ALBERT

Description: This study presents the mathematical framework and experiments to achieve an orbit and clock combination using Multi-GNSS products. Over the past years, the International GNSS Service (IGS) has been putting efforts into extending its service by setting up and running the Multi-GNSS Experiment and Pilot Project (MGEX). Several MGEX Analysis Centers (ACs) contribute by providing solutions containing not only GPS and GLONASS but also Galileo, BeiDou, and QZSS. As the current IGS combination software can only handle one constellation at a time, obtaining a consistent MGEX orbit and clock product requires substantial modifications. Therefore is presented a least-squares framework for a Multi-GNSS orbit and clock combination, where the weights used to combine the ACs’ products are determined by least-squares variance component estimation. Two different weighting strategies are proposed and discussed: AC specific weights or AC and constellation specific weights. An automated Z-score test is implemented, yielding a common set of core satellites that are used to determine the weights. Both strategies are tested using MGEX orbit and clock solutions for a period of two and a half years, where the two data processing yielded similar results. The agreement with the ACs’ orbits is around one centimeter level for GPS and up to a few centimeters for the other constellations. The 3D-RMS is generally slightly better with the AC and constellation weighting. As a validation of the strategies, a comparison of our combination approach with the official IGS combination using three years of GPS and GLONASS orbits shows an agreement of better than 5 mm and 12 mm for GPS and GLONASS, respectively. An external validation using Satellite Laser Ranging (SLR) shows that the mean residuals of our combined products are around −3 mm for Galileo, 6 mm for GLONASS, −8 mm for BeiDou, and −31 mm for QZSS. For the clock products, the agreement with the IGS final product is around 32 ps and the Precise Point Positioning (PPP) analysis showed that the combined product agrees with the residuals of the ACs with values of less than 10 mm. The MGEX clock combination showed that most of the ACs agreement is below 80 ps for GPS and Galileo, and for the other constellations, the values are more sparse. In addition, it is noted that SHA and JAX presented big discrepancies compared with the other ACs. The validation is performed again in comparison IGS official combination where the agreement with the presented solutions is around 32 ps. A PPP processing is also performed using the combined solutions, showing the suitability of the products. The ACs products from the IGS third reprocessing campaign are also used as input in the combination and discussed. Finally, an extension of the orbit combination is done for the combination of Low Earth Orbit (LEO) satellites. The results show that the proposed combination can deliver reliable products following the standards of the IGS.

Description: Diese Studie stellt den mathematischen Rahmen und die Experimente vor, um eine Kombination von Umlaufbahn und Uhr mit Hilfe von Multi-GNSS-Produkten zu erreichen. In den letzten Jahren hat der International GNSS Service (IGS) Anstrengungen unternommen, um seinen Dienst durch die Einrichtung und Durchführung des Multi-GNSS-Experiment- and Pilot Project (MGEX) zu erweitern. Mehrere MGEX Analysis Centers (ACs) tragen dazu bei, indem sie Lösungen anbieten, die nicht nur GPS und GLONASS, sondern auch Galileo, BeiDou und QZSS enthalten. Da die derzeitige IGS-Kombinationssoftware jeweils nur eine Konstellation verarbeiten kann, sind für den Erhalt eines konsistenten MGEX-Bahn und Uhrenprodukts erhebliche Änderungen erforderlich. Daher wird ein Least-Squares-Rahmen für eine Multi-GNSS-Bahn- und Uhrenkombination vorgestellt, bei dem die zur Kombination der AC-Produkte verwendeten Gewichte durch eine Least-Squares-Varianzkomponentenschätzung bestimmt werden. Es werden zwei verschiedene Gewichtungsstrategien vorgeschlagen und diskutiert: AC-spezifische Gewichte oder AC- und konstellationsspezifische Gewichte. Es wird ein automatischer Z-Score-Test durchgeführt, der einen gemeinsamen Satz von Kernsatelliten ergibt, die zur Bestimmung der Gewichte verwendet werden. Beide Strategien werden anhand von MGEX-Bahn- und Uhrenlösungen über einen Zeitraum von zweieinhalb Jahren getestet, wobei die beiden Datenverarbeitungen ähnliche Ergebnisse erbrachten. Die Übereinstimmung mit den Bahnen der ACs liegt bei GPS bei etwa einem Zentimeter und bei den anderen Konstellationen bei bis zu einigen Zentimetern. Der 3D-RMS ist im Allgemeinen etwas besser mit der AC- und Konstellationsgewichtung. Zur Validierung der Strategien zeigt ein Vergleich unseres Kombinationsansatzes mit der offiziellen IGS-Kombination unter Verwendung von GPS- und GLONASS-Umlaufbahnen aus drei Jahren eine Übereinstimmung von besser als 5 mm und 12 mm für GPS bzw. GLONASS. Eine externe Validierung mittels Satellite Laser Ranging (SLR) zeigt, dass die mittleren Residuen unserer kombinierten Produkte bei etwa −3 mm für Galileo, 6 mm für GLONASS, −8 mm für BeiDou und −31 mm für QZSS liegen. Bei den Uhrenprodukten liegt die Übereinstimmung mit dem IGS-Endprodukt bei etwa 32 ps, und die Analyse der präzisen Precise Point Positioning (PPP) ergab, dass das kombinierte Produkt mit den Residuen der ACs mit Werten von weniger als 10 mm übereinstimmt. Die MGEX-Uhrenkombination zeigte, dass die meisten ACs unter 80 ps für GPS und Galileo übereinstimmen, und für die anderen Konstellationen sind die Werte spärlicher. Darüber hinaus ist festzustellen, dass SHA und JAX im Vergleich zu den anderen ACs große Diskrepanzen aufweisen. Die Validierung erfolgt wiederum im Vergleich mit der offiziellen IGS-Kombination, bei der die Übereinstimmung mit den vorgestellten Lösungen bei etwa 32 ps liegt. Eine PPP-Verarbeitung wird ebenfalls unter Verwendung der kombinierten Lösungen durchgeführt, was die Eignung der Produkte zeigt. Die ACs-Produkte aus der dritten IGS-Reprocessing-Kampagne werden ebenfalls als Input für die Kombination verwendet und diskutiert. Schließlich wird eine Erweiterung der Orbit-Kombination für die Kombination von Low Earth Orbit (LEO)-Satelliten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Kombination zuverlässige Produkte gemäß den Standards des IGS liefern kann.

Description: Source rocks for oil and gas, and reservoir rocks represent two key elements of every petroleum system. Evaluating individual plays significantly benefits from an enhanced understanding of all processes that interact during the lifetime of petrogenic fluids. In particular, establishing relationships among oils and between oils and related source rocks can be challenging when geochemical signatures of all components show high similarities with some spatial and temporal variations. Furthermore, organic-inorganic interaction within carbonate reservoirs due to the effects of aqueous fluids on reservoir quality are yet poorly understood. In this thesis, both topics were investigated on (i) a petroleum system in the Western Desert area of Egypt and (ii) on Cretaceous carbonate reservoirs in the Central Oman basins from a modern analytical perspective together with various conventional geochemical methods, and the analysis of stable carbon and hydrogen isotopes of organic molecules. Principally, a petroleomic approach conducting high-resolution Fourier transform-ion cyclotron resonance-mass spectrometry (FT-ICR-MS) allowed recognizing minute geochemical differences. (1) The northern area of the Western Desert of Egypt hosts crude oils in different stratigraphic levels, mainly in Cretaceous strata, which likely derived from multiple sources given the variety of geochemical signatures. Five oil families were identified based on phenolic content, isotope patterns, polar (ESI-N), and low-polarity Ox-containing compounds (APPI-P). For further differentiation, a novel maturity-related molecular ratio was established, based on the increasing abundances of aromatic hydrocarbons with 10 and 13 double bond equivalents (DBEs) relative to the 7 DBE species with thermal maturity. This parameter efficiently covers the maturity range between 0.78 and 1.0 % vitrinite reflectance equivalent (VRe). The source resolution that was principally achieved using FT-ICR-MS highlights the importance of this petroleomics technique for studying petroleum systems with small compositional variability. (2) Cretaceous carbonate reservoirs of the lower Shuaiba Formation in Central Oman exhibit higher porosities and permeabilities in the topmost reservoir zone than in the underlying reservoir compartments. This yet open feature offered potential to study whether organic-inorganic interactions during petroleum emplacement which led to carbonate dissolution and porosity enhancement. The results of this study demeonstrated that depositional and early diagenetic conditions were the major controls on the lateral and vertical porosity distribution in the Shuaiba reservoir. Two successive depositional cycles led to a dissolution-susceptible grain-rich facies overlying a muddy facies, which significantly influenced the vertical variation in pore geometries. An early diagenetic fingerprint includes moderate karstification indicated by a thin film cement on carbonate clasts forming a meniscus pattern at the topmost Shuaiba carbonates during subaerial exposure in the study area. Three different oil families occur in the A, B, and C oilfields, and represent the central Oman Q, the South Oman Huqf, and the north Oman Huqf oil families, respectively. Results about biomarkers and their stable carbon isotopic composition suggest that these fluids were likely sourced from late Precambrian-Cambrian Tasmanite-rich carbonate source rocks. A number of 77 samples studied across the water leg into oil columns in the fields A, B, and C reflects a homogeneous composition toward the oil-water contact (OWC) and the water leg. The consistency in the saturated hydrocarbons concentration and ratios of isoprenoid/n-alkanes (〈1), pristane/phytane, and 9-methylphenanthrene (9-MP)/1-methylphenanthrene (1-MP) indicate that the Shuaiba reservoir is free of biodegradation. Thus the expected alteration due to bioactivity was excluded to cause an imbalance in the hydrogeological system (e.g., drop in pH, etc.) of the reservoir. Alternatively, the corrosive environment created by the petroleum accumulation that might increase porosity through extensive organic-inorganic interactions leading to carbonate dissolution was further considered. In such case, hydrolytic disproportionation caused by water phase -in the absence of mineral oxidants- may also represent an effective factor of generating acidic alteration products such as, CO2 and carboxylic acids. A late diagenetic event has been recorded from the Lower Shuaiba reservoir during the emplacement of hydrocarbons and the associated high-temperature aqueous fluids, which caused fluid-rock interactions during the mixing and cooling processes leading to a reduction in porosity. In the presence of formation water the petroleum emplacement caused; (a) dolomitization of reservoir rock, (b) hydrolysis of hydrocarbons and generation of acidic components that led to calcite dissolution and precipitation at the underlying reservoir compartments either by a higher pH due to increasing water saturation or mud content indicated by the precipitation of carbonate mud only at the OWC in shallower reservoirs, and (b) simultaneous precipitation of sulfide and calcite during thermochemical sulfate reduction. In water-dry reservoirs, the cooling of the hot aqueous fluid associated with petroleum caused; (a) recrystallization of the reservoir rock matrix and (b) porosity reduction by the precipitation of the suspended carbonate material in pore cavities which formed by the incoming aqueous fluids along migration pathways as well as the precipitation of sulfide and calcite by the thermochemical sulfate reduction mechanism in deeper reservoirs. Furthermore, the pattern of a cross-cutting vuggy pore-system enabled sulfide mineralization, and suggests that the emplacement of the mixture of a mineralizing fluid and associated hydrocarbons occurred later than the preserved early diagenetic porosity. Hence, different diagenetic processes and associated fluid-rock interactions can be unraveled by a multi-analytical approach using petrography of reservoir mineralogy besides organic geochemical analyses of the reservoir oil. In summary, this thesis provides results of interdisciplinary molecular geochemical investigations that enable the identification of five petroleum systems with five different oil families in various northern Western Desert basins. Such approach particularly in the Shushan Basin enabled an unravelling of oil-oil and oil-source correlations despite small compositional variability of oil and related source rock extracts. These accurate molecular investigations are afforded by combining results from FT-ICR-MS and stable isotopes of organic compounds together with imaging results. As a results, the key controls were identified causing a higher reservoir quality at the topmost zone of the lower Shuaiba Formation, as well as further organic-inorganic interactions which modify the reservoir properties of carbonate reservoirs.

