ALBERT

Description: In der vorliegenden Arbeit wird die Krustenstruktur im östlichen Andenvorland untersucht. Das Gebiet umfaßt den Nordwesten Argentiniens, zwischen dem 22° und 25° südlichen Breitengrad und dem 66° und 62° westlichen Längengrad. Aus morphologischer Sicht befindet sich das Untersuchungsgebiet im Übergang zwischen dem Subandin (Sierras Subandinas) und der südlichen Ostkordillere zum Chaco Vorland (Llanura Chaqueña). Im Untersuchungsgebiet zeichnet sich ein Wechsel in den tektonischen Strukturen ab, welcher als Interaktion zwischen der tertiären Andenorogenese und kretazischen Riftbildungen gedeutet wird. Dieser als Inversionstektonik bekannte tektonischer Stil hat nicht nur oberflächennahe Strukturen hervorgerufen, sondern auch tiefgreifende Massenveränderungen verursacht. Teile dieser Modifikationen sind in der Signatur des Schwerefeldes erhalten geblieben, und somit ist die Interpretation gravimetrischer Meßergebnisse zusammen mit den geologischen Randbedingungen eine Grundvorraussetzung zur Untersuchung dieser tektonischen Interaktion. Zum Verständnis dieser Strukturen war es notwendig, sowohl den Teil des Beckens zu untersuchen, welcher nicht von der andinen Orogenese betroffen ist, als auch jenen der direkt in die letztere miteinbezogen wurde. Aus gravimetrischer Sicht ist die Bougueranomalie des Gebietes stark vom Effekt der Andenwurzel geprägt. Jedoch deuten einige Abweichungen auf die Existenz lokalerer Störkörper hin, die Ziel der Modellierung waren. Ein solcher Störkörper wurde am südöstlichen Rand des kretazischen Rifts identifiziert. Die Modellierung wurde einerseits zweidimensional durchgeführt um einen Überblick über das Gebiet zu bekommen. Eine regionale 3D Modellierung führte dann zu einer präziseren Interpretation des Gebietes. Insbesondere wurde dabei der Effekt überschobener Riftschollen am Ostrand des Beckens untersucht. Diese Überschiebungen drücken sich im gravimetrischen Restfeld als deutliche positive Anomalie aus. Allerdings kann diese Anomalie nicht direkt mit einem Astenosphärenanstieg, welcher durch Riftbildung entstanden sein könnte, in Einklang gebracht werden - wie von einigen Autoren vermutet wurde. Eine weitere modellierte Struktur bildete die Vortiefe, welche durch die Auflast der andinen Überschiebung enstanden ist. Die dadurch hervorgerufenen negativen Anomalien bilden einen deutlichen Kontrast zu der beschriebenen positiven Anomalie im Vorland, der sich auch im Restfeld als starker Gradient äußert. Die 2D Modellierung erbrachte folgende Ergebnisse: im anorogenen Breich des Untersuchungsgebietes wurde die Existenz einer deutliche Asymmetrie des Beckens bestätigt, mit einer nach Südosten geneigten Riftabscherungsfläche. Die Orogenese hinterließ deutliche Spuren in der Reaktivierung der Abscherungen wobei entlang der südostvergenten Störungen tieferes Krustenmaterial emporgeschoben wurde. Mit einer größeren Dichte wird dieser Vorgang als Ursache der positiven Anomalie intepretiert. Westvergente Störungen scheinen nur oberflächennahe Bereiche miteinbezogen haben. Im regionalen 3D Modell wurde ein Ansteigen der Unterkruste unterhalb des Beckens angenommen. Die asymmetrische Anordnung dieses Anstiegs deutet eher auf einen kompressive tektonischen Effekt hin als auf eine residuale Krustenverdünnung. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich in diesem Breich im Schwerefeld die Effekte des Andengradienten mit denen der überschobenen Basement-Tektonik und der Vorlandtief kombinieren und als solche fur einen starken lokalen Gradienten am Rande des Effekts der Andenwurzel verantwortlich sind.

