ALBERT

Description: Skarn deposits are found on every continents and were formed at different times from Precambrian to Tertiary. Typically, the formation of a skarn is induced by a granitic intrusion in carbonates-rich sedimentary rocks. During contact metamorphism, fluids derived from the granite interact with the sedimentary host rocks, which results in the formation of calc-silicate minerals at the expense of carbonates. Those newly formed minerals generally develop in a metamorphic zoned aureole with garnet in the proximal and pyroxene in the distal zone. Ore elements contained in magmatic fluids are precipitated due to the change in fluid composition. The temperature decrease of the entire system, due to the cooling of magmatic fluids and the entering of meteoric water, allows retrogression of some prograde minerals. The Hämmerlein skarn deposit has a multi-stage history with a skarn formation during regional metamorphism and a retrogression of primary skarn minerals during the granitic intrusion. Tin was mobilized during both events. The 340 Ma old tin-bearing skarn minerals show that tin was present in sediments before the granite intrusion, and that the first Sn enrichment occurred during the skarn formation by regional metamorphism fluids. In a second step at ca. 320 Ma, tin-bearing fluids were produced with the intrusion of the Eibenstock granite. Tin, which has been added by the granite and remobilized from skarn calc-silicates, precipitated as cassiterite. Compared to clay or marl, the skarn is enriched in Sn, W, In, Zn, and Cu. These metals have been supplied during both regional metamorphism and granite emplacement. In addition, the several isotopic and chemical data of skarn samples show that the granite selectively added elements such as Sn, and that there was no visible granitic contribution to the sedimentary signature of the skarn The example of Hämmerlein shows that it is possible to form a tin-rich skarn without associated granite when tin has already been transported from tin-bearing sediments during regional metamorphism by aqueous metamorphic fluids. These skarns are economically not interesting if tin is only contained in the skarn minerals. Later alteration of the skarn (the heat and fluid source is not necessarily a granite), however, can lead to the formation of secondary cassiterite (SnO2), with which the skarn can become economically highly interesting.

Description: Skarn-Lagerstätten befinden sich auf allen Kontinenten und wurden zu unterschiedlichen Zeiten vom Präkambrium bis zum Tertiär gebildet. Typischerweise wird die Bildung eines Skarns durch die Intrusion eines Granits in karbonatreiche Sedimentgesteine induziert. Während der Kontaktmetamorphose reagieren die Fluide aus dem Granit mit dem sedimentären Wirtgestein, was zur Bildung von Kalksilikaten auf Kosten von Karbonaten führt. Diese neu gebildeten Minerale entwickeln sich im Allgemeinen in einer metamorph zonierten Aureole mit Granat im proximalen und Pyroxen im distalen Bereich. Erzelemente die in magmatischen Fluiden enthalten sind werden aufgrund der veränderten Fluidzusammensetzung ausgefällt. Die Temperaturabsenkung des gesamten Systems, hervorgerufen durch die Abkühlung von magmatischen Fluiden sowie durch das Eindringen meteorischen Wassers, führen zu teilweisen oder vollständigen Umwandlung prograder Minerale. Die Skarn-Lagerstätte Hämmerlein hat eine mehrstufige Geschichte mit Skarnsbildung während der regionalen Metamorphose und Retrogression der primären Skarn-Minerale während der Intrusion von Graniten. Zinn wurde während beiden Ereignissen mobilisiert. Die 340 Ma alten zinnhaltigen Skarnminerale zeigen, dass Zinn in Sedimenten bereits vor dem Graniteintrag vorhanden war, und dass die erste Sn-Anreicherung während der Bildung des Skarns durch Fluide der Regionalmetamorphose stattfand. In einem zweiten Schritt um 320 Ma wurden Zinn-haltige Fluide durch die Intrusion des Eibenstockgranits freigesetzt. Diese Fluide überprägten den Skarn. Das freisetzen und das neu zugefügte Zinn ist in Kassiterit gebunden und führten dem System zusätzliches Zinn zu, wobei Zinn aus den Skarn-Kalksilikaten remobilisiert wurde. Im Vergleich zu Tonstein oder Mergel sind die Skarn mit Sn, W, In, Zn, und Cu angereichet. Diese Metalle sind während der Regionalmetamorphose und der Granitplatznahme zu unterschiedlichen Teilen zugeführt worden. Darüber hinaus zeigen die verschiedenen isotopen und chemischen Daten der Skarn-Proben, dass der Granit selektiv einige Elemente wie Sn hinzugefügt, und dass es keinen sichtbar granitischen Beitrag zur sedimentären Signatur des Skarns gab. Das Beispiel Hämmerlein zeigt, dass es möglich ist einen zinnreichen Skarn ohne zugehörigen Granit zu bilden, wenn Zinn von zinnhaltigen Sedimenten während einer Regionalmetamorphose mit wässrigen metamorphen Fluiden transportiert worden ist. Diese Skarne sind wirtschaftlich uninterssant wenn das Zinn nur in den Skarn-Mineralen enthalten ist. Spätere Umwandlung des Skarns (die Quelle der Wärme und Fluiden ist nicht unbedingt ein Granit) kann jedoch zur Bildung von sekundärem Kassiterite (SnO2) führen, womit der Skarn plötzlich wirtschaftlich hoch interessant sein kann.