Description: Mutter- und Speichergestein für Öl und Gas stellen zwei Schlüsselelkomponenten in jedem Erdölsystem dar. Eine Evaluierung einzelner Erdölvorkommen profitiert erheblich von einem besseren Verständnis aller interagierenden Prozesse, die in einem Erdölsystem unter Beteiligung unterschiedlicher Fluide ablaufen. Insbesondere Öl-Öl- und Öl-BitumenKorrelationen sind komplexe Fragestellungen, wenn die organo-geochemische Zusammensetzung der Fluide sehr ähnlich sind und räumlich und zeitlich nur leichte Variationen aufweist. Darüber hinaus sind die organisch-anorganischen Wechselwirkungen in Karbonatlagerstätten aufgrund der Auswirkungen wässriger Fluide auf die Lagerstättenqualität noch nicht ausreichend erforscht. In dieser Arbeit wurden beide Themen untersucht am Beispiel (i) eines Erdölsystems in Ägypten und (ii) an karbonatischen Lagerstätten aus der Kreidezeit im zentralen Oman-Becken mit Helfe einer modernen analytischen Herangehensweise untersucht, bei der neben der Gesamtzusammensetzung auch einzele Biomarker und deren stabile Kohlenstoff- und Wasserstoffisotope-Signaturen analysiert wurden. Der Einsatz der hochauflösenden FourierTransformations-Ionenzyklotron-Resonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), ermöglichte heir die Erkennung kleinster geochemischer Unterschiede („Petroleomics“). (1) Im nördlichen Gebiet der westlichen Wüste Ägyptens befinden sich Erdöle in verschiedenen stratigraphischen Schichten, hauptsächlich aus der Kreidezeit, deren unterschiedliche Zusammensetzung auf verschiedene Muttergesteine hindeutet. Fünf Ölfamilien wurden anhand des Phenolgehalts, der Kohlenstoffisotopensignatur der n-Alkane, sowie der Zusammensetzung der aciden (ESI-N) und der niedrigpolaren (APPI-P) sauerstoffhaltigen Verbindungen identifiziert. Zur weiteren Differenzierung wurde ein neuer Reifeparameter entwickelt, der auf der mit zunehmender thermischen Reife zunehmenden Häufigkeit von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit 10 und 13 Doppelbindungsäquivalenten (DBE) relativ zu den 7 DBE-Spezies basiert. Dieser Parameter deckt den im untersuchten Probensatz abgedeckten Reifebereich von 0,7 bis 1,0 % berechneter Vitrinit-reflexion (VRe) effizient ab. Die Identifizierung der unterschiedlichen Herkunft der Öle, die hauptsächlich mit FT-ICR-MS erreicht wurde, unterstreicht die Bedeutung dieser petroleomischen Technik für die Untersuchung von Erdölsystemen mit geringer Variabilität in der Zusammensetzung. (2) Kretazische Karbonatreservoire in der unteren Shuaiba Formation in Zentral-Oman weisen in der obersten Lagerstättenzone höhere Porositäten und Permeabilitäten auf als in den Zusammenfassung VIII darunter liegenden Kompartimenten. Dies kann mit organisch-anorganischen Wechselwirkungen während der Erdöleinlagerung erklärt werden, die zur Auflösung von Karbonat und damit zur Erhöhung der Porosität führten. Ablagerungs- und frühe diagenetische Bedingungen haben die laterale und vertikale Porositätsverteilung in den Shuaiba-Lagerstätten maßgeblich beeinflusst. Zwei aufeinanderfolgende Ablagerungszyklen führten zu einer auflösungsanfälligen, kornreichen Fazies, die von einer schlammigen Fazies überlagert wird, was zu einer erheblichen vertikalen Variation der Porengeometrien führte. Ein früher diagenetischer Fingerabdruck umfasst eine mäßige Verkarstung der obersten ShuaibaKarbonate während einer Verlandungsphase im Untersuchungsgebiet, die durch einen dünnen Filmzement auf Karbonatklasten angezeigt wird, der ein Meniskusmuster bildet. In den Ölfeldern A, B und C befinden sich die drei Ölfamilien Zentral-Oman Q, SüdOman Huqf bzw. Nord-Oman Huqf. Die Ergebnisse zu den Biomarkern und der stabilen Kohlenstoff-Isotopenzusammensetzung der n-Alkane deuten darauf hin, dass diese Fluide wahrscheinlich aus spätpräkambrischen bis kambrischen tasmanitreichen karbonatischen Muttergesteinen mit niedrigem Reifegrad stammen. Die Untersuchung von 77 untersuchten Proben aus den Ölsäulen in den Feldern A, B und C zeigt eine homogene Zusammensetzung in Richtung des Öl-Wasser-Kontakts (OWC) und auch darunter. Die unveränderten Konzentrationen an gesättigten Kohlenwasserstoffen und die Verhältnisse von Isoprenoiden zu n-Alkanen (〈1), Pristan zu Phytan und 9-Methylphenanthren (9-MP) zu 1-Methylphenanthren (1-MP) deuten darauf hin, dass in der Shuaiba-Lagerstätte kein biologischer Abbau durch Mikroorgansimen stattgefunden hat. Somit kann ausgeschlossen werden, dass das hydrogeologische System im Reservoir Alterationen (wie z. B. ein Absinken des pH-Werts usw.) hervorgerufen hat. Alternativ kann die bei der frühen Erdölanreicherung entstehende korrosive Umgebung die Porosität durch umfangreiche organisch-anorganische Wechselwirkungen erhöhen und zur Karbonatauflösung führen, z.B. durch die hydrolytische Disproportionierung durch die Wasserphase, die in Abwesenheit von mineralischen Oxidationsmitteln zur Bildung saurer Alterationsprodukte wie CO2 und kurzkettigen organischen Säuren führen kann. In der unteren Shuaiba-Lagerstätte wurde während Befüllung mit Kohlenwasserstoffen und heißen wässrigen H Lösungen die Porosität reduziert, was Resultat von Mischungs- und Abkühlungsprozessen war. Das Vorhandensein von Formationswasser während der Einlagerung von Kohlenwasserstoffen bewirkte somit einerseits die Dolomitisierung des Lagerstättengesteins. Andererseits wurden durch die Hydrolyse von Kohlenwasserstoffen Zusammenfassung IX saure Komponenten erzeugt, die zur Kalzitauflösung und -ausfällung in den darunter liegenden Lagerstättenkompartimenten führen, entweder durch einen höheren pH-Wert oder durch einen höheren Schlammgehalt, der durch die Ausfällung von Karbonatschlamm nur im OWC in flacheren Lagerstätten angezeigt wird. Ein weiterer Faktor war die gleichzeitige Ausfällung von Sulfid und Kalzit während der thermochemischen Sulfatreduktion. In trockenen Lagerstättenbereichen führte die Abkühlung nachträglich infiltrierter heißer wässrigen Flüssigkeit zu (a) einer Rekristallisation der Gesteinsmatrix, und (b) einer Verringerung der Porosität durch die Ausfällung des suspendierten Karbonatmaterials, das von den einströmenden wässrigen Flüssigkeiten gelöst und entlang der Migrationspfade transportiert wurde, sowie durch die Ausfällung von Sulfid und Calcit durch thermochemische Sulfatreduktion in tieferen Lagerstätten. Darüber hinaus deutet das Muster eines quer verlaufenden, von einer Sulfidmineralisierung eingeschlossenen Porensystems darauf hin, dass die Einlagerung des Gemischs aus einem mineralisierenden Fluid und assoziierten Kohlenwasserstoffen später erfolgte als die erhaltene frühe diagenetische Porosität. Die verschiedenen diagenetischen Prozesse und die damit verbundenen Wechselwirkungen zwischen Fluid und Gestein können daher durch einen multianalytischen Ansatz entschlüsselt werden, bei dem neben der petrographischen Untersuchung der Lagerstättenmineralogie auch organisch-geochemische Analysen des Lagerstättenöls durchgeführt werden. Zusammenfassend liefert diese Arbeit Ergebnisse interdisziplinärer molekulargeochemischer Untersuchungen, die die Identifizierung von fünf Erdölsystemen mit fünf verschiedenen Ölfamilien in verschiedenen Becken der nördlichen Westwüste Ägyptens ermöglichen. Dieser Ansatz ermöglichte insbesondere im Shushan-Becken die Entschlüsselung von Öl-Öl- und Öl-Quellen-Korrelationen trotz einer geringen Variabilität in der Zusammensetzung des Öls und der zugehörigen Muttergesteinsextrakte. Diese präzisen molekularen Untersuchungen werden durch die Kombination von FT-ICR-MS-Ergebnissen und stabilen Isotopen organischer Verbindungen zusammen mit mikroskopischen Ergebnissen ermöglicht. Als Ergebnis wurden die wichtigsten Faktoren identifiziert, die eine höhere Lagerstättenqualität in der obersten Zone der unteren Shuaiba-Formation bewirken, sowie weitere organisch-anorganische Wechselwirkungen, die die Lagerstätteneigenschaften von karbonatischen Lagerstätten verändern.