Description: In the present study, the structure of the crust beneath the eastern Andean foreland is analyzed. The area comprises part of northwest Argentina, between 22° and 25° S and 66° and 62° W. In terms of morphotectonics, the area studied covers the transition between the Sierras Subandinas (Subandean Ranges) and the southern part of the Cordillera Oriental (Eastern Cordillera) to the Chaco plains (Llanura Chaqueña). In the area, a pervasive change controls the tectonic features, which is interpreted as a consequence of the interaction between the Andean orogeny and preexistent Cretaceous rifting. This inversion tectonics did not only result in a particular suite of near to surface structures but also modified deeply the mass distribution within the crust. This changes in mass distributions and hence density contrasts is evidenced by the gravity field. As such, a careful analysis of gravity data together with the geological boundary conditions are the basis for an analysis of this tectonic interaction. Understanding these structures implied to analyse not only the part of the rift involved in the Andean compressive orogenesis but also that part where original extensional features are still preserved. From a gravimetrical point of view, the Bouguer-anomaly of the area shows a strong overprint related with the Andean root. Some smaller changes in the field however indicate the existence of local sources, which where the target of the modelling. Such a change had been indentified at the southeastern edge of the Cretaceous rift. Modelling was performed towfold. As such, a 2D model was made in order to get an insight into the regional aspects of the area. A more detailed 3D model led to a more precise interpretation of the area. In particular, the effect of the inverted rift tectonics at the eastern edge of the basin was studied. These upthrusts correlate with a readily identifiable positive anomaly within the residual field. The anomaly neverthless cannot be directly related with an astenospheric uprise, preserved since the rifting stage, as suggested by some authors. In addition, the foredeep related with the tectonic load of the Andean overthurst, was modelled. The negative anomalies generated during this process, show a strong contrast in comparison with the positive anomaly described above, depicted also by a prominent gradient in the residual field. 2D modelling led to the following results. In the region, where Creataceous rifting structures were not overprinted by the Andean orogeny an obvious asymmetry of the basin was defined, being the master detachment dipping to the northeast. The orogeny left evidences of reactivation, where the structures of the southeastern edge were the pathways of the uplift if deeper crustal material with a higher density. This process may be responsible for a part of the positive anomaly mentioned. Structures located at the western and northwestern edge of the basin seem to have only involved nearer-to surface structures. The 3D model assumed a slight uprise of the lower crust beneath the basin. The asymmetry in goemetty seem to stand more for a tectonic effect than for a remanent thinned crust. As a summary, the gravity field in this area shows the combined effects of the regional Andean gradient with the more local effects of the basement tectonics (inverted rifting) and the overthrusted foredeep. Hence, at least these three factors seem to be responsible for the strong local gradient in a lateral position of the Andean root.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In dieser Arbeit wurden Laborexperimente im Ultraschallfrequenzbereich und begleitende theoretische Untersuchungen durchgeführt, um zu klären, welche Absorptionsmechanismen in fluidhaltigen Sandsteinen bei geringem einaxialen (26 MPa) und bei erhöhtem hydrostatischen Druck (bis 200 Mpa) wirksam sind. Die Kenntnis der Absorptionsmechanismen ist notwendig, um die Zusammenhänge von lithologischen und seismischen Gesteinsparametern zu verstehen und für die Interpretation von seismischen Feldmessungen zu nutzen. Bekannt war bislang, daß unter geringem einaxialen Druck frequenzabhängige lokale Flüssigkeitsströmungen den wesentlichen Absorptionsmechanismus in fluidhaltigem Gestein darstellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß die Kompressionswellengeschwindigkeit in fluidhaltigem Gestein bei höheren Sättigungsgraden zusätzlich von einem partiellen Gesteinsversteifungseffekt beeinflußt wird. Damit gelang eine vollständige Erklärung des sättigungsabhängigen elastischen und anelastischen Gesteinsverhaltens bei geringem einaxialen Druck. Um die Bedeutung der Gesteinsmikrostruktur (z.B. Rißdichte, Kornkontakte) für die seismischen Gesteinsparameter (Geschwindigkeit, Absorption) direkt nachzuweisen, wurde diese bei einem Gestein künstlich, thermisch verändert. Die Änderung der Mikrostruktur führt bei gleichzeitiger vernachlässigbarer Änderung der makroskopischen Gesteinsparameter (Porosität, Permeabilität) zu einer Vergrößerung der Fluideffekte. Mechanismen und Modelle, in welche ausschließlich makroskopische Gesteinsparameter ein- gehen, erfassen nicht die beobachteten Änderungen im Gesteinsverhalten. Nur mit dem auf die Gesteinsmikrostruktur bezogenen Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen konnten die Änderungen der Fluidwirkungen erklärt werden. Diese Ergebnisse an verändertem Gestein bieten somit einen direkten Beweis für den grundlegenden Einfluß der Mikrostruktur auf die seismischen Gesteinsparameter. Bislang war nicht geklärt, ob der Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen, welcher von der Existenz feiner Spalten im Gestein abhängt, auch unter erhöhtem hydrostatischen Druck das Gesteinsverhalten bestimmt. Zur Untersuchung der Absorptionsmechanismen in Gestein unter erhöhtem Druck wurden Experimente an Sandstein mit verschiedenen Saturanden und Sättigungsgraden durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass auch unter erhöhtem Druck fluidbedingte Absorptionsmechanismen wirksam sind und auch hier polare Fluide im gesamten Druckbereich eine Modulerniedrigung verursachen. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellvorhersagen ergab, daß lokale Flüssigkeitsströmungen den Einfluß unterschiedlicher Fluide auf Geschwindigkeit und Absorption erklären und auch unter hohem hydrostatischen Druck von wesentlicher Bedeutung für die elastischen und anelastischen Gesteinseigenschaften sind. Folglich existieren trotz einer partiellen Rißschließung auch unter hohem hydrostatischen Druck noch Risse und Spalten im Gestein. Die thermische Veränderung der Mikrostruktur eines Gesteins bewirkt eine Geschwindigkeitserniedrigung im trockenen Gestein, welche auch bei hohem hydrostatischen Druck erhalten bleibt, sowie eine Vergrößerung der Fluideffekte. Die Erklärung des geänderten Verhaltens des fluidhaltigen Gesteins gelang mit dem Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen. Die Ergebnisse an verändertem Gestein zeigen direkt, daß die Mikrostruktur auch bei hohem hydrostatischen Druck grundlegend für die seismischen Gesteinsparameter ist. Da auch unter erhöhtem hydrostatischem Druck, also unter ’in-situ’-Bedingungen, der frequenzabhängige Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen die seismischen Gesteinsparameterwesentlich beeinflußt, muß diese Frequenzabhängigkeit bei der Übertragung von Laborergebnissen auf die Feld- und Bohrlochseismik beachtet werden.