Description: The advances in modern geodetic techniques such as the global navigation satellite system (GNSS) and synthetic aperture radar (SAR) provide surface deformation measurements with an unprecedented accuracy and temporal and spatial resolutions even at most remote volcanoes on Earth. Modelling of the high-quality geodetic data is crucial for understanding the underlying physics of volcano deformation processes. Among various approaches, mathematical models are the most effective for establishing a quantitative link between the surface displacements and the shape and strength of deformation sources. Advancing the geodetic data analyses and hence, the knowledge on the Earth’s interior processes, demands sophisticated and efficient deformation modelling approaches. Yet the majority of these models rely on simplistic assumptions for deformation source geometries and ignore complexities such as the Earth’s surface topography and interactions between multiple sources. This thesis addresses this problem in the context of analytical and numerical volcano deformation modelling. In the first part, new analytical solutions for triangular dislocations (TDs) in uniform infinite and semi-infinite elastic media have been developed. Through a comprehensive investigation, the locations and causes of artefact singularities and numerical instabilities associated with TDs have been determined and these long-standing drawbacks have been addressed thoroughly. This approach has then been extended to rectangular dislocations (RDs) with full rotational degrees of freedom. Using this solution in a configuration of three orthogonal RDs a compound dislocation model (CDM) has been developed. The CDM can represent generalized volumetric and planar deformation sources efficiently. Thus, the CDM is relevant for rapid inversions in early warning systems and can also be used for detailed deformation analyses. In order to account for complex source geometries and realistic topography in the deformation models, in this thesis the boundary element method (BEM) has been applied to the new solutions for TDs. In this scheme, complex surfaces are simulated as a continuous mesh of TDs that may possess any displacement or stress boundary conditions in the BEM calculations. In the second part of this thesis, the developed modelling techniques have been applied to five different real-world deformation scenarios. As the first and second case studies the deformation sources associated with the 2015 Calbuco eruption and 2013–2016 Copahue inflation period have been constrained by using the CDM. The highly anisotropic source geometries in these two cases highlight the importance of using generalized deformation models such as the CDM, for geodetic data inversions. The other three case studies in this thesis involve high-resolution dislocation models and BEM calculations. As the third case, the 2013 pre-explosive inflation of Volcán de Colima has been simulated by using two ellipsoidal cavities, which locate zones of pressurization in the volcano’s lava dome. The fourth case study, which serves as an example for volcanotectonics interactions, the 3-D kinematics of an active ring-fault at Tendürek volcano has been investigated through modelling displacement time series over the 2003–2010 time period. As the fifth example, the deformation sources associated with North Korea’s underground nuclear test in September 2017 have been constrained. These examples demonstrate the advancement and increasing level of complexity and the general applicability of the developed dislocation modelling techniques. This thesis establishes a unified framework for rapid and high-resolution dislocation modelling, which in addition to volcano deformations can also be applied to tectonic and humanmade deformations.

