 - Methanogenic communities and metaplasmidome-encoded functions in permafrost environments exposed to thaw N2 - This thesis investigates how the permafrost microbiota responds to global warming. In detail, the constraints behind methane production in thawing permafrost were linked to methanogenic activity, abundance and composition. Furthermore, this thesis offers new insights into microbial adaptions to the changing environmental conditions during global warming. This was assesed by investigating the potential ecological relevant functions encoded by plasmid DNA within the permafrost microbiota. Permafrost of both interglacial and glacial origin spanning the Holocene to the late Pleistocene, including Eemian, were studied during long-term thaw incubations. Furthermore, several permafrost cores of different stratigraphy, soil type and vegetation cover were used to target the main constraints behind methane production during short-term thaw simulations. Short- and long-term incubations simulating thaw with and without the addition of substrate were combined with activity measurements, amplicon and metagenomic sequencing of permanently frozen and seasonally thawed active layer. Combined, it allowed to address the following questions. i) What constraints methane production when permafrost thaws and how is this linked to methanogenic activity, abundance and composition? ii) How does the methanogenic community composition change during long-term thawing conditions? iii) Which potential ecological relevant functions are encoded by plasmid DNA in active layer soils? The major outcomes of this thesis are as follows. i) Methane production from permafrost after long-term thaw simulation was found to be constrained mainly by the abundance of methanogens and the archaeal community composition. Deposits formed during periods of warmer temperatures and increased precipitation, (here represented by deposits from the Late Pleistocene of both interstadial and interglacial periods) were found to respond strongest to thawing conditions and to contain an archaeal community dominated by methanogenic archaea (40% and 100% of all detected archaea). Methanogenic population size and carbon density were identified as main predictors for potential methane production in thawing permafrost in short-term incubations when substrate was sufficiently available. ii) Besides determining the methanogenic activity after long-term thaw, the paleoenvironmental conditions were also found to influence the response of the methanogenic community composition. Substantial shifts within methanogenic community structure and a drop in diversity were observed in deposits formed during warmer periods, but not in deposits from stadials, when colder and drier conditions occurred. Overall, a shift towards a dominance of hydrogenotrophic methanogens was observed in all samples, except for the oldest interglacial deposits from the Eemian, which displayed a potential dominance of acetoclastic methanogens. The Eemian, which is discussed to serve as an analogue to current climate conditions, contained highly active methanogenic communities. However, all potential limitation of methane production after permafrost thaw, it means methanogenic community structure, methanogenic population size, and substrate pool might be overcome after permafrost had thawed on the long-term. iii) Enrichments with soil from the seasonally thawed active layer revealed that its plasmid DNA (‘metaplasmidome’) carries stress-response genes. In particular it encoded antibiotic resistance genes, heavy metal resistance genes, cold shock proteins and genes encoding UV-protection. Those are functions that are directly involved in the adaptation of microbial communities to stresses in polar environments. It was further found that metaplasmidomes from the Siberian active layer originate mainly from Gammaproteobacteria. By applying enrichment cultures followed by plasmid DNA extraction it was possible to obtain a higher average contigs length and significantly higher recovery of plasmid sequences than from extracting plasmid sequences from metagenomes. The approach of analyzing ‘metaplasmidomes’ established in this thesis is therefore suitable for studying the ecological role of plasmids in polar environments in general. This thesis emphasizes that including microbial community dynamics have the potential to improve permafrost-carbon projections. Microbially mediated methane release from permafrost environments may significantly impact future climate change. This thesis identified drivers of methanogenic composition, abundance and activity in thawing permafrost landscapes. Finally, this thesis underlines the importance to study how the current warming Arctic affects microbial communities in order to gain more insight into microbial response and adaptation strategies. N2 - Diese Dissertation untersucht die Reaktion der Permafrost-Mikrobiota auf die globale Erwärmung. Im Detail wurden mögliche Faktoren, die die Methanproduktion in tauendem Permafrost einschränken, im Zusammenhang methanogener Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung untersucht. Darüber hinaus bietet diese Dissertation neue Einblicke in mikrobielle Anpassungen an die sich ändernden Umweltbedingungen während der globalen Erwärmung. Dies wurde durch Untersuchung der potenziell ökologisch relevanten Funktionen bewertet, die von Plasmid-DNA innerhalb der Permafrost-Mikrobiota codiert werden. Permafrost, der seinen Ursprung in den Interglazialen und Glazialen aus dem Holozän bis zum späten Pleistozän, einschließlich des Eem, hat, wurde in Langzeit-Tau-Inkubationen untersucht. Darüber hinaus wurden mehrere Permafrostkerne mit unterschiedlicher Stratigraphie, Vegetationsbedeckung und unterschiedlichem Bodentyp verwendet, um die Faktoren, die die Methanproduktion während kurzfristiger Auftausimulationen bestimmen, zu ermitteln. Kurz- und Langzeitinkubationen, die das Auftauen mit und ohne Zugabe von Substrat in Kombination mit Aktivitätsmessungen, Amplikon- und Metagenom-Sequenzierung von permanent gefrorenem und saisonal aufgetautem Boden simulieren, ermöglichten die Beantwortung folgender Fragen: i) Welche Faktoren hemmen die Methanproduktion beim Auftauen des Permafrosts und wie hängt dies mit der Aktivität, Abundanz und Zusammensetzung methanogener Organismen zusammen? ii) Wie verändert sich die Gemeinschaftszusammensetzung methanogener Organismen unter langfristigen Auftaubedingungen? iii) Welche potenziell ökologisch relevanten Funktionen werden von Plasmid-DNA in saisonal getauten Böden kodiert? Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden. i) Die Methanproduktion in langfristig getautem Permafrost wird hauptsächlich durch die Anzahl der methanogenen Archaeen und ihrem Anteil innerhalb der Archaeen bestimmt. Ablagerungen, die in wärmeren Perioden mit erhöhtem Niederschlag gebildet wurden, reagierten am stärksten auf das Tauen und enthielten eine von Methanogenen dominierte Archaeen-Gemeinschaft. In Kurzzeitinkubationen mit ausreichender Verfügbarkeit von Substrat wurden die Populationsgröße der methanogenen Organismen und die Kohlenstoffdichte als Hauptprädiktoren für die potenzielle Methanproduktion beim Auftauen von Permafrost identifiziert. ii) Auch die paläoökologischen Bedingungen beeinflussen die Reaktion der methanogenen Gemeinschaft und Aktivität, wenn Permafrost taut. Es wurden erhebliche Verschiebungen innerhalb der Gemeinschaftsstruktur und ein Rückgang der Diversität in Ablagerungen beobachtet, die in wärmeren Perioden gebildet wurden, jedoch nicht bei Ablagerungen aus kälteren und trockeneren Perioden. Insgesamt wurde in allen Proben eine Verschiebung hin zu einer Dominanz von hydrogenotrophen Methanogenen beobachtet, mit Ausnahme der ältesten interglazialen Ablagerungen aus dem Eem, die eine potenzielle Dominanz von acetoklastischen Methanogenen aufwiesen. Das Eem, das als Analogon zu den aktuellen Klimabedingungen diskutiert wird, enthielt hochaktive methanogene Gemeinschaften. iii) Anreicherungen aus Boden der saisonalen Auftauschicht zeigten, dass die enthaltene Plasmid-DNA („Metaplasmidom“) Stress-Reaktions-Gene trägt. Insbesondere codierte die Plasmid-DNA Antibiotikaresistenzgene, Schwermetallresistenzgene, Kälteschock-proteine und Gene, für den UV-Schutz, also Funktionen, die direkt an der Anpassung mikrobieller Gemeinschaften an Stress in polaren Umgebungen beteiligt sind. Weiterhin stammten die Metaplasmidome der saisonalen Auftauschicht Sibiriens hauptsächlich von Gammaproteobakterien. Durch die Anreicherung von Kulturen, gefolgt von einer Extraktion der Plasmid-DNA, war es möglich, eine höhere durchschnittliche Contig-Länge und eine signifikant höhere Wiederherstellung von Plasmidsequenzen zu erhalten als durch Extrahieren von Plasmidsequenzen aus Metagenomen. Der in dieser Arbeit etablierte Ansatz zur Analyse von „Metaplasmidomen“ ist ein geeigneter Ansatz zur Untersuchung der ökologischen Rolle von Plasmiden in polaren Regionen insgesamt. Diese Dissertation hebt hervor, wie wichtig es ist, die Abundanz, Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft in Permafrost-Kohlenstoff-Projektionen einzubeziehen, und zwar nicht nur, da die mikrobiell vermittelte Methanfreisetzung aus Permafrostablagerungen das Potenzial hat, den zukünftigen Klimawandel erheblich zu beeinflussen. Vielmehr wurden in dieser Arbeit Abhängigkeiten methanogener Gemeinschaftsstrukturen, Abundanz und Aktivität identifiziert. Abschließend verdeutlicht diese Arbeit, wie wichtig es ist zu untersuchen, wie sich die derzeitige Erwärmung der Arktis auf mikrobielle Gemeinschaften auswirkt, um Einblicke in mikrobielle Reaktions- und Anpassungsstrategien zu erhalten. KW - methanogenic archaea KW - methane KW - glacial and interglacial permafrost KW - Permafrost carbon feedback KW - carbon density KW - Siberia KW - Herschel Island Qikiqtaruk KW - active layer KW - plasmidome KW - stress-tolerance genes Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Menges, Johanna T1 - Organic Carbon Storage, Transfer and Transformation in the Himalaya BT - insights from the Kali Gandaki Valley in Central Nepal N2 - The transfer of particulate organic carbon from continents to the ocean is an important component of the global carbon cycle. Transfer to and burial of photosynthetically fixed biospheric organic carbon in marine sediments can effectively sequester atmospheric carbon dioxide over geological timescales. The exhumation and erosion of fossil organic carbon contained in sedimentary rocks, i.e. petrogenic carbon, can result in remineralization, releasing carbon to the atmosphere. In contrast, eroded petrogenic organic carbon that gets transferred back to the ocean and reburied does not affect atmospheric carbon content. Mountain ranges play a key role in this transfer since they can source vast amounts of sediment including particulate organic carbon. Globally, the export of both, biospheric and petrogenic organic carbon has been linked to sediment export. Additionally, short transfer times from mountains to the ocean and high sediment concentrations have been shown to increase the likelihood of organic carbon burial. While the importance of mountain ranges in the organic carbon cycle is now widely recognized, the processes acting within mountain ranges to influence the storage, cycling and mobilization of organic carbon, as well as carbon fluxes from mountain ranges remain poorly constrained. In this thesis, I employ different methods to assess the nature and fate of particulate organic carbon in mountain belts, ranging from the molecular to regional landscape scale. These studies are located along the Trans-Himalayan Kali Gandaki River in Central Nepal. This river traverses all major geological and climatic zones of the Himalaya, from the dry northern Tibetan plateau to the high-relief, monsoon dominated steep High Himalaya and the lower relief and abundant vegetation of the Lesser Himalayan region. First, I document how biospheric organic matter has accumulated during the Holocene in the headwaters of the Kali Gandaki River valley, by combining compound specific isotope measurements with different dating methods and grain size data, and investigate the stability of this organic carbon reservoir on millennial timescales. I show, that around 1.6 ka an eco-geomorphic tipping point occurred leading to a destabilization of the landscape resulting in today’s high erosion rates and the excavation of the aged organic carbon reservoir. This study highlights the climatic and geomorphic controls on biospheric organic carbon storage and release from mountain ranges. Second, I systematically investigate the spatial variation of particulate organic carbon fluxes across the Himalaya along the Kali Gandaki River, using bulk stable and radioactive isotopes combined with a new Bayesian modeling approach. The detailed dataset allows the distinction of aged and modern biospheric organic carbon as well as petrogenic organic carbon across the Himalayan mountain range and the investigation of the role of climatic and geomorphic factors in their riverine export. The data suggest a decoupling of the particulate organic carbon from the sediment yield along the Kali Gandaki River, partially driven by climatic and geomorphic processes. In contrast to the suspended sediment, a large part of the particulate organic carbon exported by the river originates from the Tibetan part of the catchment and is dominated by petrogenic organic carbon derived from Jurassic shales with only minor contributions of modern and aged biospheric organic carbon. These findings emphasize the importance of organic carbon source distribution and erosion mechanisms in determining the organic carbon export from mountain ranges. In a third step, I explore the potential of ultra-high resolution mass spectrometry for particulate organic carbon transport studies. I have generated a novel and unprecedented high-resolution molecular dataset, which contains up to 103 molecular formulas of the lipid fraction of particulate organic matter for modern and aged biospheric carbon, petrogenic organic carbon and river sediments. First, I test if this dataset can be used to better resolve different organic carbon sources and to identify new geochemical tracers. Using multivariate statistics, I identify up to 10² characteristic molecular formulas for the major organic carbon sources in the upper part of the Kali Gandaki catchment, and trace their transfer from the surrounding landscape into the river sediment. Second, I test the potential of the molecular dataset to trace molecular transformations along source-to-sink pathways. I identify changes in molecular metrics derived from the dataset, which are characteristic of transformation processes during incorporation of litter into soil, the aging of soil material, and the mobilization of the organic carbon into the river. These two studies demonstrate that high-resolution molecular datasets open a promising analytical window on particulate organic carbon and can provide novel insights into the composition, sourcing and transformation of riverine particulate organic carbon. Collectively, these studies advance our understanding of the processes contributing to the storage and mobilization of organic carbon in the Central Himalaya, the mountain belt that dominates global erosional fluxes. They do so by identifying the major sources of particulate organic carbon to the Trans-Himalayan Kali Gandaki River, by elucidating their sensitivity to climate and geomorphic processes, and by identifying some of the transformations of this material on the molecular scale. As a result, the thesis demonstrates that the amount and composition of organic carbon routed from mountain belts is a function of the dynamic interactions of geologic, biologic, geomorphic and climatic processes within the mountain belt. This understanding will ultimately help in answering whether the build-up and erosion of mountain ranges over geological time represents a net carbon source or sink to the atmosphere. Beyond this, the thesis contributes to our technical ability to characterize organic matter and attribute it to sources by scoping the potential of high-end molecular analysis. KW - organic carbon cycle KW - biomarker KW - isotopes KW - Himalaya KW - rivers Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Zuluaga, Juan T1 - Electric and magnetic characteristics of equatorial plasma depletions T1 - Elektrische und magnetische Beschreibung von äquatorialen Plasma-Verarmungen BT - an observational assessment using the Swarm mission BT - eine empirische Beurteilung mit der Satellitenmission Swarm N2 - Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere. Although the climatological variability of their occurrence in terms of season, longitude, local time and solar flux is well-known, their day to day variability is not. The sparse observations from ground-based instruments like radars and the few simultaneous measurements of ionospheric parameters by space-based instruments have left gaps in the knowledge of EPDs essential to comprehend their variability. In this dissertation, I profited from the unique observations of the ESA’s Swarm constellation mission launched in November 2013 to tackle three issues that revealed novel and significant results on the current knowledge of EPDs. I used Swarm’s measurements of the electron density, magnetic, and electric fields to answer, (1.) what is the direction of propagation of the electromagnetic energy associated with EPDs?, (2.) what are the spatial and temporal characteristics of the electric currents (field-aligned and diamagnetic currents) related to EPDs, i.e., seasonal/geographical, and local time dependencies?, and (3.) under what conditions does the balance between magnetic and plasma pressure across EPDs occur? The results indicate that: (1.) The electromagnetic energy associated with EPDs presents a preference for interhemispheric flows; that is, the related Poynting flux directs from one magnetic hemisphere to the other and varies with longitude and season. (2.) The field-aligned currents at the edges of EPDs are interhemispheric. They generally close in the hemisphere with the highest Pedersen conductance. Such hemispherical preference presents a seasonal/longitudinal dependence. The diamagnetic currents increase or decrease the magnetic pressure inside EPDs. These two effects rely on variations of the plasma temperature inside the EPDs that depend on longitude and local time. (3.) EPDs present lower or higher plasma pressure than the ambient. For low-pressure EPDs the plasma pressure gradients are mostly dominated by variations of the plasma density so that variations of the temperature are negligible. High-pressure EPDs suggest significant temperature variations with magnitudes of approximately twice the ambient. Since their occurrence is more frequent in the vicinity of the South Atlantic magnetic anomaly, such high temperatures are suggested to be due to particle precipitation. In a broader context, this dissertation shows how dedicated satellite missions with high-resolution capabilities improve the specification of the low-latitude ionospheric electrodynamics and expand knowledge on EPDs which is valuable for current and future communication, navigation, and Earth-observing missions. The contributions of this investigation represent several ’firsts’ in the study of EPDs: (1.) The first observational evidence of interhemispheric electromagnetic energy flux and field-aligned currents. (2.) The first spatial and temporal characterization of EPDs based on their associated field-aligned and diamagnetic currents. (3.) The first evidence of high plasma pressure in regions of depleted plasma density in the ionosphere. These findings provide new insights that promise to advance our current knowledge of not only EPDs but the low-latitude post-sunset ionosphere environment. N2 - Der erdnahe Weltraum stellt eine bedeutende wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Insbesondere in niedrigeren magnetischen Breitengraden unterstützen die horizontale Geometrie des Magnetfelds und seine geschlossenen Feldlinien das Vorhandensein eines speziellen elektrischen Stromsystems, abrupte Änderungen der elektrischen Felder und das Auftreten von Plasmairregularitäten. Von besonderem Interesse sind regionale Unregelmäßigkeiten im Zusammenhang mit äquatorialen Plasma-Verarmungen (EPDs, Abkürzung aus dem Englischen für „equatorial plasma depletions”). Sie stören trans-ionosphärischer Funkwellen, welche zur Positionierung, Kommunikation und Erd-beobachtung eingesetzt werden. Die schnelle Entwicklung von Satellitenmissionen macht das Verständnis der erdnahen Weltraumphänomene zu einer Priorität, insbesondere derjenigen, welche die Weltraumtechnologie schädigen oder ihre Signale stören können. Die EPDs und die damit verbundenen Plasmairregularitäten sind seit Beginn des Weltraumzeitalters eines der am häufigsten untersuchten Phänomene. EPDs sind großflächigen Strukturen (d. h. zehn bis hundert Kilometer), die auf Spread F Ereignisse zurückgeführt werden können. Sie äußern sich als mit dem Hintergrund-Magnetfeld ausgerichtete Kanäle verarmter Plasmadichte, welche in niedrigen Breiten in der Ionophäre nach Sonnenuntergang auftreten. Obwohl die klimatologische Variabilität des Auftretens von EPDs bezüglich der Jahreszeit, geografischen Länge, Ortszeit und des Sonnenzyklus wohl bekannt sind, trifft dies nicht für ihre Tag-zu-Tag-Variabilität zu. Die spärlichen Beobachtungen von bodengestützten Instrumenten, wie Radargeräten, und die wenigen gleichzeitigen Messungen ionosphärischer Parameter von weltraumgestützten Instrumenten auf erdnahen Umlaufbahnen haben Wissenslücken hinterlassen, die für das Verständnis der Variabilität von EPDs essentiell sind. In dieser Dissertation habe ich von einzigartigen Beobachtungen der im November 2013 gestarteten ESA Satellitenkonstellationsmission „Swarm“ profitiert, um drei Probleme zu bearbeiten, die neue und signifikante Ergebnisse zum aktuellen Wissen über EPDs enthüllten. Ich habe Swarms Messungen der Elektronendichte, des magnetischen und des elektrischen Feldes verwendet, um Folgendes zu beantworten: (1.) In welche Richtung breitet sich die mit den EPDs verbundene elektromagnetische Energie aus? (2.) Was sind die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der elektrischen Ströme (feldgerichtete und diamagnetische Ströme) in Bezug auf EPDs, d. h. wie hängen sie von der geografischen Länge, Jahreszeit und Lokalzeit ab? (3.) Unter welchen Bedingungen findet der mit EPDs verbundene Ausgleich zwischen magnetischem Druck und Plasmadruck statt? Die Ergebnisse zeigen, dass: (1.) Die mit EPDs verbundene elektromagnetische Energie bevorzugt interhemisphärische Strömungen, das heißt, der zugehörige Poynting-Fluss strömt von einer magnetischen Hemisphäre zur anderen und die Strömungsrichtung variiert mit geografischer Länge und Jahreszeit. (2.) Die feldgerichteten Ströme an den Rändern von EPDs sind interhemisphärisch. Im Allgemeinen schließen sie sich in der Hemisphäre mit der höchsten Pedersen-Leitfähigkeit. Die derartige hemisphärische Präferenz zeigt eine Abhängigkeit bezüglich der Jahreszeit/geografischen Länge. Die diamagnetischen Ströme erhöhen oder verringern den magnetischen Druck innerhalb der EPDs. Diese beiden Effekte beruhen auf Variationen der Plasmatemperatur innerhalb der EPDs, die von der geografischen Länge und der Lokalzeit abhängt. (3.) EPDs weisen einen höheren oder niedrigeren Plasmadruck als ihre Umgebung auf. In Niederdruck-EPDs werden die Plasmadruckgradienten meist durch Variationen der Plasmadichte hervorgerufen, sodass Temperaturschwankungen vernachlässigbar sind. Hochdruck-EPDs deuten auf hohe innere Temperaturen hin, etwa das Zweifache der Umgebungstemperatur. Aufgrund ihres häufigeren Auftretens in der Nähe der Südatlantischen Magnetfeldanomalie wird vermutet, dass solche hohen Temperaturen auf den Einfall hochenergetischer Teilchen zurückzuführen sind. In einem breiteren Kontext zeigt diese Dissertation auf, wie spezielle Satellitenmissionen mit hohem Auflösungsvermögen die Spezifikation der ionoshärischen Elektrodynamik in niedrigen Breiten und das Verständnis von EPDs verbessern, was wertvoll für aktuelle und zukünfte Kommunikatoins-, Positionierungs- sowie Erdbeobachtungsmissionen ist. Die Beiträge dieser Arbeit stellen gleich mehrere "Premieren" in der EPD-Forschung dar: (1.) Der erste empirische Nachweis interhemisphärischer elektromagnetischer Energieflüsse und feldgerichteter Ströme. (2.) Die erste raum-zeitliche Beschreibung von EPDs auf der Grundlage ihrer assoziierten feldgerichteten und diamagnetischen Ströme. (3.) Der erste Nachweis hohen Plasmadrucks in Regionen verminderter Plasmadichte in der Ionosphäre. Diese Forschungsergebnisse liefern neue Erkenntnisse, die nicht nur unser derzeitiges Wissen über EPDs, sondern auch jenes über die ionosphärische Domaine in niedrigen Breiten nach Sonnenuntergang fördert. KW - equatorial plasma depletions KW - electric and magnetic fields KW - spread F KW - ionosphere KW - swarm mission KW - äquatorialen Plasma-Verarmungen KW - elektrische und magnetische Felder KW - Spread F KW - Ionosphäre KW - Satellitenmission Swarm Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445873 ER - TY - THES A1 - Kaya, Mustafa T1 - Cretaceous-Paleogene evolution of the proto-Paratethys Sea in Central Asia BT - mechanisms and paleoenvironmental impacts BT - Mechanismen und paläoökologische Auswirkungen N2 - Unlike today’s prevailing terrestrial features, the geologic past of Central Asia witnessed marine environments and conditions as well. A vast, shallow sea, known as proto-Paratethys, extended across Eurasia from the Mediterranean Tethys to the Tarim Basin in western China during Cretaceous to Paleogene times. This sea formed about 160 million years ago (during Jurassic times) when the waters of the Tethys Ocean flooded into Eurasia. It drastically retreated to the west and became isolated as the Paratethys during the Late Eocene-Oligocene (ca. 34 Ma). Having well-constrained timing and paleogeography for the Cretaceous-Paleogene proto-Paratethys sea incursions in Central Asia is essential to properly understand and distinguish the controlling mechanisms and their link to Asian paleoenvironmental and paleoclimatic change. The Cretaceous-Paleogene tectonic evolution of the Pamir and Tibet and their far-field effects play a significant role on the sedimentological and structural evolution of the Central Asian basins and on the evolution of the proto-Paratethys sea fluctuations as well. Comparing the records of the sea incursions to the tectonic and eustatic events has paramount importance to reveal the controlling mechanisms behind the sea incursions. However, due to inaccuracies in the dating of rocks (mostly continental rocks and marine rocks with benthic microfossils providing low-resolution biostratigraphic constraints) and conflicting results, there has been no consensus on the timing of the sea incursions and interpretation of their records has been in question. Here, we present a new chronostratigraphic framework based on biostratigraphy and magnetostratigraphy as well as a detailed paleoenvironmental analysis for the Cretaceous and Paleogene proto-Paratethys Sea incursions in the Tajik and Tarim basins, in Central Asia. This enables us to identify the major drivers of marine fluctuations and their potential consequences on regional and global climate, particularly Asian aridification and the global carbon cycle perturbations such as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). To estimate the paleogeographic evolution of the proto-Paratethys Sea, the refined age constraints and detailed paleoenvironmental interpretations are combined with successive paleogeographic maps. Regional coastlines and depositional environments during the Cretaceous-Paleogene sea advances and retreats were drawn based on the results of this thesis and integrated with existing literature to generate new paleogeographic maps. Before its final westward retreat in the Eocene, a total of six Cretaceous and Paleogene major sea incursions have been distinguished from the sedimentary records of the Tajik and Tarim basins in Central Asia. All have been studied and documented here. We identify the presence of marine conditions already in the Early Cretaceous in the western Tajik Basin, followed by the Cenomanian (ca. 100 Ma) and Santonian (ca. 86 Ma) major marine incursions far into the eastern Tajik and Tarim basins separated by a Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) regression. Basin-wide tectonic subsidence analyses imply that the Early Cretaceous invasion of the sea into the Tajik Basin is related to increased Pamir tectonism (at ca. 130 – 90 Ma) in a retro-arc basin setting inferred to be linked to collision and subduction. This tectonic event mainly governed the Cenomanian (ca. 100 Ma) sea incursion in conjunction with a coeval global eustatic high resulting in the maximum geographic extent of the sea. The following Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) major regression, driven by eustasy, coincides with a sharp slowdown in tectonic subsidence related to a regime change in Pamir tectonism from compression to extension. The Santonian (ca. 86 Ma) major sea incursion was more likely controlled dominantly by eustasy as also evidenced by the coeval fluctuations in the west Siberian Basin. During the early Maastrichtian, the global Late Cretaceous cooling is inferred from the disappearance of mollusk-rich limestones and the dominance of bryozoan-rich and echinoderm-rich limestones in the Tajik Basin documenting the first evidence for the Late Cretaceous cooling event in Central Asia. Following the last Cretaceous sea incursion, a major regional restriction event, marked by the exceptionally thick (≤ 400 m) shelf evaporites is assigned a Danian-Selandian age (ca. 63-59 Ma). This is followed by the largest recorded proto-Paratethys sea incursion with a transgression estimated as early Thanetian (ca. 59-57 Ma) and a regression within the Ypresian (ca. 53-52 Ma). The transgression of the next incursion is now constrained as early Lutetian (ca. 47-46 Ma), whereas its regression is constrained as late Lutetian (ca. 41 Ma) and is associated with a drastic increase in both tectonic subsidence and basin infilling. The age of the final and least pronounced sea incursion restricted to the westernmost margin of the Tarim Basin is assigned as Bartonian–Priabonian (ca. 39.7-36.7 Ma). We interpret the long-term westward retreat of the proto-Paratethys Sea starting at ca. 41 Ma to be associated with far-field tectonic effects of the Indo-Asia collision and Pamir/Tibetan plateau uplift. Short-term eustatic sea level transgressions are superimposed on this long-term regression and seem coeval with the transgression events in the other northern Peri-Tethyan sedimentary provinces for the 1st and 2nd Paleogene sea incursions. However, the last Paleogene sea incursion is interpreted as related to tectonism. The transgressive and regressive intervals of the proto-Paratethys Sea correlate well with the reported humid and arid phases, respectively in the Qaidam and Xining basins, thus demonstrating the role of the proto-Paratethys Sea as an important moisture source for the Asian interior and its regression as a contributor to Asian aridification. We lastly study the mechanics, relative contribution and preservation efficiency of ancient epicontinental seas as carbon sinks with new and existing data, using organic rich (sapropel) deposits dated to the PETM from the extensive epicontinental proto-Paratethys and West Siberian seas. We estimate ca. 1390±230 Gt organic C burial, a substantial amount compared to previously estimated global total excess organic C burial (ca. 1700-2900 Gt) is focused in the proto-Paratethys and West Siberian seas alone. We also speculate that enhanced organic carbon burial later over much of the proto-Paratethys (and later Paratethys) basin (during the deposition of the Kuma Formation and Maikop series, repectively) may have majorly contributed to drawdown of atmospheric carbon dioxide before and during the EOT cooling and glaciation of Antarctica. For past periods with smaller epicontinental seas, the effectiveness of this negative carbon cycle feedback was arguably diminished, and the same likely applies to the present-day. N2 - Im Gegensatz zu den heute vorherrschenden kontinentalen Bedingungen war die geologische Vergangenheit Zentralasiens auch Zeuge marin dominierter Phasen. Ein riesiges Schelfmeer, bekannt als Proto-Paratethys, erstreckte sich während der Kreidezeit bis zum Paläogen über Eurasien - von der Tethys im Mittelmeer bis zum Tarimbecken im Westen Chinas. Dieses Meer bildete sich vor etwa 160 Millionen Jahren während der Jurazeit, als das Wasser des Tethys-Ozeans nach Eurasien strömte. Es zog sich drastisch nach Westen zurück und wurde während des späten Eozän-Oligozäns (ca. 34 Ma) als Paratethys isoliert. Eine gut eingegrenzte zeitliche Einordnung und Paläogeographische Charakterisierung für die kretazisch-paläogenen proto-Paratethys-Meerestransgressionen in Zentralasien ist unerlässlich, um die Kontrollmechanismen und ihre Verbindung mit den paläoökologischen und paläoklimatischen Veränderungen in Asien richtig zu verstehen und zu unterscheiden. Die kreidezeitlich-paläogene tektonische Entwicklung des Pamir und Tibets und ihre Fernfeldeffekte spielen eine bedeutende Rolle für die Entwicklung der zentralasiatischen Becken und der proto-paläozoischen Meeresschwankungen. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Datierung der Gesteine und widersprüchlichen Ergebnissen gab es jedoch bislang keinen Konsens über den Zeitpunkt der Meerestransgressionen. Die Interpretation der dabei abgelagerten Sedimentfolgen wurde in Frage gestellt. Hier präsentieren wir eine neue, zeitliche Einordung auf Grundlage von Biostratigraphie und Magnetostratigraphie sowie eine detaillierte Paläoumweltanalyse für die Transgressionen des kreidezeitlichen und paläogenen proto-Paratethys-Meeres im tadschikischen und Tarimbecken in Zentralasien. Dies ermöglicht es uns, die wichtigsten Triebkräfte der marinen Fluktuationen und ihre möglichen Auswirkungen auf das regionale und globale Klima zu identifizieren - insbesondere die asiatische Aridifizierung und die Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs etwa während des paläozän-eozänen thermischen Maximums (PETM). Beckenweite tektonische Senkungsanalysen deuten darauf hin, dass die frühkretazische Transgressionsphase im Tadschikischen Becken mit einer Intensivierung der Kollisionstektonik im Pamir (zwischen ca. 130 und 90 Ma) und der damit verbundenen Bildung eines Retro-Arc-Beckens in Zusammenhang stehen. Die globale Abkühlung der Spätkreide wird aus dem Verschwinden von molluskenreichen Kalksteinen und der Dominanz von bryozoen- und echinodermenreichen Kalksteinen im Tadschikischen Becken abgeleitet. Dies liefert den ersten Nachweis für das Abkühlungsereignis der Spätkreide in Zentralasien. Wir interpretieren die langfristige paläogene Regression des Proto-Paratethys-Meeres Richtung Westen ab ca. 41 Ma mit den tektonischen Fernfeldeffekten der indo-asiatischen Kollision und der Hebung des Pamir/Tibetischen Plateaus. Die transgressiven und regressiven Intervalle der proto-Paratethys-See korrelieren gut mit den bekannten feuchten und ariden Phasen im Qaidam- bzw. Xining-Becken, was die Rolle der proto-Paratethys-See als wichtige Feuchtigkeitsquelle für das asiatische Binnenland und ihren Rückzug als Mitverursacher der asiatischen Aridifizierung verdeutlicht. Schließlich untersuchen wir die Wirkungsfaktoren, den relativen Beitrag und die Erhaltungseffizienz alter epikontinentaler Meere als Kohlenstoffsenken mit neuen und bestehenden Daten. Dabei verwenden wir organik-reiche Ablagerungen aus den ausgedehnten epikontinentalen Proto-Paratethys- und westsibirischen Meeren, die auf das PETM datiert sind. Wir schätzen eine Einlagerung von ca. 1390±230 Gt organischer Kohlenstoffverbindungen. Das stellt eine beachtliche Menge, verglichen mit der zuvor geschätzten globalen Gesamtmenge an überschüssiger organischer Kohlenstoffeinlagerung (ca. 1700-2900 Gt) dar, welche sich allein auf die Proto-Paratethys und die westsibirischen Meere konzentriert. Für vergangene und zukünftige Perioden mit kleineren epikontinentalen Meeren würde die Wirksamkeit dieser negativen Rückkopplung des Kohlenstoffkreislaufs wohl abnehmen. T2 - Kreidezeit - Paläogene Entwicklung des Proto-Paratethys-Meeres in Zentralasien KW - Geology KW - Paleoclimatology KW - Sedimentology KW - Stratigraphy KW - Paleogeography KW - Geologie KW - Paläoklimatologie KW - Sedimentologie KW - Stratigraphie KW - Paläogeographie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483295 ER - TY - THES A1 - Meijer, Niels T1 - Asian dust, monsoons and westerlies during the Eocene N2 - The East Asian monsoons characterize the modern-day Asian climate, yet their geological history and driving mechanisms remain controversial. The southeasterly summer monsoon provides moisture, whereas the northwesterly winter monsoon sweeps up dust from the arid Asian interior to form the Chinese Loess Plateau. The onset of this loess accumulation, and therefore of the monsoons, was thought to be 8 million years ago (Ma). However, in recent years these loess records have been extended further back in time to the Eocene (56-34 Ma), a period characterized by significant changes in both the regional geography and global climate. Yet the extent to which these reconfigurations drive atmospheric circulation and whether the loess-like deposits are monsoonal remains debated. In this thesis, I study the terrestrial deposits of the Xining Basin previously identified as Eocene loess, to derive the paleoenvironmental evolution of the region and identify the geological processes that have shaped the Asian climate. I review dust deposits in the geological record and conclude that these are commonly represented by a mix of both windblown and water-laid sediments, in contrast to the pure windblown material known as loess. Yet by using a combination of quartz surface morphologies, provenance characteristics and distinguishing grain-size distributions, windblown dust can be identified and quantified in a variety of settings. This has important implications for tracking aridification and dust-fluxes throughout the geological record. Past reversals of Earth’s magnetic field are recorded in the deposits of the Xining Basin and I use these together with a dated volcanic ash layer to accurately constrain the age to the Eocene period. A combination of pollen assemblages, low dust abundances and other geochemical data indicates that the early Eocene was relatively humid suggesting an intensified summer monsoon due to the warmer greenhouse climate at this time. A subsequent shift from predominantly freshwater to salt lakes reflects a long-term aridification trend possibly driven by global cooling and the continuous uplift of the Tibetan Plateau. Superimposed on this aridification are wetter intervals reflected in more abundant lake deposits which correlate with highstands of the inland proto-Paratethys Sea. This sea covered the Eurasian continent and thereby provided additional moisture to the winter-time westerlies during the middle to late Eocene. The long-term aridification culminated in an abrupt shift at 40 Ma reflected by the onset of windblown dust, an increase in steppe-desert pollen, the occurrence of high-latitude orbital cycles and northwesterly winds identified in deflated salt deposits. Together, these indicate the onset of a Siberian high atmospheric pressure system driving the East Asian winter monsoon as well as dust storms and was triggered by a major sea retreat from the Asian interior. These results therefore show that the proto-Paratethys Sea, though less well recognized than the Tibetan Plateau and global climate, has been a major driver in setting up the modern-day climate in Asia. N2 - Die ostasiatischen Monsune prägen das heutige asiatische Klima, doch ihr geologischer Ursprung und ihre Antriebsmechanismen sind nach wie vor umstritten. Der südöstliche Sommermonsun bringt Feuchtigkeit, während der nordwestliche Wintermonsun Staub aus dem trockenen asiatischen Inland aufwirbelt und das chinesische Lössplateau bildet. Der Ursprung dieses Lösses und damit des Monsuns wurde vor 8 Millionen Jahren vermutet (Ma). In den letzten Jahren sind diese Lößablagerungen jedoch weiter in das Eozän (56-34 Ma) zurückverlegt worden, einer Periode, die durch bedeutende Änderungen sowohl in der regionalen Geographie als auch im globalen Klima gekennzeichnet ist. Inwieweit diese Rekonfigurationen die atmosphärische Zirkulation antrieben und ob es sich bei den lößartigen Sedimenten um monsunartige Ablagerungen handelt, bleibt jedoch umstritten. In dieser Dissertation untersuche ich die terrestrischen Ablagerungen des Xining-Beckens, die zuvor als Löss aus dem Eozän identifiziert wurden, um die paläo-umweltbedingte Entwicklung der Region abzuleiten und die geologischen Prozesse zu identifizieren, die das asiatische Klima geprägt haben. Ich überprüfe die Staubablagerungen im geologischen Archiv und komme zu dem Schluss, dass diese durch eine Mischung aus windgetriebenen und wassergelagerten Sedimenten dargestellt werden, im Gegensatz zu dem rein windgetriebenen Material, das als Löß bekannt ist. Doch durch die Verwendung einer Kombination der oberflächenmorphologien von Quartz, Herkunftsmerkmalen und unterscheidenden Korngrößenverteilungen kann windgetriebener Staub in einer Vielzahl von Umgebungen identifiziert und quantifiziert werden. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Nachverfolgung der Aridifizierung und der Staubflüsse in dem gesamten geologischen Archiv. Frühere Umkehrungen des Erdmagnetfeldes werden in den Ablagerungen des Xining-Beckens aufgezeichnet und ich verwende diese zusammen mit einer datierten vulkanischen Ascheschicht, um das Alter genau auf die Eozän-Periode einzugrenzen. Eine Kombination aus Pollenansammlungen, geringen Staubhäufigkeiten und anderen geochemischen Daten deutet darauf hin, dass das frühe Eozän relativ feucht war, was auf einen verstärkten Sommermonsun aufgrund des wärmeren Treibhausklimas zu dieser Zeit hinweist. Eine anschließende Verschiebung von überwiegend Süßwasser zu Salzseen spiegelt einen langfristigen Aridifizierungstrend wider, der möglicherweise durch die globale Abkühlung und die kontinuierliche Hebung des Tibetischen Plateaus angetrieben wurde. Überlagert wird diese Aridifizierung von feuchteren Intervallen, die durch eine Zunahme in Seeablagerungen gekennzeichnet werden und mit den Hochständen des inländischen proto-Paratethys-Meeres korrelieren. Dieses Meer bedeckte den eurasischen Kontinent und versorgte dadurch die winterlichen Westwinde mit zusätzlicher Feuchtigkeit im mittleren bis späten Eozän. T2 - Asiatischer Staub, Monsune und Westwind während des Eozäns KW - Paleoclimatology KW - Asia KW - Eocene KW - Stratigraphy KW - Asien KW - Stratigrafie KW - Monsoon KW - Monsun KW - Paläoklimatologie KW - Eozän Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-488687 ER - TY - THES A1 - Desanois, Louis T1 - On the origin of epithermal Sn-Ag-Zn mineralization at the Pirquitas mine, NW Argentina T1 - Zur Entstehung der epithermalen Sn-Ag-Zn-Mineralisierung in der Pirquitas Mine, NW Argentinien BT - fluid inclusion and isotopic constraints BT - Flüssigkeitseinschlüsse und isotopische Zusammensetzung/ Fingerabdruck N2 - The Central Andes host large reserves of base and precious metals. The region represented, in 2017, an important part of the worldwide mining activity. Three principal types of deposits have been identified and studied: 1) porphyry type deposits extending from central Chile and Argentina to Bolivia, and Northern Peru, 2) iron oxide-copper-gold (IOCG) deposits, extending from central Peru to central Chile, and 3) epithermal tin polymetallic deposits extending from Southern Peru to Northern Argentina, which compose a large part of the deposits of the Bolivian Tin Belt (BTB). Deposits in the BTB can be divided into two major types: (1) tin-tungsten-zinc pluton-related polymetallic deposits, and (2) tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposits. Mina Pirquitas is a tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposit, located in north-west Argentina, that used to be one of the most important tin-silver producing mine of the country. It was interpreted to be part of the BTB and it shares similar mineral associations with southern pluton related BTB epithermal deposits. Two major mineralization events related to three pulses of magmatic fluids mixed with meteoric water have been identified. The first event can be divided in two stages: 1) stage I-1 with quartz, pyrite, and cassiterite precipitating from fluids between 233 and 370 °C and salinity between 0 and 7.5 wt%, corresponding to a first pulse of fluids, and 2) stage I-2 with sphalerite and tin-silver-lead-antimony sulfosalts precipitating from fluids between 213 and 274 °C with salinity up to 10.6 wt%, corresponding to a new pulse of magmatic fluids in the hydrothermal system. The mineralization event II deposited the richest silver ores at Pirquitas. Event II fluids temperatures and salinities range between 190 and 252 °C and between 0.9 and 4.3 wt% respectively. This corresponds to the waning supply of magmatic fluids. Noble gas isotopic compositions and concentrations in ore-hosted fluid inclusions demonstrate a significant contribution of magmatic fluids to the Pirquitas mineralization although no intrusive rocks are exposed in the mine area. Lead and sulfur isotopic measurements on ore minerals show that Pirquitas shares a similar signature with southern pluton related polymetallic deposits in the BTB. Furthermore, the major part of the sulfur isotopic values of sulfide and sulfosalt minerals from Pirquitas ranges in the field for sulfur derived from igneous rocks. This suggests that the main contribution of sulfur to the hydrothermal system at Pirquitas is likely to be magma-derived. The precise age of the deposit is still unknown but the results of wolframite dating of 2.9 ± 9.1 Ma and local structural observations suggest that the late mineralization event is younger than 12 Ma. N2 - Die zentralen Anden beherbergen große Reserven von unedlen und Edelmetallen. Die Region war 2017 ein wichtiger Teil der weltweiten Bergbautätigkeit. Bisher wurden drei Hauptlagerstätten identifiziert und untersucht: 1) Porphyr-Lagerstätten, die sich von Zentralchile und Argentinien bis Bolivien und Nord-Peru erstrecken; 2) Eisenoxid-Kupfer-Gold-Lagerstätten (IOCG), die sich von Zentralperu bis Zentralchile ausdehnen, sowie 3) polymetallische epithermale Zinnlagerstätten, die sich von Südperu bis nach Nordargentinien erstrecken und einen Großteil der Lagerstätten des bolivianischen Zinngürtels (Bolivian Tin Belt - BTB) bilden. Lagerstätten im BTB können in zwei Haupttypen unterteilt werden: (1) polymetallische Lagerstätten aus Zinn-Wolfram-Zink im Zusammenhang mit Plutonen und (2) polymetallische Zinn-Silber-Blei-zink Anlagerungen in epithermalen gangförmigen Lagerstätten. Mina Pirquitas ist eine epithermale Zinn-Silber-Blei-Zink-Polymetallvenenlagerstätte im Nordwesten Argentiniens, die früher eine der wichtigsten Zinnsilber-Mine meines Landes war. Es wurde als Teil der BTB interpretiert und hat ähnliche Mineralstoffverbände mit südlichen Pluton-bezogenen BTB-Epithermalvorkommen. Es wurden zwei bedeutende Mineralisierungsereignisse identifiziert, die sich auf drei mit meteorischem Wasser gemischte magmatische Fluide beziehen. Das erste Ereignis kann in zwei Stufen unterteilt werden: 1) Stufe I-1, wobei Quarz, Pyrit und Cassiterit aus Fluiden zwischen 233 und 370 ° C und einem Salzgehalt zwischen 0 und 7,5 Gew .-% ausfallen, entsprechend einem ersten Flüssigkeitsimpuls, und 2) Stufe I-2 mit Sphalerit und Zinn-Silber-Blei-Antimonsulfosalzen, die aus Fluiden zwischen 213 und 274 ° C mit einem Salzgehalt von bis zu 10,6 Gew .-% ausfallen, was einem neuen Impuls magmatischer Fluiden im hydrothermalen System entspricht. Durch die Mineralisierung II wurden die reichsten Silbererze bei Pirquitas abgelagert. Die Temperaturen und Salzgehalte von Event II liegen zwischen 190 und 252 ° C bzw. zwischen 0,9 und 4,3 Gew .-%. Dies entspricht der abnehmenden Versorgung mit magmatischen Fluiden. Edelgasisotopenzusammensetzungen und -konzentrationen in mit Erz beherbergten Flüssigkeitseinschlüssen zeigen einen signifikanten Beitrag magmatischer Fluiden zur Pirquitas-Mineralisierung, obwohl keine intrusiven Gesteine im Minengebiet exponiert sind. Messungen von Blei- und Schwefelisotopen an Erzmineralien zeigen, dass Pirquitas eine ähnliche Signatur mit südlichen Pluton-verwandten polymetallischen Lagerstätten in der BTB teilt. Darüber hinaus liegt der größte Teil der Schwefelisotopenwerte von Sulfid- und Sulfosaltmineralien aus Pirquitas im Bereich von Schwefel aus magmatischem Gestein. Dies deutet darauf hin, dass der Hauptbeitrag von Schwefel zum hydrothermalen System bei Pirquitas wahrscheinlich aus Magma stammt. Das genaue Alter der Lagerstätte ist noch nicht bekannt, aber die Ergebnisse der Wolframit-Datierung von 2,9 ± 9,1 Ma und lokalen Strukturbeobachtungen legen nahe, dass die späten Mineralisierungsereignisse jünger als 12 Ma sind. KW - Bolivian tin belt KW - Pirquitas KW - Epithermal Ag-Sn deposits KW - Fluid inclusions KW - Isotopes KW - bolivianischen Zinngürtels KW - Pirquitas KW - epithermale Zinn-Silber-lagerstätte KW - Flüssigkeitsinklusionen KW - Isotopen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430822 ER - TY - THES A1 - Beamish, Alison Leslie T1 - Hyperspectral remote sensing of the spatial and temporal heterogeneity of low Arctic vegetation T1 - Hyperspektrale Fernerkundung der räumlichen und zeitlichen Heterogenität niedriger arktischer Vegetation BT - the role of phenology, vegetation colour, and intrinsic ecosystem components BT - die Rolle von Phänologie, Vegetationsfarbe und intrinsischer Ökosystemkomponenten N2 - Arctic tundra ecosystems are experiencing warming twice the global average and Arctic vegetation is responding in complex and heterogeneous ways. Shifting productivity, growth, species composition, and phenology at local and regional scales have implications for ecosystem functioning as well as the global carbon and energy balance. Optical remote sensing is an effective tool for monitoring ecosystem functioning in this remote biome. However, limited field-based spectral characterization of the spatial and temporal heterogeneity limits the accuracy of quantitative optical remote sensing at landscape scales. To address this research gap and support current and future satellite missions, three central research questions were posed: • Does canopy-level spectral variability differ between dominant low Arctic vegetation communities and does this variability change between major phenological phases? • How does canopy-level vegetation colour images recorded with high and low spectral resolution devices relate to phenological changes in leaf-level photosynthetic pigment concentrations? • How does spatial aggregation of high spectral resolution data from the ground to satellite scale influence low Arctic tundra vegetation signatures and thereby what is the potential of upcoming hyperspectral spaceborne systems for low Arctic vegetation characterization? To answer these questions a unique and detailed database was assembled. Field-based canopy-level spectral reflectance measurements, nadir digital photographs, and photosynthetic pigment concentrations of dominant low Arctic vegetation communities were acquired at three major phenological phases representing early, peak and late season. Data were collected in 2015 and 2016 in the Toolik Lake Research Natural Area located in north central Alaska on the North Slope of the Brooks Range. In addition to field data an aerial AISA hyperspectral image was acquired in the late season of 2016. Simulations of broadband Sentinel-2 and hyperspectral Environmental and Mapping Analysis Program (EnMAP) satellite reflectance spectra from ground-based reflectance spectra as well as simulations of EnMAP imagery from aerial hyperspectral imagery were also obtained. Results showed that canopy-level spectral variability within and between vegetation communities differed by phenological phase. The late season was identified as the most discriminative for identifying many dominant vegetation communities using both ground-based and simulated hyperspectral reflectance spectra. This was due to an overall reduction in spectral variability and comparable or greater differences in spectral reflectance between vegetation communities in the visible near infrared spectrum. Red, green, and blue (RGB) indices extracted from nadir digital photographs and pigment-driven vegetation indices extracted from ground-based spectral measurements showed strong significant relationships. RGB indices also showed moderate relationships with chlorophyll and carotenoid pigment concentrations. The observed relationships with the broadband RGB channels of the digital camera indicate that vegetation colour strongly influences the response of pigment-driven spectral indices and digital cameras can track the seasonal development and degradation of photosynthetic pigments. Spatial aggregation of hyperspectral data from the ground to airborne, to simulated satel-lite scale was influenced by non-photosynthetic components as demonstrated by the distinct shift of the red edge to shorter wavelengths. Correspondence between spectral reflectance at the three scales was highest in the red spectrum and lowest in the near infra-red. By artificially mixing litter spectra at different proportions to ground-based spectra, correspondence with aerial and satellite spectra increased. Greater proportions of litter were required to achieve correspondence at the satellite scale. Overall this thesis found that integrating multiple temporal, spectral, and spatial data is necessary to monitor the complexity and heterogeneity of Arctic tundra ecosystems. The identification of spectrally similar vegetation communities can be optimized using non-peak season hyperspectral data leading to more detailed identification of vegetation communities. The results also highlight the power of vegetation colour to link ground-based and satellite data. Finally, a detailed characterization non-photosynthetic ecosystem components is crucial for accurate interpretation of vegetation signals at landscape scales. N2 - Die arktische Erwärmung beeinflusst Produktivität, Wachstums, Artenzusammensetzung, Phänologie und den Reproduktionserfolg arktischer Vegetation, mit Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen sowie auf den globalen Kohlenstoff- und Energiehaushalt. Feldbasierte Messungen und spektrale Charakterisierungen der räumlichen und zeitlichen Heterogenität arktischer Vegetationsgemeinschaften sind limitiert und die Genauigkeit fernerkundlicher Methoden im Landschaftsmaßstab eingeschränkt. Um diese Forschungslücke zu schließen und aktuelle und zukünftige Satellitenmissionen zu unterstützen, wurden drei zentrale Forschungsfragen entwickelt: 1) Wie unterscheidet sich die spektrale Variabilität des Kronendaches zwischen dominanten Vegetationsgemeinschaften der niederen Arktis und wie verändert sich diese Variabilität zwischen den wichtigsten phänologischen Phasen? 2) Wie hängen Aufnahmen der Vegetationsfarbe des Kronendaches von hoch und niedrig auflösenden Geräten mit phänologischen Veränderungen des photosynthetischen Pigmentgehalts auf Blattebene zusammen? 3) Wie beeinflusst die räumliche Aggregation von Daten mit hoher spektraler Auflösung von der Boden- bis zur Satelliten-Skala die arktischen Vegetationssignale der Tundra und welches Potenzial haben zukünftige hyperspektraler Satellitensysteme für die arktische Vegetationscharakterisierung? Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine detaillierte Datenbank aus feldbasierten Daten erstellt und mit hyperspektralen Luftbildern sowie multispektralen Sentinel-2 und simulierten hyperspektralen EnMAP Satellitendaten verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spätsai-son am besten geeignet ist um dominante Vegetationsgemeinschaften mit Hilfe von hyper-spektralen Daten zu identifizieren. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die mit handelsüb-lichen Digitalkameras aufgenommene Vegetationsfarbe pigmentgesteuerte Spektralindizes stark beeinflusst und den Verlauf von photosynthetischen Pigmenten nachverfolgen kann. Die räumliche Aggregation hyperspektraler Daten von der Boden- über die Luft- zur Satelli-tenskala wurde durch nicht-photosynthetische Komponenten beeinflusst und die spektralen Reflexionsvermögen der drei Skalen stimmten im roten Spektrum am höchsten und im nahen Infrarotbereich am niedrigsten überein. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Integration zeitlicher, spektraler und räumlicher Daten notwendig ist, um Komplexität und Heterogenität arktischer Vegetationsreaktionen in Reaktion auf klimatische Veränderungen zu überwachen. KW - hyperspectral remote sensing KW - Arctic tundra KW - vegetation KW - imaging spectroscopy KW - hyperspektral Fernerkundung KW - arktische Tundra KW - Vegetation KW - Spektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425922 ER - TY - THES A1 - Scheffler, Franziska T1 - Selenite pseudomorphs BT - from formation to metamorphism - the "Rosetta Marble", Anatolia Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Kneier, Fabian T1 - Subsea permafrost in the Laptev Sea BT - Influences on degradation, state and distribution BT - Einflüsse auf Degradation, Zustand und Verbreitung N2 - During lower sea levels in glacial periods, deep permafrost formed on large continental shelf areas of the Arctic Ocean. Subsequent sea level rise and coastal erosion created subsea permafrost, which generally degrades after inundation under the influence of a complex suite of marine, near-shore processes. Global warming is especially pronounced in the Arctic, and will increase the transition to and the degradation of subsea permafrost, with implications for atmospheric climate forcing, offshore infrastructure, and aquatic ecosystems. This thesis combines new geophysical, borehole observational and modelling approaches to enhance our understanding of subsea permafrost dynamics. Three specific areas for advancement were identified: (I) sparsity of observational data, (II) lacking implementation of salt infiltration mechanisms in models, and (III) poor understanding of the regional differences in key driving parameters. This study tested the combination of spectral ratios of the ambient vibration seismic wavefield, together with estimated shear wave velocity from seismic interferometry analysis, for estimating the thickness of the unfrozen sediment overlying the ice-bonded permafrost offshore. Mesoscale numerical calculations (10^1 to 10^2 m, thousands of years) were employed to develop and solve the coupled heat diffusion and salt transport equations including phase change effects. Model soil parameters were constrained by borehole data, and the impact of a variety of influences during the transgression was tested in modelling studies. In addition, two inversion schemes (particle swarm optimization and a least-square method) were used to reconstruct temperature histories for the past 200-300 years in the Laptev Sea region in Siberia from two permafrost borehole temperature records. These data were evaluated against larger scale reconstructions from the region. It was found (I) that peaks in spectral ratios modelled for three-layer, one-dimensional systems corresponded with thaw depths. Around Muostakh Island in the central Laptev Sea seismic receivers were deployed on the seabed. Derived depths of the ice-bonded permafrost table were between 3.7-20.7 m ± 15 %, increasing with distance from the coast. (II) Temperatures modelled during the transition to subsea permafrost resembled isothermal conditions after about 2000 years of inundation at Cape Mamontov Klyk, consistent with observations from offshore boreholes. Stratigraphic scenarios showed that salt distribution and infiltration had a large impact on the ice saturation in the sediments. Three key factors were identified that, when changed, shifted the modelled permafrost thaw depth most strongly: bottom water temperatures, shoreline retreat rate and initial temperature before inundation. Salt transport based on diffusion and contribution from arbitrary density-driven mechanisms only accounted for about 50 % of observed thaw depths at offshore sites hundreds to thousands of years after inundation. This bias was found consistently at all three sites in the Laptev Sea region. (III) In the temperature reconstructions, distinct differences in the local temperature histories between the western Laptev Sea and the Lena Delta sites were recognized, such as a transition to warmer temperatures a century later in the western Laptev Sea as well as a peak in warming three decades later. The local permafrost surface temperature history at Sardakh Island in the Lena Delta was reminiscent of the circum-Arctic regional average trends. However, Mamontov Klyk in the western Laptev Sea was consistent to Arctic trends only in the most recent decade and was more similar to northern hemispheric mean trends. Both sites were consistent with a rapid synoptic recent warming. In conclusion, the consistency between modelled response, expected permafrost distribution, and observational data suggests that the passive seismic method is promising for the determination of the thickness of unfrozen sediment on the continental Arctic shelf. The quantified gap between currently modelled and observed thaw depths means that the impact of degradation on climate forcing, ecosystems, and infrastructure is larger than current models predict. This discrepancy suggests the importance of further mechanisms of salt penetration and thaw that have not been considered – either pre-inundation or post-inundation, or both. In addition, any meaningful modelling of subsea permafrost would have to constrain the identified key factors and their regional differences well. The shallow permafrost boreholes provide missing well-resolved short-scale temperature information in the coastal permafrost tundra of the Arctic. As local differences from circum-Arctic reconstructions, such as later warming and higher warming magnitude, were shown to exist in this region, these results provide a basis for local surface temperature record parameterization of climate and, in particular, permafrost models. The results of this work bring us one step further to understanding the full picture of the transition from terrestrial to subsea permafrost. N2 - Als zu glazialen Zeiten der Meeresspiegel niedriger lag, konnte sich tiefer Permafrost (Dauerfrostboden) in weiten Teilen der Kontinentalschelfgebiete des arktischen Ozeans bilden. Durch den darauf folgenden Meeresspiegelanstieg und Küstenerosion wurde dieser überflutet und es entstand submariner Permafrost. Seit der Überflutung wird dieser durch eine Reihe komplexer mariner Prozesse in der küstennahen Zone degradiert. Die Klimaerwärmung ist in der Arktis besonders ausgeprägt, wodurch sich die Überflutung durch Küstenerosion sowie diese Degradationsprozesse in Zukunft weiter intensivieren werden. Dies wird weitreichende Konsequenzen für das Klimasystem (Freisetzung von Treibhausgasen), Offshore-Infrastruktur als auch aquatische Ökosysteme haben. Diese Dissertation kombiniert neue geophysikalische, Bohrlochbeobachtungs-basierte und Modellierungsansätze, um unser Verständnis der speziellen Dynamik des submarinen Permafrosts zu verbessern. Drei spezifische Bereiche wurden identifiziert, welche das derzeitige Verständnis zum submarinen Permafrost maßgeblich einschränken, und in dieser Arbeit gezielt weiterentwickelt wurden: (I) Die spärliche Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten, (II) die fehlende Implementation von Salzinfiltrationsmechanismen in Modelbeschreibungen und (III) das mangelnde Verständnis der regionalen Unterschiede von treibenden Einflußparametern. Hierfür wurde die Kombination spektraler Amplitudenverhältnisse der Umgebungsschwingungen im seismischen Wellenfeld (seismisches Hintergrundrauschen) mit der aus seismischer Interferometrie abgeschätzten Scherwellengeschwindigkeit zur Bestimmung der Mächtigkeit der aufgetauten Sedimentschicht oberhalb des eisgebundenen Permafrosts im Meeresboden getestet. Numerische Simulationen (auf der Skala von 10^1 bis 10^2 m, tausende Jahre) wurden zur Entwicklung und Lösung der gekoppelten Wärmeleitungs- und Salztransportgleichungen unter Berücksichtigung von Phasenübergängen angewandt. Hierbei wurden die Modelparameter zur Untergrundbeschaffenheit aus Bohrlochdaten bestimmt und die Auswirkungen verschiedener Parameter während der Meeresüberflutung untersucht. Zusätzlich wurden zwei Inversionsalgorithmen (Partikelschwarmoptimierung und ein Verfahren der kleinsten Quadrate) verwendet, um die Temperaturen der letzten 200-300 Jahre in der Laptewsee-Region in Sibirien anhand zweier Temperaturdatensätze aus Permafrostbohrlöchern zu rekonstruieren. Diese Daten wurden im Vergleich zu größerskaligen Rekonstruktionen aus der Region ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, (I) dass die Höchstwerte im spektralen Amplitudenverhältnis, die für den eindimensionalen Fall eines 3-Schicht-Systems modelliert wurden, mit der Auftautiefe zusammenhingen. Seismische Instrumente wurden auf dem Meeresboden um die Insel Muostakh, in der zentralen Laptewsee gelegen, ausgebracht. Die gefundenen Tiefen der eisgebundenen Permafrosttafel lagen zwischen 3.7-20.7 m ± 15 %, und nahmen mit zunehmender Entfernung zur Küste zu. (II) Die modellierten Temperaturen während des Übergangs zum submarinen Permafrost entsprachen ab etwa 2000 Jahren nach der Überflutung isothermischen Bedingungen bei Cape Mamontov Klyk, in Übereinstimmung zu den Beobachtungen in den Bohrlöchern. Stratigrafische Szenarien zeigten, dass die Salzverteilung und -infiltration großen Einfluß auf den Sättigungszustand des Poreneises im Sediment hatte. Drei Schlüsselfaktoren wurden identifiziert, welche, wenn diese verändert wurden, die modellierte Auftautiefe des Permafrosts am stärksten beeinflussten: Die Temperaturen am Meeresboden, die Küstenerosionsrate und die Anfangstemperatur zum Zeitpunkt der Überflutung. Salztransport unter Berücksichtigung von Diffusion und beliebigen dichte-getriebenen Mechanismen unterschätzte die beobachteten Auftautiefen um circa 50 % über hunderte bis tausende von Jahren nach der Überflutung. Diese Abweichung wurde konsistent an allen drei Untersuchungsstandorten in der Laptewsee-Region gefunden. (III) In den Temperaturrekonstruktionen wurden deutliche Unterschiede im lokalen Temperaturverlauf zwischen den Standorten in der westlichen Laptewsee und im Lena Delta festgestellt. Dazu gehörte ein Übergang zu wärmeren Temperaturen ein Jahrhundert später in der westlichen Laptewsee, sowie ein Maximum der Erwärmung drei Jahrzehnte später als im Lena Delta. Die lokale Permafrost-Oberflächentemperaturhistorie auf der Insel Sardakh im Lena Delta glich den zirkumarktischen mittleren Trends. Im Gegensatz dazu stimmte Mamontov Klyk in der westlichen Laptewsee nur im jüngsten Jahrzehnt mit den arktischen Trends überein und glich vielmehr dem mittleren Trend der Nordhemisphäre. Beide Standorte stimmten mit einer schnellen, synoptischen und kürzlichen Erwärmung überein. Abschließend lässt sich festhalten, dass auf Grund der Übereinstimmung zwischen modelliertem Verhalten, erwarteter Permafrostverteilung und Beobachtungsdaten die passiv-seismische Methode vielversprechend für die Dickebestimmung der ungefrorenen Sedimente im arktischen Meeresboden ist. Durch die hier quantifizierte Diskrepanz zwischen aktuell modellierter und beobachteter Auftautiefen wird klar, dass die Auswirkung der Degradation auf Klimaantrieb, Ökosysteme und Infrastruktur größer ist als dies von aktuellen Modellen vorhergesagt wird. Um diese Diskrepanz zu eliminieren, müssen weitere bisher unberücksichtigte Mechanismen der Salzeindringung und des Auftauens vor oder nach der Überflutung in zukünftigen Modellen mit einbezogen werden. Des weiteren folgt aus dieser Arbeit, dass Modellierungen des submarinen Permafrosts die hier identifizierten Schlüsselfaktoren und ihre regionalen Unterschiede berücksichtigen müssen, um ihre Aussagekraft sicher zu stellen. Die Permafrostbohrlöcher liefern bisher fehlende, auf kurzer Zeitskala gut-aufgelöste Temperaturinformationen in der arktischen Küstentundra. Da lokale Abweichungen von zirkumarktischen Rekonstruktionen in dieser Region nachgewiesen werden konnten, stellen die Ergebnisse eine Grundlage für lokale Temperaturverlaufs-Parametrisierungen in Klima- und insbesondere Permafrostmodellen zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen die Richtung für zukünftige Forschungs- und Modellierungsvorhaben und stellen einen wichtigen Schritt dar, um den Übergang von terrestrischem zu submarinem Permafrost zu verstehen. T2 - Submariner Permafrost in der Laptewsee KW - Subsea permafrost KW - Submarine permafrost KW - Inundation KW - Ambient noise KW - Passive seismic interferometry KW - H/V ratio KW - Coupled heat and mass transport KW - Salt transport KW - Diffusion KW - Temperature reconstruction KW - Borehole reconstruction KW - GST KW - Submariner Permafrost KW - Überflutung KW - seismisches Hintergrundrauschen KW - Passiv-seismische Interferometrie KW - H/V Verhältnis KW - Gekoppelter Wärme- und Massetransport KW - Salztransport KW - Diffusion KW - Temperaturerekonstruktion KW - Bohrloch-Rekonstruktion KW - GST Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Lefebvre, Marie G. T1 - Two stages of skarn formation - two tin enrichments T1 - Zwei Stufen der Skarn-Bildung - zwei Phasen der Zinnmobilisierung BT - the Hämmerlein polymetallic skarn deposit, western Erzgebirge, Germany BT - die polymetallische Skarnablagerung Hämmerlein, West Erzgebirge, Deutschland N2 - Skarn deposits are found on every continents and were formed at different times from Precambrian to Tertiary. Typically, the formation of a skarn is induced by a granitic intrusion in carbonates-rich sedimentary rocks. During contact metamorphism, fluids derived from the granite interact with the sedimentary host rocks, which results in the formation of calc-silicate minerals at the expense of carbonates. Those newly formed minerals generally develop in a metamorphic zoned aureole with garnet in the proximal and pyroxene in the distal zone. Ore elements contained in magmatic fluids are precipitated due to the change in fluid composition. The temperature decrease of the entire system, due to the cooling of magmatic fluids and the entering of meteoric water, allows retrogression of some prograde minerals. The Hämmerlein skarn deposit has a multi-stage history with a skarn formation during regional metamorphism and a retrogression of primary skarn minerals during the granitic intrusion. Tin was mobilized during both events. The 340 Ma old tin-bearing skarn minerals show that tin was present in sediments before the granite intrusion, and that the first Sn enrichment occurred during the skarn formation by regional metamorphism fluids. In a second step at ca. 320 Ma, tin-bearing fluids were produced with the intrusion of the Eibenstock granite. Tin, which has been added by the granite and remobilized from skarn calc-silicates, precipitated as cassiterite. Compared to clay or marl, the skarn is enriched in Sn, W, In, Zn, and Cu. These metals have been supplied during both regional metamorphism and granite emplacement. In addition, the several isotopic and chemical data of skarn samples show that the granite selectively added elements such as Sn, and that there was no visible granitic contribution to the sedimentary signature of the skarn The example of Hämmerlein shows that it is possible to form a tin-rich skarn without associated granite when tin has already been transported from tin-bearing sediments during regional metamorphism by aqueous metamorphic fluids. These skarns are economically not interesting if tin is only contained in the skarn minerals. Later alteration of the skarn (the heat and fluid source is not necessarily a granite), however, can lead to the formation of secondary cassiterite (SnO2), with which the skarn can become economically highly interesting. N2 - Skarn-Lagerstätten befinden sich auf allen Kontinenten und wurden zu unterschiedlichen Zeiten vom Präkambrium bis zum Tertiär gebildet. Typischerweise wird die Bildung eines Skarns durch die Intrusion eines Granits in karbonatreiche Sedimentgesteine induziert. Während der Kontaktmetamorphose reagieren die Fluide aus dem Granit mit dem sedimentären Wirtgestein, was zur Bildung von Kalksilikaten auf Kosten von Karbonaten führt. Diese neu gebildeten Minerale entwickeln sich im Allgemeinen in einer metamorph zonierten Aureole mit Granat im proximalen und Pyroxen im distalen Bereich. Erzelemente die in magmatischen Fluiden enthalten sind werden aufgrund der veränderten Fluidzusammensetzung ausgefällt. Die Temperaturabsenkung des gesamten Systems, hervorgerufen durch die Abkühlung von magmatischen Fluiden sowie durch das Eindringen meteorischen Wassers, führen zu teilweisen oder vollständigen Umwandlung prograder Minerale. Die Skarn-Lagerstätte Hämmerlein hat eine mehrstufige Geschichte mit Skarnsbildung während der regionalen Metamorphose und Retrogression der primären Skarn-Minerale während der Intrusion von Graniten. Zinn wurde während beiden Ereignissen mobilisiert. Die 340 Ma alten zinnhaltigen Skarnminerale zeigen, dass Zinn in Sedimenten bereits vor dem Graniteintrag vorhanden war, und dass die erste Sn-Anreicherung während der Bildung des Skarns durch Fluide der Regionalmetamorphose stattfand. In einem zweiten Schritt um 320 Ma wurden Zinn-haltige Fluide durch die Intrusion des Eibenstockgranits freigesetzt. Diese Fluide überprägten den Skarn. Das freisetzen und das neu zugefügte Zinn ist in Kassiterit gebunden und führten dem System zusätzliches Zinn zu, wobei Zinn aus den Skarn-Kalksilikaten remobilisiert wurde. Im Vergleich zu Tonstein oder Mergel sind die Skarn mit Sn, W, In, Zn, und Cu angereichet. Diese Metalle sind während der Regionalmetamorphose und der Granitplatznahme zu unterschiedlichen Teilen zugeführt worden. Darüber hinaus zeigen die verschiedenen isotopen und chemischen Daten der Skarn-Proben, dass der Granit selektiv einige Elemente wie Sn hinzugefügt, und dass es keinen sichtbar granitischen Beitrag zur sedimentären Signatur des Skarns gab. Das Beispiel Hämmerlein zeigt, dass es möglich ist einen zinnreichen Skarn ohne zugehörigen Granit zu bilden, wenn Zinn von zinnhaltigen Sedimenten während einer Regionalmetamorphose mit wässrigen metamorphen Fluiden transportiert worden ist. Diese Skarne sind wirtschaftlich uninterssant wenn das Zinn nur in den Skarn-Mineralen enthalten ist. Spätere Umwandlung des Skarns (die Quelle der Wärme und Fluiden ist nicht unbedingt ein Granit) kann jedoch zur Bildung von sekundärem Kassiterite (SnO2) führen, womit der Skarn plötzlich wirtschaftlich hoch interessant sein kann. KW - Hämmerlein KW - skarn KW - tin KW - ore deposit KW - geochronology KW - lithium KW - boron KW - Hämmerlein KW - Skarn KW - Zinn KW - Lagerstätte KW - Geochronologie KW - Lithium KW - Bor Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427178 ER - TY - THES A1 - Liu, Jiabo T1 - Dynamics of the geomagnetic field during the last glacial T1 - Dynamik des geomagnetischen Feldes während der letzten Eiszeit N2 - Geomagnetic paleosecular variations (PSVs) are an expression of geodynamo processes inside the Earth’s liquid outer core. These paleomagnetic time series provide insights into the properties of the Earth’s magnetic field, from normal behavior with a dominating dipolar geometry, over field crises, such as pronounced intensity lows and geomagnetic excursions with a distorted field geometry, to the complete reversal of the dominating dipole contribution. Particularly, long-term high-resolution and high-quality PSV time series are needed for properly reconstructing the higher frequency components in the spectrum of geomagnetic field variations and for a better understanding of the effects of smoothing during the recording of such paleomagnetic records by sedimentary archives. In this doctorate study, full vector paleomagnetic records were derived from 16 sediment cores recovered from the southeastern Black Sea. Age models are based on radiocarbon dating and correlations of warming/cooling cycles monitored by high-resolution X-ray fluorescence (XRF) elementary ratios as well as ice-rafted debris (IRD) in Black Sea sediments to the sequence of ‘Dansgaard-Oeschger’ (DO) events defined from Greenland ice core oxygen isotope stratigraphy. In order to identify the carriers of magnetization in Black Sea sediments, core MSM33-55-1 recovered from the southeast Black Sea was subjected to detailed rock magnetic and electron microscopy investigations. The younger part of core MSM33-55-1 was continuously deposited since 41 ka. Before 17.5 ka, the magnetic minerals were dominated by a mixture of greigite (Fe3S4) and titanomagnetite (Fe3-xTixO4) in samples with SIRM/κLF >10 kAm-1, or exclusively by titanomagnetite in samples with SIRM/κLF ≤10 kAm-1. It was found that greigite is generally present as crustal aggregates in locally reducing micro-environments. From 17.5 ka to 8.3 ka, the dominant magnetic mineral in this transition phase was changing from greigite (17.5 – ~10.0 ka) to probably silicate-hosted titanomagnetite (~10.0 – 8.3 ka). After 8.3 ka, the anoxic Black Sea was a favorable environment for the formation of non-magnetic pyrite (FeS2) framboids. Aiming to avoid compromising of paleomagnetic data by erroneous directions carried by greigite, paleomagnetic data from samples with SIRM/κLF >10 kAm-1, shown to contain greigite by various methods, were removed from obtained records. Consequently, full vector paleomagnetic records, comprising directional data and relative paleointensity (rPI), were derived only from samples with SIRM/κLF ≤10 kAm-1 from 16 Black Sea sediment cores. The obtained data sets were used to create a stack covering the time window between 68.9 and 14.5 ka with temporal resolution between 40 and 100 years, depending on sedimentation rates. At 64.5 ka, according to obtained results from Black Sea sediments, the second deepest minimum in relative paleointensity during the past 69 ka occurred. The field minimum during MIS 4 is associated with large declination swings beginning about 3 ka before the minimum. While a swing to 50°E is associated with steep inclinations (50-60°) according to the coring site at 42°N, the subsequent declination swing to 