TY - THES A1 - Schifferle, Lukas T1 - Optical properties of (Mg,Fe)O at high pressure T1 - Optische Eigenschaften von (Mg,Fe)O unter Hochdruck N2 - Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained. In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+. N2 - Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht. Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen. KW - optical properties KW - optische Eigenschaften KW - high pressure KW - Hochdruck KW - earth mantle KW - Erdmantel KW - diamond anvil cell KW - Diamantstempelzelle KW - ferropericlase KW - Ferroperiklas KW - spectroscopy KW - Spektroskopie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622166 ER - TY - THES A1 - Windirsch-Woiwode, Torben T1 - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem T1 - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems N2 - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere. By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region. N2 - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern. Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können. KW - permafrost KW - carbon KW - climate change KW - grazing KW - Arctic KW - Arktis KW - Kohlenstoff KW - Klimawandel KW - Beweidung KW - Permafrost Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240 ER - TY - JOUR A1 - Smith, Taylor A1 - Zotta, Ruxandra-Maria A1 - Boulton, Chris A. A1 - Lenton, Timothy M. A1 - Dorigo, Wouter A1 - Boers, Niklas T1 - Reliability of resilience estimation based on multi-instrument time series JF - Earth System Dynamics N2 - Many widely used observational data sets are comprised of several overlapping instrument records. While data inter-calibration techniques often yield continuous and reliable data for trend analysis, less attention is generally paid to maintaining higher-order statistics such as variance and autocorrelation. A growing body of work uses these metrics to quantify the stability or resilience of a system under study and potentially to anticipate an approaching critical transition in the system. Exploring the degree to which changes in resilience indicators such as the variance or autocorrelation can be attributed to non-stationary characteristics of the measurement process – rather than actual changes in the dynamical properties of the system – is important in this context. In this work we use both synthetic and empirical data to explore how changes in the noise structure of a data set are propagated into the commonly used resilience metrics lag-one autocorrelation and variance. We focus on examples from remotely sensed vegetation indicators such as vegetation optical depth and the normalized difference vegetation index from different satellite sources. We find that time series resulting from mixing signals from sensors with varied uncertainties and covering overlapping time spans can lead to biases in inferred resilience changes. These biases are typically more pronounced when resilience metrics are aggregated (for example, by land-cover type or region), whereas estimates for individual time series remain reliable at reasonable sensor signal-to-noise ratios. Our work provides guidelines for the treatment and aggregation of multi-instrument data in studies of critical transitions and resilience. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.5194/esd-14-173-2023 SN - 2190-4987 VL - 14 SP - 173 EP - 183 PB - Copernicus Publications CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Pätzel, Jonas T1 - Seismic site characterization using broadband and DAS ambient vibration measurements on Mt Etna, Italy N2 - Both horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios and the spatial autocorrelation method (SPAC) have proven to be valuable tools to gain insight into local site effects by ambient noise measurements. Here, the two methods are employed to assess the subsurface velocity structure at the Piano delle Concazze area on Mt Etna. Volcanic tremor records from an array of 26 broadband seismometers is processed and a strong variability of H/V ratios during periods of increased volcanic activity is found. From the spatial distribution of H/V peak frequencies, a geologic structure in the north-east of Piano delle Concazze is imaged which is interpreted as the Ellittico caldera rim. The method is extended to include both velocity data from the broadband stations and distributed acoustic sensing data from a co-located 1.5 km long fibre optic cable. High maximum amplitude values of the resulting ratios along the trajectory of the cable coincide with known faults. The outcome also indicates previously unmapped parts of a fault. The geologic interpretation is in good agreement with inversion results from magnetic survey data. Using the neighborhood algorithm, spatial autocorrelation curves obtained from the modified SPAC are inverted alone and jointly with the H/V peak frequencies for 1D shear wave velocity profiles. The obtained models are largely consistent with published models and were able to validate the results from the fibre optic cable. N2 - Sowohl die räumliche Autokorrelations-Methode (SPAC) als auch die Methode der horizontal-vertikal Spektralverhältnisse (H/V) sind wichtige Instrumente bei der seismischen Charakterisierung des Untergrundes mittels Bodenunruhe. In der vorliegenden Arbeit werden beide Techniken angewandt, um die Geschwindigkeitsstruktur der Piano delle Concazze Ebene auf dem Ätna zu untersuchen. Die Aufzeichnungen vulkanischen Tremors auf einem Array aus 26 Breitband-Seismometern werden prozessiert und starke Schwankungen des H/V Verhältnisses, insbesondere während Zeiten erhöhter vulkanischer Aktivität werden festgestellt. Die räumliche Verteilung der H/V Frequenzpeaks bildet eine geologische Struktur im nordöstlichen Bereichs des Untersuchungsgebietes ab. Diese wird als der alte Rand der Ellittico Caldera interpretiert. Die H/V-Methode wird um die kombinierte Verarbeitung von Geschwindigkeitsaufzeichnungen des Breitband-Arrays und faseroptischen Dehnungmessungen (distributed acoustic sensing, DAS) erweitert. Hierfür werden die Daten eines 1,5 km langen Glasfaserkabels, mit welchem das Seismometer-Array zusammen installiert wurde, genutzt. Erhöhte Werte der maximalen Amplitude der berechneten Spektralverhältnisse, stimmen mit der Lage bekannter Verwerfungen im Gebiet überein. Das Ergebnis deutet auf einen bisher nicht aufgezeichneten Verlauf einer der Verwerfungszonen hin. Die Interpretaion der Strukturen stimmt überein mit den Ergebnissen einer Geomagnetik-Studie der Piano delle Concazze. Mithilfe des Neighborhood-Algorithmus werden die räumlichen Autokorrelationskurven der modifizierten SPAC, sowohl einfach als auch in Kombination mit den H/V Frequenzpeaks, invertiert. So werden schließlich 1D Modelle der S-Wellengeschwindigkeit abgeleitet. Diese stimmen weitgehend überein mit den Resultaten anderer Studien und bestätigen darüberhinaus die Ergebnisse der DAS-Aufzeichnungen. KW - site characterization KW - Etna KW - DAS KW - ambient vibration KW - seismic noise KW - H/V KW - HVSR KW - velocity model KW - SPAC KW - MSPAC KW - spatial autocorrelation KW - Piano delle Concazze KW - site effects KW - microzonation KW - volcanic tremor KW - joint inversion KW - ortsverteile faseroptische Dehnungsmessung KW - Ätna KW - H/V KW - horizontal-vertikales Spektralverhältnis KW - räumliche Autkorrelationsmethode KW - modifizierte räumliche Autkorrelationsmethode KW - Bodenunruhe KW - gemeinsame Inversion KW - Mikrozonierung KW - seismisches Rauschen KW - Ortscharakterisierung KW - Ortseffekte KW - räumliche Autokorrelation KW - Geschwindigkeitsmodell KW - vulkanischer Tremor KW - Piano delle Concazze Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613793 ER - TY - THES A1 - Pons, Michaël T1 - The Nature of the tectonic shortening in Central Andes T1 - Die Beschaffenheit der tektonischen Verkürzung in den Zentralanden N2 - The Andean Cordillera is a mountain range located at the western South American margin and is part of the Eastern- Circum-Pacific orogenic Belt. The ~7000 km long mountain range is one of the longest on Earth and hosts the second largest orogenic plateau in the world, the Altiplano-Puna plateau. The Andes are known as a non-collisional subduction-type orogen which developed as a result of the interaction between the subducted oceanic Nazca plate and the South American continental plate. The different Andean segments exhibit along-strike variations of morphotectonic provinces characterized by different elevations, volcanic activity, deformation styles, crustal thickness, shortening magnitude and oceanic plate geometry. Most of the present-day elevation can be explained by crustal shortening in the last ~50 Ma, with the shortening magnitude decreasing from ~300 km in the central (15°S-30°S) segment to less than half that in the southern part (30°S-40°S). Several factors were proposed that might control the magnitude and acceleration of shortening of the Central Andes in the last 15 Ma. One important factor is likely the slab geometry. At 27-33°S, the slab dips horizontally at ~100 km depth due to the subduction of the buoyant Juan Fernandez Ridge, forming the Pampean flat-slab. This horizontal subduction is thought to influence the thermo-mechanical state of the Sierras Pampeanas foreland, for instance, by strengthening the lithosphere and promoting the thick-skinned propagation of deformation to the east, resulting in the uplift of the Sierras Pampeanas basement blocks. The flat-slab has migrated southwards from the Altiplano latitude at ~30 Ma to its present-day position and the processes and consequences associated to its passage on the contemporaneous acceleration of the shortening rate in Central Andes remain unclear. Although the passage of the flat-slab could offer an explanation to the acceleration of the shortening, the timing does not explain the two pulses of shortening at about 15 Ma and 4 Ma that are suggested from geological observations. I hypothesize that deformation in the Central Andes is controlled by a complex interaction between the subduction dynamics of the Nazca plate and the dynamic strengthening and weakening of the South American plate due to several upper plate processes. To test this hypothesis, a detailed investigation into the role of the flat-slab, the structural inheritance of the continental plate, and the subduction dynamics in the Andes is needed. Therefore, I have built two classes of numerical thermo-mechanical models: (i) The first class of models are a series of generic E-W-oriented high-resolution 2D subduction models thatinclude flat subduction in order to investigate the role of the subduction dynamics on the temporal variability of the shortening rate in the Central Andes at Altiplano latitudes (~21°S). The shortening rate from the models was then validated with the observed tectonic shortening rate in the Central Andes. (ii) The second class of models are a series of 3D data-driven models of the present-day Pampean flat-slab configuration and the Sierras Pampeanas (26-42°S). The models aim to investigate the relative contribution of the present-day flat subduction and inherited structures in the continental lithosphere on the strain localization. Both model classes were built using the advanced finite element geodynamic code ASPECT. The first main finding of this work is to suggest that the temporal variability of shortening in the Central Andes is primarily controlled by the subduction dynamics of the Nazca plate while it penetrates into the mantle transition zone. These dynamics depends on the westward velocity of the South American plate that provides the main crustal shortening force to the Andes and forces the trench to retreat. When the subducting plate reaches the lower mantle, it buckles on it-self until the forced trench retreat causes the slab to steepen in the upper mantle in contrast with the classical slab-anchoring model. The steepening of the slab hinders the trench causing it to resist the advancing South American plate, resulting in the pulsatile shortening. This buckling and steepening subduction regime could have been initiated because of the overall decrease in the westwards velocity of the South American plate. In addition, the passage of the flat-slab is required to promote the shortening of the continental plate because flat subduction scrapes the mantle lithosphere, thus weakening the continental plate. This process contributes to the efficient shortening when the trench is hindered, followed by mantle lithosphere delamination at ~20 Ma. Finally, the underthrusting of the Brazilian cratonic shield beneath the orogen occurs at ~11 Ma due to the mechanical weakening of the thick sediments covered the shield margin, and due to the decreasing resistance of the weakened lithosphere of the orogen. The second main finding of this work is to suggest that the cold flat-slab strengthens the overriding continental lithosphere and prevents strain localization. Therefore, the deformation is transmitted to the eastern front of the flat-slab segment by the shear stress operating at the subduction interface, thus the flat-slab acts like an indenter that “bulldozes” the mantle-keel of the continental lithosphere. The offset in the propagation of deformation to the east between the flat and steeper slab segments in the south causes the formation of a transpressive dextral shear zone. Here, inherited faults of past tectonic events are reactivated and further localize the deformation in an en-echelon strike-slip shear zone, through a mechanism that I refer to as “flat-slab conveyor”. Specifically, the shallowing of the flat-slab causes the lateral deformation, which explains the timing of multiple geological events preceding the arrival of the flat-slab at 33°S. These include the onset of the compression and of the transition between thin to thick-skinned deformation styles resulting from the crustal contraction of the crust in the Sierras Pampeanas some 10 and 6 Myr before the Juan Fernandez Ridge collision at that latitude, respectively. N2 - Die Andenkordillere ist ein Gebirgszug am westlichen Rand Südamerikas und Teil des östlichen zirkumpazifischen Gebirgsgürtels. Der ~7000 km lange Gebirgszug ist einer der längsten der Erde und beherbergt mit dem Altiplano-Puna-Plateau das zweitgrößte orogenetische Plateau der Welt. Die Anden sind als nicht-kollisionsbedingtes Subduktionsgebirge bekannt, das durch die Wechselwirkung zwischen der subduzierten ozeanischen Nazca-Platte und der südamerikanischen Kontinentalplatte entstanden ist. Entlang des Höhenzugs der Anden lassen sich Segmente unterschiedlicher morphotektonischer Provinzen ausmachen, die durch Variationen in topographischer Höhe, vulkanischer Aktivität, Deformationsform, Krustendicke, Krustenverkürzung und ozeanischer Plattengeometrie gekennzeichnet sind. Der größte Teil der heutigen Hebung lässt sich durch die Krustenverkürzung der letzten 50 Mio. Jahre erklären, wobei das Ausmaß der Verkürzung von ca. 300 km im zentralen Segment (15°S-30°S) auf weniger als die Hälfte im südlichen Teil (30°S-40°S) abnimmt. Es wurden mehrere Faktoren vorgeschlagen, die das Ausmaß und die Beschleunigung der Verkürzung der zentralen Anden in den letzten 15 Mio. Jahren beeinflusst haben könnten. Ein wichtiger Faktor ist wahrscheinlich die Plattengeometrie. Durch die Subduktion des Juan-Fernandez-Rückens und dessen hohe Auftriebskraft fällt die Platte bei 27-33°S in ~100 km Tiefe horizontal ein und bildet den pampeanischen flat-slab. Es wird angenommen, dass die horizontale Subduktion den thermomechanischen Zustand des Sierras-Pampeanas-Vorlandes beeinflusst, indem sie beispielsweise die Lithosphäre stärkt und die dickschalige Verlagerung der Deformation nach Osten sowie die Hebung der kristallinen Basis der Sierras-Pampeanas fördert. Vor etwa 30 Mio. Jahren verschob sich der flat-slab von der geographischen Breite des Altiplano zu seiner heutigen Position nach Süden. Die mit der Positionsverlagerung verbundenen Prozesse und Folgen für die gleichzeitige Beschleunigung der Verkürzungsraten in den zentralen Anden sind noch immer unklar. Obwohl die Passage des flat-slab eine Erklärung für dafür sein könnte, erklärt ihr Zeitpunkt nicht die beiden aus der Geologie abgeleiteten Verkürzungsimpulse vor etwa 15 und 4 Mio. Jahren. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Deformation in den zentralen Anden durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Subduktionsdynamik der Nazca-Platte und der dynamischen Materialschwächung der südamerikanischen Platte aufgrund einer Reihe von Prozessen in der oberen Platte gesteuert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, ist eine detaillierte Untersuchung der Rolle des flat-slab, sowie der strukturellen Vererbung der Kontinentalplatte und der Subduktionsdynamik in den Anden erforderlich. Daher habe ich zwei Klassen von numerischen thermomechanischen Modellen erstellt: (i) Die erste Klasse von Modellen umfasst eine Reihe von generischen E-W-orientierten 2D-Subduktionsmodellen mit hoher Auflösung. Diese beinhalten subhorizontalen Subduktion um die Rolle der Subduktionsdynamik auf die zeitliche Variabilität der Verkürzungsrate in den zentralen Anden auf dem Altiplano (~21°S) zu untersuchen. Die modellierte Verkürzungsrate wurde mit der beobachteten tektonischen Verkürzungsrate in den zentralen Anden validiert. (ii) Die zweite Klasse von Modellen besteht aus einer Reihe von datengesteuerten 3D-Modellen der heutigen pampeanischen flat-slab-Konfiguration und der Sierras Pampeanas (26-42°S). Diese Modelle zielen darauf ab, den relativen Beitrag der heutigen subhorizontalen Subduktion und der ererbten Strukturen in der kontinentalen Lithosphäre zur Dehnungslokalisierung zu untersuchen. Beide Modellklassen wurden mit Hilfe des fortschrittlichen geodynamischen Finite-Elemente-Codes ASPECT erstellt. Das erste Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass zeitliche Änderungen der Verkürzung in den Zentralanden in erster Linie durch die Subduktionsdynamik der Nazca-Platte gesteuert werden, während diese in die Mantelübergangszone eindringt. Die Dynamik hängt von der westwärts gerichteten Geschwindigkeit der südamerikanischen Platte ab, die die Hauptantriebskraft für die Krustenverkürzung in den Anden darstellt und den Subduktionsgraben zum Zurückziehen zwingt. Wenn die subduzierende Platte den unteren Erdmantel erreicht, wölbt sie sich auf, bis der erzwungene Rückzug des Grabens dazu führt, dass auch die Platte im oberen Erdmantel steiler wird. Die aufgesteilte Platte behindert wiederum den Graben, der sich der vorrückenden südamerikanischen Platte widersetzt, was eine pulsierende Verkürzung zur Folge hat. Dieses Subduktionsregime, bestehend aus Aufwölbung und Aufsteilung, könnte durch die allgemeine westwärts gerichtete Geschwindigkeitsabnahme der südamerikanischen Platte ausgelöst worden sein. Der Durchgang des flat-slab ist zudem eine notwendige Bedingung, um die Verkürzung der Kontinentalplatte voran zu treiben, da subhorizontale Subduktion Teile der Mantellithosphäre abträgt und so die Kontinentalplatte schwächt. Dieser Prozess trägt somit zur effizienten Verkürzung bei während der Graben behindert wird und ist gefolgt von der Ablösung der Mantellithosphäre vor etwa 20 Mio. Jahren. Das Subduzieren des brasilianischen kratonischen Schildes unter das Orogen erfolgte schließlich vor etwa 11 Mio. Jahren aufgrund der mechanischen Schwächung der dicken Sedimentschicht, die den Schildrand bedeckte, sowie wegen des abnehmenden Widerstands der geschwächten Gebirgslithosphäre. Das zweite Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass der kalte flat-slab die darüber liegende kontinentale Lithosphäre stärkt und damit verhindert, dass sich Verformungen lokalisieren können. Daher wird die Deformation durch die an der Subduktionsfläche wirkende Scherspannung auf die östliche Front des flat-slab-Segments übertragen. Der flat-slab wirkt wie ein Eindringling, der die unter mantle-keel bekannte Anhäufung von abgelöstem Mantelmaterial beiseite schiebt. Der Versatz in der ostwärts gerichteten Deformationsausbreitung der flachen und der steileren Plattensegmenten im Süden führt zur Bildung einer transpressiven dextralen Scherungszone. Hier werden ererbte Verwerfungen vergangener tektonischer Ereignisse reaktiviert und helfen bei der Lokalisierung neuer Deformation in einer en-echelon-artigen Scherungszone. Dies geschieht durch einen Mechanismus, den ich als "flat-slab-Conveyor" bezeichne. Das laterale Zusammenschieben wird besonders durch das Flacherwerden des flat-slab beeinflusst, welches den Zeitpunkt mehrerer geologischer Ereignisse erklärt, die der Ankunft des flat-slab bei 33°S vorangehen. Dazu gehören der Beginn der Kompression und der Übergang von dünn- zu dickschaliger Deformation, die sich aus der Krustenkontraktion in den Sierras Pampeanas etwa 10 bzw. 6 Mio. Jahre vor der Kollision mit dem Juan-Fernandez-Rücken auf diesem Breitengrad ergaben. KW - Andes KW - Orogen KW - tectonics KW - Subduction KW - Deformation KW - Shortening KW - Flat subduction KW - Geodynamics KW - Altiplano KW - Puna KW - Sierras Pampeanas KW - Foreland KW - Altiplano KW - Anden KW - Deformation KW - Flache Subduktion KW - Vorland KW - Geodynamik KW - Orogen KW - Puna KW - Verkürzung KW - Sierras Pampeanas KW - Subduktion KW - Tektonik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600892 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - Finite fault earthquake source inversions T1 - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion BT - implementation and testing of a novel physics-based rupture model BT - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels N2 - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing. As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface. The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended. I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks. The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods. N2 - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche. Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht. Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich? Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben. Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen. KW - seismology KW - inversion KW - source model KW - Seismologie KW - Inversion KW - Bruchmodel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745 ER - TY - JOUR A1 - Tofelde, Stefanie A1 - Bufe, Aaron A1 - Turowski, Jens M. T1 - Hillslope Sediment Supply Limits Alluvial Valley Width JF - AGU Advances N2 - River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021AV000641 SN - 2576-604X PB - American Geophysical Union (AGU); Wiley CY - Hoboken, New Jersey, USA ER - TY - THES A1 - Neuharth, Derek T1 - Evolution of divergent and strike-slip boundaries in response to surface processes T1 - Die Entwicklung divergenter und transversaler Plattengrenzen unter dem Einfluss von Erdoberflächenprozessen N2 - Plate tectonics describes the movement of rigid plates at the surface of the Earth as well as their complex deformation at three types of plate boundaries: 1) divergent boundaries such as rift zones and mid-ocean ridges, 2) strike-slip boundaries where plates grind past each other, such as the San Andreas Fault, and 3) convergent boundaries that form large mountain ranges like the Andes. The generally narrow deformation zones that bound the plates exhibit complex strain patterns that evolve through time. During this evolution, plate boundary deformation is driven by tectonic forces arising from Earth’s deep interior and from within the lithosphere, but also by surface processes, which erode topographic highs and deposit the resulting sediment into regions of low elevation. Through the combination of these factors, the surface of the Earth evolves in a highly dynamic way with several feedback mechanisms. At divergent boundaries, for example, tensional stresses thin the lithosphere, forcing uplift and subsequent erosion of rift flanks, which creates a sediment source. Meanwhile, the rift center subsides and becomes a topographic low where sediments accumulate. This mass transfer from foot- to hanging wall plays an important role during rifting, as it prolongs the activity of individual normal faults. When rifting continues, continents are eventually split apart, exhuming Earth’s mantle and creating new oceanic crust. Because of the complex interplay between deep tectonic forces that shape plate boundaries and mass redistribution at the Earth’s surface, it is vital to understand feedbacks between the two domains and how they shape our planet. In this study I aim to provide insight on two primary questions: 1) How do divergent and strike-slip plate boundaries evolve? 2) How is this evolution, on a large temporal scale and a smaller structural scale, affected by the alteration of the surface through erosion and deposition? This is done in three chapters that examine the evolution of divergent and strike-slip plate boundaries using numerical models. Chapter 2 takes a detailed look at the evolution of rift systems using two-dimensional models. Specifically, I extract faults from a range of rift models and correlate them through time to examine how fault networks evolve in space and time. By implementing a two-way coupling between the geodynamic code ASPECT and landscape evolution code FastScape, I investigate how the fault network and rift evolution are influenced by the system’s erosional efficiency, which represents many factors like lithology or climate. In Chapter 3, I examine rift evolution from a three-dimensional perspective. In this chapter I study linkage modes for offset rifts to determine when fast-rotating plate-boundary structures known as continental microplates form. Chapter 4 uses the two-way numerical coupling between tectonics and landscape evolution to investigate how a strike-slip boundary responds to large sediment loads, and whether this is sufficient to form an entirely new type of flexural strike-slip basin. N2 - Plattentektonik beschreibt die Bewegung starrer tektonischer Platten an der Erdoberfläche sowie deren komplexe Deformation an drei Arten von Plattengrenzen: 1) divergenten Grenzen wie Grabenbrüchen und mittelozeanische Rücken, 2) transversalen Grenzen, an denen Platten gegeneinander verschoben werden, wie die San-Andreas-Verwerfung, und 3) konvergenten Grenzen, die große Gebirgszüge wie die Anden bilden. Diese schmalen Deformationszonen, die Platten begrenzen, weisen meist komplexe Dehnungsmuster auf, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Während dieser Entwicklung wird die Verformung der Plattengrenzen durch tektonische Kräfte aus dem tiefen Erdinneren und der Lithosphäre, aber auch durch Oberflächenprozesse, welche topografische Erhebungen erodieren und die daraus resultierenden Sedimente in tiefer gelegenen Gebieten ablagern, angetrieben. Durch das Zusammenwirken und die Rückkopplung dieser Faktoren entwickelt sich die Erdoberfläche in einer extrem dynamischen Art und Weise. An divergenten Grenzen beispielsweise dünnen Zugspannungen die Lithosphäre aus, was zu einer Hebung und anschließenden Erosion der Flanken eines Grabenbruchs führt, wobei wiederum Sedimente freigesetzt werden. Währenddessen sinkt das Zentrum des Grabens ab und wird zu einer topografischen Senke, in der sich Sedimente ablagern. Diese Massenumverteilung vom Fuß zum Hang einer Verwerfung spielt eine wichtige Rolle, da er die Aktivität einzelner Verwerfungen verlängert. Durch anhaltende Divergenz werden Kontinente schließlich auseinandergerissen, wodurch der Erdmantel an die Erdoberfläche gefördert und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen tektonischen Kräften aus dem tiefen Erdinneren und der Massenumverteilung an der Erdoberfläche ist es von entscheidender Bedeutung, die Rückkopplungen zwischen diesen beiden Bereichen zu verstehen. In dieser Studie möchte ich Einblicke zu zwei Hauptfragen geben: 1) Wie entwickeln sich divergierende Plattengrenzen? 2) Wie wird diese Entwicklung auf einer großen zeitlichen und einer kleinen strukturellen Skala durch die Veränderung der Oberfläche durch Erosion und Sedimentation beeinflusst? In drei Kapiteln untersuche ich die Entwicklung von divergenten und streichenden Plattengrenzen anhand numerischer Modelle. In Kapitel 2 wird die Entwicklung von Grabenbrüchen anhand zweidimensionaler Modelle im Detail erforscht. Dabei extrahiere ich Verwerfungen aus einer Reihe von Modellen und korreliere sie über die Zeit, um zu untersuchen, wie sich Verwerfungsnetzwerke räumlich und zeitlich entwickeln. Durch die bidirektionale Kopplung des Geodynamik-Codes ASPECT und des Erdoberflächen-Codes FastScape untersuche ich, wie diese Verwerfungsnetzwerk und der Grabenbruch im Allgemeinen durch die Erosionseffizienz des Systems, welche viele Faktoren wie Lithologie oder Klima abbildet, beeinflusst werden. In Kapitel 3 untersuche ich die Entwicklung eines Grabenbruchs aus einer dreidimensionalen Perspektive. In diesem Kapitel analysiere ich wie sich gegeneinander versetzte Grabenbrüche verbinden und wann sich dabei schnell rotierende kontinentale Mikroplatten bilden. In Kapitel 4 nutze ich die entwickelte bidirektionale Kopplung zwischen Geodynamik und Erdoberflächenprozessen, um zu verstehen, wie transversale Plattengrenzen auf Sedimentlasten reagieren und ob die ausreicht, um einen völlig neue Art von Sedimentbecken in dieser Umgebung zu formen. KW - geodynamics KW - numerical modelling KW - rift KW - strike-slip KW - surface processes KW - microplate KW - FastScape KW - ASPECT KW - ASPECT KW - FastScape KW - Geodynamik KW - Mikroplatte KW - numerische Modellierung KW - Rift KW - Blattverschiebung KW - Oberflächenprozesse Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549403 ER - TY - THES A1 - Steding, Svenja T1 - Geochemical and Hydraulic Modeling of Cavernous Structures in Potash Seams T1 - Geochemische und hydraulische Modellierung kavernöser Strukturen in Kaliflözen N2 - Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures. N2 - Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden. KW - reactive transport KW - reaktiver Transport KW - salt rock KW - Salzgestein KW - water rock interactions KW - Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen KW - density-driven flow KW - dichtegetriebene Strömung KW - PHREEQC Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548182 ER - TY - THES A1 - Richter, Maximilian Jacob Enzo Amandus T1 - Continental rift dynamics across the scales T1 - Dynamiken kontinentaler Grabenbrüche über die Skalen BT - numerical modelling of localisation processes BT - numerische Modellierung von Lokalisations-Prozessen N2 - Localisation of deformation is a ubiquitous feature in continental rift dynamics and observed across drastically different time and length scales. This thesis comprises one experimental and two numerical modelling studies investigating strain localisation in (1) a ductile shear zone induced by a material heterogeneity and (2) in an active continental rift setting. The studies are related by the fact that the weakening mechanisms on the crystallographic and grain size scale enable bulk rock weakening, which fundamentally enables the formation of shear zones, continental rifts and hence plate tectonics. Aiming to investigate the controlling mechanisms on initiation and evolution of a shear zone, the torsion experiments of the experimental study were conducted in a Patterson type apparatus with strong Carrara marble cylinders with a weak, planar Solnhofen limestone inclusion. Using state-of-the-art numerical modelling software, the torsion experiments were simulated to answer questions regarding localisation procedure like stress distribution or the impact of rheological weakening. 