Description: Fortschritte in modernen geodätischen Techniken wie dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) und dem Synthetic Apertur Radar (SAR), liefern Messungen der Oberflächenverformung mit einer beispiellosen Genauigkeit sowie zeitlichen und räumlichen Auflösungen, selbst an abgelegensten Vulkanen. Die Modellierung von hochqualitativen geodätischen Daten ist entscheidend für das Verständnis der zugrundeliegenden Physik der Verformungsprozesse an diesen Vulkanen. Um eine quantitative Verbindung zwischen den Oberflächenverschiebungen und der Form und Stärke von Verformungsquellen herzustellen, sind mathematische Modelle am effektivsten. Die Fortschnitte in geodätischen Datenanalysen und damit das Wissen über die Prozesse im Inneren der Erde erfordern ausgefeilte und effiziente Ansätze der Verformungsmodellierung. Die meisten dieser Modelle beruhen jedoch auf vereinfachten Annahmen der Geometrien der Verformungsquellen und ignorieren Komplexitäten wie die Erdoberflächentopographie und Wechselwirkungen zwischen mehreren Quellen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit diesem Problem im Kontext der analytischen und numerischen Vulkanverformungsmodellierung. Im ersten Schritt wurden neue analytische Lösungen für dreieckige Dislokationen (triangular dislocation-TD) im gleichförmigen elastischen Voll- und Halbraum entwickelt. Durch eine umfassende Untersuchung wurden die Orte und Ursachen von TDs verbundenen Artefaktsingularitäten und numerischen Instabilitäten identifiziert und diese Problematik gelöst. Dieser Ansatz wurde dann auf rechteckige Dislokationen (rectangular dislocation-RD) mit vollen Rotationsfreiheitsgraden erweitert. Unter Verwendung dieser Lösung in einer Konfiguration von drei orthogonalen RDs wurde ein “Zusammengesetztes Dislokationsmodel” (compound dislocation model-CDM) entwickelt. Das CDM kann verallgemeinerte volumetrische und planare Verformungsquellen effizient darstellen. Somit ist das CDM für schnelle Inversionen in Frühwarnungssystemen relevant und kann auch für detaillierte Verformungsanalysen verwendet werden. Um komplexe Quellengeometrien und eine realistische Topographie in den Verformungsmodellen dieser Untersuchung zu berücksichtigen, wurde die Randelementmethode (REM) auf die neuen Lösungen für TDs angewendet. In diesem Schema werden komplexe Oberflächen als ein kontinuierliches Netz von DVs simuliert, die in den REM-Berechnungen beliebige Verschiebungs- oder Spannungsgrenzbedingungen aufweisen können. Als Beispiele wurden die entwickelten Modellierungstechniken auf fünf verschiedene reale Verformungsszenarien angewendet. Das erste und zweite Beispiel, die Calbuco-Eruption 2015 und die 2013–2016 Copahue-Aufwölbungsperiode, wurden durch die Verwendung des CDM näher beschrieben. Die hoch anisotropen Quellengeometrien in diesen beiden Fällen unterstreichen die Bedeutung der Verwendung verallgemeinerter Verformungsmodelle wie dem CDM für geodätische Dateninversionen. Weitere Fallstudien dieser Doktorarbeit umfassen hochauflösende Versetzungsmodelle und REM-Berechnungen. Die Aufwölbung 2013 am Volcán de Colima wurde simuliert, indem zwei ellipsoidale Quellen verwendet wurden, die Druckzonen im Lavadom des Vulkans lokalisieren. Danach, als Beispiel für Vulkantektonik-Interaktionen, wurde die 3-D-Kinematik einer aktiven Ringstörung am Tendürek-Vulkan durch Modellierung von InSAR-Zeitreihen über die Zeitperiode 2003–2010 simuliert. Als letztes Beispiel wurden die Verformungsquellen, die im Zusammenhang mit Nordkoreas unterirdischem Atomtest im September 2017 stehen, simuliert und der Einsatz der verwendeten Methoden auch in nicht vulkanischen Terrain gezeigt. Diese Beispiele zeigen den Fortschritt und das zunehmende Niveau der Komplexität und die allgemeine Anwendbarkeit der entwickelten Dislokationsmodellierungstechniken. Diese Doktorarbeit unterstreicht die Anwendung von neuer schneller und hochauflösender Dislokationsmodellierung, die neben Vulkanverformungen auch auf tektonische und vom Menschen verursachte Verformungen angewendet werden kann.