Description: Laboratory experiments in the ultrasonic frequency range and accompanying theoretical investigations were performed with the aim to clarify which absorption mechanisms are effective in fluid-containing sandstones at low uniaxial pressure (26 MPa) and at elevated hydrostatic pressure (up to 200 MPa). The knowledge of the effective absorption mechanisms is necessary to understand the relation of lithological and seismic rock parameters and to use it for the interpretation of seismic field measurements. Preceding investigations at the TU-Berlin had revealed that at low uniaxial pressure frequency dependent local-fluid-flow is the dominating absorption mechanism in fluid-containing rock and that polar fluids lead to a modulus reduction. Within the scope of the present study the investigations of the seismic rock parameters (velocity, attenuation) at low uniaxial pressure were continued. It was shown that the compressional wave velocity in fluid-containing rock is additionally influenced by a partial rock stiffening effect at higher saturations. With this result a complete explanation of the saturation dependent elastic and anelastic rock behaviour at low uniaxial pressure was achieved. To prove the significance of the rock microstructure (e.g. crack density, crack aspect ratios, grain contact properties) for the seismic rock parameters directly, the microstructure of a sandstone was artificially changed by thermal cracking. With negligible changes of the macroscopic rock parameters (porosity, permeability) the alteration of the microstructure leads to an increase of the fluid effects on the elastic and anelastic rock properties. Mechanisms and models which are solely based on macroscopic rock parameters do not cover the observed changes in the rock behaviour. Only by applying the mechanism of local-fuid-flow related to microstructure the changes in the fluid effects can be explained. Thus these results obtained on thermally changed rock are a direct prove of the fundamental influence of the microstructure on the seismic rock parameters. Until now it has not yet been clarified whether the mechanism of local-fluid-flow which depends on the existence of narrow cracks in rock also determines the rock behaviour under elevated hydrostatic pressure. To investigate the absorption mechanisms in rock under elevated pressure ultrasonic measurements were performed on sandstone with different saturands and degrees of saturation. The experimental results reveal that under elevated pressure fluid dependent attenuation mechanisms are effective too and polar fluids cause a modulus reduction in the entire pressure range. The comparison of the experimental results with model predictions reveals that local-fluid-flow explains the influence of different fluids on the velocity and attenuation and that this mechanism is of essential significance for the elastic and anelastic rock properties even under high hydrostatic pressure. Consequently despite a partial crack closure sufficient fine cracks exist even under high hydrostatic pressure. The thermal alteration of the microstructure of a rock leads to a velocity decrease in the dry rock which is preserved at high hydrostatic pressure, as well as to an increase of the fluid effects. The explanation of the changed behaviour of the fluid-containing rock was achieved by means of the mechanism of local-fluid-flow. The results obtained on altered rock directly demonstrate that the microstructure is of fundamental significance for the seismic rock parameters at high hydrostatic pressure too. Depending on the rock microstructure the mechanism of local-fluid-flow may cause attenuation and dispersion in all frequency ranges. Since it has been shown in this study that also under elevated hydrostatic pressure, i.e. under ’in-situ’conditions, this frequency dependent mechanism essentially influences the seismic rock parameters, the frequency dependence must be taken into account by extrapolating laboratory results to field and borehole seismic.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Es wurden verschiedene nichtlineare Optimierungsverfahren auf die Geometrieparameter von Dichtemodellen angewendet. Dabei waren diese mit Randbedingungen versehen. Ein Vergleich zeigte die Vor- und Nachteile der einzelnen Algorithmen. Anhand von zwei synthetischen Testfunktionen wurde das Verfahren Downhill-Simplex mit der (1,10)-CMA-ES verglichen. Das Simplexverfahren zeigte bei weniger als zehn Parametern ein besseres Konvergenz verhalten als die Evolutionsstrategie. Bei höheren Dimensionen konvergierte die Evolutionsstrategie deutlich besser, während Simplex bei mehr als 40 Parametern nicht mehr konvergierte. Die Evolutionsstrategie zeigt unabhängig von der Anzahl der Parameter logarithmische Konvergenzgeschwindigkeit. Die Evolutionsstrategie, genetische Algorithmen. Simulated-Annealing. Threshold-Accepting und der Deluge- Algorithm wurden danach anhand eines zweidimensionalen Salzstockmodells untersucht. Dabei wurden die Geometrieparameter optimiert und die Dichten des Modells konstant gehalten. Die 52 zu optimierenden Parameter wurden mit Randbedingungen versehen. Die (1,10)-CMA-ES benötigte im Durchschnitt die wenigsten Funktionsaufrufe und erreichte die besten Qualitäten. Ausgehend von verschiedenen Startmodellen konnten ähnliche Lösungen, welche alle sehr gute Qualitätswerte hatten, gefunden werden. Rekombination verbesserte die Konvergenzeigenschaften immer. Evolutionsstrategie war stabil gegenüber numerischen Variationen. Genetische Algorithmen konvergierten zu Beginn des Optimierungsprozesses schneller als alle anderen Verfahren, erreichten aber nie die von der Evolutionsstrategie gefundenen besten durchschnittlichen Qualitätswerte. Downhill-Simplex. Simulated-Annealing. Threshold-Accepting und der Deluge-Algorithm zeigten insgesamt schlechteres Konvergenzverhalten als die Evolutionsstrategie und die genetischen Algorithmen. Eine Anwendung der Evolutionsstrategie auf ein Salzstockmodell zeigte die Probleme der Optimierung in drei Dimensionen. Dennoch konnte das Modell in Hinblick auf die gravimetrische Anpassung deutlich verbessert werden.