Description: BeiDou Navigation Satellite System (BDS), the Chinese component of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), has come into operation and started to serve global users publicly since July 31st, 2020. BDS-3, i.e., the latest development of BDS, provides many services not only the traditional Position, Navigation and Timing (PNT) but also several featured ones such as Satellite-Based Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) and Search And Rescue (SAR). Precise and accurate orbit and clock products are the perquisites of a GNSS to guarantee a high-quality service performance. BDS-3 is the first GNSS in which the Inter-Satellite-Link has been constellation-widely deployed. It has been preliminarily demonstrated that this new feature of BDS-3 improves the system’s survivability as well as its independence on the ground tracking. This study is devoted to the Precise Orbit Determination (POD) of BDS-3 with newly available ISL observations. The inherent incapability of ISL measurements of sensing the absolute variations of Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) of satellite orbits hinders the autonomous orbit determination free from ground support. Different approaches to constrain the constellation rotation have been studied in the literature. On the other hand, orbit determination using only ISL observations can serve to evaluate the performance of the newly carried Inter-Satellite-Link payloads. Depending on the satellite, the post-fit RMS of ISL range observations is 4.2~10.5 cm. Eliminating the effects of constellation rotations, orbit precision based on ISL range observations is around 7.0, 4.6, and 3.5 cm in the along-track, cross-track, and radial direction, respectively. The clock observations of ISLs are used to synchronize the clocks of satellites within the constellation. The post-fit RMS of ISL clock observations ranges from ~2.9 cm to 10.0 cm, differing for satellites. For most satellites, similar precision of clock offsets as the IGS MGEX ACs’ products can be obtained by ISL measurements, with STDs around 0.15 ~ 0.20 ns. Hardware delays of Inter-Satellite-Links estimated from the range and clock observations both show very good temporal stability, with a monthly average STD of 0.13 and 0.08 ns, respectively. Harmonic signals taking the orbit motion as the fundamental frequency are found in both the range and clock residuals. Although it turns out those harmonic signals only affect the results marginally, a Fourier-like periodic function model is proposed to absorb them and has been proved effective. Several unresolved issues related to the POD of BDS-3 are investigated based on ground tracking data before studying the contributions of additional ISL observations. The effects of non-conservative perturbations from the Earth’s albedo and antenna thrust are significant and, therefore, need to be considered in the POD of BDS-3. The applicability of different empirical Solar Radiation Pressure (SRP) models and the necessity of an extra a-priori box-wing model are evaluated. Generally, the ECOM2 model shows superiority over the ECOM1 model as for BDS-3 satellites. And if the ECOM2 model is adopted,the additional a-priori box-wing model is unnecessary. In order to keep the backward compatibility of BDS-2, the strategy for integrated processing of BDS-2 and BDS-3, in which the legacy frequency combination B1I+B2I remains unchanged for BDS-2, is proposed and demonstrated. The contributions of incorporating ISL observations to the POD of BDS-3 are assessed comprehensively. First, the benefits of additional ISL range measurements are demonstrated in cases of different ground tracking networks. Secondly, the somehow unexpected improvement in the orbit precision brought by incorporating ISL clock observations is displayed. Furthermore, integratedly processing the ISL derived range, ISL derived clock, and L-band ground tracking observations reduces the orbit DBD by ~39% and 42% in the along-track and radial directions, respectively, compared to using only ground-tracking data. Last but not least, the contributions of ISL measurements to the estimation of geodetic parameters are proved, especially for the geocenter coordinates. Strong correlations between empirical SRP parameters and the geocenter Z-component, which plague the community for a long time, are significantly reduced by adding ISL observations. The results are very promising not just in terms of establishing and maintaining a national BDS-based terrestrial reference frame but also improving the potential contribution of BDS via the IGS community to the International Terrestrial Reference Frame (ITRF).

Description: Das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), die chinesische Komponente von Global Navigation Satellite Systems (GNSS), ist seit dem 31. Juli 2020 in Betrieb und dient weltweit Benutzern öffentlich. BDS-3, dh die neueste Entwicklung von BDS, bietet viele Dienste, nicht nur die traditionelle Position, Navigation und Zeitmessung (PNT), sondern auch mehrere Funktionen wie der satellitengestützte Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) und Search And Rescue (SAR). Präzise und genaue Orbit- und Clock-Produkte sind die Voraussetzungen für ein GNSS, um eine qualitativ hochwertige Serviceleistung zu gewährleisten. BDS-3 ist das erste GNSS, bei dem der Inter-Satellite-Link konstellationsweit eingesetzt wurde. Es wurde vorläufig gezeigt, dass diese neue Funktion von BDS-3 die Überlebensfähigkeit des Systems sowie seine Unabhängigkeit von der Bodenverfolgung verbessert. Diese Studie widmet sich der Precise Orbit Determination (POD) von BDS-3 mit neu verfügbaren ISL-Beobachtungen. Die inhärente Unfähigkeit von ISL-Messungen, die absoluten Variationen der Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) von Satellitenumlaufbahnen zu erfassen, behindert die autonome Umlaufbahnbestimmung ohne Bodenunterstützung. In der Literatur wurden verschiedene Ansätze untersucht, um die Konstellationsrotation einzuschränken. Andererseits kann die Bestimmung der Umlaufbahn, die nur ISL-Beobachtungen verwendet, dazu dienen, die Leistung der neu beförderten InterSatellite-Link-Nutzlasten zu bewerten. Abhängig vom Satelliten beträgt der Post-Fit-RMS der ISLBereichsbeobachtungen 4,2 bis 10,5 cm. Unter Eliminierung der Auswirkungen von Konstellationsrotationen beträgt die Orbit-Präzision basierend auf ISL-Entfernungsbeobachtungen etwa 7,0, 4,6 bzw. 3,5 cm in Längs-, Quer- und Radialrichtung. Die Uhrenbeobachtungen von ISLs werden verwendet, um die Uhren von Satelliten innerhalb der Konstellation zu synchronisieren. Der Post-Fit-RMS von ISL-Uhrbeobachtungen reicht von ~2,9 cm bis 10,0 cm, unterschiedlich für Satelliten. Bei den meisten Satelliten kann durch ISL-Messungen eine ähnliche Genauigkeit der Taktverschiebungen wie bei den Produkten der IGS MGEX ACs mit STDs von etwa 0,15 bis 0,20 ns erreicht werden. Hardwareverzögerungen von Inter-Satellite-Links, die aus den Entfernungs- und Taktbeobachtungen geschätzt wurden, zeigen beide eine sehr gute zeitliche Stabilität mit einer monatlichen durchschnittlichen STD von 0,13 bzw. 0,08 ns. Harmonische Signale, die die Bahnbewegung als Grundfrequenz nehmen, werden sowohl in den Entfernungs- als auch in den Taktresten gefunden. Obwohl sich herausstellt, dass diese harmonischen Signale die Ergebnisse nur marginal beeinflussen, wird ein Fourier-ähnliches periodisches Funktionsmodell vorgeschlagen, um sie zu absorbieren und sich als effektiv erwiesen hat. Mehrere ungelöste Probleme im Zusammenhang mit dem POD von BDS-3 werden auf der Grundlage von Bodenverfolgungsdaten untersucht, bevor die Beiträge zusätzlicher ISL-Beobachtungen untersuchtwerden. Die Auswirkungen nicht-konservativer Störungen durch die Albedo der Erde und den Antennenschub sind signifikant und müssen daher im POD von BDS-3 berücksichtigt werden. Die Anwendbarkeit verschiedener empirischer Solar Radiation Pressure (SRP)-Modelle und die Notwendigkeit eines zusätzlichen a-priori-Box-Wing-Modells werden evaluiert. Im Allgemeinen zeigt das ECOM2- Modell eine Überlegenheit gegenüber dem ECOM1-Modell für BDS-3-Satelliten. Und wenn das ECOM2- Modell übernommen wird, ist das zusätzliche A-priori-Box-Wing-Modell überflüssig. Um die Abwärtskompatibilität von BDS-2 zu erhalten, wird die Strategie zur integrierten Verarbeitung von BDS- 2 und BDS-3 vorgeschlagen und demonstriert, bei der die Legacy-Frequenzkombination B1I+B2I für BDS-2 unverändert bleibt. Die Beiträge der Einbeziehung von ISL-Beobachtungen in den POD von BDS-3 werden umfassend bewertet. Zunächst werden die Vorteile zusätzlicher ISL-Entfernungsmessungen bei unterschiedlichen Bodenverfolgungsnetzwerken demonstriert. Zweitens wird die irgendwie unerwartete Verbesserung der Bahngenauigkeit durch die Einbeziehung von ISL-Uhrenbeobachtungen angezeigt. Darüber hinaus reduziert die integrierte Verarbeitung der ISL-abgeleiteten Entfernung, des ISL-abgeleiteten Takts und der L-Band-Bodenverfolgungsbeobachtungen die Bahn-DBD um ~39 % bzw . Nicht zuletzt werden die Beiträge von ISL-Messungen zur Schätzung geodätischer Parameter, insbesondere für die Geozentrumskoordinaten, nachgewiesen. Starke Korrelationen zwischen empirischen SRP-Parametern und der Geozentrum-Z-Komponente, die die Community schon lange plagen, werden durch das Hinzufügen von ISL-Beobachtungen deutlich reduziert. Die Ergebnisse sind nicht nur im Hinblick auf die Einrichtung und Aufrechterhaltung eines nationalen BDS-basierten terrestrischen Referenzrahmens sehr vielversprechend, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung des potenziellen Beitrags von BDS über die IGS-Community zum International Terrestrial Reference Frame (ITRF).