Description: Earthquake swarms are characterized by large numbers of events occurring in a short period of time within a confined source volume and without significant mainshock aftershock pattern as opposed to tectonic sequences. Intraplate swarms in the absence of active volcanism usually occur in continental rifts as for example in the Eger Rift zone in North West Bohemia, Czech Republic. A common hypothesis links event triggering to pressurized fluids. However, the exact causal chain is often poorly understood since the underlying geotectonic processes are slow compared to tectonic sequences. The high event rate during active periods challenges standard seismological routines as these are often designed for single events and therefore costly in terms of human resources when working with phase picks or computationally costly when exploiting full waveforms. This methodological thesis develops new approaches to analyze earthquake swarm seismicity as well as the underlying seismogenic volume. It focuses on the region of North West (NW) Bohemia, a well studied, well monitored earthquake swarm region. In this work I develop and test an innovative approach to detect and locate earthquakes using deep convolutional neural networks. This technology offers great potential as it allows to efficiently process large amounts of data which becomes increasingly important given that seismological data storage grows at increasing pace. The proposed deep neural network trained on NW Bohemian earthquake swarm records is able to locate 1000 events in less than 1 second using full waveforms while approaching precision of double difference relocated catalogs. A further technological novelty is that the trained filters of the deep neural network’s first layer can be repurposed to function as a pattern matching event detector without additional training on noise datasets. For further methodological development and benchmarking, I present a new toolbox to generate realistic earthquake cluster catalogs as well as synthetic full waveforms of those clusters in an automated fashion. The input is parameterized using constraints on source volume geometry, nucleation and frequency-magnitude relations. It harnesses recorded noise to produce highly realistic synthetic data for benchmarking and development. This tool is used to study and assess detection performance in terms of magnitude of completeness Mc of a full waveform detector applied to synthetic data of a hydrofracturing experiment at the Wysin site, Poland. Finally, I present and demonstrate a novel approach to overcome the masking effects of wave propagation between earthquake and stations and to determine source volume attenuation directly in the source volume where clustered earthquakes occur. The new event couple spectral ratio approach exploits high frequency spectral slopes of two events sharing the greater part of their rays. Synthetic tests based on the toolbox mentioned before show that this method is able to infer seismic wave attenuation within the source volume at high spatial resolution. Furthermore, it is independent from the distance towards a station as well as the complexity of the attenuation and velocity structure outside of the source volume of swarms. The application to recordings of the NW Bohemian earthquake swarm shows increased P phase attenuation within the source volume (Qp 〈 100) based on results at a station located close to the village Luby (LBC). The recordings of a station located in epicentral proximity, close to Nový Kostel (NKC), show a relatively high complexity indicating that waves arriving at that station experience more scattering than signals recorded at other stations. The high level of complexity destabilizes the inversion. Therefore, the Q estimate at NKC is not reliable and an independent proof of the high attenuation finding given the geometrical and frequency constraints is still to be done. However, a high attenuation in the source volume of NW Bohemian swarms has been postulated before in relation to an expected, highly damaged zone bearing CO 2 at high pressure. The methods developed in the course of this thesis yield the potential to improve our understanding regarding the role of fluids and gases in intraplate event clustering.