Description: Various non-linear optimization techniques were applied to constrained geometry parameters of density models. A comparison showed advantages and disadvantages of each method. By means of synthetical test-functions the downhill-simplex-method has been compared to the (1,10)-CMA-ES. For numbers of parameters smaller ten. better convergence behaviour was achieved with the simplex-method. However, at higher dimensions evolution-strategy converges better than the simplex- met hod. Simplex does not converge for dimensions greater than 40. Independent of the number of parameters, the evolution-strategy showed a logarithmic convergence speed. The evolution-strategy, genetic algorithms, simulated annealing, threshold accepting and the deluge algorithm were investigated using a two-dimensional salt dome model. Here only the geometry of the model was optimized, the densities were held constant. The 52 parameters were constrained. In average the (1,10)-CMA-ES required the less function evaluations and gained the best qualities. Independent of the start configuration evolution-strategy found similar solutions, whose qualities were fairly good. Recombination always improved the results in terms of convergence behaviour. The evolution-strategy was stable against numerical variations. At the beginning of the optimization process genetic algorithms converge faster than all other methods, but they never reach the average quality values which were gained by evolution-strategy. In summary the simplex-method, genetic algorithms, simulated annealing, threshold accepting and the deluge algorithm showed worse convergence behaviour than evolution-strategy and genetic algorithms. An application of evolution-strategy to a three dimensional salt dome model showed the problems encountered in three dimensions. Despite this, in terms of gravity fit. the model could be improved noticeable.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In dieser Arbeit wird die elektrische Leitfähigkeit von Krustengesteinen während des partiellen Schmelzens mit der Verteilung der Schmelze im Gestein und dem Schmelzanteil als Funktion der Temperatur verglichen. Es wurden impedanzspektroskopische Messungen der elektrischen Leitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 600 und 1200°C durchgeführt. Die Messungen erfolgten bei Normaldruck und verschiedenen Sauerstoffugazitäten. Diese Messungen wurden mit den Ergebnissen von Schmelzexperimenten verglichen. Aus den Schmelzexperimenten wurden Informationen zur Verteilung der Schmelze im Gestein und zum Schmelzanteil in Abhängigkeit von der Temperatur gewonnen. Alle Untersuchungen wurden am gleichen Gestein unter den selben experimentellen Bedingungen durchgeführt. Während des partiellen Schmelzens gibt es einen sprunghaften Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit um ein bis zwei Größenordnungen. Dieser sprunghafte Anstieg kann mit der Bildung eines vollständigen Netzwerkes an Schmelze erklärt werden, wobei die Schmelzfilme als Leitungspfade wirken. Es konnte festgestellt werden, daß zur Ausbildung der Gleichgewichtsmorphologie während des partiellen Schmelzens sehr lange Zeiten erforderlich sind. Wird die elektrische Leitfähigkeit am Beginn des Schmelzens bei konstanter Temperatur als Funktion der Zeit gemessen, so treten erst nach mehr als 200 h keine Änderungen der Leitfähigkeit mehr auf. Mit Hilfe eines modifizierten Brick-Layer-Modells (MBLM) kann die elektrische Leitfähigkeit als Funktion des Schmelzanteils berechnet werden. Dieses Modell gilt für den Fall, daß die Schmelze ein vollständiges Netzwerk entlang von Komgrenzen bildet. Mit dem Modell und den Ergebnissen aus den Schmelzexperimenten konnten theoretische Kurven der elektrischen Leitfähigkeit berechnet werden, die mit den gemessenen Kurven der elektrischen Leitfähigkeit verglichen werden können. Obwohl bereits bei Beginn des Schmelzens die Komgrenzen von Schmelze benetzt werden, wird eine vollständige Vernetzung der Schmelze erst bei höheren Temperaturen und größeren Schmelzanteilen erreicht. Dies kann durch Abweichungen vom morphologischen Gleichgewicht in den partiell geschmolzenen Proben gedeutet werden. Die Ergebnisse stützen die Annahme, daß eine Zone hoher Leitfähigkeit unter den zentralen Anden durch große Mengen an Magma verursacht wird. Mit dem MBLM konnte abgeschätzt werden, daß ca. 20% Schmelze notwendig sind, um die im Gelände mit der Magnetotellurik gemessenen Leitfähigkeiten zu erklären.