Description: Space geodetic techniques contribute significantly to enhancing our understanding of the Earth system. These techniques include Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Global Navigation Satellite System (GNSS), Satellite Laser Ranging (SLR), and Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS). The primary objective of these space geodetic techniques is to establish an accurate Terrestrial Reference Frame (TRF). Since each technique has its strengths and weaknesses, a combination of space geodetic techniques is employed to overcome the weaknesses in TRF determination. The current TRF, known as the International Terrestrial Reference Frame 2020 (ITRF2020), is determined with a combination of space geodetic techniques through station coordinate parameters at the co-location sites using local ties, which represent the difference between the station coordinates of a space geodetic technique at a co-location site. According to the scientific-driven requirements of the Global Geodetic Observing System (GGOS), the TRF needs to be established with an accuracy level of 1 mm. However, the ITRF2020 has not yet reached this scientific requirement. Therefore, another perspective needs to be investigated in order to reach the scientific-driven requirement for TRF determination. Microwave-based space geodetic techniques, such as VLBI and GNSS, observe under the same atmospheric conditions and are also included as a parameter in the adjustment process. Therefore, similar to station coordinates, this parameter can also be combined using ties. The ties for tropospheric parameters are referred to as "tropospheric ties". Unlike the local ties, which are directly measured using a total station or other distance measurements at the reference point of the space geodetic technique, tropospheric ties can only be derived through a model. Currently, two different approaches can be used to derive tropospheric ties. The first approach involves using an analytical model with meteorological data from different sources, such as meteorological sensors at the site, a Numerical Weather Model (NWM), and an empirical meteorological model. The second approach involves using the ray-tracing technique through a refraction field of NWM. However, since tropospheric ties can only be derived from the model, their accuracy is limited. To improve their accuracy, it is necessary to address the systematic effects that cause a discrepancy between the observed tropospheric parameter differences and tropospheric ties. This thesis investigates this discrepancy using the GNSS and VLBI intra/inter technique comparison of tropospheric parameters. The results indicate that the discrepancy is caused by the GNSS instrument, specifically the antenna and radome, in zenith total delay (ZTD) differences. On the other hand, the horizontal gradient difference is affected by multipath effects that occur at low-elevation observations, rather than the instrument. This study observes no systematic effect in VLBI due to the instrument. The systematic effect in tropospheric parameters due to the instrument is referred to as instrumental bias. To prove this hypothesis, a GNSS co-location site experiment was conducted. The experiment reveals that the instrumental bias in GNSS-derived ZTD parameters originates from the instrument. Furthermore, the bias in GNSS-derived horizontal gradients comes from the multipath effect that occurs at low-elevation observations. To address the instrumental bias, another GNSS co-location experiment was conducted. This experiment employed a vertical steering pole to minimize the height difference of various antenna phase centers to a few millimeters level during antenna changing. The experiment successfully kept the reference point position for each experiment antenna at the same position within a 2 mm level. Thus, the remaining bias in GNSS-derived tropospheric parameters is attributed to the instrumental bias. This study demonstrates the capability and limitations of tropospheric ties through a combination of VLBI and GNSS on the Normal Equation (NEQ) level. The combination of VLBI and GNSS with tropospheric ties shows a prominent improvement in station coordinates and tropospheric parameters. A VLBI intra-technique combination during CONT14 demonstrated improvements in station coordinates and tropospheric parameters for two telescopes at the Hobart co-location site. Tropospheric ties demonstrate a capability as alternative ties when the local ties are of poor quality, particularly the height component. The results indicate that VLBI received the most benefit when combining tropospheric parameters with tropospheric ties in both station coordinates and tropospheric parameters. The study of proper temporal resolution for applying tropospheric ties was investigated. The results show similar results for all scenarios in both station coordinates and troposphere parameters. For the first time, a combination of GNSS and VLBI utilizing tropospheric ties with an instrumental bias correction is performed. The results show a significant improvement in station coordinates, particularly in VLBI. Furthermore, applying tropospheric ties with an instrumental bias correction considerably reduces the discrepancy between local ties and the space geodetic technique solution. However, there is no improvement in tropospheric parameters from using instrumental bias correction for tropospheric ties. The study also evaluates the impact of weighting tropospheric ties. The results indicate that strong weight provides the most benefit from using tropospheric ties. Nevertheless, systematic effects must be addressed to avoid degradation in the combined solution. It is important to note that one full set of local ties, i.e., both horizontal and vertical components, is necessary to use tropospheric ties since they cannot fulfill rank deficiencies in the NEQ system.

Description: Die vier geodätischen Raumverfahren VLBI (Very Long Baseline Interferometry), GNSS (Global Navigation Satellite System), SLR (Satellite Laser Ranging) und DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) liefern Beiträge zum besseren Verständnis des Erdsystems. Ihre Datensätze sind von zentraler Bedeutung für die Realisierung eines präzisen terrestrischen Referenzrahmens (ITRF). Da die einzelnen Messtechniken Stärken und Schwächen für die TRF-Bestimmung aufweisen, werden die Datensätze kombiniert mit dem Ziel, die Schwächen auszugleichen. Der aktuelle ITRF, der Internationale Terrestrische Referenzrahmen 2020 (ITRF2020), ist eine Lösung, die kombinierte Stationskoordinaten an den Kollokationsstationen unter Verwendung lokaler Verbindungsvektoren (local ties), d.h. den Abstandsvektoren zwischen den jeweiligen Referenzpunkten, und kombinierte EOP (Erdorientierungsparameter) liefert. Das globale geodätische Beobachtungssystem (GGOS) stellt an die Lage des Ursprungs des ITRF die wissenschaftlich begründete Genauigkeitsanforderung von 1 mm. Die ITRF2020-Genauigkeit erfüllt diese Vorgabe jedoch nicht ganz. Um dieses Ziel zu erreichen, sind daher innovative Ansätze zu entwickeln. Die geodätischen Raumverfahren VLBI und GNSS, die Signale im Mikrowellenfrequenzspektrum nutzen, liefern an den Kolokationsstationen Beobachtungsdaten unter den gleichen atmosphärischen Bedingungen. Die Verknüpfung atmosphärischer Parameter kann daher ebenfalls im Ausgleichungsprozess eingesetzt werden. Ähnlich wie die Stationskoordinaten können diese Parameter auch miteinander verknüpft, also kombiniert, werden. Die Verknüpfung troposphärischer Parameter wird als „tropospheric tie“ bezeichnet. Im Gegensatz zu den lokal ties, die mit Totalstationen oder anderen Messgeräten am Referenzpunkt des jeweiligen Sensors gemessen werden, können die troposphärischen ties nur mittels Modellrechnungen bestimmt werden. Dabei werden gegenwärtig zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen erfolgt die Berechnung mittels eines analytischen Modells auf der Grundlage meteorologischer Daten, die aus unterschiedlichen Quellen stammen, beispielsweise meteorologische Sensoren am Messstandort, numerische Wettermodelle (NWM) oder empirische meteorologische Modelle. Zum anderen wird die Methode der Strahlverfolgung (ray tracing) durch ein vom NWM abgeleitetes Brechungsindexfeld eingesetzt. Diese nur aus Modellen berechneten troposphärischen ties weisen notwendigerweise eine begrenzte Genauigkeit auf. Für höhere Genauigkeiten müssen weitere systematische Effekte berücksichtigt werden, die zu Abweichungen zwischen den beobachteten troposphärischen Parametern und den troposphärischen ties führen. Um diese systematischen Effekte zu untersuchen, werden in dieser Arbeit troposphärische Parameter verglichen, die in GNSS- und VLBI-Analysen berechnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass signifikante Abweichungen in der vertikalen Signallaufzeitverzögerung (zenith total delay, ZTD) durch instrumentelle Effekte des GNSS-Verfahrensverursacht werden, insbesondere durch Elevations-abhängige Laufzeitvariationen und Verwendung einer Abdeckvorrichtung „radom“. Abweichungen der horizontalen Gradienten werden hingegen nicht durch das Instrument beeinflusst, sondern durch Mehrwegeffekte, die sich insbesondere auf Beobachtungen bei geringen Elevationswinkeln auswirken. In dieser Studie wird bei VLBI-Messungen kein systematischer Effekt, der instrumentelle Ursachen hat, beobachtet. Der systematische Effekt in den troposphärischen Parametern, der auf das Instrument zurückzuführen ist, wird im Folgenden als „instrumental bias“ bezeichnet. Für die Überprüfung der Hypothese, dass der instrumental bias überwiegend durch instrumentelle Effekte der von GNSS-Beobachtungen abgeleiteten ZTD-Parametern verursacht ist, wurde ein GNSS-Kollokationsexperiment durchgeführt. Die Ergebnisse des Experiments bestätigen diese Hypothese. Des Weiteren zeigt sich, dass der instrumental bias der horizontalen Gradienten, die von GNSS-Beobachtungen bei niedrigen Elevationen abgeleitet wurden, auf multi-pathing zurückzuführen ist. Um den instrumental bias in den ZTD-Parametern zu bestimmen, wurde ein weiteres GNSS-Kollokationsexperiment realisiert. Hierbei wurden Unterschiede in der Phasenzentrumsposition der verschiedenen Antennentypen mittels eines höhenverstellbaren Antennenmasts bis auf wenige Millimeter ausgeglichen. Während der Messung konnte die Position der Antennenreferenzpunkte erfolgreich innerhalb eines Bereichs von 2 mm gehalten werden. Die verbleibenden Abweichungen in den abgeleiteten troposphärischen Parametern sind daher nicht auf troposphärische Effekte sondern lediglich auf instrumentelle Ursachen zurückzuführen. Möglichkeiten und Grenzen der tropospheric ties werden in dieser Studie durch eine Kombination von VLBI- und GNSS-Beobachtungsdaten auf Normalgleichungsebene (NEQ) untersucht. Die Verwendung von tropospheric ties zeigt signifikante Effekte auf die Kombination von VLBI bzw. GNSS. Eine VLBI-Intratechnikkombination zweier Teleskope an der Kollokationsstation Hobart, Australien, während der CONT14-Messkampagne führt zu einer Genauigkeitssteigerung bezüglich der Stationskoordinaten und der troposphärischen Parameter. Die Untersuchung der tropospheric ties zeigt, dass sie eine Alternative zu den local ties darstellen, z.B. wenn diese fehlerbehaftet sind, insbesondere in der vertikalen Komponente. Die Ergebnisse zeigen, dass VLBI den größten Nutzen aus der Kombination von troposphärischen Parametern mit tropospheric ties zieht, sowohl bei den Stationskoordinaten als auch bei den troposphärischen Parametern. Es wird untersucht, welche zeitliche Auflösung für die Anwendung der tropospheric ties geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen ähnliche Resultate für alle Szenarien, sowohl für Stationskoordinaten als auch für troposphärische Parameter. Zum ersten Mal wird eine Kombination von GNSS und VLBI unter Verwendung der tropospheric ties mit einer Korrektur des instrumental bias durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung der Stationskoordinaten, insbesondere bei VLBI. Darüber hinaus wird durch die Anwendung der tropospheric ties mit der instrumental bias-Korrektur die Diskrepanz zwischen den local ties und den Ergebnissen aus den geodätischen Raumverfahren deutlich verringert. Bei den troposphärischen Parametern kann durch die Anwendung der instrumental bias-Korrektur jedoch keine Verbesserung nachgewiesen werden. Auch die Folgen der Gewichtung der tropospheric ties wird untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine hohe Gewichtung positiv auf die Verwendung der tropospheric ties auswirkt. Allerdings müssen systematische Effekte berücksichtigt werden, um eine Verschlechterung der kombinierten Lösung zu vermeiden. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass für die Verwendung der tropospheric ties ein vollständiger Satz an local ties erforderlich ist, da die tropospheric ties nicht die Rangdefizite im NEQ-System ausgleichen können.

