ALBERT

Description: Zur Unterstützung einer lithostratigraphischen Neugliederung der Rotliegend- Sedimente der Saar-Nahe-Senke wurden im Donnersberg-Raum zwei Bohrungen niedergebracht. Durch diese konnten Aufbau und Mächtigkeiten mehrerer lithostratigraphisch wichtiger Einheiten aus dem mittleren Teil der Nahe-Gruppe erfaßt werden.

Description: Abstract: Two 300 and 392 m deep holes where drilled to gain detailed Information on the Rotliegend-stratigraphy in the Donnersberg-area, which is part of the Permocarboniferous Saar-Nahe-Basin (SW-Germany). The results lead to a better knowledge of lithostratigraphic important units from the upper part of the Rotliegend (the Nahe-Group).

Description: research

Description: research

Description: In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zur Verteilung des elektrischen Widerstandes in den südlichen zentralen Anden vorgestellt. Gestützt auf eine breite Datenbasis konnten mit Hilfe von ein- und überwiegend zweidimensionalen Modellierungen für Daten der Magnetotellurik und der Erdmagnetischen Tiefensondierung Modelle zur Verteilung des elektrischen Widerstandes in der andinen Kruste erstellt werden. Sie erlauben qualitative und quantitative Aussagen zur elektrischen Struktur in der Kruste. Im Andensegment von 21° bis 25° S wurden für einzelne Meßpunkte und für fünf mehrere 100 km lange Profile aus Nord-Chile, Süd-Bolivien und Nordwest-Argentinien Leitfähigkeitsmodelle erarbeitet. Elektromagnetische Untersuchnungen werden an einem aktiven Kontinentalrand durch den ’Küsteneffekt’ stark erschwert. Um den Küsteneffekt zu berücksichtigen, wurde der Pazifische Ozean bei einem zweidimensionalen Modell für ein Profil von der Küste bis in die Hochkordillere als ’Randbedingung’ mitmodelliert. Aus drei zweidimensional modellierten W-E-Profilen konnte ein alle morphostrukturellen Einheiten der Anden querendes Gesamtmodell auf der Breite von ca. 21°30’ S abgeleitet werden. Folgende Hauptmerkmale werden im Modell von W nach E beobachtet: • Unterhalb der Küstenkordillere ist der Widerstand mit größer als 3000 ihn relativ hoch. In diesem Bereich wird aber parallel zur Streichrichtung ein guter Leiter in der oberen Kruste gefunden, der lamelliert vorliegen muß. • Der Widerstand der ’normalen’ andinen Kruste ist bis in große Tiefen mit Werten von 50 bis 200 Ωm relativ gering. • Eine große Leitfähigkeitsanomalie liegt unterhalb der Westkordillere in geringer Tiefe. Sie erreicht eine integrierte Leitfähigkeit von ca. 25000 S. • Eine weitere Leitfähigkeitsanomalie mit einer integrierten Leitfähigkeit von ca. 14000 S wird unterhalb des Altiplano in der unteren Kruste beobachtet. Sie steigt von W nach E in die obere Kruste auf, und die integrierte Leitfähigkeit nimmt im westlichen Teil der Ostkordillere deutlich zu. Die Anomalie endet abrupt östlich von La Quiaca (ca. 65°30’ W). Im Ostteil der Ostkordillere wird ein relativ hoher Widerstand (ca. 500 Ωm) von der Oberfläche bis in große Tiefen beobachtet. • Das Vorland der Anden ist durch eine gut leitende Bedeckung charakterisiert. Der Widerstand der Lithosphäre nimmt von W nach E auf mehr als 3000 Ωm zu. Als Ursache der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit werden für den guten Leiter unter der Küstenkordillere Kluftsysteme angesehen, in denen das in der subduzierten Platte vorhandene freie Wasser aufsteigt. Der extrem gute Leiter unter der Westkordillere kann im Einklang mit seismischen und gravimetrischen Untersuchungen als partiell geschmolzene Kruste interpretiert werden. Die Leitfähigkeitsanomalie unterhalb des Altiplano und der westlichen Ostkordillere könnte hingegen teilweise durch massive Vererzungen aber auch durch tektonische Ursachen begründet sein, wie z.B. tiefreichende Auf- und Abschiebungshorizonte, in denen Fluide vorhanden sind.