Description: The purpose of the present work is to achieve a better understanding of rocks during partial melting. Therefore the electrical conductivity of crustal rocks during partial melting was compared to the distribution of melt in the rock sample and to the melt fraction as a function of temperature. Impedance spectroscopic investigations of the electrical conductivity were conducted at temperatures between 600 and 1200°C, normal pressure and at different oxygen fugacities. These measurements were compared with the results of melting experiments. The melting experiments were performed under the same experimental conditions and the same rock sample was used. The rock samples were equilibrated at the desired temperatures, quenched and investigated using thin sections. These melting experiments provide information about the distribution of melt in the rock sample and yield the melt fraction as a function of temperature. A strong increase in electrical conductivity of about two orders of magnitude is observed during partial melting. This increase could be explained by assuming the formation of an interconnected network of melt. The charge transport follows the network forming melt films at the grain boundaries. It could be established that the formation of steady state of a partially molten rock requires a long time. The conductivity was measured as a function of time at temperatures little above the solidus. Under these conditions constant conductivity values are found after 200 h.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Mit einer dreidimensionalen Vorwärtsmodellierung von Dichtestrukturen der Kruste und des oberen Mantels im Gebiet von 12°-35°S und 57°-79°W wird der regionale Trend des Schwerefelds und gleichzeitig das Geoid am aktiven Kontinentalrand Südamerikas zwischen 20° S und 29°S erklärt. Das Dichtemodell umfaßt die abtauchende Nazca-Platte, Teile des südamerikanischen Kratons, den Asthenosphärenkeil zwischen Unter- und Oberplatte und die Kruste der Zentralanden. Eine Vielzahl externer geowissenschaftlicher Randbedingungen schränkt die Dichteverteilung ein. Die Strukturierung der zentralandinen Kruste im Modell orientiert sich hauptsächlich an den Ergebnissen der Refraktionsseismik. Zur Ermittlung der Krustendichten wird eine druck- und temperaturabhängige Geschwindigkeits-Dichte-Beziehung (S. Sobolev) zur Anwendung gebracht. Neben der bekannten Berechnung der Schwerewirkung dreidimensionaler Dichteverteilungen erlaubt eine neuentwickelte Berechnung des Schwerepotentials nun auch die Modellierung des Geoids. Das Einbeziehen eines Referenzdichtemodells ermöglicht die Anpassung der berechneten Felder an die beobachteten Felder bei gleichzeitiger Verwendung von Absolutdichten. Verschiedene Dichtekontraste der abtauchenden Nazca-Platte gegenüber dem umgebenden Mantel sowie mögliche Dichtekontraste innerhalb des Slab, die sich aus Phasenumwandlungen der gesteinsbildenden Minerale ergeben, werden behandelt und ihre einzelnen Beiträge zum Schwerefeld und Geoid der zentralen Anden berechnet. Mit dem fertigen Gesamtmodell wird die Zusammensetzung des Schwerefeldes und des Geoids am aktiven Kontinentalrand Südamerikas analysiert und ihre Hauptbeiträge dargestellt. Die im Modell enthaltenen Strukturen erklären das regionale Schwerefeld und das Geoid vollständig. Daraus folgt, daß aus tieferliegenden Dichteinhomogenitäten, beispielsweise an der Grenze vom oberen zum unteren Mantel oder im unteren Mantel aufgrund einer möglichen isostatischen “in situ”-Kompensation keine weiteren Beiträge zu erwarten sind. Das Schwereminimum wird hauptsächlich durch eine bis auf 65km verdickte Kruste erklärt. Die Schweremaxima in der Küstenkordillere werden durch den Beitrag des Slab und eine Zone erhöhter Dichte in mittlerer Krustentiefe verursacht. Eine anomale VΡ-ρ-Beziehung unter dem rezenten Arc läßt dort partielle Aufschmelzung vermuten. Eine Untersuchung des Schwimmgleichgewichts des Modells ergibt isostatische Unterkompensation (= Massenüberschuß) im Bereich der Küstenkordillere und der Ostkordillere sowie isostatischen Ausgleich bis leichte Überkompensation im Bereich der Westkordillere und des Altiplano bzw. der Puna.