Description: Agricultural monitoring of crops such as winter wheat and winter barley is of high importance for farmers in the context of current global challenges like climate change and population growth as well as the related food security and arable land scarcity. A dense time series of satellite remote sensing data enables a farmer to react quickly to disturbances by adapting his field management strategy. Whereas optical remote sensing data need clear conditions, radar remote sensing data are independent of clouds and thus ensure regular acquisitions. Therefore, this thesis investigates the potential of synthetic aperture radar (SAR) data of Sentinel-1 to monitor biophysical parameters and to detect phenological entry dates of winter wheat and winter barley in two study areas in Northeast Germany. Two meteorologically very different years are compared: 2017, which was a rather wet year, and 2018, which was an extremely hot and dry year. The three SAR backscatter parameters VV (vertical-vertical), VH (vertical-horizontal) and their ratio VH/VV as well as three polarimetric decomposition parameters (entropy, anisotropy and alpha) are extracted from 400 Sentinel-1 images covering the vegetation periods in 2017 and 2018. Extensive field measurements took place regularly at the same time period at predefined observation points. Field and laboratory measurements result in six biophysical parameters (wet and dry biomass, leaf area index (LAI), plant height as well as absolute and relative vegetation water content) that are analysed in the thesis. Phenological observations and meteorological data are obtained from the German Weather Service (DWD). To get a basic understanding of the development of the SAR signal in the course of the vegetation period, temporal profiles of all SAR parameters are analysed as a first step. Differences between test sites, years and crop types as well as between- and withinfield differences are evaluated. Single and multiple regression models are used to estimate biophysical parameters from SAR parameters. To detect phenological entry dates, local extrema and breakpoints of smoothed time series of all SAR parameters are compared to observed phenological entry dates. The analysis of temporal profiles shows characteristic curves indicating phenological development of wheat and barley. Depending on prevailing phenological stages, the variable contribution of soil and vegetation, structural changes of the plants as well as their water content are mainly influencing the SAR signal. Temporal profiles are strongly influenced by meteorological conditions, therefore remarkable differences between profiles of 2017 and 2018 are observable. Based on these findings, the data is split in three groups depending on phenological development for the regression analysis. Between tillering and end of booting, wheat achieves best single regression results for VV backscatter. Multiple regression using VV, VH, entropy and alpha only marginally improves regression results and show coefficients of determination (R2) of 0.76 for plant height, 0.7 for wet and dry biomass, 0.69 for vegetation water content and 0.67 for LAI. Wheat continuously achieves higher R2 values than barley. Regression results as well as temporal profiles reveal that between-field differences are more prominent than within-field differences. Unlike known from optical remote sensing data, it is not possible to detect field heterogeneity using SAR parameters only, which is mainly due to geometrical characteristics of the SAR data such as the speckle effect. Entry dates of phenological stages are successfully detected. Particularly the beginning of stem elongation and the beginning of heading as well as the hard dough stage (only in 2018) are detected with accuracies of around 5 days. The variability of identified entry dates is higher between years than between fields and test sites and mainly due to meterological differences. This thesis provides multiple new insights of Sentinel-1 SAR data in an agricultural context. It is one of the first studies applying polarimetric decomposition of dual-polarized SAR data for agricultural monitoring. Results of the thesis confirm and expand results of previous studies and are particularly useful as a basis for continuative research to fully exploit the opportunities of SAR data in an agricultural context. Additionally, some of the results can directly support farmers in their decisions about field management. Particularly the successful detection of the beginning of stem elongation as well as the detection of flag leave emergence is of high interest for farmers to define the optimal timing of the second and third nitrogen fertilization as well as the most effective application time of pesticides and an optimal irrigation start time. Furthermore, indicators for an optimal harvest time can be derived from SAR data. However, the development of practical and timely applications of SAR data that are directly usable for farmers requires further research such as the extension of the methods to further years, crop types and study areas.

Description: Das landwirtschaftliche Monitoring von Feldfrüchten wie Winterweizen und Wintergerste ist von großer Bedeutung für Landwirte im Rahmen aktueller globaler Herausforderungen wie Klimawandel und Bevölkerungswachstum sowie der damit zusammenhängenden Nahrungssicherheit und der steigenden Knappheit fruchtbarer Flächen. Eine dichte Zeitreihe aus Fernerkundungsdaten ermöglicht dem Landwirt, schnell auf Störungen zu reagieren, indem er seine Bewirtschaftungsstrategien anpasst. Während optische Satellitendaten auf wolkenfreie Bedingungen angewiesen sind, sind Radardaten wolkenunabhängig und sichern somit regelmäßige Aufnahmen. Diese Arbeit untersucht das Potential von Synthetic Aperture Radar (SAR) Daten der Sentinel-1 Mission, biophysikalische Parameter zu beobachten und phänologische Eintrittsdaten von Winterweizen und Wintergerste in zwei Untersuchungsgebieten in Nordostdeutschland zu erfassen. Zwei meteorologisch sehr unterschiedliche Jahre werden dabei miteinander verglichen: 2017, ein eher feuchtes Jahr, und 2018, ein extrem heißes und trockenes Jahr. Die drei SAR-Rückstreuungsparameter VV (vertikal-vertikal), VH (horizontal-horizontal) und deren Ratio VH/VV sowie drei Parameter abgeleitet aus polarimetrischer Dekomposition (Entropie, Anisotropie und Alpha) werden aus 400 Sentinel-1 Bildern extrahiert, die in den Vegetationsperioden 2017 und 2018 aufgenommen wurden. Umfangreiche Feldmessungen fanden in denselben Zeiträumen an vorher definierten Messpunkten statt. Feld- und Labormessungen resultieren in sechs biophysikalische Parameter (feuchte und trockene Biomasse, Blattflächenindex (LAI), Pflanzenhöhe sowie absoluter und relativer Pflanzenwassergehalt), die in dieser Arbeit betrachtet werden. Phänologische Beobachtungen und meteorologische Daten werden vom Deutschen Wetterdienst (DWD) bezogen. Um ein Grundlagenverständnis über die Entwicklung des SAR-Signals im Verlauf der Vegetationsperiode zu erhalten, wurde zunächst die zeitliche Entwicklung aller SAR-Parameter analysiert. Unterschiede zwischen Untersuchungsgebieten, Jahren und Fruchtarten sowie Unterschiede zwischen einzelnen Feldern und innerhalb eines Feldes werden evaluiert. Einfache und multiple Regressionsanalysen werden genutzt um biophysikalische Parameter aus den SAR-Parametern abzuleiten. Um Eintrittsdaten phänologischer Phasen zu detektieren, werden lokale Extrema und Strukturbrüche geglätteter Zeitreihen mit beobachteten phänologischen Eintrittsdaten verglichen. Die Analyse der zeitlichen Entwicklung der SAR-Parameter zeigt charakteristische Kurven, die die phänologische Entwicklung von Weizen und Gerste nachzeichnen. Abhängig von der vorherrschenden phänologischen Phase beeinflussen der unterschiedliche Anteil von Boden und Vegetation, strukturelle Änderungen der Pflanzen sowie deren Wassergehalt maßgeblich das SAR-Signal. Die Zeitreihen sind stark abhängig von meteorologischen Bedingungen, daher sind bemerkenswerte Unterschiede zwischen den Jahren 2017 und 2018 zu beobachten. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die Daten für die Regressionsanalyse in drei Gruppen abhängig von ihrer phänologischen Entwicklung aufgeteilt. Zwischen Bestockung und Ende des Ährenschwellens erreicht Weizen dabei die besten Ergebnisse für einfache Regression mit VV-Rückstreuung. Die multiple Regression mit den Parametern VV, VH, Entropie und Alpha verbessert die Regressionsergebnisse nur geringfügig und erreicht Determinationskoeffizienten (R2) von 0.76 für Pflanzenhöhe, 0.7 für feuchte und trockene Biomasse, 0.69 für absoluten Pflanzenwassergehalt und 0.67 für den LAI. Weizen erreicht durchgängig höhere R2-Werte als Gerste. Die Ergebnisse der Regressionsanalyse sowie die zeitlichen Verläufe zeigen, dass Unterschiede zwischen Feldern deutlicher hervortreten als Unterschiede innerhalb eines Feldes. Anders als von optischen Fernerkundungsdaten bekannt, ist es hauptsächlich aufgrund der geometrischen Eigenschaften der SAR-Daten wie dem Speckle-Effekt nicht möglich, die Heterogenität eines Feldes ausschließlich mithilfe von SAR-Parametern abzuleiten. Eintrittsdaten phänologischer Phasen konnten erfolgreich detektiert werden. Vor allem der Beginn des Schossens, der Beginn des Ährenschiebens sowie die Gelbreife (nur in 2018) konnten mit Genauigkeiten von ca. 5 Tagen erkannt werden. Die Variabilität der identifizierten Eintrittsdaten zwischen den beiden Jahre ist dabei größer als die Variabilität zwischen einzelnen Feldern und den beiden Untersuchungsgebieten, was hauptsächlich auf meteorologische Unterschiede zurückzuführen ist. Diese Arbeit stellt mehrere neue Erkenntnisse über Sentinel-1 SAR-Daten im landwirtschaftlichen Kontext bereit. Es ist eine der ersten Arbeiten, die polarimetrische Dekomposition von dual-polarisierten SAR-Daten für ein landwirtschaftliches Monitoring anwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen und ergänzen Ergebnisse bisheriger Studien und sind vor allem als Basis für weiterführende Forschungsaktivitäten wertvoll, um die Möglichkeiten von SAR-Daten im landwirtschaftlichen Kontext voll auszuschöpfen. Zusätzlich können einige der Ergebnisse Landwirte direkt bei der Entscheidungsfindung hinsichtlich ihrer Feldbewirtschaftung unterstützen. Vor allem das erfolgreiche Erkennen des Schossbeginns sowie des Hervortretens des Fahnenblattes kurz vor dem Ährenschieben ist für Landwirte von hohem Interesse, um den optimalen Zeitpunkt für die zweite und dritte Stickstoffgabe, die effektivste Zeit des Pestizideinsatzes sowie den optimalen Startzeitpunkt der Bewässerung zu bestimmen. Weiterhin können Indikatoren zum Bestimmen des optimalen Erntezeitpunktes aus SAR-Daten abgeleitet werden. Dennoch benötigt die Entwicklung von praxis- und zeitnahen Anwendungen, die direkt für den Landwirt nutzbar sind, weiterführende Forschung wie zum Beispiel die Erweiterung der Methoden auf weitere Jahre, Fruchtarten und Untersuchungsgebiete.