Description: The purpose of the present work is the research regarding the distribution of the electrical resistivity in the southern part of Central Andes. Supported by a considerable database and with the aid of one- and two-dimensional modelling tools developed for magnetotelurics and deep geomagnetical sounding, several models of the distribution of the electrical resistivity in the Andean crust were developed. They allow qualitative and quantitative insights related to the electrical structure within it. In the Andean segment between 21° and 25° S, several isolated measure stations and five regional profiles each of several 100 km length were processed to establish conductivity models for northern Chile, southern Bolivia and northwestern Argentina. Within this research work the ’coast effect’ at an active plate margin has to be taken into account and for this purpose, the Pacific Ocean was included as a boundary condition in a 2D model extending from the Pacific up to the High Andes. Based on three 2D modelled E-W oriented profiles, a greater model could be derived that involves all the present morphostructural units at a latitude of 21° 30’ S. These models showed mainly that: • below the Coastal Cordillera, the resistivity ranging within 3000 Ωm is comparatively high. Nevertheless, in this region a strike-parallel oriented conductor in the upper crust could be identified, which has to be lamellated. • down to great depths the resistivity of the ’normal’ Andean crust is relatively small, having values of 50 to 200 Ωm. • beneath the Western Cordillera, a shallow conductivity anomaly reaches total conductance of about 25000 S. • another conductivity anomaly with a total conductance of ca. 14000 S has been identified in the lower crust below the Altiplano. This anomaly reaches shallower levels to the east, and in the western part of the Eastern Cordillera, the total conductance increases. Eastwards of La Quiaca (ca. 65° 30’ W) the anomaly terminates abruptly. In the eastern part of the Eastern Cordillera a relatively high resistivity from the surface down to great depths was observed. • the Andean foreland shows a cover with good conductivity values. Beneath, the resistivity increases downward up to more than 3000 ßm from W to E. As a cause of the increased conductivity beneath the Coastal Cordillera, joint systems could account for the uprise of free water generated during the subduction of the Nazca plate. The extremely good conductor below the Western Cordillera can be interpreted together with gravity and seismic evidences as a partial melted crust. Besides, the conductivity anomaly beneath the Altiplano and the western Eastern Cordillera can be explained partly through the existence of ore deposits but also in terms of thrust tectonics, where the detachment zones are characterized by the presence of fluids.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Für die dreidimensionale Konstruktion und Visualisierung gestörter geologischer Schichtverbände wurde ein Systemverbund zur graphisch-interaktiven 3D-Flächenmodellierung auf der Basis geologischer Profildaten geschaffen. Die Verifizierung des Systems erfolgte anhand der Konstruktion eines 3D-Flächenmodells der Erftscholle (Niederrheinische Bucht). Zunächst wird die geologische Entwicklung und die heutige Situation des Untersuchungsgebietes beschrieben. Es werden auf die verwendete Datenbasis, bestehend aus Profilen, Bohrungen und Tiefenlinienpläne sowie die Interpretation, Aufarbeitung, Erfassung und Verwaltung der Daten eingegangen. Es schließt sich die Erläuterung des Systemverbundes an, der unter einer programmierbaren Anwenderoberfläche sowohl kommerzielle als auch freie Software vereinigt. Dieses anwendungsspezifisch gestaltbare System vereinigt Funktionen des Datenbankmanagements, der Visualisierung und der interaktiven 3D-Flächenkonstruktion auf CAD-Basis miteinander. Der offene modulare Aufbau des Systemverbundes ermöglicht die Anpassung an die spezifischen geologischen Anforderungen und die aktuellen Aufgabenstellungen. Dabei erlaubt die Interaktivität bei der Konstruktion und Visualisierung das Einbringen von Fachkenntnissen und Zusatzwissen in den Modellierungsprozess sowie eine gezielte Analyse komplexer 3D-Sachverhalte. Methodische Grundlagen der angewendeten Flächenkonstruktion auf der Basis irregulärer Dreiecksvermaschungen werden erläutert, und auf unterschiedliche Ansätze der Triangulierung eingegangen. Die Approximation natürlicher Flächen geschieht dabei durch ebene polygonale Facetten. Aufbauend auf diesen Grundlagen erfolgt die 3D-Flächenkonstruktion ausgewählter Schicht- und Störungsflächen aus dem Bereich der Erftscholle. Die einzelnen Arbeitsgänge von der Datenselektion über die Konstruktion bis zur Analyse des Flächenverbandes werden besprochen, um sowohl die gewählten Konstruktionsansätze, als auch die Funktionalität des Systemverbundes zu beschreiben.