Description: A three-dimensional foreward modelling of the density structures of the crust and the upper mantle in the region between 12°-35°S and 57°-79°W explains both the regional trend of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America from 20°S to 29°S. The density model comprises the downgoing Nazca plate, parts of the South American craton, the asthenospheric wedge between lower and upper plate, and the crust of the Central Andes. A large number of external geoscientific boundary conditions constrains the density distribution. The Central Andean crust of the model is structured according to the results of refraction seismic studies. A pressure and temperature dependent velocity- density relation (S. Sobolev) is applied to determine densities within the crust. Apart from the well known calculation of the gravity effect of three-dimensional density distributions, a recently developped calculation of the gravity potential now allows the modelling of the geoid. Using absolute densities, the fitting of the calculated fields to the observed fields is realized by the application of a reference density model. Several density contrasts of the subducting Nazca plate against the surrounding mantle and possible density contrasts inside the slab resulting from mineral phase transitions are discussed and their particular contributions to the Central Andean gravity field and the geoid are calculated. Using the complete model, the composition of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America is analyzed and the main contributions are visualized. The model structures explain both regional gravity field and geoid completely. This implies that density inhomogeneities at greater depth than presented in the model, e. g. at the interface between the upper and the lower mantle or in the lower mantle are not expected to have effects at the surface due to possible isostatic “in situ” compensation. The gravity minimum is generally explained by a crust thickened to 65 km maximum. The gravity highs in the Coastal Cordillera are caused by the contribution of the slab and a zone of increased density in mid crustal layers. An anomalous VΡ-ρ- relation beneath the recent arc implies partial melt. The investigation of the isostatic state of the density model results in isostatic undercompensation (= mass surplus) in the region of the Coastal Cordillera und the Eastern Cordillera, and isostatic equilibrium to slight overcompensation in the Altiplano/Puna region.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Mit dem Ziel, aktuelle Arbeitshypothesen zum geologischen Aufbau der Südural-Lithosphäre zu überprüfen, wird das Schwerefeld im Bereich des Südurals mit folgenden gravimetrischen Methoden untersucht: • Numerische Analyse des Schwerefeldes mit Hilfe von Tiefenabschätzungen, Wellenlängenfilterungen und des Parker- Algorithmus sowie • zwei- und dreidimensionale Dichtemodellierungen. Im Vergleich mit dem hauptsächlich eingesetzten Verfahren zur Dichtemodellierung kann festgestellt werden, daß direkte gravimetrische Auswerteverfahren, wie z.B. die Wellenlängenfilterung, für komplizierte geologische Strukturen dem indirekten Auswerteverfahren mittels Dichtemodellierung weit unterlegen sind. So ist es z.B. mit der Wellenlängenfilterung nicht möglich, langwellige negative Schwerewirkungen der paläozoischen Sedimente von den bivergenten Unterkrustenstrukturen zu trennen. Auch mit variablen Dichtekontrasten bezüglich des Krusten-Mantel-Übergangs bei der Anwendung des Parker-Algorithmus ist es nicht möglich, die Schwerewirkung dieser Grenzfläche im gesamten Untersuchungsgebiet abzuschätzen. Die Verbindung und Interpretation aller verfügbaren Randbedingungen aus der Reflexions- und Refraktionsseismik sowie den zur Verfügung stehenden Datensätzen zur Sedimentbedeckung und Moho-Tiefe führt zu komplexen dreidimensionalen Dichtemodellen der Südural-Lithosphäre. Diese führen mit den derzeit verfügbaren Ergebnissen über die strukturellen und physikalischen Eigenschaften der Südural-Lithosphäre im Bereich von 52° - 65° O und 50° - 55,5° N auf zwei gleichberechtigt nebeneinanderstehende Dichtemodelle: 1. Das Dichtemodell 1 beruht auf einer bis in 90 km Tiefe subduzierten osteuropäischen Unterkruste, die massiv eklogitisiert wurde (Dichte 3,55 g /cm3 ). Die Ursache für diese Dichteinterpretation sind geringe Dichten im Bereich der bivergenten geologischen Strukturen der Unterkruste in 24 bis 42 km Tiefe. Diese bivergenten Strukturen sind ebenso die Folgen einer fossilen Subduktion. 2. Im Dichtemodell 2 bildet eine unter dem Orogen liegende osteuropäische Unterkruste eine Krustenverdickung, in deren Folge die Krustenmächtigkeit bis zu 60 km erreicht. Während der Delamination der Unterkruste muß ebenfalls eine Eklogitisierung stattgefunden haben. Das Dichtemodell 2 basiert auf höheren Dichten der bivergenten geologischen Strukturen innerhalb der Unterkruste als im Dichtemodell 1. Eine Gebirgswurzel mit einem deutlichen Kontrast zwischen Kruste und Mantel existiert nicht im Südural. Es wird eine Übergangszone mit Dichtegradienten modelliert. Dieser Dichtegradient kann auf Eklogitisierung des Unterkrustenmaterials beruhen und könnte somit auch die Ursache für das Ausbleiben von seismischen Reflektoren sein. Mit beiden Dichtemodellen werden auch Geoidundulation und Magnetfeld berechnet und deren Wirkung mit der Geoidundulation und dem aeromagnetischen Residualfeld verglichen. Der Vergleich ergibt für die Geoidundulation und das aeromagnetische Residualfeld im langwelligen Anomalienbereich em befriedigendes Ergebnis. Die auf der Interpretation der Bouguer-Schwere beruhenden Dichtemodelle 1 und 2 lassen folgende Schlußfolgerungen zum Aufbau der Lithosphäre im Südural zu: • Die bivergenten Strukturen vor allem im unteren Krustenbereich der Südural-Lithosphäre verursachen langwellige negative Schwereanteile. Zu diesen Strukturen gehören: - die nach Osten einfällende osteuropäische Kruste, - der Falten- und Überschiebungsgürtel im Westural, - die nach Westen einfällenden Strukturen des Ost- und Transurals sowie des kasachischen Terrans. • Eine durch Obduktion in der Oberkruste eingelagerte ozeanische Kruste erzeugt in der Magnitogorsk Zone eine positive kurzwellige Schwereanomalie, die die negativen Schwerewirkungen der darunter befindlichen Strukturen überlagert. • Die