Description: Seit mehreren Jahrzehnten weisen die Grund- und Seewasserstände vielerorts in Nordostdeutsch-land einen negativen Trend auf, wofür die Ursachen bis heute nicht eindeutig geklärt sind. Ohne ein umfassendes System- und Prozessverständnis können die möglichen negativen Konsequenzen für die Ressource Grundwasser nicht ausreichend erfasst werden. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Grundwasserfließsystem sowie den Wasserhaushalt des von sinkenden Wasserständen betrof-fenen Gebietes um den Großen Fürstenseer See (Mecklenburg-Vorpommern) zu erforschen. Die Untersuchung des Jungmoränengebietes stellt aufgrund der Heterogenität des Untergrundes in Kom-bination mit nur wenigen direkten Aufschlüssen eine sehr komplexe Aufgabe dar, weshalb ein Multi-methodenansatz unter Einbeziehung hochaufgelöster, raumerfassender geoelektrischer Messungen in die zumeist nur punktuell durchführbaren hydrogeologischen Verfahren gewählt wird. Das betrachtete Gebiet besteht aus der Pommerschen Hauptendmoräne im Norden sowie dem ihr vorgelagerten Sander. In den das Gebiet durchziehenden weichselglazialen Schmelzwasserrinnen entwickelten sich grundwasserdominierte Seen. Der Fokus liegt auf den miteinander verbundenen Seen Großer Fürstenseer See und Hinnensee sowie dem unbedeckten Grundwasserleiter des Sanders. Dessen Basis bildet weichselglazialer, in den Rinnen nicht flächenhaft verbreiteter Geschiebemergel. Zur Untersuchung der geologischen Strukturen und hydraulischen Eigenschaften wurden im Bereich des Sanders 17 Bohrungen abgeteuft und zu Grundwassermessstellen ausgebaut. Die dabei gewonnen Proben dienten der Analyse der Korngrößenverteilungen, hydraulischen Durchlässigkeiten und Porositäten. Der Sander besitzt einen sehr heterogenen Aufbau aus vorrangig Mittelsanden mit entsprechend variablen, zumeist guten hydraulischen Durchlässigkeiten und verhältnismäßig niedri-gen Porositäten. Es ergaben sich tendenzielle Abhängigkeiten der Porosität von Gleichförmigkeit und Korngrößenverteilung sowie der hydraulischen Durchlässigkeit von der Korngrößenverteilung. Die räumliche Erkundung der Untergrundstrukturen erfolgte mittels hochaufgelöster 2D-geoelektrischer Widerstandsmessungen, die die Obergrenze des ersten Grundwassergeringleiters, hydraulische Fenster sowie fließrelevante gering durchlässige Strukturen erfassten. Eine Begrenzung erfährt die Methode im Betrachtungsgebiet durch ungünstige Deckschichtverhältnisse und das begrenzte Auflösungsvermögen bei größeren Tiefen. Die Messung von Grund- und Seewasserständen diente der Erfassung ihrer Entwicklung sowie der aus der räumlichen Verteilung abgeleiteten allgemeinen Fließsituation. Ihre Dynamik sowie die Korrelation ausgewählter Zeitreihen enthalten Hinweise auf die Grundwasserneubildungssituation und auf bevorzugte hydraulische Verbindungen. Detailliertere Erkenntnisse zur Grundwasserherkunft und zu präferenziellen Fließwegen lassen sich mittels hydrochemischer Methoden gewinnen. Dazu erfolgten regelmäßige Untersuchungen der physiko-chemischen Parameter, der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 sowie einmalig der Ioneninhalte der Grund- und Seewässer. Die Analyse der zeitlich und räumlich erhobenen Daten demonstriert, dass vor allem die stabilen Isotope, speziell auch bei Seewasserinfiltrationen, der Identifizierung des Grundwasserursprungs dienen. Besonders die elektrischen Leitfähigkeiten sowie unter geeigneten Randbedingungen auch die Kombination mit weiteren physiko-chemischen Parametern unterstützen die Herkunftsbestimmung. Die elektrischen Leitfähigkeiten und Wasserstandsentwicklungen enthalten zudem Hinweise auf lokale Reduktionen der Grundwasser-neubildungsrate. Anhand der Ioneninhalte des Grundwassers wurden anthropogene Einflüsse ermittelt. Die für das Verständnis des lokalen Fließ- und Neubildungsgeschehens notwendigen Strukturinformationen liefern die geoelektrischen Messungen. Aus den spezifischen elektrischen Widerständen wurden zudem effektive elektrische Leitfähigkeiten als Maß für relative Versickerungsgeschwindigkeiten der ungesättigten Zone abgeleitet, welche potenziell zur flächenhaften Bestimmung von Grundwasserneubildungsraten genutzt werden können. Während die Aussagekraft der einzelnen Methoden begrenzt ist, trägt ihre Kombination und integrierte Auswertung, insbesondere mit den geoelektrischen Messungen, maßgeblich zum Verständnis des Grundwasserfließsystems und Wasserhaushalts bei. Aus den erfassten Strukturen und Eigenschaften wurde ein detailliertes Konzeptmodell als Basis weiterer Untersuchungen, wie Grundwassermodellierungen, erstellt.