Description: A soft and hardware system was combined for construction and visualisation of faulted geological strata units. Based on geological cross-sections, the system enables the graphical interactive 3D-surface modeling. By constructing the 3D-layermodel of the Erftblock (Lower Rhine Basin, Germany) the system was verified. First a description of the geological evolution and the present situation of the exploration area is provided. In addition the used data will be explained. This consists of cross-sections, wells, isopleth maps as well as the interpretation, processing, recording and management of the data. Then follows an illustration of the system. It joins commercial and free software under a programable user interface, which allows an optimisation of this tool depending on the necessary applications. The system unifies functions of database management, 3D-visualisation and interactive 3D-construction based on CAD-methods. The open and modular design of the system enables the adaption to specific geological requirements and current tasks. In particular, the interaction in terms of construction and visualisation allows the insertion of expert knowledge and additional facts into the modeling process. It also provides the possibility for exact analysis of complex 3D-objects. Methodical elements of the used construction process that are based on irregular triangulation will be explained. References to diferent approaches of triangulation will be revealed. In this work the approximation of natural surfaces is realized by means of flat and polygonal facets. This method form the base of the 3D-construction of the Erftblock, by which certain selected fault- and strata-boundaries are considered. To describe the function of the system and the approach for construction the singel steps of modeling will be pointed out. The process of modeling consists of data selection, construction, and finaly the analysis of the 3D-surface arrangement.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Eine effektive Methode für die Interpretation verschiedener geophysikalischer Daten ist die kombinierte Auswertung der unterschiedlichen Messungen. Eine wichtige Grundlage für die kombinierte Auswertung seismischer und gravimetrischer Daten sind empirische Korrelationsbeziehungen zwischen der seismischen Geschwindigkeit und der Dichte. In Regionen mit extrem großen Krustenmächtigkeiten und hohen Temperaturen läßt sich mit bekannten Geschwindigkeit-Dichte-Relationen kein übereinstimmendes Modell aus den seismischen und gravimetrischen Daten ableiten. Auf der Basis von in der Literatur veröffentlichten Labordaten wurde das Verhalten der Dichte und der seismischen Geschwindigkeit von kristallinen Gesteinen unter dem Einfluß von Druck und Temperatur systematisch untersucht. Die Untersuchungen beinhalten auch den Temperaturbereich der partiellen Aufschmelzung der verschiedenen Gesteine. Druck und Temperatur haben einen entgegengesetzten Effekt auf die seismische Geschwindigkeit. Druckerhöhung bewirkt im allgemeinen eine Zunahme der Geschwindigkeit, Temperaturerhöhung führt zu einer Erniedrigung. Bei Erreichen der Schmelztemperatur wird eine drastische Geschwindigkeitsabnahme beobachtet, die bis über 50% betragen kann. Der Einfluß von Druck und Temperatur auf das Verhalten der Dichte ist, im Vergleich zur Geschwindigkeit, sehr viel geringer. Bei Temperaturerhöhung bis zur partiellen Aufschmelzung werden Dichteänderungen von unter 5% beobachtet. Um eine ausreichende Anzahl von Daten für die Entwicklung einer temperaturabhängigen Geschwindigkeit-Dichte-Relation zur Verfügung zu haben, wird aus den vorhandenen Labordaten das Verhalten der Geschwindigkeit unter extremen Temperaturbedingungen mit Hilfe von Modellrechnungen extrapoliert. Auf der Basis der vorhandenen chemischen Analyse wird für verschiedene Gesteine die initiale Schmelztemperatur und der Anteil der Schmelze bestimmt. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe eines einfachen Modellansatzes die Änderung der Geschwindigkeit bei partieller Aufschmelzung berechnet. Aus den so gewonnenen Daten wird eine temperaturabhängige Geschwindigkeit-Dichte-Relation und eine Geschwindigkeit-Dichte-Relation in Abhängigkeit des Schmelzanteils abgeleitet. Für die kombinierte Auswertung von seismischen und gravimetrischen Profildaten wurde ein Programmsystem zur Umrechnung von Raytracing-Geschwindigkeitsmodellen in Dichtemodelle geschrieben. Für die Umrechnung können verschiedene Geschwindigkeit-Dichte-Relationen benutzt werden. Das Dichtemodell kann über eingebundene Optimierungsalgorithmen an die gemessene Schwerekurve angepaßt werden. Die Anwendung der temperaturabhängigen Korrelationsbeziehungen zwischen Dichte und Geschwindigkeit wird am Beispiel von gravimetrischen und seismischen Profildaten aus dem Bereich der zentralen Anden zwischen 21° S und 24° S vorgestellt. Die Profildaten kreuzen einen Krustenbereich des Andenorogens, der von einem extremen Schwereminimum und einer großen Krustenmächtigkeit geprägt ist. Geothermische Modellrechnungen ergeben extreme Temperaturverhältnisse im Tiefenbereich