negative! Schwerewirkung im Bereich der Voruralsenke ist auf die Schwerewirkung der paläozoischen Sedimentbedeckungen zurückzuführen. Die Untersuchungen zum isostatischen Verhalten der Südural-Lithosphäre zeigen, daß keine klassischen isostatischen Modelle den isostatischen Zustand des Gebirges erklären können, da eine gering ausgeprägte Topographie im Bereich des West- und Zentralurals um 50 bis 100 km nach Westen versetzt ist gegenüber der Krustenverdickung im Bereich der Magnitogorsk und Osturalzone. Mit einem modifizierten Verfahren werden Airy-, Pratt- und Vening-Memesz-Modell miteinander kombiniert. Zunächst wird der lokale isostatische Ausgleich mit Hilfe der Auflastverteilung und -kompensation aus den komplexen Dichtemodellen der Südural-Lithosphäre abgeleitet (Airy- und Pratt-Modell). Um die von den Dichtemodellen nicht mehr kompensierten Masseninhomogenitäten im Zusammenhang mit der Rigidität der Lithosphäre betrachten zu können, werden sie in eine ’’topographische” Auflast zurückgerechnet. Anschließend wird in einem Vening-Meinesz-Modell der regionale isostatische Ausgleich für diese zurückgerechnete ’’topographische” Auflast berechnet. Nur unter Berücksichtigung einer hohen Rigidität der Lithosphäre (3,8 • 1024 Nm) befinden sich beide vorgestellten Dichtemodelle im isostatischen Gleichgewicht. Dies ist offensichtlich auch ein wesentlicher Grund dafür, daß sich die geologischen Strukturen in ihrer vertikalen Position seit der Unteren Trias nicht mehr geändert haben.

Description: I investigate the gravity field in the southern Urals in order to test current hypotheses on the lithospheric structure in this area. My approach to this problem includes the following gravimetric methods: • numerical analyses of the gravity field by means of depth estimations, wavelength filtering and application of the Parker algorithm • two- and three-dimensional density modelling. In contrast to the mainly used density modelling, inverse gravity methods (e.g. wavelength filtering) are not successful at resolving the complex geological structures in this area. For example, I am not able to separate the long-wavelength components of the gravity field from Paleozoic sediments and bi-vergent structures in the lower crust. Estimating the gravity effect of the crust-mantle boundary in the study area, using the Parker-algorithm, is not possible due to its variable density contrast. Data from seismic reflection and refraction surveys and other information relating to the sedimentary cover and Moho depth have been used in the construction of complex three-dimensional density models for the southern Urals’ lithosphere. Incorporating the available details on the structural and physical properties of the southern Urals’ lithosphere in the region between 52° - 65° E and 50° - 55, 5° N, two alternative density models are derived: 1. The density model 1 is based on an East European lower crust which could have been subducted to 90 km depth and eclogitized to a density value of 3.55 g/cm3 . The low density values in the bi-vergent geological structures of the lower crust (from 24 till 42 km depth) overlie a high density body in the upper mantle. These bi-vergent geological structures may be remnants of a fossil subduction setting. 2. In the density model 2, crustal thickening is caused by the East European crust underlying the orogen. The crustal thickness is 60 km. During delamination, the East European lower crust may have been eclogitized. The density model 2 is based on higher density values for the bi-vergent geological structures within the lower crust than in the density model 1. A crustal root, having a significant density contrast between crust and mantle, does not exist in the southern Urals. Using a density gradient, a transition zone is modelled. This density gradient is inferred to be due to eclogitized material in the lower crust. The increasing density could be the cause for the lack of seismic reflectors. The geoid undulation and the magnetic field are calculated for both density models. The results compare satisfactorily with the long- wavelength components of the observed geoid undulation and aeromagnetic residual field. Based on the interpretation of the Bouguer gravity, density models 1 and 2 reveal implications concerning the lithospheric fabric of the southern Urals: • The bi-vergent structures, particularly in the lower crust of the southern Urals’ lithosphere, cause long-wavelength gravity lows. There are following structures: ─ the East European crust dipping to the east, ─ the foreland fold and thrust belt located in the western Urals, ─ the westward-dipping structures of the eastern and Trans-Urals as well as the Kazakhstan terrain. • The obducted oceanic crust in the upper crust of the Magnitogorsk zone causes positive short-wavelength gravity anomalies which are superimposed on the long-wavelength negative gravity effects of the structures located beneath. • Negative gravity anomalies in the area of the Pre-Uralian Foredeep are associated with the gravity effects of the paleozoic sedimentary cover. The investigations into the isostatic behaviour of the southern Urals’ lithosphere show that no classic isostatic model is able to explain the isostatic state of the orogen. The moderate topography in the area of the West and Central Urals is shifted by 50 to 100 km to the west, relative to the largest crustal thickness beneath the Magnitogorsk and East Uralian Zone. A modified method combines the Airy-, the Pratt- and the Vening-Meinsz models. Firstly the local isostatic balance is inferred from the load distribution and the load compensation using the complex density models of the southern Urals’ lithosphere (Airy- and Pratt-model). In order to consider the non-compensated mass inhomogeneities of the density models according to the flexural rigidity of the lithosphere, the non-compensated mass inhomogeneities are recalculated to a ’’topographic” load. Next, the regional isostatic balance as a Vening-Meinesz-model is calculated for the recalculated ’’topographic” load. When allowance is made for the high flexural rigidity of the lithosphere (3.8 • 1024 Nm), both density models presented here are in isostatic balance. Obviously this is the main reason why the geological structures have not changed their vertical position since the Lower Triassic time.