Description: For several decades, groundwater and lake water levels have been showing a negative trend in many places in north-eastern Germany. The causes for this decline are still not clearly understood. Without a comprehensive understanding of systems and processes, their possible negative consequences for groundwater as a resource cannot be adequately assessed. Therefore, the aim of the present study is to investigate the groundwater flow system as well as the water balance of the area around Lake Großer Fürstenseer See (Mecklenburg-West Pomerania), which is affected by decreasing water levels. The investigation of the young moraine area is a very complex task due to the heterogeneity of the subsurface in combination with only a few direct outcrops. This is why a multi-method approach was chosen. It included high-resolution, spatial geoelectrical measurements in the hydrogeological procedures, which can mostly only be carried out at specific points. The study area consists of the Pomeranian main terminal moraine and the outwash plain. Groundwater-dominated lakes developed in the glacial meltwater channels running through the area. The focus is on the interconnected lakes Großer Fürstenseer See and Hinnensee and the unconfined aquifer of the outwash plain. The base of this aquifer is formed by glacial till, which is not widespread in the meltwater channels. To investigate the geological structures and hydraulic properties, 17 boreholes were drilled into the outwash plain and used as groundwater monitoring wells. Samples obtained were analysed for grain size distributions, hydraulic permeabilities and porosities. The outwash plain has a very heterogeneous structure of predominantly medium sands with corresponding variable, mostly good hydraulic permeabilities and relatively low porosities. There was a tendency for porosity to be dependent on uniformity and grain size distribution, and for hydraulic permeability to be dependent on grain size distribution. The spatial exploration of the subsurface structures, using high-resolution 2D geoelectric resistivity measurements, recorded the upper limit of the first aquitard, hydraulic windows and flow-relevant low-permeability structures. This method was hampered in the study area by unfavourable overburden conditions and limited resolution capacity at greater depths. The measurement of groundwater and lake water levels served to record their temporal variation as well as the general flow situation derived from their spatial distribution. Their dynamics as well as the correlation of selected time series contained indications of the groundwater recharge situation and preferred hydraulic connections. More detailed findings on the origin of groundwater and preferential flow paths can be obtained using hydrochemical methods. For this purpose, regular investigations of the physico-chemical parameters, the stable isotopes deuterium and oxygen-18 as well as the ionic content of groundwater and lake water were carried out. The analysis of the temporally and spatially collected data demonstrates that especially the stable isotopes, particularly in the case of lakewater infiltrations, serve to identify the groundwater origin. Especially the electrical conductivities and, under suitable boundary conditions, the combination with other physico-chemical parameters support the determination of origin. The electrical conductivities and water level trends also show indications of local reductions in the groundwater recharge rate. Anthropogenic influences were determined based on the ion contents of the groundwater. The geoelectric measurements provide the structural information necessary for understanding the local flow and recharge processes. In addition, the effective electrical conductivities were derived from the electrical resistivities as a measure of the relative seepage velocity in the unsaturated zone. The effective electrical conductivities can potentially be used for the areal determination of groundwater recharge rates. While the informative values of the individual methods are limited, their combination and integrated evaluation, especially with the geoelectric measurements, contributed significantly to the understanding of the groundwater flow system and water balance. From the recorded structures and properties, a detailed conceptual model was created as a basis for further investigations, such as groundwater modelling.

Description: Oil-bearing fluid inclusions (FIs) are a widespread phenomenon in veins and vugs of petroleum systems. The occluded oils provide invaluable information on the composition and physical as well as chemical properties of these oils and on geochemical processes within the respective petroleum system. A specific advantage of fluid inclusions is that the trapped oils are protected against secondary processes impacting the petroleum system such as water washing, biodegradation, migration and drill mud contamination and, thus, fluid inclusions provide information on the original pristine petroleum charge. From an analytical point of view generally gas chromatography-flame ionization detector (GC-FID), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS) are applied to analyze the aliphatic and aromatic compounds of the FI oils and to solve the geological issues of the petroleum system. Less is known about co-occurring nitrogen, sulfur and oxygen (NSO)-containing compounds. NSO-compounds are components, which, due to their polarity, are prone to physical, chemical and biological interaction processes and therefore, are promising compounds for unravelling secondary alteration processes in petroleum systems. To explore the potential of the NSO fraction in FI oil research, a relatively new analytical technique has been applied here: the Fourier transform-ion cyclotron resonance-mass spectrometry (FT-ICR-MS) in combination with Atmospheric Pressure Photoionization in positive ion mode (APPI (+)) and Electrospray Ionization in negative ion mode (ESI (–)). The technique allows an extension of the analytical window of NSO components into the high molecular weight compound range. Due to the high sensitivity of the FT-ICR-MS it was first necessary to develop an extremely thorough FI clean-up and sample preparation method. Then, in a second step, the application potential of the NSO fractions measured by FT-ICR-MS for FI research was explored in two case studies addressing the charge and leakage history in petroleum systems and petroleum fractionation during oil primary migration. In these studies, the data of the newly introduced FT-ICR-MS technique are combined in a multi-analytical approach with microscopy, GC-MS and GC-IRMS data. Due to the low compound yield in FIs, the FI compound inventory can easily be contaminated by compounds from outer surfaces and a thorough cleaning protocol is a prerequisite for FI oil research. Previous clean-up methods for host minerals are not suitable for the FT-ICR-MS analysis, and a more rigorous clean-up method had to be developed. For this purpose, two fluorite and two quartz samples, containing a high number of oil FIs, were selected to develop an improved clean up method for host minerals using Soxhlet and sonication apparatus with various inorganic and organic solvents used in sequence. Although not all contaminants from surrounding host mineral surfaces could be eliminated, the procedure enabled the external contaminants to be identified and thus to assess the level of contamination of individual NSO-compound classes. This allows a well-considered interpretation of the FT-results of FI samples including their contamination levels, especially for compounds measured in the APPI (+) but also in the ESI (–) mode. Furthermore, it was demonstrated that previously established NSO parameters developed for crude oils and sediment extracts can also be utilized in FI oil research. In the first case study the oil charge and leakage history of the Skarv field A reservoir segment in the Haltenbanken region offshore Norway was elucidated. FI oils in quartz cements from the Jurassic Garn and Tilje Formation (Fm) sandstones representing the initial oil charge were compared to the corresponding adsorbed (Ad) residual oils on host mineral surfaces representing the current reservoir oil filling. The comprehensive biomarker, stable carbon isotope and NSO-compound analyses shows that both FI oils from the Garn and Tilje Fm and the Ad oil from the Tilje Fm derive from a similar source of similar age, whereas the Ad oil from the Garn Fm shows a lower maturity level and differences in facies indicators. The similar geochemical signals for the FI oils from the Tilje and Garn Fm point to a first charging from the same source rock most likely the late-Jurassic/earliest-Cretaceous Spekk Fm. The fact that the Ad oil in the Tilje Fm is similar to the respective FI oil indicates that the Tilje Fm was charged only once. In contrast, differences between the FI and Ad oils in the Garn Fm suggest that first charge oil has leaked and was replenished by a later oil charge presumably from another less mature source of the Spekk Fm. The NSO data confirm the similarity between the FI oils of the Garn and Tilje Fm. However, due to very low NSO-compound contents in the Ad oils a comparison between the FI and Ad oil NSO-compounds for the two reservoirs using FT-ICR-MS was not possible in this case. In the second case study, the fractionation of hydrocarbon (HC) and NSO-compounds during oil primary migration of the Hosszúhetény Calcareous Marl Formation (HCMF) in the Mecsek Mountains area (Hungary) was revealed, where FI oils represent expelled fluids and extracts from the HCMF source rock (SR) represent retained bitumen as verified by the similar biomarker proxies and stable carbon isotope data. The comparison of FT-ICR-MS results from the FI oils and SR extracts shows that O1, N1, N1O1 and S1O1 compound classes are preferentially retained in the SR bitumen, while S1 compounds are preferentially expelled from SR. O2 and HC compounds seem to show at first glance no preference. In addition, a deeper look into the FT-NSO-compound classes reveals that compounds with a higher aromaticity are preferentially retained in SRs, which is especially true for compounds with a high number of double bond equivalents (DBEs) in the lower carbon number range. This indicates shorter alkyl side chains attached to the aromatic structures and thus a less pronounced shielding effect. Overall, this study provides significant indication that HC and NSO-compound fractionation during primary migration is influenced by the different functional groups with their associated polarities and by their molecular shape and size especially the degree of aromaticity.