der mittleren und unteren Kruste. Das refraktionsseismische Modell der andinen Kruste zeigt ausgeprägte Zonen erniedrigter Geschwindigkeit (LVZ) in der mittleren und unteren Kruste. Die niedrigen Geschwindigkeiten, verbunden mit der extremen Krustenmächtigkeit ergeben bei der Umrechnung der refraktionsseismischen Modelle in Dichtemodelle mit normalen Geschwindigkeit-Dichte-Relationen eine deutliche Überkompensation des Schwereminimums. Mit der temperaturabhängigen Geschwindigkeit-Dichte-Relation läßt sich eine gute Anpassung an die gemessene Schwerekurve erreichen. Mit dem Ergebnis der Anpassung kann der Grad der partiellen Aufschmelzung der andinen Kruste bestimmt werden. Der Anteil der partiellen Schmelze in den LVZ der Kruste im Bereich unter der Westkordillere kann, abgeleitet aus den Modellrechnungen, bis zu 20% betragen.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Zur Untersuchung der Krustenstruktur der Zentralen Anden ist in den Jahren 1982 bis 1989 ein Netz von größtenteils gegengeschossenen refraktionsseismischen Profilen vermessen worden, deren Auswertung und Interpretation Gegenstand dieser Arbeit ist. Die abgeleiteten Krustenstrukturen und -mächtigkeiten wurde durch eine tektonische Bilanzierung modelliert. Aus den drei in N-S Richtung verlaufenden Profilen in der Küstenkordillere, der Präkordillere und auf der argentinischen Puna, drei W-E Profilen von der Küste bis zur Puna (24°S), bis zur Westkordillere (22 °S) und über das gesamte Andenorogen bis zum Chaco in Bolivien (21 °S), sowie von der Kupfermine Chuquicamata ausgehenden Profilen und einer Fächerbeobachtung, wurde eine starke Variation der Kruste sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung abgeleitet. Eine deutliche Diskontinuität in 40 km Tiefe unter der Küstenkordillere wird als Moho der subduzierten ozeanischen Nazca Platte interpretiert. Sie taucht nach Osten ab und läßt sich in den refraktionsseismischen Beobachtungen bis zum chilenischen Längstal und möglicherweise bis zur Präkordillere verfolgen. Eine eindeutige Interpretation der Diskontinuitäten in 50-55 km Tiefe unter dem Längstal und in 60-70 km Tiefe unter der Präkordillere ist allerdings nicht möglich. Es kann sich hier um die ozeanische Moho oder abgeschuppte Teile davon oder um eine, möglicherweise in Bruchstücken vorhandene, kontinentale Moho handeln. Die kontinentale Kruste im Forearc zeigt im Westen eine sehr hohe Durchschnittsgeschwindigkeit von 6.6 km/s, die bis zur Präkordillere auf 6.2 km/s abfällt. Die Mächtigkeit steigt von 30 km in der Küstenkordillere auf 60-70 in der Präkordillere an. Es kann eine Unterteilung in eine durch hohe seismische Geschwindigkeiten gekennzeichnete obere und mittlere Kruste, die die mesozoische Kruste in diesem Bereich repräsentiert, und eine tiefere Kruste, überwiegend durch Zonen geringer Geschwindigkeit (LVZ) geprägt, vorgenommen werden. In der östlich angrenzenden Westkordillere, dem heutigen magmatischen Bogen, sind nur auf dem südlichen Profil deutliche Anzeichen für eine Kruste/Mantel Grenze in 60 km Tiefe vorhanden. Weiter nördlich muß von einer starken Absorption der seismischen Wellen und daraus abzuleitender geringer Durchschnittsgeschwindigkeit (6.0 km/s) bis in etwa 70 km Tiefe ausgegangen werden, ohne daß eine Moho zu erkennen ist. Im Backarc sind der Abfall der Moho von 40 km unter dem Subandin auf etwa 70 km am Ostrand des Altiplano sowie Zonen hoher Geschwindigkeit (6.8 km/s) in der Oberkruste der Ostkordillere mit darunterliegender LVZ die wichtigsten Merkmale der Krustenstruktur. Die Überschiebungsstrukturen und die heutige Krustenmächtigkeit im Backarc konnten durch eine tektonische Modellierung ("crustal balancing") mit einer Verkürzung von 320 km seit der Oberkreide und einer Ausgangskrustenmächtigkeit von 35 km modelliert werden. Die Bereiche hoher Geschwindigkeit in der Ostkordillere werden als Unterkrustenmaterial interpretiert, das nach Osten auf das Vorland überschoben wurde und damit zu einer Krustenverdopplung geführt hat. Etwa 20% des heutigen Krustenvolumens, entsprechend der tieferen Kruste im Forearc und unter dem magmatischen Bogen, kann, unter der Annahme von 320 km tektonischer Verkürzung seit der Oberkreide, nicht durch tektonische Krustenverdickung erklärt werden. Diese tiefere Kruste, die durch extreme Krustenparameter wie geringe seismische Geschwindigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit gekennzeichnet ist, muß als Mischzone von Material unterschiedlicher Herkunft angesehen werden, wobei tektonisch erodiertes Material vom Kontinental rand, serpentinisiertes Mantelmaterial sowie magmatisches Material am Aufbau dieses Krustenstockwerkes beteiligt sein können. Südlich von 21 °S ändern sich die tektonischen Strukturen und die Krustenmächtigkeit und sowohl die Verkürzungsbeträge als auch das gesamte Krustenvolumen gehen nach Süden, im Bereich der flachen Subduktion, deutlich zurück. Für den lithosphärischen Mantel muß eine Verkürzung um den gleichen Betrag wie für die Kruste vorausgesetzt werden, die einen Transport dieses Materials in tiefere Mantelzonen erforderlich macht.

Description: The object of this paper is the evaluation and interpretation of a net of mainly reversed seismic refraction profiles measured from 1982 to 1989 to investigate the crustal structure of the Central Andes. The derived crustal structure and crustal thickness was then modelled by a tectonic balancing method. A strong variation of the crustal parameters has been derived by three N-S profiles in the Coastal Cordillera, the Precordillera and the Argentine Puna, three W-E profiles from the coast to the Puna (24 °S), to the Western Cordillera (22 °S) and crossing the entire Andes up to the Bolivian Chaco (21 °S) as well as by profiles and fan recordings referring to the Chuquicamata copper mine. A clear discontinuity at 40 km depth below the Coastal Cordillera is interpreted as the Moho of the subducted oceanic Nazca plate. The plate dips to the east and can be observed by the seismic refraction data up to the Longitudinal Valley and possibly up to the Precordillera. The continental crust in the forearc has a very high average velocity of 6.6 km/s, descending to 6.2 km/s in the Precordillera. A division into a high velocity upper and middle crust, representing the mesozoic crust in this area, and a deeper crust, mainly represented by low velocity zones (LVZ), can be done. Only in the southern profile of the eastern adjacent Western Cordillera, the actual magmatic arc, a crust/mantle boundary can be observed at 60 km depth. Further north a strong absorption of the seismic waves must be assumed that leads to a low average velocity (6.0 km/s) down to 70 km depth, but a Moho is not observed. In the backarc, a dip of the Moho from 40 km below the Subandean Ranges to about 70 km at the eastern margin of the Altiplano as well as zones of high velocities (6.8 km/s) in the upper crust of the Eastern Cordillera followed by a thick LVZ are the main features of the crustal structure. The thrust structures and the actual crustal thickness in the backarc have been modelled by a crustal balancing with 320 km of shortening since the Upper Cretaceous and an initial crustal thickness of 35 km. The areas of high velocity in the Eastern Cordillera are interpreted as lower crustal material overthrusted upon the foreland and which thereby produced a crustal doubling. The deeper crust below the forearc and the magmatic arc, about 20% of the actual crustal volume, cannot be explained by the crustal shortening. This deeper crust must be seen as a mixture of material of different provenience as tectonically eroded material from the continental margin, transformed mantle material and magmatic underplated material. South of 21 °S the tectonic structures as well as the crustal thickness change in a way that the shortening values and the total crustal volume decrease strongly towards the south where the subduction angle tends to be subhorizontal. The same amount of shortening must be assumed for the mantle lithosphere which requires a transport of material into the deeper mantle.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Es wird ein 3D-Dichtemodell der Nördlichen Kalkalpen vorgestellt, das sich auf eine breite Datenbasis von Ergebnissen aus der Gravimetrie, der Reflexionsseismik, der Refraktionsseismik und von Bohrlochmessungen stützen kann. Das Modell erfaßt die oberflächennahen Störmassen durch die Verwendung der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz (Meurers et al., 1989) und berücksichtigt eine Moho, deren Struktur unter Verwendung einer Kombination von direkten und indirekten, gravimetrischen 3D-Verfahren auf der Basis der gravimetrischen und seismischen Ergebnisse berechnet wurde. Zusammen mit den Informationen aus der Reflexionsseismik konnten mit diesem Konzept alle wesentlichen, bekannten Strukturen zwischen der topographischen Oberfläche und der Moho in die Modellierungen integriert werden. Das vorgestellte 3D-Dichtemodell erlaubt eine • Analyse der gravimetrischen Krusten- und Mantel-Effekte, sowie eine • Analyse der Qualität der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz. Voruntersuchungen, die Erstellung der nötigen Hilfsmittel zur Berechnung des 3D-Modells und dessen Diskussion brachten die folgenden Resultate: • Eine Zusammenstellung der im Untersuchungsgebiet vorkommenden Gesteinsdichten, basierend auf Handstücken, Dicht elogs und Ergebnissen der seismischer Teufenwandlung und der statistisch behandelten Geschwindigkeit slogs, wird vorgelegt. • Die 2D-Modellrechnungen im Vorland zeigen, daß Dreieckszonen (triangle zones) gravimetrisch nicht direkt nachweisbar sind. Auch eine altersabhängige Dichteverteilung der einzelnen Molasseeinheiten erzeugen nur sehr geringe gravimetrische Effekte. Die Bausteinschichten sind dagegen in oberflächennaher, steiler Lagerung gravimetrisch auflösbar. Sie können als ’’tektonische Indikatoren” in ein lokales 3D-Modell integriert werden. Im regionalen Rahmen sind sie wegen ihres geringen Schwereeffektes aber nicht erfaßbar. • Für die Nördlichen Kalkalpen wird die gravimetrische Auflösbarkeit geologischer Strukturen untersucht und die Aussagefähigkeit von 2D-Modellrechnungen relativiert. • Die geologischen Interpretationen auf den Profilen Grünten - Landeck und Bad Tölz - Innsbruck stehen im Einklang mit den gravimetrischen Daten. Die 2D-Modellrechnungen fordern für Schwereuntersuchungen in diesem Gebiet die Verwendung der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz und die Berücksichtigung der Moho. • Eine das gesamte Untersuchungsgebiet überdeckende Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz wird vorgestellt und anhand des Residualschwerefeldes des 3D-Modells diskutiert. • Die unter Verwendung von Daten aus der Reflexionsseismik, Refraktionsseismik und Gravimetrie berechnete Moho unter den Nördlichen Kalkalpen wird vorgestellt. • Der in der Literatur oft verwendete Dichtekontrast an der Moho von 0.4 g/cm3 ist für das Untersuchungsgebiet nicht realistisch. Die Modellrechnungen führen zu einem Kontrast von 0.22 g/cm3 an der Kruste-Mantel-Grenze. • Eine Trennung der Krusten- und Mantel- Effekte im Untersuchungsgebiet ist nicht mit Wellenlängenfilterungen, sondern nur mittels 3D-Modellrechnungen möglich.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In vielen naturwissenschaftlich-technischen Disziplinen zeigt es sich immer wieder, daß es sehr lohnend sein kann, eine schon als abgeschlossen betrachtete Fragestellung mit neuen methodischen Ansätzen wieder aufzunehmen. So bemerkt man in den technischen Anwendungen eine regelrechte Renaissance der Variationsrechnung, da die damit durchgeführten Computersimulationen helfen, einen Teil der Entwicklungskosten für z.B. Automodelle im Maßstab 1:1 einzusparen. Die topographischen Reduktionsrechnungen, welche als geradezu klassisches Gebiet der Gravimetrie gelten, werden in dieser Arbeit analog dem oben angeführten Gesichtspunkt erneut diskutiert. Dabei werden in den einleitenden Betrachtungen diejenigen Verfahren in einem sehr kurzen historischen Abriß vorgestellt, die sich durch ihre Anwendungsbreite und ausreichende Genauigkeit auszeichnen. Der entscheidende Gesichtspunkt für die erneute Entwicklung von Reduktionsverfahren sind die gerade jetzt im Entstehen begriffenen Höhendatenbanken. Die dort in geeigneter Weise abgespeicherten Daten ersparen dem Gravimetriker in Zukunft die enorm zeitaufwendige Kartendigitalisierung. Ausführlich werden in der Arbeit die beiden neuesten Rechenschemata das • Sideris-Verfahren , das die schnelle Fourier-Transformation (FFT) benutzt, und • eine Methode, die auf der Basis einer Polyeder-Approximation des Geländes arbeitet, erläutert und an synthetischen Beispielen getestet. Eine kritische Gewichtung der Arbeitsresultate hinsichtlich der Verwendung dieser Verfahren und ihrer Weiterentwicklung ergibt folgendes Bild: • Die Verwendung der FFT nach Sider is liefert zwar ein überragend schnelles Verfahren, ist aber durch seine physikalische Äquivalenz zur Massenlinienmethode für die angewandte Gravimetrie zu ungenau. • Die Polyeder -Methode ist von einer exakten Darstellung des Geländes (zumindest in unmittelbarer Stationsumgebung) abhängig und erleidet bei der Anwendung auf Datensätze mit mittleren Höhen einen Genauigkeitsverlust. Die zukünftig verfügbaren Datenbanken, die so oder ähnlich wie das mit TIN bezeichnete Abspeicherungsschema auf gebaut sind, werden für die Polyeder -Methode in idealer Weise verwendbar sein. Denn diese Höhendatenbanken verwenden nicht nur exakte Punkthöhen zur Geländebeschreibung, auch die sehr rechen zeitaufwendige Dreiecksbildung würde damit entfallen. Bis zur Verfügbarkeit solcher Datenbanken kann man aber mit dem in der Arbeit als "kombiniertes System" vorgestellten Kompromiß arbeiten: Die Schnelligkeit der FFT-Methode wird für den Stationsfernbereich ausgenutzt und die Genauigkeit der Polyeder -Methode in der Stationsnähe. Mit diesem Verfahren lassen sich Fehler von weniger als einem Milligal mit durchaus vertretbarem Aufwand erzielen. In den Anwendungen der entwickelten Methoden auf reale Gegebenheiten werden im Falle des Westharzes die oben genannten Eigenschaften bestätigt. Dabei kann man als Ergebnis der Simulation eines TIN -Höhenmodells davon ausgehen, daß die Polyeder -Methode ohne Kompromisse auch auf sehr große Datensätze anwendbar ist, wenn die Dreiecksbildung entfällt. Das Beispiel aus Zimbabwe zeigt, daß man sich mit modernen digitalen Methoden solch ein TIN-Höhenmodell selbst erstellen kann (Digitalisiertablett und angeschlossener PC). Die dann im weiteren diskutierten, modellgebundenen Anwendungen der topographischen Massenreduktionen wurden in erster Linie durch die einfache morphologische Situation des Gebietes provoziert.

Description: In most natural sciences and technology it is sometimes profitable to tackle an old problem which seems to be solved once more with new powerful tools. In finite element computer simulations one can find optimization methods which are based on a very old mathematical discipline called variational calculus. These methods can be used in the automobile industry for instance, for reducing the costs in motor car development. Analogously, in this work, the classical subject of topographic reduction calculations has been tackled with modern algorithmic techniques. Firstly a brief historical overview gives insight into topographical algorithms which are precise enough in calculating and flexible to use. Some remarks about data bases of topographic heights serve as an introduction into geographical information systems. Such systems may be of great help in future topographical work, as they eliminate the time consuming digitalization of topographic maps by hand. The topographical reduction method of Sideris using the fast fourier transform algorithm and a new developed reduction scheme based on an exact polyhedron algorithm and a triangulization of the topography are discussed in detail and tested. The calculations of synthetic topographic models gave varied results: • The method of Sideris works with an enormous speed but as it is physically equivalent to the massline method it is not precise enough for applied gravimetry. • The algorithm using polyhedral bodies needs exact topographical point heights especially in the near surroundings of the gravimetrical station. In future there will be a data base of topographical heights stored in a triangular fashion (triangulated irregular network) called a TIN data base. With TIN the topographical reduction method using the polyhedron formula will be fast enough to handle even big topographical models. As such data bases are not available at present one can use a method developed in this work which combines the positive attributes of both algorithms: The heights far away from the station are calculated with FFT while those in the immediate surroundings with the algorithm using the polyhedron formula. This combined system gives results which are better than 1 mGal and take a considerable short CPU-time. All algorithms are tested with real topographical models of the Harz mountains of West Germany and the Zambezi escarpment of Zimbabwe.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In der vorliegenden Arbeit wird das Schwerefeld in den südlichen zentralen Anden in Hinblick auf die Vorgänge an einem aktiven, konvergenten Plattenrand untersucht. Es können wesentliche Randbedingungen für die Strukturen und den Stoffbestand der Lithosphäre abgeleitet werden. Die Grundlage dieser Interpretationen bildet die Bearbeitung der gravimetrischen Meßdaten in drei Schritten: • Erstellung einer homogenen, regionalen Datenbasis unter besonderer Berücksichtigung der Vernetzung der Schweredaten und der topographischen Reduktion • Numerische Analyse des Schwerefeldes mit Hilfe von Filterungen, isostatischen Berechnungen und Massenabschätzungen • Durchführung 2-dimensionaler und 3-dimensionaler Modellrechnungen Die wesentlichen Ergebnisse der Bearbeitung des Schwerefeldes der andinen Subduktionszone sind in der Reihenfolge von den tieferen zu den höheren Stockwerken: • Die subduzierte Nazca Platte hat einen maximalen gravimetrischen Effekt von 55 mGal. • Thermische isostatische Prozesse nach Froidevaux ir Isacks (1984) haben einen minimalen Einfluß auf das Schwerefeld. • Die Berechnung regionaler isostatischer Modelle nach Banks et al. (1977) ergibt eine Biegesteifigkeit der Kruste von 1 ∙ 1023 Nm im W-E Segment zwischen 20° S und 22° S und 5 ∙ 1022 Nm im Segment zwischen 22° S und 26° S. • Die Kruste - Mantel - Grenze zeigt entlang der Hochkordillere einen strukturierten Verlauf mit einer maximalen Tiefe von 63 km bei 67.5° W, 23° S. • In dem Gebiet zwischen 23.5° S bis 24.5° S und 68.5° W bis 69.5° W wird im Bereich der Moho eine anomale Geschwindigkeit - Dichte Beziehung registriert. • Die kombinierte Interpretation seismologischer, refraktionsseismischer, gravimetrischer und petrophysikalischer Untersuchungen deutet auf eine Mächtigkeit der kontinentalen Kruste im küstennahen Bereich von 30 - 33 km und einer zunächst mit einem sehr geringen Abtauchwinkel subduzierten ozeanischen Lithosphärenplatte hin. • Die kontinentale Unterkruste zeigt im Untersuchungsgebiet eine geringe Änderung in der Streichrichtung der Anden. • Die Ostgrenze der aus refraktionsseismischen Messungen abgeleiteten, stark aufgegliederten Unterkruste mit sehr geringen Durchschnittsgeschwindigkeiten kann mit Hilfe des Schwerefeldes kartiert werden. Ihre Übereinstimmung mit der Ostgrenze des neogenen bis holozänen Vulkanismus deutet auf einen direkten Zusammenhang zwischen dieser Unterkrustenstruktur und dem rezenten Magmatismus hin. • Die gravimetrisch geforderte Mittelkruste mit Dichten um 2.9 g/cm3 unter der Hochkordillere könnte zum überwiegenden Teil aus Gesteinen einer präandinen Unterkruste bestehen. • Die gravimetrische Modellierung der Schichten mit schon oberflächennah sehr hohen Geschwindigkeiten im Bereich Küstenkordillere und Längstal in Kombination mit Massenabschätzungen zeigt, daß nur der obere maximal 5 km mächtige Teil der modellierten Körper für die Anomalien im Residualfeld verantwortlich ist. Die tieferliegenden Massen erzeugen zusammen mit der Unterkrustenstruktur im wesentlichen den regionalen Trend im Schwerefeld. • Die bedeutendste Struktur im residualen Schwerefeld, das langgestreckte Maximum südöstlich von Calama, ist vermutlich ein relativ einheitlicher, paläozoischer Gesteinskomplex in 10 bis 20 km Tiefe. • Modellrechnungen und Massenabschätzungen im Bereich des rezenten magmatischen Bogens lassen auch aufgrund des Schwerefeldes die Anwesenheit von kleineren, partiell geschmolzenen Magmenreservoiren in der oberen Kruste möglich erscheinen. • Im andinen Vorland ist im Schwerefeld deutlich zwischen dem SANTA BARBARA SYSTEM und dem fold and thrust belt zu unterscheiden. Auf der Basis des regionalen Schwerefeldes konnten bisher unbekannte Krustenstrukturen aufgezeigt werden. Trotz der Einschränkungen, die sich aus den mangelnden oder nicht existenten Randwerten ergeben, konnte ein plausibles Strukturmodell des Untergrundes des Andenorogens erstellt werden.

Description: The present work deals with the gravity field in the Southern Central Andes in regard to the processes at an active convergent margin. Substantial boundary conditions can be deduced for the structure and the material parameters of the lithosphere. This interpretation is based on the processing of the gravity data in three steps: • Preparation of a homogeneous, regional data base considering especially the connection of the different gravity networks and the topographic reduction. • Numeric analysis of the gravity field with the aid of filtering procedures, isostatic calculations and excess mass estimations. • Realization of 2-dimensional and 3-dimensional model calculations. The main results of the analysis of the gravity field at the Andean subduction zone considered from the lower to the higher levels are: • The subducted Nazca slab has a gravity effect not exceeding 55 mGal. • Processes of the thermal compensation model by Froidevaux fc Isacks (1984) have an insignificant effect on the gravity field. • The calculation of regional isostatic models according to Banks et al. (1977) results in a crustal flexural rigidity of 1 • 10 23 Nm in the W - E segment between 20° S and 22° S, and 5 • 10 22 Nm between 22° S and 26° S. • The crust - mantle boundary shows undulations along the High - Cordillera with a maximum depth of 63 km at 67.5° W, 23° S. • In the region between 23.5° S - 24.5° S and 68.5° W - 69.5° W a level with a anomalous velocity - density relationship exists near the M – discontinuity. • The combined interpretation of seismological, refraction seismic, gravimetric and petrophysical investigations points to a thickness of the continental crust near the coast of 30 - 33 km. There the dip of the subducted plate seems to have a very low angle. • In the area under investigation the lower continental crust shows only little variations in the general strike direction of the Andean orogen. • According to the seismic investigations the lower Andean crust is highly structured and has a small mean velocity. The easternmost limit of this lower crust can be mapped with the aid of the gravity field. Its agreement with the limit of the neogene to holocene volcanism points to a direct relation between this structured lower crust and the recent, magmatism. • The postulated crustal layer with densities about 2.9 g/cm 3 beneath the High - Cordillera, which is necessary for the gravity fitting, may consist mainly of rocks of a preandean lower crust. • The 3D - modelling of the layers with high velocities near the surface under the Coast Range and the Longitudinal Valley in combination with mass estimations shows, that only the uppermost 5 km of the modelled structure are relevant for the anomalies seen in residual gravity fields. The deeper masses produce, in combination with the structure of the lower crust, mainly the regional trend of the gravity field. • The most important feature in the residual gravity fields, the pronounced regional maximum southeast of Calama, is presumably a relatively homogeneous, paleozoic rock complex in the depth range of 10 to 20 km. • The results of modelling and mass calculations in the area of the recent magmatic arc could possibly account for smaller, partly molten magma reservoires in the upper crust. • The gravity field distinguishes well between the Santa Barbara System and the Bolivian fold and thrust belt along the Andean Foreland. Based on the regional gravity field new structures in the lithosphere were detected. Besides the restriction of the limited boundary constraints it was possible to establish a plausible structural model of the Andean orogen.

Description: thesis

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