30°W is associated with shallow inclinations of down to 40°. Nevertheless, these large deviations from the direction of a geocentric axial dipole field (I=61°, D=0°) still can not yet be termed as 'excursional', since latitudes of corresponding VGPs only reach down to 51.5°N (120°E) and 61.5°N (75°W), respectively. However, these VGP positions at opposite sides of the globe are linked with VGP drift rates of up to 0.2° per year in between. These extreme secular variations might be the mid-latitude expression of the Norwegian–Greenland Sea excursion found at several sites much further North in Arctic marine sediments between 69°N and 81°N. At about 34.5 ka, the Mono Lake excursion is evidenced in the stacked Black Sea PSV record by both a rPI minimum and directional shifts. Associated VGPs from stacked Black Sea data migrated from Alaska, via central Asia and the Tibetan Plateau, to Greenland, performing a clockwise loop. This agrees with data recorded in the Wilson Creek Formation, USA., and Arctic sediment core PS2644-5 from the Iceland Sea, suggesting a dominant dipole field. On the other hand, the Auckland lava flows, New Zealand, the Summer Lake, USA., and Arctic sediment core from ODP Site-919 yield distinct VGPs located in the central Pacific Ocean due to a presumably non-dipole (multi-pole) field configuration. A directional anomaly at 18.5 ka, associated with pronounced swings in inclination and declination, as well as a low in rPI, is probably contemporaneous with the Hilina Pali excursion, originally reported from Hawaiian lava flows. However, virtual geomagnetic poles (VGPs) calculated from Black Sea sediments are not located at latitudes lower than 60° N, which denotes normal, though pronounced secular variations. During the postulated Hilina Pali excursion, the VGPs calculated from Black Sea data migrated clockwise only along the coasts of the Arctic Ocean from NE Canada (20.0 ka), via Alaska (18.6 ka) and NE Siberia (18.0 ka) to Svalbard (17.0 ka), then looping clockwise through the Eastern Arctic Ocean. In addition to the Mono Lake and the Norwegian–Greenland Sea excursions, the Laschamp excursion was evidenced in the Black Sea PSV record with the lowest paleointensities at about 41.6 ka and a short-term (~500 years) full reversal centered at 41 ka. These excursions are further evidenced by an abnormal PSV index, though only the Laschamp and the Mono Lake excursions exhibit excursional VGP positions. The stacked Black Sea paleomagnetic record was also converted into one component parallel to the direction expected from a geocentric axial dipole (GAD) and two components perpendicular to it, representing only non-GAD components of the geomagnetic field. The Laschamp and the Norwegian–Greenland Sea excursions are characterized by extremely low GAD components, while the Mono Lake excursion is marked by large non-GAD contributions. Notably, negative values of the GAD component, indicating a fully reversed geomagnetic field, are observed only during the Laschamp excursion. In summary, this doctoral thesis reconstructed high-resolution and high-fidelity PSV records from SE Black Sea sediments. The obtained record comprises three geomagnetic excursions, the Norwegian–Greenland Sea excursion, the Laschamp excursion, and the Mono Lake excursion. They are characterized by abnormal secular variations of different amplitudes centered at about 64.5 ka, 41.0 ka and 34.5 ka, respectively. In addition, the obtained PSV record from the Black Sea do not provide evidence for the postulated 'Hilina Pali excursion' at about 18.5 ka. Anyway, the obtained Black Sea paleomagnetic record, covering field fluctuations from normal secular variations, over excursions, to a short but full reversal, points to a geomagnetic field characterized by a large dynamic range in intensity and a highly variable superposition of dipole and non-dipole contributions from the geodynamo during the past 68.9 to 14.5 ka. N2 - Die geomagnetischen Paläosäkularvarionen sind ein Ausdruck dynamischer Konvektionsprozesse im flüssigen äußeren Erdkern als Quelle des Erdmagnetfeldes, dem Geodynamo. Paläomagnetischen Zeitserien erlauben daher Rückschlüsse auf die veränderlichen Eigenschaften des Erdmagnetfeldes in Raum und Zeit, von stabilen Zuständen mit relativ hoher Feldstärke und dominierender Dipolgeometrie, bei der die magnetischen Pole nur in hohen Breiten migireren, über Feldkrisen wie Intensitätsminima und geomagnetischen Exkursionen mit komplexeren Geomentrien, bishin zur vollständigen und dauerhaften Umpolung des Dipolhauptfeldes. Eine geomagnetische Exkursion, als Extremfall der Paläosekularvariationen, ist charakterisiert durch kurzfristige (<104 Jahre) Abweichungen der paläomagnetischen Richtungen von der Richtung, die ein geozentrischer axialer Dipol produziert. Die aus paläognetisch bestimmten Richtungen abgeleiteten Positionen des virtuellen geomagnetischen (Nord-) Pols (VGP) liegen dabei per Definition südlich von 45°N. Für diese Doktoarbeit wurden sechzehn Sedimentkerne aus dem Schwarzen Meer herangezogen, um das Verhalten des Erdmagnetfeldes der letzten 70 ka zu untersuchen. Die dabei rekonstruierten Feldvariationen umfassen drei geomagnetische Exkursionen: die 'Norwegian-Greenland Sea excursion' (64.5 ka), die 'Laschamps excursion' (41.0 ka), sowie die 'Mono Lake excursion' (34.5 ka). Alle drei Ereignisse sind mit ausgeprägten Minima in der Feldintensität verbunden. Insbesondere während der 'Laschamps excursion', kam es zu einer kurzfristigen (0.5 ka) aber vollständigen Umpolung, während für die 'Mono Lake excursion' nur ein stark verzerrtes Dipolfeld anzunehmen ist. Die in der Literatur postulierte 'Hilina Pali excursion' (18.5 ka) konnte trotz in diesem Zeitraum zeitlich hochaufgelöster Datenreihen aus dem Schwarzen Meer nicht verifiziert werden. Für sie konnte, ähnlich wie für die 'Norwegian Greenland Sea excursion', lediglich stärker ausgeprägte, zum Teil zeitlich beschleunigte Änderungen in Inklination und Deklination der Magnetfeldrichtung nachgewiesen werden. KW - paleomagnetism KW - geomagnetic excursions KW - paleosecular variations KW - Black Sea KW - Paläomagnetik KW - geomagnetische Exkursionen KW - Paläosekularvariation KW - Schwarzes Meer Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429461 ER - TY - THES A1 - Pohlenz, Julia T1 - Structural insights into sodium-rich silicate - carbonate glasses and melts T1 - Strukturelle Eigenschaften von natriumreichen silikatisch-karbonatischen Gläsern und Schmelzen mittels in-situ XAFS an Spurenelementen und Molekular Dynamik BT - a combined study of trace element in-situ XAFS and Molecular Dynamics N2 - Carbonate-rich silicate and carbonate melts play a crucial role in deep Earth magmatic processes and their melt structure is a key parameter, as it controls physical and chemical properties. Carbonate-rich melts can be strongly enriched in geochemically important trace elements. The structural incorporation mechanisms of these elements are difficult to study because such melts generally cannot be quenched to glasses, which are usually employed for structural investigations. This thesis investigates the influence of CO2 on the local environments of trace elements contained in silicate glasses with variable CO2 concentrations as well as in silicate and carbonate melts. The compositions studied include sodium-rich peralkaline silicate melts and glasses and carbonate melts similar to those occurring naturally at Oldoinyo Lengai volcano, Tanzania. The local environments of the three elements yttrium (Y), lanthanum (La) and strontium (Sr) were investigated in synthesized glasses and melts using X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy. Especially extended X-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS) provides element specific information on local structure, such as bond lengths, coordination numbers and the degree of disorder. To cope with the enhanced structural disorder present in glasses and melts, EXAFS analysis was based on fitting approaches using an asymmetric distribution function as well as a correlation model according to bond valence theory. Firstly, silicate glasses quenched from high pressure/temperature melts with up to 7.6 wt % CO2 were investigated. In strongly and extremely peralkaline glasses the local structure of Y is unaffected by the CO2 content (with oxygen bond lengths of ~ 2.29 Å). Contrary, the bond lengths for Sr-O and La-O increase with increasing CO2 content in the strongly peralkaline glasses from ~ 2.53 to ~ 2.57 Å and from ~ 2.52 to ~ 2.54 Å, respectively, while they remain constant in extremely peralkaline glasses (at ~ 2.55 Å and 2.54 Å, respectively). Furthermore, silicate and unquenchable carbonate melts were investigated in-situ at high pressure/temperature conditions (2.2 to 2.6 GPa, 1200 to 1500 °C) using a Paris-Edinburgh press. A novel design of the pressure medium assembly for this press was developed, which features increased mechanical stability as well as enhanced transmittance at relevant energies to allow for low content element EXAFS in transmission. Compared to glasses the bond lengths of Y-O, La-O and Sr-O are elongated by up to + 3 % in the melt and exhibit higher asymmetric pair distributions. For all investigated silicate melt compositions Y-O bond lengths were found constant at ~ 2.37 Å, while in the carbonate melt the Y-O length increases slightly to 2.41 Å. The La-O bond lengths in turn, increase systematically over the whole silicate – carbonate melt joint from 2.55 to 2.60 Å. Sr-O bond lengths in melts increase from ~ 2.60 to 2.64 Å from pure silicate to silicate-bearing carbonate composition with constant elevated bond length within the carbonate region. For comparison and deeper insight, glass and melt structures of Y and Sr bearing sodium-rich silicate to carbonate compositions were simulated in an explorative ab initio molecular dynamics (MD) study. The simulations confirm observed patterns of CO2-dependent local changes around Y and Sr and additionally provide further insights into detailed incorporation mechanisms of the trace elements and CO2. Principle findings include that in sodium-rich silicate compositions carbon either is mainly incorporated as a free carbonate-group or shares one oxygen with a network former (Si or [4]Al) to form a non-bridging carbonate. Of minor importance are bridging carbonates between two network formers. Here, a clear preference for two [4]Al as adjacent network formers occurs, compared to what a statistical distribution would suggest. In C-bearing silicate melts minor amounts of molecular CO2 are present, which is almost totally dissolved as carbonate in the quenched glasses. The combination of experiment and simulation provides extraordinary insights into glass and melt structures. The new data is interpreted on the basis of bond valence theory and is used to deduce potential mechanisms for structural incorporation of investigated elements, which allow for prediction on their partitioning behavior in natural melts. Furthermore, it provides unique insights into the dissolution mechanisms of CO2 in silicate melts and into the carbonate melt structure. For the latter, a structural model is suggested, which is based on planar CO3-groups linking 7- to 9-fold cation polyhedra, in accordance to structural units as found in the Na-Ca carbonate nyerereite. Ultimately, the outcome of this study contributes to rationalize the unique physical properties and geological phenomena related to carbonated silicate-carbonate melts. N2 - Karbonatische und karbonatreiche silikatische Schmelzen spielen eine entscheidende Rolle in den magmatischen Prozessen der Erde. Die interne Schmelzstruktur bestimmt dabei maßgeblich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Karbonatreiche Schmelzen können sehr stark mit geochemisch wichtigen Spurenelementen angereichert sein. Die strukturellen Einbaumechanismen sind jedoch kaum verstanden, da diese Schmelzen nicht zu homogenen Gläsern abgeschreckt werden können, welche üblicherweise für strukturelle Untersuchungen genutzt werden. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Einfluss von CO2 auf die lokale Umgebung von ausgewählten Spurenelementen in karbonathaltigen silikatischen Gläsern sowie silikatisch bis karbonatischen Schmelzen. Untersucht werden natriumreiche, stark bis extrem peralkaline silikatische und karbonatische Zusammensetzungen, wie sie vom Vulkan Oldoinyo Lengai, Tansania, bekannt sind. Zum einen werden die lokale Umgebungen von Yttrium (Y), Lanthan (La) und Strontium (Sr) in synthetisierten Gläsern und Schmelzen mit Röntgen-Absorption-Feinstruktur-Spektroskopie (engl. X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy) untersucht. Insbesondere extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy liefert elementspezifisch strukturelle Informationen über Bindungslängen, Koordinationszahlen und Ordnungsgrad. Dem hohen Grad struktureller Unordnung in Gläsern und Schmelzen wird in den vorliegenden EXAFS-Analysen mit der Verwendung einer asymmetrischen Verteilungsfunktion und eines Korrelationsmodells, basierend auf der Bindungsvalenztheorie, Rechnung getragen. Für silikatische Gläser mit steigendem CO2-Gehalt zwischen 0 und bis zu 7,6 Gew.-% ist festzustellen: (1) Konstante Bindungslängen für Sr-O (~ 2,55 Å) und La-O (~ 2,54 Å) in extrem peralkaliner Zusammensetzung, sowie für Y-O (~ 2,29 Å) in stark und extrem peralkaliner Zusammensetzung. (2) Zunehmende Bindungslängen für Sr-O (~ von 2,53 auf 2,57 Å) und La-O in stark peralkaliner Zusammensetzung (~ von 2,52 auf 2,54 Å). Weiterhin werden silikatische sowie nicht-abschreckbare karbonatische Schmelzen in-situ unter hohem Druck und hoher Temperatur (2,2 bis 2,6 GPa, 1200 bis 1500 °C, untersucht in einer Paris-Edinburgh-Presse) analysiert. Ein neu entwickelter Aufbau des Druckübertragungsmediums garantiert eine hohe mechanische Festigkeit und ermöglicht aufgrund hervorragender Transmissivität im relevanten Energiebereich Transmissions-EXAFS an niedrigkonzentrierten Elementen. Im Vergleich zu den Gläsern zeigen die Schmelzen generell ~ 3 % höhere Y-O-, La-O-, und Sr-O-Bindungslängen und eine erhöhte Asymmetrie in der Paarverteilung. In silikatischen Schmelzen sind Y-O-Bindungslängen konstant (~ 2,37 Å), wohingegen sie in karbonatischen Schmelzen zunehmen (bis zu 2,41 Å). La-O-Abstände vergrößern sich systematisch von silikatischen zu karbonatischen Schmelzen (von 2,55 auf 2,60 Å). Sr-O-Abstände steigen von 2,60 auf 2,64 Å in silikatischen Zusammensetzungen mit steigendem CO2-Gehalt und sind für alle karbonatischen Zusammensetzungen konstant. Zum Vergleich und besserem Verständnis wurden Y- und Sr-haltige, silikatische und karbonatische Glas- und Schmelzstrukturen in einer explorativen ab-initio Molekular Dynamik (MD) Studie simuliert. Die MD-Studie bestätigt die CO2-abhängigen lokalen Veränderungen um Y und Sr und liefert zusätzliche Einblicke in silikatische und karbonatische Glas- und Schmelzstrukturen. In natriumreicher silikatischer Zusammensetzung wird CO2 hauptsächlich als freie Karbonatgruppe eingebaut oder teilt sich als nicht-brückenbildendes Karbonat genau ein Sauerstoffatom mit einem Netzwerkbildner (Si oder [4]Al). Seltener tritt es als brückenbildendes Karbonat zwischen zwei Netzwerkbildnern auf; dabei allerdings mit einer gegenüber der statistischen Verteilung deutlich erhöhten Präferenz für zwei [4]Al als anliegende Netzwerkbildner. C-haltige Schmelzen weisen geringe Mengen an molekularem CO2 auf, welches in den abgeschreckten Gläsern fast vollständig als Karbonat gelöst ist. Die Kombination aus Experiment und Simulation gewährt außerordentliche Einblicke in nur schwierig zu untersuchende Glas- und Schmelzstrukturen. Die gewonnenen Daten werden auf Grundlage der Bindungsvalenztheorie gedeutet und hinsichtlich potentieller Mechanismen des strukturellen Spurenelementeinbaus sowie dem daraus ableitbaren Fraktionierungsverhalten in natürlichen Schmelzen diskutiert. Neue Erkenntnisse über den strukturellen CO2-Einbau werden genutzt, um ein Strukturmodell für karbonatische Schmelzen abzuleiten. Dieses basiert auf der Verknüpfung von 7- bis 9-fach koordinierten Kationenpolyedern durch die planaren Karbonat-Gruppen, ähnlich wie es im Na-Ca-Karbonat Nyerereite zu beobachten ist. Letztendlich leisten die Erkenntnisse der Arbeit somit ihren Beitrag, das Verständnis um die einzigartigen physikalischen Eigenschaften und geologischen Phänomene dieser Schmelzen zu vertiefen. KW - glass structure KW - melt structure KW - X-ray absorption spectroscopy KW - Glasstruktur KW - Schmelzstruktur KW - Röntgenabsorptionsspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423826 ER - TY - THES A1 - Hoffmann, Mathias T1 - Improving measurement and modelling approaches of the closed chamber method to better assess dynamics and drivers of carbon based greenhouse gas emissions N2 - The trace gases CO2 and CH4 pertain to the most relevant greenhouse gases and are important exchange fluxes of the global carbon (C) cycle. Their atmospheric quantity increased significantly as a result of the intensification of anthropogenic activities, such as especially land-use and land-use change, since the mid of the 18th century. To mitigate global climate change and ensure food security, land-use systems need to be developed, which favor reduced trace gas emissions and a sustainable soil carbon management. This requires the accurate and precise quantification of the influence of land-use and land-use change on CO2 and CH4 emissions. A common method to determine the trace gas dynamics and C sink or source function of a particular ecosystem is the closed chamber method. This method is often used assuming that accuracy and precision are high enough to determine differences in C gas emissions for e.g., treatment comparisons or different ecosystem components. However, the broad range of different chamber designs, related operational procedures and data-processing strategies which are described in the scientific literature contribute to the overall uncertainty of closed chamber-based emission estimates. Hence, the outcomes of meta-analyses are limited, since these methodical differences hamper the comparability between studies. Thus, a standardization of closed chamber data acquisition and processing is much-needed. Within this thesis, a set of case studies were performed to: (I) develop standardized routines for an unbiased data acquisition and processing, with the aim of providing traceable, reproducible and comparable closed chamber based C emission estimates; (II) validate those routines by comparing C emissions derived using closed chambers with independent C emission estimates; and (III) reveal processes driving the spatio-temporal dynamics of C emissions by developing (data processing based) flux separation approaches. The case studies showed: (I) the importance to test chamber designs under field conditions for an appropriate sealing integrity and to ensure an unbiased flux measurement. Compared to the sealing integrity, the use of a pressure vent and fan was of minor importance, affecting mainly measurement precision; (II) that the developed standardized data processing routines proved to be a powerful and flexible tool to estimate C gas emissions and that this tool can be successfully applied on a broad range of flux data sets from very different ecosystem; (III) that automatic chamber measurements display temporal dynamics of CO2 and CH4 fluxes very well and most importantly, that they accurately detect small-scale spatial differences in the development of soil C when validated against repeated soil inventories; and (IV) that a simple algorithm to separate CH4 fluxes into ebullition and diffusion improves the identification of environmental drivers, which allows for an accurate gap-filling of measured CH4 fluxes. Overall, the proposed standardized data acquisition and processing routines strongly improved the detection accuracy and precision of source/sink patterns of gaseous C emissions. Hence, future studies, which consider the recommended improvements, will deliver valuable new data and insights to broaden our understanding of spatio-temporal C gas dynamics, their particular environmental drivers and underlying processes. N2 - Die Spurengase CO2 und CH4 gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Treibhausgasen und sind zugleich wichtige Austauschflüsse im globalen Kohlenstoff-(C)-Kreislauf. Als Ergebnis zunehmender anthropogener Aktivitäten insbesondere auch im Bereich der Landnutzung und des Landnutzungswandel stiegen seit Mitte des 18 Jahrhunderts die atmosphärischen CO2 und CH4 Konzentrationen deutlich an. Um die zu erwartenden Auswirkungen des globalen Klimawandels abzuschwächen aber auch um die weltweite Ernährungssicherheit zu gewährleisten, bedarf es der Entwicklung neuer Landnutzungssysteme welche sich durch verminderte Treibhausgasemissionen und ein nachhaltiges Management der Bodenkohlenstoffvorrate auszeichnen. Dies erfordert die akkurate und präzise Quantifizierung des Einflusses von Landnutzung und Landnutzungswandel auf die CO2 und CH4 Emissionen. Eine gängige Methode zur Bestimmung von Spurengasemissionen und darauf aufbauend der C Senken bzw. Quellenfunktion verschiedenster Ökosysteme stellen Haubenmessungen dar. Unterschiedliche Haubendesigns, Messprozeduren und Strategien bei der Datenaufbereitung führen jedoch mitunter zu erheblichen Unsicherheiten bei den gemessenen C Emissionen. Dies kann die Aussagekraft von Metastudien maßgeblich beeinträchtigen, da die Vergleichbarkeit mittels geschlossener Hauben durchgeführter Untersuchungen nicht gewährleistet werden kann. Daher ist eine Standardisierung der Erfassung und Auswertung von Haubenmessungen dringend erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb eine Reihe von Fallstudien durchgeführt um: (I) standardisierte Routinen zu entwickeln welche eine fehlerfreiere Datenerfassung und Bearbeitung von Haubenmessungen erlauben und so nachvollziehbare, reproduzierbare und vergleichbare C Emissionen liefern; (II) erarbeitete Routinen zu validieren indem auf geschlossenen Haubenmessungen basierende C Emissionen mit unabhängigen Daten verglichen werden; und (III) mittels entwickelter Separationsverfahren Teilflüsse präzise zu quantifizieren um Beziehungen zwischen CO2 und CH4 Flüssen und ihren Treibern besser analysieren zu können. Die durchgeführten Fallstudien zeigen: (I) die Notwendigkeit eingesetzte Hauben unter möglichst realistischen (Feld)-Bedingungen hinsichtlich ihrer Dichtigkeit (insbesondere an der Abdichtung zwischen Rahmen und Haube) zu überprüfen, da nur so fehlerfreie Messungen sichergestellt werden können; (II) das die entwickelten Routinen zur standardisierten Datenbearbeitung ein geeignetes flexibles Werkzeug darstellen um eine verlässliche Abschatzung gasförmige C Emissionen vorzunehmen; (III) das die zeitliche Dynamik von CO2 und CH4 Flüssen sowie kleinräumige Unterschiede in der Entwicklung von Bodenkohlenstoffvorraten gut mittels automatischer Haubenmesssysteme erfasst werden können (Validierung der Ergebnisse mittels wiederholter Bodeninventarisierung); und (IV) das ein einfacher Algorithmus zur Separation von CH4 in seine Flusskompartimente (blasenförmiger Massenfluss vs. Diffusion) die Identifizierung von Treibern verbessert und so ein akkurateres Füllen von Messlücken ermöglicht. Die in der Arbeit vorgestellten Routinen zur standardisierten Datenerfassung und Bearbeitung finden gegenwärtig national wie international Anwendung und helfen somit bei der Generierung vergleichbarer, akkurater und präziser Abschätzungen von standort-/ökosystemspezifischen C Emissionen. N2 - Следовые газы CO2 и CH4 относятся к наиболее значимым парниковым газам и являются важнейшими компонентами глобального углеродного (С) цикла. С середины XVIII столетия их атмосферная концентрация значительно увеличилась, в результате возросшей антропогенной деятельности, в особенности за счет такой сферы как землепользование и изменение землепользования. С целью смягчения последствий глобального изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности, необходима разработка систем землепользования, которые будет способствовать сокращению эмиссии следовых газов и обеспечат устойчивое управление углеродными запасами почв. В свою очередь, это требует проведения аккуратной и точной количественной оценки воздействия землепользования и изменения землепользования на эмиссии CO2 и CH4. Стандартным способом для оценки динамики следовых газов и определения функции накопления или потери углерода экосистемой является метод закрытых камер. Данный метод часто используется с учетом предположения, что аккуратность и точность полученных результатов достаточно высоки, чтобы оценить разность между потоками углеродсодержащих газов. Например, при сравнении способов воздействия на экосистему либо для оценки углеродных потоков от ее компонентов. В научной литературе описано множество различных вариантов конструкций закрытых камер, связанных с ними операционных процедур и стратегий обработки данных. Это широкое разнообразие вносит свой вклад в общую неопределенность при оценке эмиссии парниковых газов методом закрытых камер. В результате, полученные на основе мета-анализа выводы обладают определенными ограничениями, т.к. методологические различия между разными исследованиями затрудняют сравнение их результатов. В связи с этим, необходимо проведение стандартизации сбора и обработки данных для методики закрытых камер. В рамках данных тезисов, был выполнен ряд тематических исследований с целью:(1) разработать для методики закрытых камер стандартизированные процедуры несмещенного сбора и обработки данных, которые позволят получить явно отслеживаемые, воспроизводимые и сопоставимые оценки углеродных потоков; (2) провести валидацию этих процедур, путем сравнения оценок потоков углерода, полученных методом закрытых камер с результатами оценки других независимых методов; (3) разработать, на основе анализа данных, способы для разделения углеродных потоков и установить процессы, регулирующие их пространственно-временную динамику. Результаты тематических исследований показали: (1) Важно проводить испытания конструкции камер на герметичность в полевых условиях и удостовериться, что измерения потоков углерода несмещенные. В сравнении с влиянием герметичности камеры, использование клапанов для выравнивания давления и вентиляторов имело несущественное значение и влияло только на точность измерений; (2) Было подтверждено, что разработанные стандартизированные методы обработки данных являются мощным и гибким инструментом оценки эмиссии углерода. На сегодняшний день эти методы успешно применяются на широком спектре разнообразных наборов данных углеродных потоков для различных типов экосистем; (3) Измерения, выполненные автоматическими закрытыми камерами, отчетливо демонстрируют временную динамику потоков CO2 и CH4 и, что наиболее важно, они хорошо выявляют мелкомасштабные пространственные различия в накоплении почвенного углерода, что было подтверждено с помощью повторяемой инвентаризации почвенных запасов углерода; (4) Простой алгоритм разделения эмиссии CH4 на потоки выбросов в виде диффузии газа и выделения в виде пузырей улучшает идентификацию экологических факторов, которые их регулируют, что позволяет более точно оценить эмиссии CH4 в периоды между измерениями. В целом предложенные стандартизированные методы сбора и обработки данных значительно увеличивают точность моделей выделения-поглощения газообразных углеродных эмиссий. Таким образом, будущие исследования, проведенные с учетом рекомендуемых усовершенствований, позволят получить новые ценные данные и гипотезы для расширения нашего понимания пространственно-временной динамики потоков углеродсодержащих газов, экологических факторов их регулирования и лежащих в их основе процессов. N2 - Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) font partie des gaz à effet de serre les plus importants et sont également des éléments majeurs du cycle global du carbone. Depuis le milieu du XVIIIe siècle, leur quantité dans l’atmosphère a considérablement augmenté en raison de l'intensification des activités anthropiques, notamment l'exploitation des terres et la modification de l'utilisation de ces dernières. Afin d’atténuer les effets du changement climatique et d’assurer la sécurité alimentaire, il faut mettre au point des systèmes d’utilisation des terres qui favorisent la réduction des émissions de gaz à effet de serre ainsi qu’une gestion durable des stocks de carbone dans les sols. Cela exige une quantification exacte et précise de l'influence de l'utilisation des terres et de la modification de l'utilisation des sols sur les émissions de CO2 et de CH4. La méthode à chambre fermée est une méthode courante pour déterminer l’évolution des gaz présents à faible concentration atmosphérique et du puits de carbone, ou pour analyser la fonction primaire d'un écosystème singulier. Cette méthode est souvent utilisée en supposant que l’exactitude et la précision sont suffisamment élevées pour déterminer les différences dans les émissions de gaz à effet de serre, par exemple pour comparer les traitements ou les différentes composantes de l’écosystème. Toutefois, la vaste gamme de conceptions de chambres différentes, les procédures de mesure et les stratégies de traitement des données décrites dans la documentation scientifique contribuent à l’incertitude générale quant à l’analyse des émissions récoltées en chambre fermée. Par conséquent, les résultats des méta-analyses sont limités, car ces différences méthodologiques entravent la comparabilité des études. La standardisation de l’acquisition et du traitement des données en chambre fermée est donc indispensable. Dans le cadre de cette thèse, une série d'études de cas ont été réalisées pour: (I) élaborer des routines standardisées pour l'acquisition et le traitement de données impartiales, dans le but de fournir des estimations des émissions de carbone en chambre fermée traçables, reproductibles et comparables; (II) valider ces routines en comparant les émissions de carbone obtenues par la méthode des chambres fermées avec des estimations indépendantes des émissions de carbone; et (III) révéler les processus qui déterminent la dynamique spatio-temporelle des émissions de carbone en développant un processus de traitement de données basé sur l’approche de la séparation des flux. Les études de cas montrent: (I) l'importance de tester la conception des chambres dans des conditions de terrain pour une étanchéité appropriée et pour assurer une mesure impartiale des flux. Comparé à l'intégrité de l'étanchéité, l'utilisation d'une soupape de compensation de pression et d'un ventilateur était d'une importance mineure, affectant principalement la précision des mesures; (II) que les routines de traitement des données standardisées développées se sont avérées être un outil puissant et flexible pour estimer les émissions de carbone. L'outil est maintenant appliqué avec succès sur un large éventail de séries de données de flux provenant d'écosystèmes très différents; (III) que les mesures faites à l’aide de chambres automatiques montrent très bien la dynamique temporelle des flux CO2 et de CH4 et, surtout, qu'elles détectent avec précision les différences spatiales à petite échelle dans le développement des réserves de carbone dans le sol lorsqu'elles sont validées par des inventaires périodiques du sol; et (IV) qu’un algorithme simple pour séparer les flux de CH4 en ébullition et en diffusion améliore l'identification de facteurs environnementaux, ce qui permet de combler avec précision les données manquantes des flux de CH4 mesurés. Dans l'ensemble, les routines standardisées proposées pour l'acquisition et le traitement des données ont grandement amélioré l'exactitude de la détection des profils source/évier des émissions de carbone gazeux. Par conséquent, les études futures, qui tiennent compte des améliorations recommandées, fourniront de nouvelles données et de nouvelles perspectives précieuses pour élargir notre compréhension de la dynamique spatio-temporelle du gaz carbone, de ses moteurs environnementaux spécifiques et des processus sous-jacents. N2 - Los gases traza CO2 y CH4 pertenecen a los gases de efecto invernadero más importantes del ciclo global del carbono (C). Su concentración en la atmósfera se ha incrementado significativamente desde mediados del siglo XVIII como resultado de la intensificación de las actividades antropogénicas, como el uso del suelo y el cambio en los usos de la tierra. Para mitigar el cambio climático global y garantizar la seguridad alimentaria es necesario desarrollar sistemas de uso del suelo que favorezcan la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y una gestión sostenible del carbono en el suelo. Esto requiere un cálculo exacto y preciso de la influencia del uso del suelo y de los cambios en el uso del suelo en las emisiones de CO2 y CH4. Un método común para determinar las dinámicas del gas traza y la función de fuente o sumidero de C de un ecosistema es el método de las cámaras cerradas. Este método se utiliza comúnmente asumiendo que la exactitud y precisión son lo suficientemente elevadas para determinar las diferencias en la emisiones de gases C, por ejemplo, comparaciones de tratamientos o de los diferentes componentes del ecosistema. Sin embargo, la amplia gama de diseños de cámaras, los procedimientos operativos relacionados y las estrategias de procesamiento de datos descritas en la literatura científica contribuyen a la incertidumbre general de las estimaciones de emisiones basadas en cámaras cerradas. Además, los resultados de los metanálisis son limitados, ya que estas diferencias metodológicas dificultan la comparabilidad entre los estudios. Por lo tanto, la estandarización en la obtención y procesamiento de datos en el método de la cámara cerrada es muy necesaria. En esta tesis se desarrollan un conjunto de casos de estudio para: (I) Desarrollar rutinas estandarizadas para una obtención y procesamiento de datos imparcial, con el objetivo de proporcionar estimaciones de emisiones de C basadas en cámaras cerradas trazables, reproducibles y comparables; (II) Validar esas rutinas comparando las emisiones de C derivadas del método de las cámaras cerradas con estimaciones independientes de emisiones de C; y (III) revelar procesos que impulsan la dinámica espacio temporal de las emisiones de C, a través del desarrollo de un proceso de tratamiento de datos basado en el enfoque de la separación de flujos. Los casos de estudio muestran: (I) La importancia de someter a prueba el diseño de las cámaras a las condiciones de campo para una apropiada integridad del sellado y para garantizar una medición de flujo imparcial. Comparado con la integridad del sellado, el uso de la ventilación a presión y del ventilador resultó de menor importancia, afectando principalmente a la precisión de las mediciones. (II) que las rutinas estandarizadas desarrolladas para el procesamiento de datos demostraron ser una herramienta poderosa y flexible para estimar las emisiones de gases de C. La herramienta ahora se aplica con éxito en una amplia gama de conjuntos de datos de flujo de ecosistemas muy diferentes; (III) que las mediciones con cámaras automáticas muestran claramente la dinámica temporal de las emisiones de CO2 y lo más importante, que detectan con precisión diferencias espaciales a pequeña escala en el desarrollo del C en el suelo cuando se validan con inventarios periódicos del suelo ; y (IV) que un simple algoritmo para separar flujos de CH4 entre ebullición y difusión mejora la identificación de los impulsores ambientales, lo cual permite un procedimiento más exacto para el relleno del vacío de datos de las mediciones de los flujos de CH4. En términos generales puede decirse que los algoritmos de obtención y procesamiento de datos estandarizados propuestos mejoraron en gran medida la precisión de detección de los patrones fuente / sumidero de emisiones de C gaseoso. Por lo tanto, los futuros estudios, que consideren las mejoras recomendadas, ofrecerán nuevos datos y conocimientos útiles para ampliar nuestra comprensión de la dinámica espacio-temporal del C de los gases, sus impulsores ambientales específicos y los procesos subyacentes. T2 - Verbesserung von Mess- und Modellierungsansätzen der geschlossenen Haubenmessmethode zur besseren Erfassung von raumzeitlichen Veränderungen und potentiellen Treibern kohlenstoffbasierter Treibhausgasemissionen KW - greenhouse gases KW - closed chamber method KW - carbon dioxide KW - methane KW - Kohlenstoffdioxid KW - geschlossene Haubenmessmethode KW - Treibhausgase KW - Methan Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421302 ER - TY - THES A1 - Fuchs, Matthias T1 - Soil organic carbon and nitrogen pools in thermokarst-affected permafrost terrain Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Zapata, Sebastian Henao T1 - Paleozoic to Pliocene evolution of the Andean retroarc between 26 and 28°S: interactions between tectonics, climate, and upper plate architecture T1 - Paläozoische bis pliozäne Entwicklung des andinen Randbeckens zwischen 26 und 28° Süd: Interaktion von Tektonik, Klima und Architektur der kontinentalen Kruste BT - interactions between tectonics, climate, and upper plate architecture N2 - Interactions and feedbacks between tectonics, climate, and upper plate architecture control basin geometry, relief, and depositional systems. The Andes is part of a longlived continental margin characterized by multiple tectonic cycles which have strongly modified the Andean upper plate architecture. In the Andean retroarc, spatiotemporal variations in the structure of the upper plate and tectonic regimes have resulted in marked along-strike variations in basin geometry, stratigraphy, deformational style, and mountain belt morphology. These along-strike variations include high-elevation plateaus (Altiplano and Puna) associated with a thin-skin fold-and-thrust-belt and thick-skin deformation in broken foreland basins such as the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas. At the confluence of the Puna Plateau, the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas, major along-strike changes in upper plate architecture, mountain belt morphology, basement exhumation, and deformation style can be recognized. I have used a source to sink approach to unravel the spatiotemporal tectonic evolution of the Andean retroarc between 26 and 28°S. I obtained a large low-temperature thermochronology data set from basement units which includes apatite fission track, apatite U-Th-Sm/He, and zircon U-Th/He (ZHe) cooling ages. Stratigraphic descriptions of Miocene units were temporally constrained by U-Pb LA-ICP-MS zircon ages from interbedded pyroclastic material. Modeled ZHe ages suggest that the basement of the study area was exhumed during the Famatinian orogeny (550-450 Ma), followed by a period of relative tectonic quiescence during the Paleozoic and the Triassic. The basement experienced horst exhumation during the Cretaceous development of the Salta rift. After initial exhumation, deposition of thick Cretaceous syn-rift strata caused reheating of several basement blocks within the Santa Barbara system. During the Eocene-Oligocene, the Andean compressional setting was responsible for the exhumation of several disconnected basement blocks. These exhumed blocks were separated by areas of low relief, in which humid climate and low erosion rates facilitated the development of etchplains on the crystalline basement. The exhumed basement blocks formed an Eocene to Oligocene broken foreland basin in the back-bulge depozone of the Andean foreland. During the Early Miocene, foreland basin strata filled up the preexisting Paleogene topography. The basement blocks in lower relief positions were reheated; associated geothermal gradients were higher than 25°C/km. Miocene volcanism was responsible for lateral variations on the amount of reheating along the Campo-Arenal basin. Around 12 Ma, a new deformational phase modified the drainage network and fragmented the lacustrine system. As deformation and rock uplift continued, the easily eroded sedimentary cover was efficiently removed and reworked by an ephemeral fluvial system, preventing the development of significant relief. After ~6 Ma, the low erodibility of the basement blocks which began to be exposed caused relief increase, leading to the development of stable fluvial systems. Progressive relief development modified atmospheric circulation, creating a rainfall gradient. After 3 Ma, orographic rainfall and high relief lead to the development of proximal fluvial-gravitational depositional systems in the surrounding basins. N2 - Die Wechselwirkungen zwischen Tektonik, Klima und dem Aufbau der Oberkruste beeinflussen Relief, Beckengeometrien und sedimentäre Systeme. Die geologische Geschichte der Anden ist durch wiederkehrende tektonische Zyklen gekennzeichnet, die nachhaltig den Aufbau der umliegenden Oberkruste geprägt haben. Im Vorlandbecken der Anden (Retro-Arc Typus) führten räumlich und zeitlich variierende strukturgeologische Prozesse in der Oberkruste zu diversen Beckengeometrien, Deformationsvorgängen, sowie stratigraphische und geomorphologische Markern entlang des Streichens des Hochgebirgszuges. Die räumliche Variation beinhaltet unter anderem Hochgebirgsplateaus wie dem Altiplano oder der Puna, die jeweils mit dem thin-skin Aufschiebungsgürtel oder der thick-skin Deformation des zerbrochenen Vorlands im Santa-Barbara-System, bzw. der Sierras Pampeanas assoziiert werden. Besonders am Tripelpunkt zwischen der Puna Plateau, dem Santa-Barbara-System und der Sierras Pampeanas werden deutliche Veränderungen in der Oberkrustenarchitektur, der Oberflächenbeschaffenheit, der dominierenden Deformationsprozesse und der Heraushebung des Grundgebirges ersichtlich. Ich habe einen Quelle-zu-Senke Ansatz genutzt, um die räumliche und zeitliche tektonische Entwicklung der zentralen Ostanden zwischen 26° und 28°S aufzudecken. Dabei habe ich einen umfangreichen Niedertemperaturdatensatz aus Gesteinen des Grundgebirges gewonnen, welche folgende Methoden mit einschließen: Apatit Spaltspur Methode (apatite fission Track, AFT), Apatit U-Th-Sm/He (AHe), und Zirkon U-Th/He (Zhe) Abkühlalter. Für die stratigraphische Besprechung und die exakte Altersbestimmung der Einheiten des Miozäns wurden U-Pb ICP-MS-LA Zirkonalter aus pyroklastisch zwischengelagerten Materialien genutzt. Die modellierten ZHe Altersdatierungen legen den Schluss nahe, dass das Grundgebirge im Untersuchungsgebiet während der Famatinischen Orogenese (vor 550-450 Ma) herausgehoben wurde, woraufhin im Paläozoikum und dem Trias eine Phase von tektonischer Ruhe folgte. Während der Kreide und dem einsetzenden Salta Rift wurde das Grundgebirge in Form von Horststrukturen freigelegt. Nach der ersten Freilegung wurden einige Grundgebirgsblöcke wieder erwärmt durch die rift-parallele Grabenverfüllung im Santa-Barbara-System. Während dem Eozän und dem Oligozän ist der Übergang in ein kompressives Stressregime verantwortlich für die Heraushebung mehrerer losgelöster Grundgebirgszüge. Diese freigelegten Blöcke entstanden zeitgleich wie Gebiete mit flachem Relief, wo feuchtes Klima und geringe Erosionsraten die Herausbildung von „etchplains“ im kristallinem Grundgebirge ermöglichen. Weiterhin durchbrechen diese Gebirgsblöcke das Vorlandbecken, welches sich im Depozentrum des back-bulges der Anden herausgebildet hat. Während des frühen Miozäns füllten Vorlandbeckensedimente die vorher vorhandene paläogene Topographie. Die Grundgebirgsblöcke mit niedrigem Relief wurden wieder erwärmt und wiesen einen Temperaturgradienten von mehr als 25°C/km auf. Der Vulkanismus im Miozän war verantwortlich für laterale Variationen der Intensität der erneuten Erwärmung innerhalb des Campo-Arenal Beckens. Vor etwa 12 Ma modifizierte eine neue Deformationsphase das Abflussnetz und zerstückelte das lakustrische System. Während die Deformation und die Gebirgsbildung anhielt, wurden überlagernde Sedimentschichten einfach erodiert, effizient beseitigt und durch fluviale Prozesse umgelagert, die die weitere Herausbildung von Relief verhinderten. Nach ~6 Ma ermöglichte die geringe Erodierbarkeit des Grundgebirges deren Reliefzunahme, wodurch sich stabile fluviale Systeme herausbildeten. Möglicherweise unterbrach die fortschreitende Reliefzunahme atmosphärische Zirkulationsprozesse, sodass sich laterale Niederschlagsgradienten ausbildeten. Nach 3 Ma führten orographische Niederschlagsbarrieren zu der Entwicklung von nahe liegenden fluvial-gravitationalen Ablagerungssystemen in den umliegenden Becken. KW - climate KW - tectonics KW - Andes KW - inherited structures KW - Klima KW - Tektonik KW - Anden KW - ererbte Strukturen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439036 ER - TY - THES A1 - Coch, Caroline T1 - The changing Arctic freshwater system BT - the biogeochemistry of small Arctic coastal catchments Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Meeßen, Christian T1 - The thermal and rheological state of the Northern Argentinian foreland basins T1 - Der thermische und rheologische Zustand der Nordargentinischen Vorlandbecken N2 - The foreland of the Andes in South America is characterised by distinct along strike changes in surface deformational styles. These styles are classified into two end-members, the thin-skinned and the thick-skinned style. The superficial expression of thin-skinned deformation is a succession of narrowly spaced hills and valleys, that form laterally continuous ranges on the foreland facing side of the orogen. Each of the hills is defined by a reverse fault that roots in a basal décollement surface within the sedimentary cover, and acted as thrusting ramp to stack the sedimentary pile. Thick-skinned deformation is morphologically characterised by spatially disparate, basement-cored mountain ranges. These mountain ranges are uplifted along reactivated high-angle crustal-scale discontinuities, such as suture zones between different tectonic terranes. Amongst proposed causes for the observed variation are variations in the dip angle of the Nazca plate, variation in sediment thickness, lithospheric thickening, volcanism or compositional differences. The proposed mechanisms are predominantly based on geological observations or numerical thermomechanical modelling, but there has been no attempt to understand the mechanisms from a point of data-integrative 3D modelling. The aim of this dissertation is therefore to understand how lithospheric structure controls the deformational behaviour. The integration of independent data into a consistent model of the lithosphere allows to obtain additional evidence that helps to understand the causes for the different deformational styles. Northern Argentina encompasses the transition from the thin-skinned fold-and-thrust belt in Bolivia, to the thick-skinned Sierras Pampeanas province, which makes this area a well suited location for such a study. The general workflow followed in this study first involves data-constrained structural- and density-modelling in order to obtain a model of the study area. This model was then used to predict the steady-state thermal field, which was then used to assess the present-day rheological state in northern Argentina. The structural configuration of the lithosphere in northern Argentina was determined by means of data-integrative, 3D density modelling verified by Bouguer gravity. The model delineates the first-order density contrasts in the lithosphere in the uppermost 200 km, and discriminates bodies for the sediments, the crystalline crust, the lithospheric mantle and the subducting Nazca plate. To obtain the intra-crustal density structure, an automated inversion approach was developed and applied to a starting structural model that assumed a homogeneously dense crust. The resulting final structural model indicates that the crustal structure can be represented by an upper crust with a density of 2800 kg/m³, and a lower crust of 3100 kg/m³. The Transbrazilian Lineament, which separates the Pampia terrane from the Río de la Plata craton, is expressed as a zone of low average crustal densities. In an excursion, we demonstrate in another study, that the gravity inversion method developed to obtain intra-crustal density structures, is also applicable to obtain density variations in the uppermost lithospheric mantle. Densities in such sub-crustal depths are difficult to constrain from seismic tomographic models due to smearing of crustal velocities. With the application to the uppermost lithospheric mantle in the north Atlantic, we demonstrate in Tan et al. (2018) that lateral density trends of at least 125\,km width are robustly recovered by the inversion method, thereby providing an important tool for the delineation of subcrustal density trends. Due to the genetic link between subduction, orogenesis and retroarc foreland basins the question rises whether the steady-state assumption is valid in such a dynamic setting. To answer this question, I analysed (i) the impact of subduction on the conductive thermal field of the overlying continental plate, (ii) the differences between the transient and steady-state thermal fields of a geodynamic coupled model. Both studies indicate that the assumption of a thermal steady-state is applicable in most parts of the study area. Within the orogenic wedge, where the assumption cannot be applied, I estimated the transient thermal field based on the results of the conducted analyses. Accordingly, the structural model that had been obtained in the first step, could be used to obtain a 3D conductive steady-state thermal field. The rheological assessment based on this thermal field indicates that the lithosphere of the thin-skinned Subandean ranges is characterised by a relatively strong crust and a weak mantle. Contrarily, the adjacent foreland basin consists of a fully coupled, very strong lithosphere. Thus, shortening in northern Argentina can only be accommodated within the weak lithosphere of the orogen and the Subandean ranges. The analysis suggests that the décollements of the fold-and-thrust belt are the shallow continuation of shear zones that reside in the ductile sections of the orogenic crust. Furthermore, the localisation of the faults that provide strain transfer between the deeper ductile crust and the shallower décollement is strongly influenced by crustal weak zones such as foliation. In contrast to the northern foreland, the lithosphere of the thick-skinned Sierras Pampeanas is fully coupled and characterised by a strong crust and mantle. The high overall strength prevents the generation of crustal-scale faults by tectonic stresses. Even inherited crustal-scale discontinuities, such as sutures, cannot sufficiently reduce the strength of the lithosphere in order to be reactivated. Therefore, magmatism that had been identified to be a precursor of basement uplift in the Sierras Pampeanas, is the key factor that leads to the broken foreland of this province. Due to thermal weakening, and potentially lubrication of the inherited discontinuities, the lithosphere is locally weakened such that tectonic stresses can uplift the basement blocks. This hypothesis explains both the spatially disparate character of the broken foreland, as well as the observed temporal delay between volcanism and basement block uplift. This dissertation provides for the first time a data-driven 3D model that is consistent with geophysical data and geological observations, and that is able to causally link the thermo-rheological structure of the lithosphere to the observed variation of surface deformation styles in the retroarc foreland of northern Argentina. N2 - Das Vorland der südamerikanischen Anden ist durch lateral variierende Deformationsregimes des östlichen Vorlands geprägt. Dabei treten zwei grundlegend verschiedene Endglieder mit charakteristischer Architektur auf: flach abgescherte Falten- und Überschiebungsgürtel einerseits und Vorland-Sockelüberschiebungen ("zerbrochenes Vorland") andererseits. Das morphologische Erscheinungsbild der Falten- und Überschiebungsgürtel entspricht lateral ausgedehnten, dicht aneinander gereihten Abfolgen von Hügeln und Tälern. Die Hügel werden durch eine darunter liegende Überschiebung definiert, die in einem subhorizontalen Abscherhorizont in 10 bis 20 km Tiefe endet. Sockelüberschiebungen hingegen sind in Gebieten mit geringer Sedimentmächtigkeit zu finden und sind durch weit auseinander liegende Erhebungen charakterisiert, welche von steil einfallenden, reaktivierten krustenskaligen Verwerfungen begrenzt werden. Als Ursachen der beobachteten Deformationsvariationen wurden präexistente Schwächezonen, Sedimentmächtigkeiten, Lithosphärenverdickung, Vulkanismus oder kompositionelle Eigenschaften aufgeführt. Diese Vorschläge waren überwiegend konzeptuell und meist auf Grundlage von Feldbeobachtungen oder synthetischen numerischen, thermo-mechanischen Modelle abgeleitet. Die vorliegende Dissertation beleuchtet zum ersten mal die Ursachen der beobachteten Deformationsstile aus der Perspektive von dreidimensionaler, Daten-integrativer Modellierung. Durch die Integration voneinander unabhängiger Daten erlaubt diese Art der Beschreibung des physikalischen Zustands der Lithosphäre die Erlangung zusätzliche Hinweise auf die zugrundeliegenden Ursachen der verschiedenen Derformationsregimes. Für eine solche Studie bietet sich Nord-Argentinien an, da dort beide Vorland-Endglieder vorzufinden sind. Die dafür im wesentlichen durchgeführten Arbeitsschritte beinhalten die Erstellung eines strukturellen Dichtemodells des Untersuchungsgebiets, die Berechnung des 3D stationären thermischen Feldes, sowie die Analyse der rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre. Das datenbasierte strukturelle Dichtemodell ist mit verschiedenen geologischen und geophysikalischen Beobachtungen sowie dem Bouguer-Schwerefeld konsistent. Dieses Modell bildet die primären Dichtekontraste der oberen 200 km der Lithosphäre ab und differenziert Körper für die Sedimente, die kristalline Kruste, den lithosphärischen Mantel, und die subduzierende Nazca-Platte. Um die krusteninterne Dichteverteilung zu erhalten wurde ein automatisierter Inversionsprozess entworfen der es erlaubt eine leichtere Oberkruste und eine schwerere Unterkruste geometrisch zu definieren. Die Modellierung zeigt, dass die Kruste in Nord-Argentinien durch eine leichtere Oberkruste (2800 kg/m³) und eine dichtere Unterkruste (3100 kg/m³) repräsentiert werden kann. Das Transbrasilianische Linement, welches das Pampia Terran im Westen vom Río de La Plata Kraton im Osten trennt, ist durch eine im Vergleich zur Umgebung geringere durchschnittliche Krustendichte charakterisiert. In einem Exkurs wird anschließend demonstriert, dass die hier entwickelte Inversionsmethodik zur Ermittlung von intrakrustalen Dichtekontrasten auch im obersten lithosphärischen Mantel angewandt werden kann. Dichten zwischen der Kruste-Mantel-Grenze und etwa 50\,km Tiefe sind besonders schwer zu bestimmen, da tomographische Modelle die Geschwindigkeitsvariationen von seismischen Wellen in diesen Bereichen nicht auflösen. In Tan u.a. (2018) demonstrieren wir, dass die Inversionsmethode Dichteverläufe mit einer lateralen Ausdehnung von 125 km oder weniger ermitteln kann, und somit einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung von subkrustalen Dichteverteilungen im Mantel liefert. Wegen der genetischen Verbindung zwischen Subduktion, Orogenese und Retroarc Vorlandbecken stellt sich die Frage, ob die Annahme eines stationären thermischen Feldes für solch ein dynamisches Modelliergebiet zulässig ist. Um diese Frage zu beantworten wurde zum einen der Einfluss von Subduktion auf das konduktive thermische Feld auf die kontinentale Lithosphäre untersucht. Zum anderen wurde die Abweichung zwischen transientem und stationären thermischen Feld eines gekoppelten geodynamischen Modells untersucht. Beide Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Annahme eines stationären thermischen Felds für den Großteil des Modelliergebiets zulässig ist. Im orogenen Keil, in dem diese Annahme nicht gilt, wurde das transiente thermische Feld mithilfe der erfolgten Untersuchungen abgeschätzt. Entsprechend kann für das Arbeitsgebiet im Vorland das strukturelle Modell aus dem ersten Schritt zur Berechnung des stationären 3D konduktiven thermischen Feldes herangezogen werden. Basierend auf der ermittelten Dichte- und Temperatur-Konfigurationen konnte anschließend die rheologische Konfiguration berechnet werden. Die rheologischen Analysen zeigen, dass die Lithosphäre in Falten- und Überschiebungsgürteln nur eine gerine Festigkeit besitzt und die Kruste Großteil zur integrierten Festigkeit beiträgt. Das benachbarte Vorlandbecken jedoch weist eine vollständig gekoppelte und starke Lithosphäre auf, weshalb Krustenverkürzung nur im vergleichsweise schwachen orogenen Keil aufgenommen werden kann. Daher komme ich zu der Schlussfolgerung, dass die Abscherhorizonte der Falten- und Überschiebungsgürtel die oberflächennahe Fortsetzung von Scherzonen in der duktilen Kruste unterhalb des Orogens sind. Die Lokalisation der Transferzonen zwischen der duktilen Kruste und dem Abscherhorizont sind dabei maßgeblich durch präexistente Schwächezonen in der Kruste beeinflusst. Im zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas ist die Lithosphäre vollständig gekoppelt und durch einen Mantel hoher Festigkeit charakterisiert. Die sehr hohe integrierte lithosphärische Festigkeit des zerbrochenen Vorlands verhindert die Bildung von Störungen durch tektonische Kräfte. Selbst krustenskalige Schwächezonen können die Festigkeit nicht ausreichend reduzieren, weshalb eine thermische Schwächung benötigt wird. Daher spielt der Magmatismus, der in direkter Nachbarschaft zu den Schwächezonen in der Sierras Pampeanas nachgewiesen wurde, eine Schlüsselrolle in der Entstehung des zerbrochenen Vorlands. Diese Hypothese erklärt die große räumliche Distanz zwischen den Vorlandsockelüberschiebungen, sowie die beobachtete zeitliche Verzögerung zwischen Magmatismus und Hebung der Gebirgskämme. Die vorliegende Studie kann somit aufgrund Daten-integrativer Modellierung einen kausalen Zusammenhang zwischen der Lithosphärenstruktur, den beobachteten Deformationsmechanismen und unabhängigen geologischen Beobachtungen herstellen. KW - Argentina KW - Rheology KW - Foreland basin KW - Foreland basins KW - Density modelling KW - Chaco-Paraná basin KW - Andes KW - Argentinien KW - Rheologie KW - Vorlandbecken KW - Dichtemodellierung KW - Chaco-Paraná Becken KW - Anden Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439945 ER - TY - THES A1 - Wolf, Mathias Johannes T1 - The role of partial melting on trace element and isotope systematics of granitic melts T1 - Die Bedeutung partieller Schmelzbildung für die Spurenelement- und Isotopensystematik granitischer Schmelzen N2 - Partial melting is a first order process for the chemical differentiation of the crust (Vielzeuf et al., 1990). Redistribution of chemical elements during melt generation crucially influences the composition of the lower and upper crust and provides a mechanism to concentrate and transport chemical elements that may also be of economic interest. Understanding of the diverse processes and their controlling factors is therefore not only of scientific interest but also of high economic importance to cover the demand for rare metals. The redistribution of major and trace elements during partial melting represents a central step for the understanding how granite-bound mineralization develops (Hedenquist and Lowenstern, 1994). The partial melt generation and mobilization of ore elements (e.g. Sn, W, Nb, Ta) into the melt depends on the composition of the sedimentary source and melting conditions. Distinct source rocks have different compositions reflecting their deposition and alteration histories. This specific chemical “memory” results in different mineral assemblages and melting reactions for different protolith compositions during prograde metamorphism (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). These factors do not only exert an important influence on the distribution of chemical elements during melt generation, they also influence the volume of melt that is produced, extraction of the melt from its source, and its ascent through the crust (Le Breton and Thompson, 1988). On a larger scale, protolith distribution and chemical alteration (weathering), prograde metamorphism with partial melting, melt extraction, and granite emplacement are ultimately depending on a (plate-)tectonic control (Romer and Kroner, 2016). Comprehension of the individual stages and their interaction is crucial in understanding how granite-related mineralization forms, thereby allowing estimation of the mineralization potential of certain areas. Partial melting also influences the isotope systematics of melt and restite. Radiogenic and stable isotopes of magmatic rocks are commonly used to trace back the source of intrusions or to quantify mixing of magmas from different sources with distinct isotopic signatures (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). These applications are based on the fundamental requirement that the isotopic signature in the melt reflects that of the bulk source from which it is derived. Different minerals in a protolith may have isotopic compositions of radiogenic isotopes that deviate from their whole rock signature (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). In particular, old minerals with a distinct parent-to-daughter (P/D) ratio are expected to have a specific radiogenic isotope signature. As the partial melting reaction only involves selective phases in a protolith, the isotopic signature of the melt reflects that of the minerals involved in the melting reaction and, therefore, should be different from the bulk source signature. Similar considerations hold true for stable isotopes. N2 - Partielle Schmelzbildung ist ein zentraler Prozess für die geochemische Differentiation der Erdkruste (Vielzeuf et al., 1990). Die Umverteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung beeinflusst die Zusammensetzung der oberen und unteren Erdkruste entscheidend und stellt einen Mechanismus zur Konzentration und zum Transport chemischer Elemente dar. Das Verständnis der diversen Prozesse und der kontrollierenden Faktoren ist deshalb nicht nur von wissenschaftlichem Interesse sondern auch von ökonomischer Bedeutung um die Nachfrage für seltene Metalle zu decken. Die Umverteilung von Haupt- und Spurenelementen während des partiellen Aufschmelzens ist ein entscheidender Schritt für das Verständnis wie sich granitgebundene Lagerstätten bilden (Hedenquist and Lowenstern, 1994). Die Schmelzbildung und die Mobilisierung von Erz-Elementen (z. B. Sn, W, Nb, Ta) in die Schmelze hängt von der Zusammensetzung der sedimentären Ausgangsgesteine und den Schmelzbedingungen ab. Verschiedene Ausgangsgesteine haben aufgrund ihrer Ablagerungs- und Verwitterungsgeschichte unterschiedliche Zusammensetzungen. Dieses spezifische geochemische „Gedächtnis“ resultiert in unterschiedlichen Mineralparagenesen und Schmelzreaktionen in verschiedenen Ausgangsgesteinen während der prograden Metamorphose. (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). Diese Faktoren haben nicht nur einen wichtigen Einfluss auf die Verteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung, sie beeinflussen auch das Volumen an Schmelze, die Extraktion der Schmelze aus dem Ausgangsgestein und deren Aufstieg durch die Erdkruste (Le Breton and Thompson, 1988). Auf einer grösseren Skala unterliegen die Verteilung der Ausgangsgesteine und deren chemische Alteration (Verwitterung), die prograde Metamorphose mit partieller Schmelzbildung, Schmelzextraktion und die Platznahme granitischer Intrusionen einer plattentektonischen Kontrolle. Das Verständnis der einzelnen Schritte und deren Wechselwirkungen ist entscheidend um zu verstehen wie granitgebunden Lagerstätten entstehen und erlaubt es, das Mineralisierungspotential bestimmter Gebiete abzuschätzen. Partielles Aufschmelzen beeinflusst auch die Isotopensystematik der Schmelze und des Restites. Die Zusammensetzungen radiogener und stabiler Isotopen von magmatischen Gesteinen werden im Allgemeinen dazu verwendet um deren Ursprungsgesteine zu identifizieren oder um Mischungsprozesses von Magmen unterschiedlichen Ursprunges zu quantifizieren (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). Diese Anwendungen basieren auf der fundamentalen Annahme, dass die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen des Ausgangsgesteines entspricht. Unterschiedliche Minerale in einem Gestein können unterschiedliche, vom Gesamtgestein abweichende, Isotopenzusammensetzungen haben (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). Insbesondere für alte Minerale, mit einem unterschiedlichen Mutter-Tochter Nuklidverhältnis, ist eine spezifische Isotopenzusammensetzung zu erwarten. Da im partiellen Schmelzprozess nur bestimmte Minerale eines Gesteines involviert sind, entspricht die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen der Minerale welche an der Schmelzreaktion teilnehmen. Daher sollte die Isotopenzusammensetzung der Schmelze von derjenigen des Ursprungsgesteines abweichen. Ähnliche Überlegungen treffen auch für stabile Isotopen zu. KW - geochemistry KW - trace elements KW - radiogenic isotopes KW - stable isotopes KW - resources KW - Sn Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423702 ER - TY - THES A1 - Herrmann, Johannes T1 - The mechanical behavior of shales T1 - Das mechanische Verhalten von Schiefergesteinen N2 - The thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recovered from conventional resources e.g., coal towards energy provided by renewable resources such as wind or water is a big challenge. Gas recovered from unconventional reservoirs (shale plays) is considered a potential bridge technology. In Chapter 2, short-term mechanical properties of two European mature shale rocks are presented, which were determined from constant strain rate experiments performed at ambient and in situ deformation conditions (confining pressure, pc ≤ 100 MPa, temperature, T ≤ 125 °C, representing pc, T - conditions at < 4 km depth) using a Paterson– type gas deformation apparatus. The investigated shales were mainly from drill core material of Posidonia (Germany) shale and weathered material of Bowland (United Kingdom) shale. The results are compared with mechanical properties of North American shales. Triaxial compression tests performed perpendicular to bedding revealed semibrittle deformation behavior of Posidonia shale with pronounced inelastic deformation. This is in contrast to Bowland shale samples that deformed brittle and displayed predominantly elastic deformation. The static Young’s modulus, E, and triaxial compressive strength, σTCS, determined from recorded stress-strain curves strongly depended on the applied confining pressure and sample composition, whereas the influence of temperature and strain rate on E and σTCS was minor. Shales with larger amounts of weak minerals (clay, mica, total organic carbon) yielded decreasing E and σTCS. This may be related to a shift from deformation supported by a load-bearing framework of hard phases (e.g., quartz) towards deformation of interconnected weak minerals, particularly for higher fractions of about 25 – 30 vol% weak phases. Comparing mechanical properties determined at reservoir conditions with mechanical data applying effective medium theories revealed that E and σTCS of Posidonia and Bowland shale are close to the lower (Reuss) bound. Brittleness B is often quoted as a measure indicating the response of a shale formation to stimulation and economic production. The brittleness, B, of Posidonia and Bowland shale, estimated from E, is in good agreement with the experimental results. This correlation may be useful to predict B from sonic logs, from which the (dynamic) Young’s modulus can be retrieved. Chapter 3 presents a study of the long-term creep properties of an immature Posidonia shale. Constant stress experiments (σ = const.) were performed at elevated confining pressures (pc = 50 – 200 MPa) and temperatures (T = 50 – 200 °C) to simulate reservoir pc, T - conditions. The Posidonia shale samples were acquired from a quarry in South Germany. At stresses below ≈ 84 % compressive strength of Posidonia shale, at high temperature and low confining pressure, samples showed pronounced transient (primary) creep with high deformation rates in the semibrittle regime. Sample deformation was mainly accommodated by creep of weak sample constituents and pore space reduction. An empirical power law relation between strain and time, which also accounts for the influence of pc, T and σ on creep strain was formulated to describe the primary creep phase. Extrapolation of the results to a creep period of several years, which is the typical time interval for a large production decline, suggest that fracture closure is unlikely at low stresses. At high stresses as expected for example at the contact between the fracture surfaces and proppants added during stimulation measures, subcritical crack growth may lead to secondary and tertiary creep. An empirical power law is suggested to describe secondary creep of shale rocks as a function of stress, pressure and temperature. The predicted closure rates agree with typical production decline curves recorded during the extraction of hydrocarbons. At the investigated conditions, the creep behavior of Posidonia shale was found to correlate with brittleness, calculated from sample composition. In Chapter 4 the creep properties of mature Posidonia and Bowland shales are presented. The observed long-term creep behavior is compared to the short-term behavior determined in Chapter 2. Creep experiments were performed at simulated reservoir conditions of pc = 50 – 115 MPa and T = 75 – 150 °C. Similar to the mechanical response of immature Posidonia shale samples investigated in Chapter 3, creep strain rates of mature Bowland and Posidonia shales were enhanced with increasing stress and temperature and decreasing confining pressures. Depending on applied deformation conditions, samples displayed either only a primary (decelerating) or in addition also a secondary (quasi-steady state) and subsequently a tertiary (accelerating) creep phase before failure. At the same deformation conditions, creep strain of Posidonia shale, which is rich in weak constituents, is tremendously higher than of quartz-rich Bowland shale. Typically, primary creep strain is again mostly accommodated by deformation of weak minerals and local pore space reduction. At the onset of tertiary creep most of the deformation was accommodated by micro crack growth. A power law was used to characterize the primary creep phase of Posidonia and Bowland shale. Primary creep strain of shale rocks is inversely correlated to triaxial compressive strength and brittleness, as described in Chapter 2. Chapter 5 provides a synthesis of the experimental findings and summarizes the major results of the studies presented in Chapters 2 – 4 and potential applications in the Exploration & Production industry. Chapter 6 gives a brief outlook on potential future experimental research that would help to further improve our understanding of processes leading to fracture closure involving proppant embedment in unconventional shale gas reservoirs. Such insights may allow to improve stimulation techniques aimed at maintaining economical extraction of hydrocarbons over several years. N2 - Die vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf die Motivation für die vorliegende Studie eingegangen wird. Die Einleitung fokussiert sich dabei auf die aktuell vorherrschende Herausforderung, die Energieversorgung durch konventionelle Ressourcen, wie beispielsweise Kohle, durch regenerative Ressourcen, wie z.B. Wind oder Wasser, zu ersetzen. Üblicherweise wird der Energiezeugung aus unkonventionell gewonnenem Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie zugewiesen. Die Motivation zur Durchführung dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von Gasschiefern zu untersuchen, die auch in Europa einen substantiellen Beitrag zur Gasförderung liefern können. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die exemplarisch auf die Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von zwei reifen, europäischen Schiefergesteinen abzielen. Dazu wurden in einer Gasdruckapparatur Deformationsexperimente an Proben durchgeführt die senkrecht zur Schichtung orientiert entnommen wurden. Die Versuche wurden bei konstanter Verformungsrate und bei nachgestellten in situ Umgebungsbedingungen bis etwa 4 km Tiefe durchgeführt (Manteldruck, pc ≤ 100 MPa, Temperatur, T ≤ 125 °C). Die untersuchten Schieferproben stammen hauptsächlich aus Kernmaterial von erbohrtem Posidonienschiefer aus Niedersachsen und aus englischen Bowlandschiefer, das aus natürlichen Aufschlüssen gewonnen wurde. Zusätzlich wurden einige nordamerikanische Schieferproben zum Vergleich untersucht. Die triaxialen Kompressionstests zeigen ein semi-sprödes Deformationsverhalten mit ausgeprägter inelastischer Verformung des untersuchten Posidonienschiefers, wohingegen sich Bowlandschiefer spröde und bis zum Bruch vorzugsweise elastisch verformt. Der Elastizitätsmodul, E, und die Druckfestigkeit, σTCS, weisen bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine starke Abhängigkeit vom Manteldruck und der Gesteinsmineralogie auf. Der Einfluss von Temperatur und Verformungsrate auf E und σTCS ist dagegen vernachlässigbar. Mit ansteigendem Anteil an mechanisch weichen Mineralphasen, z.B. Ton, Glimmer und organisch gebundenem Kohlenstoff, nehmen E und σTCS der untersuchten Schiefergesteine ab. Dies ist durch eine verändertes Verformungsverhalten begründet, das von der Deformation eines lasttragenden Gerüstes aus mechanisch festen Mineralen, wie beispielsweise Quarz, bis zu einer Verformung von miteinander verbundenen mechanisch weichen Mineralen reicht. Der Übergang wurde ab einem Volumenanteil von etwa 25 – 30 vol% weicher Mineralphasen beobachtet. Beim Vergleich der experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften (E, σTCS) mit Vorhersagen, in denen die Zusammensetzung der Schiefer berücksichtigt wird (effective medium theories, Voigt-Reuss Grenzen) ist erkennbar, dass E und σTCS nahe an der unteren (Reuss) Grenze liegen. Die aus dem Elastizitätsmodul berechnete Sprödfestigkeit (brittleness, B) von Posidonien- und Bowlandschiefer stimmt gut mit dem gemessenen Spannungs-Verformungsverhalten überein. Die Sprödfestigkeit eines Gesteins wird oft als Indiz zur Abschätzung des möglichen Erfolges von Stimulationsmaßnahmen betrachtet. Daher ist der Zusammenhang zwischen elastischen Eigenschaften, die sich mit Ultraschallmessungen (sonic-log) in Bohrungen abschätzen lassen und dem mechanischen Verhalten von Gasschiefern für eine schnelle und kostengünstige Beurteilung wichtig. Im dritten Kapitel werden die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen untersucht. Dafür wurden Deformationsexperimente bei konstanter Spannung (σ = konst.) und erhöhten Umlagerungsdrücken (pc = 50 – 200 MPa) und Temperaturen (T = 50 – 200 °C) an einem unreifen Posidonienschiefer, welcher in einem aktiven Steinbruch in Süddeutschland gewonnen wurde, durchgeführt. Bei Spannungen unterhalb ≈ 84 % der Druckfestigkeit des Schiefers und hohen Temperaturen und niedrigen Manteldrücken zeigen die deformierten Schieferproben transientes (primäres) Kriechen im semi-spröden Regime mit relativ hohen Verformungsraten. Der größte Teil der Deformation wird dabei durch die Verformung von mechanisch weichen Mineralphasen und Porenraumreduktion aufgenommen. Ein empirisches Potenzgesetz wurde aufgestellt, um die zeitabhängige primäre Kriechphase in Abhängigkeit von Manteldruck, Temperatur und Spannung zu charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, dass ein mögliches Rissschließen über einen typischen Zeitraum von wenigen Jahren bei der Annahme von ausschließlich primären Kriechen unwahrscheinlich ist. Typischerweise entstehen an den Kotaktflächen zwischen hydraulisch stimulierten Rissen innerhalb der Schieferformation und dem Stützmittel, welches dem Stimulationsfluid hinzugefügt wird, um offene Risse aufrecht zu erhalten, hohe Differentialspannungen. Dadurch kann zusätzliches (subkritisches) Risswachstum initiiert werden, welches bei den untersuchten Proben unter hoher Differentialspannung zusätzlich zum primären auch zum sekundären und tertiären Kriechen bis zum Versagen der Probe führte. Bei Verwendung eines empirischen Potenzgesetzes zur Beschreibung der sekundären Kriechphase kann eine, im Vergleich zur primären Kriechregime, substanziell höhere Rissschließungsrate abgeschätzt werden. Diese erscheint wesentlich zuverlässiger, da sie mit den Zeiträumen typische gemessener Produktionsrückgänge einer Bohrung übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine inverse Korrelation zwischen gemessener Verformung und Sprödigkeit, basierend auf der Schiefermineralogie, festgestellt. In Kapitel 4 werden weiterführende Untersuchungen vorgestellt, in dem die Kriecheigenschaften von reifem Posidonien-und Bowlandschiefer gemessen und mit den mechanischen Eigenschaften, bestimmt in Kurzzeit-Deformationsversuchen bei konstanter Verformungsrate (Kapitel 2) verglichen werden. Dafür wurden Kriechversuche an Posidonien- und Bowlandschiefermaterial, wie in Kapitel 2 beschrieben, bei simulierten Reservoirdrücken und -temperaturen durchgeführt (pc = 50 – 115 MPa, T = 75 – 150 °C). Auch für diese Schiefergesteine wurde eine erhöhte Verformung bei erhöhten Spannungen und Temperaturen und niedrigen Manteldrücken gemessen. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Deformationsbedingungen wiesen die Proben beider Schiefergesteine entweder nur eine primäre oder zusätzlichen zur primären auch eine sekundäre und tertiäre Kriechphase auf. Bei gleichem Umlagerungsdruck und gleicher Temperatur erwies sich der tonreiche Posidonienschiefer als deutlich weniger fest als der quarzreiche Bowlandschiefer. Während der Großteil der Deformation in der primären Kriechphase durch die Verformung von weichen Mineralen und Porenraumreduktion aufgefangen wurde, ist eine Mikrorissbildung bezeichnend für das tertiäre Kriechen. Um das primäre Kriechverhalten der unterschiedlichen Schiefergesteine zu charakterisieren, wurde auch hier ein Potenzgesetz genutzt, welches einen Vergleich mit den Kriecheigenschaften anderer Schiefergesteinen erlaubt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine deutliche inverse Korrelation zwischen primärer Verformung und der gemessenen Druckfestigkeit und der berechneten Sprödigkeit. Dies ermöglicht es die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen mit den, aus einem Kurzzeittest gemessenen, mechanischen Eigenschaften grob abzuschätzen, solange die angenommen Zeitintervalle zwischen zwei Stimulationsoperationen in dem in der Praxis typischen Zeitintervall von einigen Jahren liegt. Im fünften Kapitel werden die erzielten Ergebnisse nochmals im Zusammenhang dargestellt. Hier wird im Besonderen auf eine potentielle Anwendung der Ergebnisse in der E & P - Industrie eingegangen. Abschließend wird im sechsten Kapitel auf mögliche Experimente eingegangen, die zukünftig durchgeführt werden könnten, um unser Verständnis in Bezug auf die spannungsinduzierte Rissschließung in Schieferlagerstätten durch die Einbettung der Stützmittel in die Formation zu verbessern. Diese Erkenntnisse wären wiederum hilfreich, um eine ökonomische und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen von stimulierten Bohrungen zu gewährleisten, die in unkonventionelle Lagerstätten abgeteuft wurden. KW - strength KW - Young's modulus KW - creep properties KW - Festigkeit KW - Elastizitätsmodul KW - Kriecheigenschaften Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429683 ER - TY - THES A1 - Kriegerowski, Marius T1 - Development of waveform-based, automatic analysis tools for the spatio-temporal characterization of massive earthquake clusters and swarms N2 - Earthquake swarms are characterized by large numbers of events occurring in a short period of time within a confined source volume and without significant mainshock aftershock pattern as opposed to tectonic sequences. Intraplate swarms in the absence of active volcanism usually occur in continental rifts as for example in the Eger Rift zone in North West Bohemia, Czech Republic. A common hypothesis links event triggering to pressurized fluids. However, the exact causal chain is often poorly understood since the underlying geotectonic processes are slow compared to tectonic sequences. The high event rate during active periods challenges standard seismological routines as these are often designed for single events and therefore costly in terms of human resources when working with phase picks or computationally costly when exploiting full waveforms. This methodological thesis develops new approaches to analyze earthquake swarm seismicity as well as the underlying seismogenic volume. It focuses on the region of North West (NW) Bohemia, a well studied, well monitored earthquake swarm region. In this work I develop and test an innovative approach to detect and locate earthquakes using deep convolutional neural networks. This technology offers great potential as it allows to efficiently process large amounts of data which becomes increasingly important given that seismological data storage grows at increasing pace. The proposed deep neural network trained on NW Bohemian earthquake swarm records is able to locate 1000 events in less than 1 second using full waveforms while approaching precision of double difference relocated catalogs. A further technological novelty is that the trained filters of the deep neural network’s first layer can be repurposed to function as a pattern matching event detector without additional training on noise datasets. For further methodological development and benchmarking, I present a new toolbox to generate realistic earthquake cluster catalogs as well as synthetic full waveforms of those clusters in an automated fashion. The input is parameterized using constraints on source volume geometry, nucleation and frequency-magnitude relations. It harnesses recorded noise to produce highly realistic synthetic data for benchmarking and development. This tool is used to study and assess detection performance in terms of magnitude of completeness Mc of a full waveform detector applied to synthetic data of a hydrofracturing experiment at the Wysin site, Poland. Finally, I present and demonstrate a novel approach to overcome the masking effects of wave propagation between earthquake and stations and to determine source volume attenuation directly in the source volume where clustered earthquakes occur. The new event couple spectral ratio approach exploits high frequency spectral slopes of two events sharing the greater part of their rays. Synthetic tests based on the toolbox mentioned before show that this method is able to infer seismic wave attenuation within the source volume at high spatial resolution. Furthermore, it is independent from the distance towards a station as well as the complexity of the attenuation and velocity structure outside of the source volume of swarms. The application to recordings of the NW Bohemian earthquake swarm shows increased P phase attenuation within the source volume (Qp < 100) based on results at a station located close to the village Luby (LBC). The recordings of a station located in epicentral proximity, close to Nový Kostel (NKC), show a relatively high complexity indicating that waves arriving at that station experience more scattering than signals recorded at other stations. The high level of complexity destabilizes the inversion. Therefore, the Q estimate at NKC is not reliable and an independent proof of the high attenuation finding given the geometrical and frequency constraints is still to be done. However, a high attenuation in the source volume of NW Bohemian swarms has been postulated before in relation to an expected, highly damaged zone bearing CO 2 at high pressure. The methods developed in the course of this thesis yield the potential to improve our understanding regarding the role of fluids and gases in intraplate event clustering. N2 - Erdbebenschwärme zeichnen sich durch eine große Anzahl an Ereignissen in einem relativ kleinen Zeitraum und Volumen aus. Im Gegensatz zu tektonischen Sequenzen ist in der Regel keine signifikantes Muster von Vor- und Nachbeben erkennbar. In Abwesenheit aktiven Vulkanismusses, kommen Erdbebenschwärme innerhalb kontinentaler Platten häufg an kontinentalen Verwerfungen vor, wie Beispielsweise im Bereich des Egergrabens im nordböhmischen Becken (Tschechien). Eine übliche Hypothese verbindet den Erdbebenentstehungsprozess mit Hochdruckfluiden. Der exakte kausale Zusammenhang ist jedoch häufig enigmatisch, da die zugrundeliegenden geotektonischen Prozesse im Vergleich zu tektonischen Sequenzen relativ langsam sind. Die hohe Erdbebenrate während aktiver Phasen stellt hohe Anforderungen an etablierte seismologische Routinen da diese häufg für Einzelereignisse konzipiert sind. So können sie einen hohen Aufwand bei manueller Selektion seismischer Phasen (picking) bedeuten oder rechenerisch aufwändig sein wenn volle Wellenformen verarbeitet werden sollen. Im Rahmen dieser methodologischen Thesis werden neue Ansätze zur Analyse seismischer Schwärme, sowie des zugrundeliegenden seismogenen Volumens entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf der gut untersuchten und überwachten nordböhmischen Schwarmregion. Ich entwickle und teste in dieser Arbeit einen innovativen Ansatz zur Detektion und Lokalisation von Erdbeben basierend auf einem tiefen konvolvierenden neuronalen Netzwerk. Diese Technologie bietet großes Potential da sie es erlaubt große Datenmengen effizient zu verarbeiten was durch die zunehmenden Datenmengen seismologischer Datenzentren immer weiter an Bedeutung gewinnt. Das entwickelte tiefe neuronale Netzwerk, trainiert auf Aufnahmen nordböhmischer Erdbebenschwärme, ist in der Lage 1000 Eregnisse in weniger als 1 Sekunde bei Verwendung voller Wellenformen zu lokalisieren und erreicht eine Präzision die vergleichbar ist mit der Genauigkeit eines Katalogs, der mittels Doppelte Differenzen Methode relokalisiert wurde. Eine weitere technologische Neuheit ist, dass die trainierten Filter der ersten Schicht des tiefen neuronalen Netzwerkes als Mustererkennungsfilter umfunktioniert werden und damit als Ereignisdetektor dienen können, ohne, dass zuvor explizit auf Rauschdaten trainiert werden muss. Für die weitere technologische Entwicklung stelle ich ein neues, automatisiertes Werkzeug für die synthetisierung realistischer Erdbebenschwarmkataloge, sowie hierauf basierender synthetischer voller Wollenform vor. Die Eingabeparameter werden durch die Geometrie des Quellvolumens, der Nukleationscharakteristik und Magnitude-Häufigkeitsverteilung definiert. Weiter können Rauschsignale realer Daten verwendet werden um äußerst realistische synthetische Daten zu generieren. Dieses Werkzeug wird verwendet um die Vollständigkeitmagnitude eines Detektors für volle Wellenformen anhand synthetischer Daten zu evaluieren. Die synthetisierten Daten sind Motiviert durch ein Hydrofrackingexperiment in Wysin (Polen). Des Weiteren stelle ich einen neuen Ansatz vor, der die Effekte der Wellenausbreitung zwischen Erdbeben und Stationen ausblendet und die Bestimmung der Dämpfung unmittelbar im Quellvolumen von Schwarmerdbeben erlaubt. Diese neue Methode benutzt das hochfrequente spektrale Verhältnis von Ereignispaaren mit gemeinsamen Strahlenwegen. Synthetische Tests zeigen, dass die Methode in der Lage ist die Dämpfung innerhalb des Quellvolumens mit hoher räumlicher Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ist sie im Einzelnen unabhängig von der Entfernung zwischen Ereignis und Station als auch von der Komplexität der Dämpfungs und Geschwindigkeitsstruktur außerhalb des Quellvolumens. Die Anwendung auf Daten des nordböhmischen Erdbebenschwarms zeigt eine erhöhte P Phasen Dämpfung im Quellvolumen (Qp < 100) basierend auf Daten einer Station in der Nähe des Dorfes Luby (LBC). Die Wellenformen einer Station in unmittelbarer epizentraler Nähe, bei Novy Kostel (NKC), weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was darauf hindeutet, dass seismische Wellen, die diese Station erreichen relativ stark gestreut werden im Vergleich zu anderen Stationen. Das hohe Maß an Komplexität destabilisiert die Methode und führt zu ungenauen Schätzungen an der Station NKC. Daher bedarf es einer weiteren unabhängigen Validierung der hohen Dämpfung bei gegebenen geometrischen und spektralen Voraussetzungen. Nichtsdestoweniger wurde bereits eine hohe Dämpfung im Quellvolumen der nordböhmischen Schwärme postuliert und erwartet, insbesondere im Zusammenhang mit einer Zone hoher Brüchigkeit die CO2 bei hohen Drücken beinhaltet. Die Methoden die im Rahmen dieser Thesis entwickelt werden haben das Potential unser Verständnis bezüglich der Rolle von Fluiden und Gasen bei Erdbebenschärmen innerhalb kontinentaler Platten zu verbessern. KW - attenuation tomography KW - earthquake swarms KW - deep learning KW - Dämpfungstomographie KW - Erdbebenschwärme KW - tiefes Lernen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444040 ER - TY - THES A1 - Al-Halbouni, Djamil T1 - Photogrammetry and distinct element geomechanical modelling of sinkholes and large-scale karstic depressions T1 - Photogrammetrie und geomechanische Diskrete-Elemente-Modellierung von Erdfällen und großskaligen Karstsenken N2 - Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas. N2 - Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen. KW - Photogrammetry KW - Sinkholes KW - Karst KW - Discrete Element Method KW - Geomechanical Modelling KW - Applied Geophysics KW - Natural Hazards KW - Photogrammetrie KW - Erdfälle KW - Karst KW - Diskrete-Elemente-Methode KW - Geomechanische Modellierung KW - Angewandte Geophysik KW - Naturgefahren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432159 ER - TY - THES A1 - Nikkhoo, Mehdi T1 - Analytical and numerical elastic dislocation models of volcano deformation processes T1 - Analytische und numerische Dislokationsmodelle von Verformungsprozessen an Vulkanen N2 - The advances in modern geodetic techniques such as the global navigation satellite system (GNSS) and synthetic aperture radar (SAR) provide surface deformation measurements with an unprecedented accuracy and temporal and spatial resolutions even at most remote volcanoes on Earth. Modelling of the high-quality geodetic data is crucial for understanding the underlying physics of volcano deformation processes. Among various approaches, mathematical models are the most effective for establishing a quantitative link between the surface displacements and the shape and strength of deformation sources. Advancing the geodetic data analyses and hence, the knowledge on the Earth’s interior processes, demands sophisticated and efficient deformation modelling approaches. Yet the majority of these models rely on simplistic assumptions for deformation source geometries and ignore complexities such as the Earth’s surface topography and interactions between multiple sources. This thesis addresses this problem in the context of analytical and numerical volcano deformation modelling. In the first part, new analytical solutions for triangular dislocations (TDs) in uniform infinite and semi-infinite elastic media have been developed. Through a comprehensive investigation, the locations and causes of artefact singularities and numerical instabilities associated with TDs have been determined and these long-standing drawbacks have been addressed thoroughly. This approach has then been extended to rectangular dislocations (RDs) with full rotational degrees of freedom. Using this solution in a configuration of three orthogonal RDs a compound dislocation model (CDM) has been developed. The CDM can represent generalized volumetric and planar deformation sources efficiently. Thus, the CDM is relevant for rapid inversions in early warning systems and can also be used for detailed deformation analyses. In order to account for complex source geometries and realistic topography in the deformation models, in this thesis the boundary element method (BEM) has been applied to the new solutions for TDs. In this scheme, complex surfaces are simulated as a continuous mesh of TDs that may possess any displacement or stress boundary conditions in the BEM calculations. In the second part of this thesis, the developed modelling techniques have been applied to five different real-world deformation scenarios. As the first and second case studies the deformation sources associated with the 2015 Calbuco eruption and 2013–2016 Copahue inflation period have been constrained by using the CDM. The highly anisotropic source geometries in these two cases highlight the importance of using generalized deformation models such as the CDM, for geodetic data inversions. The other three case studies in this thesis involve high-resolution dislocation models and BEM calculations. As the third case, the 2013 pre-explosive inflation of Volcán de Colima has been simulated by using two ellipsoidal cavities, which locate zones of pressurization in the volcano’s lava dome. The fourth case study, which serves as an example for volcanotectonics interactions, the 3-D kinematics of an active ring-fault at Tendürek volcano has been investigated through modelling displacement time series over the 2003–2010 time period. As the fifth example, the deformation sources associated with North Korea’s underground nuclear test in September 2017 have been constrained. These examples demonstrate the advancement and increasing level of complexity and the general applicability of the developed dislocation modelling techniques. This thesis establishes a unified framework for rapid and high-resolution dislocation modelling, which in addition to volcano deformations can also be applied to tectonic and humanmade deformations. N2 - Fortschritte in modernen geodätischen Techniken wie dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) und dem Synthetic Apertur Radar (SAR), liefern Messungen der Oberflächenverformung mit einer beispiellosen Genauigkeit sowie zeitlichen und räumlichen Auflösungen, selbst an abgelegensten Vulkanen. Die Modellierung von hochqualitativen geodätischen Daten ist entscheidend für das Verständnis der zugrundeliegenden Physik der Verformungsprozesse an diesen Vulkanen. Um eine quantitative Verbindung zwischen den Oberflächenverschiebungen und der Form und Stärke von Verformungsquellen herzustellen, sind mathematische Modelle am effektivsten. Die Fortschnitte in geodätischen Datenanalysen und damit das Wissen über die Prozesse im Inneren der Erde erfordern ausgefeilte und effiziente Ansätze der Verformungsmodellierung. Die meisten dieser Modelle beruhen jedoch auf vereinfachten Annahmen der Geometrien der Verformungsquellen und ignorieren Komplexitäten wie die Erdoberflächentopographie und Wechselwirkungen zwischen mehreren Quellen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit diesem Problem im Kontext der analytischen und numerischen Vulkanverformungsmodellierung. Im ersten Schritt wurden neue analytische Lösungen für dreieckige Dislokationen (triangular dislocation-TD) im gleichförmigen elastischen Voll- und Halbraum entwickelt. Durch eine umfassende Untersuchung wurden die Orte und Ursachen von TDs verbundenen Artefaktsingularitäten und numerischen Instabilitäten identifiziert und diese Problematik gelöst. Dieser Ansatz wurde dann auf rechteckige Dislokationen (rectangular dislocation-RD) mit vollen Rotationsfreiheitsgraden erweitert. Unter Verwendung dieser Lösung in einer Konfiguration von drei orthogonalen RDs wurde ein “Zusammengesetztes Dislokationsmodel” (compound dislocation model-CDM) entwickelt. Das CDM kann verallgemeinerte volumetrische und planare Verformungsquellen effizient darstellen. Somit ist das CDM für schnelle Inversionen in Frühwarnungssystemen relevant und kann auch für detaillierte Verformungsanalysen verwendet werden. Um komplexe Quellengeometrien und eine realistische Topographie in den Verformungsmodellen dieser Untersuchung zu berücksichtigen, wurde die Randelementmethode (REM) auf die neuen Lösungen für TDs angewendet. In diesem Schema werden komplexe Oberflächen als ein kontinuierliches Netz von DVs simuliert, die in den REM-Berechnungen beliebige Verschiebungs- oder Spannungsgrenzbedingungen aufweisen können. Als Beispiele wurden die entwickelten Modellierungstechniken auf fünf verschiedene reale Verformungsszenarien angewendet. Das erste und zweite Beispiel, die Calbuco-Eruption 2015 und die 2013–2016 Copahue-Aufwölbungsperiode, wurden durch die Verwendung des CDM näher beschrieben. Die hoch anisotropen Quellengeometrien in diesen beiden Fällen unterstreichen die Bedeutung der Verwendung verallgemeinerter Verformungsmodelle wie dem CDM für geodätische Dateninversionen. Weitere Fallstudien dieser Doktorarbeit umfassen hochauflösende Versetzungsmodelle und REM-Berechnungen. Die Aufwölbung 2013 am Volcán de Colima wurde simuliert, indem zwei ellipsoidale Quellen verwendet wurden, die Druckzonen im Lavadom des Vulkans lokalisieren. Danach, als Beispiel für Vulkantektonik-Interaktionen, wurde die 3-D-Kinematik einer aktiven Ringstörung am Tendürek-Vulkan durch Modellierung von InSAR-Zeitreihen über die Zeitperiode 2003–2010 simuliert. Als letztes Beispiel wurden die Verformungsquellen, die im Zusammenhang mit Nordkoreas unterirdischem Atomtest im September 2017 stehen, simuliert und der Einsatz der verwendeten Methoden auch in nicht vulkanischen Terrain gezeigt. Diese Beispiele zeigen den Fortschritt und das zunehmende Niveau der Komplexität und die allgemeine Anwendbarkeit der entwickelten Dislokationsmodellierungstechniken. Diese Doktorarbeit unterstreicht die Anwendung von neuer schneller und hochauflösender Dislokationsmodellierung, die neben Vulkanverformungen auch auf tektonische und vom Menschen verursachte Verformungen angewendet werden kann. KW - Volcano deformation modelling KW - Triangular dislocations (TDs) KW - Compound dislocation models (CDMs) KW - Inverse modelling KW - crustal deformations KW - Vulkanverformungsmodellierung KW - dreieckige Dislokationen (TDs) KW - Zusammengesetztes Dislokationsmodel (CDM) KW - inverse Modellirung KW - Krustenverformungen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429720 ER - TY - THES A1 - Laudan, Jonas T1 - Changing susceptibility of flood-prone residents in Germany T1 - Die Änderung der Anfälligkeit von Hochwassergefährdeten Anwohnern in Deutschland BT - mental coping and mitigation behaviour in the context of different flood types BT - Mentale Bewältigung und Schadensminderungsverhalten im Zusammenhang mit Verschiedenen Hochwassertypen N2 - Floods are among the most costly natural hazards that affect Europe and Germany, demanding a continuous adaptation of flood risk management. While social and economic development in recent years altered the flood risk patterns mainly with regard to an increase in flood exposure, different flood events are further expected to increase in frequency and severity in certain European regions due to climate change. As a result of recent major flood events in Germany, the German flood risk management shifted to more integrated approaches that include private precaution and preparation to reduce the damage on exposed assets. Yet, detailed insights into the preparedness decisions of flood-prone households remain scarce, especially in connection to mental impacts and individual coping strategies after being affected by different flood types. This thesis aims to gain insights into flash floods as a costly hazard in certain German regions and compares the damage driving factors to the damage driving factors of river floods. Furthermore, psychological impacts as well as the effects on coping and mitigation behaviour of flood-affected households are assessed. In this context, psychological models such as the Protection Motivation Theory (PMT) and methods such as regressions and Bayesian statistics are used to evaluate influencing factors on the mental coping after an event and to identify psychological variables that are connected to intended private flood mitigation. The database consists of surveys that were conducted among affected households after major river floods in 2013 and flash floods in 2016. The main conclusions that can be drawn from this thesis reveal that the damage patterns and damage driving factors of strong flash floods differ significantly from those of river floods due to a rapid flow origination process, higher flow velocities and flow forces. However, the effects on mental coping of people that have been affected by flood events appear to be weakly influenced by different flood types, but yet show a coherence to the event severity, where often thinking of the respective event is pronounced and also connected to a higher mitigation motivation. The mental coping and preparation after floods is further influenced by a good information provision and a social environment, which encourages a positive attitude towards private mitigation. As an overall recommendation, approaches for an integrated flood risk management in Germany should be followed that also take flash floods into account and consider psychological characteristics of affected households to support and promote private flood mitigation. Targeted information campaigns that concern coping options and discuss current flood risks are important to better prepare for future flood hazards in Germany. N2 - Hochwasser zählen zu den schadensträchtigsten Naturgefahren, die in Europa und Deutschland vorkommen. In Deutschland traten in den letzten Jahren einige sehr starke Hochwasser und Überflutungen auf, die die Einstufung von Hochwassern als gefährliche Naturgewalt bestätigten. Private Haushalte leiden unter finanziellen und persönlichen Verlusten und sind sogar teilweise mehrfach betroffen. Folgenreiche Hochwasser, die im Gedächtnis blieben, waren insbesondere das Elbe-Hochwasser im Sommer 2002 sowie Überschwemmungen mit Schwerpukten an Elbe und Donau im Juni 2013. Im Mai und Juni 2016 kam es zu heftigen Unwettern über Zentraleuropa, während insbesondere Süddeutschland von Starkregen und Sturzfluten betroffen war. Hierbei wurden vereinzelte Ortschaften in Baden-Württtemberg (vor allem Braunsbach) und Bayern (vor allem Simbach am Inn) von extremen Sturzfluten beeinträchtigt und Bauwerke stark beschädigt. Als Reaktion auf die Flusshochwasser 2002 und 2013 wurde unter anderem das aktuelle Hochwasserrisikomanagement in Deutschland so angepasst, dass neben übergeordneten und technischen Hochwasserschutzmaßnahmen auch auf lokaler Ebene Maßnahmen ergriffen werden müssen. Diese umfassen Hochwasservorsorgemaßnahmen, die betroffene Haushalte selbst implementieren sollen. Neben strukturellen Maßnahmen wie z.B. der Verlegung von Heizung, Elektronik und Öltank in nicht-gefährdete Stockwerke sowie dem Schutz des Gebäudes vor Eindringen von Wasser, können auch nichtstrukturelle Maßnahmen, wie z.B. eine angepasste Wohnraumnutzung und das Verwenden von geeigneter Inneneinrichtung, ergriffen werden, um Hochwasserschäden signifikant zu verringern. Bis heute ist es jedoch unklar, aus welchen Gründen sich die betroffenen Menschen für Hochwasservorsorgemaßnahmen entscheiden und wie die individuelle Motivation, Maßnahmen zu implementieren, verstärkt werden kann. Neben dem Wissen um die eigene Hochwassergefährdung ist anzunehmen, dass die Selbsteinschätzung in Bezug auf einen wirksamen Umgang mit Hochwassern ausschlaggebend für die Motivation zur Vorsorge ist. Außerdem kann davon ausgegangen werden, dass verschiedene Hochwassertypen wie Flusshochwasser und Sturzfluten mit ihren unterschiedlichen Dynamiken unterschiedliche Auswirkungen auf die mentale Bewältigung und somit auch auf das Vorsorgeverhalten hervorrufen. Die vorliegende Arbeit hat demnach zum Ziel, Flusshochwasser und Sturzfluten in Deutschland miteinander zu vergleichen, wobei der Fokus auf schadenstreibenden Faktoren und psychologischen Auswirkungen auf betroffene Haushalte liegt. Weiterhin sollen damit verbundenes Vorsorgeverhalten untersucht und gegebenenfalls Handlungsempfehlungen für das Hochwasserrisikomanagement abgeleitet werden, das einerseits psychologische Charakteristika und andererseits Sturzfluten als signifikante Naturgefahr in Deutschland miteinbezieht. Hierbei werden sozio-ökonomische, zwischenmenschliche und psychologische Variablen von Haushalten ausgewertet, die 2013 und 2016 von Flusshochwassern und Sturzfluten betroffen waren. Dabei kommen verschiedene Methoden (Regressionen, Bayessche Statistik) und Modelle (Protection Motivation Theory) zum Einsatz, um Verbindungen zwischen den Variablen aufzeigen. Die Ergebnisse veranschaulichen erstens, dass Flusshochwasser und Sturzfluten zwar unterschiedliche Schäden an Gebäuden aufgrund verschiedener Flutdynamiken hervorrufen können, was sich bei Betroffenen jedoch nicht in unterschiedlichen psychologischen Auswirkungen widerspiegelt. Vielmehr ist die jeweilige Stärke und Schwere des Hochwassers entscheidend für charakteristische Ausprägungen von psychologischen Variablen. In diesem Falle sorgt eine stärkere Flut dafür, dass häufiger an das jeweilige Ereignis gedacht wird, während die Motivation zur Eigenvorsorge in solchen Fällen erhöht scheint. Zweitens sind ein soziales Umfeld, in dem bereits Vorsorgemaßnahmen implementiert wurden, sowie hilfreiche Informationen für geeignete Maßnahmen, deren Kosten und Aufklärung über das aktuelle Hochwasserrisiko förderlich für die Motivation, private Vorsorge zu betreiben. Ein aktuelles Hochwasserrisikomanagement sollte demnach auch Sturzfluten als mögliches Risiko in Deutschland miteinbeziehen und mehr in die Aufklärung und private Unterstützung bei Hochwassern investieren. Ein besseres Verstehen von psychologischen und mentalen Auswirkungen von verschiedenen Hochwassertypen hat den Vorteil, dass Hilfe und Informationskampagnen individuell und effizient gestaltet, Schäden minimiert und Schadensprognosen aufgrund der genaueren Kenntnisse über Vorsorgeverhalten verbessert werden können. KW - floods KW - psychology KW - flash floods KW - Hochwasser KW - Psychologie KW - Sturzfluten Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434421 ER - TY - THES A1 - Codeco, Marta Sofia Ferreira T1 - Constraining the hydrology at Minas da Panasqueira W-Sn-Cu deposit, Portugal T1 - Bestimmung der Hydrologie der W-Sn-Cu Lagerstätte in der Miene Panasqueira, Portugal T1 - Considerações sobre a hidrologia do depósito de W-Sn-Cu da Panasqueira, Portugal N2 - This dissertation combines field and geochemical observations and analyses with numerical modeling to understand the formation of vein-hosted Sn-W ore in the Panasqueira deposit of Portugal, which is among the ten largest worldwide. The deposit is located above a granite body that is altered by magmatic-hydrothermal fluids in its upper part (greisen). These fluids are thought to be the source of metals, but that was still under debate. The goal of this study is to determine the composition and temperature of hydrothermal fluids at Panasqueira, and with that information to construct a numerical model of the hydrothermal system. The focus is on analysis of the minerals tourmaline and white mica, which formed during mineralization and are widespread throughout the deposit. Tourmaline occurs mainly in alteration zones around mineralized veins and is less abundant in the vein margins. White mica is more widespread. It is abundant in vein margins as well as alteration zones, and also occurs in the granite greisen. The laboratory work involved in-situ microanalysis of major- and trace elements in tourmaline and white mica, and boron-isotope analysis in both minerals by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The boron-isotope composition of tourmaline and white mica suggests a magmatic source. Comparison of hydrothermally-altered and unaltered rocks from drill cores shows that the ore metals (W, Sn, Cu, and Zn) and As, F, Li, Rb, and Cs were introduced during the alteration. Most of these elements are also enriched in tourmaline and mica, which confirms their potential value as exploration guides to Sn-W ores elsewhere. The thermal evolution of the hydrothermal system was estimated by B-isotope exchange thermometry and the Ti-in-quartz method. Both methods yielded similar temperatures for the early hydrothermal phase: 430° to 460°C for B-isotopes and 503° ± 24°C for Ti-in-quartz. Mineral pairs from a late fault zone yield significantly lower median temperatures of 250°C. The combined results of thermometry with variations in chemical and B-isotope composition of tourmaline and mica suggest that a similar magmatic-hydrothermal fluid was active at all stages of mineralization. Mineralization in the late stage shows the same B-isotope composition as in the main stage despite a ca. 250°C cooling, which supports a multiple injection model of magmatic-hydrothermal fluids. Two-dimensional numerical simulations of convection in a multiphase NaCl hydrothermal system were conducted: (a) in order to test a new approach (lower dimensional elements) for flow through fractures and faults and (b) in order to identify conditions for horizontal fluid flow as observed in the flat-lying veins at Panasqueira. The results show that fluid flow over an intrusion (heat and fluid source) develops a horizontal component if there is sufficient fracture connectivity. Late, steep fault zones have been identified in the deposit area, which locally contain low-temperature Zn-Pb mineralization. The model results confirm that the presence of subvertical faults with enhanced permeability play a crucial role in the ascent of magmatic fluids to the surface and the recharge of meteoric waters. Finally, our model results suggest that recharge of meteoric fluids and mixing processes may be important at later stages, while flow of magmatic fluids dominate the early stages of the hydrothermal fluid circulation. N2 - In dieser Dissertation werden Feldbeobachtungen und geochemische Analysen mit numerischer Modellierung kombiniert, um die Bildung von Sn-W-Cu- Mineralisation in der Erzlagerstätte Panasqueira in Portugal zu verstehen. Panasqueira gehört zu den 10 größten Sn-W Lagerstätten weltweit, sie befindet sich oberhalb eines Granitkörpers, der im oberen Bereich durch magmatisch-hydrothermale Fluide alteriert ist (Greisenbildung). Es wird postuliert, dass magmatisch Fluide die Quelle für Metalle sind, das wurde aber bislang nicht eindeutig bestätigt. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, die Zusammensetzung und Temperatur der hydrothermalen Fluide in Panasqueira zu bestimmen und mit diesen Informationen ein numerisches Modell des hydrothermalen Systems zu erstellen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Turmalin und Hellglimmer, welche bei der Mineralisation gebildet wurden und in der gesamten Lagerstätte weit verbreitet sind. Turmalin kommt hauptsächlich in Alterationszonen um die vererzten Quarzgänge vor, sowie weniger häufig im Randbereich der Gänge. Hellglimmer dagegen ist stärker verbreitet. Es kommt sowohl in Quarzgangrändern und Alterationszonen vor als auch im Greisenkörper. Die Laborarbeiten umfassten in-situ Mikroanalytik der Haupt- und Spurenelementgehalte von Turmalin und Hellglimmer sowie die Analyse der Bor-isotopen in beiden Mineralen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Die Bor-Isotopenzusammensetzung von Turmalin und Hellglimmer deuten auf eine magmatische Quelle hin. Der Vergleich von hydrothermal-überprägten mit unveränderten Gesteinsproben aus Bohrkernen zeigt, dass die Erzmetalle (W, Sn, Cu, Zn) sowie As, F, Li, Rb und Cs während der Alteration hinzugefügt wurden. Die meisten dieser Elemente sind auch in Turmalin und Glimmer angereichert, womit ihre Nützlichkeit als Explorationshilfe für Sn-W-Erze in anderen Gebieten bestätigt wird. Die thermische Entwicklung des Hydrothermalsystems wurde durch B-Isotopenaustausch-Thermometrie sowie durch die Ti-in-Quarz- Methode bestimmt. Beide Methoden ergaben für die frühe Hydrothermalphase ähnliche Temperaturen: 430° - 460°C für B-Isotope und 503° ± 24°C für Ti-in-Quarz. Mineral Paare aus einer späten Verwerfungszone ergaben deutlich niedrigere B-Isotopentemperaturen von durchschnittlich 250°C. Die Kombination der Thermometrie mit den chemischen und B-Isotopenvariationen in Turmalin und Glimmer deutet darauf hin, dass ein ähnliches magmatisch-hydrothermales Fluid in allen Mineralisierungsstufen beteiligt war. Die Mineralisierung im späten Stadium zeigt dieselbe B-Isotopenzusammensetzung wie die Hauptphase trotz der Abkühlung um ca. 250°C, was ein Mehrfachinjektionsmodell des magmatisch-hydrothermalen Fluids unterstützt. Zwei-dimensionale numerische Simulationen der Konvektion in einem mehrphasen NaCl System wurden durchgeführt um: a) eine neue Methode (lower dimensional elements) für hydrothermales Fließen durch Brüche und Störungszonen zu testen und b) die Voraussetzungen für die in Panasqueira dominierende horizontale Fluidbewegung in den flach liegenden Gängen zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Fluidströmungen immer dann eine starke horizontale Komponente haben wenn ausreichende Bruchverbindungen im Gestein vorhanden sind. Späte, steile Bruchzonen sind in der Umgebung der Lagerstätte identifiziert worden, welche lokal niedrig-temperierte Zn-Pb Mineralisierungen führen. Die Modellergebnisse bestätigen, dass das Vorhandensein subvertikaler Störungszonen mit höherer Permeabilität eine entscheidende Rolle für den Aufstieg magmatischer Fluide zur Oberfläche und das Eindringen von meteorischen Fluiden spielen. Schließlich schlagen unsere Simulationsergebnisse vor, dass das Eindringen meteorischer Fluide und Mischungsprozesse in späteren Phasen der hydrothermalen Zirkulation wichtig sind, während magmatische Fluide in frühen Phasen dominieren. N2 - O estudo apresentado na presente dissertação combina análises e observações campo e geoquímica (e.g. multi-elementar, mineral, isotópica) com modelação numérica por forma a compreender a evolução do sistema hidrotermal da Panasqueira e a formação dos filões sub-horizontais. O jazigo filoniano da Panasqueira, localizado em Portugal, encontra-se entre os dez maiores depósitos do tipo a nível mundial e é o maior produtor de W na União Europeia. O depósito desenvolveu-se a topo de um granito Varisco do tipo S, cuja cúpula se encontra greisenizada devido a circulação de fluidos de carácter magmato-hidrotermal. Pensa-se que estes fluidos sejam a fonte dos metais para a génese do jazigo, contudo esta questão tem constituído matéria de grande debate. Por forma, a compreender a evolução hidrotermal e construir um modelo numérico capaz de simular a hidrologia do sistema hidrotermal da Panasqueira, este trabalho envolveu a determinação da composição e temperatura dos fluidos hidrotermais. Para o efeito, este estudo concentrou-se na caracterização geoquímica e isotópica de turmalina e mica branca, as quais se formaram durante os processos iniciais de alteração hidrotermal e/ou mineralização, ocorrendo em diversos contextos. A turmalina ocorre essencialmente nos halos de alteração hidrotermal que encerram os veios mineralizados e está predominantemente associada aos estádios pré-mineralização. Em contraste, a mica branca ocorre em diversos contextos: greisen, filões (salbandas), e halos de alteração hidrotermal, estando associada quer aos estádios precoces, quer aos estádios principais de mineralização. O trabalho laboratorial envolveu análises in-situ de elementos maiores e traço em turmalina e mica, e análises isotópicas (isótopos de boro) em ambas as fases minerais através de espectrometria de massa por iões secundários (SIMS). As composições isotópicas da turmalina e mica branca sugerem uma fonte magmática para os fluidos hidrotermais. A comparação dos dados de litogeoquímica dos metassedimentos alterados e não alterados mostra que os metais (W, Sn, Cu e Zn), assim como em As, F, Li, Rb e Cs foram introduzidos durante o processo de alteração hidrotermal. Parte substancial destes elementos encontram-se também enriquecidos na mica e turmalina, o que confirma o seu potencial valor como vectores de prospecção mineral para os depósitos de W-Sn. A evolução térmica do sistema hidrotermal da Panasqueira foi estimada utilizando geotermómetros minerais. O geotermómetro do quartzo (Ti-in-quartz) indica temperaturas de 503° ± 24°C para a alteração precoce das rochas encaixantes, o que é consistente com as temperaturas médias de 430° a 460°C} obtidas através da geotermometria isotópica de boro em turmalina e mica branca nas salbandas micáceas. As zonas de falha estudadas através da utilização de pares-minerais indicam temperaturas médias substancialmente mais baixas (250°C). A combinação dos estudos de geotermometria mineral com as variações químicas e isotópicas obtidas para a turmalina e mica sugerem que um fluido magmático-hidrotermal relativamente homogéneo esteve activo durante todos os estádios de mineralização. Durante estádios tardios, a os fluidos mineralizantes possuem as mesmas composições isotópicas obtidas para os estádios principais, embora que registando um arrefecimento de ca. 250°C, o que suporta um modelo dinâmico com múltiplas injecções de fluidos magmático-hidrotermais. Simulações numéricas bidimensionais da convecção num sistema hidrotermal multifásico salino foram conduzidas: (i) para testar uma nova metodologia (“lower dimensional elements”) capaz de traduzir o fluxo de fluidos através de fracturas e falhas e, (ii) para identificar as condições do fluxo horizontal observado nos filões sub-horizontais da Panasqueira. Os resultados mostram que o escoamento dos fluidos em associação com uma intrusão (fonte de calor e fluidos) desenvolve uma componente horizontal, desde que haja conectividade suficiente. Falhas tardias inclinadas identificadas na área contem localmente mineralização de Zn e Pb de baixa temperatura. Os resultados dos modelos numéricos confirmam que a presença de falhas sub-verticais de permeabilidade acrescida tem um papel crucial na ascensão de fluidos magmáticos até a superfície e na infiltração de águas meteóricas. Por fim, os resultados das simulações sugerem que a infiltração de águas meteóricas e processos de mistura de fluidos possam ser importantes durantes os estádios tardios, enquanto os fluidos de carácter magmático dominam os estádios iniciais da circulação hidrotermal dos fluidos. KW - Panasqueira KW - tourmaline KW - muscovite KW - Boron isotopes KW - tungsten-tin deposits KW - magmatic-hydrothermal systems KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - numerical simulation KW - fluid flow KW - fracture-controlled KW - alteration geochemistry KW - Panasqueira KW - Turmalin KW - Muscovit KW - Bor-isotopen KW - Wofram-Zinn Lagerstätte KW - magmatisch-hydrothermale Systeme KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - numerische Modellierung KW - Fluid-strömungen KW - strukturelle Kontrolle KW - Alterationsgeochemie KW - Panasqueira KW - turmalina KW - muscovite KW - Isótopos de Boro KW - depósitos de volfrâmio-estanho KW - sistemas magmático-hidrotermais KW - LA-ICP-MS KW - SIMS KW - simulações numéricas KW - fluxo de fluidos KW - controlo estrutural KW - geoquímica da alteração hidrotermal Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429752 ER - TY - THES A1 - von Specht, Sebastian T1 - Likelihood - based optimization in strong-motion seismology Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Korges, Maximilian T1 - Constraining the hydrology of intrusion-related ore deposits with fluid inclusions and numerical modeling T1 - Bestimmung der Hydrologie von Erzlagerstätten an Intrusionen mit Flüssigkeitseinschlüssen und numerischer Modellierung N2 - Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids. N2 - Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft. KW - fluid inclusions KW - numerical modeling KW - Flüssigkeitseinschlüsse KW - numerische Modellierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434843 ER - TY - THES A1 - Ghani, Humaad T1 - Structural evolution of the Kohat and Potwar fold and thrust belts of Pakistan T1 - Strukturelle Entwicklung des Kohat und Potwar Falten- und Überschiebungsgürtel in Pakistan N2 - Fold and thrust belts are characteristic features of collisional orogen that grow laterally through time by deforming the upper crust in response to stresses caused by convergence. The deformation propagation in the upper crust is accommodated by shortening along major folds and thrusts. The formation of these structures is influenced by the mechanical strength of décollements, basement architecture, presence of preexisting structures and taper of the wedge. These factors control not only the sequence of deformation but also cause differences in the structural style. The Himalayan fold and thrust belt exhibits significant differences in the structural style from east to west. The external zone of the Himalayan fold and thrust belt, also called the Subhimalaya, has been extensively studied to understand the temporal development and differences in the structural style in Bhutan, Nepal and India; however, the Subhimalaya in Pakistan remains poorly studied. The Kohat and Potwar fold and thrust belts (herein called Kohat and Potwar) represent the Subhimalaya in Pakistan. The Main Boundary Thrust (MBT) marks the northern boundary of both Kohat and Potwar, showing that these belts are genetically linked to foreland-vergent deformation within the Himalayan orogen, despite the pronounced contrast in structural style. This contrast becomes more pronounced toward south, where the active strike-slip Kalabagh Fault Zone links with the Kohat and Potwar range fronts, known as the Surghar Range and the Salt Range, respectively. The Surghar and Salt Ranges developed above the Surghar Thrust (SGT) and Main Frontal Thrust (MFT). In order to understand the structural style and spatiotemporal development of the major structures in Kohat and Potwar, I have used structural modeling and low temperature thermochronolgy methods in this study. The structural modeling is based on construction of balanced cross-sections by integrating surface geology, seismic reflection profiles and well data. In order to constrain the timing and magnitude of exhumation, I used apatite (U-Th-Sm)/He (AHe) and apatite fission track (AFT) dating. The results obtained from both methods are combined to document the Paleozoic to Recent history of Kohat and Potwar. The results of this research suggest two major events in the deformation history. The first major deformation event is related to Late Paleozoic rifting associated with the development of the Neo-Tethys Ocean. The second major deformation event is related to the Late Miocene to Pliocene development of the Himalayan fold and thrust belt in the Kohat and Potwar. The Late Paleozoic rifting is deciphered by inverse thermal modelling of detrital AFT and AHe ages from the Salt Range. The process of rifting in this area created normal faulting that resulted in the exhumation/erosion of Early to Middle Paleozoic strata, forming a major unconformity between Cambrian and Permian strata that is exposed today in the Salt Range. The normal faults formed in Late Paleozoic time played an important role in localizing the Miocene-Pliocene deformation in this area. The combination of structural reconstructions and thermochronologic data suggest that deformation initiated at 15±2 Ma on the SGT ramp in the southern part of Kohat. The early movement on the SGT accreted the foreland into the Kohat deforming wedge, forming the range front. The development of the MBT at 12±2 Ma formed the northern boundary of Kohat and Potwar. Deformation propagated south of the MBT in the Kohat on double décollements and in the Potwar on a single basal décollement. The double décollement in the Kohat adopted an active roof-thrust deformation style that resulted in the disharmonic structural style in the upper and lower parts of the stratigraphic section. Incremental shortening resulted in the development of duplexes in the subsurface between two décollements and imbrication above the roof thrust. Tectonic thickening caused by duplexes resulted in cooling and exhumation above the roof thrust by removal of a thick sequence of molasse strata. The structural modelling shows that the ramps on which duplexes formed in Kohat continue as tip lines of fault propagation folds in the Potwar. The absence of a double décollement in the Potwar resulted in the preservation of a thick sequence of molasse strata there. The temporal data suggest that deformation propagated in-sequence from ~ 8 to 3 Ma in the northern part of Kohat and Potwar; however, internal deformation in the Kohat was more intense, probably required for maintaining a critical taper after a significant load was removed above the upper décollement. In the southern part of Potwar, a steeper basement slope (β≥3°) and the presence of salt at the base of the stratigraphic section allowed for the complete preservation of the stratigraphic wedge, showcased by very little internal deformation. Activation of the MFT at ~4 Ma allowed the Salt Range to become the range front of the Potwar. The removal of a large amount of molasse strata above the MFT ramp enhanced the role of salt in shaping the structural style of the Salt Range and Kalabagh Fault Zone. Salt accumulation and migration resulted in the formation of normal faults in both areas. Salt migration in the Kalabagh fault zone has triggered out-of-sequence movement on ramps in the Kohat. The amount of shortening calculated between the MBT and the SGT in Kohat is 75±5 km and between the MBT and the MFT in Potwar is 65±5 km. A comparable amount of shortening is accommodated in the Kohat and Potwar despite their different widths: 70 km Kohat and 150 km Potwar. In summary, this research suggests that deformation switched between different structures during the last ~15 Ma through different modes of fault propagation, resulting in different structural styles and the out-of-sequence development of Kohat and Potwar. N2 - Falten- und Überschiebungsgürtel sind charakteristische Merkmale von Kollisionsorogenen, die sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf konvergente Spannungen in das Vorland vorbauen. Die Deformationsausbreitung in der oberen Kruste erfolgt durch die Verkürzung entlang von Falten und Überschiebungen. Die Bildung dieser Strukturen wird durch die mechanische Eigenschaft des Décollements (Abscherhorizonts), dem Aufbau des Grundgebirges, der strukturellen Vorprägung und der Geometrie des Verfomungskeils beeinflusst. Diese Faktoren steuern nicht nur die Verformungsabfolge, sondern führen auch zu unterschiedlichen Strukturen im Falten- und Überschiebungsgürtel. Der Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel zeigt signifikante Unterschiede im strukturellen Bau von Ost nach West. Die äußere Zone des Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel, auch Subhimalaya genannt, ist hinsichtlich der zeitliche Entwicklung und des strukturellen Baus in der Region von Bhutan, Nepal und Indien gut untersucht. Im Gegensatz dazu ist die Geologie des pakistanischen Subhimalayas erst in groben Zügen verstanden. Der Kohat- und der Potwar- Falten- und Überschiebungsgürtel (im Folgenden einfach Kohat und Potwar genannt) sind Teil der externe Sedimentationszone des Himalaya- Falten- und Überschiebungsgürtel in Pakistan. Die „Main Boundary Thrust“ (MBT) markiert ihre nördliche Grenze und zeigt, dass beide, sowohl Kohat als auch Potwar, trotz ihres unterschiedlichen strukturellen Baus durch eine gemeinsame, ins Vorland gerichteten Verformung des Himalaya-Orogens entstanden sind. Der Kontrast im strukturelle Bau wird nach Süden ausgeprägter, wo die aktive Kalabagh Seitenverschiebung die frontalen Deformationszonen Kohats und Potwars verbindet, die als „Surghar Range“ bzw. „Salt Range“ bekannt sind. Die „Surghar Range“ und die „Salt Range“ entwickeln sich oberhalb der Surghar Überschiebung (Surghar Thrust, SGT) und der frontalen Hauptüberschiebung (Main Frontal Thrust, MFT). Ziel dieser Studie ist es, die Deformationsentwicklung und den strukturellen Bau Kohats und Potwars als Beispiel für die Vielfalt der Entwicklung im frontalen Bereich von Orogenen zu entschlüsseln. Um den strukturellen Stil und die räumlich-zeitliche Entwicklung der Hauptstrukturen in Kohat und Potwar zu untersuchen, werden in dieser Studie Strukturmodellierungs- und Niedertemperatur-Thermochronologie-Methoden verwendet. Die Strukturmodellierung basiert auf der Erstellung bilanzierter Profile, deren Grundlage die Kombination von Oberflächengeologie, seismischen Reflexionsprofilen und Bohrlochdaten bildet. Die Niedertemperatur-Thermochronologie-Methoden gründen einerseits auf Apatit (U-Th-Sm)/He (AHe) und andererseits auf Apatit-Spaltspur (AFT) Datierungen. Die Resultate beider Methoden erlauben die zeitliche Rekonstruktion von Kohat und Potwar vom Paläozoikum bis zur jüngsten Geschichte. Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf zwei Hauptereignisse in der Verformungsgeschichte hin. Das erste große Deformationsereignis steht im Zusammenhang mit der spätpaläozoischen Riftbildung im Zuge der Öffnung der Neotethys. Das zweite große Deformationsereignis steht im Zusammenhang mit der spätmiozänen bis pliozänen Entwicklung des Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel. Die spät-paläozoische Riftbildung wird mittels einer inversen thermischen Modellierung der Apatit-AFT und AHe-Alter aus der „Salt Range“ rekonstruiert. Der Prozess des Riftbildung verursachte Abschiebungen, die zur Exhumierung bzw. Erosion früh- bis mittelpaläozoischer Schichten führte und eine bedeutende Diskordanz zwischen kambrischen und permischen Schichten ausbildet, die heute in der „Salt Range“ aufgeschlossen ist. Diese im Spätpaläozoikum entstandenen Abschiebungen wurden dann während der miozän-pliozänen Bildung des Falten- und Überschiebungsgürtel reakiviert. Die Rekonstruktion der Strukturen, kombiniert mit der Datierung (AFT, AHe), deutet darauf hin, dass die Verformung um ca. 15±2 Ma auf der SGT-Rampe im südlichen Teil Kohats aktiv war. Diese erste Deformation entlang der SGT hat das Vorland an den Kohat-Verformungskeil geschweisst und bildet damit die neue Verformungsfront. Die MBT bildete um ca. 12±2 Ma die nördliche Grenze von Kohat und Potwar. Die Deformation breitete sich in südlicher Richtung von der MBT aus in Kohat auf zwei Décollements aus, während sich in Potwar ein einziges basales Décollement bildete. Die beiden parallelen Décollements in Kohat formten aktive Dachüberschiebungen aus, die zum disharmonischen Stil im oberen und unteren Teil des Profils führten. Die inkrementelle Verkürzung formte Duplex-Strukturen zwischen den beiden Décollements und Schuppen oberhalb der Dachüberschiebung. Auf die tektonische Verdickung durch die Duplex-Strukturen folgte die Abkühlung bzw. Exhumation oberhalb der Dachüberschiebung durch die Abtragung mächtiger Molasseschichten. Die Rekonstruktion der Strukturen zeigt, dass die Rampen, auf denen die Duplex-Strukturen in Kohat gebildet wurden, sich in Potwar als Frontallinien der frontalen Knickung fortsetzen. Das Fehlen der beiden parallelen Décollements in Potwar führte zur Erhaltung dicker Molassenschichten in der stratigraphischen Abfolge. Die Ergebnisse der Datierung deuten darauf hin, dass sich die Verformung dann von ca. 8 bis 3 Ma normal im nördlichen Teil von Kohat und Potwar in Richtung Süden ausbreitete. Die Verformung in Kohat war intensiver durch die Bildung eines kritischen Winkels im Deformationskeil, als die signifikante Auflast über dem oberen Décollement entfernt wurde. Der südliche Teil Potwars dagegen ist durch eine geringe interne Verfomung gekennzeichnet, hervorgerufen durch eine geringere Neigung der basalen Überschiebung (β≥3°) und das Vorhandensein von Salz an der Basis der stratigraphischen Abfolge. Dabei ist stratigraphische Abfolge innerhalb des Deformationskeils erhalten. Mit der Deformation entlang der MFT um ca. 4 Ma begann die Entwicklung der „Salt Range“ als frontale Deformationszone von Potwar. Die Abtragung dicker Molassenschichten über der MFT-Rampe verstärkte die Rolle des Salzes bei der Deformation der „Salt Range“ und der Kalabagh-Störungszone. In beiden Gebieten kam es zu Abschiebungen duch Salzakkumulation und Salzmigration. Die Salzmigration in der Kalabagh- Störungszone hat durchbrechende Überschiebungen entlang der Rampen in Kohat ausgelöst. Der Verkürzungsbetrag zwischen MBT und SGT beträgt für Kohat 75±5 km und für Potwar zwischen MBT und MFT 65±5 km. Sowohl Kohat und Potwar haben trotz ihrer unterschiedlichen räumlichen Ausdehnung (70 km Kohat und 150 km Potwar) eine vergleichbare Verkürzung erfahren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie aufzeigt, wie die Verformung zwischen den einzelnen Strukturen in den letzten ~15 Ma, verursacht durch unterschiedliche Deformationsausbreitung, gesprungen ist und damit für die unterschiedlichen spezifischen Struktur-Stile und durchbrechende Deformationssequenzen in Kohat und Potwar verantwortlich ist. KW - Himalaya KW - folds KW - faults KW - décollement KW - exhumation KW - Himalaja KW - Falten KW - Störungen KW - Abschiebungshorizonte KW - Exhumierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440775 ER - TY - THES A1 - Stettner, Samuel T1 - Exploring the seasonality of rapid Arctic changes from space T1 - Erkundung der Saisonalität schneller arktischer Veränderungen aus dem Weltraum BT - monitoring of permafrost disturbance, snow cover and vegetation in tundra environments with TerraSAR-X BT - Überwachung von Permafroststörungen, Schneebedeckung und Vegetation in Tundra-Umgebungen mit TerraSAR-X N2 - Arctic warming has implications for the functioning of terrestrial Arctic ecosystems, global climate and socioeconomic systems of northern communities. A research gap exists in high spatial resolution monitoring and understanding of the seasonality of permafrost degradation, spring snowmelt and vegetation phenology. This thesis explores the diversity and utility of dense TerraSAR-X (TSX) X-Band time series for monitoring ice-rich riverbank erosion, snowmelt, and phenology of Arctic vegetation at long-term study sites in the central Lena Delta, Russia and on Qikiqtaruk (Herschel Island), Canada. In the thesis the following three research questions are addressed: • Is TSX time series capable of monitoring the dynamics of rapid permafrost degradation in ice-rich permafrost on an intra-seasonal scale and can these datasets in combination with climate data identify the climatic drivers of permafrost degradation? • Can multi-pass and multi-polarized TSX time series adequately monitor seasonal snow cover and snowmelt in small Arctic catchments and how does it perform compared to optical satellite data and field-based measurements? • Do TSX time series reflect the phenology of Arctic vegetation and how does the recorded signal compare to in-situ greenness data from RGB time-lapse camera data and vegetation height from field surveys? To answer the research questions three years of TSX backscatter data from 2013 to 2015 for the Lena Delta study site and from 2015 to 2017 for the Qikiqtaruk study site were used in quantitative and qualitative analysis complimentary with optical satellite data and in-situ time-lapse imagery. The dynamics of intra-seasonal ice-rich riverbank erosion in the central Lena Delta, Russia were quantified using TSX backscatter data at 2.4 m spatial resolution in HH polarization and validated with 0.5 m spatial resolution optical satellite data and field-based time-lapse camera data. Cliff top lines were automatically extracted from TSX intensity images using threshold-based segmentation and vectorization and combined in a geoinformation system with manually digitized cliff top lines from the optical satellite data and rates of erosion extracted from time-lapse cameras. The results suggest that the cliff top eroded at a constant rate throughout the entire erosional season. Linear mixed models confirmed that erosion was coupled with air temperature and precipitation at an annual scale, seasonal fluctuations did not influence 22-day erosion rates. The results highlight the potential of HH polarized X-Band backscatter data for high temporal resolution monitoring of rapid permafrost degradation. The distinct signature of wet snow in backscatter intensity images of TSX data was exploited to generate wet snow cover extent (SCE) maps on Qikiqtaruk at high temporal resolution. TSX SCE showed high similarity to Landsat 8-derived SCE when using cross-polarized VH data. Fractional snow cover (FSC) time series were extracted from TSX and optical SCE and compared to FSC estimations from in-situ time-lapse imagery. The TSX products showed strong agreement with the in-situ data and significantly improved the temporal resolution compared to the Landsat 8 time series. The final combined FSC time series revealed two topography-dependent snowmelt patterns that corresponded to in-situ measurements. Additionally TSX was able to detect snow patches longer in the season than Landsat 8, underlining the advantage of TSX for detection of old snow. The TSX-derived snow information provided valuable insights into snowmelt dynamics on Qikiqtaruk previously not available. The sensitivity of TSX to vegetation structure associated with phenological changes was explored on Qikiqtaruk. Backscatter and coherence time series were compared to greenness data extracted from in-situ digital time-lapse cameras and detailed vegetation parameters on 30 areas of interest. Supporting previous results, vegetation height corresponded to backscatter intensity in co-polarized HH/VV at an incidence angle of 31°. The dry, tall shrub dominated ecological class showed increasing backscatter with increasing greenness when using the cross polarized VH/HH channel at 32° incidence angle. This is likely driven by volume scattering of emerging and expanding leaves. Ecological classes with more prostrate vegetation and higher bare ground contributions showed decreasing backscatter trends over the growing season in the co-polarized VV/HH channels likely a result of surface drying instead of a vegetation structure signal. The results from shrub dominated areas are promising and provide a complementary data source for high temporal monitoring of vegetation phenology. Overall this thesis demonstrates that dense time series of TSX with optical remote sensing and in-situ time-lapse data are complementary and can be used to monitor rapid and seasonal processes in Arctic landscapes at high spatial and temporal resolution. N2 - Die Erwärmung der Arktis hat Auswirkungen auf die Stabilität und Funktion terrestrischer arktischer Ökosysteme, auf das globale Klima, sowie auf sozioökonomische Systeme nördlicher Gemeinden. Es besteht eine Forschungslücke bei der Überwachung der Saisonalität von Permafrostdegradation, Schneebedeckung und Vegetationsphänologie. Diese Dissertation untersucht den Nutzen von TerraSAR-X (TSX) X-Band Daten für die Überwachung eisreicher Ufererosion, Schneeschmelze, sowie Phänologie arktischer Vegetation im zentralen Lena Delta in Russland und auf Qikiqtaruk (Herschel Island), Kanada. Die Dynamik intrasaisonaler eisreicher Ufererosion im zentralen Lena-Delta in Russland wurde mit TSX Rückstreuintensitätsbildern quantifiziert und mit optischen Satelliten-Daten und Feldmessungen validiert. Kliff Kanten wurden automatisch aus TSX-Intensitätsbildern extrahiert und in einem Geoinformationssystem mit manuell digitalisierten Kliff Kanten aus optischen Satellitendaten, sowie mit Erosionsraten aus Zeitrafferkameras zusammengeführt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Kliff Kante während der gesamten Auftauzeit mit konstanter Geschwindigkeit zurückzog. Die Verwendung von linearen Mischmodellen bestätigte, dass die Erosion im jährlichen Maßstab mit der Lufttemperatur und dem Niederschlag gekoppelt war, saisonale Schwankungen beeinflussten die Erosionsrate nicht. Die Ergebnisse stützen die Verwendung von TSX zur Überwachung schneller Permafrostdegradation mit hoher zeitlicher Auflösung. Die eindeutige Signatur von nassem Schnee in TSX Rückstreuintensitätsbildern wurde genutzt, um Schneeverteilungskarten (SCE) auf Qikiqtaruk in hoher zeitlicher Auflösung zu erzeugen. Aus TSX abgeleitete SCE zeigten eine große Ähnlichkeit zu SCE aus Landsat 8 Daten. Zeitreihen von prozentualer Schneebedeckung (FSC) wurden aus TSX und optischen SCE extrahiert und mit FSC-Schätzungen aus in-situ Zeitrafferkamera Daten verglichen. Auch hier zeigte TSX eine starke Übereinstimmung mit den in-situ-Daten und verbesserte die zeitliche Auflösung im Vergleich zur Landsat 8 Zeitreihe erheblich. Aus einer finalen kombinierten FSC-Zeitreihe konnten zwei Muster von Schneeschmelzen in ausgewählten Einzugsgebieten abgeleitet werden, die sich mit den in-situ Messungen deckten. Zusätzlich konnte TSX später in der Saison Schnee länger erkennen als Landsat 8, was den Vorteil von TSX zur Erkennung von Altschnee unterstreicht. Die TSX-abgeleiteten Schnee-Informationen lieferten wertvolle Einblicke in die Schneeschmelz-Dynamik auf Qikiqtaruk, welche zuvor nicht verfügbar waren. Die Empfindlichkeit von TSX für Vegetationsstruktur, die mit phänologischen Veränderungen einhergeht, wurde auf Qikiqtaruk untersucht. Rückstreu- und Kohärenzzeitreihen wurden aus 30 Testgebieten extrahiert. Die Rückstreu- und Kohärenzsignale wurden mit Vitalitäts-Daten verglichen, die aus in-situ-Zeitrafferkamera Zeitreihen extrahiert wurden. Die Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Vegetationshöhe und der Rückstreuintensität in HH / VV polarisierten Daten bei einem Einfallswinkel von 31 °. Ferner zeigte die ökologische Klasse mit einer Kombination von hohen Sträuchern und trockenen Oberflächenbedingungen eine zunehmende Rückstreuung mit zunehmende Pflanzenvitalität, wenn der kreuzpolarisierte VH / HH-Kanal bei 32 ° Einfallswinkel verwendet wurde. Die Ergebnisse aus strauchdominierten Klassen sind vielversprechend und liefern eine ergänzende Datenquelle für zeitlich hochaufgelöste Beobachtung der Vegetationsphänologie. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass TSX X-Band-Daten schnelle und saisonale Prozesse in arktischen Landschaften mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung überwachen können. KW - SAR KW - remote sensing KW - arctic KW - SAR KW - Fernerkundung KW - Arktis Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425783 ER - TY - THES A1 - Stolle, Amelie T1 - Catastrophic Sediment Pulses in the Pokhara Valley, Nepal T1 - Katastrophale Sediment Ablagerungen im Pokhara Tal, Nepal N2 - Fluvial terraces, floodplains, and alluvial fans are the main landforms to store sediments and to decouple hillslopes from eroding mountain rivers. Such low-relief landforms are also preferred locations for humans to settle in otherwise steep and poorly accessible terrain. Abundant water and sediment as essential sources for buildings and infrastructure make these areas amenable places to live at. Yet valley floors are also prone to rare and catastrophic sedimentation that can overload river systems by abruptly increasing the volume of sediment supply, thus causing massive floodplain aggradation, lateral channel instability, and increased flooding. Some valley-fill sediments should thus record these catastrophic sediment pulses, allowing insights into their timing, magnitude, and consequences. This thesis pursues this theme and focuses on a prominent ~150 km2 valley fill in the Pokhara Valley just south of the Annapurna Massif in central Nepal. The Pokhara Valley is conspicuously broad and gentle compared to the surrounding dissected mountain terrain, and is filled with locally more than 70 m of clastic debris. The area’s main river, Seti Khola, descends from the Annapurna Sabche Cirque at 3500-4500 m asl down to 900 m asl where it incises into this valley fill. Humans began to settle on this extensive fan surface in the 1750’s when the Trans-Himalayan trade route connected the Higher Himalayas, passing Pokhara city, with the subtropical lowlands of the Terai. High and unstable river terraces and steep gorges undermined by fast flowing rivers with highly seasonal (monsoon-driven) discharge, a high earthquake risk, and a growing population make the Pokhara Valley an ideal place to study the recent geological and geomorphic history of its sediments and the implication for natural hazard appraisals. The objective of this thesis is to quantify the timing, the sedimentologic and geomorphic processes as well as the fluvial response to a series of strong sediment pulses. I report diagnostic sedimentary archives, lithofacies of the fan terraces, their geochemical provenance, radiocarbon-age dating and the stratigraphic relationship between them. All these various and independent lines of evidence show consistently that multiple sediment pulses filled the Pokhara Valley in medieval times, most likely in connection with, if not triggered by, strong seismic ground shaking. The geomorphic and sedimentary evidence is consistent with catastrophic fluvial aggradation tied to the timing of three medieval Himalayan earthquakes in ~1100, 1255, and 1344 AD. Sediment provenance and calibrated radiocarbon-age data are the key to distinguish three individual sediment pulses, as these are not evident from their sedimentology alone. I explore various measures of adjustment and fluvial response of the river system following these massive aggradation pulses. By using proxies such as net volumetric erosion, incision and erosion rates, clast provenance on active river banks, geomorphic markers such as re-exhumed tree trunks in growth position, and knickpoint locations in tributary valleys, I estimate the response of the river network in the Pokhara Valley to earthquake disturbance over several centuries. Estimates of the removed volumes since catastrophic valley filling began, require average net sediment yields of up to 4200 t km−2 yr−1 since, rates that are consistent with those reported for Himalayan rivers. The lithological composition of active channel-bed load differs from that of local bedrock material, confirming that rivers have adjusted 30-50% depending on data of different tributary catchments, locally incising with rates of 160-220 mm yr−1. In many tributaries to the Seti Khola, most of the contemporary river loads come from a Higher Himalayan source, thus excluding local hillslopes as sources. This imbalance in sediment provenance emphasizes how the medieval sediment pulses must have rapidly traversed up to 70 km downstream to invade the downstream reaches of the tributaries up to 8 km upstream, thereby blocking the local drainage and thus reinforcing, or locally creating new, floodplain lakes still visible in the landscape today. Understanding the formation, origin, mechanism and geomorphic processes of this valley fill is crucial to understand the landscape evolution and response to catastrophic sediment pulses. Several earthquake-triggered long-runout rock-ice avalanches or catastrophic dam burst in the Higher Himalayas are the only plausible mechanisms to explain both the geomorphic and sedimentary legacy that I document here. In any case, the Pokhara Valley was most likely hit by a cascade of extremely rare processes over some two centuries starting in the early 11th century. Nowhere in the Himalayas do we find valley fills of comparable size and equally well documented depositional history, making the Pokhara Valley one of the most extensively dated valley fill in the Himalayas to date. Judging from the growing record of historic Himalayan earthquakes in Nepal that were traced and dated in fault trenches, this thesis shows that sedimentary archives can be used to directly aid reconstructions and predictions of both earthquake triggers and impacts from a sedimentary-response perspective. The knowledge about the timing, evolution, and response of the Pokhara Valley and its river system to earthquake triggered sediment pulses is important to address the seismic and geomorphic risk for the city of Pokhara. This thesis demonstrates how geomorphic evidence on catastrophic valley infill can help to independently verify paleoseismological fault-trench records and may initiate re-thinking on post-seismic hazard assessments in active mountain regions. N2 - Der Transport von Sedimenten in Flüssen ist wichtig, um Landschaftsformen in Gebirgsregionen entstehen zu lassen. Eine erhöhte, plötzliche Sedimentzufuhr, beispielsweise durch Massenbewegungen ausgelöst, kann ein Flusssystem schnell aus dem Gleichgewicht bringen. Innerhalb kurzer Zeit transportiertes Sediment wird häufig an Überschwemmungsflächen abgelagert, was zu instabilen Flussverläufen, erhöhtem Sedimentabtrag und vermehrten Überschwemmungen führen kann. Talverfüllungen, Schwemmmfächer, Flussterrassen und Überschwemmungsebenen sind in diesem Zusammenhang die am häufigsten vorkommenden Landschaftsformen, um große Materialvolumen zu speichern. Weil Wasser und Sediment als Baustoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen, sind sie bevorzugte Siedlungsflächen. Diese Dissertation untersucht in drei Studien die Entstehung, geomorphologische und sedimentologische Prozesse, sowie die Anpassung des Flusssystems auf einen erhöhten Sedimenteintrag des heute mit Sedimenten verfüllten Pokhara Tals im zentralen Himalaya. Die Stadt Pokhara liegt am Fuße des bis zu 8000 m hohen Annapurna Massivs auf einem ~150 km2 großen, aus klastischen Sedimentablagerungen bestehender Fächer. Das Tal ist von bis zu 70 m hohen Terrassen gekennzeichnen und auffallend flach im Vergleich zur umliegenden Topographie. Der Seti Khola entwässert das Annapurna Massiv in einer Höhe von 3500-5000 m ü.N.N. und erreicht nach kurzer Distanz den Pokhara Fächer. Erste Bewohner siedelten sich in den 1750er Jahren an als die frühere Handelsroute den Hohen Himalaya mit dem subtropischen Tiefland (Terai) verbunden hat. Seither wächst die Stadt stetig und ist heute, nach Kathmandu, die zweitgrößte Stadt Nepals. Durch die Nähe der geologischen Hauptstörung zwischen dem Hohen Himalaya und dem tiefer liegenden Vorderen Himalaya herrscht ein hohes Erdbebenrisiko im Pokhara Tal. Die Kombination aus hohen Terrassen und tiefen, von schnell fließenden Flüssen ausgespülten Schluchten, machen das Tal zu einem geeigneten Ort, um die kaum untersuchte geologische und geomorphologische Geschichte der in diesem Tal abgelagernten Sedimente zu erforschen. Um Landschaftsveränderungen und -entwicklungen zu verstehen sowie die Reaktion des Flussnetzes auf erhöhte Sedimentzufuhr zu überblicken, ist es unabdingbar, den Ursprung des Materials, die sedimentologischen Prozesse und mögliche Auslöser der Talverfüllung zu analysieren. Daten und Proben aus dem Gelände, die später im Labor datiert, ausgewertet, mit sedimentologischen Aufzeichnungen kombiniert und durch fernerkundliche Methoden ergänzt und analysiert wurden, bilden die Basis der Ergebnisse dieser Dissertation. Da solche massiven, in sehr kurzer Zeit abgelagerten Sedimente auf eine katastrophale Entstehung hindeuten, spielt auch der zeitliche Aspekt eine wichtige Rolle. erschiedene Beweise zeigen, dass mindestens drei Sedimentereignisse das Pokhara Tal verfüllt haben. Ich dokumentiere ein aufschlussreiches Sedimentarchiv, Sedimentabfolgen geochemische Provenienz, Radiokarbonalter und die stratigraphische Beziehung zwischen diesen Ergebnissen. Diese unabhängig voneinander gewonnen Ergebnisse zeigen, dass geomorphologische und sedimentologische Beweise mit den Altersdatierungen konsistent sind und wir mit diesen Untersuchungen die abgelagerten Geröllmassen mit historischen Starkbeben in Verbindung bringen können (~1100, 1255, 1344 AD). Provenienz in Kombination mit den Altersdatierungen lassen uns wiederum die drei Ereignisse in ihren Mächtigkeit unterscheiden und individuel das Volumen bestimmen. Messungen zur Anpassung des Flusssystems ergeben, dass das System noch stark von seinem Gleichgewicht abweicht, da erst 30-70% des über kurze Zeit abgelagerten Materials aus dem Flussbett ausgeräumt wurden. Hierfür benutzte Marker sind unter Anderem volumetrische Berechnungen, Erosionsund Einschneideraten der Flüsse, Bäume in ihrer Wachstumsposition zur Altersdatierung und Stufen im Längsgerinneprofil der Seitenflüsse. Das bis heute abgetragene Volumen ergibt Sedimentaustragsraten von bis zu 4200 t km−2 yr−1 am Fuß des Fächers. Die lithologische Zusammensetzung aktiver Flussbänke in Seitentälern zeigt, dass Material der Formation gegenüber lokalem Grundgestein immer noch dominiert. Dieses lithologische Ungleichgewicht verdeutlicht, wie schnell Sedimentmassen in drei Ereignissen über 70 km talabwärts und bis zu 8 km flussaufwärts (in die Seitentäler) abgelagert wurden. Lokale Einschneideraten in die Pokhara Formation liegen zwischen 0.16-0.22 m yr−1 und weisen auf einen sich schnell verändernden Flussverlauf hin. Um die Landschaftsentwicklung nach solch massiven Sedimentablagerungen analysieren zu können, müssen die Sedimentologie, die geomorphologischen Prozesse, der Ursprung und die Mechanismen der Talverfüllung verstanden und als Basiswissen vorausgesetzt werden. Aus den gewonnen Resultaten schließen wir, dass das Pokhara Tal von mehreren katastrophal aufeinanderfolgenden Naturereignissen in einem Zeitraum von ~200 Jahren seit dem 12. Jahrhundert heimgesucht wurde. Nirgendwo im Himalaya finden wir vergleichbare Talverfüllungen, weder in ihrer Größe, noch in dieser detailliert aufgenommenen geomorphologischen Geschichte und sedimentologischen Aufzeichnungen. Das Pokhara Tals ist damit eine der am besten datierten Talverfüllungen des gesamten Himalaya. Diese Arbeit zeigt, dass in sedimentären Archiven - unabhängig von der Paleoseismologie - historische Starkbeben datiert und erkannt werden können. So hilft das Wissen über den zeitlichen Verlauf der Talverfüllung, die Entwicklung des Fächers und die Anpassung des Flusssystems in Zukunft Entscheidungen zu treffen, die das geomorphologische Risiko für die Stadt Pokhara vermindern und gleichzeitig bauliche Maßnahmen besser an die lokalen Risikofaktoren angepasst werden können. KW - geomorphology KW - geohazards KW - Himalaya KW - radiocarbon age dating KW - Geomorphologie KW - Naturgefahren KW - Himalaya KW - Radiokarbondatierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413341 ER - TY - THES A1 - Rosenwinkel, Swenja T1 - Rock glaciers and natural dams in Central Asia T1 - Blockgletscher und natürliche Staudämme in Zentralasien N2 - The formation and breaching of natural dammed lakes have formed the landscapes, especially in seismically active high-mountain regions. Dammed lakes pose both, potential water resources, and hazard in case of dam breaching. Central Asia has mostly arid and semi-arid climates. Rock glaciers already store more water than ice-glaciers in some semi-arid regions of the world, but their distribution and advance mechanisms are still under debate in recent research. Their impact on the water availability in Central Asia will likely increase as temperatures rise and glaciers diminish. This thesis provides insight to the relative age distribution of selected Kyrgyz and Kazakh rock glaciers and their single lobes derived from lichenometric dating. The size of roughly 8000 different lichen specimens was used to approximate an exposure age of the underlying debris surface. We showed that rock-glacier movement differs signifcantly on small scales. This has several implications for climatic inferences from rock glaciers. First, reactivation of their lobes does not necessarily point to climatic changes, or at least at out-of-equilibrium conditions. Second, the elevations of rock-glacier toes can no longer be considered as general indicators of the limit of sporadic mountain permafrost as they have been used traditionally. In the mountainous and seismically active region of Central Asia, natural dams, besides rock glaciers, also play a key role in controlling water and sediment infux into river valleys. However, rock glaciers advancing into valleys seem to be capable of infuencing the stream network, to dam rivers, or to impound lakes. This influence has not previously been addressed. We quantitatively explored these controls using a new inventory of 1300 Central Asian rock glaciers. Elevation, potential incoming solar radiation, and the size of rock glaciers and their feeder basins played key roles in predicting dam appearance. Bayesian techniques were used to credibly distinguish between lichen sizes on rock glaciers and their lobes, and to find those parameters of a rock-glacier system that are most credibly expressing the potential to build natural dams. To place these studies in the region's history of natural dams, a combination of dating of former lake levels and outburst flood modelling addresses the history and possible outburst flood hypotheses of the second largest mountain lake of the world, Issyk Kul in Kyrgyzstan. Megafoods from breached earthen or glacial dams were found to be a likely explanation for some of the lake's highly fluctuating water levels. However, our detailed analysis of candidate lake sediments and outburst-flood deposits also showed that more localised dam breaks to the west of Issyk Kul could have left similar geomorphic and sedimentary evidence in this Central Asian mountain landscape. We thus caution against readily invoking megafloods as the main cause of lake-level drops of Issyk Kul. In summary, this thesis addresses some new pathways for studying rock glaciers and natural dams with several practical implications for studies on mountain permafrost and natural hazards. N2 - Die Entstehung und das Ausbrechen natürlicher Stauseen prägen die Landschaft, insbesondere in seinsmisch aktiven Hochgebirgsregionen. Stauseen bergen zugleich Potential für Wasserressourcen, aber Gefahr durch Überflutungen. Mit steigenden Temperaturen und voranschreitender Gletscherschmelze wird der Bedarf an alternativen Wasserressourcen steigen. Zentralasien unterliegt größtenteils ariden und semiariden Klimabedingungen. In manchen semiariden Gebieten der Welt speichern Blockgletscher heute schon mehr Wasser als Eisgletscher. Ihr Anteil an der Wasserverfügbarkeit in Zentralasien wird in Zukunft vermutlich steigen. Die Verteilung und die Mechanismen, die das Auftreten und das Vorrücken der Blockgletscher beeinflussen, sind allerdings noch nicht gut erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden Blockgletscher in Kirgistan und Kasachstan ausgewählt, um die Altersverteilung ihrer Loben relativ mit Lichenometrie zu bestimmen. Dafür wurden etwa 8000 Flechtendurchmesser gemessen, die, bei bekannter Wachstumsrate, Aussagen über das Expositionsalter des unterliegenden Gesteins zulassen und somit über die Zeit, seitdem keine Bewegungen mehr stattgefunden haben, die eine andere Seite des Gesteins exponiert hätten. Es zeigte sich, dass die Blockgletscherbewegungen auf kleinräumiger Skala sehr unterschiedlich sind und nicht allein von großräumigen topoklimatischen Gegebenheiten abhängen. Diese Erkenntnis bedeutet eine Einschränkung des in der Literatur häufig gezogenen Rückschlusses von Blockgletscherbewegungen auf klimatische Veränderungen oder der Nutzung von Blockgletscherhöhen als Indikator für die untere Grenze des Permafrostbereiches. Natürliche Staudämme spielen eine Schlüsselrolle dabei den Wasser- und Sedimenteintrag in die Flüsse zu kontrollieren. Blockgletscher können ebenfalls so weit in das Tal vorrücken, dass sie Flussläufe beeinflussen und Seen aufstauen. Diesem Phenomen wurde in dieser Arbeit erstmals nachgegangen und mit einem neu erstellten Inventar von 1300 Blockgletschern die möglichen Kontrollfaktoren, die zu der Bildung eines Blockglestcherdamms führen, ausgewertet. Die Blockgletscherhöhe, die potentielle Sonneneinstrahlung, sowie die Größe der Blockgletscher und ihrer Einzugsgebiete spielen dabei eine große Rolle für die Vorhersage des Auftretens von Blockgletscherdämmen. Für die beiden eben genannten Studien wurde ein Bayesisches Verfahren gewählt, um die mit Hilfe der Größenunterschiede der Flechtendurchmesser auf den einzelnen Blockgletschern und ihren Loben gewonnenen relativen Gesteinsexpositonsaltersunterschiede zu identifizieren. Desweiteren wurde die Methode genutzt, um die Parameter ausfindig zu machen, die am wahrscheinlichsten dazu führen, dass Blockgletscher Dämme bilden. Mit einer Kombination aus Datierungen vergangener Seespiegelstände und Flutmodellierungen möglicher Seeausbrüche des Issyk Kul in Kirgistan, des zweitgrößten Bergsees der Welt, geht diese Arbeit der Plausibilit ät der Zusammenhänge zwischen Seespiegelschwankungen und -ausbrüchen nach, die sich im Quartär zugetragen haben. Dabei wurde ein zeitlicher Zusammenhang zwischen Seespiegelsenkung und Flutablagerungen bestätigt. Die Modellierungen deuten auf groÿe Seeausbrüche hin, zeigen allerdings auch die Möglichkeit auf, dass ein kleinerer aufgestauter See westlich des Issyk Kul auch ähnliche Spuren im Sedimentarchiv hinterlassen haben könnte. Somit sind die Seespiegelabfälle nicht eindeutig katastrophalen Seeausbrüchen zuzuordnen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit neueWege Blockgletscher und natürliche Staudämme zu analysieren und die Ergebnisse liefern praktische Hinweise für die Permafrost- und Naturgefahrenforschung. KW - rock glaciers KW - natural dams KW - natural hazard KW - lichenometry KW - lake-level change KW - cosmogenic nuclide dating KW - Bayes KW - Bayesische Statistik KW - Altersdatierung mit kosmogenen Nukliden KW - Seespiegelschwankungen KW - Lichenometrie KW - Natürliche Staudämme KW - Naturgefahren KW - Blockgletscher Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410386 ER - TY - THES A1 - Öztürk, Ugur T1 - Learning more to predict landslides T1 - Ein verbessertes Wissen zur Prognose von Hangrutschungen N2 - Landslides are frequent natural hazards in rugged terrain, when the resisting frictional force of the surface of rupture yields to the gravitational force. These forces are functions of geological and morphological factors, such as angle of internal friction, local slope gradient or curvature, which remain static over hundreds of years; whereas more dynamic triggering events, such as rainfall and earthquakes, compromise the force balance by temporarily reducing resisting forces or adding transient loads. This thesis investigates landslide distribution and orientation due to landslide triggers (e.g. rainfall) at different scales (6-4∙10^5 km^2) and aims to link rainfall movement with the landslide distribution. It additionally explores the local impacts of the extreme rainstorms on landsliding and the role of precursory stability conditions that could be induced by an earlier trigger, such as an earthquake. Extreme rainfall is a common landslide trigger. Although several studies assessed rainfall intensity and duration to study the distribution of thus triggered landslides, only a few case studies quantified spatial rainfall patterns (i.e. orographic effect). Quantifying the regional trajectories of extreme rainfall could aid predicting landslide prone regions in Japan. To this end, I combined a non-linear correlation metric, namely event synchronization, and radial statistics to assess the general pattern of extreme rainfall tracks over distances of hundreds of kilometers using satellite based rainfall estimates. Results showed that, although the increase in rainfall intensity and duration positively correlates with landslide occurrence, the trajectories of typhoons and frontal storms were insufficient to explain landslide distribution in Japan. Extreme rainfall trajectories inclined northwestwards and were concentrated along some certain locations, such as coastlines of southern Japan, which was unnoticed in the landslide distribution of about 5000 rainfall-triggered landslides. These landslides seemed to respond to the mean annual rainfall rates. Above mentioned findings suggest further investigation on a more local scale to better understand the mechanistic response of landscape to extreme rainfall in terms of landslides. On May 2016 intense rainfall struck southern Germany triggering high waters and landslides. The highest damage was reported at the Braunsbach, which is located on the tributary-mouth fan formed by the Orlacher Bach. Orlacher Bach is a ~3 km long creek that drains a catchment of about ~6 km^2. I visited this catchment in June 2016 and mapped 48 landslides along the creek. Such high landslide activity was not reported in the nearby catchments within ~3300 km^2, despite similar rainfall intensity and duration based on weather radar estimates. My hypothesis was that several landslides were triggered by rainfall-triggered flash floods that undercut hillslope toes along the Orlacher Bach. I found that morphometric features such as slope and curvature play an important role in landslide distribution on this micro scale study site (<10 km^2). In addition, the high number of landslides along the Orlacher Bach could also be boosted by accumulated damages on hillslopes due karst weathering over longer time scales. Precursory damages on hillslopes could also be induced by past triggering events that effect landscape evolution, but this interaction is hard to assess independently from the latest trigger. For example, an earthquake might influence the evolution of a landscape decades long, besides its direct impacts, such as landslides that follow the earthquake. Here I studied the consequences of the 2016 Kumamoto Earthquake (MW 7.1) that triggered some 1500 landslides in an area of ~4000 km^2 in central Kyushu, Japan. Topography, i.e. local slope and curvature, both amplified and attenuated seismic waves, thus controlling the failure mechanism of those landslides (e.g. progressive). I found that topography fails in explaining the distribution and the preferred orientation of the landslides after the earthquake; instead the landslides were concentrated around the northeast of the rupture area and faced mostly normal to the rupture plane. This preferred location of the landslides was dominated mainly by the directivity effect of the strike-slip earthquake, which is the propagation of wave energy along the fault in the rupture direction; whereas amplitude variations of the seismic radiation altered the preferred orientation. I suspect that the earthquake directivity and the asymmetry of seismic radiation damaged hillslopes at those preferred locations increasing landslide susceptibility. Hence a future weak triggering event, e.g. scattered rainfall, could further trigger landslides at those damaged hillslopes. N2 - Hangrutschungen treten häufig in steilem Gelände auf, wenn die Erdanziehungskraft die Scherkräfte an der Oberfläche übersteigt. Diese Kräfte beinhalten geologische und geomorphologische Faktoren wie den Reibungswinkel oder die Neigung und Krümmung von Hängen, die über Jahrhunderte statisch bleiben können. Dynamische Ereignisse wie Regenfälle und Erdbeben können hingegen das Kräftegleichgewicht beeinträchtigen, indem sie Widerstandskräfte vorübergehend reduzieren oder Lasten temporär hinzufügen. Diese Arbeit untersucht die Verteilung und Orientierung von Hangrutschungen in Abhängigkeit von Auslösern (z.B. Niederschlag) auf verschiedenen Skalenebenen (6-4∙10^5 km^2) und verknüpft die Bewegung des Niederschlagssystems mit der Hangrutschungsverteilung. Zudem werden lokale Auswirkungen von extremen Gewittern auf Hangrutschungen untersucht, sowie vorausgehende Stabilitätsbedingungen, die durch ein früheres Ereignis, beispielsweise ein Erdbeben, verändert werden können. Extremer Niederschlag ist ein weithin bekannter Auslöser für Hangrutschungen. Obwohl mehrere Studien die Verteilung von Hangrutschungen mit der Niederschlagsintensität und -dauer verglichen haben, beachteten nur wenige Fallstudien das räumliche Bewegungsmuster des Niederschlags, i.e. den orographischen Effekt. Eine solche Quantifizierung könnte die Vorhersage von hangrutschungsgefährdete Regionen in Japan verbessern. Hierfür habe ich ein nicht-lineares Korrelationsmaß (event synchronization) auf regionale Sturmbahnen in Japan angewendet, um deren räumliche Verteilung durch satellitengestützen Regenschätzungen nachzuvollziehen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass sich die Verteilung von Hangrutschungen nur unzureichend mit den Zugbahnen von Taifunen und Sturmtiefen erklären lässt. Die Stabilität von Hängen scheint mehr durch mittlere Jahresniederschlagsmengen beeinflusst zu werden. Erzielte Ergebnisse zeigen, dass weitere Untersuchungen auf lokaler Ebene nötig sind, um die unmittelbare Auswirkungen von Extremniederschlägen auf Hangstabilität und -rutschungen besser zu verstehen. Im Mai 2016 kam es in Süddeutschland zu einem heftigen Gewitter, das Hochwasser und Hangrutschungen ausgelöst hat. Der höchste Schaden wurde in Braunsbach, dessen Zentrum sich am Zufluss des Orlacher Bachs befindet, gemeldet. Der Orlacher Bach ist ~3 lang und hat ein Einzugsgebiet von etwa ~6 km^2. Ich habe dieses Einzugsgebiet im Juni 2016 besucht und 48 Hangrutschungen entlang des Baches kartiert. Ich vermutete, dass mehrere Hangrutschungen durch Sturzfluten ausgelöst wurden, welche die Hänge entlang des Orlacher Baches unterspülten. Ich stellte fest, dass morphometrische Merkmale wie die lokale Hangneigung und -krümmung eine wichtige Rolle bei der Hangrutschungsverteilung auf dieser Mikroskala spielen (<10 km^2). Darüber hinaus könnte die hohe Anzahl von Hangrutschungen am Orlacher Bach auch durch Karstverwitterung über längere Zeiträume verstärkt werden. Zahlreiche in der Vergangenheit liegende Ereignisse können die Stabilität eines Hanges beeinflussen. Der Einfluss solcher Ereignisse ist nur sehr schwer unabhängig voneinander abschätzbar. Beispielseise könnte ein Erdbeben die Entwicklung einer Landschaft über Jahrzehnte hin beeinflussen. Hier erforsche ich die Folgen des Kumamoto-Erdbebens 2016 (MW 7.1) das im Zentrum von Kyushu, Japan, ca. 1500 Hangrutschungen in einem Gebiet von ~4000 km^2 ausgelöst hat. Die Topographie (Hangneigung und -krümmung) verstärkte schwächte seismische Wellen gleichermaßen ab, wodurch der Auslösemechanismus dieser Hangrutschungen (z.B. progressiv) gesteuert wird. Ich konnte belegen, dass die Topographie die Verteilung und die bevorzugte Ausrichtung der Hangrutsche nach dem Erdbeben nicht erklären kann; stattdessen waren die Hangrutschungen um den Nordosten des Bruchgebiets herum konzentriert und standen meist senkrecht zur Bruchfläche. Diese bevorzugte Lage der Erdrutsche wurde hauptsächlich durch den Richtwirkungseffekt des Blattverschiebung-Erdbebens dominiert. Bei diesem handelt es sich um die Ausbreitung der Wellenenergie entlang des Bruches in Bruchrichtung, während Amplitudenvariationen der seismischen Strahlung die bevorzugte Orientierung ändern. Ich vermute, dass die Richtwirkung des Erdbebens und die Asymmetrie der seismischen Strahlung die Hangneigung an diesen bevorzugten Stellen schädigten und die Anfälligkeit für Hangrutschungen erhöhten. Daher könnte ein zukünftiges schwaches Ereignis wie z.B. ein unbedeutender Niederschlag an diesen beschädigten Hängen weitere Hangrutschungen auslösen. KW - landslides KW - complex networks KW - event synchronization KW - typhoons KW - Kumamoto earthquake KW - Braunsbach flash flood KW - Hangrutschungen KW - komplexes Netzwerk KW - Synchronisation von Ereignissen KW - Taifune KW - Kumamoto Erdbeben KW - Braunsbach Sturzflut Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426439 ER - TY - THES A1 - Brell, Maximilian T1 - Physically based fusion of airborne hyperspectral and lidar data BT - towards a holistic structural and spectral object characterization Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Siegmund, Jonatan Frederik T1 - Quantifying impacts of climate extreme events on vegetation T1 - Über die Quantifizierung des Einflusses extremer Klimaereignisse auf Vegetation BT - event coincidence analysis and its applications across scales BT - die Event Koinzidenz Analyse und deren Anwendung auf verschiedenen Skalen N2 - Together with the gradual change of mean values, ongoing climate change is projected to increase frequency and amplitude of temperature and precipitation extremes in many regions of Europe. The impacts of such in most cases short term extraordinary climate situations on terrestrial ecosystems are a matter of central interest of recent climate change research, because it can not per se be assumed that known dependencies between climate variables and ecosystems are linearly scalable. So far, yet, there is a high demand for a method to quantify such impacts in terms of simultaneities of event time series. In the course of this manuscript the new statistical approach of Event Coincidence Analysis (ECA) as well as it's R implementation is introduced, a methodology that allows assessing whether or not two types of event time series exhibit similar sequences of occurrences. Applications of the method are presented, analyzing climate impacts on different temporal and spacial scales: the impact of extraordinary expressions of various climatic variables on tree stem variations (subdaily and local scale), the impact of extreme temperature and precipitation events on the owering time of European shrub species (weekly and country scale), the impact of extreme temperature events on ecosystem health in terms of NDVI (weekly and continental scale) and the impact of El Niño and La Niña events on precipitation anomalies (seasonal and global scale). The applications presented in this thesis refine already known relationships based on classical methods and also deliver substantial new findings to the scientific community: the widely known positive correlation between flowering time and temperature for example is confirmed to be valid for the tails of the distributions while the widely assumed positive dependency between stem diameter variation and temperature is shown to be not valid for very warm and very cold days. The larger scale investigations underline the sensitivity of anthrogenically shaped landscapes towards temperature extremes in Europe and provide a comprehensive global ENSO impact map for strong precipitation events. Finally, by publishing the R implementation of the method, this thesis shall enable other researcher to further investigate on similar research questions by using Event Coincidence Analysis. N2 - Neben der graduellen Änderung der mittleren klimatischen Bedingungen wird für viele Regionen Europas ein Anstieg in Häufigkeit und Intensität der Temperatur- und Niederschlagsextreme projiziert. Die Auswirkungen solcher meist nur kurz anhaltenden Klimaextreme auf terrestrische Ökosysteme sind zentraler Bestandteile aktueller Klimaforschung, weil nicht per se davon ausgegangen werden kann, dass Abhängihkeitsverhältnisse zwischen Klima- und Umweltvariblen linear skalierbar sind. Weil klimatische Extremereignisse selten und in der Regel nur von kurzer Dauer sind, wird für Untersuchungen über deren Auswirkungen eine analytische Methode benötigt, welche es erlaubt die Gleichzeitigkeit von Events in zwei Zeitreihen zu quantifizieren. In diesem Manuskript wird der neue statistische Ansatz der Event Coincidence Analysis sowie deren R-Implementierung vorgestellt. Zusätzlich werden verschiedene Anwendungen der Methode im Bereich der Klimafolgenforschung auf unterschiedlichen Skalen vorgelegt: Die Auswirkungen außergewöhnlicher Ausprägungen verschiedener meteorologischer Parameter auf den Stammumfang heimischer Bäume auf der täglichen lokalen Skala, die Auswirkungen von extremen Temperatur- und Niederschlagsereignissen auf die Blühzeitpunkte heimischer Sträucher auf der wöchentlichen regionalen Skala, die Auswirkung von Temperaturextremen auf den Allgemeinzustand eines Ökosystems (NDVI) auf der wöchentlichen kontinentalen Skala und der Einfluss von El Nino und La Nina Events auf Niedeschlagsanomalien auf der saisonalen globalen Skala. Schließlich soll die Veröffentlichung einer R-Implementierung der Methodik andere Wissenschaftler zur Nutzung letzterer befähigen und diese bei der Beantwortung weiterer Forschungsfragen unterstützen. KW - vegetation KW - event coincidence analysis KW - climate extreme events KW - climate impacts KW - Vegetation KW - Event Koinzidenz Analyse KW - extreme Klimaereignisse Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407095 ER - TY - THES A1 - Ramos, Catalina T1 - Structure and petrophysical properties of the Southern Chile subduction zone along 38.25°S from seismic data T1 - Struktur und petrophysikalische Eigenschaften der südlichen Chile-Subduktionszone bei 38.25°S anhand seismischer Daten N2 - Active and passive source data from two seismic experiments within the interdisciplinary project TIPTEQ (from The Incoming Plate to mega Thrust EarthQuake processes) were used to image and identify the structural and petrophysical properties (such as P- and S-velocities, Poisson's ratios, pore pressure, density and amount of fluids) within the Chilean seismogenic coupling zone at 38.25°S, where in 1960 the largest earthquake ever recorded (Mw 9.5) occurred. Two S-wave velocity models calculated using traveltime and noise tomography techniques were merged with an existing velocity model to obtain a 2D S-wave velocity model, which gathered the advantages of each individual model. In a following step, P- and S-reflectivity images of the subduction zone were obtained using different pre stack and post-stack depth migration techniques. Among them, the recent prestack line-drawing depth migration scheme yielded revealing results. Next, synthetic seismograms modelled using the reflectivity method allowed, through their input 1D synthetic P- and S-velocities, to infer the composition and rocks within the subduction zone. Finally, an image of the subduction zone is given, jointly interpreting the results from this work with results from other studies. The Chilean seismogenic coupling zone at 38.25°S shows a continental crust with highly reflective horizontal, as well as (steep) dipping events. Among them, the Lanalhue Fault Zone (LFZ), which is interpreted to be east-dipping, is imaged to very shallow depths. Some steep reflectors are observed for the first time, for example one near the coast, related to high seismicity and another one near the LFZ. Steep shallow reflectivity towards the volcanic arc could be related to a steep west-dipping reflector interpreted as fluids and/or melts, migrating upwards due to material recycling in the continental mantle wedge. The high resolution of the S-velocity model in the first kilometres allowed to identify several sedimentary basins, characterized by very low P- and S-velocities, high Poisson's ratios and possible steep reflectivity. Such high Poisson's ratios are also observed within the oceanic crust, which reaches the seismogenic zone hydrated due to bending-related faulting. It is interpreted to release water until reaching the coast and under the continental mantle wedge. In terms of seismic velocities, the inferred composition and rocks in the continental crust is in agreement with field geology observations at the surface along the proflle. Furthermore, there is no requirement to call on the existence of measurable amounts of present-day fluids above the plate interface in the continental crust of the Coastal Cordillera and the Central Valley in this part of the Chilean convergent margin. A large-scale anisotropy in the continental crust and upper mantle, previously proposed from magnetotelluric studies, is proposed from seismic velocities. However, quantitative studies on this topic in the continental crust of the Chilean seismogenic zone at 38.25°S do not exist to date. N2 - Innerhalb des interdisziplinären Projektes TIPTEQ (from The Incoming Plate to mega Thrust EarthQuake processes) wurden aktive und passive Quelldaten zweier seismischer Experimente verwendet, um die strukturellen und petrophysikalischen Eigenschaften (wie zum Beispiel P- und S-Geschwindigkeiten, Poissonsverh ältnisse, Porendruck, Dichte und Flüssigkeitsmenge) in der chilenischen seismogenen Kopplungszone bei 38.25°S darzustellen und zu identifizieren, wo im Jahr 1960 das stärkste je gemessene Erdbeben (Mw 9.5) stattgefunden hat. Zwei Modelle für S-Wellengeschwindigkeiten, basierend auf Techniken für Laufzeiten und Rausch-Tomographie, wurden mit einem existierenden Geschwindigkeitsmodell zu einem 2D-Modell für S-Wellengeschwindigkeiten verbunden, welches der Vorteile der einzelnen Modellkomponenten vereint. Im nächsten Schritt wurden verschiedene pre-stack und post-stack Techniken der Tiefenmigration verwendet, um Bilder der P- und S-Reflektivität zu erhalten. Von diesen Techniken hat das jüngste Schema der pre-stack Linienzug-Tiefenmigration die erkenntnisreichtsen Ergebnisse geliefert. Darauf aufbauend erlauben synthetische Seismogramme, welche die Reflektivitätsmethode verwenden, durch Eingabe der synthetischen 1-D P- und S-Geschwindigkeiten, auf die Komposition und auf Gesteine in der Subduktionszone rückzuschlie ÿen. Schlieÿlich wird ein Bild der Subduktionszone gezeigt, welche die Ergebnisse dieser Arbeit im Zusammenhang mit weiteren Studien interpretiert. Die chilenische seismogene Kopplungszone bei 38.25°S zeigt eine kontinentale Kruste mit sowohl hochgradig reflektierenden horizontalen als auch (steil) geneigten Strukturen. Unter diesen ist die Lanalhue-Bruchzone (LFZ), welche östlich abtaucht, auf sehr flache Tiefen abgebildet. Einige steile Reflektoren wurden zum ersten Mal beobachtet, zum Beispiel nahe der Küste verbunden mit hoher Seismizität, und nahe der LFZ. Steile oberflächliche Reflektivität hin zum vulkanischen Bogen konnten mit einem steilen westlich abtauchenden Reflektor verbunden werden. Dieser besteht wahrscheinlich aus Flüssigkeit oder geschmolzenem Material, welches sich durch Materialrecycling im kontinentalen Mantelkeil aufwärts bewegt. Die hohe Auflösung des S-Geschwindigkeitsmodells in den ersten Kilometern erlaubte es, mehrere sedimentäre Becken zu identifizieren, die sich durch sehr niedrige P- und S-Geschwindigkeiten, hohe Poissonsverhältinesse und mögliche steile reflektivität auszeichnen. Solch hohen Poissonverhältinesse wurden auch in der ozeanischen Kruste beobachtet, welche die seismogene Zone durch krümmungsverursachte Abbrüche hydriert erreicht. Das Wasser wird dabei an der Küste und unter dem kontinentalen Mantelkeil freigesetzt. Mit Hinsicht auf seismische Geschwindigkeiten stimmen die hergeleitete Komposition und Gesteinsverteilung in der kontinentalen Kruste mit geologischen Feldbeobachtungen an der Oberfläche des Profils überein. Des Weiteren zeigt sich keine Notwendigkeit für die Existenz von messbaren Mengen an gegenwärtigen Flüssigkeiten über der Plattengrenze in der kontinentalen Kruste der küstennahen Kordilleren und dem Zentraltal in diesem Teil der chilenischen Konvergenzspanne. Anhand der seismischen Geschwindigkeiten wird eine groÿskalige Anisotropie in der kontinentalen Kruste und im oberen Mantel vorgeschlagen, wie schon zuvor durch magnetotellurische Studien. Jedoch existieren bis heute keine Studien zu diesem Thema für die kontinentale Kruste der chilenische seismogenen Zone bei 38.25°S. KW - active source data KW - seismogenic coupling zone KW - South America KW - reflection seismics KW - seismic tomography KW - synthetic seismograms KW - aktive Quelldaten KW - seismogene Kopplungszone KW - Südamerika KW - Reflexionsseismik KW - seismische Tomographie KW - synthetische Seismogramme Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409183 ER - TY - THES A1 - Engelhardt, Jonathan T1 - 40Ar/39Ar geochronology of ICDP PALEOVAN drilling cores T1 - 40Ar/39Ar Geochronologie der ICDP PALEOVAN Bohrkerne N2 - The scientific drilling campaign PALEOVAN was conducted in the summer of 2010 and was part of the international continental drilling programme (ICDP). The main goal of the campaign was the recovery of a sensitive climate archive in the East of Anatolia. Lacustrine deposits underneath the lake floor of ‘Lake Van’ constitute this archive. The drilled core material was recovered from two locations: the Ahlat Ridge and the Northern Basin. A composite core was constructed from cored material of seven parallel boreholes at the Ahlat Ridge and covers an almost complete lacustrine history of Lake Van. The composite record offered sensitive climate proxies such as variations of total organic carbon, K/Ca ratios, or a relative abundance of arboreal pollen. These proxies revealed patterns that are similar to climate proxy variations from Greenland ice cores. Climate variations in Greenland ice cores have been dated by modelling the timing of orbital forces to affect the climate. Volatiles from melted ice aliquots are often taken as high-resolution proxies and provide a base for fitting the according temporal models. The ICDP PALEOVAN scientific team fitted proxy data from the lacustrine drilling record to ice core data and constructed an age model. Embedded volcaniclastic layers had to be dated radiometrically in order to provide independent age constraints to the climate-stratigraphic age model. Solving this task by an application of the 40Ar/39Ar method was the main objective of this thesis. Earlier efforts to apply the 40Ar/39Ar dating resulted in inaccuracies that could not be explained satisfactorily. The absence of K-rich feldspars in suitable tephra layers implied that feldspar crystals needed to be 500 μm in size minimum, in order to apply single-crystal 40Ar/39Ar dating. Some of the samples did not contain any of these grain sizes or only very few crystals of that size. In order to overcome this problem this study applied a combined single-crystal and multi-crystal approach with different crystal fractions from the same sample. The preferred method of a stepwise heating analysis of an aliquot of feldspar crystals has been applied to three samples. The Na-rich crystals and their young geological age required 20 mg of inclusion-free, non-corroded feldspars. Small sample volumes (usually 25 % aliquots of 5 cm3 of sample material – a spoon full of tephra) and the widespread presence of melt-inclusion led to the application of combined single- and multigrain total fusion analyses. 40Ar/39Ar analyses on single crystals have the advantage of being able to monitor the presence of excess 40Ar and detrital or xenocrystic contamination in the samples. Multigrain analyses may hide the effects from these obstacles. The results from the multigrain analyses are therefore discussed with respect to the findings from the respective cogenetic single crystal ages. Some of the samples in this study were dated by 40Ar/39Ar on feldspars on multigrain separates and (if available) in combination with only a few single crystals. 40Ar/39Ar ages from two of the samples deviated statistically from the age model. All other samples resulted in identical ages. The deviations displayed older ages than those obtained from the age model. t-Tests compared radiometric ages with available age control points from various proxies and from the relative paleointensity of the earth magnetic field within a stratigraphic range of ± 10 m. Concordant age control points from different relative chronometers indicated that deviations are a result of erroneous 40Ar/39Ar ages. The thesis argues two potential reasons for these ages: (1) the irregular appearance of 40Ar from rare melt- and fluid- inclusions and (2) the contamination of the samples with older crystals due to a rapid combination of assimilation and ejection. Another aliquot of feldspar crystals that underwent separation for the application of 40Ar/39Ar dating was investigated for geochemical inhomogeneities. Magmatic zoning is ubiquitous in the volcaniclastic feldspar crystals. Four different types of magmatic zoning were detected. The zoning types are compositional zoning (C-type zoning), pseudo-oscillatory zoning of trace ele- ment concentrations (PO-type zoning), chaotic and patchy zoning of major and trace element concentrations (R-type zoning) and concentric zoning of trace elements (CC-type zoning). Sam- ples that deviated in 40Ar/39Ar ages showed C-type zoning, R-type zoning or a mix of different types of zoning (C-type and PO-type). Feldspars showing PO-type zoning typically represent the smallest grain size fractions in the samples. The constant major element compositions of these crystals are interpreted to represent the latest stages in the compositional evolution of feldspars in a peralkaline melt. PO-type crystals contain less melt- inclusions than other zoning types and are rarely corroded. This thesis concludes that feldspars that show PO-type zoning are most promising chronometers for the 40Ar/39Ar method, if samples provide mixed zoning types of Quaternary anorthoclase feldspars. Five samples were dated by applying the 40Ar/39Ar method to volcanic glass. High fractions of atmospheric Ar (typically > 98%) significantly hampered the precision of the 40Ar/39Ar ages and resulted in rough age estimates that widely overlap the age model. Ar isotopes indicated that the glasses bore a chorine-rich Ar-end member. The chlorine-derived 38Ar indicated chlorine-rich fluid-inclusions or the hydration of the volcanic glass shards. This indication strengthened the evidence that irregularly distributed melt-inclusions and thus irregular distributed excess 40Ar influenced the problematic feldspar 40Ar/39Ar ages. Whether a connection between a corrected initial 40Ar/36Ar ratio from glasses to the 40Ar/36Ar ratios from pore waters exists remains unclear. This thesis offers another age model, which is similarly based on the interpolation of the temporal tie points from geophysical and climate-stratigraphic data. The model used a PCHIP- interpolation (piecewise cubic hermite interpolating polynomial) whereas the older age model used a spline-interpolation. Samples that match in ages from 40Ar/39Ar dating of feldspars with the earlier published age model were additionally assigned with an age from the PCHIP- interpolation. These modelled ages allowed a recalculation of the Alder Creek sanidine mineral standard. The climate-stratigraphic calibration of an 40Ar/39Ar mineral standard proved that the age versus depth interpolations from PAELOVAN drilling cores were accurate, and that the applied chronometers recorded the temporal evolution of Lake Van synchronously. Petrochemical discrimination of the sampled volcaniclastic material is also given in this thesis. 41 from 57 sampled volcaniclastic layers indicate Nemrut as their provenance. Criteria that served for the provenance assignment are provided and reviewed critically. Detailed correlations of selected PALEOVAN volcaniclastics to onshore samples that were described in detail by earlier studies are also discussed. The sampled volcaniclastics dominantly have a thickness of < 40 cm and have been ejected by small to medium sized eruptions. Onshore deposits from these types of eruptions are potentially eroded due to predominant strong winds on Nemrut and Süphan slopes. An exact correlation with the data presented here is therefore equivocal or not possible at all. Deviating feldspar 40Ar/39Ar ages can possibly be explained by inherited 40Ar from feldspar xenocrysts contaminating the samples. In order to test this hypothesis diffusion couples of Ba were investigated in compositionally zoned feldspar crystals. The diffusive behaviour of Ba in feldspar is known, and gradients in the changing concentrations allowed for the calculation of the duration of the crystal’s magmatic development since the formation of the zoning interface. Durations were compared with degassing scenarios that model the Ar-loss during assimilation and subsequent ejection of the xenocrystals. Diffusive equilibration of the contrasting Ba concentrations is assumed to generate maximum durations as the gradient could have been developed in several growth and heating stages. The modelling does not show any indication of an involvement of inherited 40Ar in any of the deviating samples. However, the analytical set-up represents the lower limit of the required spatial resolution. Therefore, it cannot be excluded that the degassing modelling relies on a significant overestimation of the maximum duration of the magmatic history. Nevertheless, the modelling of xenocrystal degassing evidences that the irregular incorporation of excess 40Ar by melt- and fluid inclusions represents the most critical problem that needs to be overcome in dating volcaniclastic feldspars from the PALEOVAN drill cores. This thesis provides the complete background in generating and presenting 40Ar/39Ar ages that are compared to age data from a climate-stratigraphic model. Deviations are identified statistically and then discussed in order to find explanations from the age model and/or from 40Ar/39Ar geochronology. Most of the PALEOVAN stratigraphy provides several chronometers that have been proven for their synchronicity. Lacustrine deposits from Lake Van represent a key archive for reconstructing climate evolution in the eastern Mediterranean and in the Near East. The PALEOVAN record offers a climate-stratigraphic age model with a remarkable accuracy and resolution. N2 - Die PALEOVAN−Bohrkampagne des internationalen kontinentalen Bohrprogramms ICDP wurde im Sommer 2010 realisiert. Das übergeordnete Ziel dieser Kampagne war die Entnahme eines Klimaarchivs im Osten Anatoliens. Als Archiv dienen Süßwasserablagerungen am Grund des Vansees. PALEOVAN Bohrkerne bieten lakustrine Ablagerungen von zwei Lokalitäten des Sees, und zwar der Ahlat Ridge und des Northern Basins. Durch das Zusammenstellen bestmöglicher Bohrkernbestände aus sieben parallelen Bohrungen auf der Ahlat Ridge, konnte die nahezu vollständige Aufzeichnung der Geschichte des Sees gewonnen werden. Dieses detaillierte Archiv zeichnete sensible Klimafaktoren auf. Als Beispiele sind zu nennen: die Variationen organischen Kohlenstoffs, das Verhältnis von Kalium zu Kalzium und die Anteile arborealer Pollen gegenüber dem Gesamtpollenbestand. Stellvertreterdaten für Klimavariationen (sogenannte Proxies) ähneln in ihrem Muster sehr stark den bekannten Klimavariationen aus Eisbohrkernen des Grönlandeises. Da das Timing der Klimavariationen in den Grönlandeiskernen durch Datierungen mithilfe im Eis gespeicherter Gasphasen und orbitaler Modellberechnungen sehr genau bekannt ist, konnten Sedimentolog*innen des PALEOVAN−Teams ein klimastratigraphisches Altersmodell aus den Proxies berechnen. Die Kernaufgabe der hier vorgelegten Dissertation ist es, eingelagerte pyroklastische Ablagerungen mithilfe der 40Ar/39Ar−Methode zu datieren und das Altersmodell zu diskutieren. Die Notwendigkeit der 40Ar/39Ar−Datierungen war besonders gegeben, da vorab publizierte radiometrische Datierungen von ICDP−PALEOVAN Bohrkernen statistisch nicht ausreichend beschrieben wurden und vorhandene Abweichungen gegenüber dem Altersmodell undiskutiert blieben. An der westlichen und nördlichen Küste des Sees befinden sich zwei Stratovulkane: Nemrut und Süphan. Beide Vulkane haben über die Dauer der kompletten Seegeschichte pyroklastisches Material im See abgelagert. Feldspäte und vulkanische Gläser aus rhyolitischen und trachytischen Auswurfprodukten wurden auf ihre Zusammensetzung untersucht und es wurde ihre Eignung für eine Anwendung der 40Ar/39Ar−Geochronologie festgestellt. Die Abwesenheit hoher Kaliumkonzentrationen in Feldspäten aus geeigneten pyroklastischen Lagen bedeutet, dass Kristalle eine Mindestgröße von ca. 500 Mikrometer benötigen, um Analysen an einzelnen Kristallen durchführen zu können. Nicht alle Proben liefern ausreichend Kristalle dieser groben Korngröße. Somit wurde eine Methode gewählt, die Mehrkorn und Einzelkornanalysen miteinander kombiniert. Die bevorzugte Methode des schrittweisen Ausheizens war nur mit drei Proben möglich. Grund dafür ist, dass der geringe Kaliumgehalt und das junge geologische Alter große Mengen (ca. 20 mg) einschluss− und korrosionsfreier Feldspäte benötigten. Die geringen Probenmengen (25% Aliquot von üblicherweise 5 cm3 Probenmaterial) und die Omnipräsenz von Schmelzeinschlüssen in den Feldspäten legten nahe, auf die Methodik des schlagartigen Ausheizens von Einzel− und Mehrkornproben zu setzen. 40Ar/39Ar−Datierungen an einzelnen Feldspäten haben den Vorteil, dass sich ein vorhandener Überschuss von 40Ar oder Kontaminationen detritischer Körner leicht feststellen lassen und in der Altersberechnung berücksichtigt werden können. Mehrkornanalysen zeigen diese Hürden nur bei intensiver Kontamination und bergen die Gefahr, radiometrische Alter zu bestimmen, die von dem tatsächlichen geologischen Alter abweichen, weil sie zu alt sind. 40Ar/39Ar−Datierungen in dieser Dissertation wurden deshalb für die meisten Proben mithilfe von Mehrkornanalysen und (wenn vorhanden) in Kombination mit wenigen Einzelkornanalysen durchgeführt. Bis auf die Resultate zweier Proben sind die radiometrischen Alter der Feldspäte statistisch gesehen identisch zu den Altersabschätzungen des klimastratigraphischen Altersmodells. Abweichungen zeigen ausschließlich ältere radiometrische Alter einzelner Kornfraktionen. Die beiden abweichenden Proben sind ebenfalls älter als das Altersmodell. Eine statistische Auswertung mittels t−Tests beweist die Abweichungen der radiometrischen von den klimastratigraphischen Altersdaten. Das Altersmodell wurde mit jedem der radiometrischen Alter innerhalb eines stratigraphischen Einzugsbereichs von ± 10 Metern verglichen. Die Konkordanz der Altershinweise aus unterschiedlichen Klimaproxies und aus geophysikalischen Altershinweisen (durch das Identifizieren zeitlich bekannter Variationen des Erdmagnetfelds) legen nahe, dass beiden Abweichungen fehlerhafte 40 Ar/39 Ar−Datierungen zugrunde liegen. Zwei mögliche Ursachen werden in Betracht gezogen: (1) unregelmäßiges beziehungsweise vereinzeltes Auftreten von überschüssigem 40Ar im Zusammenhang mit Schmelz− und Fluideinschlüssen oder (2) Kontamination der Probe mit älteren, xenokristischen Feldspäten durch eine zügige (im Zeitraum von Tagen) Kombination von magmatischer Assimilation und Auswurf des Materials. Ebenfalls nicht auszuschließen ist eine detritische Kontamination. Die normalverteilten 40Ar/39Ar−Werte der Proben sind allerdings untypisch für eine detritische Kontamination. Je ein Aliquot der selektierten Kristallfraktionen wurde intensiv auf vorhandene Zonierungen untersucht. Alle untersuchten Feldspatproben zeigen Elementzonierungen, die sich einteilen lassen. Die Zonierungen sind entweder kompositionelle Zonierungen der Hauptzusammensetzung („C-type – compositional type“), pseudo-oszillatorische Zonierungen gewisser Spurenelementkonzentrationen („PO-type“), konzentrische Zonierungen von Spurenelementkonzentrationen („CC-type – concentric type“) und chaotisch-fleckige Zonierungsmuster („R-type – resorbed and patchy“). Proben, deren 40Ar/39Ar−Alter abweichen, zeigen Zonierungen in ihrer Hauptzusammensetzung (C-type), fleckige Zonierungen (R-type) oder zeigen eine Mischung aus unterschiedlichen Zonierungstypen (C-type und PO-type). Feldspäte, die ausschließlich eine Zonierung ihrer Spurenelmente (PO-type) zeigen, liegen typischerweise in kleineren Korngrößen vor und markieren Zusammensetzungen, die typisch sind für die spätesten Phasen der magmatischen Entwicklung von Feldspäten in peralkalinen Gesteinen. Diese Kristalle sind in der Regel arm an Schmelzeinschlüssen und nur selten korrodiert. Die vorliegende Arbeit weist Feldspäte, die keine Zonierung in ihrer Hauptzusammensetzung, sondern nur pseudo-oszillatorische Spurenelementvariationen aufzeigen, als ideale Chronometer für die Anwendung der 40Ar/39Ar−Methode an Quartären, kaliumarmen Feldspäten aus. Um Abweichende Proben erneut zu analysieren und um stratigraphische Abschnitte zu datieren, die nicht erfolgreich beprobt werden konnten, wurden fünf Proben datiert, indem die 40Ar/39Ar−Methode auf vulkanisches Glas angewendet wurde. Hohe Gehalte an atmosphärischem Argon (in der Regel > 98 %) führten allerdings zu ungenauen radiometrischen Altersbestimmungen, die aufgrund ihrer großen Fehler keine Abweichungen vom Altersmodell zeigen. Die Gläser zeigen Hinweise darauf, dass Variationen in den Altern der Feldspäte auf die Gegenwart eines Ar-Reservoirs in Schmelzeinschlüssen zurückzuführen sein könnte, das weder radiogen noch atmosphärisch ist. Ob eine Verknüpfung der Ar-Isotopien in vulkanischen Gläsern und in Porenwässern gegeben ist, bleibt offen. Instrumentelle und methodische Hürden lassen nur eine Vermutung zu, dass Porenwässer und vulkanische Gläser in ihren Ar-Isotopendaten eine Verknüpfung zeigen könnten. Ein neues Alterstiefenmodell, das ebenfalls auf der Interpolation von Altershinweisen durch Klimaproxies und geophysikalischer Daten basiert wird in dieser Arbeit ebenfalls vorgelegt. Im Gegensatz zu bestehenden „Spline“-Interpolationen wurde in dieser Dissertation eine PCHIP- Interpolation bevorzugt. Abgesehen von abweichenden Proben wurden allen Proben, die mithilfe der 40Ar/39Ar−Methode an Feldspäten datiert sind, zusätzlich ein klimastratigraphisches Modellalter zugewiesen. Diese Modellalter bieten die Grundlage dafür, das Alter des in der Datierung benutzten Mineralstandards (Alder Creek Sanidine) nachrechnen zu können. Die erfolgreiche klimastratigraphische Kalibrierung des Standards beweist, dass Alterstiefenmodelle aus den PALEOVAN-Bohrkernen genau sind, und dass alle verwendeten Chronometer innerhalb der angezeigten Varianzen ein synchrones Timing zulassen. Die Dissertation bietet petrochemische Charakterisierungen der entnommenen Proben an und diskutiert nachvollziehbar mögliche Provenanzen der Pyroklastite. 41 von 57 entnommenen Proben lassen sich Nemrut zuordnen. Kriterien, die für eine Zuordnung herangezogen wurden, werden aufgezeigt und diskutiert. Eine mögliche Korrelation der datierten Proben zu pyroklastischen Einheiten, die in der Literatur an den Hängen der Stratovulkane im Detail beschrieben wurden, wird ebenfalls diskutiert. Die beprobten pyroklasitischen Lagen haben geringe Mächtigkeiten (in der Regel < 40 cm) und liegen mittleren bis kleineren Eruptionen zugrunde. Diese Eruptionen hinterlassen keine oder nur schwer definierbare pyroklastische Einheiten von geringer Mächtigkeit an Land. Eine genaue Korrelation ist mit den hier präsentierten Daten deshalb nicht oder nur sehr vage möglich. Abweichende radiometrische Alter aus Datierungen von Feldspat könnten im Zusammenhang mit vererbtem 40Ar aus Xenokristallen stehen. Um diese Hypothese zu testen, wurden diffusionsabhängige Konzentrationsschwankungen von Barium in zonierten Feldspäten untersucht. Da das diffusive Verhalten von Barium in Feldspat bekannt ist, kann durch die Analyse des Konzentrationsgradienten die Dauer der magmatischen Entwicklung ab der Bildung der untersuchten Zonierung berechnet werden. Diese Zeitspanne wurde genutzt, um zu modellieren, ob Xenokristalle während einer unvollständigen Assimilation komplett entgast werden. Dafür wurde angenommen, dass das diffusive Angleichen von unterschiedlichen Bariumkonzentrationen maximale Werte für die Dauer von der Assimilation bis zum Auswurf liefert. Die Modellierung zeigt, dass vererbtes 40Ar aus Xenokristallen keinen Anteil an den abweichenden Altern haben. Allerdings sind die erhobenen Diffusionsgradienten am Rande der benötigten analytischen Auflösung, und eine Überschätzung der Dauer der magmatischen Prozesse kann nicht ausgeschlossen werden. Die Diffusionsprofile sind ein weiterer Hinweis dafür, dass unregelmäßige beziehungsweise vereinzelte Quellen von überschüssigem 40Ar die schwierigste Hürde für 40Ar/39Ar−Datierungen an ICDP-PALEOVAN Bohrkernen darstellen. Die vorgelegte Arbeit bietet nicht nur 40Ar/39Ar−Datierungen, um das vorhandene Altersmodell kritisch zu diskutieren, sondern zeigt, wie Abweichungen statistisch zu erfassen sind, welche mineralogischen Beobachtungen in die Interpretation abweichender radiometrischer Alter miteinbezogen werden sollten und wie die Synchronizität verschiedener Chronometer getestet werden kann. Die Korrektheit des klima-stratigraphischen Timings der PALEOVAN Kerne ist mit dieser Arbeit nachgewiesen. Vergleiche der Proxydaten zu anderen Klimaarchiven deren Auflösung sogar höher als die der Milankovitchzyklen ist (die Auflösung der Dnsgaard-Oeschger Ereignisse), existieren für viele Kerne des PALEOVAN-Archivs. Die Kerne aus dem PALEOVAN Projekt repräsentieren damit ein Schlüsselarchiv für die Rekonstruktion des Klimas im Nahen Osten. Dieses Archiv bietet ein klima-stratigraphisches Altersmodell von bemerkenswerter Genauigkeit und Auflösung. KW - Lake Van KW - feldspar KW - lacustrine record KW - volcaniclastics KW - 40Ar/39Ar KW - Vansee KW - Feldspat KW - lakustrine Abfolge KW - Vulkaniklastika KW - 40Ar/39Ar Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429539 ER - TY - THES A1 - Witt, Tanja Ivonne T1 - Camera Monitoring at volcanoes T1 - Kameramonitoring an Vulkanen BT - Identification and characterization of lava fountain activity and near-vent processes and their relevance for early warning systems BT - Identifikation und Charakterizierung der Aktivität von Lavafontänen und Near-Vent Prozesse und deren Relevanz für Frühwarnsysteme N2 - Basaltic fissure eruptions, such as on Hawai'i or on Iceland, are thought to be driven by the lateral propagation of feeder dikes and graben subsidence. Associated solid earth processes, such as deformation and structural development, are well studied by means of geophysical and geodetic technologies. The eruptions themselves, lava fountaining and venting dynamics, in turn, have been much less investigated due to hazardous access, local dimension, fast processes, and resulting poor data availability. This thesis provides a detailed quantitative understanding of the shape and dynamics of lava fountains and the morphological changes at their respective eruption sites. For this purpose, I apply image processing techniques, including drones and fixed installed cameras, to the sequence of frames of video records from two well-known fissure eruptions in Hawai'i and Iceland. This way I extract the dimensions of multiple lava fountains, visible in all frames. By putting these results together and considering the acquisition times of the frames I quantify the variations in height, width and eruption velocity of the lava fountains. Then I analyse these time-series in both time and frequency domains and investigate the similarities and correlations between adjacent lava fountains. Following this procedure, I am able to link the dynamics of the individual lava fountains to physical parameters of the magma transport in the feeder dyke of the fountains. The first case study in this thesis focuses on the March 2011 Pu'u'O'o eruption, Hawai'i, where a continuous pulsating behaviour at all eight lava fountains has been observed. The lava fountains, even those from different parts of the fissure that are closely connected, show a similar frequency content and eruption behaviour. The regular pattern in the heights of lava fountain suggests a controlling process within the magma feeder system like a hydraulic connection in the underlying dyke, affecting or even controlling the pulsating behaviour. The second case study addresses the 2014-2015 Holuhraun fissure eruption, Iceland. In this case, the feeder dyke is highlighted by the surface expressions of graben-like structures and fault systems. At the eruption site, the activity decreases from a continuous line of fire of ~60 vents to a limited number of lava fountains. This can be explained by preferred upwards magma movements through vertical structures of the pre-eruptive morphology. Seismic tremors during the eruption reveal vent opening at the surface and/or pressure changes in the feeder dyke. The evolving topography of the cinder cones during the eruption interacts with the lava fountain behaviour. Local variations in the lava fountain height and width are controlled by the conduit diameter, the depth of the lava pond and the shape of the crater. Modelling of the fountain heights shows that long-term eruption behaviour is controlled mainly by pressure changes in the feeder dyke. This research consists of six chapters with four papers, including two first author and two co-author papers. It establishes a new method to analyse lava fountain dynamics by video monitoring. The comparison with the seismicity, geomorphologic and structural expressions of fissure eruptions shows a complex relationship between focussed flow through dykes, the morphology of the cinder cones, and the lava fountain dynamics at the vents of a fissure eruption. N2 - Basaltische Spalteneruptionen, wie auf Hawaii oder Island, werden vermutlich durch die laterale Ausbreitung von Förderdikes und damit verbundener Grabenbildung verursacht. Prozesse der festen Erde sind mittels geophysikalischer und geodätischer Technologien gut erforscht. Die Ausbrüche selbst, d.h. die Lavafontä}nen und die Ventdynamik wiederum wurden aufgrund des gefährlichen Zugangs, der lokalen Dimension, der schnellen Prozesse und der daraus resultierenden schlechten Datenverfügbarkeit kaum untersucht. Diese Arbeit liefert ein detailliertes quantitatives Verständnis über Form und Dynamik von Lavafontänen und der morphologischen Veränderungen an ihren jeweiligen Eruptionsstellen. Mittels Bildverarbeitungstechniken, einschließlich Dronen und festen Kameras, wurden von mir die Videoframes von zwei bekannten Spaltausbrüchen auf Hawaii und Island ausgewertet. Auf diese Weise extrahiere ich die Dimensionen mehrerer Lavafontänen, die in allen Frames sichtbar sind. Durch die Zusammenstellung dieser Ergebnisse und unter Berücksichtigung der Erfassungszeiten quantifiziere ich die Schwankungen in Höhe, Breite und Eruptionsgeschwindigkeit. Dann analysiere ich diese Zeitreihen im Zeit- und Frequenzbereich und untersuche die Ähnlichkeiten und Zusammenhänge zwischen benachbarten Lavafontänen. Anschließend verknüpfte ich die Dynamik der einzelnen Lavafontänen mit den physikalischen Parametern des Magmatransports im Förderdike. Die erste Fallstudie dieser Arbeit konzentriert sich auf die Pu'u'O'o Ausbruch, Hawaii im März 2011, bei der ein kontinuierliches pulsierendes Verhalten an allen Lavafontänen beobachtet werden konnte. Lavafontänen verschiedener Teilsegmenten der Spalte sind eng miteinander verbunden, sie weisen Ähnlichkeiten im Frequenzgehalt und Ausbruchsverhalten auf. Das regelmäßige Muster in den Lavafontänenhöhen deutet auf eine hydraulische Verbindung im darunter liegenden Dike als steuernden Prozess innerhalb des Magma-Fördersystems hin. Die zweite Fallstudie befasst sich mit dem Holuhraun-Ausbruch 2014/2015. In diesem Fall wird der horizontale Förderdike durch grabenartige Strukturen und Bruchsysteme an der Oberfläche hervorgehoben. An der Ausbruchsstelle nimmt die Aktivität von einer kontinuierlichen Feuerlinie auf einzelne Lavafontänen ab. Dies lässt sich durch eine bevorzugte Aufwärtsbewegung des Magmas durch vertikale Strukturen der prä-eruptiven Morphologie erklären. Seismische Erschütterungen während des Ausbruchs zeigen Ventöffnungen an der Oberfläche und/oder Druckveränderungen im Förderdike. Die sich während des Ausbruchs entwickelnde Topographie der Schlackenkegel interagiert mit dem Verhalten der Lavafontänen. Lokale Schwankungen in Höhe und Breite der Lavafontäne werden jedoch durch den Schlotdurchmesser, die Tiefe des Lavaponds und die Form des Kraters gesteuert. Die Modellierung der Fontänenhöhe zeigt, dass das langfristige Ausbruchsverhalten vor allem durch Druckänderungen im Förderdike gesteuert wird. Diese Forschungsarbeit besteht aus sechs Kapiteln mit je zwei Papern als Erst- bzw. Co-Autor. Es etabliert eine neue Methode zur Analyse der Dynamik von Lavafontänen durch Videoüberwachung. Der Vergleich mit der Seismizität, den geomorphologischen und strukturellen Ausprägungen von Spalteneruptionen zeigt einen komplexen Zusammenhang zwischen der Dikeströmung, der Vulkanmorphologie und der Dynamik der Lavafontänen an einer Spalteneruption. KW - volcanology KW - Spalteneruption KW - fissure eruption KW - Vulkanologie KW - lava fountains KW - video analysis KW - basaltic volcanoes KW - Lavafontänen KW - Videoanalyse KW - Basalt-Vulkane Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421073 ER - TY - THES A1 - Ott, Florian T1 - Late Glacial and Holocene climate and environmental evolution in the southern Baltic lowlands derived from varved lake sediments T1 - Spätglaziale und Holozäne Klima- und Umwelentwicklung im südlichen Ostseeraum abgeleitet aus warvierten Seesedimenten N2 - Holocene climate variability is generally characterized by low frequency changes than compared to the last glaciations including the Lateglacial. However, there is vast evidence for decadal to centennial scale oscillations and millennial scale climate trends, which are within and beyond a human lifetime perception, respectively. Within the Baltic realm, a transitional zone between oceanic and continental climate influence, the impact of Holocene and Lateglacial climate and environmental change is currently partly understood. This is mainly attributed to the scarcity of well-dated and high-resolution sediment records and to the lacking continuity of already investigated archives. The aim of this doctoral thesis is to reconstruct Holocene and Late Glacial climate variability on local to (over)regional scales based on varved (annually laminated) sediments from Lake Czechowskie down to annual resolution. This project was carried out within the Virtual Institute for Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses (ICLEA) and funded by the Helmholtz Association and the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change). ICLEA intended to gain a better understanding of climate variability and landscape evolution processes in the Northern Central European lowlands since the last deglaciation. REKLIM Topic 8 “Abrupt climate change derived from proxy data” aims at identifying spatiotemporal patterns of climate variability between e.g. higher and lower latitudes. The main aim of this thesis was (i) to establish a robust chronology based on a multiple dating approach for Lake Czechowskie covering the Late Glacial and Holocene and for the Trzechowskie palaeolake for the Lateglacial, respectively, (ii) to reconstruct past climatic and environmental conditions on centennial to multi-millennial time scales and (iii) to distinguish between local to regional different sediments responses to climate change. Addressing the first aim, the Lake Czechowskie chronology has been established by a multiple dating approach comprising information from varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains, biostratigraphy and 137Cs activity concentration measurements. Those independent age constraints covering the Lateglacial and the entire Holocene and have been further implemented in a Bayesian age model by using OxCal v.4.2. Thus, even within non-varved sediment intervals, robust chronological information has been used for absolute age determination. The identification of five cryptotephras, of which three are used as unambiguous isochrones, is furthermore a significant improvement of the Czechowskie chronology and currently unique for the Holocene within Poland. The first findings of coexisting early Holocene Hässeldalen and Askja-S cryptotephras within a varved sequence even allowed differential dating between both volcanic ashes and stimulated the discussion of revising the absolute ages of the Askja-S tephra. The Trzechowskie palaeolake chronology has been established by a multiple dating approach comprising varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains and biostratigraphy, covers the Lateglacial period (Allerød and Younger Dryas) and has been implemented in OxCal v.4.2. Those age constraints allowed regional correlation to other high-resolution climate archives and identifying leads and lags of proxy responses at the onset of the Younger Dryas. The second aim has been accomplished by detailed micro-facies and geochemical analyses of the Czechowskie sediments for the entire Holocene. Thus, especially micro-facies changes had been linked to enhanced productivity at Lake Czechowskie. Most prominent changes have been recorded at 7.3, 6.5, 4.3 and 2.8 varve kyrs BP and are linked to a stepwise increasing influence of Atlantic air masses. Especially, the mid-Holocene change, which had been widely reported from palaeohydrological records in low latitudes, has been identified and linked to large scale reorganization of atmospheric circulation patterns. Thus, especially long-term changes of climatic and environmental boundary conditions are widely recorded by the Czechowskie sediments. The pronounced response to (multi)millennial scale changes is further corroborated by the lack of clear sediment responses to early Holocene centennial scale climate oscillations (e.g. the Preboreal Oscillation). However, decadal scale changes at Lake Czechowskie during the most recent period (last 140 years) have been investigated in a lake comparison study. To fulfill the third aim of the doctoral thesis, three lakes in close vicinity to each other have been investigated in order to better distinguish how local, site-specific parameters, may superimpose regional climate driven changes. All lakes haven been unambiguously linked by the Askja AD1875 cryptotephra and independent varve chronologies. As a result, climate warming has only been recorded by sedimentation changes at the smallest and best sheltered lake (Głęboczek), whereas the largest lake (Czechowskie) and the shallowest lake (Jelonek) showed attenuated and less clear sediment responses, respectively. The different responses have been linked to morphological lake characteristics (lake size and depth, catchment area). This study highlights the potential of high-resolution lake comparison for robust proxy based climate reconstructions. In summary, the doctoral thesis presents a high-resolution sediment record with an underlying age model, which is prerequisite for unprecedented age control down to annual resolution. Sediment proxy based climate reconstructions demonstrate the importance of the Czechowskie sediments for better understanding climate variability in the southern Baltic realm. Case studies showed the clear response on millennial time scale, while decadal scale fluctuations are either less well expressed or superimposed by local, site-specific parameters. The identification of volcanic ash layers is not only used for unambiguous isochrones, those are key tie lines for local to supra regional archive synchronization and establish the Lake Czechowskie as a key climate archive. N2 - Die holozäne Klimavariabilität ist im Vergleich zur letzten Eiszeit und dem Spätglazial durch schwächere Veränderungen gekennzeichnet. Dennoch zeigt eine Vielzahl von Klimaarchiven deutlich Klimaoszillationen auf kürzeren Zeitskalen sowie langfristige Klimatrends, die z. T. nicht innerhalb einer menschlichen Generation wahrnehmbar sind. Im Ostseeraum, einer Übergangsregion zwischen denm maritimen und kontinentalen Klimaeinfluss, sind holozäne und spätglaziale Umwelt- und Klimaveränderungen nur teilweise untersucht und verstanden. Das ist hauptsächlich auf die geringe Anzahl erstklassiger und hochaufgelöster Klimaarchive sowie der nur teilweise untersuchten Archive zurückzuführen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die hochaufgelöste Rekonstruktion holozäner und spätglazialer Klimavariabilität auf lokaler wie überregionaler Ebene basierend auf warvierten (jährlich abgelagerten) Sedimenten des Czechowskie Sees. Das Projekt ist Bestandteil des Virtuellen Instituts zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse (ICLEA), welches von der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert wurde und der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionaler Klimawandel). Thema von ICLEA ist das bessere Verständnis der Klimadynamik und der Landschaftsgenese im nördlichen mitteleuropäischen Tiefland seit dem Ende der letzten Eiszeit. Das REKLIM Thema 8 “Schnelle Klimaänderungen aus Proxy-Daten” untersucht räumlich-zeitliche Muster von Klimaveränderungen zwischen z. B. hohen und niederen Breiten. Die Ziele der Doktarbeit umfassen (i) die Erstellung eines Altersmodells mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden die für den Czechowskie-See das Spätglazial und das Holozän bzw. für den Trzechowskie-Paläosee das Spätglazial umfassen, (ii) die Klima- und Umweltrekonstruktion auf unterschiedlichen Zeitskalen und (iii) zwischen lokal und regional beeinflussten Sedimentwechseln zu unterscheiden. Um das erste Ziel zu realisieren, wurde die Czechowskie Chronologie mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden erstellt. Diese enthält Information der Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie und von radiometrischen Messungen (AMS 14C und 137Cs Konzentration). Diese unabhängigen Altersinformationen decken das Spätglazial und das komplette Holozän ab und wurden durch softwarebasierte Bayesische Statistik mittels OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt. Das ermögliche eine präzise Altersinformation für das gesamte Sedimentprofil, selbst in den nicht-warvierten Abschnitten. Die Identifizierung von fünf Kryptotephren, von denen drei als eindeutige Zeitmarker dienen, ist eine weitere deutliche Verbesserung der Czechowskie Chronologie und momentan einzigartig für das Holozän in Polen. Das erstmalige Auffinden zweier frühholozäner Tephren innerhalb eines warvierten Sedimentabschnittes erlaubte die genaue Zeitspanne zwischen beiden Eruptionen zu ermitteln und regte eine Diskussion zur Revision der absoluten Alter beider Tephren an. Die Trzechowskie Paläosee Chronologie beruht auch auf unterschiedlichen Datierungsmethoden und umfasst Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie AMS 14C-Messungen. Diese wurden durch OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt und umfassen das Spätglazial (Allerød bis Jüngere Dryas). Das zweite Ziel der Doktorarbeit wurde durch detaillierte mikrofazielle und geochemische Analysen erreicht. Insbesondere konnten Veränderungen in der Warvenstruktur auf erhöhte Produktivität des Sees zurückgeführt werden. Die markantesten Wechsel wurden vor 7.3; 6.5; 4.3 und 2.8 kyrs BP festgestellt und konnten auf eine schrittweise Etablierung atlantischer Luftmassen zurückgeführt werden. Der Wechsel im mittleren Holozän, welcher vor allem von paläohydrologischen Archiven in den niederen Breiten bekannt ist, wurde in den Czechowskie Sedimenten identifiziert und mit einer großskaligen Reorganisation atmosphärischer Zirkulationsmuster verbunden. Insbesondere werden langfristige Veränderungen der Klima- und Umweltrandbedingungen in den Czechowskie-Sedimenten abgespeichert. Die ausgeprägte Reaktion von Sedimentveränderungen auf vor allem langfristige Wechsel wird durch das Fehlen kurzfristiger Klimaoszillationen des Frühholozäns (z.B. Preboreale Oszillation) in den Sedimenten gestärkt. Demgegenüber wurden kurzfristige Sedimentveränderungen in der jüngsten Vergangenheit (letzte 140 Jahre) am Czechowskie See in einer Seenvergleichsstudie untersucht. Das dritte Ziel der Doktorarbeit umfasste eine Vergleichsstudie zwischen drei benachbarten Seen, um zwischen regionalen Klimaveränderungen und einer möglichen Überprägung durch lokale Parameter unterscheiden zu können. Die Realisierung erfolgte durch unabhängige Warvenchronologien und der Identifizierung der Askja AD1875 Kryptotephra in allen drei Seen. Das Hauptergebnis zeigt, dass die Klimaerwärmung der letzten 140 Jahre durch Sedimentveränderungen nur im kleinsten See (Głęboczek) abgespeichert wurde, wohingegen der größte (Czechowskie) und der kleinste (Jelonek) See nur abgeschwächte bzw. fehlende Sedimentwechsel aufzeigen. Die unterschiedliche Reaktion der drei Seen konnte auf morphologische Parameter (Seegröße und –tiefe, Einzugsgebietsgröße) zurückgeführt werden und hebt das Potential von hochauflösenden Seenvergleichen für eine proxybasierte Klimarekonstruktion hervor. Zusammenfassend lässt sich festhalten, das die Doktorarbeit ein hochaufgelöstes Sedimentarchiv präsentiert. Das allen Klima- und Umweltrekonstruktionen zugrunde liegende Altersmodell ist die Voraussetzung für eine beispiellose Alterskontrolle bishin zu jährlicher Auflösung. Die sedimentproxybasierte Klimarekonstruktion demonstriert den enormen Stellenwert der Czechowskie-Sedimente, die dem besseren Verständnis der Klimavariabilität im südlichen Ostseeraum dienen. Fallstudien zeigen die deutliche Reaktion von Sedimentänderungen auf langfristige Klimaänderungen, wohingegen dekadische Klimaoszillationen nicht durch Sedimentänderungen gekennzeichnet sind oder durch lokale Faktoren überprägt werden. Die Identifizierung von vulkanischen Aschelagen werden nicht nur für die eindeutige Bestimmung von chronologischen Markerhorizonten verwendet, sondern werden weiterhin für die Korrelation mit weit entfernten Klimaarchiven genutzt und unterstreichen die überregionale Bedeutung des Czechowskie-Sees als wertvolles Geoarchiv. KW - varved lake sediments KW - climate reconstruction KW - Holocene KW - warvierte Seesedimente KW - Klimarekonstruktion KW - Holozän Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414805 ER - TY - THES A1 - Darmawan, Herlan T1 - Morphometric changes at the Merapi lava dome between 2012 and 2017 BT - observations and relevance for hazard assessment Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Smith, Taylor T1 - Decadal changes in the snow regime of High Mountain Asia, 1987-2016 T1 - Veränderungen in der Schnee-Regen-Bilanz auf dekadischen Zeitskalen im zentralasiatischen Hochgebirge (1987-2016) N2 - More than a billion people rely on water from rivers sourced in High Mountain Asia (HMA), a significant portion of which is derived from snow and glacier melt. Rural communities are heavily dependent on the consistency of runoff, and are highly vulnerable to shifts in their local environment brought on by climate change. Despite this dependence, the impacts of climate change in HMA remain poorly constrained due to poor process understanding, complex terrain, and insufficiently dense in-situ measurements. HMA's glaciers contain more frozen water than any region outside of the poles. Their extensive retreat is a highly visible and much studied marker of regional and global climate change. However, in many catchments, snow and snowmelt represent a much larger fraction of the yearly water budget than glacial meltwaters. Despite their importance, climate-related changes in HMA's snow resources have not been well studied. Changes in the volume and distribution of snowpack have complex and extensive impacts on both local and global climates. Eurasian snow cover has been shown to impact the strength and direction of the Indian Summer Monsoon -- which is responsible for much of the precipitation over the Indian Subcontinent -- by modulating earth-surface heating. Shifts in the timing of snowmelt have been shown to limit the productivity of major rangelands, reduce streamflow, modify sediment transport, and impact the spread of vector-borne diseases. However, a large-scale regional study of climate impacts on snow resources had yet to be undertaken. Passive Microwave (PM) remote sensing is a well-established empirical method of studying snow resources over large areas. Since 1987, there have been consistent daily global PM measurements which can be used to derive an estimate of snow depth, and hence snow-water equivalent (SWE) -- the amount of water stored in snowpack. The SWE estimation algorithms were originally developed for flat and even terrain -- such as the Russian and Canadian Arctic -- and have rarely been used in complex terrain such as HMA. This dissertation first examines factors present in HMA that could impact the reliability of SWE estimates. Forest cover, absolute snow depth, long-term average wind speeds, and hillslope angle were found to be the strongest controls on SWE measurement reliability. While forest density and snow depth are factors accounted for in modern SWE retrieval algorithms, wind speed and hillslope angle are not. Despite uncertainty in absolute SWE measurements and differences in the magnitude of SWE retrievals between sensors, single-instrument SWE time series were found to be internally consistent and suitable for trend analysis. Building on this finding, this dissertation tracks changes in SWE across HMA using a statistical decomposition technique. An aggregate decrease in SWE was found (10.6 mm/yr), despite large spatial and seasonal heterogeneities. Winter SWE increased in almost half of HMA, despite general negative trends throughout the rest of the year. The elevation distribution of these negative trends indicates that while changes in SWE have likely impacted glaciers in the region, climate change impacts on these two pieces of the cryosphere are somewhat distinct. Following the discussion of relative changes in SWE, this dissertation explores changes in the timing of the snowmelt season in HMA using a newly developed algorithm. The algorithm is shown to accurately track the onset and end of the snowmelt season (70% within 5 days of a control dataset, 89% within 10). Using a 29-year time series, changes in the onset, end, and duration of snowmelt are examined. While nearly the entirety of HMA has experienced an earlier end to the snowmelt season, large regions of HMA have seen a later start to the snowmelt season. Snowmelt periods have also decreased in almost all of HMA, indicating that the snowmelt season is generally shortening and ending earlier across HMA. By examining shifts in both the spatio-temporal distribution of SWE and the timing of the snowmelt season across HMA, we provide a detailed accounting of changes in HMA's snow resources. The overall trend in HMA is towards less SWE storage and a shorter snowmelt season. However, long-term and regional trends conceal distinct seasonal, temporal, and spatial heterogeneity, indicating that changes in snow resources are strongly controlled by local climate and topography, and that inter-annual variability plays a significant role in HMA's snow regime. N2 - Mehr als eine Milliarde Menschen ist von Wasser aus Flüssen, welche im Hochgebirge Asiens (HA) entspringen, abhängig. Diese werden, im Wesentlichen durch Schmelzwasser von Schnee und Gletschern gespeist. Gemeinden auf dem Land sind im hohem Maße auf die Beständigkeit des Wasserabflusses angewiesen, und folglich stark anfällig für durch Klimawandel hervorgerufene Veränderungen der Umwelt auf regionaler Ebene. Der extensive Gletscherrückzug ist ein deutlich sichtbarer und weitgehend erforschter Marker für den Klimawandel auf regionaler und globaler Ebene. In vielen Einzugsgebieten machen jedoch Schnee und Schneeschmelzen einen sehr viel größeren Anteil des jährlichen Wasserbudgets aus also Gletscherschmelzwasser. Dennoch sind die klimaabhängigen Veränderungen auf Schneeressourcen im HA nicht ausreichend untersucht. Passive Mikrowellenradiometer (PM) basierte Fernerkundung ist eine etablierte empirische Methode zur Untersuchung von Schneeressourcen in weit ausgedehnten Gebieten. Seit 1987 wurden täglich konsistente PM Messungen auf globaler Ebene durchgeführt, die zur Abschätzung der Schneehöhe verwendet werden können, und folglich den Anteil des Wassers in der Schneemasse wiederspiegeln – das Schneewasser Äquivalent (SWE). In dieser Studie die lokalen Veränderungen des SWE über dem gesamten HA untersucht. Trotz großer räumlicher und saisonaler Heterogenität, wurde eine Gesamtverringerung des SWE (10,6 mm/yr) festgestellt. Im Winter jedoch hat das SWE in etwa 50% des HAs trotz der negativen Trends im restlichen Verlauf des Jahres zugenommen. Wie aus der Diskussion über die relativen Veränderungen im SWE hervorgeht, wird in dieser Studie mithilfe eines neuentwickelten Algorithmus die Untersuchung der Veränderungen des Zeitlichen einsetzen der Schneeschmelzperiode im HA. Während im nahezu gesamten Gebiet des HA das Ende Schneeschmelzsaison verfrüht einsetzt, so ist in der Hälfte des Gebietes der Begin dieser nach hinten verschoben. Die Schneeschmelzperioden haben im so gut wie gesamten Gebiet des HA abgenommen, was darauf hindeutet dass sich diese über dem gesamten HA generell verkürzt haben und frühzeitig beendet werden. Durch die Untersuchung der räumlich-zeitlichen Verteilung der Schneevolumens und des Schneeschmelzperioden im gesamten HA konnten wir eine lückenlose Bilanz der Veränderungen der Schneeressourcen im HA erstellen. Der allgemeine Trend zeigt eine geringere Speicherung des SWE und kürzere Schneeschmelzperioden im gesamten HA. Langfristige und regionale Trends überdecken jedoch verschiedene saisonale, temporäre und räumliche Heterogenität, was wiederum zeigt dass Veränderungen der Schneebedeckung stark von lokalem Klima und der Topographie abhängen, und dass jährliche Schwankungen zu einem erheblichen Anteil zum Schneeregime des HA beitragen. KW - climate change KW - snow KW - remote sensing KW - Schnee KW - Klimawandel KW - Fernerkundung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407120 ER - TY - THES A1 - Händel, Annabel T1 - Ground-motion model selection and adjustment for seismic hazard analysis T1 - Auswahl und Anpassung von Bodenbewegungsmodellen für die seismische Gefährdungsanalyse N2 - Erdbeben können starke Bodenbewegungen erzeugen und es ist wichtig, diese in einer seismischen Gefährdungsanalyse korrekt vorherzusagen. Üblicherweise werden dazu empirisch ermittelte Bodenbewegungsmodelle (GMPE) in einem logischen Baum zusammengefügt. Wenn jedoch die Bodenbewegung in einem Gebiet mit geringer Seismizität bestimmen werden soll, dann fehlen in der Regel die Daten, um regionsspezifische GMPEs zu entwickeln. In diesen Fällen ist es notwendig, auf Modelle aus anderen Gebieten mit guter Datengrundlage zurückzugreifen und diese an die Zielregion anzupassen. Zur korrekten Anpassung werden seismologische Informationen aus der Zielregion wie beispielsweise die standortspezifische Dämpfung kappa0 benötigt. Diese Parameter lassen sich jedoch ebenfalls nur unzuverlässig bestimmen, wenn die Datengrundlage schlecht ist. In meiner Dissertation beschäftige ich mich daher mit der Auswahl von GMPEs für den logischen Baum beziehungsweise deren Anpassung an Regionen mit geringer Seismizität. Ich folge dabei zwei verschiedenen Strategien. Im ersten Ansatz geht es um das Aufstellen eines logischen Baumes, falls kein regionsspezifisches Modell vorhanden ist. Ich stelle eine Methode vor, in der mehrere regionsfremde Modelle zu einem Mixmodell zusammengefügt werden. Die Modelle werden dabei je nach ihrer Eignung gewichtet und die Gewichte mittels der wenigen verfügbaren Daten aus der Zielregion ermittelt. Ein solches Mixmodell kann als sogenanntes 'Backbone'-Modell verwendet werden, welches in der Lage ist, mittlere Bodenbewegungen in der Zielregion korrekt vorherzusagen. Ich teste diesen Ansatz für Nordchile und acht GMPEs, die für verschiedene Subduktionszonen auf der Welt entwickelt wurden. Die Resultate zeigen, dass das Mixmodell bessere Ergebnisse liefert als die einzelnen GMPEs, die zu seiner Erzeugung genutzt wurden. Es ist außerdem ebenso gut in der Vorhersage von Bodenbewegungen wie ein Regressionsmodell, welches extra für Nordchile entwickelt wurde. Im zweiten Ansatz beschäftige ich mich mit der Bestimmung der standortspezifischen Dämpfung kappa0. kappa0 ist einer der wichtigsten Parameter zur Anpassung eines GMPEs an eine andere Region. Mein Ziel ist es, kappa0 aus seismischer Bodenunruhe anstelle von Erdbeben zu ermitteln, da diese kontinuierlich aufgezeichnet wird. Mithilfe von Interferometrie kann die Geschwindigkeit und Dämpfung von seismischen Wellen im Untergrund bestimmt werden. Dazu werden lange Aufzeichnungsreihen seismischer Bodenunruhe entweder kreuzkorreliert oder entfaltet (Dekonvolution). Die Bestimmung der Dämpfung aus Bodenunruhe bei Frequenzen über 1 Hz und in geringen Tiefen ist jedoch nicht trivial. Ich zeige in meiner Dissertation die Ergebnisse von zwei Studien. In der ersten Studie wird die Dämpfung von Love-Wellen zwischen 1-4 Hz für ein kleines Testarray in Griechenland ermittelt. In der zweiten Studie verwende ich die Daten einer Bohrloch und einer Oberflächenstation aus dem Vogtland, um die Dämpfung von S-Wellen zwischen 5-15 Hz zu bestimmen. Diese beiden Studien stellen jedoch nur den Ausgangspunkt für zukünftige Untersuchungen dar, in denen kappa0 direkt aus der seismischer Bodenunruhe hergeleitet werden soll. N2 - The prediction of the ground shaking that can occur at a site of interest due to an earthquake is crucial in any seismic hazard analysis. Usually, empirically derived ground-motion prediction equations (GMPEs) are employed within a logic-tree framework to account for this step. This is, however, challenging if the area under consideration has only low seismicity and lacks enough recordings to develop a region-specific GMPE. It is then usual practice to adapt GMPEs from data-rich regions (host area) to the area with insufficient ground-motion recordings (target area). Host GMPEs must be adjusted in such a way that they will capture the specific ground-motion characteristics of the target area. In order to do so, seismological parameters of the target region have to be provided as, for example, the site-specific attenuation factor kappa0. This is again an intricate task if data amount is too sparse to derive these parameters. In this thesis, I explore methods that can facilitate the selection of non-endemic GMPEs in a logic-tree analysis or their adjustment to a data-poor region. I follow two different strategies towards this goal. The first approach addresses the setup of a ground-motion logic tree if no indigenous GMPE is available. In particular, I propose a method to derive an optimized backbone model that captures the median ground-motion characteristics in the region of interest. This is done by aggregating several foreign GMPEs as weighted components of a mixture model in which the weights are inferred from observed data. The approach is applied to Northern Chile, a region for which no indigenous GMPE existed at the time of the study. Mixture models are derived for interface and intraslab type events using eight subduction zone GMPEs originating from different parts of the world. The derived mixtures provide satisfying results in terms of average residuals and average sample log-likelihoods. They outperform all individual non-endemic GMPEs and are comparable to a regression model that was specifically derived for that area. The second approach is concerned with the derivation of the site-specific attenuation factor kappa0. kappa0 is one of the key parameters in host-to-target adjustments of GMPEs but is hard to derive if data amount is sparse. I explore methods to estimate kappa0 from ambient seismic noise. Seismic noise is, in contrast to earthquake recordings, continuously available. The rapidly emerging field of seismic interferometry gives the possibility to infer velocity and attenuation information from the cross-correlation or deconvolution of long noise recordings. The extraction of attenuation parameters from diffuse wavefields is, however, not straightforward especially not for frequencies above 1 Hz and at shallow depth. In this thesis, I show the results of two studies. In the first one, data of a small-scale array experiment in Greece are used to derive Love wave quality factors in the frequency range 1-4 Hz. In a second study, frequency dependent quality factors of S-waves (5-15 Hz) are estimated by deconvolving noise recorded in a borehole and at a co-located surface station in West Bohemia/Vogtland. These two studies can be seen as preliminary steps towards the estimation of kappa0 from seismic noise. KW - ground-motion models KW - GMPE adjustment KW - mixture models KW - seismic noise KW - seismic attenuation KW - Bodenbewegungsmodelle KW - Modellanpassung KW - Mixmodelle KW - Bodenunruhe KW - seismische Dämpfung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418123 ER - TY - THES A1 - Tofelde, Stefanie T1 - Signals stored in sediment T1 - Signale in Sedimenten BT - fluvial sediments as records of landscape evolution BT - wie Flusssedimente Landschaftsentwicklung aufzeichnen N2 - Tectonic and climatic boundary conditions determine the amount and the characteristics (size distribution and composition) of sediment that is generated and exported from mountain regions. On millennial timescales, rivers adjust their morphology such that the incoming sediment (Qs,in) can be transported downstream by the available water discharge (Qw). Changes in climatic and tectonic boundary conditions thus trigger an adjustment of the downstream river morphology. Understanding the sensitivity of river morphology to perturbations in boundary conditions is therefore of major importance, for example, for flood assessments, infrastructure and habitats. Although we have a general understanding of how rivers evolve over longer timescales, the prediction of channel response to changes in boundary conditions on a more local scale and over shorter timescales remains a major challenge. To better predict morphological channel evolution, we need to test (i) how channels respond to perturbations in boundary conditions and (ii) how signals reflecting the persisting conditions are preserved in sediment characteristics. This information can then be applied to reconstruct how local river systems have evolved over time. In this thesis, I address those questions by combining targeted field data collection in the Quebrada del Toro (Southern Central Andes of NW Argentina) with cosmogenic nuclide analysis and remote sensing data. In particular, I (1) investigate how information on hillslope processes is preserved in the 10Be concentration (geochemical composition) of fluvial sediments and how those signals are altered during downstream transport. I complement the field-based approach with physical experiments in the laboratory, in which I (2) explore how changes in sediment supply (Qs,in) or water discharge (Qw) generate distinct signals in the amount of sediment discharge at the basin outlet (Qs,out). With the same set of experiments, I (3) study the adjustments of alluvial channel morphology to changes in Qw and Qs,in, with a particular focus in fill-terrace formation. I transfer the findings from the experiments to the field to (4) reconstruct the evolution of a several-hundred meter thick fluvial fill-terrace sequence in the Quebrada del Toro. I create a detailed terrace chronology and perform reconstructions of paleo-Qs and Qw from the terrace deposits. In the following paragraphs, I summarize my findings on each of these four topics. First, I sampled detrital sediment at the outlet of tributaries and along the main stem in the Quebrada del Toro, analyzed their 10Be concentration ([10Be]) and compared the data to a detailed hillslope-process inventory. The often observed non-linear increase in catchment-mean denudation rate (inferred from [10Be] in fluvial sediment) with catchment-median slope, which has commonly been explained by an adjustment in landslide-frequency, coincided with a shift in the main type of hillslope processes. In addition, the [10Be] in fluvial sediments varied with grain-size. I defined the normalized sand-gravel-index (NSGI) as the 10Be-concentration difference between sand and gravel fractions divided by their summed concentrations. The NSGI increased with median catchment slope and coincided with a shift in the prevailing hillslope processes active in the catchments, thus making the NSGI a potential proxy for the evolution of hillslope processes over time from sedimentary deposits. However, the NSGI recorded hillslope-processes less well in regions of reduced hillslope-channel connectivity and, in addition, has the potential to be altered during downstream transport due to lateral sediment input, size-selective sediment transport and abrasion. Second, my physical experiments revealed that sediment discharge at the basin outlet (Qs,out) varied in response to changes in Qs,in or Qw. While changes in Qw caused a distinct signal in Qs,out during the transient adjustment phase of the channel to new boundary conditions, signals related to changes in Qs,in were buffered during the transient phase and likely only become apparent once the channel is adjusted to the new conditions. The temporal buffering is related to the negative feedback between Qs,in and channel-slope adjustments. In addition, I inferred from this result that signals extracted from the geochemical composition of sediments (e.g., [10Be]) are more likely to represent modern-day conditions during times of aggradation, whereas the signal will be temporally buffered due to mixing with older, remobilized sediment during times of channel incision. Third, the same set of experiments revealed that river incision, channel-width narrowing and terrace cutting were initiated by either an increase in Qw, a decrease in Qs,in or a drop in base level. The lag-time between the external perturbation and the terrace cutting determined (1) how well terrace surfaces preserved the channel profile prior to perturbation and (2) the degree of reworking of terrace-surface material. Short lag-times and well preserved profiles occurred in cases with a rapid onset of incision. Also, lag-times were synchronous along the entire channel after upstream perturbations (Qw, Qs,in), whereas base-level fall triggered an upstream migrating knickzone, such that lag-times increased with distance upstream. Terraces formed after upstream perturbations (Qw, Qs,in) were always steeper when compared to the active channel in new equilibrium conditions. In the base-level fall experiment, the slope of the terrace-surfaces and the modern channel were similar. Hence, slope comparisons between the terrace surface and the modern channel can give insights into the mechanism of terrace formation. Fourth, my detailed terrace-formation chronology indicated that cut-and-fill episodes in the Quebrada del Toro followed a ~100-kyr cyclicity, with the oldest terraces ~ 500 kyr old. The terraces were formed due to variability in upstream Qw and Qs. Reconstructions of paleo-Qs over the last 500 kyr, which were restricted to times of sediment deposition, indicated only minor (up to four-fold) variations in paleo-denudation rates. Reconstructions of paleo-Qw were limited to the times around the onset of river incision and revealed enhanced discharge from 10 to 85% compared to today. Such increases in Qw are in agreement with other quantitative paleo-hydrological reconstructions from the Eastern Andes, but have the advantage of dating further back in time. N2 - Tektonische und klimatische Bedingungen bestimmen die Menge, Größenverteilung und Zusammensetzung von Sedimenten, welche in Gebirgsregionen produziert und von dort exportiert werden. Über Jahrtausende hinweg passen Flüsse ihre Morphologie an, um den Sedimenteintrag (Qs,in) mit dem verfügbaren Wasserabfluss (Qw) flussabwärts zu transportieren. Änderungen in den klimatischen oder tektonischen Randbedingungen lösen flussabwärts eine Anpassung der Flussmorphologie aus. Ein besseres Verständnis darüber, wie sensitiv Flüsse auf Perturbationen in den Randbedingungen reagieren, ist entscheidend, um beispielsweise Überflutungspotential besser abschätzen zu können. Obwohl wir generell ein gutes Verständnis für die Entwicklung von Flüssen auf langen Zeitskalen haben, können wir durch veränderte Randbedingungen ausgelöste Flussdynamiken lokal und auf kurzen Zeitskalen nur schwer vorhersagen. Um die Entwicklung der Flussmorphologie besser zu verstehen, beziehungsweise vorhersagen zu können, müssen wir testen, (1) wie Flüsse auf veränderte Randbedingungen reagieren und (2) wie Signale, welche die vorherschenden Bedingungen reflektieren, in Sedimenten konserviert werden. Diese Informationen können wir nutzen, um die Entwicklung von lokalen Flusssystemen zu rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit adressiere ich diese Fragen durch die Analyse von kosmogenen Nukleiden und Fernerkundungsdaten in der Quebrada del Toro (südliche Zentralanden in NW Argentinien). Insbesondere untersuche ich, wie (1) Informationen über Hangprozesse in der 10Be Konzentration (geochemische Zusammensetzung) von Flusssedimenten gespeichert werden und wie diese Signale durch den Transport flussabwärts überprägt werden. Ich ergänze diesen geländebasierten Ansatz mit physikalischen Experimenten im Labor, mit welchen ich untersuche, wie (2) Veränderungen in der Sedimentzufuhr (Qs,in) oder der Abflussmenge (Qw) eindeutige Signale in der Menge an Sedimentaustrag (Qs,out) am Beckenauslass generieren. Mit denselben Experimenten untersuche ich (3) die Anpassung der Flussmorphologie auf Veränderungen in Qw und Qs,in mit einem speziellen Fokus auf der Entstehung von Flussterrassen. Ich übertrage die Erkenntnisse von den Experimenten ins Gelände und (4) rekonstruiere die Entstehung von einer mehreren hundert Meter mächtigen Terrassensequenz in der Quebrada del Toro. Ich erstelle eine detaillierte Terrassenchronologie und führe mit Hilfe der Terrassenablagerungen Rekonstruktion von Qs und Qw für die Vergangenheit durch. In den folgenden Paragraphen fasse ich meine Ergebnisse zu den vier Forschungsschwerpunkten dieser Arbeit zusammen. Erstens habe ich Flusssedimente an den Mündungen von Nebenflüssen, sowie entlang des Hauptflusses in der Quebrada del Toro beprobt, die jeweilige 10Be Konzentration ([10Be]) bestimmt und die Daten mit einem detaillierten Hangprozess-Inventar verglichen. Der häufig beobachtete, nicht-lineare Anstieg der durchschnittlichen Denudationsrate des Einzugsgebietes (abgeleitet aus der [10Be] der Flusssedimente) mit der Hangneigung eines Einzugsgebietes fiel mit einer Verschiebung der wesentlichen, aktiven Hangprozesse zusammen. Zusätzlich variierte die [10Be] der Flusssedimente mit den Korngrößen. Ich habe den normalisierten Sand-Schotter-Index (NSGI) definiert, welcher sich aus der Differenz der [10Be] zwischen der Sand- und der Kiesfraktion, geteilt durch ihre summierte Konzentration, berechnet. Der NSGI stieg mit dem Median der Hangneigung eines Einzugsgebietes und fiel wiederum mit einer Verschiebung der vorherrschenden Hangprozesse im jeweiligen Einzugsgebiet zusammen. Diese Beobachtung qualifiziert den NSGI als einen potentiellen Proxy, um die Entwicklung von Hangprozessen über die Zeit aus Sedimentablagerungen zu rekonstruieren. Es ist jedoch einzuschränken, dass der NSGI durch den Transport flussabwärts auf Grund von temporärer Sedimentablagerung, lateraler Sedimentzufuhr, größenselektivem Sedimenttransport und Abrasion überprägt werden kann. Zweitens haben die Laborexperimente gezeigt, dass der Sedimentaustrag am Beckenauslass (Qs,out) auf Grund von Veränderungen in Qs,in oder Qw variiert. Während Veränderungen in Qw ein eindeutiges Signal in Qs,out während der transienten Anpassungsphase des Flusses an die neuen Randbedingungen hervorriefen, wurden durch Qs,in ausgelöste Signale während der transienten Anpassungsphase gepuffert. Sie werden vermutlich erst sichtbar, nachdem der Fluss sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. Das zeitliche Puffern ist mit der negativen Rückkopplung zwischen Qs,in und dem Flussgradienten zu erklären. Zusätzlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich Signale, welche in der geochemischen Zusammenstzung von Sediment gespeichert sind (z.B. [10Be]), in Phasen der Flussaufschotterung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit die heutigen Bedingungen repräsentieren. Dagegen sind Signale in Zeiten der Flusseinschneidung aufgrund von Mischung mit älteren, remobilisierten Sedimenten gepuffert. Drittens haben dieselben Experimente gezeigt, dass Flusseinschneidung, Flussbettverengung sowie Terrassenbildung entweder durch eine Zunahme an Qw, eine Abnahme in Qs,in oder durch ein Absinken der Flussbasis initiiert werden konnte. Die Zeitverzögerung zwischen der Perturbation der Randbedingungen und der Terrassenformation bestimmt (1) wie gut Terrassenoberflächen das Flussprofil vom Zeitpunkt unmittelbar vor der Störung representieren und (2) den Grad an Umschichtung des Terrassenoberflächenmaterials. Kurze Verzögerungszeiten und gut erhaltende Profile konnten in Fällen eines schnellen Einsetzens der Flusseinschneidung beobachtet werden. Außerdem waren die Verzögerungszeiten entlang des Flusslaufes synchron im Falle einer Perturbation im Flussoberlauf (Qw, Qs,in), während ein Abfallen der Flussbasis einen flussaufwärts migrierenden Knickpunkt ausgelöst hat, sodass die Verzögerungszeiten in flussaufwärts Richtung zunahmen. Terrassen, welche durch Perturbationen im Flussoberlauf (Qw, Qs,in) gebildet wurden, waren steiler im Vergleich zum aktiven Fluss, nachdem dieser sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. In dem Experiment, bei welchem die Flussbasis abgesenkt wurde, waren die Neigung der Terrassenoberflächen und des aktiven Flussesbettes ähnlich. Daher können Vergleiche zwischen der Neigung der Terrassenoberflächen mit dem aktiven Flussbett auf den Mechanismus der Terrassenformation hinweisen. Viertens hat die detaillierte Terrassenchronologie gezeigt, dass die Einschneide-und-Ablagerungsepisoden in der Quebrada del Toro einem ~100 ka Zyklus folgen, beginnend mit der ersten Terrasse vor ca. 500 ka. Die Terrassen wurden durch Variabilität in Qw und Qs,in gebildet. Rekonstruktionen von Qs über die letzten 500 ka, beschränkt auf die Zeiten von Sedimentablagerung, zeigten eine eher geringe Variabilität (maximal vierfach) in Denudationsraten an. Rekonstruktionen des Abflusses waren beschränkt auf die Zeitpunkte um das Einsetzen der Flusseinschneidung herum und deuteten auf vermehrten Abfluss zwischen 10 und 85% im Vergleich zu heutigen Bedingungen hin. Vermehrter Abfluss in dieser Größenordnung stimmt mit anderen quantitativen Rekonstruktionen zur Hydrologie der Ost-Anden überein, diese Methode hat jedoch den Vorteil, dass sie zeitlich weiter zurück reicht. KW - sediment-routing system KW - signal propagation KW - alluvial channel morphology KW - fluvial fill terraces KW - Cenral Andes KW - Sedimenttransportsystem KW - Signalweiterleitung KW - Gerinnemorphologie KW - Flussterrassen KW - Zentralanden Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427168 ER - TY - THES A1 - Behrens, Ricarda T1 - Causes for slow weathering and erosion in the steep, warm, monsoon-subjected Highlands of Sri Lanka T1 - Ursache von langsamer Verwitterung und Erosion im steilen, warmen und Monsun-beeinflussten Hochland von Sri Lanka N2 - In the Highlands of Sri Lanka, erosion and chemical weathering rates are among the lowest for global mountain denudation. In this tropical humid setting, highly weathered deep saprolite profiles have developed from high-grade metamorphic charnockite during spheroidal weathering of the bedrock. The spheroidal weathering produces rounded corestones and spalled rindlets at the rock-saprolite interface. I used detailed textural, mineralogical, chemical, and electron-microscopic (SEM, FIB, TEM) analyses to identify the factors limiting the rate of weathering front advance in the profile, the sequence of weathering reactions, and the underlying mechanisms. The first mineral attacked by weathering was found to be pyroxene initiated by in situ Fe oxidation, followed by in situ biotite oxidation. Bulk dissolution of the primary minerals is best described with a dissolution – re-precipitation process, as no chemical gradients towards the mineral surface and sharp structural boundaries are observed at the nm scale. Only the local oxidation in pyroxene and biotite is better described with an ion by ion process. The first secondary phases are oxides and amorphous precipitates from which secondary minerals (mainly smectite and kaolinite) form. Only for biotite direct solid state transformation to kaolinite is likely. The initial oxidation of pyroxene and biotite takes place in locally restricted areas and is relatively fast: log J = -11 molmin/(m2 s). However, calculated corestone-scale mineral oxidation rates are comparable to corestone-scale mineral dissolution rates: log R = -13 molpx/(m2 s) and log R = -15 molbt/(m2 s). The oxidation reaction results in a volume increase. Volumetric calculations suggest that this observed oxidation leads to the generation of porosity due to the formation of micro-fractures in the minerals and the bedrock allowing for fluid transport and subsequent dissolution of plagioclase. At the scale of the corestone, this fracture reaction is responsible for the larger fractures that lead to spheroidal weathering and to the formation of rindlets. Since these fractures have their origin from the initial oxidational induced volume increase, oxidation is the rate limiting parameter for weathering to take place. The ensuing plagioclase weathering leads to formation of high secondary porosity in the corestone over a distance of only a few cm and eventually to the final disaggregation of bedrock to saprolite. As oxidation is the first weathering reaction, the supply of O2 is a rate-limiting factor for chemical weathering. Hence, the supply of O2 and its consumption at depth connects processes at the weathering front with erosion at the surface in a feedback mechanism. The strength of the feedback depends on the relative weight of advective versus diffusive transport of O2 through the weathering profile. The feedback will be stronger with dominating diffusive transport. The low weathering rate ultimately depends on the transport of O2 through the whole regolith, and on lithological factors such as low bedrock porosity and the amount of Fe-bearing primary minerals. In this regard the low-porosity charnockite with its low content of Fe(II) bearing minerals impedes fast weathering reactions. Fresh weatherable surfaces are a pre-requisite for chemical weathering. However, in the case of the charnockite found in the Sri Lankan Highlands, the only process that generates these surfaces is the fracturing induced by oxidation. Tectonic quiescence in this region and low pre-anthropogenic erosion rate (attributed to a dense vegetation cover) minimize the rejuvenation of the thick and cohesive regolith column, and lowers weathering through the feedback with erosion. N2 - Erosions- und chemische Verwitterungsraten im srilankischen Hochland gehören zu den langsamsten der globalen Gebirgsdenudationsraten. In diesem tropischen, humiden Gebiet entwickelten sich mächtige Verwitterungsprofile – sogenannte Saprolite – auf spheroidal verwittertem, hochgradig metamorphen Charnockit. Spheroidale Verwitterung führt zu abgerundeten „corestones“ mit abgesplitterten Rinden („rindlets“) an der Gesteins – Saprolit Grenze. Zur Identifizierung der ratenlimitierenden Faktoren des Fortschreiten der Verwitterungsfront, der Sequenz der Verwitterungsreaktionen und der dahinterliegenden Mechanismen nutzte ich detaillierte gesteinsstrukturelle, mineralogische, chemische und elektronenmikroskopische (SEM, FIB, TEM) Analysemethoden. Die initiale Verwitterung beginnt mit lokal begrenzter in situ Oxidation in Pyroxen, gefolgt von in situ Oxidation von Biotit. Die Auflösung der Minerale wird am besten durch einen Auflöse – Wiederausfällungs-prozess beschrieben, da zur Mineralgrenze hin keine chemischen Gradienten, dafür aber auf der nm-Skala scharfe strukturelle Grenzen zu beobachten sind. Die ersten ausfallenden Sekundärphasen sind Oxide und amorphe Phasen aus denen sich Sekundärmineral (hauptsächlich Smectit und Kaolinit) bilden. Für Biotit ist auch eine direkte Umwandlung im Festzustand zu Kaolinit möglich. Die initiale Pyroxen- und Biotitoxidation ist relativ schnell: log J = -11 molmin/(m2 s). Berechnete Oxidationsraten auf der corestone-Skala (cm) sind vergleichbar zu Auflöseraten auf derselben Skala: log R = -13 molpx/(m2 s) und log R = -15 molbt/(m2 s). Volumetrische Berechnungen führen zum Schluss, dass die Oxidation mit einhergehender Volumenzunahme zur Entwicklung von Mikrofrakturen in den Mineralen und dem Gesamtgestein führt. Diese begünstigen Fluidtransport und damit einhergehende Plagioklasverwitterung. Des Weiteren ist diese Oxidationsreaktion verantwortlich für die Entstehung der Frakturen bei spheroidaler Verwitterung des Gesteins, welche die „rindlets“ vom „corestone“ abgrenzen. Daraus kann geschlossen werden, dass in situ Oxidation der ratenlimitierende Prozess bei der Verwitterung ist. Plagioklasverwitterung führt zu einer hohen Porositätszunahme und der endgültigen Umwandlung von Gestein zu Saprolit. Da Oxidation die erste Verwitterungsreaktion ist, verbinden die Zuführung und der Verbrauch von O2 zur, beziehungsweise an die Verwitterungsfront Erosion an der Oberfläche mit Prozessen an der Verwitterungsfront über einen Feedbackmechanismus. Daher hängt die langsame Verwitterungsrate letztlich vom Sauerstofftransport durch das Verwitterungsprofil und von lithologischen Faktoren des Charnockit wie zum Beispiel geringe Gesteinsporosität und/oder wenige Fe(II)-haltige Primärminerale ab. Des Weiteren ist der einzige Prozess im Charnockit der frische verwitterbare Oberflächen (eine Voraussetzung für chemische Verwitterung) generiert die oxidations-induzierte Frakturierung. Darüber hinaus minimieren die Abwesenheit von tektonischer Aktivität und geringe prä-anthropogene Erosionsraten in dieser Region den Abtrag des mächtigen und kohäsiven Verwitterungsprofils und somit über den beschriebenen Feedback auch die chemische Verwitterungsrate. KW - Sri Lanka KW - chemical weathering KW - erosion KW - saprolite KW - weathering feedback KW - charnockite KW - critical zone KW - mineral weathering reactions KW - Sri Lanka KW - chemische Verwitterung KW - Erosion KW - Saprolit KW - Verwitterungsfeedback KW - Charnockit KW - kritische Zone KW - Mineralverwitterungsreaktionen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408503 ER - TY - THES A1 - Eugster, Patricia T1 - Landscape evolution in the western Indian Himalaya since the Miocene T1 - Landschaftsentwicklung im westlichen indischen Himalaja seit dem Miozän N2 - The Himalayan arc stretches >2500 km from east to west at the southern edge of the Tibetan Plateau, representing one of the most important Cenozoic continent-continent collisional orogens. Internal deformation processes and climatic factors, which drive weathering, denudation, and transport, influence the growth and erosion of the orogen. During glacial times wet-based glaciers sculpted the mountain range and left overdeepend and U-shaped valleys, which were backfilled during interglacial times with paraglacial sediments over several cycles. These sediments partially still remain within the valleys because of insufficient evacuation capabilities into the foreland. Climatic processes overlay long-term tectonic processes responsible for uplift and exhumation caused by convergence. Possible processes accommodating convergence within the orogenic wedge along the main Himalayan faults, which divide the range into four major lithologic units, are debated. In this context, the identification of processes shaping the Earth’s surface on short- and on long-term are crucial to understand the growth of the orogen and implications for landscape development in various sectors along the arc. This thesis focuses on both surface and tectonic processes that shape the landscape in the western Indian Himalaya since late Miocene. In my first study, I dated well-preserved glacially polished bedrock on high-elevated ridges and valley walls in the upper of the Chandra Valley the by means of 10Be terrestrial cosmogenic radionuclides (TCN). I used these ages and mapped glacial features to reconstruct the extent and timing of Pleistocene glaciation at the southern front of the Himalaya. I was able to reconstruct an extensive valley glacier of ~200 km length and >1000 m thickness. Deglaciation of the Chandra Valley glacier started subsequently to insolation increase on the Northern Hemisphere and thus responded to temperature increase. I showed that the timing this deglaciation onset was coeval with retreat of further midlatitude glaciers on the Northern and Southern Hemispheres. These comparisons also showed that the post-LGM deglaciation very rapid, occurred within a few thousand years, and was nearly finished prior to the Bølling/Allerød interstadial. A second study (co-authorship) investigates how glacial advances and retreats in high mountain environments impact the landscape. By 10Be TCN dating and geomorphic mapping, we obtained maximal length and height of the Siachen Glacier within the Nubra Valley. Today the Shyok and Nubra confluence is backfilled with sedimentary deposits, which are attributed to the valley blocking of the Siachen Glacier 900 m above the present day river level. A glacial dam of the Siachen Glacier blocked the Shyok River and lead to the evolution of a more than 20 km long lake. Fluvial and lacustrine deposits in the valley document alternating draining and filling cycles of the lake dammed by the Siachen Glacier. In this study, we can show that glacial incision was outpacing fluvial incision. In the third study, which spans the million-year timescale, I focus on exhumation and erosion within the Chandra and Beas valleys. In this study the position and discussed possible reasons of rapidly exhuming rocks, several 100-km away from one of the main Himalayan faults (MFT) using Apatite Fission Track (AFT) thermochronometry. The newly gained AFT ages indicate rapid exhumation and confirm earlier studies in the Chandra Valley. I assume that the rapid exhumation is most likely related to uplift over subsurface structures. I tested this hypothesis by combining further low-temperature thermochronometers from areas east and west of my study area. By comparing two transects, each parallel to the Beas/Chandra Valley transect, I demonstrate similarities in the exhumation pattern to transects across the Sutlej region, and strong dissimilarities in the transect crossing the Dhauladar Range. I conclude that the belt of rapid exhumation terminates at the western end of the Kullu-Rampur window. Therewith, I corroborate earlier studies suggesting changes in exhumation behavior in the western Himalaya. Furthermore, I discussed several causes responsible for the pronounced change in exhumation patterns along strike: 1) the role of inherited pre-collisional features such as the Proterozoic sedimentary cover of the Indian basement, former ridges and geological structures, and 2) the variability of convergence rates along the Himalayan arc due to an increased oblique component towards the syntaxis. The combination of field observations (geological and geomorphological mapping) and methods to constrain short- and long-term processes (10Be, AFT) help to understand the role of the individual contributors to exhumation and erosion in the western Indian Himalaya. With the results of this thesis, I emphasize the importance of glacial and tectonic processes in shaping the landscape by driving exhumation and erosion in the studied areas. N2 - Der Himalaja, eines der wichtigsten känozoischen Kontinent-Kontinent Kollisionsgebirgen, erstreckt sich über 2500 km entlang des südlichen Randes des Tibetischen Plateaus von Ost nach West. Die Gebirgsbildung wird durch interne Deformationsprozesse und klimatische Faktoren, welche auf Verwitterung, Abtragung und Transport wirken, beeinflusst. In einem Zyklus von Eis- und Warmzeiten wurde die Landschaft durch Gletscher geformt. U-Täler sind noch heute erhaltene Spuren der Gletscher, die in den Warmzeiten durch abgetragene Sedimente verfüllt wurden. Diese Sedimente befinden sich teilweise bis heute in diesen übertieften Tälern, weil es an Kapazitäten zur Ausräumung der Täler ins Vorland mangelt. Die kurz-skaligen klimatischen Prozesse überlagern sich mit langzeitlichen tektonischen Prozessen wie Hebung und Exhumation, die durch Konvergenz verursacht werden. Im Zusammenhang mit dem Gebirgswachstum ist es entscheidend die Prozesse, welche die Erdoberfläche sowohl über kurze wie auch über längere Zeiträume formen zu bestimmen und damit auch deren Auswirkungen auf die Landschaftsentwicklung in den einzelnen Abschnitten des Gebirgsbogens. Diese Dissertation fokussiert auf tektonische und Erdoberflächenprozesse, welche den westlichen indischen Himalaja seit dem Miozän geprägt und beeinflusst haben. In der ersten Studie, habe ich im oberen Chandratal mittels 10Be terrestrischen kosmogenen Nukliden (TCN) gut erhaltene vom Gletscher geschliffene und polierte Gesteinsoberflächen auf höher gelegenen Bergrücken und entlang der Talseiten datiert. Basierend auf diesen Altern und kartierten glazialen Landformen habe ich nicht nur die Ausdehnung, sondern auch den Zeitpunkt einer Vergletscherung an der südlichen Front des Himalajas rekonstruiert. Dieser rekonstruierte Gletscher hat im Chandratal eine maximale Länge von ~200 km und >1000 m Dicke erreicht. Die Enteisung des Chandratales folgte dem Anstieg der Sonneneinstrahlung und somit der Temperaturerwärmung auf der nördlichen Hemisphäre. Der Zeitpunkt des Enteisungsbeginns stimmt mit dem Rückgang weiterer Gletscher der mittleren Breiten auf der südlichen wie auch auf der nördlichen Hemisphäre überein. Diese Vergleiche zeigen auch, dass die Enteisung der letzteiszeitlichen Vergletscherung schon vor dem Bølling/Allerød Stadium nahezu abgeschlossen war. In einer zweiten Studie (Ko-Autorenschaft) wird untersucht, wie Gletscher die Erdoberfläche formen und wie Gletschervorstöße und -rückzüge die Landschaft in alpinen Regionen beeinflussen. Die maximale Länge des Siachen Gletschers im Nubratal wurde auf mehr als 180 km rekonstruiert. Heute ist der Zusammenfluss der Flüsse Shyok und Nubra mit Sedimenten verfüllt, deren Ablagerung mit einer Blockierung des Tales durch den Siachen Gletscher bis zu 900 m über der heutigen Flusshöhe zusammenhängen. Demzufolge, staute der Siachen Gletscher den Fluss Shyok. Fluviatile und lakustrine Ablagerungen im Tal dokumentieren sich wechselnde Entleerungs- und Auffüllungszyklen dieses Gletscherstausees. In dieser Studie, konnte ebenso gezeigt werden, dass fluviatile Erosion durch die glaziale Erosion überholt wird. Über den längeren Zeitraum (Jahrmillionen) fokussiere ich auf Exhumation und Erosion in den Tälern Chandra und Beas. In dieser dritten Studie war es mir möglich mittels Apatit-Spaltspurdatierung (AFT) die Lage und Gründe der schnellen Exhumation in diesem Bereich, einige hundert Kilometer entfernt einer der Hauptstörungen des Himalajas (MFT), zu beschreiben. Die neuen AFT Alter deuten auf schnelle Exhumation hin und bestätigen frühere Studien aus dem Chandratal. Ich vermute, dass diese schnelle Exhumation mit einer Bewegung über eine krustale Rampe im Zusammenhang steht, welche auch im östlich anschließenden Sutlej Tal ausgeprägt ist. Diese Hypothese wurde durch die Kombination weiterer tieftemperatur Thermochronometer aus benachbarten Gebieten untersucht. Durch den Vergleich zweier Profile, welche parallel zum Chandra/Beas-Profil laufen wurden im östliche gelegenen Sutlej Gebiet ähnliche Exhumationsmuster gefunden. Daraus schließe ich, das Ende es "rapid exhumation belt" westlich des Kullu-Rampur Fensters im Beastal und bestätige damit auch frühere Studien. Im Weiteren wurden verschiedene Gründe wie ehemalige prä-kollisionale Strukturen und Sedimentbecken oder die abnehmende frontale Konvergenz gegen Westen diskutiert, welche sich Möglicherweise verantwortlich zeichnen für den Wechsel des Exhumationsverhaltens entlang des Streichens des Himalaja. Die Kombination aus Feldbeobachtungen (geologische und geomorphologische Kartierung) und Methoden, die über kurze und längere Zeiträume Prozesse auflösen (10Be, AFT), unterstützen die Erkenntnisse über die Rollenverteilung der einzelnen Akteure bezüglich Exhumation und Erosion im westlichen indischen Himalaja. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit heben die Wichtigkeit glazialer als auch tektonischer Prozesse als Steuerelemente von Exhumation und Erosion im Studiengebiet hervor. KW - Geologie KW - Himalaja KW - Thermochronologie KW - kosmogene Nuklide KW - Gletscher KW - geology KW - Himalaya KW - thermochronology KW - cosmogenic nuclides KW - glaciers Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420329 ER - TY - THES A1 - Agarwal, Ankit T1 - Unraveling spatio-temporal climatic patterns via multi-scale complex networks T1 - Aufklärung raumzeitlicher Klimamuster über komplexe Netzwerke mit mehreren Maßstäben N2 - The climate is a complex dynamical system involving interactions and feedbacks among different processes at multiple temporal and spatial scales. Although numerous studies have attempted to understand the climate system, nonetheless, the studies investigating the multiscale characteristics of the climate are scarce. Further, the present set of techniques are limited in their ability to unravel the multi-scale variability of the climate system. It is completely plausible that extreme events and abrupt transitions, which are of great interest to climate community, are resultant of interactions among processes operating at multi-scale. For instance, storms, weather patterns, seasonal irregularities such as El Niño, floods and droughts, and decades-long climate variations can be better understood and even predicted by quantifying their multi-scale dynamics. This makes a strong argument to unravel the interaction and patterns of climatic processes at different scales. With this background, the thesis aims at developing measures to understand and quantify multi-scale interactions within the climate system. In the first part of the thesis, I proposed two new methods, viz, multi-scale event synchronization (MSES) and wavelet multi-scale correlation (WMC) to capture the scale-specific features present in the climatic processes. The proposed methods were tested on various synthetic and real-world time series in order to check their applicability and replicability. The results indicate that both methods (WMC and MSES) are able to capture scale-specific associations that exist between processes at different time scales in a more detailed manner as compared to the traditional single scale counterparts. In the second part of the thesis, the proposed multi-scale similarity measures were used in constructing climate networks to investigate the evolution of spatial connections within climatic processes at multiple timescales. The proposed methods WMC and MSES, together with complex network were applied to two different datasets. In the first application, climate networks based on WMC were constructed for the univariate global sea surface temperature (SST) data to identify and visualize the SSTs patterns that develop very similarly over time and distinguish them from those that have long-range teleconnections to other ocean regions. Further investigations of climate networks on different timescales revealed (i) various high variability and co-variability regions, and (ii) short and long-range teleconnection regions with varying spatial distance. The outcomes of the study not only re-confirmed the existing knowledge on the link between SST patterns like El Niño Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation, but also suggested new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections. In the second application, I used the developed non-linear MSES similarity measure to quantify the multivariate teleconnections between extreme Indian precipitation and climatic patterns with the highest relevance for Indian sub-continent. The results confirmed significant non-linear influences that were not well captured by the traditional methods. Further, there was a substantial variation in the strength and nature of teleconnection across India, and across time scales. Overall, the results from investigations conducted in the thesis strongly highlight the need for considering the multi-scale aspects in climatic processes, and the proposed methods provide robust framework for quantifying the multi-scale characteristics. N2 - Das Klima ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen und Rückkopplungen auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen. Viele Studien beschäftigten sich mit dem diesem System, nur wenige jedoch konzentrierten sich auf das Multiskalenverhalten des Klimas. Vor allem die bis dato verfügbaren Techniken schränkten eine vertiefte Analyse der Klimavariabilität auf unterschiedlichen Skalen ein. Von großen Interesse in der aktuellen Klimaforschung sind Extremereignisse und plötzliche Veränderungen, welche höchstwahrscheinlich aus dem Zusammenwirken von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen hervorgehen. Um Stürme, wiederkehrende Wetterlagen, jahreszeitliche Phänomene wie El Niño, Fluten, Dürren oder Klimaschwankungen über Jahrzehnte besser zu verstehen oder sogar vorhersagen zu können, müssen wir deren Dynamik auf unterschiedlichen Skalen quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden Mittel und Wege präsentiert um das Zusammenwirken auf verschiedenen Skalen im Klimasystem besser zu verstehen und zu quantifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich zwei Methoden, multi-scale event synchronization (MSES) und wavelet multi-scale correlation (WMC) vor, welche skalenspezifischen Eigenschaften in klimatischen Prozessen abbilden. Die vorgestellte Methode wurde mit mehreren synthetischen und realen Zeitreihen getestet um ihre Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden Beziehungen auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen detaillierter als traditionelle Ansätze abbilden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit bilde ich klimatische Netzwerke mithilfe eines Maßes zur Ähnlichkeit auf Multiskalen. Dabei untersuche ich die Entwicklung von räumlichen Beziehungen um klimatische Prozesse auf mehreren Zeitskalen zu verstehen. Die Methoden WMC und MSES werden zusammen mit komplexen Netzwerken auf zwei Datensätze angewendet. In der ersten Anwendung werden klimatische Netzwerke mit WMC für univariate globale Meeresoberflächentemperaturen gebildet. Auf unterschiedlichen Zeitskalen sollen dabei kurze und lange Fernwirkungen, welche andernfalls auf einer einzigen Zeitskale unerkannt blieben, entdeckt werden. In diesem Klimanetzwerk ließ sich eine starke Variabilität über die Zeit feststellen, was auf eine skalenfreie und kleinräumige Netzstruktur auf großem, beziehungsweise kleinem Maßstab schließen lässt. Weitere Untersuchungen von Klimanetzwerken auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigte (i) hohe Variabilität und Co-Variabilität in Regionen, und (ii) Fernbeziehungen auf kurzen und langen Entfernungen mit variabler räumlicher Distanz. Die Ergebnisse bestätigen bekannte physikalischen Wechselwirkungen und daher auch die Stärken meines Ansatzes. Dadurch ergeben sich neue Einblicke in die Klimatologie von Ozeanen, sodass beispielsweise konvektive Prozesse in der Atmosphäre eine Abhängigkeit über weite Entfernungen aufweisen können. In der zweiten Anwendung verwendeten wir das von mir entwickelte, nicht-lineare MSES Ähnlichkeitsmaß um multivariate Fernbeziehungen zwischen Starkniederschlägen und klimatischen Mustern über Indien zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse bestätigen signifikante, nicht-lineare Einflüsse, welche von traditionellen Methoden bisher unzureichend abgebildet wurden. Des Weiteren fanden wir deutliche Schwankungen in der Stärke und in der Ausprägung von Fernbeziehungen über Indien und über Zeitskalen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Fallstudien, dass Multiskalen in Klimaprozessen entschieden berücksichtigt werden müssen und dass der entwickelte methodische Rahmen adäquat die charakteristischen Prozesse quantifizieren kann. KW - complex network KW - wavelet KW - climate global and local patterns KW - extreme events KW - multiscale network KW - event synchronization KW - komplexes Netzwerk KW - Wavelet KW - globale und lokale Muster des Klimas KW - extreme Ereignisse KW - Multiskalen Netzwerk KW - Ereignissynchronisation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423956 ER - TY - THES A1 - Hesse, Cornelia T1 - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change T1 - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen N2 - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten. Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen. Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln. N2 - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated. In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement. Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions. Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s). The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin. KW - Elbe KW - SWIM KW - Wassergütemodellierung KW - water quality modelling KW - Nährstoffe KW - nutrients KW - Nährstoffretention KW - nutrient retention KW - Flussprozesse KW - in-stream processes KW - climate change KW - land use change KW - Klimaänderung KW - Landnutzungsänderung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957 ER - TY - THES A1 - Genderjahn, Steffi T1 - Biosignatures of Present and Past Microbial Life in Southern African Geoarchives T1 - Biosignaturen von gegenwärtigem und vergangenem mikrobiellen Leben in südafrikanischen Geoarchiven N2 - Global climate change is one of the greatest challenges of the 21st century, with influence on the environment, societies, politics and economies. The (semi-)arid areas of Southern Africa already suffer from water scarcity. There is a great variety of ongoing research related to global climate history but important questions on regional differences still exist. In southern African regions terrestrial climate archives are rare, which makes paleoclimate studies challenging. Based on the assumption that continental pans (sabkhas) represent a suitable geo-archive for the climate history, two different pans were studied in the southern and western Kalahari Desert. A combined approach of molecular biological and biogeochemical analyses is utilized to investigate the diversity and abundance of microorganisms and to trace temporal and spatial changes in paleoprecipitation in arid environments. The present PhD thesis demonstrates the applicability of pan sediments as a late Quaternary geo-archive based on microbial signature lipid biomarkers, such as archaeol, branched and isoprenoid glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) as well as phospholipid fatty acids (PLFA). The microbial signatures contained in the sediment provide information on the current or past microbial community from the Last Glacial Maximum to the recent epoch, the Holocene. The results are discussed in the context of regional climate evolution in southwestern Africa. The seasonal shift of the Innertropical Convergence Zone (ITCZ) along the equator influences the distribution of precipitation- and climate zones. The different expansion of the winter- and summer rainfall zones in southern Africa was confirmed by the frequency of certain microbial biomarkers. A period of increased precipitation in the south-western Kalahari could be described as a result of the extension of the winter rainfall zone during the last glacial maximum (21 ± 2 ka). Instead a period of increased paleoprecipitation in the western Kalahari was indicated during the Late Glacial to Holocene transition. This was possibly caused by a southwestern shift in the position of the summer rainfall zone associated to the southward movement of the ITCZ. Furthermore, for the first time this study characterizes the bacterial and archaeal life based on 16S rRNA gene high-throughput sequencing in continental pan sediments and provides an insight into the recent microbial community structure. Near-surface processes play an important role for the modern microbial ecosystem in the pans. Water availability as well as salinity might determine the abundance and composition of the microbial communities. The microbial community of pan sediments is dominated by halophilic and dry-adapted archaea and bacteria. Frequently occurring microorganisms such as, Halobacteriaceae, Bacillus and Gemmatimonadetes are described in more detail in this study. N2 - Der globale Klimawandel beeinflusst Umwelt, Gesellschaft, Politik sowie Wirtschaft und ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die semi-ariden bzw. ariden Gebiete im südlichen Afrika leiden bereits unter Wasserknappheit. Eine Vielzahl laufender Forschungsprojekte befasst sich mit der globalen Klimageschichte, wobei häufig Fragen zu regionalen Unterschieden offen bleiben. In den südafrikanischen Gebieten sind terrestrische Klimaarchive (wie z.B. Seen) selten, so dass die Durchführung von Paleoklimastudien schwierig ist. Basierend auf der Annahme, dass kontinentale Pfannen (Sabkhas) zur Klimarekonstruktion geeignet sind, wurden in der vorliegenden Doktorarbeit zwei unterschiedliche Pfannen in der süd- und in der westlichen Kalahari untersucht. Mittels eines kombinierten Ansatzes aus molekularbiologischen und biogeochemischen Methoden wurde die Diversität und Abundanz der Mikroorganismen analysiert, um räumliche und zeitliche Veränderungen in Bezug auf den Niederschlag in diesen trockenen Gebieten zu rekonstruieren. Diese Dissertation betrachtet u.a. das Potential der Pfannensedimente als Geoarchiv auf Basis der mikrobiellen Biomarkeranalyse, wie Archaeol, verzweigte und isoprenoiden Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethern (GDGTs) sowie Phospholipidfettsäuren (PLFAs). Die im Sediment enthaltenen mikrobiellen Signaturen geben Auskunft über die gegenwärtige bzw. vergangene mikrobielle Gemeinschaft vom Letzten Glazialen Maximum bis zur jüngsten Epoche, dem Holozän. Die Ergebnisse werden im Kontext der regionalen Klimaentwicklung im südwestlichen Afrika diskutiert. Bedingt durch die saisonale Verschiebung der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) entlang des Äquators verändert sich die Verteilung von Niederschlags- und Klimazonen. Die unterschiedliche Ausdehnung der Winter- und Sommerregenzonen im südlichen Afrika konnte anhand der Häufigkeit bestimmter mikrobieller Biomarker bestätigt werden. Aufgrund der Ausdehnung der Winterregenzone während des Letzten Glazialen Maximums (LGM, 21 ± 2 ka) konnte eine Periode erhöhten Niederschlags in der südwestlichen Kalahari beschrieben werden. Im Gegensatz dazu konnte eine Niederschlagszunahme zwischen dem letzten Glazial bis zum Holozän (17 – 12 ka) in der westlichen Kalahari aufgezeigt werden, ausgelöst durch eine Verschiebung der ITCZ in Richtung Süden. Darüber hinaus charakterisiert diese Studie erstmals das bakterielle und archaelle Leben auf Basis der 16S rRNA Gen Hochdurchsatz-Sequenzierung in kontinentalen Pfannensedimenten und gibt einen Einblick in die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft. Oberflächennahe Prozesse spielen eine wichtige Rolle für das moderne mikrobielle Ökosystem in den Pfannen. Wasserverfügbarkeit sowie der Salzgehalt bestimmen die Abundanz und Diversität der mikrobiellen Gemeinschaften. Gelegentliche Regenschauer können die Bedingungen an den oberflächennahen Sedimenten schnell verändern und das mikrobielle Leben beeinflussen. Die mikrobielle Gemeinschaft der Pfannensedimente wird von halophilen und an die Trockenheit angepassten Archaeen und Bakterien dominiert. Häufig vorkommende Mikroorganismen, wie zum Beispiel Halobacteriaceae, Bacillus und Gemmatimonadetes werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Diversität und Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft in nährstoffarmen und niederschlagsarmen, semi-ariden Habitaten. Sie beschreibt die Verwendung von Lipidbiomarkern als Proxy der mikrobiellen Abundanz in Bezug auf vergangene klimatische Veränderungen in der Kalahari. KW - biomarker KW - paleoclimate KW - Kalahari KW - halophiles KW - next generation sequencing KW - Biomarker KW - Paläoklima KW - Kalahari KW - Halophile KW - Hochdurchsatzsequenzierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410110 ER - TY - THES A1 - Platz, Anna T1 - Novel pre-stack data confinement and selection for magnetotelluric data processing and its application to data of the Eastern Karoo Basin, South Africa T1 - Neue "pre-stack" Datenbeschränkungs- und Selektionskriterien für die magnetotellurische Datenbearbeitung und ihre Anwendung auf Daten aus dem östlichen Karoo-Becken in Südafrika N2 - Magnetotellurics (MT) is a geophysical method that is able to image the electrical conductivity structure of the subsurface by recording time series of natural electromagnetic (EM) field variations. During the data processing these time series are divided into small segments and for each segment spectral values are computed which are typically averaged in a statistical manner to obtain MT transfer functions. Unfortunately, the presence of man-made EM noise sources often deteriorates a significant amount of the recorded time series resulting in disturbed transfer functions. Many advanced processing techniques, e.g. robust statistics, pre-stack data selection or remote reference, have been developed to tackle this problem. The first two techniques reduce the amount of outliers and noise in the data whereas the latter approach removes noise by using data from another MT station. However, especially in populated regions the data processing is still quite challenging even with these approaches. In this thesis, I present two novel pre-stack data confinement and selection criteria for the detection of outliers and noise affected data based on (i) a distance measure of each data segment with regard to the entire sample distribution and (ii) the evaluation of the magnetic polarisation direction of all segments. The first criterion is able to remove data points that scatter around the desired MT distribution and furthermore it can, under some circumstances, even reject complete data cluster originating from noise sources. The second criterion eliminates data points caused by a strongly polarised magnetic signal. Both criteria have been successfully applied to many stations with different noise contaminations showing that they can significantly improve the transfer function estimation. The novel criteria were used to evaluate a MT data set from the Eastern Karoo Basin in South Africa. The corresponding field experiment is part of an extensive research programme to collect information of the current e.g. geological setting in this region prior to a potential shale gas exploitation. The aim was to investigate whether a three-dimensional (3D) inversion of the newly measured data fosters a more realistic mapping of physical properties of the target horizon. For this purpose, a comprehensive 3D model was derived by using all available data. In a second step, I analysed parameters of the target horizon, e.g. its conductivity, that are proxies for physical properties such as thermal maturity and porosity. N2 - Magnetotellurik (MT) kann die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes abbilden indem Zeitreihen von natürlichen elektromagnetischen (EM) Wechselfeldern gemessen werden. Während der Datenbearbeitung werden die Zeitreihen in Abschnitte unterteilt und für jeden Abschnitt werden Spektren berechnet, welche auf statistische Art gemittelt werden um MT Übertragungsfunktionen zu bestimmen. Unglücklicherweise beeinflusst die Anwesenheit von künstlichen EM Rauschquellen oft eine signifikante Menge der aufgezeichneten Zeitreihen. Dies führt zu gestörten bzw. falschen Übertragungsfunktionen. Mehrere Methoden wurden entwickelt um dieses Problem zu beheben, z.B. robuste Statistik, pre-stack Datenselektion oder das "remote reference" Verfahren. Die ersten beiden Techniken reduzieren den Anteil von Ausreißern und Rauschen in den Daten während das letzte Verfahren Rauschen mit Hilfe von Daten einer zusätzlichen MT Station entfernt. Trotzdem bleibt die Datenbearbeitung vor allem in besiedelten Gebieten selbst mit diesen Methoden schwierig. In dieser Arbeit präsentiere ich zwei neue pre-stack Datenselektionskriterien zur Bestimmung von Ausreißern und verrauschten Datenpunkten basierend auf (i) einem Distanzmaß unter Berücksichtigung der gesamten Datenverteilung und (ii) der Auswertung der magnetischen Polarisierungsrichtung für jeden Abschnitt. Mit Hilfe des ersten Kriteriums können Datenpunkte entfernt werden, die um die eigentliche MT Verteilung streuen. Außerdem kann es unter bestimmten Umständen sogar ganze Datencluster beseitigen, welche von Rauschquellen hervorgerufen werden. Das zweite Kriterium eliminiert Datenpunkte, welche durch ein stark polarisiertes magnetisches Signal verursacht werden. Beide Kriterien wurden erfolgreich auf viele Stationen mit unterschiedlichen Rauschverhalten angewandt. Weiterhin wurden sie genutzt um MT Daten aus dem östlichen Karoo-Becken in Südafrika auszuwerten. Das dazugehörige Feldexperiment ist Teil eines umfangreichen Forschungsprojektes, welches Informationen über die aktuelle geologische Situation in dem Gebiet sammelt, bevor eine mögliche Schiefergasförderung stattfindet. Der Fokus lag darauf zu untersuchen, ob eine 3D Inversion der neu gemessenen Daten eine realistischere Abbildung der physikalischen Eigenschaften des Zielhorizonts fördert. Zu diesem Zweck wurde ein 3D Modell mit Hilfe aller verfügbaren Daten entwickelt. Anschließend habe ich verschiedene Parameter des Zielhorizonts analysiert, welche Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften wie thermische Reife und Porosität erlauben. KW - magnetotellurics KW - Eastern Karoo Basin KW - data processing KW - Mahalanobis distance KW - magnetic polarisation direction KW - Magnetotellurik KW - Östliches Karoo-Becken KW - Datenbearbeitung KW - Mahalanobis-Distanz KW - magnetische Polarisationsrichtung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415087 ER - TY - THES A1 - Angermann, Lisa T1 - Hillslope-stream connectivity across scales T1 - Mehrskalige Untersuchung der Hang-Bach Konnektivität N2 - The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor. N2 - Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie. KW - catchment hydrology KW - hillslope hydrology KW - riparian zone KW - hyporheic zone KW - Einzugsgebietshydrologie KW - Hanghydrologie KW - Auenbereich KW - hyporheische Zone Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424542 ER - TY - THES A1 - Sieg, Tobias T1 - Reliability of flood damage estimations across spatial scales T1 - Verlässlichkeit von Hochwasserschadensschätzungen über räumliche Skalen N2 - Extreme Naturereignisse sind ein integraler Bestandteil der Natur der Erde. Sie werden erst dann zu Gefahren für die Gesellschaft, wenn sie diesen Ereignissen ausgesetzt ist. Dann allerdings können Naturgefahren verheerende Folgen für die Gesellschaft haben. Besonders hydro-meteorologische Gefahren wie zum Beispiel Flusshochwasser, Starkregenereignisse, Winterstürme, Orkane oder Tornados haben ein hohes Schadenspotential und treten rund um den Globus auf. Einhergehend mit einer immer wärmer werdenden Welt, werden auch Extremwetterereignisse, welche potentiell Naturgefahren auslösen können, immer wahrscheinlicher. Allerdings trägt nicht nur eine sich verändernde Umwelt zur Erhöhung des Risikos von Naturgefahren bei, sondern auch eine sich verändernde Gesellschaft. Daher ist ein angemessenes Risikomanagement erforderlich um die Gesellschaft auf jeder räumlichen Ebene an diese Veränderungen anzupassen. Ein essentieller Bestandteil dieses Managements ist die Abschätzung der ökonomischen Auswirkungen der Naturgefahren. Bisher allerdings fehlen verlässliche Methoden um die Auswirkungen von hydro-meteorologischen Gefahren abzuschätzen. Ein Hauptbestandteil dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methode, welche die Verlässlichkeit der Schadensschätzung verbessert. Die Methode wurde beispielhaft zur Schätzung der ökonomischen Auswirkungen eines Flusshochwassers auf einzelne Unternehmen bis hin zu den Auswirkungen auf das gesamte Wirtschaftssystem Deutschlands erfolgreich angewendet. Bestehende Methoden geben meist wenig Information über die Verlässlichkeit ihrer Schätzungen. Da diese Informationen Entscheidungen zur Anpassung an das Risiko erleichtern, wird die Verlässlichkeit der Schadensschätzungen mit der neuen Methode dargestellt. Die Verlässlichkeit bezieht sich dabei nicht nur auf die Schadensschätzung selber, sondern auch auf die Annahmen, die über betroffene Gebäude gemacht werden. Nach diesem Prinzip kann auch die Verlässlichkeit von Annahmen über die Zukunft dargestellt werden, dies ist ein wesentlicher Aspekt für Prognosen. Die Darstellung der Verlässlichkeit und die erfolgreiche Anwendung zeigt das Potential der Methode zur Verwendung von Analysen für gegenwärtige und zukünftige hydro-meteorologische Gefahren. N2 - Natural extreme events are an integral part of nature on planet earth. Usually these events are only considered hazardous to humans, in case they are exposed. In this case, however, natural hazards can have devastating impacts on human societies. Especially hydro-meteorological hazards have a high damage potential in form of e.g. riverine and pluvial floods, winter storms, hurricanes and tornadoes, which can occur all over the globe. Along with an increasingly warm climate also an increase in extreme weather which potentially triggers natural hazards can be expected. Yet, not only changing natural systems, but also changing societal systems contribute to an increasing risk associated with these hazards. These can comprise increasing exposure and possibly also increasing vulnerability to the impacts of natural events. Thus, appropriate risk management is required to adapt all parts of society to existing and upcoming risks at various spatial scales. One essential part of risk management is the risk assessment including the estimation of the economic impacts. However, reliable methods for the estimation of economic impacts due to hydro-meteorological hazards are still missing. Therefore, this thesis deals with the question of how the reliability of hazard damage estimates can be improved, represented and propagated across all spatial scales. This question is investigated using the specific example of economic impacts to companies as a result of riverine floods in Germany. Flood damage models aim to describe the damage processes during a given flood event. In other words they describe the vulnerability of a specific object to a flood. The models can be based on empirical data sets collected after flood events. In this thesis tree-based models trained with survey data are used for the estimation of direct economic flood impacts on the objects. It is found that these machine learning models, in conjunction with increasing sizes of data sets used to derive the models, outperform state-of-the-art damage models. However, despite the performance improvements induced by using multiple variables and more data points, large prediction errors remain at the object level. The occurrence of the high errors was explained by a further investigation using distributions derived from tree-based models. The investigation showed that direct economic impacts to individual objects cannot be modeled by a normal distribution. Yet, most state-of-the-art approaches assume a normal distribution and take mean values as point estimators. Subsequently, the predictions are unlikely values within the distributions resulting in high errors. At larger spatial scales more objects are considered for the damage estimation. This leads to a better fit of the damage estimates to a normal distribution. Consequently, also the performance of the point estimators get better, although large errors can still occur due to the variance of the normal distribution. It is recommended to use distributions instead of point estimates in order to represent the reliability of damage estimates. In addition current approaches also mostly ignore the uncertainty associated with the characteristics of the hazard and the exposed objects. For a given flood event e.g. the estimation of the water level at a certain building is prone to uncertainties. Current approaches define exposed objects mostly by the use of land use data sets. These data sets often show inconsistencies, which introduce additional uncertainties. Furthermore, state-of-the-art approaches also imply problems of missing consistency when predicting the damage at different spatial scales. This is due to the use of different types of exposure data sets for model derivation and application. In order to face these issues a novel object-based method was developed in this thesis. The method enables a seamless estimation of hydro-meteorological hazard damage across spatial scales including uncertainty quantification. The application and validation of the method resulted in plausible estimations at all spatial scales without overestimating the uncertainty. Mainly newly available data sets containing individual buildings make the application of the method possible as they allow for the identification of flood affected objects by overlaying the data sets with water masks. However, the identification of affected objects with two different water masks revealed huge differences in the number of identified objects. Thus, more effort is needed for their identification, since the number of objects affected determines the order of magnitude of the economic flood impacts to a large extent. In general the method represents the uncertainties associated with the three components of risk namely hazard, exposure and vulnerability, in form of probability distributions. The object-based approach enables a consistent propagation of these uncertainties in space. Aside from the propagation of damage estimates and their uncertainties across spatial scales, a propagation between models estimating direct and indirect economic impacts was demonstrated. This enables the inclusion of uncertainties associated with the direct economic impacts within the estimation of the indirect economic impacts. Consequently, the modeling procedure facilitates the representation of the reliability of estimated total economic impacts. The representation of the estimates' reliability prevents reasoning based on a false certainty, which might be attributed to point estimates. Therefore, the developed approach facilitates a meaningful flood risk management and adaptation planning. The successful post-event application and the representation of the uncertainties qualifies the method also for the use for future risk assessments. Thus, the developed method enables the representation of the assumptions made for the future risk assessments, which is crucial information for future risk management. This is an important step forward, since the representation of reliability associated with all components of risk is currently lacking in all state-of-the-art methods assessing future risk. In conclusion, the use of object-based methods giving results in the form of distributions instead of point estimations is recommended. The improvement of the model performance by the means of multi-variable models and additional data points is possible, but small. Uncertainties associated with all components of damage estimation should be included and represented within the results. Furthermore, the findings of the thesis suggest that, at larger scales, the influence of the uncertainty associated with the vulnerability is smaller than those associated with the hazard and exposure. This leads to the conclusion that for an increased reliability of flood damage estimations and risk assessments, the improvement and active inclusion of hazard and exposure, including their uncertainties, is needed in addition to the improvements of the models describing the vulnerability of the objects. KW - hydro-meteorological risk KW - damage modeling KW - uncertainty KW - probabilistic approach KW - economic impacts KW - OpenStreetMap KW - hydro-meteorologische Risiken KW - Schadensmodellierung KW - Unsicherheiten KW - probabilistischer Ansatz KW - ökonomische Auswirkungen KW - OpenStreetMap Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426161 ER - TY - THES A1 - Heinecke, Liv T1 - Environmental change in the Eastern Pamir Mountains during last 28 cal ka BP BT - a multi-proxy study investigating sediments from Lake Karakul Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Meier, Tobias T1 - Borehole Breakouts in Transversely Isotropic Posidonia Shale T1 - Bohrlochrandausbrüche in transversal isotropen Posidonienschiefer N2 - Borehole instabilities are frequently encountered when drilling through finely laminated, organic rich shales (Økland and Cook, 1998; Ottesen, 2010; etc.); such instabilities should be avoided to assure a successful exploitation and safe production of the contained unconventional hydrocarbons. Borehole instabilities, such as borehole breakouts or drilling induced tensile fractures, may lead to poor cementing of the borehole annulus, difficulties with recording and interpretation of geophysical logs, low directional control and in the worst case the loss of the well. If these problems are not recognized and expertly remedied, pollution of the groundwater or the emission of gases into the atmosphere can occur since the migration paths of the hydrocarbons in the subsurface are not yet fully understood (e.g., Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). In addition, it is often mentioned that the drilling problems encountered and the resulting downtimes of the wellbore system in finely laminated shales significantly increase drilling costs (Fjaer et al., 2008; Aadnoy and Ong, 2003). In order to understand and reduce the borehole instabilities during drilling in unconventional shales, we investigate stress-induced irregular extensions of the borehole diameter, which are also referred to as borehole breakouts. For this purpose, experiments with different borehole diameters, bedding plane angles and stress boundary conditions were performed on finely laminated Posidonia shales. The Lower Jurassic Posidonia shale is one of the most productive source rocks for conventional reservoirs in Europe and has the greatest potential for unconventional oil and gas in Europe (Littke et al., 2011). In this work, Posidonia shale specimens from the North (PN) and South (PS) German basins were selected and characterized petrophysically and mechanically. The composition of the two shales is dominated by calcite (47-56%) followed by clays (23-28%) and quartz (16-17%). The remaining components are mainly pyrite and organic matter. The porosity of the shales varies considerably and is up to 10% for PS and 1% for PN, which is due to a larger deposition depth of PN. Both shales show marked elasticity and strength anisotropy, which can be attributed to a macroscopic distribution and orientation of soft and hard minerals. Under load the hard minerals form a load-bearing, supporting structure, while the soft minerals compensate the deformation. Therefore, if loaded parallel to the bedding, the Posidonia shale is more brittle than loaded normal to the bedding. The resulting elastic anisotropy, which can be defined by the ratio of the modulus of elasticity parallel and normal to the bedding, is about 50%, while the strength anisotropy (i.e., the ratio of uniaxial compressive strength normal and parallel to the bedding) is up to 66%. Based on the petrophysical characterization of the two rocks, a transverse isotropy (TVI) was derived. In general, PS is softer and weaker than PN, which is due to the stronger compaction of the material due to the higher burial depth. Conventional triaxial borehole breakout experiments on specimens with different borehole diameters showed that, when the diameter of the borehole is increased, the stress required to initiate borehole breakout decreases to a constant value. This value can be expressed as the ratio of the tangential stress and the uniaxial compressive strength of the rock. The ratio increases exponentially with decreasing borehole diameter from about 2.5 for a 10 mm diameter hole to ~ 7 for a 1 mm borehole (increase of initiation stress by 280%) and can be described by a fracture mechanic based criterion. The reduction in borehole diameter is therefore a considerable aspect in reducing the risk of breakouts. New drilling techniques with significantly reduced borehole diameters, such as "fish-bone" holes, are already underway and are currently being tested (e.g., Xing et al., 2012). The observed strength anisotropy and the TVI material behavior are also reflected in the observed breakout processes at the borehole wall. Drill holes normal to the bedding develop breakouts in a plane of isotropy and are not affected by the strength or elasticity anisotropy. The observed breakouts are point-symmetric and form compressive shear failure planes, which can be predicted by a Mohr-Coulomb failure approach. If the shear failure planes intersect, conjugate breakouts can be described as "dog-eared” breakouts. While the initiation of breakouts for wells oriented normal to the stratification has been triggered by random local defects, reduced strengths parallel to bedding planes are the starting point for breakouts for wells parallel to the bedding. In the case of a deflected borehole trajectory, therefore, the observed failure type changes from shear-induced failure surfaces to buckling failure of individual layer packages. In addition, the breakout depths and widths increased, resulting in a stress-induced enlargement of the borehole cross-section and an increased output of rock material into the borehole. With the transition from shear to buckling failure and changing bedding plane angle with respect to the borehole axis, the stress required for inducing wellbore breakouts drops by 65%. These observations under conventional triaxial stress boundary conditions could also be confirmed under true triaxial stress conditions. Here breakouts grew into the rock as a result of buckling failure, too. In this process, the broken layer packs rotate into the pressure-free drill hole and detach themselves from the surrounding rock by tensile cracking. The final breakout shape in Posidonia shale can be described as trapezoidal when the bedding planes are parallel to the greatest horizontal stress and to the borehole axis. In the event that the largest horizontal stress is normal to the stratification, breakouts were formed entirely by shear fractures between the stratification and required higher stresses to initiate similar to breakouts in conventional triaxial experiments with boreholes oriented normal to the bedding. In the content of this work, a fracture mechanics-based failure criterion for conventional triaxial loading conditions in isotropic rocks (Dresen et al., 2010) has been successfully extended to true triaxial loading conditions in the transverse isotropic rock to predict the initiation of borehole breakouts. The criterion was successfully verified on the experiments carried out. The extended failure criterion and the conclusions from the laboratory and numerical work may help to reduce the risk of borehole breakouts in unconventional shales. N2 - Bei Bohrungen in feinlaminierten, organikreichen Schiefern werden häufig Bohrlochinstabilitäten beobachtet (Økland und Cook, 1998; Ottesen, 2010 und weitere), welche für eine sichere und erfolgreiche Erschließung der darin gespeicherten unkonventionellen Kohlenwasserstoffe vermieden werden sollten. Bohrlochinstabilitäten, wie zum Beispiel Bohrlochrandausbrüche oder bohrungsbedingte Zugrisse, führen unter Umständen zu einer schlechten bzw. unzureichenden Zementierung des Ringraum, zu Schwierigkeiten bei der Aufnahme und späteren Interpretation bohrlochgeophysikalischer Messungen sowie zu einer verringerten Kontrolle über die Auslenkung der Bohrung und im schlimmsten Fall zum Verlust der Bohrung. Werden diese Probleme nicht erkannt und fachmännisch behoben, kann es zur Verschmutzung des Grundwassers oder zum Austritt von Gasen in die Atmosphäre kommen, da die Migrationspfade der Kohlenwasserstoffe im Untergrund noch nicht vollständig verstanden sind (z.B. Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). Darüber hinaus wird häufig erwähnt, dass die angetroffenen Bohrprobleme und die daraus entstehenden Ausfallzeiten der Bohrlochanlage in feinlaminierten Schiefern die Bohrkosten erheblich erhöhen (Fjaer et al., 2008; Aadnoy und Ong, 2003). Um die Bohrlochinstabilitäten während des Bohrens in unkonventionellen Speichergesteinen zu verstehen und zu reduzieren, untersuchen wir in dieser Arbeit spannungsbedingte unregelmäßige Erweiterungen des Bohrlochdurchmessers, die auch als Bohrlochrandausbrüche (borehole breakouts) bezeichnet werden. Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern, Schichteinfallswinkeln und Belastungsrandbedingungen an feinlaminierten Posidonienschiefern durchgeführt. Der aus dem Unteren Jura stammende Posidonienschiefer ist eines der produktivsten Muttergesteine für konventionelle Lagerstätten in Europa und besitzt zeitgleich das größte Potential für unkonventionelles Öl und Gas in Europa (Littke et al., 2011). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Posidonienschieferproben aus dem Norddeutschen (PN) und Süddeutschen (PS) Becken ausgewählt und petrophysikalisch sowie mechanisch charakterisiert. Die Zusammensetzung der beiden Schiefer wird dominiert von Kalzit (47-56%) gefolgt von Tonen (23-28%) und Quarz (16-17%). Die verbleibenden Komponenten sind hauptsächlich Pyrit und organische Substanz. Die Porosität des Schiefers schwankt beträchtlich und beträgt bis zu 10% für PS und 1% für PN, was auf eine größere Versenkungstiefe von PN zurückzuführen ist. Beide Schiefer zeigen ausgeprägte Elastizitäts- und Festigkeitsanisotropie, welche einer makroskopischen Verteilung und Orientierung von weichen und harten Mineralen zugeschrieben werden kann. Unter Belastung bilden die harten Minerale eine tragende Struktur, während die weichen Minerale die Verformung kompensieren. Daher verhält sich der Posidonienschiefer bei Belastung parallel zur Schichtfläche spröder als bei einer Belastung normal zur Schichtfläche. Die resultierende elastische Anisotropie, die über das Verhältnis des Elastizitätsmoduls parallel und normal zu Schichtung definiert werden kann, beträgt circa 50%, während die Festigkeitsanisotropie (d.h. das Verhältnis der uniaxialen Druckfestigkeit normal und parallel zur Schichtung) bis zu 66% beträgt. Basierend auf der petrophysikalischen Charakterisierung der beiden Gesteine konnte eine transversale Isotropie (TVI) abgeleitet werden. Im Allgemeinen ist PS weicher und schwächer als PN, was auf der stärkeren Verdichtung des Materials aufgrund der höheren Versenkungstiefe beruht. Konventionelle triaxiale Experimente zur Entstehung von Bohrlochrandausbrüchen an Proben mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern zeigten, dass bei Vergrößerung des Bohrlochdurchmessers die zum Auslösen des Randausbruches erforderliche Spannung gegen einen konstanten Wert absinkt. Dieser kann als Verhältnis der Tangentialspannung und der einachsialen Druckfestigkeit des Gesteins ausgedrückt werden. Das Verhältnis erhöht sich exponentiell mit kleiner werdendem Bohrlochdurchmesser von circa 2,5 für ein 10 mm großes Bohrloch auf ~7 für ein 1 mm großes Bohrloch (Zunahme der Initiierungsspannung um 280%) und kann durch ein bruchmechanisch basiertes Kriterium beschrieben werden. Die Verringerung des Bohrlochdurchmessers stellt daher einen beträchtlichen Aspekt bei der Verringerung des Risikos für Bohrlochausbrüche dar. Neue Bohrtechniken mit deutlich reduzierten Bohrlochdurchmessern wie zum Beispiel „fish-bone“ Bohrungen nehmen dieses Konzept bereits auf und werden derzeit getestet (z. B. Xing et al., 2012). Die beobachtete Festigkeitsanisotropie und das TVI Materialverhalten spiegeln sich auch in den beobachteten Ausbruchsprozessen am Bohrlochrand wider. Bohrlöcher normal zur Schichtung entwickeln Randausbrüche in einer Ebene der Isotropie und werden nicht durch die Festigkeitsoder Elastizitätsanisotropie beeinflusst. Die beobachteten Ausbrüche sind punktsymmetrisch und bilden kompressive Schubversagensebenen, die durch einen Mohr-Coulomb-Versagensansatz vorhergesagt werden können. Falls sich die Schubversagensebenen schneiden, bilden sich konjugierte Ausbrüche die als „hundeohrförmig“ (dog-eared breakout) beschrieben werden können. Während die Initiierung von Randausbrüchen für Bohrlöcher normal zur Schichtung durch zufällige lokale Defekte ausgelöst wurde, sind reduzierte Festigkeiten parallel zur Schichtung der Ausgangspunkt für Bohrlochrandausbrüche für Bohrlöcher parallel zur Schichtung. Im Falle einer abgelenkten Bohrlochtrajektorie ändert sich daher der beobachtete Versagenstyp von schubdominiertem Versagensflächen zu Knickversagen einzelner Schichtpakete. Darüber hinaus nahmen die Ausbruchtiefen und -breiten zu, was zu einer spannungsbedingten Vergrößerung des Bohrlochquerschnitts und einem vermehrten Ausstoß von Gesteinsmaterial in das Bohrloch führte. Zeitgleich sinkt beim Übergang von Schub- zu Knickversagen und sich ändernden Schichteinfallswinkel, die für das Induzieren von Bohrlochrandausbrüchen notwendige Spannung um 65%, deutlich ab. Diese Beobachtungen unter konventionellen triaxialen Belastungsrandbedingungen konnten auch unter echt-triaxialen Belastungsrandbedingungen bestätigt werden. Hier wuchsen die Randausbrüche ebenfalls normal zur Schichtfläche durch Knickfehler in das Gestein. Dabei rotierten die gebrochenen Schichtpakete in das druckfreie Bohrloch und lösten sich vom umgebenden Gestein durch Zugrisse ab. Die endgültige Ausbruchform im Posidonienschiefer kann als trapezförmig beschrieben werden, wenn die Schichtfläche parallel zur größten horizontalen Spannung liegt. In dem Fall, dass die größte horizontale Spannung normal zur Schichtung orientiert ist, wurden Ausbrüche vollständig durch Scherbrüche zwischen den Schichtflächen gebildet und benötigten höhere Spannungen zur Initiierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bruchmechanisch-basiertes Versagenskriterium für konventionelle triaxiale Belastungsbedingungen in isotropen Gesteinen (Dresen et al., 2010) erfolgreich auf echte triaxiale Belastungsbedingungen im transversal isotropen Gestein erweitert, um die Initiierung von Bohrlochrandausbrüchen vorherzusagen. Das Kriterium konnte erfolgreich an den durchgeführten Versuchen verifiziert werden. Das erweiterte Versagenskriterium und die Schlussfolgerungen aus dem Labor und der numerischen Arbeit helfen, das Risiko von Bohrlochausbrüchen in unkonventionellen Schiefern zu reduzieren. KW - borehole breakouts KW - unconventional shale KW - Posidonia shale KW - hollow cylinder experiments KW - shale strength KW - Bohrlochrandausbrüche KW - unkonventionelle Schiefer KW - Posidonienschiefer KW - Hohlzylinderversuche KW - Festigkeit des Schiefer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400019 ER - TY - THES A1 - Weege, Stefanie T1 - Climatic drivers of retrogressive thaw slump activity and resulting sediment and carbon release to the nearshore zone of Herschel Island, Yukon Territory, Canada T1 - Einfluss des Klimas auf das Auftauen einer rückschreitenden Erosionsfront und die daraus resultierende Sediment- und Kohlenstofffreigabe in den Küstenbereich von Herschel Island, Kanada N2 - The Yukon Coast in Canada is an ice-rich permafrost coast and highly sensitive to changing environmental conditions. Retrogressive thaw slumps are a common thermoerosion feature along this coast, and develop through the thawing of exposed ice-rich permafrost on slopes and removal of accumulating debris. They contribute large amounts of sediment, including organic carbon and nitrogen, to the nearshore zone. The objective of this study was to 1) identify the climatic and geomorphological drivers of sediment-meltwater release, 2) quantify the amount of released meltwater, sediment, organic carbon and nitrogen, and 3) project the evolution of sediment-meltwater release of retrogressive thaw slumps in a changing future climate. The analysis is based on data collected over 18 days in July 2013 and 18 days in August 2012. A cut-throat flume was set up in the main sediment-meltwater channel of the largest retrogressive thaw slump on Herschel Island. In addition, two weather stations, one on top of the undisturbed tundra and one on the slump floor, measured incoming solar radiation, air temperature, wind speed and precipitation. The discharge volume eroding from the ice-rich permafrost and retreating snowbanks was measured and compared to the meteorological data collected in real time with a resolution of one minute. The results show that the release of sediment-meltwater from thawing of the ice-rich permafrost headwall is strongly related to snowmelt, incoming solar radiation and air temperature. Snowmelt led to seasonal differences, especially due to the additional contribution of water to the eroding sediment-meltwater from headwall ablation, lead to dilution of the sediment-meltwater composition. Incoming solar radiation and air temperature were the main drivers for diurnal and inter-diurnal fluctuations. In July (2013), the retrogressive thaw slump released about 25 000 m³ of sediment-meltwater, containing 225 kg dissolved organic carbon and 2050 t of sediment, which in turn included 33 t organic carbon, and 4 t total nitrogen. In August (2012), just 15 600 m³ of sediment-meltwater was released, since there was no additional contribution from snowmelt. However, even without the additional dilution, 281 kg dissolved organic carbon was released. The sediment concentration was twice as high as in July, with sediment contents of up to 457 g l-1 and 3058 t of sediment, including 53 t organic carbon and 5 t nitrogen, being released. In addition, the data from the 36 days of observations from Slump D were upscaled to cover the main summer season of 1 July to 31 August (62 days) and to include all 229 active retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast. In total, all retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast contribute a minimum of 1.4 Mio. m³ sediment-meltwater each thawing season, containing a minimum of 172 000 t sediment with 3119 t organic carbon, 327 t nitrogen and 17 t dissolved organic carbon. Therefore, in addition to the coastal erosion input to the Beaufort Sea, retrogressive thaw slumps additionally release 3 % of sediment and 8 % of organic carbon into the ocean. Finally, the future evolution of retrogressive thaw slumps under a warming scenario with summer air temperatures increasing by 2-3 °C by 2081-2100, would lead to an increase of 109-114% in release of sediment-meltwater. It can be concluded that retrogressive thaw slumps are sensitive to climatic conditions and under projected future Arctic warming will contribute larger amounts of thawed permafrost material (including organic carbon and nitrogen) into the environment. N2 - Die Yukon Küste in Kanada ist eine eisreiche Permafrost Küste und reagiert hoch sensibel auf verändernde Umweltbedingungen. Rückschreitende auftaubedingte Rutschungen sind vielzählig entlang der Küste und entstehen, wenn exponierter eisreicher Permafrost an Hängen auftaut und der daraus resultierende Schlamm abtransportiert wird. Diese Rutschungen tragen große Mengen von Sediment, inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff, in den küstennahen Bereich. Das Ziel dieser Studie war 1) die klimatischen und geomorphologischen Antriebskräfte für die Freisetzung von Sediment-Schmelzwasser zu identifizieren 2) die Mengen an Schmelzwasser, Sediment, organischen Kohlenstoff und Stickstoff zu quantifizieren und 3) die Entwicklung der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von rückschreitenden Rutschungen unter zukünftigen klimatischen Veränderungen abzuschätzen. Die größte rückschreitende Rutschung auf Herschel Island wird als „Slump D“ bezeichnet und steht im Fokus dieser Arbeit. Die Analysen basierten auf den Daten, die über 18 Tage im Juli (2013) und 18 Tage im August (2012) erhoben wurden. Eine Abfluss-Messrinne wurde in den Haupt-Sediment-Schmelzwasser-Kanal eingebaut, um die Sediment-Schmelzwassermassen zu erfassen. Zusätzlich wurden zwei Wetterstationen aufgebaut (auf der unberührten Tundra und innerhalb der Erosionsfläche), die Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Niederschlagsmenge aufzeichneten. Das Abflussvolumen, das vom auftauenden, eisreichen Permafrost und den schmelzenden Schneebänken ablief, wurde gemessen und mit den meteorologischen Daten in Echtzeit mit einer Auflösung von einer Minute verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Freigabe von Sediment-Schmelzwasser beim Auftauen der eisreichen Permafrost-Steilklippe stark von Schneeschmelze, Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur abhängen. Die Schneeschmelze führt zu saisonalen Unterschieden, besonders durch den zusätzlichen Betrag von Wasser zu dem erodierenden Sediment-Schmelzwasser der auftauenden Steilklippe. Dies führt zu einer Verdünnung des Sediment-Schmelzwassers. Sonneneinstrahlung und Lufttemperaturen waren die Hauptantriebskräfte für die Schwankungen im Tagesverlauf und die Unterschiede zwischen den Tagen. Die rückschreitende Rutschung gab im Juli (2013) ungefähr 25 000 m³ Sediment-Schmelzwasser frei, welches 225 kg gelösten organischen Kohlenstoff, 2050 t Sediment, inklusive 33 t organischen Kohlenstoff und 4 t Stickstoff enthielt. Im August (2012) fehlte der zusätzliche Eintrag der Schneeschmelze und das Sediment-Schmelzwasser-Volumen war geringer mit 15 600 m³. Dennoch, ohne die zusätzliche Verdünnung, wurden 281 kg gelöster organischer Kohlenstoff freigesetzt. Die Sedimentkonzentration war doppelt so hoch und führte zu einem Sedimentgehalt mit bis zu 457 g l-1 zu 3058 t Sediment, inklusive 53 t organischen Kohlenstoff und 5 t Stickstoff. Zusätzlich wurden die Daten der 36-tägigen Abflussmessung der rückschreitenden Rutschung auf 62 Tage, von 1. Juli bis 31. August auf alle 229 aktiven Rutschungen entlang der Yukon Küste hochgerechnet. Es wurde diskutiert, dass alle rückschreitenden Rutschungen entlang der Yukon Küste zusammen mindestens 1,4 Mio. m³ Sediment-Schmelzwasser während jeder Auftausaison freigeben. Diese enthalten ein Minimum von 172 000 t Sediment, 3119 t organischen Kohlenstoff, 327 t Stickstoff und 17 t gelösten organischen Kohlenstoff. Daher kann zusammengefasst werden, dass zusätzlich zur Küstenerosion von allen Rutschungen noch ein zusätzlicher Beitrag von 3 % Sediment und 8 % organischen Kohlenstoff in die Beaufort See eingetragen wird. Schließlich wurde die zukünftige Entwicklung dieser rückschreitenden Rutschungen bei einem Temperaturanstieg von 2-3 °C bis 2081-2100 diskutiert. Dies könnte zu einem Anstieg der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von 109-114 % führen. Es kann daraus geschlossen werden, dass rückschreitende Rutschungen sensibel auf Klimabedingungen reagieren und mit der Arktischen Erwärmung größere Mengen an auftauenden Permafrost (inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff) in die Umwelt freigeben werden. KW - permafrost KW - arctic KW - Canada KW - coast KW - erosion KW - Permafrost KW - Arktik KW - Kanada KW - Küste KW - Erosion Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397947 ER - TY - THES A1 - Korzeniowska, Karolina T1 - Object-based image analysis for detecting landforms diagnostic of natural hazards T1 - Objektbasierte Bildanalyse zur Erfassung spezieller diagnostischer Landformen von Naturgefahren N2 - Natural and potentially hazardous events occur on the Earth’s surface every day. The most destructive of these processes must be monitored, because they may cause loss of lives, infrastructure, and natural resources, or have a negative effect on the environment. A variety of remote sensing technologies allow the recoding of data to detect these processes in the first place, partly based on the diagnostic landforms that they form. To perform this effectively, automatic methods are desirable. Universal detection of natural hazards is challenging due to their differences in spatial impacts, timing and longevity of consequences, and the spatial resolution of remote-sensing data. Previous studies have reported that topographic metrics such as roughness, which can be captured from digital elevation data, can reveal landforms diagnostic of natural hazards, such as gullies, dunes, lava fields, landslides and snow avalanches, as these landforms tend to be more heterogeneous than the surrounding landscape. A single roughness metric is often limited in such detections; however, a more complex approach that exploits the spatial relation and the location of objects, such as object-based image analysis (OBIA), is desirable. In this thesis, I propose a topographic roughness measure derived from an airborne laser scanning (ALS) digital terrain model (DTM) and discuss its performance in detecting landforms principally diagnostic of natural hazards. I further develop OBIA-based algorithms for the detection of snow avalanches using near-infrared (NIR) aerial images, and the size (changes) of mountain lakes using LANDSAT satellite images. I quantitatively test and document how the level of difficulty in detecting these very challenging landforms depends on the input data resolution, the derivatives that could be evaluated from images and DTMs, the size, shape and complexity of landforms, and the capabilities of obtaining the information in the data. I demonstrate that surface roughness is a promising metric for detecting different landforms in diverse environments, and that OBIA assists significantly in detecting parts of lakes and snow avalanches that may not be correctly assigned by applying only the thresholding of spectral properties of data and their derivatives. The curvature-based surface roughness parameter allows the detection of gullies, dunes, lava fields and landslides with a user’s accuracy of 0.63, 0.21, 0.53, and 0.45, respectively. The OBIA algorithms for detecting lakes and snow avalanches obtained user’s accuracy of 0.98, and 0.78, respectively. Most of the analysed landforms constituted only a small part of the entire dataset, and therefore the user’s accuracy is the most appropriate performance measure that should be given in a such classification, because it tells how many automatically-extracted pixels in fact represent the object that one wants to classify, and its calculation does not take the second (background) class into account. One advantage of the proposed roughness parameter is that it allows the extraction of the heterogeneity of the surface without the need for data detrending. The OBIA approach is novel in that it allows the classification of lakes regardless of the physical state of their water, and also allows the separation of frozen lakes from glaciers that have very similar water indices used in purely optical remote sensing applications. The algorithm proposed for snow avalanches allows the detection of release zones, tracks, and deposition zones by verifying the snow heterogeneity based on a roughness metric evaluated from a water index, and by analysing the local relation of segments with their neighbouring objects. This algorithm contains few steps, which allows for the simultaneous classification of avalanches that occur on diverse mountain slopes and differ in size and shape. This thesis contributes to natural hazard research as it provides automatic solutions to tracking six different landforms that are diagnostic of natural hazards over large regions. This is a step toward delineating areas susceptible to the processes producing these landforms and the improvement of hazard maps. N2 - Naturgefahren und potenziell gefährliche Ereignisse der Erdoberfläche treten jeden Tag auf. Prozesse mit Zerstörungswirkungen sollten identifiziert werden, weil sie Gefahren für besiedelte Gebiete sowie menschliches Leben haben können. Naturgefahren haben erhebliche Einflüsse auf die Umwelt. Eine Vielzahl von Fernerkundungstechnologien, die heutzutage verfügbar sind, erlauben die Aufnahme und Speicherung von Datensätzen, die bei der Erkennung solcher Naturgefahren helfen können. Eine wichtige Grundlage dafür stellt die diagnostische Landform dar, welche die Naturgefahr ausbildet. Für eine effiziente Analyse sind automatische Methoden wünschenswert. Die Verwendung einer universellen Methode zur Erkennung von Naturgefahren ist deshalb eine Herausforderung, weil die räumlichen Ausdehnungen unterschiedlich sind. So können diese unterschiedlichen Alters sein und verschiedene räumliche Auflösungen in Fernerkundungsdaten besitzen. Dies beeinflusst den Detailierungsgrad bei der Abbildung der Erdoberfläche. Frühere Studien zeigen, dass Ableitungen wie beispielweise die Rauheit, die von Fernerkundungsdaten erfasst werden kann, es erlauben, Naturgefahrenphänomene wie z. B. Erosionsrinnen, Dünen, Lavafelder, Erdrutsche und Schneelawinen zu erkennen, weil sie heterogener sind als umgebende Objekte. Dennoch ist es nicht zulässig, allein mittels der eigenständigen Rauheit eine Unterscheidung zwischen den erfassten Landschaftsformen vorzunehmen. Hier ist ein komplexer Ansatz wie die Objektbasierte Bildanalyse (OBIA) wünschenswert, weil ein solcher sowohl die räumliche Relation als auch die Lage von Objekten verwendet. In dieser Dissertation schlage ich einen Oberflächenrauhigkeitsindex, abgeleitet aus einem durch Airborne Laserscanning (ALS) erfassten digitalen Geländemodells (DTM), vor und diskutiere die Faktoren, die die Darstellung von Naturgefahrenphänomenen mittels dieser Variable beeinflussen. Ich präsentiere auch OBIA-basierte, automatische Algorithmen für die Erkennung von Schneelawinen welche aus Nah-Infrarot (NIR) Luftbildern ausgewertet wurden sowie den Verlauf einer Seegrenze, die auf LANDSAT Satellitenbildern abgebildet wird. Ich zeige weiterhin, dass der Schwierigkeitsgrad für die Erfassung der analysierten Phänomene variabel und abhängig von den Dateneigenschaften, der Komplexität der getrackten Phänomene sowie von den qualitativen Ausprägungen des Informationsgehaltes ist. Ferner werde ich zeigen, dass die vorgeschlagene Oberflächenrauhigkeit die räumliche Ausdehnung der verschiedenen Phänomene zu bestimmen erlaubt, und dass der OBIA-Ansatz deutlich bei der Erkennung von Objekten und derjenigen Teile hilft, die nicht korrekt nur durch Verwendung spektraler Eigenschaften von Daten und deren Derivaten zugewiesen werden konnten. Der krümmungsbasierte Oberflächenrauhigkeitindex ermöglicht die Erkennung von Erosionsrinnen, Dünen, Lavafeldern, und Erdrutschen mit einer Benutzergenauigkeit von: 0.63, 0.21, 0.53 und 0.45. Vergleichend dazu erzielen die vorgestellten OBIA-Algorithmen für die Erfassung von Seen und Schneelawinen eine Benutzergenauigkeit von 0.98 und 0.78. Die in dieser Arbeit analysierten Landformen stellen einen Ausschnitt aus dem Gesamtspektrum vorkommender Strukturen dar. Die Benutzergenauigkeit stellt dabei den am besten geeigneten Leistungsindex dar, auf dem basierend eine Klassifikation durchgeführt werden kann. Die Benutzergenauigkeit gibt an, wie viele der automatisch extrahierten Pixel das zu klassifizierende Objekt tatsächlich repräsentieren. Eine Betrachtung einer zweiten (Hintergrund-) Klasse muss durch diesen Ansatz nicht erfolgen. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Oberflächenrauhigkeitindex ist, dass er die Extraktion der Heterogenität der Oberfläche ohne die Notwendigkeit eines Daten-detrendings ermöglicht. Der OBIA-Ansatz für die Erfassung von Seegrenzen erlaubt es einerseits, Seen ungeachtet der physikalischen Zustände des Wassers zu klassifizieren und anderseits gefrorene Seen von den Gletschern zu unterschieden, welche ähnliche Eigenschaften beim Wasserindex aufweisen. Der für Schneelawinen vorgeschlagene Algorithmus wiederum ermöglicht insgesamt die Erfassung von Anbruchgebieten, Sturzbahnen und Ablagerungszonen durch Verifikation der Schneeheterogenität sowie die lokalen Beziehungen zu benachbarten Objekten. Dieser Algorithmus enthält einige Schritte, die es erlauben, gleichzeitig Lawinen zu klassifizieren, die in verschiedenen Berghängen auftreten und unterschiedliche Größen und Formen haben. Diese Dissertation trägt zur Naturgefahrenforschung bei, da sie automatische Lösungen für das Monitoring von sechs verschiedenen Landformen bietet, die typisch für Naturgefahren sind. Es wird somit dazu beigetragen, Gebiete abgrenzbar zu machen, welche für das Auftreten von Gefahrenphänomenen besonders anfällig sind. Zudem können damit auch Verbesserungen bei der Erstellung von Gefahrenkarten erreicht werden. KW - object based image analysis KW - automatic classification KW - GIS KW - satellite images KW - photogrammetry KW - landforms KW - natural hazards KW - snow avalanches KW - lakes KW - roughness KW - objektbasierte Bildanalyse KW - automatische Klassifizierung KW - GIS KW - Satellitenbilder KW - Photogrammetrie KW - Landformen KW - Naturgefahren KW - Lawinen KW - Seen KW - Rauheit Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402240 ER - TY - THES A1 - Irrgang, Anna Maria T1 - Temporal and spatial dynamics of Arctic coastal changes and the resulting impacts: Yukon Territory, Canada Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Tanski, George T1 - Fate of organic matter mobilized from eroding permafrost coasts Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Osei Tutu, Anthony T1 - Linking global mantle dynamics with lithosphere dynamics using the geoid, plate velocities and lithosphere stress state as constraints T1 - Verknüpfung der globalen Manteldynamik mit der Lithosphärendynamik, unter Berücksichtigung des Geoids, der Plattengeschwindigkeiten und des Spannungszustandes der Lithosphäre als Einschränkungen BT - lithosphere and mantle dynamics coupling N2 - Lithospheric plates move over the low viscosity asthenosphere balancing several forces. The driving forces include basal shear stress exerted by mantle convection and plate boundary forces such as slab pull and ridge push, whereas the resisting forces include inter-plate friction, trench resistance, and cratonic root resistance. These generate plate motions, the lithospheric stress field and dynamic topography which are observed with different geophysical methods. The orientation and tectonic regime of the observed crustal/lithospheric stress field further contribute to our knowledge of different deformation processes occurring within the Earth's crust and lithosphere. Using numerical models previous studies were able to identify major forces generating stresses in the crust and lithosphere which also contribute to the formation of topography as well as driving lithospheric plates. They showed that the first-order stress pattern explaining about 80\,\% of the stress field originates from a balance of forces acting at the base of the moving lithospheric plates due to convective flow in the underlying mantle. The remaining second-order stress pattern is due to lateral density variations in the crust and lithosphere in regions of pronounced topography and high gravitational potential, such as the Himalayas and mid-ocean ridges. By linking global lithosphere dynamics to deep mantle flow this study seeks to evaluate the influence of shallow and deep density heterogenities on plate motions, lithospheric stress field and dynamic topography using the geoid as a major constraint for mantle rheology. We use the global 3D lithosphere-asthenosphere model SLIM3D with visco-elasto-plastic rheology coupled at 300 km depth to a spectral model of mantle flow. The complexity of the lithosphere-asthenosphere component allows for the simulation of power-law rheology with creep parameters accounting for both diffusion and dislocation creep within the uppermost 300 km. First we investigate the influence of intra-plate friction and asthenospheric viscosity on present-day plate motions. Previous modelling studies have suggested that small friction coefficients (µ < 0.1, yield stress ~ 100 MPa) can lead to plate tectonics in models of mantle convection. Here we show that, in order to match present-day plate motions and net rotation, the frictional parameter must be less than 0.05. We are able to obtain a good fit with the magnitude and orientation of observed plate velocities (NUVEL-1A) in a no-net-rotation (NNR) reference frame with µ < 0.04 and minimum asthenosphere viscosity ~ 5*10e19 Pas to 10e20 Pas. Our estimates of net rotation (NR) of the lithosphere suggest that amplitudes ~ 0.1-0.2 °/Ma, similar to most observation-based estimates, can be obtained with asthenosphere viscosity cutoff values of ~ 10e19 Pas to 5*10e19 Pas and friction coefficient µ < 0.05. The second part of the study investigates further constraints on shallow and deep mantle heterogeneities causing plate motion by predicting lithosphere stress field and topography and validating with observations. Lithosphere stresses and dynamic topography are computed using the modelling setup and rheological parameters for prescribed plate motions. We validate our results with the World Stress Map 2016 (WSM2016) and the observed residual topography. Here we tested a number of upper mantle thermal-density structures. The one used to calculate plate motions is considered the reference thermal-density structure. This model is derived from a heat flow model combined with a sea floor age model. In addition we used three different thermal-density structures derived from global S-wave velocity models to show the influence of lateral density heterogeneities in the upper 300 km on model predictions. A large portion of the total dynamic force generating stresses in the crust/lithosphere has its origin in the deep mantle, while topography is largely influenced by shallow heterogeneities. For example, there is hardly any difference between the stress orientation patterns predicted with and without consideration of the heterogeneities in the upper mantle density structure across North America, Australia, and North Africa. However, the crust is dominant in areas of high altitude for the stress orientation compared to the all deep mantle contribution. This study explores the sensitivity of all the considered surface observables with regards to model parameters providing insights into the influence of the asthenosphere and plate boundary rheology on plate motion as we test various thermal-density structures to predict stresses and topography. N2 - Lithosphärenplatten bewegen sich über die niederviskose Asthenosphäre, wobei mehrere Kräfte im Gleichgewicht stehen. Die antreibenden Kräfte umfassen eine basale Schubspannung, die durch Mantelkonvektion verursacht wird, und Plattengrenzkräfte, wie z.B. slab pull und ridge push, während die widerstehenden Kräfte die Reibung zwischen Platten, Widerstand an Tiefseegräben sowie an den kratonischen Wurzeln umfassen. Diese Kräfte erzeugen Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie, die mit verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden. Die Orientierung und das tektonische Regime des beobachteten Krusten- und lithosphärischen Spannungsfeldes tragen weiter zu unserem Wissen über unterschiedliche Deformationsprozesse in der Erdkruste und Lithosphäre bei. Mit Hilfe von numerischen Modellen konnten frühere Studien die wichtigsten Kräfte identifizieren, die Spannungen in der Kruste und in der Lithosphäre erzeugen, und die auch zur Bildung von Topographie sowie zum Antrieb der lithosphärischen Platten beitragen. Sie zeigten, dass das Spannungsmuster erster Ordnung, das etwa 80% des Spannungsfeldes erklärt, aus einem Gleichgewicht der Kräfte stammt, die an der Basis der sich bewegenden lithosphärischen Platten aufgrund der konvektiven Strömung in dem darunter liegenden Mantel wirken. Das verbleibende Spannungsmuster der zweiten Ordnung ist auf laterale Dichtevariationen in der Kruste und der Lithosphäre in Regionen mit ausgeprägter Topographie und hohem Gravitationspotential zurückzuführen, wie im Himalaya und an den Mittelozeanischen Rücken. Durch die Verknüpfung der globalen Lithosphären-Dynamik mit den tiefen Mantelströmungen versucht diese Studie, den Einfluss von flachen und tiefen Dichte-Heterogenitäten auf die Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie mit dem Geoid als einer wesentlichen Randbedingung für die Mantel-Rheologie zu untersuchen. Ich verwende das globale 3D-Lithosphären-Asthenosphären-Modell SLIM3D mit viskoelasto-plastischer Rheologie, gekoppelt in 300 km Tiefe an ein spektrales Modell der Mantelströmung. Die Komplexität der Lithosphären-Asthenosphären- Komponente ermöglicht die Simulation der Power-law-Rheologie mit Kriechparametern, die sowohl Diffusions-als auch Dislokationskriechen in den obersten 300km einschließen. Zuerst untersuche ich den Einfluss der Intra-Platten-Reibung und der asthenosphärischen Viskosität auf heutige Plattenbewegungen. Bisherige Modellierungsstudien haben vorgeschlagen, dass kleine Reibungskoeffizienten ( u < 0,1, FlieSSspannung ~ 100 MPa) zu Plattentektonik in Modellen der Mantelkonvektion führen können. Hier zeigen wir, dass der Reibungsparameter, um den heutigen Plattenbewegungen und der Netto-Rotation zu entsprechen, kleiner als 0,05 sein muss. Wir können eine gute Übereinstimmung mit der Größe und Orientierung der beobachteten Plattengeschwindigkeiten (NUVEL-1A) in einem No-Net- Rotation- (NNR) Bezug system mit < 0,04 und minimaler Asthenosphärenviskosität ~ 510^19 Pas bis 10^20 Pas erreichen. Unsere Schätzungen der Netto-Rotation (NR) der Lithosphäre deuten darauf hin, dass Amplituden ~ 0:1 - 0:2 (◦/Ma), ähnlich den meisten Beobachtungs-basierten Schätzungen, mit Asthenosphären- Viskositäts-Cutoff-Werten von ~ 10^19 Pas bis 5 10^19 Pas und Reibungskoeffizient u < 0,05 erreicht werden können. Der zweite Teil der Studie untersucht weitere Einschränkungen auf flache und tiefe Mantelheterogenitäten, welche Plattenbewegungen verursachen, durch die Vorhersage des Lithosphärenspannungsfeldes und der Topographie und deren Validierung mit Beobachtungen. Lithosphärenspannungen und dynamische Topographie werden mit dem Modellaufbau und den rheologischen Parametern für vorgeschriebene Plattenbewegungen berechnet.Wir validieren unsere Ergebnisse mit der Weltspannungskarte 2016 (WSM2016) und der beobachteten Residualtopographie. Hier haben wir eine Anzahl von thermischen Dichte-Strukturen für den oberen Mantel getestet. Diejenige, die verwendet wurde, um Plattenbewegungen zu berechnen, wird als Referenz- thermische Dichte-Struktur betrachtet. Dieses Modell ist abgeleitet aus einem Wärmestrommodell, kombiniert mit einem Ozeanbodenalter-Modell. Darüber hinaus haben wir drei verschiedene thermische Dichtestrukturen abgeleitet aus globalen S-Wellengeschwindigkeits modellen verwendet, um den Einfluss von Heterogenitäten der lateralen Dichte in den oberen 300 km auf Modellvorhersagen zu zeigen. Ein großer Teil der gesamten dynamischen Kraft, die Spannungen in der Kruste / Lithosphäre erzeugt, hat ihren Ursprung im tiefen Mantel, während die Topographie weitgehend durch flache Heterogenitäten beeinflusst wird. Zum Beispiel gibt es kaum einen Unterschied zwischen den Spannungsorientierungsmustern, die mit und ohne Berücksichtigung der Heterogenitäten in der Dichtestruktur des oberen Mantels in Nordamerika, Australien und Nordafrika vorhergesagt wurden. Allerdings dominiert die Kruste in Gebieten von großer Höhe für die Spannungorientierung im Vergleich zu allen tiefen Mantelbeiträgen. Diese Studieerforschen die Empfindlichkeit aller betrachteten Oberflächen-Observablen in Bezug auf Modellparameter und gibt Einblicke über den Einfluss der Asthenosphäre und Plattengrenzen-Rheologie auf Plattenbewegung, wobei wir verschiedene thermische Dichte Strukturen zur Vorhersage von Spannungen und Topographie testen. KW - plate motions KW - plate boundary friction KW - upper mantle viscosity structure KW - lithosphere stress field KW - dynamic topography KW - lithosphere net rotation KW - upper mantle density heterogeneities KW - Plattenbewegungen KW - Reibung an Plattengrenzen KW - Viskositätsstruktur im oberen Mantel KW - lithosphärisches Spannungsfeld KW - dynamische Topographie KW - Nettorotation der Lithosphäre KW - Dichteheterogenitäten im oberen Mantel Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407057 ER - TY - THES A1 - Bredow, Eva T1 - Geodynamic models of plume-ridge interaction T1 - Geodynamische Modelle der Interaktion von Plumes und Mittelozeanischen Rücken BT - case studies of the Réunion, Iceland and Kerguelen mantle plumes BT - Fallstudien der Réunion-, Island- und Kerguelen-Mantleplumes N2 - According to the classical plume hypothesis, mantle plumes are localized upwellings of hot, buoyant material in the Earth’s mantle. They have a typical mushroom shape, consisting of a large plume head, which is associated with the formation of voluminous flood basalts (a Large Igneous Province) and a narrow plume tail, which generates a linear, age-progressive chain of volcanic edifices (a hotspot track) as the tectonic plate migrates over the relatively stationary plume. Both plume heads and tails reshape large areas of the Earth’s surface over many tens of millions of years. However, not every plume has left an exemplary record that supports the classical hypothesis. The main objective of this thesis is therefore to study how specific hotspots have created the crustal thickness pattern attributed to their volcanic activities. Using regional geodynamic models, the main chapters of this thesis address the challenge of deciphering the three individual (and increasingly complex) Réunion, Iceland, and Kerguelen hotspot histories, especially focussing on the interactions between the respective plume and nearby spreading ridges. For this purpose, the mantle convection code ASPECT is used to set up three-dimensional numerical models, which consider the specific local surroundings of each plume by prescribing time-dependent boundary conditions for temperature and mantle flow. Combining reconstructed plate boundaries and plate motions, large-scale global flow velocities and an inhomogeneous lithosphere thickness distribution together with a dehydration rheology represents a novel setup for regional convection models. The model results show the crustal thickness pattern produced by the plume, which is compared to present-day topographic structures, crustal thickness estimates and age determinations of volcanic provinces associated with hotspot activity. Altogether, the model results agree well with surface observations. Moreover, the dynamic development of the plumes in the models provide explanations for the generation of smaller, yet characteristic volcanic features that were previously unexplained. Considering the present-day state of a model as a prediction for the current temperature distribution in the mantle, it cannot only be compared to observations on the surface, but also to structures in the Earth’s interior as imaged by seismic tomography. More precisely, in the case of the Réunion hotspot, the model demonstrates how the distinctive gap between the Maldives and Chagos is generated due to the combination of the ridge geometry and plume-ridge interaction. Further, the Rodrigues Ridge is formed as the surface expression of a long-distance sublithospheric flow channel between the upwelling plume and the closest ridge segment, confirming the long-standing hypothesis of Morgan (1978) for the first time in a dynamic context. The Réunion plume has been studied in connection with the seismological RHUM-RUM project, which has recently provided new seismic tomography images that yield an excellent match with the geodynamic model. Regarding the Iceland plume, the numerical model shows how plume material may have accumulated in an east-west trending corridor of thin lithosphere across Greenland and resulted in simultaneous melt generation west and east of Greenland. This provides an explanation for the extremely widespread volcanic material attributed to magma production of the Iceland hotspot and demonstrates that the model setup is also able to explain more complicated hotspot histories. The Iceland model results also agree well with newly derived seismic tomographic images. The Kerguelen hotspot has an extremely complex history and previous studies concluded that the plume might be dismembered or influenced by solitary waves in its conduit to produce the reconstructed variable melt production rate. The geodynamic model, however, shows that a constant plume influx can result in a variable magma production rate if the plume interacts with nearby mid-ocean ridges. Moreover, the Ninetyeast Ridge in the model is created by on-ridge activities, while the Kerguelen plume was located beneath the Australian plate. This is also a contrast to earlier studies, which described the Ninetyeast Ridge as the result of the Indian plate passing over the plume. Furthermore, the Amsterdam-Saint Paul Plateau in the model is the result of plume material flowing from the upwelling toward the Southeast Indian Ridge, whereas previous geochemical studies attributed that volcanic province to a separate deep plume. In summary, the three case studies presented in this thesis consistently highlight the importance of plume-ridge interaction in order to reconstruct the overall volcanic hotspot record as well as specific smaller features attributed to a certain hotspot. They also demonstrate that it is not necessary to attribute highly complicated properties to a specific plume in order to account for complex observations. Thus, this thesis contributes to the general understanding of plume dynamics and extends the very specific knowledge about the Réunion, Iceland, and Kerguelen mantle plumes. N2 - Nach der klassischen Plume-Hypothese sind Mantelplumes lokalisierte Aufströme aus heißem, aufsteigenden Material im Erdmantel und haben eine typische pilzförmige Struktur. Sie bestehen aus einem großen Plume-Kopf, der mit der Bildung von voluminösen Flutbasalten (einer Magmatischen Großprovinz) assoziiert wird und einem engen Plume-Schlauch, der eine lineare Kette von Vulkanen mit aufsteigendem Alter (einen Hotspot-Track) erzeugt, indem die tektonische Platte über den relativ stationären Plume wandert. Sowohl Plume-Köpfe als auch Plume-Schläuche formen große Gebiete der Erdoberfläche über viele zehn Millionen Jahre um. Allerdings hat nicht jeder Plume mustergültige Spuren hinterlassen, die die klassische Hypothese unterstützen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher zu untersuchen, wie ein spezifischer Hotspot den ihm zugeordneten Hotspot-Track erzeugt hat. Mit Hilfe regionaler geodynamischer Modelle stellen sich die Hauptkapitel dieser Arbeit der Herausforderung, die drei individuellen (und zunehmend komplexen) Geschichten des Réunion-, Island- und Kerguelen-Hotspots zu entschlüsseln, wobei insbesondere die Wechselwirkungen zwischen dem jeweiligen Plume und nahegelegenen Mittelozeanischen Rücken im Mittelpunkt stehen. Zu diesem Zweck wird der Mantelkonvektions-Code ASPECT verwendet, um dreidimensionale numerische Modelle zu erstellen, die die spezielle lokale Umgebung jedes Plumes berücksichtigen, indem zeitabhängige Randbedingungen für Temperatur und Mantelströmung vorgeschrieben werden. Die Kombination von rekonstruierten Plattengrenzen und Plattenbewegungen, großräumigen globalen Strömungsgeschwindigkeiten und einer inhomogenen Lithosphärendickenverteilung zusammen mit einer Dehydrierungs-Rheologie stellt eine neue Konfiguration für regionale Konvektionsmodelle dar. Die Modellergebnisse zeigen die vom Plume produzierte Verteilung von vulkanischem Material, die mit heutigen topographischen Strukturen, Schätzungen der Krustendicke und Altersbestimmungen vulkanischer Provinzen verglichen wird. Insgesamt stimmen die Modellergebnisse gut mit den Oberflächenbeobachtungen überein. Darüber hinaus liefert die dynamische Entwicklung der Plumes in den Modellen Erklärungen für die Erzeugung kleinerer, aber charakteristischer vulkanischer Strukturen, deren Herkunft bisher unerklärt war. Betrachtet man den heutigen Zustand eines Modells als Vorhersage für die aktuelle Temperaturverteilung im Mantel, kann man ihn nicht nur mit Beobachtungen an der Oberfläche vergleichen, sondern auch mit Strukturen im Erdinneren, wie sie durch seismische Tomographie abgebildet werden. Genauer gesagt zeigt das Modell im Falle des Réunion-Hotspots, wie die charakteristische Lücke zwischen den Malediven und Chagos aufgrund der Kombination der Geometrie des Mittelozeanischen Rückens und der Interaktion zwischen Plume und Rücken erzeugt wird. Des Weiteren wird der Rodrigues-Rücken als Oberflächenerscheinung eines sublithosphärischen Strömungskanals zwischen dem aufsteigenden Plume und dem nächstgelegenen Segment des Mittelozeanischen Rückens gebildet, was die langjährige Hypothese von Morgan (1978) zum ersten Mal in einem dynamischen Kontext bestätigt. Der Réunion-Plume wurde im Rahmen des seismo- logischen RHUM-RUM-Projektes untersucht, das kürzlich neue seismische Tomographiebilder ergeben hat, die eine exzellente Übereinstimmung mit dem geodynamischen Modell aufweisen. Was den Island-Plume betrifft, so zeigt das numerische Modell, wie sich Plume-Material in einem von Ost nach West verlaufenden Korridor dünner Lithosphäre in Grönland angesammelt haben könnte und zu einer gleichzeitigen Schmelzerzeugung westlich und östlich von Grönland geführt hat. Dies erklärt das extrem weit verbreitete vulkanische Material, das der Magmaproduktion des Island-Hotspots zugeschrieben wird, und demonstriert, dass der Modell-Aufbau auch kompliziertere Hotspot-Geschichten erklären kann. Die Ergebnisse des Island-Modells stimmen ebenfalls gut mit neu erzeugten seismischen Tomographiebildern überein. Der Kerguelen-Hotspot hat eine äußerst komplexe Geschichte und frühere Studien kamen zu dem Schluss, dass der Plume eine zerrissene Struktur oder durch einzelne Wellen im Schlauch beeinflusst sein könnte, um die rekonstruierte variable Schmelzproduktionsrate zu erzeugen. Das geodynamische Modell zeigt jedoch, dass ein konstanter Plume-Einstrom zu einer variablen Magmaproduktionsrate führen kann, wenn der Plume mit nahegelegenen mittelozeanischen Rücken interagiert. Darüber hinaus wird der Neunzig-Grad-Ost-Rücken im Modell am Mittelozeanischen Rücken erschaffen, während der Kerguelen-Plume unter der australischen Platte lag. Dies steht auch im Gegensatz zu früheren Studien, die den Neunzig-Grad-Ost-Rücken als Ergebnis der über den Plume wandernden indischen Platte beschrieben haben. Darüber hinaus ist das Amsterdam-Saint Paul-Plateau im Modell das Ergebnis von Plume-Material, das von der Aufstiegsregion in Richtung des Südostindischen Rückens fließt, wohingegen frühere geochemische Studien diese vulkanische Provinz einem separaten tiefen Plume zugeschrieben haben. Zusammenfassend verdeutlichen die drei in dieser Arbeit präsentierten Fallstudien die Bedeutung der Interaktion zwischen Plume und Mittelozeanischen Rücken für die Rekonstruktion der Verteilung des gesamten vom Hotspot erzeugten vulkanischen Materials sowie von spezifischen kleineren Strukturen, die einem bestimmten Hotspot zugeordnet sind. Es wird auch gezeigt, dass es nicht notwendig ist, einem bestimmten Plume hochkomplizierte Eigenschaften zuzuschreiben, um komplexe Beobachtungen zu erklären. Somit trägt diese Arbeit zum allgemeinen Verständnis der Dynamik von Plumes bei und erweitert das sehr spezifische Wissen über die Réunion-, Island-, und Kerguelen-Mantelplumes. KW - geodynamic models KW - plume-ridge interaction KW - Réunion KW - Iceland KW - Kerguelen KW - mantle plumes KW - geodynamische Modelle KW - Plume-Rücken Interaktion KW - Réunion KW - Island KW - Kerguelen KW - Mantleplumes Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411732 ER - TY - THES A1 - Richter, Nicole T1 - Investigating hazards and the evolution of volcanic landscapes by means of terrestrial and satellite remote sensing data and modelling Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Muldashev, Iskander T1 - Modeling of the great earthquake seismic cycles T1 - Modellierung der seismischen Zyklen von Mega-Erdbeben N2 - The timing and location of the two largest earthquakes of the 21st century (Sumatra, 2004 and Tohoku 2011, events) greatly surprised the scientific community, indicating that the deformation processes that precede and follow great megathrust earthquakes remain enigmatic. During these phases before and after the earthquake a combination of multi-scale complex processes are acting simultaneously: Stresses built up by long-term tectonic motions are modified by sudden jerky deformations during earthquakes, before being restored by multiple ensuing relaxation processes. This thesis details a cross-scale thermomechanical model developed with the aim of simulating the entire subduction process from earthquake (1 minute) to million years’ time scale, excluding only rupture propagation. The model employs elasticity, non-linear transient viscous rheology, and rate-and-state friction. It generates spontaneous earthquake sequences, and, by using an adaptive time-step algorithm, recreates the deformation process as observed naturally over single and multiple seismic cycles. The model is thoroughly tested by comparing results to those from known high- resolution solutions of generic modeling setups widely used in modeling of rupture propagation. It is demonstrated, that while not modeling rupture propagation explicitly, the modeling procedure correctly recognizes the appearance of instability (earthquake) and correctly simulates the cumulative slip at a fault during great earthquake by means of a quasi-dynamic approximation. A set of 2D models is used to study the effects of non-linear transient rheology on the postseismic processes following great earthquakes. Our models predict that the viscosity in the mantle wedge drops by 3 to 4 orders of magnitude during a great earthquake with magnitude above 9. This drop in viscosity results in spatial scales and timings of the relaxation processes following the earthquakes that are significantly different to previous estimates. These models replicate centuries long seismic cycles exhibited by the greatest earthquakes (like the Great Chile 1960 Earthquake) and are consistent with the major features of postseismic surface displacements recorded after the Great Tohoku Earthquake. The 2D models are also applied to study key factors controlling maximum magnitudes of earthquakes in subduction zones. Even though methods of instrumentally observing earthquakes at subduction zones have rapidly improved in recent decades, the characteristic recurrence interval of giant earthquakes (Mw>8.5) is much larger than the currently available observational record and therefore the necessary conditions for giant earthquakes are not clear. Statistical studies have recognized the importance of the slab shape and its surface roughness, state of the strain of the upper plate and thickness of sediments filling the trenches. In this thesis we attempt to explain these observations and to identify key controlling parameters. We test a set of 2D models representing great earthquake seismic cycles at known subduction zones with various known geometries, megathrust friction coefficients, and convergence rates implemented. We found that low-angle subduction (large effect) and thick sediments in the subduction channel (smaller effect) are the fundamental necessary conditions for generating giant earthquakes, while the change of subduction velocity from 10 to 3.5 cm/yr has a lower effect. Modeling results also suggest that having thick sediments in the subduction channel causes low static friction, resulting in neutral or slightly compressive deformation in the overriding plate for low-angle subduction zones. These modeling results agree well with observations for the largest earthquakes. The model predicts the largest possible earthquakes for subduction zones of given dipping angles. The predicted maximum magnitudes exactly threshold magnitudes of all known giant earthquakes of 20th and 21st centuries. The clear limitation of most of the models developed in the thesis is their 2D nature. Development of 3D models with comparable resolution and complexity will require significant advances in numerical techniques. Nevertheless, we conducted a series of low-resolution 3D models to study the interaction between two large asperities at a subduction interface separated by an aseismic gap of varying width. The novelty of the model is that it considers behavior of the asperities during multiple seismic cycles. As expected, models show that an aseismic gap with a narrow width could not prevent rupture propagation from one asperity to another, and that rupture always crosses the entire model. When the gap becomes too wide, asperities do not interact anymore and rupture independently. However, an interesting mode of interaction was observed in the model with an intermediate width of the aseismic gap: In this model the asperities began to stably rupture in anti-phase following multiple seismic cycles. These 3D modeling results, while insightful, must be considered preliminary because of the limitations in resolution. The technique developed in this thesis for cross-scale modeling of seismic cycles can be used to study the effects of multiple seismic cycles on the long-term deformation of the upper plate. The technique can be also extended to the case of continental transform faults and for the advanced 3D modeling of specific subduction zones. This will require further development of numerical techniques and adaptation of the existing advanced highly scalable parallel codes like LAMEM and ASPECT. N2 - Zeitpunkt und Ort der zwei größten Erdbeben des 21. Jahrhunderts (Sumatra 2004 und Tohoku 2011) überraschten die wissenschaftliche Gemeinschaft, da sie darauf hindeuten, dass die einem Megathrust-Erdbeben vorangehenden und folgenden Deformationsprozesse weiterhin rästelhaft bleiben. Ein Problem ist die komplexe Art der Subduktionsprozesse auf unterschiedlichen Skalen. Spannungen werden durch langzeitliche, tektonische Bewegungen aufgebaut, von plötzlicher, ruckartiger Deformation während Erdbeben modifiziert und anschließend durch verschiedene Entspannungsprozesse wiederhergestellt. In dieser Arbeit wird ein skalen-übergreifendes thermomechanisches Modell entwickelt mit dem Ziel den vollständigen Subduktionsprozess von kleiner Skala (Minuten, z.B. Erdbeben) bis zu Millionen Jahren zu simulieren. Dabei bleibt nur das dynamische Prozess der unberücksichtigt. Das Modell nutzt Elastizität, nicht-lineare transient viskose Rheologie und „rate-and-state“ Reibungsgesetz. Es erzeugt spontane Erdbeben-Sequenzen und stellt durch das Nutzen eines adaptiven Zeitschritt Algorithmus den Deformationsprozess nach, wie er in der Natur während einzelner und mehrerer seismischer Zyklen beobachtet wird. Anhand der 2D-Modell Reihe werden die Effekte der nicht-linearen transient (viskosen) Rheologie auf postseismische Prozesse nach großen Erdbeben untersucht. Die Modelle sagen eine Verringerung der Mantelkeil-Viskosität um 3 bis 4 Größenordnungen während der großen Erdbeben (Mw > 9) vorher. Im Gegensatz zur momentanen Meinung, ergeben sich andere räumliche und zeitliche Verteilungen des Entspannungsprozesses nach großen Erdbeben. Jahrhunderte lange seismische Zyklen, wie zum Beispiel das große Erdbeben in Chile 1960, werden reproduziert und stimmen mit den Hauptmerkmalen der postseismischen Oberflächenverschiebungen überein, die nach dem großen Tohoku Erdbeben aufgezeichnet wurden. Mithilfe der 2D-Modelle werden außerdem Schlüsselfaktoren untersucht, die die maximale Magnitude von Erdbeben bestimmen. Obwohl die instrumentellen Methoden zur Beobachtung von Erdbeben in Subduktionszonen in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert wurden, kann das Auftreten der größten Erdbeben (Mw > 8.5) und die dafür vorrauszusetzenden Bedingungen nicht genau bestimmt werden, da die charackeristische Zeit für ein Wiederauftreten deutlich größer als der Beobachtungszeitraum ist. Wir versuchen in dieser Arbeit diese Beobachtungen zu erklären und die kontrollierenden Schlüsselfaktoren zu bestimmen. Eine 2D-Modell Reihe mit großen, seismischen Erdbebenzyklen untersucht unterschiedliche Geometrien von Subduktionszonen sowie Reibungskoeffizieten an der Subduktions Platten-Grenzoberfläche und Konvergenzraten. Subduktion mit geringem Winkel (großer Effekt) und mächtige Sedimente im Subduktionskanal (kleiner Effekt) sind grundlegend notwendige Bedingungen für riesige Erdbeben, während eine Änderung des Reibungsparameters nur geringe Auswirkungen hat. Die Modellierungsergebnisse sind in viiÜbereinstimmung mit den Beobachtungen von den größten Erdbeben. Die maximale vohergesagte Magnituden liegen an der oberen Grenze alle historische Beben der 20. und 21. Jahrhunderden. Die größte Einschränkung der entwickelten Modelle ist ihre 2-dimensionale Natur. Um die Interaktion zwischen zwei großen Unebenheiten („asperities“) auf der Subduktions Platten-Grenzoberfläche, die von einer aseismischen Lücke („gap“) voneinander getrennt sind, zu untersuchen, wurde eine 3D-Modell Reihe mit geringer Auflösung durchgeführt. Neu an diesem Modell ist, dass das Verhalten der Unebenheiten während mehrerer seismischer Zyklen berücksichtigt wird. Wie erwartet zeigt das Modell, dass eine schmale, aseismische Lücke ein Propagieren von Brüchen von einer Unebenheit zur nächsten nicht verhindern kann und diese Brüche das gesamte Modell durchkreuzen. Wird die Lücke zu groß interagieren die Unebenheiten nicht mehr miteinander und brechen unabhängig voneinander. Allerdings wurde in dem Modell mit mittlerer Breite der aseismischen Lücke eine interessante Art von Interaktion beobachtet: Nach einigen seismischen Zyklen beginnen die Unebenheiten kontinuerlich und zwar in Gegen-Phasen zu brechen. Diese Ergebnisse sind andeutend, aber können aufgrund der geringen Auflösung des Models nur als vorläufig angesehen werden und erfordern weitere Bestätigung mit hoch-auflösenden Modellen. KW - earthquake modeling KW - seismic cycle modeling KW - subduction KW - numerical modeling KW - Erdbeben Modellierung KW - Modellierung des seismischen Zyklus KW - Subduktion KW - numerische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398926 ER - TY - THES A1 - Hendriyana, Andri T1 - Detection and Kirchhoff-type migration of seismic events by use of a new characteristic function T1 - Detektion und Kirchhoff-Migration seismischer Ereignisse durch Verwendung einer neuen charakteristischen Funktion N2 - The classical method of seismic event localization is based on the picking of body wave arrivals, ray tracing and inversion of travel time data. Travel time picks with small uncertainties are required to produce reliable and accurate results with this kind of source localization. Hence recordings, with a low Signal-to-Noise Ratio (SNR) cannot be used in a travel time based inversion. Low SNR can be related with weak signals from distant and/or low magnitude sources as well as with a high level of ambient noise. Diffraction stacking is considered as an alternative seismic event localization method that enables also the processing of low SNR recordings by mean of stacking the amplitudes of seismograms along a travel time function. The location of seismic event and its origin time are determined based on the highest stacked amplitudes (coherency) of the image function. The method promotes an automatic processing since it does not need travel time picks as input data. However, applying diffraction stacking may require longer computation times if only limited computer resources are used. Furthermore, a simple diffraction stacking of recorded amplitudes could possibly fail to locate the seismic sources if the focal mechanism leads to complex radiation patterns which typically holds for both natural and induced seismicity. In my PhD project, I have developed a new work flow for the localization of seismic events which is based on a diffraction stacking approach. A parallelized code was implemented for the calculation of travel time tables and for the determination of an image function to reduce computation time. In order to address the effects from complex source radiation patterns, I also suggest to compute diffraction stacking from a characteristic function (CF) instead of stacking the original wave form data. A new CF, which is called in the following mAIC (modified from Akaike Information Criterion) is proposed. I demonstrate that, the performance of the mAIC does not depend on the chosen length of the analyzed time window and that both P- and S-wave onsets can be detected accurately. To avoid cross-talk between P- and S-waves due to inaccurate velocity models, I separate the P- and S-waves from the mAIC function by making use of polarization attributes. Then, eventually the final image function is represented by the largest eigenvalue as a result of the covariance analysis between P- and S-image functions. Before applying diffraction stacking, I also apply seismogram denoising by using Otsu thresholding in the time-frequency domain. Results from synthetic experiments show that the proposed diffraction stacking provides reliable results even from seismograms with low SNR=1. Tests with different presentations of the synthetic seismograms (displacement, velocity, and acceleration) shown that, acceleration seismograms deliver better results in case of high SNR, whereas displacement seismograms provide more accurate results in case of low SNR recordings. In another test, different measures (maximum amplitude, other statistical parameters) were used to determine the source location in the final image function. I found that the statistical approach is the preferred method particularly for low SNR. The work flow of my diffraction stacking method was finally applied to local earthquake data from Sumatra, Indonesia. Recordings from a temporary network of 42 stations deployed for 9 months around the Tarutung pull-apart Basin were analyzed. The seismic event locations resulting from the diffraction stacking method align along a segment of the Sumatran Fault. A more complex distribution of seismicity is imaged within and around the Tarutung Basin. Two lineaments striking N-S were found in the middle of the Tarutung Basin which support independent results from structural geology. These features are interpreted as opening fractures due to local extension. A cluster of seismic events repeatedly occurred in short time which might be related to fluid drainage since two hot springs are observed at the surface near to this cluster. N2 - Klassische seismologische Verfahren zur Lokalisierung seismischer Ereignisse basieren auf der Bestimmung der Ankunftszeiten von Raumwellenphasen, der Berechnung von Strahlwegen in Untergrundmodellen sowie der Inversion der Laufzeitdaten. Um mit dieser Methode zuverlässige und genaue Lokalisierungsergebnisse zu erhalten, werden Laufzeitdaten mit kleinen Unsicherheiten benötigt. Folgerichtig müssen Seismogramme mit sehr geringen Signal-zu-Rausch Verhältnissen (S/N) häufig verworfen werden. Geringe S/N können einerseits durch schwache Signale am Empfänger, z.B. wegen großer Entfernungen zur Quelle und/oder bei Quellen mit kleiner Magnitude, und andererseits durch einen hohen Rauschpegel verursacht werden. Eine alternative Methode zur Herdlokalisierung ist die sogenannte Diffraktions-Stapel-ung. Hierbei werden die Amplituden der aufgezeichneten Wellenformen entlang von vorhergesagten Laufzeitfunktionen aufgestapelt. Durch konstruktive Aufsummation können auch Signale von Seismogrammen mit geringem S/N zur Lokalisierung beitragen. Als Teil des Verfahrens wird eine sogenannte Image-Funktion berechnet, deren maximale Amplitude (Kohärenz) mit dem Ort und der Zeit des Bebenherdes verknüpft ist. Die Methodik ist für eine Implementation von automatisierten Überwachungssystemen geeignet. Von Nachteil ist der relative hohe Rechenaufwand. Außerdem müssen bei der Diffraktions-Stapelung die komplizierten Abstrahlcharakteristika im Quellbereich und deren Auswirkungen auf die Signale an verschiedenen Empfängern im Unterschied zur Laufzeit-Inversion mit berücksichtigt werden. In meiner Arbeit habe ich eine neue Methodik zur Lokalisierung von Bebenherden unter Verwendung einer Diffraktions-Stapelung entwickelt. Zunächst werden Laufzeiten (Green’s Funktionen) für potentielle Herdlokationen mit Hilfe eines parallelisierten Algorithmus berechnet. Eine erste Vorbearbeitung der Seismogramme mit der Otsu-Threshold-ing Methode im Zeit-Frequenz-Bereich dient zur Unterdrückung von nicht-stationären Rauschanteilen. Anschliessend wird eine neu entwickelte charakteristische Funktion (CF) berechnet, um P- und S-Welleneinsätze in den gefilterten Daten noch stärker hervorzuheben. Die vorgeschlagene CF basiert auf einer modifizierten Version des Akaike Kriteriums. Die neue CF liefert stabile Resultate, die im Unterschied zum klassischen Akaike-Kriterium nicht von der subjektiv festzulegenden Länge des Analysefensters abhängig sind. Die Verwendung der CF ist darüber hinaus entscheidend, um den unerwünschten Einfluss der Abstrahlcharakteristik auf die gemessenen Amplituden bei der Diffraktions-Stapelung zu eliminieren. Eine finale Image-Funktion wird mit Hilfe einer Kovarianzmatrix-Analyse von P- und S- Image-Funktionen bestimmt, um daraus schließlich die Herdlokation zu ermitteln. Das neue Verfahren wird an Hand von synthetischen Daten getestet. Zuverlässige und genaue Resultate konnten selbst bei sehr geringen S/N von 1 erzielt werden. Tests mit verschiedenen Seismogramm-Varianten (Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) ergaben, dass bei hohem S/N Beschleunigungs-Seismogramme und bei sehr niedrigen S/N Verschiebungs-Seismogramme die besten Ergebnisse lieferten. Schliesslich wurde das Verfahren auf Daten aus einer Lokalbebenuntersuchung auf Sumatra (Indonesien) angewendet. Über einen Zeitraum von 9 Monaten wurde mit einem Netzwerk aus 42 Stationen die Seismizität im Bereich des Tarutung-Beckens an der Sumatra-Störung (SF) erfasst. Die Methode bildete hierbei ein lineares Segment der SF ab. Im Tarutung-Becken wurde eine komplexere Bebenverteilung abgeleitet. Ein Vergleich mit strukturgeologischen Daten liefert Rückschlüsse auf das tektonische und geothermische Regime im Untersuchungsgebiet. KW - time-series analysis KW - inverse theory KW - earthquake source observations KW - seismicity and tectonics KW - wave scattering and diffraction KW - body waves KW - computational seismology KW - Zeitreihenanalyse KW - Inversions-Theorie KW - Beobachtung von Erdbebenquellen KW - Seismizität und Tektonik KW - Wellenbrechung und Diffraktion KW - Raumwellen KW - computergestützte Seismologie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398879 ER - TY - THES A1 - Ziegler, Moritz O. T1 - The 3D in-situ stress field and its changes in geothermal reservoirs T1 - Das 3D in-situ Spannungsfeld und seine Änderungen in Geothermiereservoiren N2 - Information on the contemporary in-situ stress state of the earth’s crust is essential for geotechnical applications and physics-based seismic hazard assessment. Yet, stress data records for a data point are incomplete and their availability is usually not dense enough to allow conclusive statements. This demands a thorough examination of the in-situ stress field which is achieved by 3D geomechanicalnumerical models. However, the models spatial resolution is limited and the resulting local stress state is subject to large uncertainties that confine the significance of the findings. In addition, temporal variations of the in-situ stress field are naturally or anthropogenically induced. In my thesis I address these challenges in three manuscripts that investigate (1) the current crustal stress field orientation, (2) the 3D geomechanical-numerical modelling of the in-situ stress state, and (3) the phenomenon of injection induced temporal stress tensor rotations. In the first manuscript I present the first comprehensive stress data compilation of Iceland with 495 data records. Therefore, I analysed image logs from 57 boreholes in Iceland for indicators of the orientation of the maximum horizontal stress component. The study is the first stress survey from different kinds of stress indicators in a geologically very young and tectonically active area of an onshore spreading ridge. It reveals a distinct stress field with a depth independent stress orientation even very close to the spreading centre. In the second manuscript I present a calibrated 3D geomechanical-numerical modelling approach of the in-situ stress state of the Bavarian Molasse Basin that investigates the regional (70x70x10km³) and local (10x10x10km³) stress state. To link these two models I develop a multi-stage modelling approach that provides a reliable and efficient method to derive from the larger scale model initial and boundary conditions for the smaller scale model. Furthermore, I quantify the uncertainties in the models results which are inherent to geomechanical-numerical modelling in general and the multi-stage approach in particular. I show that the significance of the models results is mainly reduced due to the uncertainties in the material properties and the low number of available stress magnitude data records for calibration. In the third manuscript I investigate the phenomenon of injection induced temporal stress tensor rotation and its controlling factors. I conduct a sensitivity study with a 3D generic thermo-hydro-mechanical model. I show that the key control factors for the stress tensor rotation are the permeability as the decisive factor, the injection rate, and the initial differential stress. In particular for enhanced geothermal systems with a low permeability large rotations of the stress tensor are indicated. According to these findings the estimation of the initial differential stress in a reservoir is possible provided the permeability is known and the angle of stress rotation is observed. I propose that the stress tensor rotations can be a key factor in terms of the potential for induced seismicity on pre-existing faults due to the reorientation of the stress field that changes the optimal orientation of faults. N2 - Kenntnis des derzeitigen in-situ Spannungszustandes der Erdkruste ist essenziell für geotechnische Anwendungen und seismische Gefährdungsabschätzungen, welche auf physikalischen Beobachtungen basieren. Jedoch sind die Spannungsinformationen jedes Datenpunktes unvollständig und die Menge an vorhandenen Datenpunkten ist normalerweise nicht groß genug, um schlüssige Ergebnisse zu erzielen. Daher ist eine eingehende Untersuchung des in-situ Spannungsfeldes, welche durch 3D geomechanisch-numerische Modellierung geleistet wird, erforderlich. Jedoch ist die räumliche Auflösung der Modelle begrenzt und der resultierende Spannungszustand ist großen Unsicherheiten unterworfen, welche die Aussagekraft der Ergebnisse beschränken. Zusätzlich gibt es zeitliche Änderungen des Spannungsfeldes, welche durch natürliche Prozesse bedingt oder menschengemacht sind. In meiner Dissertation behandle ich diese Herausforderungen in drei Manuskripten, welche (1) die Orientierung des derzeitigen Spannungszustandes, (2) die 3D geomechanisch-numerische Modellierung des in-situ Spannungszustandes und (3) das Phänomen injektionsinduzierter zeitlicher Rotationen des Spannungstensors zum Thema haben. In dem ersten Manuskript präsentiere ich die erste umfassende Spannungsdatensammlung von Island mit insgesamt 495 Einträgen. Dafür habe ich Bilddatenlogs aus 57 Bohrlöchern in Island auf Indikatoren der maximalen horizontalen Spannungsorientierung hin untersucht. Diese Studie ist die erste ganzheitliche Spannungsuntersuchung, welche sich auf verschiedene Indikatoren der Spannungsorientierung stützt und in einem geologisch sehr jungen und tektonisch aktiven Gebiet auf einem Mittelozeanischen Rücken an Land liegt. Es zeigt sich, dass selbst sehr nahe an der Plattengrenze eine tiefenunabhängige, eindeutige Spannungsorientierung existiert. In dem zweiten Manuskript präsentiere ich einen kalibrierten 3D geomechanisch-numerischen Modellierungsansatz des in-situ Spannungszustandes des bayrischen Molassebeckens welches den regionalen (70x70x10km³) und den lokalen (10x10x10km³) Spannungszustand untersucht. Um diese zwei Modelle zu verbinden, habe ich ein mehrstufigen Modellansatz entworfen, welcher eine zuverlässige und effiziente Methode darstellt um Randbedingungen und Initialbedingungen für das kleinere Modell aus dem größeren Modell abzuleiten. Des Weiteren quantifiziere ich die Unsicherheiten in den Modellergebnissen, welche im Allgemeinen durch geomechanisch-numerische Modellierung und im Speziellen durch den Mehrstufenansatz entstehen. Ich zeige, dass die Signifikanz der Modellergebnisse hauptsächlich durch die Unsicherheiten in den Materialeigenschaften sowie der geringen Anzahl vorhandener Spannungsmagnitudendaten zur Kalibrierung reduziert wird. In dem dritten Manuskript untersuche ich das Phänomen injektionsinduzierter zeitlicher Rotationen des Spannungstensors und deren kontrollierende Parameter. Ich führe eine Sensitivitätsanalyse mit einem generischen 3D thermo-hydro-mechanischen Modell durch. Darin zeige ich, dass die Schlüsselparameter, welche die Rotationen des Spannungstensors kontrollieren, die Permeabilität des Reservoirgesteins als der entscheidende Faktor, die Injektionsrate und die initiale Differenzspannung sind. Insbesondere für geothermische Systeme nach dem Hot-Dry-Rock-Verfahren mit einer geringen Permeabilität weisen die Ergebnisse auf große Rotationen des Spannungstensors hin. Gemäß diesen Ergebnissen kann die initiale Differenzspannung in einem Reservoir abgeschätzt werden, sollte die Permeabilität bekannt sein und der Winkel der Spannungsrotation beobachtet werden. Ich schlage vor, dass Spannungsrotationen ein Schlüsselfaktor in Bezug auf das Potenzial für induzierte Seismizität sind, welche auf prä-existierenden Störungen entsteht, die durch die Reorientierung des Spannungsfeldes optimal orientiert werden. KW - stress KW - stress changes KW - induced seismicity KW - geothermal KW - geomechanical modelling KW - Spannung KW - Spannungsänderungen KW - induzierte Seismizität KW - Geothermie KW - geomechanische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403838 ER - TY - THES A1 - Otto, Christopher T1 - Numerical analysis of thermal, hydraulic and mechanical processes in the near- and far-field of underground coal gasification reactors T1 - Numerische Analyse von thermalen, hydraulischen und mechanischen Prozessen im Nah- und Fernfeld von Untertage-Kohlevergasungs-Reaktoren N2 - Die Untertagevergasung von Kohle (UTV) ermöglicht die Erschließung konventionell nicht förderbarer Kohleressourcen und bietet dadurch Potenzial zur Erhöhung der weltweiten Kohlereserven. Bei der in-situ Kohleumwandlung entsteht ein hochkalorisches Synthesegas, das elektrifiziert oder zur Gewinnung chemischer Rohstoffe und synthetischer Kraftstoffe eingesetzt werden kann. Neben den wirtschaftlichen Möglichkeiten, bestehen jedoch auch standort-spezifische Umweltgefährdungspotentiale durch Subsidenz und Schadstoffmigration von UTV-Rückständen in nutzbare Grundwasserleiter. Eine nachhaltige und effiziente UTV erfordert ein umfangreiches Verständnis der thermisch, hydraulisch und mechanisch gekoppelten Prozesse im UTV-Reaktornahbereich. Aufgrund der hohen Investitionskosten von UTV-Pilotanlagen, sind numerische Simulationen gekoppelter Prozesse von entscheidender Bedeutung für die Bewertung möglicher UTV-Umweltauswirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die UTV-induzierte Permeabilitätsveränderung, Erzeugung möglicher hydraulischer Kurzschlüsse benachbarter Reaktoren und Dynamik nicht-isothermer Multiphasenflüsse mit gekoppelten Simulationen analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Implementierung temperaturabhängiger thermo-mechanischer Gesteinsparameter nur für Untersuchungen von Permeabilitäts-änderungen im Reaktornachbereich notwendig ist. Die Ergebnisse erlauben somit eine recheneffiziente Realisierung von komplexen thermo-mechanisch gekoppelten Simulations-studien regionalskaliger Modelle mit konstanten Gesteinsparametern, bei nahezu gleichbleibender Ergebnisgenauigkeit, die zur Bewertung von UTV-Umweltgefährdungs-potenzialen beitragen. Simulationen zur Ausbildung hydraulischer Kurzschlüsse zwischen einzelnen UTV-Reaktoren auf regionaler Skala, verdeutlichen die Relevanz von geologischen Störungen an einem UTV-Standort, da diese durch Reaktivierung hydraulische Verbindungen induzieren und somit einen effizienten und nachhaltigen UTV-Betrieb negativ beeinträchtigen können. In diesem Zusammenhang kommt der Ausbildung einer Wasserdampfphase, der sogenannte „steam jacket“, im Hochtemperaturnahbereich von UTV-Reaktoren, als potenzielle Barriere zur Vermeidung von UTV-Schadstoffaustritten und zur potenziellen Minimierung von Energieverlusten eine entscheidende Bedeutung zu. Diese steam jackets entstehen durch evaporiertes Formationswasser und sind komplexe nicht-isotherme Multiphasenfluss-Phänomene. Für ein verbessertes Prozessverständnis dieser Multiphasenflüsse, wurde ein neuartiges Modellkonzept entwickelt, welches, validiert gegen Feldversuchsdaten, erstmals sowohl eine Quantifizierung als auch Prognose von Wasserflussraten in und aus einem UTV-Reaktor erlaubt. Die Ergebnisse der vorgelegten Doktorarbeit bilden eine wichtige Grundlage für eine erfolgreiche Integration gekoppelter thermo-hydro-mechanischer Simulationen in weiterführende Studien. Vor dem Hintergrund hoher UTV-Umweltgefährdungspotentiale, können diese zur verbesserten Bewertung und Minderung von UTV-Umweltauswirkungen beitragen, sowie die UTV-Effizienz nachhaltig optimieren. N2 - Underground coal gasification (UCG) has the potential to increase worldwide coal reserves by developing coal resources, currently not economically extractable by conventional mining methods. For that purpose, coal is combusted in situ to produce a high-calorific synthesis gas with different end-use options, including electricity generation as well as production of fuels and chemical feedstock. Apart from the high economic potentials, UCG may induce site‐specific environmental impacts, including ground surface subsidence and pollutant migration of UCG by-products into shallow freshwater aquifers. Sustainable and efficient UCG operation requires a thorough understanding of the coupled thermal, hydraulic and mechanical processes, occurring in the UCG reactor vicinity. The development and infrastructure costs of UCG trials are very high; therefore, numerical simulations of coupled processes in UCG are essential for the assessment of potential environmental impacts. Therefore, the aim of the present study is to assess UCG-induced permeability changes, potential hydraulic short circuit formation and non-isothermal multiphase fluid flow dynamics by means of coupled numerical simulations. Simulation results on permeability changes in the UCG reactor vicinity demonstrate that temperature-dependent thermo-mechanical parameters have to be considered in near-field assessments, only. Hence, far-field simulations do not become inaccurate, but benefit from increased computational efficiency when thermo-mechanical parameters are maintained constant. Simulations on potential hydraulic short circuit formation between single UCG reactors at regional-scale emphasize that geologic faults may induce hydraulic connections, and thus compromise efficient UCG operation. In this context, the steam jacket surrounding high-temperature UCG reactors plays a vital role in avoiding UCG by-products escaping into freshwater aquifers and in minimizing energy consumption by formation fluid evaporation. A steam jacket emerges in the close reactor vicinity due to phase transition of formation water and is a non-isothermal flow phenomenon. Considering this complex multiphase flow behavior, an innovative conceptual modeling approach, validated against field data, enables the quantification and prediction of UCG reactor water balances. The findings of this doctoral thesis provide an important basis for integration of thermo-hydro-mechanical simulations in UCG, required for the assessment and mitigation of its potential environmental impacts as well as optimization of its efficiency. KW - underground coal gasification KW - numerical simulation KW - non-isothermal multiphase flow KW - thermo-mechanical modeling KW - Untertage-Kohlevergasung KW - numerische Simulation KW - nichtisothermer Mehrphasenfluss KW - thermo-mechanische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404625 ER - TY - THES A1 - Nitze, Ingmar T1 - Remote sensing of rapid permafrost landscape dynamics Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Horn, Juliane T1 - A modelling framework for exploration of a multidimensional factor causing decline in honeybee health BT - towards a better understanding how forage availability in agricultural landscapes affects honeybee colony persistence Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Zhou, Bin T1 - On the assessment of surface urban heat island T1 - Bewertung des urbanen Hitzeinseleffekts BT - size, urban form, and seasonality BT - Stadtgröße, Stadtform, und Seasonalität N2 - Inwiefern Städte unter den Megatrends der Urbanisierung und des Klimawandels nachhaltig gestaltet werden können, bleibt umstritten. Dies ist zum Teil auf unzureichende Kenntnisse der Mensch-Umwelt-Interaktionen zurückzuführen. Als die am vollständigsten dokumentierte anthropogene Klimamodifikation ruft der Urbane Hitzeinsel (UHI) Effekt weltweit Sorgen hinsichtlich der Gesundheit der Bevölkerung hervor. Dazu kommt noch ein immer häufigeres und intensiveres Auftreten von Hitzewellen, wodurch das Wohlbefinden der Stadtbewohner weiter beeinträchtigt wird. Trotz eines deutlichen Anstiegs der Zahl der UHI-bezogenen Veröffentlichungen in den letzten Jahrzehnten haben die unterschiedlichen Definitionen von städtischen und ländlichen Gebieten in bisherigen Studien die allgemeine Vergleichbarkeit der Resultate stark erschwert. Darüber hinaus haben nur wenige Studien den UHI-Effekt und seine Einflussfaktoren anhand einer Kombination der Landnutzungsdaten und der thermischen Fernerkundung systematisch untersucht. Diese Arbeit stellt einen allgemeinen Rahmen zur Quantifizierung von UHI-Intensitäten mittels eines automatisierten Algorithmus vor, wobei Städte als Agglomerationen maximal räumlicher Kontinuität basierend auf Landnutzungsdaten identifiziert, sowie deren ländliche Umfelder analog definiert werden. Durch Verknüpfung der Landnutzungsdaten mit Landoberflächentemperaturen von Satelliten kann die UHI-Intensität robust und konsistent berechnet werden. Anhand dieser Innovation wurde nicht nur der Zusammenhang zwischen Stadtgröße und UHI-Intensität erneut untersucht, sondern auch die Auswirkungen der Stadtform auf die UHI-Intensität quantifiziert. Diese Arbeit leistet vielfältige Beiträge zum tieferen Verständnis des UHI-Phänomens. Erstens wurde eine log-lineare Beziehung zwischen UHI-Intensität und Stadtgröße unter Berücksichtigung der 5,000 europäischen Städte bestätigt. Werden kleinere Städte auch berücksichtigt, ergibt sich eine log-logistische Beziehung. Zweitens besteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Stadtform und der UHI-Intensität: die Stadtgröße stellt den stärksten Einfluss auf die UHI-Intensität dar, gefolgt von der fraktalen Dimension und der Anisometrie. Allerdings zeigen ihre relativen Beiträge zur UHI-Intensität eine regionale Heterogenität, welche die Bedeutung räumlicher Muster während der Umsetzung von UHI-Anpassungsmaßnahmen hervorhebt. Des Weiteren ergibt sich eine neue Saisonalität der UHI-Intensität für individuelle Städte in Form von Hysteresekurven, die eine Phasenverschiebung zwischen den Zeitreihen der UHI-Intensität und der Hintergrundtemperatur andeutet. Diese Saisonalität wurde anhand von Luft- und Landoberflächentemperaturen untersucht, indem die Satellitenbeobachtung und die Modellierung der urbanen Grenzschicht mittels des UrbClim-Modells kombiniert wurden. Am Beispiel von London ist die Diskrepanz der Saisonalitäten zwischen den beiden Temperaturen vor allem auf die mit der einfallenden Sonnenstrahlung verbundene Besonderheit der Landoberflächentemperatur zurückzuführen. Darüber hinaus spielt das regionale Klima eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der UHI. Diese Arbeit ist eine der ersten Studien dieser Art, die eine systematische und statistische Untersuchung des UHI-Effektes ermöglicht. Die Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für die allgemeine räumliche Planung und Regulierung auf Meso- und Makroebenen, damit sich Vorteile der rapiden Urbanisierung nutzbar machen und zeitgleich die folgende Hitzebelastung proaktiv vermindern lassen. N2 - To what extent cities can be made sustainable under the mega-trends of urbanization and climate change remains a matter of unresolved scientific debate. Our inability in answering this question lies partly in the deficient knowledge regarding pivotal humanenvironment interactions. Regarded as the most well documented anthropogenic climate modification, the urban heat island (UHI) effect – the warmth of urban areas relative to the rural hinterland – has raised great public health concerns globally. Worse still, heat waves are being observed and are projected to increase in both frequency and intensity, which further impairs the well-being of urban dwellers. Albeit with a substantial increase in the number of publications on UHI in the recent decades, the diverse urban-rural definitions applied in previous studies have remarkably hampered the general comparability of results achieved. In addition, few studies have attempted to synergize the land use data and thermal remote sensing to systematically assess UHI and its contributing factors. Given these research gaps, this work presents a general framework to systematically quantify the UHI effect based on an automated algorithm, whereby cities are defined as clusters of maximum spatial continuity on the basis of land use data, with their rural hinterland being defined analogously. By combining land use data with spatially explicit surface skin temperatures from satellites, the surface UHI intensity can be calculated in a consistent and robust manner. This facilitates monitoring, benchmarking, and categorizing UHI intensities for cities across scales. In light of this innovation, the relationship between city size and UHI intensity has been investigated, as well as the contributions of urban form indicators to the UHI intensity. This work delivers manifold contributions to the understanding of the UHI, which have complemented and advanced a number of previous studies. Firstly, a log-linear relationship between surface UHI intensity and city size has been confirmed among the 5,000 European cities. The relationship can be extended to a log-logistic one, when taking a wider range of small-sized cities into account. Secondly, this work reveals a complex interplay between UHI intensity and urban form. City size is found to have the strongest influence on the UHI intensity, followed by the fractality and the anisometry. However, their relative contributions to the surface UHI intensity depict a pronounced regional heterogeneity, indicating the importance of considering spatial patterns of UHI while implementing UHI adaptation measures. Lastly, this work presents a novel seasonality of the UHI intensity for individual clusters in the form of hysteresis-like curves, implying a phase shift between the time series of UHI intensity and background temperatures. Combining satellite observation and urban boundary layer simulation, the seasonal variations of UHI are assessed from both screen and skin levels. Taking London as an example, this work ascribes the discrepancies between the seasonality observed at different levels mainly to the peculiarities of surface skin temperatures associated with the incoming solar radiation. In addition, the efforts in classifying cities according to their UHI characteristics highlight the important role of regional climates in determining the UHI. This work serves as one of the first studies conducted to systematically and statistically scrutinize the UHI. The outcomes of this work are of particular relevance for the overall spatial planning and regulation at meso- and macro levels in order to harness the benefits of rapid urbanization, while proactively minimizing its ensuing thermal stress. KW - urban heat island effect KW - surface urban heat island effect KW - UHI KW - urban form KW - der Urbane Hitzeinsel Effekt KW - der Städtische Wärmeinseleffekt KW - der Urbane Hitzeinsel Effekt basierend auf Landoberflächentemperatur KW - UHI KW - die Stadtform Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404383 ER - TY - THES A1 - Kellermann, Patric T1 - Assessing natural risks for railway infrastructure and transportation in Austria T1 - Bewertung von Naturrisiken für Eisenbahninfrastruktur und -betrieb in Österreich N2 - Natural hazards can have serious societal and economic impacts. Worldwide, around one third of economic losses due to natural hazards are attributable to floods. The majority of natural hazards are triggered by weather-related extremes such as heavy precipitation, rapid snow melt, or extreme temperatures. Some of them, and in particular floods, are expected to further increase in terms of frequency and/or intensity in the coming decades due to the impacts of climate change. In this context, the European Alps areas are constantly disclosed as being particularly sensitive. In order to enhance the resilience of societies to natural hazards, risk assessments are substantial as they can deliver comprehensive risk information to be used as a basis for effective and sustainable decision-making in natural hazards management. So far, current assessment approaches mostly focus on single societal or economic sectors – e.g. flood damage models largely concentrate on private-sector housing – and other important sectors, such as the transport infrastructure sector, are widely neglected. However, transport infrastructure considerably contributes to economic and societal welfare, e.g. by ensuring mobility of people and goods. In Austria, for example, the national railway network is essential for the European transit of passengers and freights as well as for the development of the complex Alpine topography. Moreover, a number of recent experiences show that railway infrastructure and transportation is highly vulnerable to natural hazards. As a consequence, the Austrian Federal Railways had to cope with economic losses on the scale of several million euros as a result of flooding and other alpine hazards. The motivation of this thesis is to contribute to filling the gap of knowledge about damage to railway infrastructure caused by natural hazards by providing new risk information for actors and stakeholders involved in the risk management of railway transportation. Hence, in order to support the decision-making towards a more effective and sustainable risk management, the following two shortcomings in natural risks research are approached: i) the lack of dedicated models to estimate flood damage to railway infrastructure, and ii) the scarcity of insights into possible climate change impacts on the frequency of extreme weather events with focus on future implications for railway transportation in Austria. With regard to flood impacts to railway infrastructure, the empirically derived damage model Railway Infrastructure Loss (RAIL) proved expedient to reliably estimate both structural flood damage at exposed track sections of the Northern Railway and resulting repair cost. The results show that the RAIL model is capable of identifying flood risk hot spots along the railway network and, thus, facilitates the targeted planning and implementation of (technical) risk reduction measures. However, the findings of this study also show that the development and validation of flood damage models for railway infrastructure is generally constrained by the continuing lack of detailed event and damage data. In order to provide flood risk information on the large scale to support strategic flood risk management, the RAIL model was applied for the Austrian Mur River catchment using three different hydraulic scenarios as input as well as considering an increased risk aversion of the railway operator. Results indicate that the model is able to deliver comprehensive risk information also on the catchment level. It is furthermore demonstrated that the aspect of risk aversion can have marked influence on flood damage estimates for the study area and, hence, should be considered with regard to the development of risk management strategies. Looking at the results of the investigation on future frequencies of extreme weather events jeopardizing railway infrastructure and transportation in Austria, it appears that an increase in intense rainfall events and heat waves has to be expected, whereas heavy snowfall and cold days are likely to decrease. Furthermore, results indicate that frequencies of extremes are rather sensitive to changes of the underlying thresholds. It thus emphasizes the importance to carefully define, validate, and — if needed — to adapt the thresholds that are used to detect and forecast meteorological extremes. For this, continuous and standardized documentation of damaging events and near-misses is a prerequisite. Overall, the findings of the research presented in this thesis agree on the necessity to improve event and damage documentation procedures in order to enable the acquisition of comprehensive and reliable risk information via risk assessments and, thus, support strategic natural hazards management of railway infrastructure and transportation. N2 - Naturgefahren haben zum Teil gravierende Auswirkungen auf die Gesellschaft und die Wirtschaft der betroffenen Region. Weltweit sind etwa ein Drittel der finanziellen Verluste durch Naturereignisse auf Hochwasser zurückzuführen. Die Schäden an Eisenbahninfrastruktur haben dabei oft großen Anteil am Gesamtschaden. Hochwasser und andere Naturgefahren werden häufig durch Extremwetterereignisse, wie etwa Starkniederschläge oder Extremtemperaturen, ausgelöst. Im Zuge des Klimawandels rechnet man für die kommenden Jahrzehnte mit einer Zunahme in der Anzahl bzw. der Schwere einiger Naturereignisse. Mit dem Ziel, die gesellschaftliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Naturereignissen zu erhöhen, setzt man zur Gewinnung von Risikoinformationen auf sogenannte Naturrisikoanalysen. Die gegenwärtige Praxis konzentriert sich dabei meist auf die Analyse für einzelne Wirtschaftssektoren, wie etwa den Immobiliensektor. Der Transportsektor und insbesondere die Eisenbahninfrastruktur werden trotz der tragenden Rollen für die Wirtschaftskraft einer Gesellschaft jedoch weitgehend vernachlässigt. Zahlreiche Naturereignisse der letzten Jahrzehnte zeigten allerdings, dass Eisenbahninfrastruktur generell sehr schadensanfällig gegenüber Naturgefahren ist. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das Management von Naturgefahren für den Schienensektor in Österreich durch die Bereitstellung von neuen Risikoinformationen zu unterstützen. Hierzu wurde zum einen ein neuartiges Schadenmodell zur Schätzung von Hochwasserschäden an Eisenbahninfrastruktur entwickelt. Zum anderen wurde unter Verwendung von regionalen Klimamodellen die klimawandelbedingte Änderung der Häufigkeiten von Extremwetter¬ereignissen in Österreich untersucht und mögliche Auswirkungen auf den Eisenbahnbetrieb abgeleitet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das entwickelte Hochwasserschadenmodell „RAIL“ in der Lage ist, potenzielle Schadenschwerpunkte entlang von Bahnlinien für großräumige Eisenbahnnetze zu identifizieren und damit einen wertvollen Beitrag für die gezielte Planung und Errichtung von technischen Hochwasserschutzmaßnahmen leisten kann. Ferner liefert die Untersuchung der Häufigkeitsentwicklung von Extremwetterereignissen bis zum Jahr 2040 wichtige Einblicke in die zukünftigen Herausforderungen für den Bahnbetrieb im Kontext des Klimawandels. Um aus zukünftigen Naturereignissen lernen zu können und somit ein tieferes Verständnis von Naturgefahrenprozessen und deren Auswirkungen auf Eisenbahninfrastruktur und –betrieb zu erlangen, wird die (Weiter-)Entwicklung und Anwendung von standardisierten Ereignis- und Schadendokumentationsverfahren empfohlen. KW - natural risks KW - damage modeling KW - railway infrastructure KW - Naturrisiken KW - Schadensmodellierung KW - Eisenbahninfrastruktur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103877 ER - TY - THES A1 - Gudipudi, Venkata Ramana T1 - Cities and global sustainability T1 - Städte und globale Nachhaltigkeit BT - insights from emission and ecological efficiency BT - Einblicke von Emission und ökologischer Effizienz N2 - In the wake of 21st century, humanity witnessed a phenomenal raise of urban agglomerations as powerhouses for innovation and socioeconomic growth. Driving much of national (and in few instances even global) economy, such a gargantuan raise of cities is also accompanied by subsequent increase in energy, resource consumption and waste generation. Much of anthropogenic transformation of Earth's environment in terms of environmental pollution at local level to planetary scale in the form of climate change is currently taking place in cities. Projected to be crucibles for entire humanity by the end of this century, the ultimate fate of humanity predominantly lies in the hands of technological innovation, urbanites' attitudes towards energy/resource consumption and development pathways undertaken by current and future cities. Considering the unparalleled energy, resource consumption and emissions currently attributed to global cities, this thesis addresses these issues from an efficiency point of view. More specifically, this thesis addresses the influence of population size, density, economic geography and technology in improving urban greenhouse gas (GHG) emission efficiency and identifies the factors leading to improved eco-efficiency in cities. In order to investigate the in uence of these factors in improving emission and resource efficiency in cities, a multitude of freely available datasets were coupled with some novel methodologies and analytical approaches in this thesis. Merging the well-established Kaya Identity to the recently developed urban scaling laws, an Urban Kaya Relation is developed to identify whether large cities are more emission efficient and the intrinsic factors leading to such (in)efficiency. Applying Urban Kaya Relation to a global dataset of 61 cities in 12 countries, this thesis identifed that large cities in developed regions of the world will bring emission efficiency gains because of the better technologies implemented in these cities to produce and utilize energy consumption while the opposite is the case for cities in developing regions. Large cities in developing countries are less efficient mainly because of their affluence and lack of efficient technologies. Apart from the in uence of population size on emission efficiency, this thesis identified the crucial role played by population density in improving building and on-road transport sector related emission efficiency in cities. This is achieved by applying the City Clustering Algorithm (CCA) on two different gridded land use datasets and a standard emission inventory to attribute these sectoral emissions to all inhabited settlements in the USA. Results show that doubling the population density would entail a reduction in the total CO2 emissions in buildings and on-road sectors typically by at least 42 %. Irrespective of their population size and density, cities are often blamed for their intensive resource consumption that threatens not only local but also global sustainability. This thesis merged the concept of urban metabolism with benchmarking and identified cities which are eco-efficient. These cities enable better socioeconomic conditions while being less burden to the environment. Three environmental burden indicators (annual average NO2 concentration, per capita waste generation and water consumption) and two socioeconomic indicators (GDP per capita and employment ratio) for 88 most populous European cities are considered in this study. Using two different non-parametric ranking methods namely regression residual ranking and Data Envelopment Analysis (DEA), eco-efficient cities and their determining factors are identified. This in-depth analysis revealed that mature cities with well-established economic structures such as Munich, Stockholm and Oslo are eco-efficient. Further, correlations between objective eco-efficiency ranking with each of the indicator rankings and the ranking of urbanites' subjective perception about quality of life are analyzed. This analysis revealed that urbanites' perception about quality of life is not merely confined to the socioeconomic well-being but rather to their combination with lower environmental burden. In summary, the findings of this dissertation has three general conclusions for improving emission and ecological efficiency in cities. Firstly, large cities in emerging nations face a huge challenge with respect to improving their emission efficiency. The task in front of these cities is threefold: (1) deploying efficient technologies for the generation of electricity and improvement of public transportation to unlock their leap frogging potential, (2) addressing the issue of energy poverty and (3) ensuring that these cities do not develop similar energy consumption patterns with infrastructure lock-in behavior similar to those of cities in developed regions. Secondly, the on-going urban sprawl as a global phenomenon will decrease the emission efficiency within the building and transportation sector. Therefore, local policy makers should identify adequate fiscal and land use policies to curb urban sprawl. Lastly, since mature cities with well-established economic structures are more eco-efficient and urbanites' perception re ects its combination with decreasing environmental burden; there is a need to adopt and implement strategies which enable socioeconomic growth in cities whilst decreasing their environment burden. N2 - Im Laufe des 21. Jahrhunderts verzeichnete die Menschheit eine gewaltige Zunahme urbaner Agglomerationen als Motor für Innovation und soziökonomisches Wachstum. Angetrieben durch die nationale (und in wenigen Fällen auch globale) Wirtschaft, dieser gigantische Aufstieg der Städte ist allerdings auch mit einer Zunahme von Energie- und Ressourcenverbrauch sowie erhöhter Abfallerzeugung verbunden. Ein Großteil der anthropogenen Transformation der Umwelt in Form von Klimaveränderungen von der lokalen Ebene bis in die planetarische Dimension findet derzeit in Städten statt. Angenommen dass bis zum Ende des Jahrhunderts die gesamte Menschheit in einer Art Schmelztiegel miteinander verbunden sein wird, dann hängt ihr Schicksal von der Umsetzung innovativer und überlegender Entwicklungspfade heutiger und zukünftiger Städte ab. Angesichts des unvergleichlichen Energie- und Ressourcenverbrauchs sowie der Emissionen, die derzeit in Städten verursacht werden, befasst sich diese Arbeit mit genau diesen Fragen aus der Perspektive der Effizienz. Genauer gesagt, diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der städtischen Größe, Dichte, Wirtschaftsgeographie und Technologie zur Verbesserung der Emissionseffizienz der städtischen Treibhausgase, mit dem Ziel die Faktoren, die zu einer Verbesserung der ökoeffizienz in Städten führt, zu identifizieren. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Verbesserung der Emissions- und Ressourceneffizienz in Städten zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit eine Vielzahl von frei verfügbaren Datensätzen mit neuartigen Methoden und analytischen Ansätzen gekoppelt. Durch die Verschmelzung der bereits etablierten Kaya-Identität‘ mit den kürzlich entwickelten urbanen Skalierungsgesetzen wird eine ’urbane Kaya-Relation’ entwickelt, um herauszufinden, ob Großstädte emissionsärmer also effizienter sind und welche Faktoren zu dieser (In-)Effizienz führen. Dafür wurde die ’urbanen Kaya-Relation’ auf einen globalen Datensatz für 61 Städte in 12 Ländern angewendet. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass den Großstädten in den entwickelten Regionen der Welt Effizienzgewinne aufgrund des Einsatzes besserer Technologien für die Produktion und Nutzung von Energie gelingt, während für die Städte in Entwicklungsländern das Gegenteil gilt. Großstädte in Entwicklungsländern sind weniger effizient, vor allem wegen ihres Wohlstands und des Mangels an effizienten Technologien. Abgesehen vom Einfluss der Bevölkerungsgröße auf die Emissionseffizienz, zeigt diese Arbeit auch die entscheidende Rolle der Bevölkerungsdichte bei der Effizienzsteigerung im Bau- und Transportsektor. Dies wird durch die Anwendung des City Clustering Algorithmus (CCA) auf zwei verschiedene raster-basierte Landnutzungsdatensätze und ein Standard-Emissionskataster erreicht, um die sektoralen Emissionen allen bewohnten Siedlungen in den USA zuzuordnen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verdoppelung der Bevölkerungsdichte eine Verringerung der CO2-Gesamtemissionen in Gebäuden und Straßenverkehrssektoren um typischerweise mindestens 42% bedeuten würde. Unabhängig von der Bevölkerungsgröße und -dichte werden Städte häufig für ihren intensiven Ressourcenverbrauch verantwortlich gemacht, der nicht nur die lokale, sondern auch die globale Nachhaltigkeit bedroht. Diese Arbeit verbindet das Konzept des urbanen Metabolismus mit Benchmarking und identifiziert Städten, die ökoeffizient sind. Diese Städte bieten bessere sozioökonomische Bedingungen und belasten die Umwelt weniger. In dieser Studie werden drei Indikatoren für die Umweltbelastung (jährliche durchschnittliche NO2-Konzentration, Abfallaufkommen pro Kopf und Wasserverbrauch) und zwei sozioökonomische Indikatoren (BIP pro Kopf und Beschäftigungsquote) für die 88 bevölkerungsreichsten europäischen Städte berücksichtigt. Mithilfe von zwei verschiedenen Rankingmethoden, einerseits dem regression residual ranking‘ und der Data Envelopment Analysis‘ (DEA), werden ökoeffiziente Städte und ihre Bestimmungsfaktoren identifiziert. Die gründliche Analyse ergab, dass die gewachsenen Städte mit etablierten städtischen Wirtschaften wie München, Stockholm und Oslo ökoeffizient sind. Weiterhin wurden Zusammenhänge zwischen objektiven ökoeffizienz Einstufungen (ranking) mit den Einstufungen hinsichtlich einzelner Indikatoren sowie der subjektiven Wahrnehmung der Stadtbewohner über ihre Lebensqualität analysiert. Diese Analyse ergab, dass sich die Wahrnehmung der Lebensqualität von Stadtbewohnern nicht nur auf das sozioökonomische Wohlergehen beschränkt, sondern auch auf die Kombination mit einer geringeren Umweltbelastung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Dissertation drei generelle Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Emissions- und ökoeffizienz in Städten enthalten. Erstens stehen Großstädte in Schwellenländern wie China, Indien und Brasilien vor einer großen Herausforderung, ihre Emissionseffizienz zu verbessern. Vor diesen Städten stehen drei Aufgaben: (1) Einsatz effizienter Technologien zur Stromerzeugung und Verbesserung des öffentlichen Verkehrs, (2) Bekämpfung der Energiearmut und (3) Sicherstellung, dass diese Städte keine Energiekonsummuster entwickeln, die dem infrastrukturellen Lock-in-Verhalten‘ der Städte in entwickelten Regionen ähneln. Zweitens wird die fortschreitende Zersiedelung der Städte als globales Phänomen die Emissionseffizienz im Bau- und Verkehrssektor verringern. Daher sollten die lokalen politischen Entscheidungsträger angemessene fiskal- und landnutzungspolitische Maßnahmen zur Eindämmung der Zersiedelung der Städte festlegen. Schließlich müssen Strategien verabschiedet und umgesetzt werden, die das sozioökonomische Wachstum in den Städten ermöglicht und gleichzeitig die Umweltbelastung verringert, wie es in den gewachsenen Städten bereits heute vorzufinden ist. KW - cities KW - climate change KW - urban efficiency KW - sustainable urban development KW - Städe KW - Klimawandel KW - Städte Effizienz KW - nachaltige Städteentwicklung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407113 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Katja T1 - Assessing, testing, and implementing socio-cultural valuation methods to operationalise ecosystem services in land use management T1 - Berücksichtigung, Überprüfung und Implentierung sozio-kultureller Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von Ökosystemleistungen im Landschaftsmanagement N2 - Ecosystem services (ESs) are defined as the contributions that ecosystems make to human wellbeing and are increasingly being used as an approach to explore the importance of ecosystems for humans through their valuation. Although value plurality has been recognised long before the mainstreaming of ESs research, socio-cultural valuation is still underrepresented in ESs assessments. It is the central goal of this PhD dissertation to explore the ability of socio-cultural valuation methods for the operationalisation of ESs research in land management. To address this, I formulated three research objectives that are briefly outlined below and relate to the three studies conducted during this dissertation. The first objective relates to the assessment of the current role of socio-cultural valuation in ESs research. Human values are central to ESs research yet non-monetary socio-cultural valuation methods have been found underrepresented in the field of ESs science. In regard to the unbalanced consideration of value domains and conceptual uncertainties, I perform a systematic literature review aiming to answer the research question: To what extent have socio-cultural values been addressed in ESs assessments. The second objective aims to test socio-cultural valuation methods of ESs and their relevance for land use preferences by exploring their methodological opportunities and limitations. Socio-cultural valuation methods have only recently become a focus in ESs research and therefore bear various uncertainties in regard to their methodological implications. To overcome these uncertainties, I analysed responses to a visitor survey. The research questions related to the second objective were: What are the implications of different valuation methods for ESs values? To what extent are land use preferences explained by socio-cultural values of ESs? The third objective addressed in this dissertation is the implementation of ESs research into land management through socio-cultural valuation. Though it is emphasised that the ESs approach can assist decision making, there is little empirical evidence of the effect of ESs knowledge on land management. I proposed a way to implement transdisciplinary, spatially explicit research on ESs by answering the following research questions: Which landscape features underpinning ESs supply are considered in land management? How can participatory approaches accounting for ESs be operationalised in land management? The empirical research resulted in five main findings that provide answers to the research questions. First, this dissertation provides evidence that socio-cultural values are an integral part of ESs research. I found that they can be assessed for provisioning, regulating, and cultural services though they are linked to cultural services to a greater degree. Socio-cultural values have been assessed by monetary and non-monetary methods and their assessment is effectively facilitated by stakeholder participation. Second, I found that different methods of socio-cultural valuation revealed different information. Whereas rating revealed a general value of ESs, weighting was found more suitable to identify priorities across ESs. Value intentions likewise differed in the distribution of values, generally implying a higher value for others than for respondents themselves. Third, I showed that ESs values were distributed similarly across groups with differing land use preferences. Thus, I provided empirical evidence that ESs values and landscape values should not be used interchangeably. Fourth, I showed which landscape features important for ESs supply in a Scottish regional park are not sufficiently accounted for in the current management strategy. This knowledge is useful for the identification of priority sites for land management. Finally, I provide an approach to explore how ESs knowledge elicited by participatory mapping can be operationalised in land management. I demonstrate how stakeholder knowledge and values can be used for the identification of ESs hotspots and how these hotspots can be compared to current management priorities. This dissertation helps to bridge current gaps of ESs science by advancing the understanding of the current role of socio-cultural values in ESs research, testing different methods and their relevance for land use preferences, and implementing ESs knowledge into land management. If and to what extent ESs and their values are implemented into ecosystem management is mainly the choice of the management. An advanced understanding of socio-cultural valuation methods contributes to the normative basis of this management, while the proposal for the implementation of ESs in land management presents a practical approach of how to transfer this type of knowledge into practice. The proposed methods for socio-cultural valuation can support guiding land management towards a balanced consideration of ESs and conservation goals. N2 - Das Konzept der Ökosystemleistungen (ÖSL) wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren vermehrt verwendet, um die Beiträge von Ökosystemen zum menschlichen Wohlbefinden zu bewerten. Das Konzept der ÖSL sieht vor, dass dabei viele verschiedene Wertkategorien gleichberechtigt zum Tragen kommen. Dazu gehören etwa ökonomische, ökologische und sozio-kulturelle Werte, die zu integrieren sind. Diesem Anspruch zum Trotz wird jedoch bislang der Bereich der sozio-kulturellen Werte zugunsten monetärer Werte in der Wissenschaft weitgehend vernachlässigt. Zudem müssen Wege gefunden werden, das Wissen über ÖSL und deren Werte in der Landschafts- und Raumplanung umzusetzen und damit praktisch nutzbar zu machen. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung zu untersuchen. Hierfür wurden drei Forschungsschwerpunkte verfolgt. (1) Es wurde untersucht, inwieweit gegenwärtige ÖSL-Bewertungsstudien sozio-kulturelle Werte berücksichtigen. (2) Verschiedene sozio-kulturelle Bewertungsmethoden für ÖSL wurden daraufhin geprüft, inwieweit sie geeignet sind, die Landschaftspräferenzen unterschiedlicher Nutzergruppen offenzulegen und (3) wurde ein Ansatz entwickelt, um die ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu implementieren. (1) Mittels einer Literaturanalyse konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte bei der Bewertung von produktiven, regulierenden und kulturellen ÖSL erhoben werden, wobei ein engerer Zusammenhang zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen ÖSL festgestellt wurde. Zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen Leistungen konnten einige Überlappungen aber auch zahlreiche Unterschiede aufgezeigt werden, was auf eine Trennung der beiden Bereiche hinweist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich nicht-monetäre Bewertungsmethoden besonders für die Erhebung sozio-kultureller Werte eignen wobei auch monetäre Bewertungsmethoden sozio-kulturelle Werte erfassen, vor allem mittels simulierter Marktansätze (z.B. Zahlungsbereitschaft, Choice Experimente). Die Arbeit zeigte zudem, dass Studien, welche Stakeholder oder die Öffentlichkeit beteiligten, häufiger ebenfalls sozio-kulturelle Werte erhoben. (2) Bei einer Besucherbefragung in einem schottischen Regionalpark führten unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Bewertung von ÖSL auf einer 5-Punkteskala führte zu einer allgemeinen Einschätzung über die Wichtigkeit der verschiedenen ÖSL während eine Gewichtung der Leistungen (Verteilung von insgesamt 100 Punkten auf 9 ÖSL) eine relative Einschätzung über die Wichtigkeit der ÖSL und deren Prioritäten ermöglichte. Verschiedene Werteintentionen lieferten ähnlich unterschiedliche Ergebnisse, wobei persönliche Werte differenzierter und allgemein höher ausfielen als gesellschaftliche Werte. Zudem konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte für ÖSL ähnlich zwischen fünf Gruppen mit unterschiedlichen Landschaftspräferenzen verteilt waren. Die Arbeit liefert demnach empirische Belege dafür, dass es sich bei ÖSL und Landschaftspräferenzen um zwei Konzepte handelt, die nicht untereinander austauschbar sind. (3) Für die Entwicklung eines Ansatzes zur Implementierung von ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung wurde ein Methodenmix verwendet. Es wurden Ergebnisse eines Stakeholderworkshops verwendet bei dem ÖSL von Stakeholdern kartiert wurden. Mittels dieser Kartierung wurden Landschaftseigenschaften untersucht, die eine besondere Bedeutung für die Bereitstellung der ÖSL haben. Es wurde weiterhin untersucht, inwieweit diese Landschaftseigenschaften im derzeitigen Management Plan priorisiert werden. Die Diskrepanz zwischen Landschaftseigenschaften, die zentral für die Bereitstellung von ÖSL sind, und denen, die derzeit im Management Plan berücksichtigt werden, kann Aufschluss über mögliche Zielkonflikte geben und kann zudem dabei helfen, künftige Planungsprioritäten festzulegen, etwa indem Vorranggebiete für bestimmte ÖSL ausgewiesen werden. Diese Arbeit untersucht die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung. In diesem Zusammenhang liefert die Arbeit neue Erkenntnisse darüber, inwiefern derzeit sozio-kulturellen Werten in ÖSL-Bewertungsstudien berücksichtigt werden. Sie zeigt Möglichkeiten und Grenzen von verschiedenen anerkannten sozio-kulturellen Bewertungsmethoden auf und ermöglicht ein besseres Verständnis über deren Abgrenzung zu Landschaftspräferenzen. Schließlich präsentiert diese Arbeit einen komplexen methodischen Ansatz, um ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu integrieren. KW - non-monetary valuation KW - participatory mapping KW - PPGIS KW - landscape preferences KW - nicht-monetäre Bewertung KW - PPGIS KW - Landschaftspräferenzen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411049 ER - TY - THES A1 - Carus, Jana T1 - Plant-habitat interactions in brackish marshes T1 - Pflanzen-Habitat Interaktionen in Tidemarschen BT - coping with, adapting to and modifying the environment N2 - Estuarine marshes are ecosystems that are situated at the transition zone between land and water and are thus controlled by physical and biological interactions. Marsh vegetation offers important ecosystem services by filtrating solid and dissolved substances from the water and providing habitat. By buffering a large part of the arriving flow velocity, attenuating wave energy and serving as erosion control for riverbanks, tidal marshes furthermore reduce the destructive effects of storm surges and storm waves and thus contribute to ecosystem-based shore protection. However, in many estuaries, extensive embankments, artificial bank protection, river dredging and agriculture threaten tidal marshes. Global warming might entail additional risks, such as changes in water levels, an increase of the tidal amplitude and a resulting shift of the salinity zones. This can affect the dynamics of the shore and foreland vegetation, and vegetation belts can be narrowed or fragmented. Against this background, it is crucial to gain a better understanding of the processes underlying the spatio temporal vegetation dynamics in brackish marshes. Furthermore, a better understanding of how plant-habitat relationships generate patterns in tidal marsh vegetation is vital to maintain ecosystem functions and assess the response of marshes to environmental change as well as the success of engineering and restoration projects. For this purpose, three research objectives were addressed within this thesis: (1) to explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive shore protection by quantifying the reduction of current velocity in the vegetation belt and the morphologic plasticity of a brackish marsh pioneer, (2) to disentangle the roles of abiotic factors and interspecific competition on species distribution and stand characteristics in brackish marshes, and (3) to develop a mechanistic vegetation model that helps analysing the influence of habitat conditions on the spatio-temporal dynamic of tidal marsh vegetation. These aspects were investigated using a combination of field studies and statistical as well as process-based modelling. To explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive coastal protection, in the first study, we measured current velocity with and without living vegetation, recorded ramet density and plant thickness during two growing periods at two locations in the Elbe estuary and assessed the adaptive value of a larger stem diameter of plants at locations with higher mechanical stress by biomechanical measurements. The results of this study show that under non-storm conditions, the vegetation belt of the marsh pioneer Bolboschoenus maritimus is able to buffer a large proportion of the flow velocity. We were furthermore able to show that morphological traits of plant species are adapted to hydrodynamic forces by demonstrating a positive correlation between ramet thickness and cross-shore current. In addition, our measurements revealed that thicker ramets growing at the front of the vegetation belt have a significantly higher stability than ramets inside the vegetation belt. This self-adaptive effect improves the ability of B. maritimus to grow and persist in the pioneer zone and could provide an adaptive value in habitats with high mechanical stress. In the second study, we assessed the distribution of the two marsh species and a set of stand characteristics, namely aboveground and belowground biomass, ramet density, ramet height and the percentage of flowering ramets. Furthermore, we collected information on several abiotic habitat factors to test their effect on plant growth and zonation with generalised linear models (GLMs). Our results demonstrate that flow velocity is the main factor controlling the distribution of Bolboschoenus maritimus and Phragmites australis. Additionally, inundation height and duration, as well as intraspecific competition affect distribution patterns. This study furthermore shows that cross-shore flow velocity does not only directly influence the distribution of the two marsh species, but also alters the plants’ occurrence relative to inun-dation height and duration. This suggests an effect of cross-shore flow velocity on their tolerance to inundation. The analysis of the measured stand characteristics revealed a negative effect of total flow velocity on all measured parameters of B. maritimus and thus confirmed our expectation that flow velocity is a decisive stressor which influences the growth of this species. To gain a better understanding of the processes and habitat factors influencing the spatio-temporal vegetation dynamics in brackish marshes, I built a spatially explicit, mechanistic model applying a pattern-oriented modelling approach. A sensitivity analysis of the para-meters of this dynamic habitat-macrophyte model HaMac suggests that rhizome growth is the key process for the lateral dynamics of brackish marshes. From the analysed habitat factors, P. australis patterns were mainly influenced by flow velocity. The competition with P. australis was of key importance for the belowground biomass of B. maritimus. Concerning vegetation dynamics, the model results emphasise that without the effect of flow velocity the B. maritimus vegetation belt would expand into the tidal flat at locations with present vegetation recession, suggesting that flow velocity is the main reason for vegetation recession at exposed locations. Overall, the results of this thesis demonstrate that brackish marsh vegetation considerably contributes to flow reduction under average flow conditions and can hence be a valuable component of shore-protection schemes. At the same time, the distribution, growth and expansion of tidal marsh vegetation is substantially influenced by flow. Altogether, this thesis provides a clear step forward in understanding plant-habitat interactions in tidal marshes. Future research should integrate studies of vertical marsh accretion with research on the factors that control the lateral position of marshes. N2 - Tidemarschen sind Ökosysteme, die sich am Übergang zwischen Land und Wasser befinden und deshalb von Wechselwirkungen zwischen physikalischen und biologischen Prozessen beherrscht werden. Marschvegetation bietet wichtige Ökosystemleistungen, wie das Filtern von festen und gelösten Stoffen aus dem Wasser und die Bereitstellung von Lebensraum für Tiere. Außerdem verringern Marschen die zerstörerische Wirkung von Sturmfluten und Sturmwellen und tragen so zu einem ökosystembasierten Uferschutz bei. Doch in vielen Fluss­mündungen bedrohen umfangreiche Eindeichungen, künstlicher Uferschutz, Fluss­ver­tiefun­gen und die Landwirtschaft die Tidemarschen. Die globale Erwärmung könnte zusätz­liche Risiken, wie etwa Änderungen der Wasserstände, eine weitere Erhöhung der Gezeiten­amplitude und eine daraus resultierende Verschiebung der Salinitätszonen mit sich bringen. Dies kann die Dynamik der Ufer- und Vorlandvegetation beeinflussen und die Vegetations­gürtel verschmälern oder fragmentieren. Vor diesem Hintergrund ist es entscheidend, ein besseres Verständnis der Prozesse zu erlangen, die der raum-zeitlichen Vegetationsdynamik in Tidemarschen zugrunde liegen. Darüber hinaus ist sind zusätzliche Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen-Umwelt-Beziehungen die Muster in Marschen beeinflussen, von entscheidender Bedeutung um Ökosystemfunktionen aufrechtzuerhalten und die Reaktion von Marschen auf Umweltveränderungen sowie den Erfolg von Ingenieur- und Restaurierungsprojekten zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit drei Forschungsziele gesetzt: (1) das Erforschen der Möglichkeit der Vegetation als selbstanpassender Uferschutz zu dienen, (2) das Ermitteln der Rolle verschiedener Faktoren auf die Artenverbreitung und verschiedene Pflanzen­merk­male in Tidemarschen und (3) die Entwicklung eines prozess-basierten Vegetations­modells, das die Analyse des Einflusses von Lebensraumbedingungen auf die raum-zeitliche Dynamik der Marschvegetation unterstützt. Diese Aspekte wurden anhand einer Kombination von Feld­studien und statistischer sowie prozessbasierter Modellierung untersucht. Ins­gesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Marschvegetation erheblich zur Strömungsreduktion unter durchschnittlichen Strömungsverhältnissen beiträgt und somit ein wertvoller Bestandteil von Uferschutzsystemen sein kann. Darüber hinaus konnte Strömung als Hauptfaktor für die Verbreitung, das Wachstum und die Expansion von Marschvegetation identifiziert werden. Diese Arbeit trägt maßgeblich zur Verbesserung des Verständnisses von Pflanzen-Habitat Interaktionen in Tidemarschen bei. Zukünftige Forschung sollte Studien des vertikalen Marschwachstums mit der Analyse der Faktoren, die die laterale Position der Marschen kontrollieren verknüpfen. KW - plant-habitat interactions KW - estuary KW - ecological modelling KW - Pflanzen-Habitat Interaktionen KW - Ästuar KW - ökologische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404966 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Silke Regina T1 - Analyzing lakes in the time frequency domain T1 - Analyse von Seen in der Zeit-Frequenz-Domäne N2 - The central aim of this thesis is to demonstrate the benefits of innovative frequency-based methods to better explain the variability observed in lake ecosystems. Freshwater ecosystems may be the most threatened part of the hydrosphere. Lake ecosystems are particularly sensitive to changes in climate and land use because they integrate disturbances across their entire catchment. This makes understanding the dynamics of lake ecosystems an intriguing and important research priority. This thesis adds new findings to the baseline knowledge regarding variability in lake ecosystems. It provides a literature-based, data-driven and methodological framework for the investigation of variability and patterns in environmental parameters in the time frequency domain. Observational data often show considerable variability in the environmental parameters of lake ecosystems. This variability is mostly driven by a plethora of periodic and stochastic processes inside and outside the ecosystems. These run in parallel and may operate at vastly different time scales, ranging from seconds to decades. In measured data, all of these signals are superimposed, and dominant processes may obscure the signals of other processes, particularly when analyzing mean values over long time scales. Dominant signals are often caused by phenomena at long time scales like seasonal cycles, and most of these are well understood in the limnological literature. The variability injected by biological, chemical and physical processes operating at smaller time scales is less well understood. However, variability affects the state and health of lake ecosystems at all time scales. Besides measuring time series at sufficiently high temporal resolution, the investigation of the full spectrum of variability requires innovative methods of analysis. Analyzing observational data in the time frequency domain allows to identify variability at different time scales and facilitates their attribution to specific processes. The merit of this approach is subsequently demonstrated in three case studies. The first study uses a conceptual analysis to demonstrate the importance of time scales for the detection of ecosystem responses to climate change. These responses often occur during critical time windows in the year, may exhibit a time lag and can be driven by the exceedance of thresholds in their drivers. This can only be detected if the temporal resolution of the data is high enough. The second study applies Fast Fourier Transform spectral analysis to two decades of daily water temperature measurements to show how temporal and spatial scales of water temperature variability can serve as an indicator for mixing in a shallow, polymictic lake. The final study uses wavelet coherence as a diagnostic tool for limnology on a multivariate high-frequency data set recorded between the onset of ice cover and a cyanobacteria summer bloom in the year 2009 in a polymictic lake. Synchronicities among limnological and meteorological time series in narrow frequency bands were used to identify and disentangle prevailing limnological processes. Beyond the novel empirical findings reported in the three case studies, this thesis aims to more generally be of interest to researchers dealing with now increasingly available time series data at high temporal resolution. A set of innovative methods to attribute patterns to processes, their drivers and constraints is provided to help make more efficient use of this kind of data. N2 - See-Ökosysteme sind eine der bedrohtesten Ressourcen der Hydrosphäre. Sie reagieren besonders sensibel auf Veränderungen des Klimas und auf Einflüsse durch Landnutzung, da verschiedene Prozesse im gesamten Einzugsgebiet auf sie einwirken. Daher ist es von besonderer Dringlichkeit, die verschiedenen Prozess-Dynamiken in See-Ökosystemen besser zu verstehen. Die hier vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, das bestehende Wissen bezüglich der verschiedenen einwirkenden Prozesse in See-Ökosystemen zu erweitern. Die Arbeit stellt ein Forschungsdesign zur Diskussion, das eine Literatur-basierte und auf empirischen Erhebungen beruhende Analyse von Variabilität und Mustern in großen Datensätzen verschiedener Umweltparameter im Zeit-Frequenz-Raum ermöglicht. Umweltparameter sind häufig charakterisiert durch eine hohe zeitliche Dynamik. Diese Variabilität steht im Zentrum dieser Arbeit. Sie wird durch eine Fülle an periodischen und stochastischen Prozessen innerhalb und außerhalb des Ökosystems getrieben. Diese Prozesse können gleichzeitig und auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen, von Sekunden bis hin zu Dekaden, ablaufen. In Messdaten überlagern sich alle diese Signale, und dominante Prozesse können die Signale anderer Prozesse verschleiern, insbesondere wenn Mittelwerte über längere Zeiträume analysiert werden. Dominante Signale werden oft durch Prozesse auf längeren Zeitskalen verursacht, wie z. B. saisonale Zyklen. Diese sind im Allgemeinen in der limnologischen Literatur gut dokumentiert. See-Ökosysteme werden allerdings von Prozessen auf allen Zeitskalen beeinflusst. Insbesondere biologische, chemische und physikalische Prozesse operieren in kürzeren Zeitrahmen. Die Variabilität, die über solche Prozesse in See-Ökosysteme eingebracht wird, ist bisher weit weniger gut erforscht. Neben der Notwendigkeit, Umweltparameter in hoher zeitlicher Auflösung zu messen, erfordert die Untersuchung der kompletten Bandbreite an Variabilität innovative Analysemethoden. Die Berücksichtigung der Zeit-Frequenz-Domäne kann dabei helfen, Dynamiken auf verschiedenen Zeitskalen zu identifizieren und daraus bestimmte Prozesse abzuleiten. Diese Arbeit zeigt die Vorzüge dieser Herangehensweise anhand von drei Fallstudien auf. Die erste Studie zeigt die Bedeutung von Zeitskalen für die Erfassung von Ökosystem-Reaktionen auf klimatische Veränderungen. Diese ereignen sich oft während kritischer Zeitfenster im Jahresverlauf und können durch die Überschreitung von Schwellenwerten in den treibenden Variablen, unter Umständen zeitlich verzögert, verursacht sein. Solche Zusammenhänge können nur erfasst werden, wenn die zeitliche Auflösung der Daten hoch genug ist. In der zweiten Studie wird die Spektralanalyse, basierend auf der Fast Fourier Transformation, auf einen Datensatz täglicher Messungen der Wassertemperatur über zwanzig Jahre hinweg angewendet. Es wird gezeigt, wie zeitliche und räumliche Skalen der Variabilität der Wassertemperatur als Indikator für Mischprozesse in einem polymiktischen See dienen können. In der dritten Studie wird die Wavelet Coherence als Diagnose-Werkzeug für einen multivariaten, hochfrequenten Datensatz genutzt. Dieser wurde zwischen dem Einsetzen einer Eisbedeckung und einer Sommerblüte von Cyanobakteriern in einem polymiktischen See im Jahr 2009 erhoben. Synchronizitäten zwischen limnologischen und meteorologischen Zeitreihen in schmalen Frequenz-Bändern wurden genutzt, um vorherrschende limnologische Prozesse zu identifizieren und analytisch zu trennen. Neben den neuen empirischen Erkenntnissen, die in den drei Fallstudien präsentiert werden, zielt diese Doktorarbeit darauf ab, Forscher*innen, Behörden und politischen Entscheidungsträger*innen eine Grundlage zu liefern, die hohe zeitliche Auflösung der heute vielfach verfügbaren Monitoring-Datensätze effizienter zu nutzen. Innovative Methoden sollen dabei helfen, Muster in den Daten Prozessen zuzuordnen und die entsprechenden Treiber und Limitationen zu identifizieren. KW - variability KW - time scale KW - wavelet KW - coherence KW - spectral analysis KW - time series analysis KW - polymictic lakes KW - process identification KW - Variabilität KW - Zeitskala KW - Spektralanalyse KW - Zeitreihenanalyse KW - polymiktische Seen KW - Prozessidentifikation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406955 ER - TY - THES A1 - Siddiqui, Tarique Adnan T1 - Long-term investigation of the lunar tide in the equatorial electrojet during stratospheric sudden warmings T1 - Analyse von Langzeit-Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des äquatorialer Elektrojet bei plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignissen N2 - The ionosphere, which is strongly influenced by the Sun, is known to be also affected by meteorological processes. These processes, despite having their origin in the troposphere and stratosphere, interact with the upper atmosphere. Such an interaction between atmospheric layers is known as vertical coupling. During geomagnetically quiet times, when near-Earth space is not under the influence of solar storms, these processes become important drivers for ionospheric variability. Studying the link between these processes in the lower atmosphere and the ionospheric variability is important for our understanding of fundamental mechanisms in ionospheric and meteorological research. A prominent example of vertical coupling between the stratosphere and the ionosphere are the so-called stratospheric sudden warming (SSW) events that occur usually during northern winters and result in an increase in the polar stratospheric temperature and a reversal of the circumpolar winds. While the phenomenon of SSW is confined to the northern polar stratosphere, its influence on the ionosphere can be observed even at equatorial latitudes. During SSW events, the connection between the polar stratosphere and the equatorial ionosphere is believed to be through the modulation of global atmospheric tides. These tides are fundamental for the ionospheric E-region wind dynamo that generates electric fields and currents in the ionosphere. Observations of ionospheric currents indicate a large enhancement of the semidiurnal lunar tide in response to SSW events. Thus, the semidiurnal lunar tide becomes an important driver of ionospheric variability during SSW events. In this thesis, the ionospheric effect of SSW events is investigated in the equatorial region, where a narrow but an intense E-region current known as the equatorial electrojet (EEJ) flows above the dip equator during the daytime. The day-to-day variability of the EEJ can be determined from magnetic field records at geomagnetic observatories close to the dip equator. Such magnetic data are available for several decades and allows to investigate the impact of SSW events on the EEJ and, even more importantly, helps in understanding the effects of SSW events on the equatorial ionosphere. An excellent long-term record of the geomagnetic field at the equator from 1922 onwards is available for the observatory Huancayo in Peru and is extensively utilized in this study. The central subject of this thesis is the investigation of lunar tides in the EEJ during SSW events by analyzing long time series. This is done by estimating the lunar tidal amplitude in the EEJ from the magnetic records at Huancayo and by comparing them to measurements of the polar stratospheric wind and temperature, which led to the identification of the known SSW events from 1952 onwards. One goal of this thesis is to identify SSW events that predate 1952. To this end, superposed epoch analysis (SEA) is employed to establish a relationship between the lunar tidal power and the wind and temperature conditions in the lower atmosphere. A threshold value for the lunar tidal power is identified that is discriminative for the known SSW events. This threshold is then used to identify lunar tidal enhancements, which are indicative for any historic SSW events prior to 1952. It can be shown, that the number of lunar tidal enhancements and thus the occurrence frequency of historic SSW events between 1926 and 1952 is similar to the occurrence frequency of the known SSW events from 1952 onwards. Next to the classic SSW definition, the concept of polar vortex weakening (PVW) is utilized in this thesis. PVW is defined for higher latitudes and altitudes (≈ 40km) than the classical SSW definition (≈ 32km). The correlation between the timing and magnitude of lunar tidal enhancements in the EEJ and the timing and magnitude of PVW is found to be better than for the classic SSW definition. This suggests that the lunar tidal enhancements in the EEJ are closely linked to the state of the middle atmosphere. Geomagnetic observatories located in different longitudes at the dip equator allow investigating the longitudinally dependent variability of the EEJ during SSW events. For this purpose, the lunar tidal enhancements in the EEJ are determined for the Peruvian and Indian sectors during the major SSW events of the years 2006 and 2009. It is found that the lunar tidal amplitude shows similar enhancements in the Peruvian sector during both SSW events, while the enhancements are notably different for the two events in the Indian sector. In summary, this thesis shows that lunar tidal enhancements in the EEJ are indeed correlated to the occurrence of SSW events and they should be considered a prominent driver of low latitude ionospheric variability. Secondly, lunar tidal enhancements are found to be longitudinally variable. This suggests that regional effects, such as ionospheric conductivity and the geometry and strength of the geomagnetic field, also play an important role and have to be considered when investigating the mechanisms behind vertical coupling. N2 - Die Ionosphäre, die hauptsächlich durch Prozesse solaren Ursprungs beeinflusst wird, wird auch durch meteorologische Prozesse beeinflusst. Obwohl diese Prozesse ihren Ursprung in der Troposphäre und Stratosphäre haben, wechselwirken sie mit der oberen Atmosphäre. Eine solche Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schichten wird als vertikale Kopplung bezeichnet. Bei magnetisch ruhigen Bedingungen, wenn der erdnahe Weltraum nicht durch solare Stürme beeinflusst wird, werden diese Prozesse zu wichtigen Einflussfaktoren für die ionosphärische Variabilität. Für unser Verständnis von fundamentalen Mechanismen im Forschungsfeld der Ionosphäre und der Meteorologie ist es wichtig, die Verbindung zwischen diesen Prozessen in der unteren Atmosphäre und der ionosphärischen Variabilität zu ermitteln. Ein wichtiges Beispiel für die vertikale Kopplung zwischen Stratosphäre und Ionosphäre sind die sogenannten plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignisse (sudden stratospheric warming, SSW), die üblicherweise im Winter stattfinden und zu einer Erhöhung der stratosphärischen Temperatur und einer Umkehrung der zirkumpolarenWinde führen. Während das Phänomen des SSW auf die nördliche polare Stratosphäre beschränkt ist, kann sein Einfluss auf die Ionosphäre sogar in äquatorialen Breiten beobachtet werden. Bei SSW - Ereignissen wird vermutet, dass die Verbindung zwischen der polaren Stratosphäre und der äquatorialen Ionosphäre durch die Modulation globaler atmosphärischer Gezeiten erfolgt. Diese Gezeiten sind grundlegend für den Wind-Dynamo in der ionosphärischen E-Region, der dort elektrische Felder und Ströme erzeugt. Beobachtungen ionosphärischer Ströme zeigen, dass die semidiurnalen lunaren Gezeiten als Reaktion auf ein SSW - Ereignis eine starke Erhöhung erfahren. Damit werden die semidiurnalen lunaren Gezeiten zu einem wichtigen Faktor für die ionosphärische Variabilität während eines SSW - Ereignis. In dieser Dissertation wird der äquatoriale ionosphärische Effekt von SSW - Ereignissen untersucht. In der E-Region über dem magnetischen Äquator fließt tagsüber ein schmaler aber intensiver Strom, der als äquatorialer Strahlstrom oder Elektrojet (EEJ) bekannt ist. Der von Tag zu Tag unterschiedlich ausgeprägte EEJ kann aus Magnetfeldregistrierungen von geomagnetischen Observatorien nahe dem magnetischen Äquator abgeschätzt werden. Solche Magnetfeldregistrierungen stehen über mehrere Jahrzehnte zur Verfügung und erlauben es, den Einfluss der SSW-Ereignisse auf den EEJ zu untersuchen, und, noch wesentlicher, helfen sie, den Einfluss von SSW-Ereignissen auf die äquatoriale Ionosphäre zu verstehen. Eine ausgezeichnete, im Jahre 1922 beginnende Langzeit-Registrierung des Magnetfeldes am Äquator gibt es für das Observatorium Huancayo in Peru. Sie wird in der vorliegenden Arbeit intensiv genutzt. Das zentrale Thema der Dissertation ist die Analyse von Langzeit - Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des EEJ bei SSW - Ereignissen. Dazu wird die Amplitude der lunaren Gezeiten des EEJ aus den Magnetfeldregistrierungen des Observatoriums Huancayo bestimmt und mit den Messungen des polaren stratosphärischen Windes und der Temperatur verglichen, die zur Identifizierung der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 geführt haben. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, auch SSW - Ereignisse vor 1952 zu identifizieren. Dahingehend wird eine Superposed Epoch Analysis (SEA) benutzt, und damit wird eine Beziehung zwischen die Leistung der lunaren Gezeiten und den Wind- und Temperaturbedingungen in der unteren Atmosphäre hergestellt. So wird ein Grenzwert für die Leistung der lunaren Gezeiten für die bekannten SSW - Ereignisse ermittelt. Dieser Grenzwert wird dann benutzt, um eine Verstärkung der lunaren Gezeiten zu identifizieren, die historische SSW - Ereignisse vor 1952 anzeigt. Es zeigt sich, dass die Häufigkeit der Verstärkung der lunaren Gezeiten, und damit die Häufigkeit der historischen SSW - Ereignisse zwischen 1926 und 1952, ähnlich ist zu der Häufigkeit der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 ist. Neben der klassischen SSW - Definition wird in dieser Dissertation das Konzept des Polar Vortex Weakening (PVW) genutzt. Das PVW ist für höhere Breiten und Höhenlagen (40 km) festgelegt als die klassische SSW - Definition (32 km). Die Korrelation zwischen dem Zeitpunkt und der Stärke der Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ einerseits und dem Zeitpunkt und der Stärke des PVW andererseits ist besser als die entsprechende Korrelation bei Anwendung der klassischen SSW - Definition. Dies lässt darauf schließen, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ eng mit dem Zustand der mittleren Atmosphäre verknüpft ist. Geomagnetische Observatorien, die bei verschiedenen Längengraden am magnetischen Äquator liegen, erlauben es, die längengradabhängige Variabilität des EEJ bei SSW - Ereignissen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird die Verstärkung der lunaren Gezeiten fär zwei ausgeprägte SSW - Ereignisse in den Jahren 2006 und 2009 im peruanischen und im indischen Sektor bestimmt. Es zeigt sich, dass die Amplitude der lunaren Gezeiten im peruanischen Sektor bei beiden Ereignissen eine ähnliche Verstärkung aufweist, während die Verstärkung im indischen Sektor für die zwei Ereignisse deutliche Unterschiede aufweist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ in der Tat mit dem Auftreten von SSW - Ereignissen korreliert ist und dass sie als wichtiger Einflussfaktor auf die Variabilität der Ionosphäre der niederen Breiten berücksichtigt werden muss. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten eine längengradabhängige Variabilität aufweist. Dies legt nahe, dass regionale Gegebenheiten, wie die Leitfähigkeit der Ionosphäre und die Geometrie und Stärke des Erdmagnetfeldes, bei der vertikalen Kopplung auch eine wichtige Rolle spielen und bei der Untersuchung der dabei zugrundeliegenden Mechanismen berücksichtigt werden müssen. KW - lunar tides KW - equatorial electrojet KW - sudden stratospheric warming KW - vertical coupling KW - lunare Gezeiten KW - äquatorialer Elektrojet KW - plötzliche stratosphärische Erwärmungsereignisse KW - vertikale Kuppelung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406384 ER - TY - THES A1 - Herbrich, Marcus T1 - Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter T1 - Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters N2 - In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals. The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation. Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes. Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes. N2 - Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt. Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren. KW - Lysimeter KW - Wasserhaushalt KW - Kohlenstoff KW - lysimeter KW - water balance KW - carbon Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561 ER - TY - THES A1 - Wambura, Frank Joseph T1 - Analysis of anthropogenic impacts on water resources in the Wami River basin, Tanzania Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Golly, Antonius T1 - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream T1 - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes N2 - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work. N2 - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar. Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV). KW - Geomorphologie KW - geomorphology KW - Naturgefahren KW - natural hazards KW - Gebirgsbäche KW - mountain rivers KW - Geschiebetransport KW - bedload transport KW - Bachstufen KW - channel steps KW - Gerinne-Hang-Kopplung KW - channel-hillslope coupling Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728 ER - TY - THES A1 - Theuring, Philipp Christian T1 - Suspended sediments in the Kharaa River, sources and impacts T1 - Feinsedimente im Kharaa Fluss, Quellen und Auswirkungen N2 - Anthropogenically amplified erosion leads to increased fine-grained sediment input into the fluvial system in the 15.000 km2 Kharaa River catchment in northern Mongolia and constitutes a major stressing factor for the aquatic ecosystem. This study uniquely combines the application of intensive monitoring, source fingerprinting and catchment modelling techniques to allow for the comparison of the credibility and accuracy of each single method. High-resolution discharge data were used in combination with daily suspended solid measurements to calculate the suspended sediment budget and compare it with estimations of the sediment budget model SedNet. The comparison of both techniques showed that the development of an overall sediment budget with SedNet was possible, yielding results in the same order of magnitude (20.3 kt a- 1 and 16.2 kt a- 1). Radionuclide sediment tracing, using Be-7, Cs-137 and Pb-210 was applied to differentiate sediment sources for particles < 10μm from hillslope and riverbank erosion and showed that riverbank erosion generates 74.5% of the suspended sediment load, whereas surface erosion contributes 21.7% and gully erosion only 3.8%. The contribution of the single subcatchments of the Kharaa to the suspended sediment load was assessed based on their variation in geochemical composition (e.g. in Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca and Sb). These variations were used for sediment source discrimination with geochemical composite fingerprints based on Genetic Algorithm driven Discriminant Function Analysis, the Kruskal–Wallis H-test and Principal Component Analysis. The contributions of the individual sub-catchment varied from 6.4% to 36.2%, generally showing higher contributions from the sub-catchments in the middle, rather than the upstream portions of the study area. The results indicate that river bank erosion generated by existing grazing practices of livestock is the main cause for elevated fine sediment input. Actions towards the protection of the headwaters and the stabilization of the river banks within the middle reaches were identified as the highest priority. Deforestation and by lodging and forest fires should be prevented to avoid increased hillslope erosion in the mountainous areas. Mining activities are of minor importance for the overall catchment sediment load but can constitute locally important point sources for particular heavy metals in the fluvial system. N2 - Durch Landnutzung erhöhte Erosion führt zu verstärktem Eintrag von Feinsedimenten im 15.000 km2 großen Einzugsgebiet des Kharaa in der nördlichen Mongolei. Diese Einträge stellen einen starken Stressor für das aquatische Ökosystem dar. Im Rahmen dieser Studie werden auf neuartige Weise verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Feinsedimentdynamik im Einzugsgebiet kombiniert. Der Vergleich der Ergebnisse aus zeitlich hochaufgelösten Abfluss- und Schwebstoffanalysen, Sedimentbudgetmodellierung und „Sediment Source Fingerprinting“ Techniken erlaubt eine Bewertung der Genauigkeit und Anwendbarkeit jeder einzelnen Methodik im Untersuchungsgebiet. Das anhand von Abflussund Schwebstoffmessdaten berechnete Sedimentbudget am Gebietsauslass wurde mit dem mittels des Sedimentbudgetmodels SedNet berechneten Sedimentbudget verglichen. Die Ergebnisse von des aus Abfluss- und Schwebstoffmessdaten berechneten Sedimentbudgets (20,3 kt a- 1) und der mittels SedNet berechneten Werte (16,2 kt a- 1) zeigen eine befriedigende Übereinstimmung und bekräftigen die Anwendbarkeit des Models. Zur Unterscheidung der Herkunft der Feinsedimente hinsichtlich des dominanten Erosionsprozesses wurde die Sedimentfraktion < 10μm hinsichtlich der Konzentrationen der Radioisotope Be-7, Cs-137 und Pb-210 analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Gerinneerosion für 74.5% der Suspensionsfracht verantwortlich ist und Einträge durch Flächenerosion 21.7% und durch Gully-erosion nur 3.8% beitragen. Zur Untersuchung der Anteile der Teileinzugsgebiete an der Gesamtsuspensionsfracht am Gebietsauslass wurden die Sedimente der Teilgebiete hinsichtlich der Variation ihrer geochemischen Zusammensetzung untersucht (z.B. Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca und Sb). Anhand der Zusammensetzung wurde jeweils ein spezifischer “Fingerabdruck” für Sedimente aus spezifischen Teileinzugsgebieten definiert. Mittels Diskriminanzanalyse, Kruskal–Wallis H-test und Hauptkomponentenanalyse konnten die Beiträge der Teileinzugsgebiete an der Gesamtfracht mit einem Mischungsmodel berechnet werden. Generell trugen die oberläufigen Teileinzugsgebiete am geringsten, und die mittelläufigen am stärksten zur Sediment Fracht bei. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch Überweidung begünstigte Ufererosion für den Hauptteil der Suspensionsfracht im Kharaa Fluss verantwortlich ist. Zur Verringerung des Schwebstoffeintrags in den Fluss werden Maßnahmen zur Uferbefestigung, insbesondere der Schutz und die Wiederherstellung der Ufervegetation als primäre Maßnahmen empfohlen. KW - sediment source fingerprinting KW - Mongolia KW - suspended sediments KW - sediment transport modelling KW - Mongolei KW - Sedimentquellenidentifizierung KW - Feinsedimente KW - Sedimentfracht Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410550 ER - TY - THES A1 - Murawski, Aline T1 - Trends in precipitation over Germany and the Rhine basin related to changes in weather patterns T1 - Zeitliche Veränderungen im Niederschlag über Deutschland und dem Rheineinzugsgebiet in Zusammenhang mit Wetterlagen N2 - Niederschlag als eine der wichtigsten meteorologischen Größen für Landwirtschaft, Wasserversorgung und menschliches Wohlbefinden hat schon immer erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. Niederschlagsmangel kann verheerende Auswirkungen haben, wie z.B. Missernten und Wasserknappheit. Übermäßige Niederschläge andererseits bergen jedoch ebenfalls Gefahren in Form von Hochwasser oder Sturzfluten und wiederum Missernten. Daher wurde viel Arbeit in die Detektion von Niederschlagsänderungen und deren zugrundeliegende Prozesse gesteckt. Insbesondere angesichts von Klimawandel und unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und atmosphärischer Wasserhaltekapazität, ist großer Bedarf an Forschung zum Verständnis der Auswirkungen von Klimawandel auf Niederschlagsänderungen gegeben. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, vergangene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Variablen zu verstehen. Für verschiedene Zeiträume wurden Tendenzen gefunden und mit entsprechenden Veränderungen in der großskaligen atmosphärischen Zirkulation in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Grundlage für die Attributierung von Hochwasserveränderungen zu Klimawandel genutzt werden. Die Annahmen für die Maßstabsverkleinerung („Downscaling“) der Daten von großskaligen Zirkulationsmodellen auf die lokale Skala wurden hier getestet und verifziert. In einem ersten Schritt wurden Niederschlagsveränderungen in Deutschland analysiert. Dabei lag der Fokus nicht nur auf Niederschlagssummen, sondern auch auf Eigenschaften der statistischen Verteilung, Übergangswahrscheinlichkeiten als Maß für Trocken- und Niederschlagsperioden und Extremniederschlagsereignissen. Den räumlichen Fokus auf das Rheineinzugsgebiet, das größte Flusseinzugsgebiet Deutschlands und einer der Hauptwasserwege Europas, verlagernd, wurden nachgewiesene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Größen in Bezug zu einer „optimierten“ Wetterlagenklassifikation analysiert. Die Wetterlagenklassifikation wurde unter der Maßgabe entwickelt, die Varianz des lokalen Klimas bestmöglich zu erklären. Die letzte hier behandelte Frage dreht sich darum, ob die beobachteten Veränderungen im lokalen Klima eher Häufigkeitsänderungen der Wetterlagen zuzuordnen sind oder einer Veränderung der Wetterlagen selbst. Eine gebräuchliche Annahme für einen Downscaling-Ansatz mit Hilfe von Wetterlagen und einem stochastischen Wettergenerator ist, dass Klimawandel sich allein durch eine Veränderung der Häufigkeit von Wetterlagen ausdrückt, die Eigenschaften der Wetterlagen dabei jedoch konstant bleiben. Diese Annahme wurde überprüft und die Fähigkeit der neuesten Generation von Zirkulationsmodellen, diese Wetterlagen zu reproduzieren, getestet. Niederschlagsveränderungen in Deutschland im Zeitraum 1951–2006 lassen sich zusammenfassen als negativ im Sommer und positiv in allen anderen Jahreszeiten. Verschiedene Niederschlagscharakteristika bestätigen die Tendenz in den Niederschlagssummen: während mittlere und extreme Niederschlagstageswerte im Winter zugenommen haben, sind auch zusammenhängende Niederschlagsperioden länger geworden (ausgedrückt als eine gestiegene Wahrscheinlichkeit für einen Tag mit Niederschlag gefolgt von einem weiteren nassen Tag). Im Sommer wurde das Gegenteil beobachtet: gesunkene Niederschlagssummen, untermauert von verringerten Mittel- und Extremwerten und längeren Trockenperioden. Abseits dieser allgemeinen Zusammenfassung für das gesamte Gebiet Deutschlands, ist die räumliche Verteilung von Niederschlagsveränderungen deutlich heterogener. Vermehrter Niederschlag im Winter wurde hauptsächlich im Nordwesten und Südosten Deutschlands beobachtet, während im Frühling die stärksten Veränderungen im Westen und im Herbst im Süden aufgetreten sind. Das saisonale Bild wiederum löst sich für die zugehörigen Monate auf, z.B. setzt sich der Anstieg im Herbstniederschlag aus deutlich vermehrtem Niederschlag im Südwesten im Oktober und im Südosten im November zusammen. Diese Ergebnisse betonen die starken räumlichen Zusammenhänge der Niederschlagsänderungen. Der nächste Schritt hinsichtlich einer Zuordnung von Niederschlagsveränderungen zu Änderungen in großskaligen Zirkulationsmustern, war die Ableitung einer Wetterlagenklassifikation, die die betrachteten lokalen Klimavariablen hinreichend stratifizieren kann. Fokussierend auf Temperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte zusätzlich zu Niederschlag, wurde eine Klassifikation basierend auf Luftdruck, Temperatur und spezifischer Luftfeuchtigkeit als am besten geeignet erachtet, die Varianz der lokalen Variablen zu erklären. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von 40 Wetterlagen wurde ausgewählt, die es erlaubt, typische Druckmuster durch die zusätzlich verwendete Temperaturinformation einzelnen Jahreszeiten zuzuordnen. Während die Fähigkeit, Varianz im Niederschlag zu erklären, relativ gering ist, ist diese deutlich besser für Globalstrahlung und natürlich Temperatur. Die meisten der aktuellen Zirkulationsmodelle des CMIP5-Ensembles sind in der Lage, die Wetterlagen hinsichtlich Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz hinreichend gut zu reproduzieren. Schließlich wurden dieWetterlagen bezüglich Veränderungen in ihrer Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz, sowie der Wetterlagen-spezifischen Niederschläge und Temperatur, untersucht. Um Unsicherheiten durch die Wahl eines bestimmten Analysezeitraums auszuschließen, wurden alle möglichen Zeiträume mit mindestens 31 Jahren im Zeitraum 1901–2010 untersucht. Dadurch konnte die Annahme eines konstanten Zusammenhangs zwischen Wetterlagen und lokalem Wetter gründlich überprüft werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Annahme nur zum Teil haltbar ist. Während Veränderungen in der Temperatur hauptsächlich auf Veränderungen in der Wetterlagenhäufigkeit zurückzuführen sind, wurde für Niederschlag ein erheblicher Teil von Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen gefunden. Das Ausmaß und sogar das Vorzeichen der Veränderungen hängt hochgradig vom untersuchten Zeitraum ab. Die Häufigkeit einiger Wetterlagen steht in direkter Beziehung zur langfristigen Variabilität großskaliger Zirkulationsmuster. Niederschlagsveränderungen variieren nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich – Aussagen über Tendenzen sind nur in Bezug zum jeweils untersuchten Zeitraum gültig. Während ein Teil der Veränderungen auf Änderungen der großskaligen Zirkulation zurückzuführen ist, gibt es auch deutliche Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit für einen sorgfältigen Nachweis von Veränderungen möglichst verschiedene Zeiträume zu untersuchen und mahnen zur Vorsicht bei der Anwendung von Downscaling-Ansätzen mit Hilfe von Wetterlagen, da diese die Auswirkungen von Klimaveränderungen durch das Vernachlässigen von Wetterlagen-internen Veränderungen falsch einschätzen könnten. N2 - Precipitation as the central meteorological feature for agriculture, water security, and human well-being amongst others, has gained special attention ever since. Lack of precipitation may have devastating effects such as crop failure and water scarcity. Abundance of precipitation, on the other hand, may as well result in hazardous events such as flooding and again crop failure. Thus, great effort has been spent on tracking changes in precipitation and relating them to underlying processes. Particularly in the face of global warming and given the link between temperature and atmospheric water holding capacity, research is needed to understand the effect of climate change on precipitation. The present work aims at understanding past changes in precipitation and other meteorological variables. Trends were detected for various time periods and related to associated changes in large-scale atmospheric circulation. The results derived in this thesis may be used as the foundation for attributing changes in floods to climate change. Assumptions needed for the downscaling of large-scale circulation model output to local climate stations are tested and verified here. In a first step, changes in precipitation over Germany were detected, focussing not only on precipitation totals, but also on properties of the statistical distribution, transition probabilities as a measure for wet/dry spells, and extreme precipitation events. Shifting the spatial focus to the Rhine catchment as one of the major water lifelines of Europe and the largest river basin in Germany, detected trends in precipitation and other meteorological variables were analysed in relation to states of an ``optimal'' weather pattern classification. The weather pattern classification was developed seeking the best skill in explaining the variance of local climate variables. The last question addressed whether observed changes in local climate variables are attributable to changes in the frequency of weather patterns or rather to changes within the patterns itself. A common assumption for a downscaling approach using weather patterns and a stochastic weather generator is that climate change is expressed only as a changed occurrence of patterns with the pattern properties remaining constant. This assumption was validated and the ability of the latest generation of general circulation models to reproduce the weather patterns was evaluated. % Paper 1 Precipitation changes in Germany in the period 1951-2006 can be summarised briefly as negative in summer and positive in all other seasons. Different precipitation characteristics confirm the trends in total precipitation: while winter mean and extreme precipitation have increased, wet spells tend to be longer as well (expressed as increased probability for a wet day followed by another wet day). For summer the opposite was observed: reduced total precipitation, supported by decreasing mean and extreme precipitation and reflected in an increasing length of dry spells. Apart from this general summary for the whole of Germany, the spatial distribution within the country is much more differentiated. Increases in winter precipitation are most pronounced in the north-west and south-east of Germany, while precipitation increases are highest in the west for spring and in the south for autumn. Decreasing summer precipitation was observed in most regions of Germany, with particular focus on the south and west. The seasonal picture, however, was again differently represented in the contributing months, e.g.\ increasing autumn precipitation in the south of Germany is formed by strong trends in the south-west in October and in the south-east in November. These results emphasise the high spatial and temporal organisation of precipitation changes. % Paper 2 The next step towards attributing precipitation trends to changes in large-scale atmospheric patterns was the derivation of a weather pattern classification that sufficiently stratifies the local climate variables under investigation. Focussing on temperature, radiation, and humidity in addition to precipitation, a classification based on mean sea level pressure, near-surface temperature, and specific humidity was found to have the best skill in explaining the variance of the local variables. A rather high number of 40 patterns was selected, allowing typical pressure patterns being assigned to specific seasons by the associated temperature patterns. While the skill in explaining precipitation variance is rather low, better skill was achieved for radiation and, of course, temperature. Most of the recent GCMs from the CMIP5 ensemble were found to reproduce these weather patterns sufficiently well in terms of frequency, seasonality, and persistence. % Paper 3 Finally, the weather patterns were analysed for trends in pattern frequency, seasonality, persistence, and trends in pattern-specific precipitation and temperature. To overcome uncertainties in trend detection resulting from the selected time period, all possible periods in 1901-2010 with a minimum length of 31 years were considered. Thus, the assumption of a constant link between patterns and local weather was tested rigorously. This assumption was found to hold true only partly. While changes in temperature are mainly attributable to changes in pattern frequency, for precipitation a substantial amount of change was detected within individual patterns. Magnitude and even sign of trends depend highly on the selected time period. The frequency of certain patterns is related to the long-term variability of large-scale circulation modes. Changes in precipitation were found to be heterogeneous not only in space, but also in time - statements on trends are only valid for the specific time period under investigation. While some part of the trends can be attributed to changes in the large-scale circulation, distinct changes were found within single weather patterns as well. The results emphasise the need to analyse multiple periods for thorough trend detection wherever possible and add some note of caution to the application of downscaling approaches based on weather patterns, as they might misinterpret the effect of climate change due to neglecting within-type trends. KW - precipitation KW - weather pattern KW - trend analyses KW - Niederschlag KW - Wetterlagen KW - Trendanalysen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412725 ER - TY - THES A1 - Wieczorek, Mareike T1 - Stand structure patterns in the Siberian treeline under climate change Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Kalbe, Johannes T1 - Stepping stones hominin dispersal out of Africa BT - pleistocene lakes and wetlands in the Levant Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Lenz, Josefine T1 - Thermokarst dynamics in central-eastern Beringia T1 - Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia BT - insights from permafrost and lacustrine sediment cores BT - Einblicke durch Permafrost- und Seesedimentkerne N2 - Widespread landscape changes are presently observed in the Arctic and are most likely to accelerate in the future, in particular in permafrost regions which are sensitive to climate warming. To assess current and future developments, it is crucial to understand past environmental dynamics in these landscapes. Causes and interactions of environmental variability can hardly be resolved by instrumental records covering modern time scales. However, long-term environmental variability is recorded in paleoenvironmental archives. Lake sediments are important archives that allow reconstruction of local limnogeological processes as well as past environmental changes driven directly or indirectly by climate dynamics. This study aims at reconstructing Late Quaternary permafrost and thermokarst dynamics in central-eastern Beringia, the terrestrial land mass connecting Eurasia and North America during glacial sea-level low stands. In order to investigate development, processes and influence of thermokarst dynamics, several sediment cores from extant lakes and drained lake basins were analyzed to answer the following research questions: 1. When did permafrost degradation and thermokarst lake development take place and what were enhancing and inhibiting environmental factors? 2. What are the dominant processes during thermokarst lake development and how are they reflected in proxy records? 3. How did, and still do, thermokarst dynamics contribute to the inventory and properties of organic matter in sediments and the carbon cycle? Methods applied in this study are based upon a multi-proxy approach combining sedimentological, geochemical, geochronological, and micropaleontological analyses, as well as analyses of stable isotopes and hydrochemistry of pore-water and ice. Modern field observations of water quality and basin morphometrics complete the environmental investigations. The investigated sediment cores reveal permafrost degradation and thermokarst dynamics on different time scales. The analysis of a sediment core from GG basin on the northern Seward Peninsula (Alaska) shows prevalent terrestrial accumulation of yedoma throughout the Early to Mid Wisconsin with intermediate wet conditions at around 44.5 to 41.5 ka BP. This first wetland development was terminated by the accumulation of a 1-meter-thick airfall tephra most likely originating from the South Killeak Maar eruption at 42 ka BP. A depositional hiatus between 22.5 and 0.23 ka BP may indicate thermokarst lake formation in the surrounding of the site which forms a yedoma upland till today. The thermokarst lake forming GG basin initiated 230 ± 30 cal a BP and drained in Spring 2005 AD. Four years after drainage the lake talik was still unfrozen below 268 cm depth. A permafrost core from Mama Rhonda basin on the northern Seward Peninsula preserved a full lacustrine record including several lake phases. The first lake generation developed at 11.8 cal ka BP during the Lateglacial-Early Holocene transition; its old basin (Grandma Rhonda) is still partially preserved at the southern margin of the study basin. Around 9.0 cal ka BP a shallow and more dynamic thermokarst lake developed with actively eroding shorelines and potentially intermediate shallow water or wetland phases (Mama Rhonda). Mama Rhonda lake drainage at 1.1 cal ka BP was followed by gradual accumulation of terrestrial peat and top-down refreezing of the lake talik. A significant lower organic carbon content was measured in Grandma Rhonda deposits (mean TOC of 2.5 wt%) than in Mama Rhonda deposits (mean TOC of 7.9 wt%) highlighting the impact of thermokarst dynamics on biogeochemical cycling in different lake generations by thawing and mobilization of organic carbon into the lake system. Proximal and distal sediment cores from Peatball Lake on the Arctic Coastal Plain of Alaska revealed young thermokarst dynamics since about 1,400 years along a depositional gradient based on reconstructions from shoreline expansion rates and absolute dating results. After its initiation as a remnant pond of a previous drained lake basin, a rapidly deepening lake with increasing oxygenation of the water column is evident from laminated sediments, and higher Fe/Ti and Fe/S ratios in the sediment. The sediment record archived characterizing shifts in depositional regimes and sediment sources from upland deposits and re-deposited sediments from drained thaw lake basins depending on the gradually changing shoreline configuration. These changes are evident from alternating organic inputs into the lake system which highlights the potential for thermokarst lakes to recycle old carbon from degrading permafrost deposits of its catchment. The lake sediment record from Herschel Island in the Yukon (Canada) covers the full Holocene period. After its initiation as a thermokarst lake at 11.7 cal ka BP and intense thermokarst activity until 10.0 cal ka BP, the steady sedimentation was interrupted by a depositional hiatus at 1.6 cal ka BP which likely resulted from lake drainage or allochthonous slumping due to collapsing shore lines. The specific setting of the lake on a push moraine composed of marine deposits is reflected in the sedimentary record. Freshening of the maturing lake is indicated by decreasing electrical conductivity in pore-water. Alternation of marine to freshwater ostracods and foraminifera confirms decreasing salinity as well but also reflects episodical re-deposition of allochthonous marine sediments. Based on permafrost and lacustrine sediment records, this thesis shows examples of the Late Quaternary evolution of typical Arctic permafrost landscapes in central-eastern Beringia and the complex interaction of local disturbance processes, regional environmental dynamics and global climate patterns. This study confirms that thermokarst lakes are important agents of organic matter recycling in complex and continuously changing landscapes. N2 - Derzeit werden deutliche Landschaftsveränderungen in der Arktis beobachtet, welche sich höchstwahrscheinlich zukünftig v.a. in den Permafrostregionen verstärken, da diese besonders empfindlich auf Klimaveränderungen reagieren. Um derzeitige und zukünftige Entwicklungen einschätzen zu können, ist es wichtig vergangene Umweltprozesse zu verstehen. Ursachen und Wechselwirkungen von Umweltveränderungen können nur bedingt durch instrumentelle Aufzeichnungen erklärt werden, doch Paleo-Umweltarchive können weit in die Vergangenheit reichende Umweltdynamiken aufzeichnen. Seesedimente sind wichtige Archive, die lokale limnogeologische Prozesse, aber auch direkt oder indirekt klimatisch gesteuerte Umweltveränderungen der Vergangenheit aufzeichnen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, spätquartäre Permafrost- und Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia zu rekonstruieren. Beringia umfasst jene terrestrische Landmasse, welche Eurasien und Nord-Amerika zu Zeiten von Meeresspiegeltiefständen verband. Um die Entwicklung, die Prozesse und den Einfluss von Thermokarstdynamik zu untersuchen, wurden mehrere Sedimentkerne von rezenten Seen und ausgelaufenen Seebecken analysiert, um folgende Forschungsfragen zu beantworten: 1. Zu welcher Zeit degradierte Permafrost und wann entwickelten sich Thermokarstseen? Was waren hemmende oder verstärkende Faktoren? 2. Was sind dominierende Prozesse während der Entwicklung von Thermokarstseen und wie spiegeln sich diese in Proxy-Aufzeichnungen wieder? 3. Wie hat Thermokarstdynamik damals und heute zur Bedeutung von organischer Substanz in Sedimenten und im Kohlenstoffkreislauf beigetragen? Die in dieser Arbeit angewandten Methoden basieren auf einem sogenannten „multi-proxy“ Ansatz, der sedimentologische, geochemische, geochronologische und mikropaläontologische Analysen, sowie die Untersuchung von stabilen Isotopen und die Hydrochemie von Porenwasser und -eis, verbindet. Feldmessungen der modernen Wasserqualität und Beckenmorphometrie komplettieren die Umweltuntersuchungen. Auf Grundlage der untersuchten Sedimentkerne lässt sich die Degradation von Permafrost und die Dynamik von Thermokarst auf zeitlich verschiedenen Skalen rekonstruieren. Die Analyse eines Sedimentkerns vom GG-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel (Alaska) zeigt eine vorwiegend terrestrische Akkumulation von Yedoma während des Früh- und Mittel-Wisconsin mit zwischenzeitlich feuchteren Verhältnissen zwischen 44,5 und 41,5 ka BP. Diese frühe Feuchtgebietsphase wurde durch die Akkumulation einer 1 m dicken Tephra-Lage beendet, welche sehr wahrscheinlich von der Eruption des heutigen South Killeak Maar vor etwa 42.000 Jahren stammt. Eine Schichtlücke im Sedimentkern von etwa 22,5 und 0,23 ka BP gibt einen Hinweis auf Thermokarstentwicklung in der Umgebung der Kernlokation, welche bis heute ein Yedoma-Rudiment bildet. Der Thermokarstsee, der GG-Becken formte, entstand 230 ± 30 cal a BP und drainierte im Frühling 2005 AD. Vier Jahre nach der Drainage war der Talik des Sees in einer Tiefe von 268 cm noch ungefroren. Ein Permafrostkern vom Mama Rhonda-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel archivierte eine vollständige limnische Fazies mit mehreren Seephasen. Die erste Seegeneration entstand am Übergang vom Spätglazial zum Frühholozän um etwa 11,8 cal ka BP; das alte Seebecken (Grandma Rhonda) ist bis heute südlich der Kernlokation erhalten. Etwa um 9,0 cal ka BP entwickelte sich ein eher flaches und dynamisches Seesystem mit aktiv erodierenden Ufern und potenziell zwischengeschalteten Flachwasser- oder Feuchtgebietsphasen (Mama Rhonda). Die Drainage vom Mama Rhonda-See etwa 1,1 cal ka BP wurde gefolgt von gradueller Torfakkumulation und einem von oben zurückfrierenden See-Talik Es wurde ein deutlich geringerer organischer Kohlenstoff-Gehalt in Grandma Rhonda-Ablagerungen (TOC im Mittel 2,5 Gew.-%) festgestellt, als in Mama Rhonda Ablagerungen (TOC im Mittel 7,9 Gew.-%). Dies zeigt den bedeutenden Einfluss von Thermokarst auf biogeochemische Kreisläufe, da in verschiedenen Seegenerationen organischen Kohlenstoff durch Permafrost-Tauen im Seesystem mobilisiert wird. Seesedimentkerne aus der Uferzone und dem zentralen Bereich von Peatball Lake auf der Arktischen Küstenebene von Alaska, ergaben eine junge Thermokarstdynamik von 1.400 Jahren, welche auf der Basis von absoluten Datierungen und Uferexpansionsraten rekonstruiert wurde. Nach der Seeinitiierung als Rest-See eines zuvor ausgelaufenen Seebeckens, vertiefte sich Peatball Lake verhältnismäßig schnell mit zunehmender Sauerstoffanreicherung der Wassersäule, wie aus laminierten Sedimenten und hohen Fe/Ti- und Fe/S-Verhältnissen im Sediment ersichtlich ist. Die Sedimente von Peatball Lake archivierten einen Wechsel des Ablagerungsregimes bei Ausdehnung der Seefläche und einen Wechsel der Sedimentquelle von ursprünglichen, rein terrestrischen Ablagerungen und bereits umgelagerten Sedimenten aus drainierten Seebecken. Angezeigt wird dieser Wechsel durch eine Veränderung im Eintrag organischen Materials in das Seesystem, was wiederum das Potential von Thermokarstseen bei der Aufarbeitung alten Kohlenstoffs aus degradierendem Permafrost im Einzugsgebiet verdeutlicht. Der Seesedimentkern von der Herschel Insel im Yukon (Kanada) deckt das gesamte Holozän ab. Nach der Seeentstehung um 11,7 cal ka BP und einer Zeit intensiver Thermokarstaktivität bis 11,0 cal ka BP, wird die Phase einer eher kontinuierlichen Sedimentation von einer Schichtlücke um 1,6 cal ka BP unterbrochen. Diese wurde entweder durch die Drainage des Sees oder einer allochthonen Rutschung instabiler Uferlinien verursacht. Die spezielle Situation des Sees auf einer Stauchendmoräne aus marinem Material spiegelt sich auch in dem Seesedimentarchiv wieder. Das Aussüßen des wachsenden Sees wird durch die abnehmende elektrische Leitfähigkeit im Porenwasser angezeigt. Der Wechsel von marinen und Süßwasserostrakoden- und Foraminiferengemeinschaften bestätigt zum einen die abnehmende Salinität des Sees, aber zeigt zum anderen auch episodische Umlagerung von allochthonem, marinem Sediment. Auf der Grundlange von Permafrost- und Seesedimentkernen zeigt diese Arbeit Beispiele spätquartärer Entwicklungsgeschichte typischer Arktischer Permafrostlandschaften im zentral-östlichen Beringia. Es werden komplexe Zusammenhänge zwischen lokalen Störungsprozessen, regionaler Umweltdynamik und globalen Klimaveränderungen aufgezeigt. Thermokarstseen spielen dabei eine wichtige Rolle im sich kontinuierlich verändernden Landschaftsbild der hohen Breiten und im Stoffkreislauf bei der Aufarbeitung organischer Substanz. KW - paleolimnology KW - permafrost degradation KW - periglacial landscape evolution KW - thermokarst processes KW - carbon cycling KW - central-eastern Beringia KW - Paläolimnologie KW - Permafrostdegradation KW - periglaziale Landschaftsentwicklung KW - Thermokarstprozesse KW - Kohlenstoffkreislauf KW - zentral-östliches Beringia Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101364 ER - TY - THES A1 - Bäse, Frank T1 - Interception loss of changing land covers in the humid tropical lowland of Latin America T1 - Der Zusammenhang von Interzeptionsverlust und Landnutzungswandel im feucht-tropischen Flachland Latein Amerikas BT - A synthesis of experimental and modeling approaches BT - Eine Synthese aus experimentellem und modellgestütztem Ansatz N2 - Das Gebiet der feuchten Tropen ist die am stärksten durch den Landnutzungswandel betroffene Region der Erde. Vor allem die Rodung tropischer Wälder, um Platz für Rinderweiden oder den Anbau von Soja zu schaffen, aber auch seit jüngster Zeit die Bemühungen um Wiederaufforstungen prägen diesen Landnutzungswandel. Dabei beeinflusst die Änderung der Vegetationsbedeckung den regionalen Wasserhaushalt auf vielfältige Weise. Betroffen ist unter anderem die Verdunstung von feuchten Oberflächen. Die so genannte Interzeptionsverdunstung bzw. der Interzeptionsverlust trägt erheblich zum Wasserdampfgehalt in der unteren Atmosphäre und schließlich zur Niederschlagsbildung bei. Ziele dieser Dissertation waren (1) die experimentelle Untersuchung der Interzeptionsverlustunterschiede zwischen einem natürlichen, tropischen Wald und einer Sojaplantage im südlichen Amazonasgebiet, (2) die Modellierung des Interzeptionsverlustes dieser beiden Vegetationsformen im Vergleich zu einem jungen Sekundärwald unter dem Aspekt der Unsicherheiten bei der Ableitung notwendiger Modellparameter sowohl im Südamazonas als auch im Einzugsgebietes des Panamakanals sowie (3) die Wasserhaushaltsanalyse eines vom Landnutzungswandel geprägten Teileinzugsgebietes des Panamakanals in Hinblick auf die Veränderung der Interzeptionsverdunstung durch sich verändernde Landnutzung und der Änderung der klimatischen Bedingungen. Die Messung des Interzeptionsverlustes zeigte, dass in der Hauptwachstumsphase vom Soja von dessen Oberfläche mehr Wasserverdunstet als von der Oberfläche des Waldes. Allerdings ist in der Jahresbilanz der Interzeptionsverlust vom Wald höher, da diese Studie nur eine Momentaufnahme zur Zeit der vollen Vegetationsentwicklung des Sojas mit einem Zeitfenster von zwei Monaten widerspiegelt. Durch die geringere ganzjährige Verdunstung von den mit Soja bestandenen Flächen, wird hier der Niederschlag schneller dem Abfluss zugeführt und schell aus der Region ausgetragen. Somit trägt der Landnutzungswandel von Wald zu Soja zu einer mittelfristigen Reduktion des in der Region verfügbaren Wassers bei. Die anschließende Modellierung des Interzeptionsverlustes zeigte Einerseits einen starken Einfluss der Datenqualität auf die Plausibilität der Ergebnisse und Andererseits, dass die Sensitivität der einzelnen Parameter zwischen den Untersuchungsgebieten variiert. Eine Schlüsselrolle nimmt die Wasserspeicherkapazität der Vegetationskrone ein. Dennoch ist die Evaporationsrate die treibende Größe im Interzeptionsprozess, so dass von ihr die größte Unsicherheit ausgeht. Je nach verwendeter Methode zur Ableitung dieses Parameters unterscheiden sich die gewonnenen Parameterwerte erheblich. Die Wirkungsanalyse der Interzeptionsverdunstung auf den Wasserhaushalt im Wirkungsgeflecht der Änderungen von Temperatur, Niederschlag und Landnutzung im Landschaftsmosaik eines Flusseinzugsgebiets mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodels zeigte den Einfluss der Landnutzungsänderung auf die Abflussbildung mittels verschiedener Landnutzungsszenarien. Die Ergebnisse belegen, dass die Landnutzungsänderung im Gebiet nur einen geringen Einfluss auf den Jahresabfluss hat. Stärker scheint sich der gemessene Temperaturanstieg auf die Verdunstung auszuwirken. Der mit einer höheren Temperatur einhergehende Anstieg der Transpiration und Interzeptionsverdunstung gleicht die gemessene Zunahme des Gebietsniederschlages aus, sodass keine signifikanten Änderungen im Jahresabfluss nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der drei Studien verdeutlichen den Einfluss der Landnutzung auf die Interzeptionsverdunstung. Allerdings veranschaulichten die Resultate der Wasserhaushalts-modellierung, wie sehr dieser Einfluss durch die Veränderung der äußeren Rahmenbedingungen, vor allem durch den Anstieg der Temperatur, überprägt werden kann. Dies belegt, dass eine einfache Übertragung der Ergebnisse zwischen den Untersuchungsgebiet nicht möglich ist. Somit bleibt die experimentelle Erhebung von Vegetationsparametern sowie des Interzeptionsverlustes an den jeweils zu untersuchenden Standort für die Anwendung von Modellen unerlässlich. N2 - The humid tropics are the region with the highest rate of land-cover change worldwide. Especially prevalent is the deforestation of old-growth tropical forests to create space for cattle pastures and soybean fields. The regional water cycle is influenced by vegetation cover in various ways. Especially evapotranspiration considerably contributes to water vapor content in the lower atmosphere. Besides active transpiration by plants, evaporation from wetted plant surfaces further known as interception loss is an important supply of water vapor. Changes in interception loss due to change in land cover and the related consequences on the regional water cycle in the humid tropics of Latin America are the research focus of my thesis. (1) In an experimental setup I assess differences in interception loss between an old-growth tropical forest and a soybean plantation. (2) In a modeling study, I examine interception losses of these two vegetation types compared to a younger secondary forest with the use of the Gash interception model, including an uncertainty analysis for the estimation of the necessary model parameters. (3) Studying the water balance of a 192-km² catchment I disentangle the influences of changes in land cover and climatic factors on interception loss. The three different research sites in my thesis represent a currently typical spectrum for land-cover changes in Latin America. In the first example I study the consequences of deforestation of transitional forest, which forms the transition from the Brazilian tree savanna (cerrado) to tropical rain forest, for the establishment of soybean fields in the southern Amazon basin. The second study site is a young secondary forest within the “Agua Salud” project area in Panama as an example of reforestation of former pastures. The third study site is the Cirí Grande river catchment which comprises a mixture of young and old forests as well as pastures, which is typical for the southern sub-catchments of the Panama Canal. The experimental approach consists of the indirect estimation of interception loss by measuring throughfall and stem flow. For the first experimental study I measured throughfall as well as stem flow manually. Measurements of the leaf area index of the two land covers do not show distinct differences; hence it could not serve as an explanation for the differences in the measured interception loss. The considerably higher interception loss at the soybean field is attributed to a possible underestimation of stemflow but also to the stronger ventilation within the well-structured plant rows causing higher evaporation rates. This situation is valid only for two months of the rainy season, when soybean plants are fully developed. In the annual balance evapotranspiration at the soybean site is clearly less than at the forest site, accelerating the development of fast runoff components and consequently discharge. In the medium term, a reduction of water availability in the study area can be expected. For the modeling study, throughfall in a young secondary forest is sampled automatically. The resulting temporally high-resolution dataset allows the distinction between different precipitation and interception events. The core of this study is the sensitivity and uncertainty analysis of the Gash interception model parameters and the consequences for its results. Canopy storage capacity plays a key role for the model and parameter uncertainty. With increasing storage capacity uncertainty in parameter delineation also increases. Evaporation rate as the driving component of the interception process incorporates in this context the largest parameter uncertainty. Depending on the selected method for parameter estimation, parameter values may vary tremendously. In the third study, I analyze the influence of interception loss on the water balance of the Cirí Grande catchment, incorporating the interlinked effects of temperature, precipitation and changes of the land use mosaic using the SWAT (soil water assessment tool) model. Constructing several land-cover scenarios I assess their influence on the catchment’s discharge. The results show that land-cover change exerts only a small influence on annual discharge in the Cirí Grande catchment whereas an increase in temperature markedly influences evapotranspiration. The temperature-induced larger transpiration and interception loss balances the simultaneous increase in annual precipitation, such that the resulting changes in annual discharge are negligible. The results of the three studies show the considerable effect of land cover on interception. However, the magnitude of this effect can be masked by changes in local conditions, especially by an increase in temperature. Hence, the results cannot be transferred easily between the different study sites. For modeling purposes, this means that measurements of vegetation characteristics as well as interception loss at the respective sites are indispensable. KW - geoecology KW - interception KW - hydrology KW - Geoökologie KW - Interzeptionsverdunstung KW - Hydrologie KW - Lateinamerika KW - Latin America Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Dräger, Nadine T1 - Holocene climate and environmental variability in NE Germany inferred from annually laminated lake sediments T1 - Rekonstruktion Holozäner Klima- und Umweltveränderungen in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten N2 - Understanding the role of natural climate variability under the pressure of human induced changes of climate and landscapes, is crucial to improve future projections and adaption strategies. This doctoral thesis aims to reconstruct Holocene climate and environmental changes in NE Germany based on annually laminated lake sediments. The work contributes to the ICLEA project (Integrated CLimate and Landscape Evolution Analyses). ICLEA intends to compare multiple high-resolution proxy records with independent chronologies from the N central European lowlands, in order to disentangle the impact of climate change and human land use on landscape development during the Lateglacial and Holocene. In this respect, two study sites in NE Germany are investigated in this doctoral project, Lake Tiefer See and palaeolake Wukenfurche. While both sediment records are studied with a combination of high-resolution sediment microfacies and geochemical analyses (e.g. µ-XRF, carbon geochemistry and stable isotopes), detailed proxy understanding mainly focused on the continuous 7.7 m long sediment core from Lake Tiefer See covering the last ~6000 years. Three main objectives are pursued at Lake Tiefer See: (1) to perform a reliable and independent chronology, (2) to establish microfacies and geochemical proxies as indicators for climate and environmental changes, and (3) to trace the effects of climate variability and human activity on sediment deposition. Addressing the first aim, a reliable chronology of Lake Tiefer See is compiled by using a multiple-dating concept. Varve counting and tephra findings form the chronological framework for the last ~6000 years. The good agreement with independent radiocarbon dates of terrestrial plant remains verifies the robustness of the age model. The resulting reliable and independent chronology of Lake Tiefer See and, additionally, the identification of nine tephras provide a valuable base for detailed comparison and synchronization of the Lake Tiefer See data set with other climate records. The sediment profile of Lake Tiefer See exhibits striking alternations between well-varved and non-varved sediment intervals. The combination of microfacies, geochemical and microfossil (i.e. Cladocera and diatom) analyses indicates that these changes of varve preservation are caused by variations of lake circulation in Lake Tiefer See. An exception is the well-varved sediment deposited since AD 1924, which is mainly influenced by human-induced lake eutrophication. Well-varved intervals before the 20th century are considered to reflect phases of reduced lake circulation and, consequently, stronger anoxic conditions. Instead, non-varved intervals indicate increased lake circulation in Lake Tiefer See, leading to more oxygenated conditions at the lake ground. Furthermore, lake circulation is not only influencing sediment deposition, but also geochemical processes in the lake. As, for example, the proxy meaning of δ13COM varies in time in response to changes of the oxygen regime in the lake hypolinion. During reduced lake circulation and stronger anoxic conditions δ13COM is influenced by microbial carbon cycling. In contrast, organic matter degradation controls δ13COM during phases of intensified lake circulation and more oxygenated conditions. The varve preservation indicates an increasing trend of lake circulation at Lake Tiefer See after ~4000 cal a BP. This trend is superimposed by decadal to centennial scale variability of lake circulation intensity. Comparison to other records in Central Europe suggests that the long-term trend is probably related to gradual changes in Northern Hemisphere orbital forcing, which induced colder and windier conditions in Central Europe and, therefore, reinforced lake circulation. Decadal to centennial scale periods of increased lake circulation coincide with settlement phases at Lake Tiefer See, as inferred from pollen data of the same sediment record. Deforestation reduced the wind shelter of the lake, which probably increased the sensitivity of lake circulation to wind stress. However, results of this thesis also suggest that several of these phases of increased lake circulation are additionally reinforced by climate changes. A first indication is provided by the comparison to the Baltic Sea record, which shows striking correspondence between major non-varved intervals at Lake Tiefer See and bioturbated sediments in the Baltic Sea. Furthermore, a preliminary comparison to the ICLEA study site Lake Czechowskie (N central Poland) shows a coincidence of at least three phases of increased lake circulation in both lakes, which concur with periods of known climate changes (2.8 ka event, ’Migration Period’ and ’Little Ice Age’). These results suggest an additional over-regional climate forcing also on short term increased of lake circulation in Lake Tiefer See. In summary, the results of this thesis suggest that lake circulation at Lake Tiefer See is driven by a combination of long-term and short-term climate changes as well as of anthropogenic deforestation phases. Furthermore, the lake circulation drives geochemical cycles in the lake affecting the meaning of proxy data. Therefore, the work presented here expands the knowledge of climate and environmental variability in NE Germany. Furthermore, the integration of the Lake Tiefer See multi-proxy record in a regional comparison with another ICLEA side, Lake Czechowskie, enabled to better decipher climate changes and human impact on the lake system. These first results suggest a huge potential for further detailed regional comparisons to better understand palaeoclimate dynamics in N central Europe. N2 - Es ist von großer Bedeutung die natürliche Klimavariabilität unter dem Einfluss menschlich verursachter Klimaänderungen zu verstehen, um Zukunftsprognosen und Adaptionsstrategien zu verbessern. Die Hauptzielsetzung der vorliegenden Doktorarbeit ist die Rekonstruktion von Klima- und Umweltveränderungen während des Holozäns in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten. Diese Arbeit ist ein Beitrag zum ICLEA Projekt (integrierte Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse). ICLEA strebt den Vergleich von mehreren hochaufgelösten Proxy- Archiven aus dem Nord-zentral europäischen Tiefland an, um Einflüsse von Mensch und Klima auf die Landschaftsentwicklung auseinander zu dividieren. Demnach werden in diesem Doktorprojekt zwei Gebiete untersucht: der Tiefe See und der verlandete See Wukenfurche. Während beide Sedimentarchive mit einer Kombination aus hochaufgelösten sedimentmikrofaziellen und -geochemischen Methoden untersucht werden, konzentriert sich die detaillierte Untersuchung der Proxy-Bedeutung auf den kontinuierlichen 7,7mlangen Sedimentkern vom Tiefer See, der die letzten 6000 Jahre abdeckt. Drei Hauptziele werden am Tiefen See verfolgt: (1) das Erstellen einer robusten und unabhängigen Chronologie (2) das Etablieren von mikrofaziellen und geochemischen Proxies als Indikatoren für Klima- und Landschaftsveränderungen und (3) das Ableiten von Klimaveränderungen und menschlichem Einfluss auf die Sedimentablagerung. Zum Erreichen des ersten Zieles wurde eine robuste Chronologie mit Hilfe eines multiplen Datierungsansatzes erstellt. Das Zusammenführen der Warvenzählung und Tephra-Funden bildet dabei das Gerüst für die Chronologie der letzten 6000 Jahre, deren Stabilität durch die gute Übereinstimmung mit unabhängigen Radiokarbondatierungen bestätigt wird. Diese robuste und unabhängige Chronologie und die zusätzlichen neun Tephra-Funde bieten die Basis für den detaillierten Vergleich und die Synchronisation des Tiefen See Datensatzes mit anderen Klimaarchiven. Das Sedimentprofil vom Tiefen See zeigt markante Wechsel zwischen gut warvierten und nicht warvierten Sedimentabschnitten auf. Die kombinierte Untersuchung der Mikrofazies, der Geochemie und von Mikrofossilien (d.h. Cladoceren und Diatomeen) zeigte, dass diese Veränderungen der Warvenerhaltung auf Änderungen der Seezirkulation zurückzuführen sind. Ausgenommen ist der rezente warvierte Abschnitt ab AD 1924, der hauptsächlich durch menschlich verursachte Seeeutrophierung beeinflusst ist. Warvierte Abschnitte vor dem 20. Jahrhundert sind durch verringerte Seezirkulation und die damit verbundenen stärkeren anoxischen Bedingungen im See hervorgerufen worden. Die Ablagerung von nicht warvierten Sedimenten weist auf stärkere Seezirkulation und sauerstoffreichere Bedingungen am Seegrund hin. Die Seezirkulation beeinflusst zusätzlich zum Sedimentmuster auch geochemische Prozesse im See. Zum Beispiel verändert sich die Proxy-Bedeutung der stabilen Kohlenstoffisotope von organischem Material (δ13COM) in Reaktion auf das veränderte Sauerstoffregime. Während geringer Seezirkulation und stärkeren anoxischen Bedingungen werden stark negative δ13COM Werte durch mikrobielle Aktivität hervorgerufen. Im Gegensatz verursachen Phasen mit verstärkter Seezirkulation positivere δ13COM Werte, was vermutlich auf stärkeren Abbau von organischem Material im sauerstoffangereicherten Milieu am Seegrund zurückzuführen ist. Die Warvenerhaltung zeigt einen ansteigenden Trend der Seezirkulation im Tiefen See nach ungefähr 4000 Jahre vor heute an. Dieser Trend ist überlagert mit kurzzeitigen Seezirkulationsveränderungen auf dekadischen Zeitskalen. Der Vergleich mit anderen Archiven in Zentral-Europa lässt darauf schließen, dass der Langzeittrend wahrscheinlich auf graduelle Veränderungen der orbitalen Parameter zurückzuführen ist, was kühlere und windigere Bedingungen in Zentral-Europa hervorgerufen hatte und damit die Seezirkulation im Tiefen See verstärkt hat. Die kurzzeitigen Phasen von verstärkter Seezirkulation fallen mit Siedlungsperioden am Tiefen See zusammen, die mit Pollendaten vom selben Sedimentkern rekonstruiert wurden. Die Waldrodung verringerte den Windschutz des Sees, was möglicherweise zu einer erhöhten Sensitivität der Seezirkulation zu Windstress geführt hat. Ein erster Vergleich des Tiefen Sees zu dem ICLEA Untersuchungsgebiet des Czechowskie See zeigt, dass in beiden Seen drei gemeinsame Phasen verstärkter Seezirkulation auftreten, die auch mit bekannten Zeiten veränderter Klimabedingungen zusammenfallen (2.8 ka event, Migrationsperiode und die Kleine Eiszeit). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Seezirkulation von einer Kombination aus Klimaveränderung auf langen und kurzen Zeitskalen und der Abholzung des Menschen angetrieben wird. Zusammengefasst erweitert die hier vorliegende Arbeit das Wissen von Klima und Umweltveränderungen in NO Deutschland. Zudem wird gezeigt, dass ein regionaler Vergleich verschiedener Untersuchungsgebieten mit unabhängigen Chronologien ein verbessertes Auseinanderhalten von Klimaeinflüssen und menschlichen Einflüssen auf die Seesysteme ermöglicht. Damit kann ein verbessertes Verständnis der Paläoklimadynamik in Zentral-Europa gewonnen werden. KW - palaeoclimate KW - Paläoklima KW - Holocene KW - Holozän KW - varved lake sediments KW - warvierte Seesedimente KW - Tiefer See KW - Tiefer See KW - human impact KW - menschliche Einflüsse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103037 ER - TY - THES A1 - Chen, Kejie T1 - Real-time GNSS for fast seismic source inversion and tsunami early warning T1 - Echtzeit-GNSS für schnelle seismischen Quelle Inversion und Tsunami-Frühwarnsystem N2 - Over the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, the change of ionospheric delay is almost linear, we constructed a linear model for each satellite to predict ionospheric delay. The effectiveness of this method has been validated by an out-door experiment and 2011 Tohoku event, which confirms feasibility of using dense GPS networks for geo-hazard early warning at an affordable cost. Secondly, we extended temporal point positioning from GPS-only to GPS/GLONASS and assessed the potential benefits of multi-GNSS for co-seismic displacement determination. Out-door experiments reveal that when observations are conducted in an adversary environment, adding a couple of GLONASS satellites could provide more reliable results. The case study of 2015 Illapel Mw 8.3 earthquake shows that the biases between co-seismic displacements derived from GPS-only and GPS/GLONASS vary from station to station, and could be up to 2 cm in horizontal direction and almost 3 cm in vertical direction. Furthermore, slips inverted from GPS/GLONASS co-seismic displacements using a layered crust structure on a curved plane are shallower and larger for the Illapel event. Thirdly, we tested different inversion tools and discussed the uncertainties of using real-time GNSS for tsunami early warning. To be exact, centroid moment tensor inversion, uniform slip inversion using a single Okada fault and distributed slip inversion in layered crust on a curved plane were conducted using co-seismic displacements recorded during 2014 Pisagua earthquake. While the inversion results give similar magnitude and the rupture center, there are significant differences in depth, strike, dip and rake angles, which lead to different tsunami propagation scenarios. Even though, resulting tsunami forecasting along the Chilean coast is close to each other for all three models. Finally, based on the fact that the positioning performance of BDS is now equivalent to GPS in Asia-Pacific area and Manila subduction zone has been identified as a zone of potential tsunami hazard, we suggested a conceptual BDS/GPS network for tsunami early warning in South China Sea. Numerical simulations with two earthquakes (Mw 8.0 and Mw 7.5) and induced tsunamis demonstrate the viability of this network. In addition, the advantage of BDS/GPS over a single GNSS system by source inversion grows with decreasing earthquake magnitudes. N2 - In den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist das hauptsächliche Hindernis für Einzelfrequenz-GPS die Verzögerung durch die Ionosphäre. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung in der ionosphärischen Verzögerung über mehrere Minuten hinweg linear ist, haben wir ein lineares Modell für jeden Satelliten konstruiert, um die ionosphärische Verzögerung vorherzusagen. Die Effizienz dieser Methode wurde bei einem Freiluft-Experiment und bei dem Tohoku Ereignis 2011 validiert, was die Verwendbarkeit eines dichten GPS Netzwerks für Frühwarnung vor Geo-Gefahren bei vertretbaren Kosten bestätigt. Als Zweites haben wir die zeitliche Punkt-Positionierung von GPS-only zu GPS/GLONASS erweitert und den potentiellen Nutzen von Multi-GPNSS für die Bestimmung seismischer Verschiebungen bewertet. Freiluft-Experimente zeigen, dass zusätzliche GLONASS Satelliten in feindlicher Umgebung verlässlichere Ergebnisse liefern könnten. Die Fallstudie vom 2015 Illapel Erdbeben mit 8,3 Mw zeigt, dass die mit GPS-only und GPS/GLONASS abgeleiteten seismischen Verschiebungen von Station zu Station variieren und bis zu 2 cm in horizontaler Richtung und beinahe 3 cm in vertikaler Richtung betragen könnten. Zudem sind Verwerfungen, die durch GPS/GLONASS seismische Verschiebungen umgekehrt sind und eine geschichtete Krustenstruktur benutzen, auf einer gekrümmten Ebene flacher und größer für das Illapel Ereignis. Als Drittes haben wir verschiedene Inversionstools getestet und die Unsicherheiten der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Tsunami Frühwarnung diskutiert. Um genau zu sein, wurden eine Schwerpunkts Momenten-Tensoren-Inversion, eine gleichmäßige Verwerfungsinversion bei Benutzung einer einzelnen Okada Verwerfung und eine verteilte Verwerfungs-Inversion in geschichteter Kruste auf einer gekrümmten Ebene durchgeführt. Dafür wurden seismische Verschiebungen genutzt, die beim Pisagua Erdbeben 2014 aufgezeichnet wurden. Während die Inversionsergebnisse ähnliche Magnituden und Bruchstellen liefern, gibt es signifikante Unterschiede bei Tiefe, Streichen, Einfalls- und Spanwinkel, was zu verschiedenen Tsunami Ausbreitungs-Szenarien führt. Trotzdem ist die resultierende Tsunami Vorhersage entlang der chilenischen Küste allen drei Modellen ähnlich. Schlussendlich und basierend auf der Tatsache, dass die Positionierungsleistung von BDS nun äquivalent zu GPS im Asia-Pazifischen Raum ist und die Manila Subduktionszone als potentielle Tsunami Gefährdungszone identifiziert wurde, schlagen wir ein Konzept für ein BDS/GPS Netzwerk für die Tsunami Frühwarnung im Südchinesischen Meer vor. Numerische Simulationen mit zwei Erdbeben (Mw 8.0 und Mw 7.5) und induzierten Tsunamis demonstrieren die Realisierbarkeit dieses Netzwerks. Zusätzlich wächst der Vorteil von BDS/GPS gegenüber einem einzelnen GNSS Sytem bei steigender Quelleninversion mit abnehmender Erdbebenmagnitude. KW - global navigation satellite systems KW - seismic source inversion KW - tsunami early warning KW - GNSS KW - Quelle Inversion KW - Tsunami-Frühwarnsystem Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93174 ER - TY - THES A1 - Wolter, Juliane T1 - Mid- to Late Holocene environmental dynamics on the Yukon Coastal Plain and Herschel Island (Canada) - envidence from polygonal peatlands and lake sediment Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Rieckh, Helene T1 - Hydropedological analysis of erosion-affected soils in a hummocky ground-moraine landscape - interactions of water flow, dissolved carbon and particle transport, grop growth, and pedogenesis Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Käthner, Jana T1 - Interaction of spatial variability characterized by soil electrical conductivity and plant water status related to generative growth of fruit trees T1 - Interaktion der räumlichen Variabilität der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens und des Pflanzenwasserzustandes auf das generative Wachstum von Obstbäumen N2 - Precision horticulture beschreibt ein neues Bewirtschaftungskonzept im Gartenbau, bei dem teilflächenspezifisch oder an den Einzelbaum angepasste Maßnahmen eine ressourcenschonende, intensitve Produktion ermöglichen. Die Datengrundlage wird aus räumlich aufgelösten Messungen aus der Produktionsanlage gewonnen, wobei sowohl kurzfristige Faktoren wie der effektive Pflanzenwasserzustand als auch langfristige Faktoren wie die Bodenvariabilität zur Informationsgewinnung genutzt werden können. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Untersuchung der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens (ECa), des Pflanzenwasserzustandes und der Fruchtqualität (zum Beispiel: Fruchtgröße) bei Prunus domestica L. (Pflaume) und Citrus x aurantium, Syn. Citrus paradisi (Grapefruit). Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit waren (i) die Charakterisierung der 3D-Verteilung der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit des Bodens und Variabilität des Pflanzenwasserzustandes; (ii) die Untersuchung der Interaktion zwischen ECa, kumulativer Wassernutzungseffizienz (WUEc) und des crop water stress index (CWSI) bezogen auf die Fruchtqualität sowie (iii) eine Möglichkeit zur Einteilung von einzelnen Bäumen hinsichtlich der Bewässerung. Dazu fanden die Hauptuntersuchungen in der Pflaumenanlage statt. Diese Obstanlage befindet sich in Hanglage (3°) auf pleistozänen und postpleistozänen Substraten in semi-humiden Klima (Potsdam, Deutschland) und umfasst eine Fläche von 0,37 ha mit 156 Bäumen der Kultursorte ˈTophit Plusˈ auf der Unterlage Wavit. Die Anlage wurde 2009 mit ein und zwei-jährigen Bäumen in einem Pflanzabstand von 4 m entlang der Bewässerung und 5 m zwischen den Reihen angelegt. Dreimal pro Woche wurden die Bäume mit einer 50 cm über dem Boden installierten Tröpfchenbewässerung mit 1,6 l pro Baum bewässert. Mit Hilfe geoelektrischer Messungen wurde die scheinbare elektrische Leitfähigkeit des Oberbodens (0,25 m) mit einem Elektrodenabstand von 0,5 m (4-point light hp) an jedem Baum gemessen. Dadurch wurde die Anlage hinsichtlich ECa räumlich charakterisiert. Zusätzlich erfolgten Tomographiemessungen zur 3D-Charakterisierung der ECa und punktuell die Beprobung von Bohrlochprofilen bis 1 m Tiefe. Die vegetativen, generativen und Fruchtqualitätsdaten wurden an jedem Baum erhoben. Der momentane Pflanzenwasserzustand wurde mit der etablierten Scholander-Methode zur Wasserpotentialanalyse (Scholander Bombe) punktuell und mit Thermalaufnahmen flächendeckend bestimmt. Die Thermalaufnahmen erfolgten mit einer Infrarot-Kamera (ThermaCam SC 500), die auf einem Traktor in 3,3 m Höhe über dem Boden montiert war. Die Thermalaufnahmen (320 x 240 Pixel) der Kronenoberfläche wurden mit einem Öffnungswinkel von 45° und einer geometrischen Auflösung von 6,41 mm x 8,54 mm aufgenommen. Mit Hilfe der Kronentemperatur aus den Thermalbildern und den Temperaturen eines nassen und trockenen Referenzblattes wurde der CWSI berechnet. Es wurde die Anpassung des CWSI für die Messung in semi-humidem Klima erarbeitet, wobei die Erhebung der Referenztemperaturen automatisiert aus den Thermalbildern erfolgte. Die Boniturdaten wurden mit Hilfe eines Varianz-Stabilisierungsverfahrens in eine Normalverteilung transformiert. Die statistischen Analysen sowie die automatisierte Auswertungsroutine erfolgten mit eigenen Skripten in MATLAB® (R2010b sowie R2016a) und einem freien Programm (spatialtoolbox). Die Hot-spot Analysen dienten der Prüfung, ob ein beobachtetes Muster statistisch signifikant ist. Evaluiert wurde die Methode mit der etablierten k-mean Analyse. Zum Testen der Hot-spot Analyse wurden ECa, Stammumfang und Ertrag Daten aus einer Grapefruitanlage (Adana, Türkei) mit 179 Bäumen auf einem Boden vom Typ Xerofkuvent mit toniger und tonig-lehmiger Textur herangezogen. Die Überprüfung der Interaktion zwischen den kritischen Werten aus den Boden- und Pflanzenwasserzustandsinformationen zu den vegetativen und generativen Pflanzenwachtumsvariablen erfolgte durch die Anwendung der ANOVA und die Ermittlung des Korrelationskoeffizienten. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Variabilität der Boden- und Pflanzeninformationen in Obstanlagen auch kleinräumig hoch ist. Es konnte gezeigt werden, dass die räumlich gefundenen Muster in den ECa über die Jahre zwischen 2011-2012 (r = 0.88) beziehungsweise 2012-2013 (r = 0.71) stabil geblieben sind. Zum anderen wurde gezeigt, dass eine CWSI-Bestimmung auch im semi-humiden Klima möglich ist. Es wurde ein Zusammenhang (r = - 0.65, p < 0.0001) mit der etablierten Methode der Blattwasser-potentialanalyse ermittelt. Die Interaktion zwischen der ECa aus verschiedenen Tiefen und den Pflanzenvariablen ergab einen hoch signifikanten Zusammenhang mit dem Oberboden, in dem das Bewässerungswasser zu finden war. Es wurde eine Korrelation zwischen Ertrag und ECatopsoil von r = 0.52 ermittelt. Durch die Anwendung der Hot-spot Analyse konnten Extremwerte in den räumlichen Daten ermittelt werden. Diese Extrema dienten zur Einteilung der Zonen in cold-spot, random und hot-spot. Die random Zone weist die höchsten Korrelationen zu den Pflanzenvariablen auf. Ferner konnte gezeigt werden, dass bereits im semi-humiden Klima der Pflanzenwasserstatus entscheidend zur Fruchtqualität beiträgt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die räumliche Variabilität der Fruchtqualität durch die Interaktion von Wassernutzungseffizienz und CWSI sowie in geringerem Maße durch den ECa des Bodens. In der Pflaumenanlage im semi-humiden Klima war die Bewässerung ausschlaggebend für die Produktion von qualitativ hochwertigen Früchten. N2 - Precision horticulture encompasses site- or tree-specific management in fruit plantations. Of decisive importance is spatially resolved data (this means data from each tree) from the production site, since it may enable customized and, therefore, resource-efficient production measures. The present thesis involves an examination of the apparent electrical conductivity of the soil (ECa), the plant water status spatially measured by means of the crop water stress index (CWSI), and the fruit quality (e.g. fruit size) for Prunus domestica L. (plums) and Citrus x aurantium, Syn. Citrus paradisi (grapefruit). The goals of the present work were i) characterization of the 3D distribution of the apparent electrical conductivity of the soil and variability of the plant’s water status; ii) investigation of the interaction between ECa, CWSI, and fruit quality; and iii) an approach for delineating management zones with respect to managing trees individually. To that end, the main investigations took place in the plum orchard. This plantation got a slope of 3° grade on Pleistocene and post-Pleistocene substrates in a semi-humid climate (Potsdam, Germany) and encloses an area of 0.37 ha with 156 trees of the cultivar ˈTophit Plusˈ on a Wavit rootstock. The plantation was laid in 2009 with annual and biannual trees spaced 4 m distance along the irrigation system and 5 m between the rows. The trees were watered three times a week with a drip irrigation system positioned 50 cm above ground level providing 1.6 l per tree per event. With the help of geoelectric measurements, the apparent electrical conductivity of the upper soil (0.25 m) was measured for each tree with an electrode spacing of 0.5 m (4-point light hp). In this manner, the plantation was spatially charted with respect to the soil’s ECa. Additionally, tomography measurements were performed for 3D mapping of the soil ECa and spot checks of drilled cores with a profile of up to 1 m. The vegetative, generative, and fruit quality data were collected for each tree. The instantaneous plant water status was comprehensively determined in spot checks with the established Scholander method for water potential analysis (Scholander pressure bomb) as well as thermal imaging. An infrared camera was used for the thermal imaging (ThermaCam SC 500), mounted on a tractor 3.3 m above ground level. The thermal images (320 x 240 px) of the canopy surface were taken with an aperture of 45° and a geometric resolution of 8.54 x 6.41 mm. With the aid of the canopy temperature readings from the thermal images, cross-checked with manual temperature measurements of a dry and a wet reference leaf, the crop water stress index (CWSI) was calculated. Adjustments in CWSI for measurements in a semi-humid climate were developed, whereas the collection of reference temperatures was automatically collected from thermal images. The bonitur data were transformed with the help of a variance stabilization process into a normal distribution. The statistical analyses as well as the automatic evaluation routine were performed with several scripts in MATLAB® (R2010b and R2016a) and a free program (spatialtoolbox). The hot spot analysis served to check whether an observed pattern is statistically significant. The method was evaluated with an established k-mean analysis. To test the hot-spot analysis by comparison, data from a grapefruit plantation (Adana, Turkey) was collected, including soil ECa, trunk circumference, and yield data. The plantation had 179 trees on a soil of type Xerofkuvent with clay and clay-loamy texture. The examination of the interaction between the critical values from the soil and plant water status information and the vegetative and generative plant growth variables was performed with the application from ANOVA. The study indicates that the variability of the soil and plant information in fruit production is high, even considering small orchards. It was further indicated that the spatial patterns found in the soil ECa stayed constant through the years (r = 0.88 in 2011-2012 and r = 0.71 in 2012-2013). It was also demonstrated that CWSI determination may also be possible in semi-humid climate. A correlation (r = - 0.65, p < 0.0001) with the established method of leaf water potential analysis was found. The interaction between the ECa from various depths and the plant variables produced a highly significant connection with the topsoil in which the irrigation system was to be found. A correlation between yield and ECatopsoil of r = 0.52 was determined. By using the hot-spot analysis, extreme values in the spatial data could be determined. These extremes served to divide the zones (cold-spot, random, hot-spot). The random zone showed the highest correlation to the plant variables. In summary it may be said that the cumulative water use efficiency (WUEc) was enhanced with high crop load. While the CWSI had no effect on fruit quality, the interaction of CWSI and WUEc even outweighed the impact of soil ECa on fruit quality in the production system with irrigation. In the plum orchard, irrigation was relevant for obtaining high quality produce even in the semi-humid climate. KW - precision horticulture KW - plum KW - tree water status KW - spatial variability KW - Präzision Gartenbau KW - Pflaume KW - Pflanzenwasserzustand KW - räumliche Variabilität Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397666 ER - TY - THES A1 - Lontsi, Agostiny Marrios T1 - 1D shallow sedimentary subsurface imaging using ambient noise and active seismic data T1 - 1D Bildgebung oberflächennaher Sedimente mit Hilfe von Daten der allgemeinen, seismischen Bodenunruhe und Daten der aktiven Seismik N2 - The Earth’s shallow subsurface with sedimentary cover acts as a waveguide to any incoming wavefield. Within the framework of my thesis, I focused on the characterization of this shallow subsurface within tens to few hundreds of meters of sediment cover. I imaged the seismic 1D shear wave velocity (and possibly the 1D compressional wave velocity). This information is not only required for any seismic risk assessment, geotechnical engineering or microzonation activities, but also for exploration and global seismology where site effects are often neglected in seismic waveform modeling. First, the conventional frequency-wavenumber (f - k) technique is used to derive the dispersion characteristic of the propagating surface waves recorded using distinct arrays of seismometers in 1D and 2D configurations. Further, the cross-correlation technique is applied to seismic array data to estimate the Green’s function between receivers pairs combination assuming one is the source and the other the receiver. With the consideration of a 1D media, the estimated cross-correlation Green’s functions are sorted with interstation distance in a virtual 1D active seismic experiment. The f - k technique is then used to estimate the dispersion curves. This integrated analysis is important for the interpretation of a large bandwidth of the phase velocity dispersion curves and therefore improving the resolution of the estimated 1D Vs profile. Second, the new theoretical approach based on the Diffuse Field Assumption (DFA) is used for the interpretation of the observed microtremors H/V spectral ratio. The theory is further extended in this research work to include not only the interpretation of the H/V measured at the surface, but also the H/V measured at depths and in marine environments. A modeling and inversion of synthetic H/V spectral ratio curves on simple predefined geological structures shows an almost perfect recovery of the model parameters (mainly Vs and to a lesser extent Vp). These results are obtained after information from a receiver at depth has been considered in the inversion. Finally, the Rayleigh wave phase velocity information, estimated from array data, and the H/V(z, f) spectral ratio, estimated from a single station data, are combined and inverted for the velocity profile information. Obtained results indicate an improved depth resolution in comparison to estimations using the phase velocity dispersion curves only. The overall estimated sediment thickness is comparable to estimations obtained by inverting the full micortremor H/V spectral ratio. N2 - Oberflächennahe Sedimente wirken oft als Verstärker für einfallende seismische Wellenfelder. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konzentriere ich mich auf die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes von einigen zehn bis zu hundert Metern Sedimentabdeckung. Dabei leite ich Tiefenprofile (1D) der seismische Scherwellengeschwindigkeit (Vs) und wenn möglich auch der Kompressionswellengeschwindigkeit (Vp) aus seismischen Daten ab. Diese Informationen sind nicht nur für jede Erdbebenrisikobewertung, Geotechnik- oder Mikrozonierungsaktivität erforderlich, sondern sind auch für die seismische Erkundung und globale Seismologie von Bedeutung, da Standorteffekte in seismischen Wellenformmodellierungen oft vernachlässigt werden. Zuerst wird die herkömmliche Frequenz-Wellenzahl (f - k) Technik verwendet, um die Dispersionskurven der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen abzuleiten. Die zugrundeliegenden Daten stammen von Seismometerarrays in unterschiedlichen 1D- und 2D-Konfigurationen. In einem weiteren Schritt wird die Green’s Funktion zwischen verschiedenen Empfängerpaaren aus den Daten des seismischen Arrays geschätzt. Dabei wird die Kreuzkorrelationstechnik verwendet. In einem virtuellen 1D Experiment der aktiven Seismik werden die abgeleiteten Green’s Funktionen der Interstationsdistanz nach geordnet. Dann wird die f-k Technik verwendet um wiederum Dispersionskurven abzuleiten. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Analyse einer grösseren Bandbreite für die Dispersionskurven und daher eine verbesserte Auflösung des 1D Tiefenprofils der Scherwellengeschwindigkeit (Vs). In einem zweiten Schritt wird ein neuer Ansatz, basierend auf der diffusen Wellenfeldannahme (engl., Diffuse Field Assumption, DFA), zur Interpretation beobachteter horizontal zu vertikalen Spektralamplitudenverhältnissen (H/V-Spektralverhältnisse), die aus allgemeiner Bodenunruhe abgeleited wurden,genutzt. Diese Theorie wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erweitert, um nicht nur an der Oberfläche gemessene H/V- Spektralverhältnisse interpretieren zu können sondern auch Messungen in der Tiefe (Bohrloch) und in mariner Umgebung (Ozeanboden). Eine Modellierung und Inversion von synthetischen HV- Spektralverhältnissen für vordefinierte, einfache geologische Strukturen zeigt eine nahezu perfekte Identifikation/Rekonstruktion der Modellparameter (im wesentlichen Vs und in geringerem Maße Vp), wenn die zusätzliche Information von HV- Spektralverhältnissen eines Empfängers in der Tiefe bei der Inversion berücksichtigt wird. Letztlich wurden (i) Phasengeschwindigkeiten von Rayleighwellen, die aus einem Arraydatensatz geschätzt wurden, mit (ii) H/V-Spektralverhältnissen einer Einzelstation kombiniert invertiert, um Tiefen-profile seismischer Geschwindigkeiten (Vs, Vp) zu bestimmen. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass sich mit einer kombinierte Inversion seismische Geschwindigkeiten bis in größere Tiefen bestimmen lassen, verglichen mit der Inversion von nur Phasengeschwindigkeiten allein. Die geschätzte Gesamtmächtigkeit von Oberflächensedimenten aufgrund der kombinierten Inversion ist vergleichbar mit der, abgleitet von nur H/V-Spektralverhältnissen. KW - active seismic KW - passive seismic KW - virtual active seismic KW - dispersion curves KW - inversion KW - Vs profiles KW - inverse theory KW - interferometry KW - site effects KW - aktive Seismik KW - passive Seismik KW - virtuelle aktive Seismik KW - Dispersionskurven KW - Inversion KW - Vs Profile KW - Inversionstheorie KW - Interferometrie KW - Standorteffekte Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103807 ER - TY - THES A1 - Schintgen, Tom Vincent T1 - The geothermal potential of Luxembourg T1 - Das geothermische Potenzial von Luxemburg BT - geological and thermal exploration for deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the surroundings BT - geologische und thermische Erkundung nach tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und Umgebung N2 - The aim of this work is the evaluation of the geothermal potential of Luxembourg. The approach consists in a joint interpretation of different types of information necessary for a first rather qualitative assessment of deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the adjoining regions in the surrounding countries of Belgium, France and Germany. For the identification of geothermal reservoirs by exploration, geological, thermal, hydrogeological and structural data are necessary. Until recently, however, reliable information about the thermal field and the regional geology, and thus about potential geothermal reservoirs, was lacking. Before a proper evaluation of the geothermal potential can be performed, a comprehensive survey of the geology and an assessment of the thermal field are required. As a first step, the geology and basin structure of the Mesozoic Trier–Luxembourg Basin (TLB) is reviewed and updated using recently published information on the geology and structures as well as borehole data available in Luxembourg and the adjoining regions. A Bouguer map is used to get insight in the depth, morphology and structures in the Variscan basement buried beneath the Trier–Luxembourg Basin. The geological section of the old Cessange borehole is reinterpreted and provides, in combination with the available borehole data, consistent information for the production of isopach maps. The latter visualize the synsedimentary evolution of the Trier–Luxembourg Basin. Complementary, basin-wide cross sections illustrate the evolution and structure of the Trier–Luxembourg Basin. The knowledge gained does not support the old concept of the Weilerbach Mulde. The basin-wide cross sections, as well as the structural and sedimentological observations in the Trier–Luxembourg Basin suggest that the latter probably formed above a zone of weakness related to a buried Rotliegend graben. The inferred graben structure designated by SE-Luxembourg Graben (SELG) is located in direct southwestern continuation of the Wittlicher Rotliegend-Senke. The lack of deep boreholes and subsurface temperature prognosis at depth is circumnavigated by using thermal modelling for inferring the geothermal resource at depth. For this approach, profound structural, geological and petrophysical input data are required. Conceptual geological cross sections encompassing the entire crust are constructed and further simplified and extended to lithospheric scale for their utilization as thermal models. The 2-D steady state and conductive models are parameterized by means of measured petrophysical properties including thermal conductivity, radiogenic heat production and density. A surface heat flow of 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 for verification of the thermal models could be determined in the area. The models are further constrained by the geophysically-estimated depth of the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) defined by the 1300 °C isotherm. A LAB depth of 100 km, as seismically derived for the Ardennes, provides the best fit with the measured surface heat flow. The resulting mantle heat flow amounts to ∼40 mW m–2. Modelled temperatures are in the range of 120–125 °C at 5 km depth and of 600–650 °C at the crust/mantle discontinuity (Moho). Possible thermal consequences of the 10–20 Ma old Eifel plume, which apparently caused upwelling of the asthenospheric mantle to 50–60 km depth, were modelled in a steady-state thermal scenario resulting in a surface heat flow of at least 91 mW m–2 (for the plume top at 60 km) in the Eifel region. Available surface heat-flow values are significantly lower (65–80 mW m–2) and indicate that the plume-related heating has not yet entirely reached the surface. Once conceptual geological models are established and the thermal regime is assessed, the geothermal potential of Luxembourg and the surrounding areas is evaluated by additional consideration of the hydrogeology, the stress field and tectonically active regions. On the one hand, low-enthalpy hydrothermal reservoirs in Mesozoic reservoirs in the Trier–Luxembourg Embayment (TLE) are considered. On the other hand, petrothermal reservoirs in the Lower Devonian basement of the Ardennes and Eifel regions are considered for exploitation by Enhanced/Engineered Geothermal Systems (EGS). Among the Mesozoic aquifers, the Buntsandstein aquifer characterized by temperatures of up to 50 °C is a suitable hydrothermal reservoir that may be exploited by means of heat pumps or provide direct heat for various applications. The most promising area is the zone of the SE–Luxembourg Graben. The aquifer is warmest underneath the upper Alzette River valley and the limestone plateau in Lorraine, where the Buntsandstein aquifer lies below a thick Mesozoic cover. At the base of an inferred Rotliegend graben in the same area, temperatures of up to 75 °C are expected. However, geological and hydraulic conditions are uncertain. In the Lower Devonian basement, thick sandstone-/quartzite-rich formations with temperatures >90 °C are expected at depths >3.5 km and likely offer the possibility of direct heat use. The setting of the Südeifel (South Eifel) region, including the Müllerthal region near Echternach, as a tectonically active zone may offer the possibility of deep hydrothermal reservoirs in the fractured Lower Devonian basement. Based on the recent findings about the structure of the Trier–Luxembourg Basin, the new concept presents the Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) as a Cenozoic structure that remains tectonically active and subsiding, and therefore is relevant for geothermal exploration. Beyond direct use of geothermal heat, the expected modest temperatures at 5 km depth (about 120 °C) and increased permeability by EGS in the quartzite-rich Lochkovian could prospectively enable combined geothermal heat production and power generation in Luxembourg and the western realm of the Eifel region. N2 - Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bewertung des geothermischen Potenzials in Luxemburg. Der Ansatz besteht aus einer gemeinsamen Ausdeutung verschiedener Daten die für eine erste eher qualitative Abschätzung der tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und den angrenzenden Regionen in den benachbarten Ländern Belgien, Frankreich und Deutschland notwendig sind. Für die Erkennung geothermischer Lagerstätten durch Erkundung sind geologische, thermische, hydrogeologische und strukturgeologische Kenntnisse erforderlich. Bis vor kurzem jedoch waren verlässliche Informationen über das thermische Feld und die Geologie und somit über mögliche geothermische Lagerstätten nicht verfügbar. Bevor eine genaue Bewertung des geothermischen Potenzials durchgeführt werden kann müssen eine umfassende Untersuchung der regionalen Geologie und eine Abschätzung des thermischen Feldes erfolgen. Als erstes wird die Geologie und Struktur des Mesozoischen Trier–Luxemburger Beckens (TLB) mittels kürzlich erschienenen Erkenntnissen über die Geologie und Strukturen sowie verfügbaren Bohrdaten in Luxemburg und den angrenzenden Gebieten überprüft und aktualisiert. Eine Bouguer Schwerekarte liefert einen Einblick in die Tiefe, Morphologie und Strukturen des variskischen Grundgebirges welches unter dem Trier–Luxemburger Becken verborgen ist. Die Schichtenfolge in der alten Bohrung Cessingen wird neu gedeutet und bietet in der Gesamtdeutung der verfügbaren Bohrdaten einheitliche Angaben für die Erzeugung von Mächtigkeitskarten. Diese veranschaulichen die synsedimentäre Entwickung des Trier–Luxemburger Beckens. Ergänzende, beckenübergreifende geologische Schnitte verdeutlichen die Entwicklung und Struktur des Trier–Luxemburger Beckens. Die gewonnenen Erkenntnisse widerlegen das alte Konzept der Mulde von Weilerbach. Die beckenumspannenden Schnitte, sowie die strukturgeologischen und sedimentologischen Beobachtungen im Trier–Luxemburger Becken legen nahe dass die Beckenentwicklung wahrscheinlich über einer Schwächezone stattgefunden hat die durch einen verborgenen Rotliegendgraben erzeugt wird. Die vermutete Grabenstruktur mit der Bezeichnung ‚Südost-Luxemburg Graben‘ befindet sich in unmittelbarer südwestlicher Fortsetzung der Wittlicher Rotliegend-Senke. Das Fehlen von Tiefbohrungen und einer Vorhersage der Untergrundtemperaturen in der Tiefe wird durch thermische Modellierung als Mittel zur Bestimmung der tiefen geothermischen Resourcen umgangen. Für diese Herangehensweise werden tiefgreifende strukturgeologische, geologische und gesteinsphysikalische Eingangsdaten benötigt. Konzeptionelle geologische Krustenschnitte werden erstellt und dann für die Benutzung als thermische Modelle vereinfacht und auf Lithospärenmaßstab erweitert. Die thermisch stationären und konduktiven Modelle werden mittels im Labor gemessenen petrophysikalischen Eigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit, der radiogenen Wärmeproduktion und der Gesteinsdichte parameterisiert. Ein terrestrischer Oberflächenwärmestrom von 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 zur Überprufung der thermischen Modelle konnte im Untersuchungsgebiet ermittelt werden. Die Modelle sind weiter begrenzt durch die geophysikalisch ermittelte Tiefe der Lithospäre-Asthenosphärengrenze (LAB) die sich durch die 1300 °C Isotherme definiert. Eine LAB-Tiefe von 100 km, wie seismisch für den Bereich der Ardennen bekannt, führt zur besten Übereinstimmung mit dem ermittelten Oberflächenwärmestrom. Der sich ergebende Mantelwärmestrom beträgt ∼40 mW m–2. Die Modelltemperaturen liegen im Bereich von 120–125 °C in 5 km Tiefe und 600–650 °C an der Krustenuntergrenze (Moho). Die möglichen thermischen Auswirkungen des 10–20 Ma alten, sogenannten Eifelplumes, der offenbar einen Aufstieg des asthenosphärischen Mantels bis in 50–60 km Tiefe verursacht hat, wurden mit Hilfe eines thermisch stationären Szenarios modelliert und ergeben einen Oberflächenwärmestrom von mindestens 91 mW m–2 (im Fall eines Plume Top in 60 km Tiefe) im Gebiet der Eifel. Die vorliegenden Wärmestromwerte sind deutlich niedriger (65–80 mW m–2) und zeigen dass die durch den Plume bedingte Lithospären- und Krustenerwärmung die Oberfläche noch nicht erreicht hat. Nach der Erstellung der konzeptionellen geologischen Modelle und der Berechnung des thermischen Feldes kann das geothermische Potenzial von Luxemburg und den angrenzenden Gebieten abgeschätzt werden. Die Bewertung geschieht durch die Einbeziehung der Hydrogeologie, des Stressfeldes und unter Berücksichtigung tektonisch aktiver Gebiete. Zum einen werden Niedrigenthalpie-Lagerstätten in mesozoischen Aquiferen in der Trier–Luxemburger Bucht (TLE) in Betracht gezogen. Andererseits werden petrothermale Lagerstätten im unterdevonischen Grundgebirge der Ardennen und der Eifel für die Erschließung durch EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems) berücksichtigt. Unter den mesozoischen Aquiferen ist der Buntsandstein Aquifer mit Temperaturen bis 50 °C ein geeignetes hydrothermales Reservoir das mittels Wärmepumpen oder direkte Wärmebereitstellung für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten in Frage kommen könnte. Das thermisch günstigste Gebiet befindet sich im Bereich des Südost-Luxemburg Graben unter dem oberen Alzettetal sowie dem Kalksteinplateau im nördlichen Lothringen wo der Buntsandstein Aquifer unter einer mächtigen Mesozoischen Bedeckung liegt. An der Basis des vermuteten Rotliegendgrabens in demselben Gebiet werden Temperaturen bis 75 °C erwartet. Allerdings sind die geologischen Verhältnisse und die hydraulichen Eigenschaften unbekannt. In dem unterdevonischen Grundgebirge werden mächtige sandsteinlastige beziehungsweise quarzitreiche geologische Formationen mit Temperaturen >90 °C in Tiefen >3,5 km erwartet und ermöglichen wahrscheinlich eine direkte Wärmenutzung. Die geologische Situation der Südeifel einschliesslich der Region des Müllerthales nahe Echternach (Luxemburg) als tektonisch aktive Zone könnte tiefe hydrothermale Reservoire im geklüfteten unterdevonischen Grundgebirge zur Folge haben. Auf Basis der erarbeiteten Kenntnisse über das Trier–Luxemburger Becken in Luxemburg und speziell der Südeifel wurde das neue Konzept der Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) aufgestellt. Es handelt sich um eine gegenwärtig tektonisch aktive und absinkende känozoische Struktur und hat deshalb eine große Bedeutung für die zukünftige geothermische Erkundung. Neben der direkten Nutzung geothermischer Wärme ermöglichen die mäßigen Temperaturen von 120 °C in 5 km Tiefe und eine verbesserte Durchlässigkeit der quarzitreichen Schichten des Lochkoviums mittels EGS potentiell die kombinierte Wärmebereitstellung und Stromproduktion in Luxemburg und im westlichen Bereich der Eifel. KW - Mesozoikum KW - Perm KW - Beckenentwicklung KW - Beckenstruktur KW - Eifeler Nord-Süd-Zone KW - Weilerbach-Mulde KW - Pariser Becken KW - Wittlicher Senke KW - Trier-Luxemburger Becken KW - Trier-Luxemburger Bucht KW - Oberflächenwärmefluss KW - thermische Modellierung KW - Wärmeleitfähigkeit KW - radiogene Wärmeproduktion KW - Rhenohercynische Zone KW - Luxemburg KW - Geothermie KW - Südeifel KW - Buntsandstein KW - Unterdevon KW - hydrothermale Systeme KW - petrothermale Systeme KW - Mesozoic KW - Permian KW - basin evolution KW - basin structure KW - Eifel Depression KW - Paris Basin KW - Trier-Luxembourg Basin KW - Trier-Luxembourg Embayment KW - surface heat flow KW - thermal modelling KW - thermal conductivity KW - radiogenic heat production KW - Rhenohercynian Zone KW - Luxembourg KW - geothermal energy KW - South Eifel KW - Buntsandstein KW - Lower Devonian KW - hydrothermal systems KW - petrothermal systems KW - Enhanced Geothermal Systems Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87110 ER -