Description: Ölhaltige Flüssigkeitseinschlüsse sind ein weit verbreitetes Phänomen in Gängen und Klüften von Erdölsystemen. Die eingeschlossenen Öle liefern wertvolle Informationen über die Zusammensetzung und physikalischen wie chemischen Eigenschaften dieser Öle sowie über geochemische Prozesse im entsprechenden Erdölsystem. Ein besonderer Vorteil von Flüssigkeitseinschlüssen besteht darin, dass die eingeschlossenen Öle vor verändernden sekundären Prozessen wie z. B. der Wasserauswaschung von Komponenten, dem biologischen Abbau, der Migration von Ölen und der Verunreinigung durch Bohrschlamm geschützt sind. Flüssigkeitseinschlüsse können damit unverfälschte Informationen über die ursprüngliche Erdölfüllung liefern. Aus analytischer Sicht werden im Allgemeinen Techniken wie die Gaschromatographie (mit einem Flammenionisationsdetektor, GC-FID), die Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und die Gaschromatographie-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (GC-IRMS) eingesetzt, um die aliphatischen und aromatischen Verbindungen der Öle in Flüssigkeitseinschlüssen zu analysieren und die geologischen Fragestellungen des Erdölsystems zu beantworten. Im Gegensatz zu aliphatischen und aromatischen Verbindungen ist nur sehr wenig über Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff (NSO) enthaltende Verbindungen bekannt. Bei den NSO-Verbindungen handelt es sich um Komponenten, die aufgrund ihrer Polarität stark dazu neigen, physikalische, chemische und biologische Wechselwirkungsprozesse mit der Umgebung einzugehen. Sie sind daher vielversprechende Verbindungen, um anhand der Veränderung ihrer relativen Zusammensetzung sekundäre Alterationsprozesse in Erdölsystemen aufzudecken. Um das Potenzial der NSO-Komponenten in der Erforschung von Ölflüssigkeitseinschlüssen zu untersuchen, wird in dieser Arbeit eine relativ neue Analysetechnik angewandt: die Fourier-Transform-Ionen Zyklotron Resonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) in Kombination mit Atmosphärendruck-Photoionisation im positiven Ionenmodus (APPI (+)) und Elektrospray-Ionisation im negativen Ionenmodus (ESI (–)). Gleichzeitig ermöglicht diese Technik eine Erweiterung des Analysefensters von NSO-Komponenten in den vorher nicht erfassten hochmolekularen Bereich. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des FT-ICR-MS ist es zunächst erforderlich, eine neue Reinigungs- und Probenvorbereitungsmethode für die Untersuchung von Flüssigkeitseinschlüssen zu entwickeln. In einem zweiten Schritt wird das Anwendungspotenzial der mit der FT-ICR-MS Technik bestimmten NSO Komponenten in zwei Fallstudien untersucht, die sich mit der Befüllungs- und Leckagegeschichte in einem Erdölsystem und der Erdölfraktionierung während der primären Ölmigration befassen. In diesen Studien werden die Daten der neu eingeführten FT-ICR-MS Methode mit herkömmlichen Daten der Flüssigkeitseinschlussanalyse wie der Mikroskopie, GC-MS und GC-IRMS kombiniert. Aufgrund der in der Regel geringeren Menge an Verbindungen in Flüssigkeitseinschlüssen kann diese Zusammensetzung leicht durch Komponenten von der äußeren Oberfläche des Wirtsminerals verunreinigt werden. Aus diesem Grund ist ein gründliches Reinigungsprotokoll eine zentrale Voraussetzung für die Erforschung von Flüssigkeitseinschlüssen. Bisherige Reinigungsmethoden für Wirtsminerale sind für die FT-ICR-MS Analyse nicht geeignet, und es musste eine rigorosere Reinigungsmethode entwickelt werden. Es wurden zwei Fluorit- und zwei Quarzproben, die eine große Anzahl von Ölflüssigkeitseinschlüssen enthielten, ausgewählt, um eine verbesserte Reinigungsmethode für die Wirtsmineralien zu entwickeln. Bei dieser Methode kommen verschiedene Extraktionsverfahren wie Soxhlet- und Ultraschallextraktion mit unterschiedlichen anorganischen und organischen Lösungsmitteln zum Einsatz. Obwohl nicht immer alle Verunreinigungen vollständig von den Wirtsmineraloberflächen entfernt werden konnten, ermöglicht das Verfahren die Identifizierung externer Verunreinigungen und damit die Bewertung des Verunreinigungsgrads einzelner NSO-Verbindungsklassen. Dies erlaubt eine ausgewogene Interpretation der FT-Ergebnisse aus Flüssigkeitseinschlüssen unter Berücksichtigung des Verunreinigungsgrades insbesondere für Verbindungen, die im APPI (+) aber auch im ESI (–) Modus gemessen wurden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die zuvor bei der FT-Untersuchung von Rohölen und Sedimentextrakten entwickelten NSO-Parameter auch in der Erforschung von Ölflüssigkeitseinschlüssen verwendet werden können. In der ersten Fallstudie wurde die Ölfüllungs- und Leckagegeschichte des Skarv-Feldes A in der Haltenbanken-Region vor der norwegischen Küste untersucht. Ölflüssigkeitseinschlüsse in Quarzen aus den Sandsteinen der jurassischen Garn- und Tilje Formation (Fm), die die ursprüngliche Ölfüllung darstellen, wurden mit den entsprechenden adsorbierten Resten von Ölen auf den Wirtsmineraloberflächen verglichen, die die aktuelle Ölfüllung des Reservoirs repräsentieren. Die umfassenden Analysen von Biomarkern, stabilen Kohlenstoffisotopen und NSO-Verbindungen zeigen, dass sowohl die Ölflüssigkeitseinschlüsse aus der Garn- und Tilje Fm als auch das adsorbierte Öl aus der Tilje Fm aus einer ähnlichen Quelle mit vergleichbarem Alter stammen, während das adsorbierte Öl aus der Garn Fm einen niedrigeren Reifegrad und Unterschiede bei den Faziesindikatoren aufweist. Die ähnlichen geochemischen Signale für die Ölflüssigkeitseinschlüsse aus der Tilje- und Garn Fm deuten darauf hin, dass die Öle aus demselben Muttergestein stammen, höchstwahrscheinlich der spätjurassischen/frühkreidezeitlichen Spekk Fm. Die Tatsache, dass das adsorbierte Öl in der Tilje Fm dem aus den entsprechenden Flüssigkeitseinschlüssen ähnelt, deutet darauf hin, dass die Tilje Fm nur einmal befüllt wurde. Im Gegensatz dazu weisen die Unterschiede zwischen dem adsorbierten Öl und dem Öl aus den Flüssigkeitseinschlüssen in der Garn Fm darauf hin, dass das Öl der ersten Reservoirbefüllung bereits mittels tertiärer Migration aus der Fm migriert ist und durch eine spätere Ölcharge aufgefüllt wurde, die vermutlich aus einem anderen, weniger reifen Muttergestein der Spekk Fm stammt. Die FT-ICR-MS NSO-Daten bestätigen die Ähnlichkeit zwischen den Flüssigkeitseinschlussölen der Garn und Tilje Fm. Aufgrund der sehr geringen Gehalte an NSO-Verbindungen in den adsorbierten Ölen war ein Vergleich zwischen den NSO-Verbindungen der Flüssigkeitseinschluss- und adsorbierten Öle mittels FT-ICR-MS für die beiden Öllagerstätten in diesem Fall nicht möglich. In der zweiten Fallstudie wurde das Fraktionierungsverhalten von Kohlenwasserstoffen und NSO-Verbindungen während der primären Ölmigration in der kalkhaltigen Hosszúhetény Marl Formation (HCMF) im Mecsek-Gebirge (Ungarn) untersucht. Hierbei repräsentieren die Ölflüssigkeitseinschlüsse die primäre Ölmigrationsphase und die Extrakte aus dem HCMF-Muttergestein das zurückgehaltene Bitumen. Diese Öl-Muttergesteinsbeziehung wurde durch die Ähnlichkeit von Biomarkerparametern und stabilen Kohlenstoff-Isotopendaten bestätigt. Der Vergleich der Ergebnisse von Ölflüssigkeitseinschlüssen und Muttergesteinsextrakten zeigt, dass die Verbindungsklassen der O1-, N1-, N1O1- und S1O1-Komponenten bevorzugt im Muttergesteinsbitumen zurückgehalten werden, während S1-Verbindungen bevorzugt aus dem Muttergestein migrieren. O2- und Kohlenwasserstoffverbindungen scheinen auf den ersten Blick keine Präferenz zu zeigen. Darüber hinaus zeigt ein tieferer Blick in die NSO-Verbindungsklassen, dass Verbindungen mit einer höheren Aromatizität bevorzugt im Muttergestein zurückgehalten werden, was insbesondere für Verbindungen mit einer hohen Anzahl von Doppelbindungsäquivalenten (DBEs) im unteren Kohlenstoffzahlbereich gilt. Dies deutet auf kürzere Alkylketten an den aromatischen Strukturen und damit auf einen weniger stark ausgeprägten Abschirmungseffekt durch die Alkylseitenketten hin. Insgesamt liefert diese Studie deutliche Hinweise darauf, dass die Fraktionierung von Kohlenwasserstoffen und NSO-Verbindungen während der primären Migration von den verschiedenen funktionellen Gruppen und deren Polaritäten sowie von der Molekülform und -größe insbesondere dem Grad der Aromatizität beeinflusst wird.

Description: For the realization of efficient geothermal binary power plants, it is important not only to consider the power plant cycle, but also heat supply and the power plant cooling as components of the overall system. Especially in case of the use of deep hydrothermal reservoirs are used and forced-air cooling systems (dry-cooled condenser or open wet cooling tower), the overall system context must be considered when determining the thermal water mass flow, the cooling system and the condensation temperature, which are usually defined early in the planning stage. In principle, the overall system of geothermal binary power plants can be modelled. However, for the modelling of the overall system, a large amount of data is required, some of which is only available with great uncertainties, especially in case of deep reservoirs. In addition, comparing different process designs and technical options using an overall system model is time-consuming. In the present work, suitable key parameters are developed for the point of maximum net power output and, based on the calculation bases, simple (partly) analytical calculation models are derived in order to estimate both the auxiliary power for thermal water circulation and the power plant cooling as well as the optimal thermal water mass flow and the optimal condensation temperature with possibly little effort. Für die Realisierung effizienter geothermischer Binär-Kraftwerke ist es im Rahmen der Auslegung wichtig, nicht nur den Kraftwerkskreislauf zu berücksichtigen, sondern auch die Wärmezufuhr und die Kraftwerkskühlung als wesentliche Bestandteile des Gesamtsystems zu sehen. Insbesondere wenn tiefe hydrothermale Reservoire genutzt werden und zwangsbelüftete Kühlsysteme (trockengekühlter Kondensator oder offener Nasskühlturm) zum Einsatz kommen, ist bei der Festlegung des Thermalwassermassenstroms, des Kühlsystems und der Kondensationstemperatur, welche meist frühzeitig in der Planung erfolgen, der Gesamtsystemkontext zu beachten. Prinzipiell kann das Gesamtsystem geothermischer Binär-Kraftwerke modelltechnisch abgebildet werden. Allerdings wird für die Gesamtsystemmodellierung eine Vielzahl von Daten benötigt, welche vor allem im Hinblick auf tiefe Reservoire zum Teil nur mit großen Unsicherheiten behaftet zur Verfügung stehen. Zudem ist die Prüfung verschiedener Prozessauslegungen und technischer Optionen mit Hilfe eines Gesamtsystemmodells aufwendig. In der vorliegenden Arbeit werden daher geeignete Kenngrößen für den Punkt der maximalen Nettoleistung entwickelt und auf Basis der Berechnungsgrundlagen einfache (teil-)analytische Berechnungsansätze abgeleitet, um sowohl den Eigenbedarf für die Thermalwasserzirkulation und die Kraftwerkskühlung als auch den optimalen Thermalwassermassenstrom und die optimale Kondensationstemperatur mit möglichst wenig Aufwand abschätzen zu können.

Description: For the realization of efficient geothermal binary power plants, it is important not only to consider the power plant cycle, but also heat supply and the power plant cooling as components of the overall system. Especially in case of the use of deep hydrothermal reservoirs are used and forced-air cooling systems (dry-cooled condenser or open wet cooling tower), the overall system context must be considered when determining the thermal water mass flow, the cooling system and the condensation temperature, which are usually defined early in the planning stage. In principle, the overall system of geothermal binary power plants can be modelled. However, for the modelling of the overall system, a large amount of data is required, some of which is only available with great uncertainties, especially in case of deep reservoirs. In addition, comparing different process designs and technical options using an overall system model is time-consuming. In the present work, suitable key parameters are developed for the point of maximum net power output and, based on the calculation bases, simple (partly) analytical calculation models are derived in order to estimate both the auxiliary power for thermal water circulation and the power plant cooling as well as the optimal thermal water mass flow and the optimal condensation temperature with possibly little effort.