2D numerical models were also employed to integrate geophysical and geological data to explain characteristic tectonic evolution of the Southern and Central Kenya Rift. Key elements of the numerical tools are a randomized initial strain distribution and the usage of strain softening. During the torsion experiments, deformation begins to localise at the limestone inclusion tips in a process zone, which propagates into the marble matrix with increasing deformation until a ductile shear zone is established. Minor indicators for coexisting brittle deformation are found close to the inclusion tip and presumed to slightly facilitate strain localisation besides the dominant ductile deformation processes. The 2D numerical model of the torsion experiment successfully predicts local stress concentration and strain rate amplification ahead of the inclusion in first order agreement with the experimental results. A simple linear parametrization of strain weaking enables high accuracy reproduction of phenomenological aspects of the observed weakening. The torsion experiments suggest that loading conditions do not affect strain localisation during high temperature deformation of multiphase material with high viscosity contrasts. A numerical simulation can provide a way of analysing the process zone evolution virtually and extend the examinable frame. Furthermore, the nested structure and anastomosing shape of an ultramylonite band was mimicked with an additional second softening step. Rheological weakening is necessary to establish a shear zone in a strong matrix around a weak inclusion and for ultramylonite formation. Such strain weakening laws are also incorporated into the numerical models of the Southern and Central Kenya Rift that capture the characteristic tectonic evolution. A three-stage early rift evolution is suggested that starts with (1) the accommodation of strain by a single border fault and flexure of the hanging-wall crust, after which (2) faulting in the hanging-wall and the basin centre increases before (3) the early-stage asymmetry is lost and basinward localisation of deformation occurs. Along-strike variability of rifts can be produced by modifying the initial random noise distribution. In summary, the three studies address selected aspects of the broad range of mechanisms and processes that fundamentally enable the deformation of rock and govern the localisation patterns across the scales. In addition to the aforementioned results, the first and second manuscripts combined, demonstrate a procedure to find new or improve on existing numerical formulations for specific rheologies and their dynamic weakening. These formulations are essential in addressing rock deformation from the grain to the global scale. As within the third study of this thesis, where geodynamic controls on the evolution of a rift were examined and acquired by the integration of geological and geophysical data into a numerical model. N2 - Die Lokalisierung von Deformation ist ein allgegenwärtiges Merkmal in der Dynamik von Grabenbrüchen bzw. Riftzonen und wird über verschiedene Zeit- und Längenskalen beobachtet. Diese Arbeit umfasst eine experimentelle und zwei numerische Studien zur Untersuchung der Lokalisierung von Deformation in (1) einer durch eine Materialheterogenität induzierten duktilen Scherzone und (2) in einem aktiven Kontinentalgraben. Die Studien verbindet, dass die Schwächungsmechanismen auf der kristallographischen Skala und der Korngrößenskala eine Enthärtung eines Gesteinkörpers ermöglicht, was im Wesentlichen die Bildung von Scherzonen, Grabenbrüchen und damit Plattentektonik ermöglicht. Um die Kontrollmechanismen für die Initiierung und Entwicklung einer Scherzone zu untersuchen, wurden die Torsionsexperimente der experimentellen Studie in einem Patterson-Gerät an starken Carrara-Marmorzylinder mit einer schwachen, planaren Solnhofen-Kalksteineinschluss durchgeführt. Mit modernster numerischer Modellierungssoftware wurden die Torsionsexperimente simuliert, um weitere Fragen zum Lokalisierungsablauf wie die Verteilung der Spannung oder den Einfluss rheologischer Schwächung zu beantworten. Numerische 2D-Modelle wurden auch verwendet, um geophysikalische und geologische Daten zu kombinieren, um die charakteristische tektonische Entwicklung des südlichen und zentralen Kenia-Rifts zu erklären. Schlüsselelemente der verwendeten numerischen Werkzeuge sind eine randomisierte Anfangsverteilung des Strain und der Einsatz von Strain basierter Enthärtung. Während der Torsionsversuche lokalisiert die Deformation zunächst an den Kalksteineinschlussspitzen in einer Prozesszone, die sich mit zunehmender Deformation in die Marmormatrix ausbreitet bis sich eine duktile Scherzone einstellt. Neben den dominierenden duktilen Verformungsprozessen werden geringfügige Indikatoren für eine koexistierende spröde Verformung nahe der Einschlussspitzen gefunden und es wird angenommen, dass diese die Lokalisierung der Deformation geringfügig erleichtern. In erster Ordnung sagt das numerische 2D-Modell des Torsionsexperiments erfolgreich lokale Spannungskonzentration und Strainratenverstärkung vor der Inklusion in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorher. Eine einfache lineare Parametrisierung der Enthärtung durch Strain ermöglicht eine genaue Reproduktion phänomenologischer Aspekte der beobachteten Schwächung. Die Torsionsexperimente legen nahe, dass die Randbedingungen die Lokalisierung des Strain während der Hochtemperaturverformung von Mehrphasenmaterial mit hohen Viskositätskontrasten nicht beeinflussen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die Entwicklung der Prozesszone virtuell zu analysieren und den Untersuchungsrahmen zu erweitern. Darüber hinaus wurde die verschachtelte Struktur und anastomosierende Form eines Ultramylonitbandes mit einem zusätzlichen zweiten Enthärtungsschritt nachgeahmt. Die rheologische Schwächung ist notwendig, um eine Scherzone in einer starken Matrix um einen schwachen Einschluss herum und für die Ultramylonitbildung zu etablieren. Solche Schwächungsgesetze, die auf Strain basieren, fließen auch in die numerischen Modelle des südlichen und zentralen Kenia-Rifts ein, die die charakteristische tektonische Entwicklung erfassen. Es wird eine dreistufige frühe Riftentwicklung vorgeschlagen, die mit (1) der Anpassung von Spannungen durch eine einzelne Grenzstörung und Biegung der hangenden Kruste beginnt, wonach (2) die Verwerfung im Hangenden und im Beckenzentrum zunimmt, bevor (3) die Asymmetrie des Frühstadiums verloren geht und es zu einer beckenseitigen Deformationslokalisierung kommt. Die Variabilität von Rissen entlang des Rifts kann durch Modifizieren der anfänglichen zufälligen Rauschverteilung erzeugt werden. Zusammenfassend befassen sich die drei Studien mit ausgewählten Aspekten der breiten Palette von Mechanismen und Prozessen, die die Deformation von Gestein grundlegend ermöglichen und die Lokalisierungsmuster über die Skalen bestimmen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen demonstrieren das erste und zweite Manuskript in Kombination ein Verfahren, um neue oder bestehende numerische Formulierungen für spezifische Rheologien und deren dynamische Schwächung zu finden oder zu verbessern. Diese Formulierungen sind essenziell, um Gesteinsverformung von der Korngrößen bis zur globalen Skala zu untersuchen. Wie in der dritten Studie dieser Dissertation, in der geodynamische Kontrollen auf die Entwicklung eines Grabenbruchs durch die Integration geologischer und geophysikalischer Daten in ein numerisches Modell untersucht und erfasst wurden. KW - Strain Localisation KW - Continental Rifts KW - Torsion Experiments KW - Geodynamic Modelling KW - 2D Numerical Modelling KW - Lokalisierung von Deformation KW - Grabenbrüche KW - Geodynamische Modellierung KW - Torsionsexperimente KW - Numerische 2D Modellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550606 ER - TY - THES A1 - Brill, Fabio Alexander T1 - Applications of machine learning and open geospatial data in flood risk modelling N2 - Der technologische Fortschritt erlaubt es, zunehmend komplexe Vorhersagemodelle auf Basis immer größerer Datensätze zu produzieren. Für das Risikomanagement von Naturgefahren sind eine Vielzahl von Modellen als Entscheidungsgrundlage notwendig, z.B. in der Auswertung von Beobachtungsdaten, für die Vorhersage von Gefahrenszenarien, oder zur statistischen Abschätzung der zu erwartenden Schäden. Es stellt sich also die Frage, inwiefern moderne Modellierungsansätze wie das maschinelle Lernen oder Data-Mining in diesem Themenbereich sinnvoll eingesetzt werden können. Zusätzlich ist im Hinblick auf die Datenverfügbarkeit und -zugänglichkeit ein Trend zur Öffnung (open data) zu beobachten. Thema dieser Arbeit ist daher, die Möglichkeiten und Grenzen des maschinellen Lernens und frei verfügbarer Geodaten auf dem Gebiet der Hochwasserrisikomodellierung im weiteren Sinne zu untersuchen. Da dieses übergeordnete Thema sehr breit ist, werden einzelne relevante Aspekte herausgearbeitet und detailliert betrachtet. Eine prominente Datenquelle im Bereich Hochwasser ist die satellitenbasierte Kartierung von Überflutungsflächen, die z.B. über den Copernicus Service der Europäischen Union frei zur Verfügung gestellt werden. Große Hoffnungen werden in der wissenschaftlichen Literatur in diese Produkte gesetzt, sowohl für die akute Unterstützung der Einsatzkräfte im Katastrophenfall, als auch in der Modellierung mittels hydrodynamischer Modelle oder zur Schadensabschätzung. Daher wurde ein Fokus in dieser Arbeit auf die Untersuchung dieser Flutmasken gelegt. Aus der Beobachtung, dass die Qualität dieser Produkte in bewaldeten und urbanen Gebieten unzureichend ist, wurde ein Verfahren zur nachträglichenVerbesserung mittels maschinellem Lernen entwickelt. Das Verfahren basiert auf einem Klassifikationsalgorithmus der nur Trainingsdaten von einer vorherzusagenden Klasse benötigt, im konkreten Fall also Daten von Überflutungsflächen, nicht jedoch von der negativen Klasse (trockene Gebiete). Die Anwendung für Hurricane Harvey in Houston zeigt großes Potenzial der Methode, abhängig von der Qualität der ursprünglichen Flutmaske. Anschließend wird anhand einer prozessbasierten Modellkette untersucht, welchen Einfluss implementierte physikalische Prozessdetails auf das vorhergesagte statistische Risiko haben. Es wird anschaulich gezeigt, was eine Risikostudie basierend auf etablierten Modellen leisten kann. Solche Modellketten sind allerdings bereits für Flusshochwasser sehr komplex, und für zusammengesetzte oder kaskadierende Ereignisse mit Starkregen, Sturzfluten, und weiteren Prozessen, kaum vorhanden. Im vierten Kapitel dieser Arbeit wird daher getestet, ob maschinelles Lernen auf Basis von vollständigen Schadensdaten einen direkteren Weg zur Schadensmodellierung ermöglicht, der die explizite Konzeption einer solchen Modellkette umgeht. Dazu wird ein staatlich erhobener Datensatz der geschädigten Gebäude während des schweren El Niño Ereignisses 2017 in Peru verwendet. In diesem Kontext werden auch die Möglichkeiten des Data-Mining zur Extraktion von Prozessverständnis ausgelotet. Es kann gezeigt werden, dass diverse frei verfügbare Geodaten nützliche Informationen für die Gefahren- und Schadensmodellierung von komplexen Flutereignissen liefern, z.B. satellitenbasierte Regenmessungen, topographische und hydrographische Information, kartierte Siedlungsflächen, sowie Indikatoren aus Spektraldaten. Zudem zeigen sich Erkenntnisse zu den Schädigungsprozessen, die im Wesentlichen mit den vorherigen Erwartungen in Einklang stehen. Die maximale Regenintensität wirkt beispielsweise in Städten und steilen Schluchten stärker schädigend, während die Niederschlagssumme in tiefliegenden Flussgebieten und bewaldeten Regionen als aussagekräftiger befunden wurde. Ländliche Gebiete in Peru weisen in der präsentierten Studie eine höhere Vulnerabilität als die Stadtgebiete auf. Jedoch werden auch die grundsätzlichen Grenzen der Methodik und die Abhängigkeit von spezifischen Datensätzen and Algorithmen offenkundig. In der übergreifenden Diskussion werden schließlich die verschiedenen Methoden – prozessbasierte Modellierung, prädiktives maschinelles Lernen, und Data-Mining – mit Blick auf die Gesamtfragestellungen evaluiert. Im Bereich der Gefahrenbeobachtung scheint eine Fokussierung auf neue Algorithmen sinnvoll. Im Bereich der Gefahrenmodellierung, insbesondere für Flusshochwasser, wird eher die Verbesserung von physikalischen Modellen, oder die Integration von prozessbasierten und statistischen Verfahren angeraten. In der Schadensmodellierung fehlen nach wie vor die großen repräsentativen Datensätze, die für eine breite Anwendung von maschinellem Lernen Voraussetzung ist. Daher ist die Verbesserung der Datengrundlage im Bereich der Schäden derzeit als wichtiger einzustufen als die Auswahl der Algorithmen. N2 - Technological progress allows for producing ever more complex predictive models on the basis of increasingly big datasets. For risk management of natural hazards, a multitude of models is needed as basis for decision-making, e.g. in the evaluation of observational data, for the prediction of hazard scenarios, or for statistical estimates of expected damage. The question arises, how modern modelling approaches like machine learning or data-mining can be meaningfully deployed in this thematic field. In addition, with respect to data availability and accessibility, the trend is towards open data. Topic of this thesis is therefore to investigate the possibilities and limitations of machine learning and open geospatial data in the field of flood risk modelling in the broad sense. As this overarching topic is broad in scope, individual relevant aspects are identified and inspected in detail. A prominent data source in the flood context is satellite-based mapping of inundated areas, for example made openly available by the Copernicus service of the European Union. Great expectations are directed towards these products in scientific literature, both for acute support of relief forces during emergency response action, and for modelling via hydrodynamic models or for damage estimation. Therefore, a focus of this work was set on evaluating these flood masks. From the observation that the quality of these products is insufficient in forested and built-up areas, a procedure for subsequent improvement via machine learning was developed. This procedure is based on a classification algorithm that only requires training data from a particular class to be predicted, in this specific case data of flooded areas, but not of the negative class (dry areas). The application for hurricane Harvey in Houston shows the high potential of this method, which depends on the quality of the initial flood mask. Next, it is investigated how much the predicted statistical risk from a process-based model chain is dependent on implemented physical process details. Thereby it is demonstrated what a risk study based on established models can deliver. Even for fluvial flooding, such model chains are already quite complex, though, and are hardly available for compound or cascading events comprising torrential rainfall, flash floods, and other processes. In the fourth chapter of this thesis it is therefore tested whether machine learning based on comprehensive damage data can offer a more direct path towards damage modelling, that avoids explicit conception of such a model chain. For that purpose, a state-collected dataset of damaged buildings from the severe El Niño event 2017 in Peru is used. In this context, the possibilities of data-mining for extracting process knowledge are explored as well. It can be shown that various openly available geodata sources contain useful information for flood hazard and damage modelling for complex events, e.g. satellite-based rainfall measurements, topographic and hydrographic information, mapped settlement areas, as well as indicators from spectral data. Further, insights on damaging processes are discovered, which mainly are in line with prior expectations. The maximum intensity of rainfall, for example, acts stronger in cities and steep canyons, while the sum of rain was found more informative in low-lying river catchments and forested areas. Rural areas of Peru exhibited higher vulnerability in the presented study compared to urban areas. However, the general limitations of the methods and the dependence on specific datasets and algorithms also become obvious. In the overarching discussion, the different methods – process-based modelling, predictive machine learning, and data-mining – are evaluated with respect to the overall research questions. In the case of hazard observation it seems that a focus on novel algorithms makes sense for future research. In the subtopic of hazard modelling, especially for river floods, the improvement of physical models and the integration of process-based and statistical procedures is suggested. For damage modelling the large and representative datasets necessary for the broad application of machine learning are still lacking. Therefore, the improvement of the data basis in the field of damage is currently regarded as more important than the selection of algorithms. KW - flood risk KW - machine learning KW - open data KW - damage modelling KW - data-mining KW - Schadensmodellierung KW - Data-Mining KW - Hochwasserrisiko KW - maschinelles Lernen KW - offene Daten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555943 ER - TY - THES A1 - Jongejans, Loeka Laura T1 - Organic matter stored in ice-rich permafrost T1 - Ablagerung von organischem Kohlenstoff in eisreichem Permafrost BT - future permafrost thaw and greenhouse gas release BT - zukünftige Permafrosttauen und Treibhausgasemissionen N2 - The Arctic is changing rapidly and permafrost is thawing. Especially ice-rich permafrost, such as the late Pleistocene Yedoma, is vulnerable to rapid and deep thaw processes such as surface subsidence after the melting of ground ice. Due to permafrost thaw, the permafrost carbon pool is becoming increasingly accessible to microbes, leading to increased greenhouse gas emissions, which enhances the climate warming. The assessment of the molecular structure and biodegradability of permafrost organic matter (OM) is highly needed. My research revolves around the question “how does permafrost thaw affect its OM storage?” More specifically, I assessed (1) how molecular biomarkers can be applied to characterize permafrost OM, (2) greenhouse gas production rates from thawing permafrost, and (3) the quality of OM of frozen and (previously) thawed sediments. I studied deep (max. 55 m) Yedoma and thawed Yedoma permafrost sediments from Yakutia (Sakha Republic). I analyzed sediment cores taken below thermokarst lakes on the Bykovsky Peninsula (southeast of the Lena Delta) and in the Yukechi Alas (Central Yakutia), and headwall samples from the permafrost cliff Sobo-Sise (Lena Delta) and the retrogressive thaw slump Batagay (Yana Uplands). I measured biomarker concentrations of all sediment samples. Furthermore, I carried out incubation experiments to quantify greenhouse gas production in thawing permafrost. I showed that the biomarker proxies are useful to assess the source of the OM and to distinguish between OM derived from terrestrial higher plants, aquatic plants and microbial activity. In addition, I showed that some proxies help to assess the degree of degradation of permafrost OM, especially when combined with sedimentological data in a multi-proxy approach. The OM of Yedoma is generally better preserved than that of thawed Yedoma sediments. The greenhouse gas production was highest in the permafrost sediments that thawed for the first time, meaning that the frozen Yedoma sediments contained most labile OM. Furthermore, I showed that the methanogenic communities had established in the recently thawed sediments, but not yet in the still-frozen sediments. My research provided the first molecular biomarker distributions and organic carbon turnover data as well as insights in the state and processes in deep frozen and thawed Yedoma sediments. These findings show the relevance of studying OM in deep permafrost sediments. N2 - Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Erde, was zum tauen des dortigen Permafrosts führt. Eisreicher Permafrost, wie der spätpleistozäne Yedoma, ist besonders anfällig für schnelle und tiefe Auftauprozesse infolge von Absenkungen der Oberfläche nach dem Schmelzen des Grundeises. Durch das Auftauen des Permafrosts wird der im Permafrost gespeicherte Kohlenstoff für Mikroben zunehmend zugänglich, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt und die Klimaerwärmung verstärkt. Die Untersuchung der molekularen Struktur und der biologischen Abbaubarkeit von organischem Material (OM) im Permafrost ist dringend erforderlich. In meiner Forschung geht es um die zentrale Frage inwieweit das Auftauen des Permafrost die Speicherfähigkeit von OM beeinflusst. Insbesondere untersuchte ich (1) wie molekulare Biomarker bei der Charakterisierung von Permafrost-OM verwendet werden können, (2) Treibhausgasproduktionsraten in auftauendem Permafrost und (3) die Qualität von OM in gefrorenen und (vorher) aufgetauten Sedimenten. Dazu habe ich tiefe (bis zu 55 m) Yedoma und aufgetaute Yedoma Permafrostsedimente aus Jakutien (Republik Sacha) untersucht. Es wurden Sedimentkerne unter Thermokarstseen auf der Bykovsky-Halbinsel (südöstlich des Lenadeltas) und im Yukechi-Alas (Zentraljakutien) entnommen, und deren Biomarkerkonzentrationen gemessen. Desweiteren wurden Bodenproben von der Permafrostklippe Sobo-Sise (Lenadelta) und der Taurutschung Batagai (Jana-Hochland) genommen und untersucht. Darüber hinaus habe ich Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Treibhausgasproduktion in auftauenden Permafrost zu quantifizieren. Ich habe gezeigt, dass Biomarker-Proxies nützlich sind, um die Quelle des OM zu ermitteln und zwischen OM aus Landpflanzen, Wasserpflanzen und mikrobieller Aktivität zu unterscheiden. Außerdem sind einige Proxies hilfreich, den Abbaugrad von Permafrost-OM zu beurteilen. Dies trifft insbesondere in Kombination mit sedimentologischen Daten in einem Multi-Proxy-Ansatz. Ich zeigte dass der OM von Yedoma im Allgemeinen besser erhalten ist als der von aufgetauten Yedoma-Sedimenten. Die Treibhausgasproduktion in den erstmalig auftauenden Permafrostsedimenten war am höchsten. Dies bedeutet, dass die gefrorenen Yedoma-Sedimente das meiste labile OM enthielten. Außerdem zeigte ich, dass sich die methanproduzierenden Gemeinschaften in den frisch aufgetauten Sedimenten etabliert hatten, jedoch nicht in den noch gefrorenen Sedimenten. Meiner Forschung hat die ersten molekularen Biomarkerverteilungen und Kohlenstoffumsatzdaten geliefert und Einsichten in den Zustand und Prozesse von gefrorenen und aufgetauten Yedoma-Sedimenten geschaffen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Relevanz der Untersuchung von OM in tiefen Permafrostsedimenten. N2 - Het Noordpoolgebied verandert snel en permafrost ontdooit. Met name ijsrijke permafrost, zoals Yedoma uit het laat Pleistoceen, is gevoelig voor snelle en diepe dooiprocessen als gevolg van bodemdaling na het smelten van bodemijs. Door het ontdooien van permafrost wordt het permafrostkoolstofreservoir beter toegankelijk voor microben, wat tot verhoogde broeikasgasemissies leidt en de klimaatopwarming versterkt. Het is van groot belang om de moleculaire structuur en de biologische afbreekbaarheid van organisch materiaal (OM) in permafrost vast te leggen. Mijn onderzoek draait om de vraag "hoe beinvloedt permafrostdooi de OM-opslag?" Specifiek heb ik onderzocht (1) hoe moleculaire biomarkers kunnen worden gebruikt om permafrost-OM te karakteriseren, (2) wat broeikasgasproductiesnelheden in ontdooiende permafrost zijn en (3) wat de kwaliteit is van het OM in bevroren en (eerder) ontdooide sedimenten. Ik heb diepe (max. 55 m) Yedoma en ontdooide Yedoma permafrostsedimenten uit Jakoetië (republiek Sacha) onderzocht. Sedimentkernen zijn genomen onder thermokarstmeren op het Bykovsky schiereiland (ten zuidoosten van de Lenadelta) en in de Yukechi Alas (centraal Jakoetië). Ook zijn bodemmonsters genomen van de permafrostklif Sobo-Sise (Lenadelta) en de zogenaamde thaw slump Batagai (Jana-hoogvlakte). In alle monsters heb ik de biomarkerconcentraties gemeten. Ook heb ik incubatie-experimenten uitgevoerd om de broeikasgasproductie in ontdooiende permafrost te kwantificeren. Mijn onderzoek wijst uit dat de biomarkerproxies nuttig zijn bij het vaststellen van de bron van het OM en om onderscheid te kunnen maken tussen OM van landplanten, waterplanten en OM afkomstig van microbiële activiteit. Daarnaast heb ik aangetoond dat sommige proxies nuttig zijn om de mate van degradatie van het OM vast te stellen, vooral in combinatie met sedimentologische data in een multi-proxy-benadering. Het blijkt dat het OM in Yedoma over het algemeen beter bewaard gebleven is dan het OM in ontdooide Yedoma-sedimenten. De broeikasgasproductie bleek het hoogst in de voor het eerst ontdooide permafrostsedimenten, wat betekent dat de bevroren Yedoma-sedimenten het meeste labiele OM bevatten. Bovendien heb ik aangetoond dat de methaan-producerende gemeenschappen zich wel in de recentelijk ontdooide sedimenten hebben gevestigd, maar nog niet in de nog bevroren sedimenten. Mijn onderzoek heeft de eerste moleculaire biomarker- en koolstofomzetdata en inzichten opgeleverd in de toestand en processen van diepe, bevroren en ontdooide Yedoma-sedimenten. Deze resultaten tonen de relevantie van het bestuderen van OM in diepe permafrostsedimenten. KW - permafrost sediments KW - organic matter KW - molecular biomarkers KW - anaerobic incubation experiments KW - Russian Arctic KW - Permafrostsedimente KW - organisches Material KW - molekulare Biomarker KW - anaerobe Inkubationensexperimente KW - russische Arktis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564911 ER - TY - THES A1 - Siegmund, Nicole T1 - Wind driven soil particle uptake Quantifying drivers of wind erosion across the particle size spectrum T1 - Partikelaufwirbelung durch Wind - Über die Quantifizierung von Winderosion über das ganze Partikel-Größenspektrum N2 - Among the multitude of geomorphological processes, aeolian shaping processes are of special character, Pedogenic dust is one of the most important sources of atmospheric aerosols and therefore regarded as a key player for atmospheric processes. Soil dust emissions, being complex in composition and properties, influence atmospheric processes and air quality and has impacts on other ecosystems. In this because even though their immediate impact can be considered low (exceptions exist), their constant and large-scale force makes them a powerful player in the earth system. dissertation, we unravel a novel scientific understanding of this complex system based on a holistic dataset acquired during a series of field experiments on arable land in La Pampa, Argentina. The field experiments as well as the generated data provide information about topography, various soil parameters, the atmospheric dynamics in the very lower atmosphere (4m height) as well as measurements regarding aeolian particle movement across a wide range of particle size classes between 0.2μm up to the coarse sand. The investigations focus on three topics: (a) the effects of low-scale landscape structures on aeolian transport processes of the coarse particle fraction, (b) the horizontal and vertical fluxes of the very fine particles and (c) the impact of wind gusts on particle emissions. Among other considerations presented in this thesis, it could in particular be shown, that even though the small-scale topology does have a clear impact on erosion and deposition patterns, also physical soil parameters need to be taken into account for a robust statistical modelling of the latter. Furthermore, specifically the vertical fluxes of particulate matter have different characteristics for the particle size classes. Finally, a novel statistical measure was introduced to quantify the impact of wind gusts on the particle uptake and its application on the provided data set. The aforementioned measure shows significantly increased particle concentrations during points in time defined as gust event. With its holistic approach, this thesis further contributes to the fundamental understanding of how atmosphere and pedosphere are intertwined and affect each other. N2 - Unter der Vielzahl geomorphologischer Prozesse nehmen äolische Formgebungsprozesse eine besondere Stellung ein, denn obwohl ihre unmittelbaren Auswirkungen als gering einzuschätzen sind (Ausnahmen existieren), sind sie aufgrund ihrer konstanten und großen Kraft ein mächtiger Akteur im Erdsystem. Pedogener Staub ist eine der wichtigsten Quellen atmosphärischer Aerosole und kann daher als Schlüsselfaktor für atmosphärische Prozesse angesehen werden. Bodenstaubemissionen, die in Zusammensetzung und Eigenschaften komplex sind, beeinflussen atmosphärische Prozesse und Luftqualität und haben Auswirkungen auf andere Ökosysteme. Um zum wissenschaftlichen Verständnis dieses komplexen Systems beizutragen, dokumentiert diese Arbeit eine Reihe von Veröffentlichungen, die alle auf einem ganzheitlichen Datensatz basieren, die während einer Reihe von Feldexperimenten auf Ackerland in La Pampa, Argentinien, gewonnen wurden. Die Feldexperimente sowie die generierten Daten liefern Informationen über Topographie, verschiedene Bodenparameter, die atmosphärische Dynamik in der unteren Atmosphäre (4 m Höhe) sowie Messungen zur äolischen Partikelbewegung über einen weiten Bereich von Partikelgrößenklassen zwischen 0,2μm und groben Sand. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf drei Themen: Die Auswirkungen kleinräumiger Landschaftsstrukturen auf äolische Transportprozesse der groben Partikelfraktion, die horizontalen und vertikalen Strömungen der sehr feinen Partikel und der Einfluss von Windböen auf die Partikelemissionen. Neben anderen in dieser Arbeit vorgestellten Überlegungen konnte insbesondere gezeigt werden, dass, obwohl die kleinräumige Topologie einen deutlichen Einfluss auf Erosions- und Ablagerungsmuster hat, auch physikalische Bodenparameter für eine robuste statistische Modellierung berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus weisen speziell die vertikalen Feinstaubflüsse unterschiedliche Eigenschaften für die Partikelgrößenklassen auf. Schließlich wurde ein neuartiges statistisches Maß eingeführt, um den Einfluss von Windböen auf die Partikelkonzentration der Luft zu quantifizieren, und seine Anwendung auf den bereitgestellten Datensatz zeigt signifikant erhöhte Partikelkonzentrationen zu Zeitpunkten, die als Böen definiert wurden. Mit ihrem ganzheitlichen Ansatz trägt diese Arbeit weiter zum grundlegenden Verständnis bei, wie Atmosphäre und Pedosphäre miteinander verflochten sind und sich gegenseitig beeinflussen. KW - Winderosion KW - winderosion KW - PM10, PM2, PM1 KW - Horizontal flux KW - horizontaler Fluss KW - Vertical flux KW - vertikaler Fluss KW - Argentina KW - Argentinien KW - wind gusts KW - Windböen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574897 ER - TY - JOUR A1 - Heistermann, Maik A1 - Bogena, Heye A1 - Francke, Till A1 - Güntner, Andreas A1 - Jakobi, Jannis A1 - Rasche, Daniel A1 - Schrön, Martin A1 - Döpper, Veronika A1 - Fersch, Benjamin A1 - Groh, Jannis A1 - Patil, Amol A1 - Pütz, Thomas A1 - Reich, Marvin A1 - Zacharias, Steffen A1 - Zengerle, Carmen A1 - Oswald, Sascha T1 - Soil moisture observation in a forested headwater catchment: combining a dense cosmic-ray neutron sensor network with roving and hydrogravimetry at the TERENO site Wüstebach JF - Earth System Science Data (ESSD) N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) has become an effective method to measure soil moisture at a horizontal scale of hundreds of metres and a depth of decimetres. Recent studies proposed operating CRNS in a network with overlapping footprints in order to cover root-zone water dynamics at the small catchment scale and, at the same time, to represent spatial heterogeneity. In a joint field campaign from September to November 2020 (JFC-2020), five German research institutions deployed 15 CRNS sensors in the 0.4 km2 Wüstebach catchment (Eifel mountains, Germany). The catchment is dominantly forested (but includes a substantial fraction of open vegetation) and features a topographically distinct catchment boundary. In addition to the dense CRNS coverage, the campaign featured a unique combination of additional instruments and techniques: hydro-gravimetry (to detect water storage dynamics also below the root zone); ground-based and, for the first time, airborne CRNS roving; an extensive wireless soil sensor network, supplemented by manual measurements; and six weighable lysimeters. Together with comprehensive data from the long-term local research infrastructure, the published data set (available at https://doi.org/10.23728/b2share.756ca0485800474e9dc7f5949c63b872; Heistermann et al., 2022) will be a valuable asset in various research contexts: to advance the retrieval of landscape water storage from CRNS, wireless soil sensor networks, or hydrogravimetry; to identify scale-specific combinations of sensors and methods to represent soil moisture variability; to improve the understanding and simulation of land–atmosphere exchange as well as hydrological and hydrogeological processes at the hillslope and the catchment scale; and to support the retrieval of soil water content from airborne and spaceborne remote sensing platforms. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/essd-14-2501-2022 SN - 1866-3516 VL - 14 SP - 2501 EP - 2519 PB - Copernicus CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - JOUR A1 - Jara Muñoz, Julius A1 - Melnick, Daniel A1 - Li, Shaoyang A1 - Socquet, Anne A1 - Cortés-Aranda, Joaquín A1 - Brill, Dominik A1 - Strecker, Manfred T1 - The cryptic seismic potential of the Pichilemu blind fault in Chile revealed by off-fault geomorphology JF - Nature Communications N2 - The first step towards assessing hazards in seismically active regions involves mapping capable faults and estimating their recurrence times. While the mapping of active faults is commonly based on distinct geologic and geomorphic features evident at the surface, mapping blind seismogenic faults is complicated by the absence of on-fault diagnostic features. Here we investigated the Pichilemu Fault in coastal Chile, unknown until it generated a Mw 7.0 earthquake in 2010. The lack of evident surface faulting suggests activity along a partly-hidden blind fault. We used off-fault deformed marine terraces to estimate a fault-slip rate of 0.52 ± 0.04 m/ka, which, when integrated with satellite geodesy suggests a 2.12 ± 0.2 ka recurrence time for Mw~7.0 normal-faulting earthquakes. We propose that extension in the Pichilemu region is associated with stress changes during megathrust earthquakes and accommodated by sporadic slip during upper-plate earthquakes, which has implications for assessing the seismic potential of cryptic faults along convergent margins and elsewhere. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-30754-1 SN - 2041-1723 VL - 13 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie A1 - Bahr, André A1 - Stepanek, Christian A1 - Catunda, Maria Carolina Amorim A1 - Karas, Cyrus A1 - Ziegler, Martin A1 - García-Gallardo, Ángela A1 - Grunert, Patrick T1 - Mediterranean heat injection to the North Atlantic delayed the intensification of Northern Hemisphere glaciations JF - Communications Earth & Environment N2 - The intensification of Northern Hemisphere glaciations at the end of the Pliocene epoch marks one of the most substantial climatic shifts of the Cenozoic. Despite global cooling, sea surface temperatures in the high latitude North Atlantic Ocean rose between 2.9–2.7 million years ago. Here we present sedimentary geochemical proxy data from the Gulf of Cadiz to reconstruct the variability of Mediterranean Outflow Water, an important heat source to the North Atlantic. We find evidence for enhanced production of Mediterranean Outflow from the mid-Pliocene to the late Pliocene which we infer could have driven a sub-surface heat channel into the high-latitude North Atlantic. We then use Earth System Models to constrain the impact of enhanced Mediterranean Outflow production on the northward heat transport in the North Atlantic. In accord with the proxy data, the numerical model results support the formation of a sub-surface channel that pumped heat from the subtropics into the high latitude North Atlantic. We further suggest that this mechanism could have delayed ice sheet growth at the end of the Pliocene. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1038/s43247-021-00232-5 SN - 2662-4435 SP - 1 EP - 9 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - THES A1 - Jentsch, Anna T1 - Soil gas analytics in geothermal exploration and monitoring T1 - Bodengasanalytik für die Exploration und Überwachung von geothermischen Ressourcen N2 - Major challenges during geothermal exploration and exploitation include the structural-geological characterization of the geothermal system and the application of sustainable monitoring concepts to explain changes in a geothermal reservoir during production and/or reinjection of fluids. In the absence of sufficiently permeable reservoir rocks, faults and fracture networks are preferred drilling targets because they can facilitate the migration of hot and/or cold fluids. In volcanic-geothermal systems considerable amounts of gas emissions can be released at the earth surface, often related to these fluid-releasing structures. In this thesis, I developed and evaluated different methodological approaches and measurement concepts to determine the spatial and temporal variation of several soil gas parameters to understand the structural control on fluid flow. In order to validate their potential as innovative geothermal exploration and monitoring tools, these methodological approaches were applied to three different volcanic-geothermal systems. At each site an individual survey design was developed regarding the site-specific questions. The first study presents results of the combined measurement of CO2 flux, ground temperatures, and the analysis of isotope ratios (δ13CCO2, 3He/4He) across the main production area of the Los Humeros geothermal field, to identify locations with a connection to its supercritical (T > 374◦C and P > 221 bar) geothermal reservoir. The results of the systematic and large-scale (25 x 200 m) CO2 flux scouting survey proved to be a fast and flexible way to identify areas of anomalous degassing. Subsequent sampling with high resolution surveys revealed the actual extent and heterogenous pattern of anomalous degassing areas. They have been related to the internal fault hydraulic architecture and allowed to assess favourable structural settings for fluid flow such as fault intersections. Finally, areas of unknown structurally controlled permeability with a connection to the superhot geothermal reservoir have been determined, which represent promising targets for future geothermal exploration and development. In the second study, I introduce a novel monitoring approach by examining the variation of CO2 flux to monitor changes in the reservoir induced by fluid reinjection. For that reason, an automated, multi-chamber CO2 flux system was deployed across the damage zone of a major normal fault crossing the Los Humeros geothermal field. Based on the results of the CO2 flux scouting survey, a suitable site was selected that had a connection to the geothermal reservoir, as identified by hydrothermal CO2 degassing and hot ground temperatures (> 50 °C). The results revealed a response of gas emissions to changes in reinjection rates within 24 h, proving an active hydraulic communication between the geothermal reservoir and the earth surface. This is a promising monitoring strategy that provides nearly real-time and in-situ data about changes in the reservoir and allows to timely react to unwanted changes (e.g., pressure decline, seismicity). The third study presents results from the Aluto geothermal field in Ethiopia where an area-wide and multi-parameter analysis, consisting of measurements of CO2 flux, 222Rn, and 220Rn activity concentrations and ground temperatures was conducted to detect hidden permeable structures. 222Rn and 220Rn activity concentrations are evaluated as a complementary soil gas parameter to CO2 flux, to investigate their potential to understand tectono-volcanic degassing. The combined measurement of all parameters enabled to develop soil gas fingerprints, a novel visualization approach. Depending on the magnitude of gas emissions and their migration velocities the study area was divided in volcanic (heat), tectonic (structures), and volcano-tectonic dominated areas. Based on these concepts, volcano-tectonic dominated areas, where hot hydrothermal fluids migrate along permeable faults, present the most promising targets for future geothermal exploration and development in this geothermal field. Two of these areas have been identified in the south and south-east which have not yet been targeted for geothermal exploitation. Furthermore, two unknown areas of structural related permeability could be identified by 222Rn and 220Rn activity concentrations. Eventually, the fourth study presents a novel measurement approach to detect structural controlled CO2 degassing, in Ngapouri geothermal area, New Zealand. For the first time, the tunable diode laser (TDL) method was applied in a low-degassing geothermal area, to evaluate its potential as a geothermal exploration method. Although the sampling approach is based on profile measurements, which leads to low spatial resolution, the results showed a link between known/inferred faults and increased CO2 concentrations. Thus, the TDL method proved to be a successful in the determination of structural related permeability, also in areas where no obvious geothermal activity is present. Once an area of anomalous CO2 concentrations has been identified, it can be easily complemented by CO2 flux grid measurements to determine the extent and orientation of the degassing segment. With the results of this work, I was able to demonstrate the applicability of systematic and area-wide soil gas measurements for geothermal exploration and monitoring purposes. In particular, the combination of different soil gases using different measurement networks enables the identification and characterization of fluid-bearing structures and has not yet been used and/or tested as standard practice. The different studies present efficient and cost-effective workflows and demonstrate a hands-on approach to a successful and sustainable exploration and monitoring of geothermal resources. This minimizes the resource risk during geothermal project development. Finally, to advance the understanding of the complex structure and dynamics of geothermal systems, a combination of comprehensive and cutting-edge geological, geochemical, and geophysical exploration methods is essential. N2 - Zu den großen Herausforderungen bei der Erkundung und Nutzung geothermischer Ressourcen, gehören die strukturgeologische Charakterisierung eines geothermischen Systems sowie die Anwendung nachhaltiger Überwachungskonzepte, um Veränderungen im geothermischen Reservoir während der Förderung und/oder Injektion von Fluiden zu verstehen. Bei unzureichender Permeabilität des Reservoirgesteins stellen Verwerfungen und Kluftnetzwerke bevorzugte Bohrziele dar, da sie potentielle Wegsamkeiten für heiße und/oder kalte Fluide sind. Entlang dieser fluidführenden Strukturen können in vulkanisch-geothermischen Systemen auch erhebliche Mengen an Gasemissionen an der Erdoberfläche freigesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene methodische Ansätze und Messkonzepte entwickelt und getestet, um die räumliche und zeitliche Variation verschiedener Bodengasparameter zu bestimmen und diese im Kontext struktureller Permeabilitäten zu interpretieren. Um das Potential der Bodengasanalytik als innovative geothermische Explorations- und Überwachungsmethode zu validieren, wurden die methodischen Ansätze auf drei verschiedene vulkanisch-geothermische Systeme angewendet. Diesbezüglich wurde für jeden Standort ein individueller Messansatz hinsichtlich der bekannten strukturgeologischen Merkmale und standortspezifischen Fragestellung entwickelt. Die erste Studie präsentiert Ergebnisse aus der kombinierten Messung des CO2-Flusses, der Bodentemperatur und der Analyse von Isotopenverhältnissen (δ13CCO2, 3He/4He), welche systematisch und flächendeckend in der geothermischen Produktionszone des Geothermalfeldes Los Humeros, Mexiko, gemessen wurden. Ziel war es, Bereiche mit einer Verbindung zum überkritischen (T > 374◦C and P > 221 bar) und bisher noch ungenutzten geothermischen Reservoir zu identifizieren. Das mit großem Punktabstand und systematisch generierte Messnetz (25 x 200 m) für die Bestimmung des CO2-Flusses erwies sich als schnelle und flexible Anwendung zur Identifizierung von Gebieten mit anomaler CO2-Entgasung. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde anschließend mit geringeren Messabständen die genaue Ausdehnung und das heterogene Muster der anomalen Entgasungsgebiete aufgelöst. Dadurch war es möglich, die Entgasungsmuster mit der internen strukturgeologischen Heterogenität einzelner Störungssegmente in Verbindung zu bringen, wodurch Bereiche, die den Gasfluss besonders begünstigen, wie z.B. Störungsschnittpunkte, ermittelt werden konnten. Schließlich wurden vorher unbekannte, geothermisch interessante Bereiche, die eine erhöhte strukturelle Permeabilität aufweisen und eine Verbindung zum überkritischen Reservoir darstellen, identifiziert. Diese Bereiche gelten als besonders vielversprechend für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung des Geothermalfeldes. In der zweiten Studie wird ein neuartiger Überwachungsansatz vorgestellt, bei dem kontinuierlich der CO2-Fluss gemessen wurde, um Veränderungen im Reservoir zu überwachen, die durch die Reinjektion von kaltem Thermalwasser verursacht werden. Zu diesem Zweck wurde ein automatisiertes Mehrkammer-CO2-Flusssystem innerhalb der Bruchzone einer Hauptstörung aufgebaut. Die Grundlage eines geeigneten Standortes wurde durch die Ergebnisse der CO2-Explorationsuntersuchungen gegeben. Es war von großer Wichtigkeit, dass der Standort eine Verbindung zum geothermischen Reservoir aufweist, erkennbar an hydrothermaler CO2-Entgasung und heißen Bodentemperaturen (> 50 °C). Die Ergebnisse zeigten ein Sinken der Gasemissionen als Reaktion auf Änderungen der Reinjektionsraten innerhalb von 24 h, was auf eine aktive hydraulische Kommunikation zwischen dem geothermischen Reservoir und der Erdoberfläche hinweist. Dies ist ein vielversprechende Methode, da nahezu in Echtzeit und in situ Daten über Veränderungen im Reservoir angezeigt werden und eine rechtzeitige Reaktion auf unerwünschte Veränderungen (z.B. Druckabfall, Seismizität) möglich ist. Die dritte Studie präsentiert Ergebnisse aus dem Aluto-Geothermiefeld in Äthiopien, bei dem eine flächendeckende, Multiparameter-Analyse, bestehend aus CO2-Fluss, 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen und Bodentemperaturen durchgeführt wurde, um verborgene fluidführende Strukturen zu erkennen. Die 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen wurden als ergänzende Bodengasparameter zum CO2-Fluss verwendet, um ihr Potenzial als zusätzliche Explorationsparameter zu bewerten. Die kombinierte Messung aller Parameter ermöglichte die Entwicklung von Bodengas Fingerabdrücken – ein neuartiger Visualisierungsansatz. Dadurch lässt sich in Abhängigkeit von der Menge an Gasemissionen und deren Fließgeschwindigkeiten das Untersuchungsgebiet in vulkanisch (Wärme), tektonisch (Strukturen) und vulkanischtektonisch dominierte Gebiete unterteilen. Basierend auf diesem Konzept stellen vulkanischtektonisch dominierte Gebiete die vielversprechendsten Ziele für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung an diesem Standort dar, da hier heiße hydrothermale Fluide entlang durchlässiger Strukturen migrieren. Zwei solche, bisher nicht berücksichtigte Gebiete wurden im Süden und Südosten identifiziert. Darüber hinaus konnten zwei bisher unbekannte Gebiete mit strukturell bedingter Durchlässigkeit anhand der Aktivitätskonzentrationen von 222Rn und 220Rn identifiziert werden. Schließlich wird in der vierten Studie ein neuartiger Messansatz zum Nachweis der strukturbedingten CO2-Entgasung im geothermischen Gebiet Ngapouri, Neuseeland, vorgestellt. Zum ersten Mal wurde die Tunable-Diode-Laser-Methode (TDL) in einem geothermischen Gebiet mit geringer Entgasung angewandt, um ihr Potenzial als geothermische Explorationsmethode zu bewerten. Obwohl der Messansatz auf Profilmessungen basiert, was zu einer geringen räumlichen Auflösung führt, zeigen die Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen bekannten und unbekannten Störungen sowie erhöhten CO2-Konzentrationen. Somit erwies sich die TDL-Methode bei der Bestimmung der strukturbedingten Permeabilität auch in solchen Gebieten als erfolgreich, in denen keine offensichtliche geothermische Aktivität vorhanden ist. Mit systematischen und kleinskaligen CO2-Fluss-Messungen, kann anschließend die räumliche Auflösung der Abschnitte eines Profils mit erhöhten CO2-Konzentrationen, verfeinert werden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnte ich die Anwendbarkeit systematischer und flächendeckender Bodengasmessungen für geothermische Explorations- und Überwachungszwecke nachweisen. Die Kombination von verschiedenen Bodengasen und deren Messung anhand verschiedener Messnetze ermöglicht die genaue Identifizierung und Charakterisierung fluidführender Strukturen und wurde bisher noch nicht standardmäßig eingesetzt und/oder erprobt. Mit den Ergebnissen der jeweiligen Studien werden effiziente und kostengünstige Arbeitsabläufe dargelegt, die einen praxisorientierten Ansatz zeigen, der zu einer erfolgreichen und nachhaltigen Exploration und Überwachung geothermischer Ressourcen beitragen kann. Letztlich wird somit das Ressourcenrisiko bei der geothermischen Projektentwicklung minimiert. Um das Verständnis der komplexen Struktur und Dynamik geothermischer Systeme voranzutreiben, ist schließlich eine Kombination aus innovativen und flächendeckenden geologischen, geochemischen und geophysikalischen Methoden unerlässlich. KW - geothermal exploration KW - gas geochemistry KW - structural geology KW - geothermal monitoring KW - Gasgeochemie KW - geothermische Exploration KW - geothermische Überwachung KW - Strukturgeologie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-544039 ER - TY - JOUR A1 - Purinton, Benjamin A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Beyond Vertical Point Accuracy BT - Assessing Inter-pixel Consistency in 30 m Global DEMs for the Arid Central Andes JF - Frontiers in Earth Science N2 - Quantitative geomorphic research depends on accurate topographic data often collected via remote sensing. Lidar, and photogrammetric methods like structure-from-motion, provide the highest quality data for generating digital elevation models (DEMs). Unfortunately, these data are restricted to relatively small areas, and may be expensive or time-consuming to collect. Global and near-global DEMs with 1 arcsec (∼30 m) ground sampling from spaceborne radar and optical sensors offer an alternative gridded, continuous surface at the cost of resolution and accuracy. Accuracy is typically defined with respect to external datasets, often, but not always, in the form of point or profile measurements from sources like differential Global Navigation Satellite System (GNSS), spaceborne lidar (e.g., ICESat), and other geodetic measurements. Vertical point or profile accuracy metrics can miss the pixel-to-pixel variability (sometimes called DEM noise) that is unrelated to true topographic signal, but rather sensor-, orbital-, and/or processing-related artifacts. This is most concerning in selecting a DEM for geomorphic analysis, as this variability can affect derivatives of elevation (e.g., slope and curvature) and impact flow routing. We use (near) global DEMs at 1 arcsec resolution (SRTM, ASTER, ALOS, TanDEM-X, and the recently released Copernicus) and develop new internal accuracy metrics to assess inter-pixel variability without reference data. Our study area is in the arid, steep Central Andes, and is nearly vegetation-free, creating ideal conditions for remote sensing of the bare-earth surface. We use a novel hillshade-filtering approach to detrend long-wavelength topographic signals and accentuate short-wavelength variability. Fourier transformations of the spatial signal to the frequency domain allows us to quantify: 1) artifacts in the un-projected 1 arcsec DEMs at wavelengths greater than the Nyquist (twice the nominal resolution, so > 2 arcsec); and 2) the relative variance of adjacent pixels in DEMs resampled to 30-m resolution (UTM projected). We translate results into their impact on hillslope and channel slope calculations, and we highlight the quality of the five DEMs. We find that the Copernicus DEM, which is based on a carefully edited commercial version of the TanDEM-X, provides the highest quality landscape representation, and should become the preferred DEM for topographic analysis in areas without sufficient coverage of higher-quality local DEMs. KW - DEM noise KW - Fourier analysis KW - TanDEM-X KW - ASTER GDEM KW - Copernicus DEM KW - WorldDEM KW - SRTM KW - ALOS World 3D Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3389/feart.2021.758606 SN - 2296-6463 SP - 1 EP - 24 PB - Frontiers Media CY - Lausanne, Schweiz ER - TY - JOUR A1 - Tofelde, Stefanie A1 - Bernhardt, Anne A1 - Guerit, Laure A1 - Romans, Brian W. T1 - Times Associated With Source-to-Sink Propagation of Environmental Signals During Landscape Transience JF - Frontiers in Earth Science N2 - Sediment archives in the terrestrial and marine realm are regularly analyzed to infer changes in climate, tectonic, or anthropogenic boundary conditions of the past. However, contradictory observations have been made regarding whether short period events are faithfully preserved in stratigraphic archives; for instance, in marine sediments offshore large river systems. On the one hand, short period events are hypothesized to be non-detectable in the signature of terrestrially derived sediments due to buffering during sediment transport along large river systems. On the other hand, several studies have detected signals of short period events in marine records offshore large river systems. We propose that this apparent discrepancy is related to the lack of a differentiation between different types of signals and the lack of distinction between river response times and signal propagation times. In this review, we (1) expand the definition of the term ‘signal’ and group signals in sub-categories related to hydraulic grain size characteristics, (2) clarify the different types of ‘times’ and suggest a precise and consistent terminology for future use, and (3) compile and discuss factors influencing the times of signal transfer along sediment routing systems and how those times vary with hydraulic grain size characteristics. Unraveling different types of signals and distinctive time periods related to signal propagation addresses the discrepancies mentioned above and allows a more comprehensive exploration of event preservation in stratigraphy – a prerequisite for reliable environmental reconstructions from terrestrially derived sedimentary records. KW - signal propagation KW - landscape transience KW - source-to-sink KW - stratigraphy KW - response time Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3389/feart.2021.628315 SN - 2296-6463 VL - 9 SP - 1 EP - 26 PB - Frontiers Media CY - Lausanne, Schweiz 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 -