Description: Целью данной работы является проверка существующих моделей строения литосферы Южного Урала по гравиметрическим данным. Для этого исрользуются методы численного анализа гравитационного поля, основанные на: • эмпирической оценке глубин источников аномалий, частотной фильтрации, методе Паркера и • прямом гравитационном моделировании литосферы (двух- и трехмерном). В отличие от обычно используемой технологии гравитационного моделирования, такие методы, как, например, частотная фильтрация не могут быть использованы в данном случае. Невозможно разделить влияние длинноволновых компонент гравитационного поля, обусловленных влиянием палеозойских осадочных отложений и наклоненных слоев нижней коры ц обеих сторон Урала. Также неправомерно использовать алгоритм Паркера для оценки влияния границы между корой мантией вследствие переменного перепада плотности на ней. Включение в анализ доступных опорных данных, основанных на результатах сейсмических методов с использованием отраженных и преломленных волн, данных об осадочном чехле и положении границы Мохо приводит к созданию комплексной плотностной модели литосферы Южного Урала. Использование всех существующих данных о структуре и физических свойствах литосферы Южного Урала в пределах 52° - 65° Е и 50° - 55,5° N позволило построить две эквивалентные плотностные модели: 1. Первая плотностная модель основана на представлении о том, что нижняя кора Восточно-Европейской платформы погружается на глубину 90 кт, при этом происходит эклогитизация её вещества с увеличением плотности до 3,55 g/cm3. Таким образом, наклоненные с обеих сторон блоки нижней коры ответственны за существование высокоплотного тела в верхней мантии. На глубинах 24 - 42 km они характеризуются сравнительно низкими значениями плотностей. Существование этих блоков может быть объяснено также как результат обычной субдукции. 2. Согласно второй модели, утолщение коры объясняется поддвигом под ороген коры Восточно-Европейской платформы. Толщина коры достигает 60 кт. Вследствие деламинации, часть её также должна быть эклогитизирована. Во второй модели значения плотностей наклоненных блоков нижней коры существенно больше, чем в пербой. Копень коры с существенным перепадом плотности под Южным Уралом отсутствует. Вместо этого мы используем при моделировании переходную зону с некоторым градиентом плотности. Этот градиент может быть оценен в предположении об эклогитизации нижней коры. Непрерывное увеличение плотности может быть связано с отсутствием отражающих горизонтов на этих глубинах. Ундуляции геоида и вариации магнитного поля были рассчитаны для обоих моделей и сопоставлены с наблюденными значениями геоида и аэромагнитными измерениями. Оказалось, что удовлетворительное соответствие наблюдается только для длинноволновых аномалий. Таким образом, основанные на интерпретации аномалий Буге плотностые модели 1 и 2 позволяют сформулировать следующие выводы о строении литосферы Южного Урала: • наклоненные в сторону Урала структуры коры, в особенности нижней, ответственны за существование длинноволнового гравитационного минимума. К ним можно отнести: ─ погружающуюся на Восток Восточно-Европейскую платформу, ─ предгорный складчатый пояс Южного Урала, ─ заглубленные в западном напрвлении структуры Восточный зоны, Трансуральской зоны и Казахстанского террэйна. • Фрагмент океанической коры, находящийся вблизи от поверхности в Магнитогорской зоне, вызывает сравнительно коротковолновую положительную аномалию гравитационного поля, которая наложена на длинноволновую отрицательную аномалию, обусловленную структурами, располагающимися ниже. • Отрицательная аномалия в районе Предуральского прогиба может быть объяснена за счёт гравитационного эффекта палеозойского осадочного чехла. Исследование изостатического состояния литосферы Южного Урала показывает, что классические изостатические модели не позволяют объяснить изостазию этого горного массива. Современная топография Западного и Центрального Урала смещена на 50 - 100 кт к западу по отношению к самому глубокому корню коры. Модифицированный метод соединяет изостатические модели Эри, Пратта и Вейнинг-Мейнеса. Первоначально, локальный изостатический баланс оценивается на основании данных о нагрузке и её компенсации в соответствие с построенной комплексной моделью литосферы Южного Урала (модели Эри и Пратта). Для того, чтобы оценить сумму нескомпенсированных плотностных неоднородностей, поддерживаемых за счёт жесткости литосферы, эти неоднородности пересчитываются в ” топографическую” нагрузку. Затем, для этой нагрузки рассчитывается региональная изостатическая компенсация в соответствие со схемой Вейнинг-Мейнеса. Обе рассмотренные плотностные модели могут считаться изостатически сбалансированы только в предположении о высокой эффективной жесткости литосферы (3,8 • 1024 Nm). Очевидно, это является также основной причиной того, что эти геологические структуры не претерпели существенных вертикальных движений со времени позднего Триаса.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen