Modelling surface evolution coupled with tectonics

Modellierung von Oberflächenprozessen gekoppelt mit Tektonik

  • This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to theThis study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung,Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung, berechnet durch einen neuen Verteilungs-Algorithmus, verbessert die Modellierung von Flusssystemen. Flüsse sind dabei repräsentiert durch eine unterschiedliche Anzahl an Zellen orthogonal zur Fließrichtung. Ihre Breite wird nach empirischen Gesetzen ermittelt. Die präsentierten Anwendungen dienen der Studie des Pamirgebirges. Zunächst werden die Modellparameter anhand von Einschneidungs- und Erosionsraten sowie Sedimentdurchflüssen kalibriert. Ein digitales Höhenmodell dient als Anfangstopographie und zur Extraktion von Flussprofilen. Laterale Einschneidung zeigt eine deutliche Verbesserung zu bisher vorhandenen Modellen. Sie ermöglicht die Erhaltung der Flussbreite und zeigt hohe Einschneidungsraten in engen Flusspassagen. Modelle von Flussanzapfungen in einem System paralleler Verwerfungen bestätigen die Wichtigkeit von lateraler Einschneidung für Flussanzapfungsmodelle, die Hangerosion einbeziehen. Während die Modelle eine geringe Wahrscheinlichkeit von Flussanzapfungen mit hohem Ablenkungswinkel zeigen, belegen sie auch, dass deren (allgemeine) Wahrscheinlichkeit direkt von der Hebungsrate der Verwerfungen abhängt. Die Erodibilität beschleunigt lediglich die Geschwindigkeit von Flussanzapfungen. Ein Modell, das die Codes SLIM 3D und DANSER koppelt, dokumentiert die vielseitige Verwendbarkeit des neuen Codes: Es zeigt einen geringen Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Lithosphärendeformation, während die Sedimentationsroutine erheblich auf spröde Oberflächendeformationen einwirkt. Das Modell legt nahe, dass Sedimentation ein zwischen zwei entstehenden Gebirgen gelegenes Becken weitet. Außerdem weitet sich der südlich von der interkontinentalen Kollisionszone gelegene Teil des Gebirge-Models ebenfalls durch Sedimentation.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sarah Schröder
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385
Subtitle (English):A case study for the Pamir
Subtitle (German):Eine Fallstudie zum Pamir
Advisor:Michael Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2016
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/04/29
Release Date:2016/05/26
Tag:DANSER; Erosion; Eulerische Gitter; Hangerosion; Koppelung; Modellierung; Oberfläche; Oberflächenprozesse; Pamir; SEC; Simulation; Software; Tektonik; Tian-Shan; Tiefendeformation; Tien-Shan; finite Differenzen; finite Elemente; fluviale Einschneidung; numerische Modellierung
DANSER; Eulerian grid; Pamir; SEC; Tian-Shan; Tien-Shan; coupling; erosion; finite differences; finite elements; fluvial incision; hillslope diffusion; modeling; modelling; numerical model; simulation; surface; surface evolution; surface processes; tectonics; thermo-mechanics
DANSER
Pagenumber:viii, 129
RVK - Regensburg Classification:RR 29241, TG 7010, TP 6570
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:65-XX NUMERICAL ANALYSIS / 65Pxx Numerical problems in dynamical systems [See also 37Mxx] / 65P99 None of the above, but in this section
86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05] / 86-04 Explicit machine computation and programs (not the theory of computation or programming)
86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05] / 86Axx Geophysics [See also 76U05, 76V05] / 86A04 General
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 92.00.00 Hydrospheric and atmospheric geophysics / 92.40.-t Hydrology and glaciology; cryosphere (see also 92.70.Ha-in Global change) / 92.40.Gc Erosion and sedimentation; sediment transport (see also 91.50.Jc-in marine geology; 91.65.Ti-in Mineralogy and petrology; 91.67.Ty-in Geochemistry; 92.10.Wa and 92.20.Vn-in oceanography; 91.80.Wx-in Geophysics Appendix)
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