Description: Erdbebenschwärme zeichnen sich durch eine große Anzahl an Ereignissen in einem relativ kleinen Zeitraum und Volumen aus. Im Gegensatz zu tektonischen Sequenzen ist in der Regel keine signifikantes Muster von Vor- und Nachbeben erkennbar. In Abwesenheit aktiven Vulkanismusses, kommen Erdbebenschwärme innerhalb kontinentaler Platten häufg an kontinentalen Verwerfungen vor, wie Beispielsweise im Bereich des Egergrabens im nordböhmischen Becken (Tschechien). Eine übliche Hypothese verbindet den Erdbebenentstehungsprozess mit Hochdruckfluiden. Der exakte kausale Zusammenhang ist jedoch häufig enigmatisch, da die zugrundeliegenden geotektonischen Prozesse im Vergleich zu tektonischen Sequenzen relativ langsam sind. Die hohe Erdbebenrate während aktiver Phasen stellt hohe Anforderungen an etablierte seismologische Routinen da diese häufg für Einzelereignisse konzipiert sind. So können sie einen hohen Aufwand bei manueller Selektion seismischer Phasen (picking) bedeuten oder rechenerisch aufwändig sein wenn volle Wellenformen verarbeitet werden sollen. Im Rahmen dieser methodologischen Thesis werden neue Ansätze zur Analyse seismischer Schwärme, sowie des zugrundeliegenden seismogenen Volumens entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf der gut untersuchten und überwachten nordböhmischen Schwarmregion. Ich entwickle und teste in dieser Arbeit einen innovativen Ansatz zur Detektion und Lokalisation von Erdbeben basierend auf einem tiefen konvolvierenden neuronalen Netzwerk. Diese Technologie bietet großes Potential da sie es erlaubt große Datenmengen effizient zu verarbeiten was durch die zunehmenden Datenmengen seismologischer Datenzentren immer weiter an Bedeutung gewinnt. Das entwickelte tiefe neuronale Netzwerk, trainiert auf Aufnahmen nordböhmischer Erdbebenschwärme, ist in der Lage 1000 Eregnisse in weniger als 1 Sekunde bei Verwendung voller Wellenformen zu lokalisieren und erreicht eine Präzision die vergleichbar ist mit der Genauigkeit eines Katalogs, der mittels Doppelte Differenzen Methode relokalisiert wurde. Eine weitere technologische Neuheit ist, dass die trainierten Filter der ersten Schicht des tiefen neuronalen Netzwerkes als Mustererkennungsfilter umfunktioniert werden und damit als Ereignisdetektor dienen können, ohne, dass zuvor explizit auf Rauschdaten trainiert werden muss. Für die weitere technologische Entwicklung stelle ich ein neues, automatisiertes Werkzeug für die synthetisierung realistischer Erdbebenschwarmkataloge, sowie hierauf basierender synthetischer voller Wollenform vor. Die Eingabeparameter werden durch die Geometrie des Quellvolumens, der Nukleationscharakteristik und Magnitude-Häufigkeitsverteilung definiert. Weiter können Rauschsignale realer Daten verwendet werden um äußerst realistische synthetische Daten zu generieren. Dieses Werkzeug wird verwendet um die Vollständigkeitmagnitude eines Detektors für volle Wellenformen anhand synthetischer Daten zu evaluieren. Die synthetisierten Daten sind Motiviert durch ein Hydrofrackingexperiment in Wysin (Polen). Des Weiteren stelle ich einen neuen Ansatz vor, der die Effekte der Wellenausbreitung zwischen Erdbeben und Stationen ausblendet und die Bestimmung der Dämpfung unmittelbar im Quellvolumen von Schwarmerdbeben erlaubt. Diese neue Methode benutzt das hochfrequente spektrale Verhältnis von Ereignispaaren mit gemeinsamen Strahlenwegen. Synthetische Tests zeigen, dass die Methode in der Lage ist die Dämpfung innerhalb des Quellvolumens mit hoher räumlicher Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ist sie im Einzelnen unabhängig von der Entfernung zwischen Ereignis und Station als auch von der Komplexität der Dämpfungs und Geschwindigkeitsstruktur außerhalb des Quellvolumens. Die Anwendung auf Daten des nordböhmischen Erdbebenschwarms zeigt eine erhöhte P Phasen Dämpfung im Quellvolumen (Qp 〈 100) basierend auf Daten einer Station in der Nähe des Dorfes Luby (LBC). Die Wellenformen einer Station in unmittelbarer epizentraler Nähe, bei Novy Kostel (NKC), weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was darauf hindeutet, dass seismische Wellen, die diese Station erreichen relativ stark gestreut werden im Vergleich zu anderen Stationen. Das hohe Maß an Komplexität destabilisiert die Methode und führt zu ungenauen Schätzungen an der Station NKC. Daher bedarf es einer weiteren unabhängigen Validierung der hohen Dämpfung bei gegebenen geometrischen und spektralen Voraussetzungen. Nichtsdestoweniger wurde bereits eine hohe Dämpfung im Quellvolumen der nordböhmischen Schwärme postuliert und erwartet, insbesondere im Zusammenhang mit einer Zone hoher Brüchigkeit die CO2 bei hohen Drücken beinhaltet. Die Methoden die im Rahmen dieser Thesis entwickelt werden haben das Potential unser Verständnis bezüglich der Rolle von Fluiden und Gasen bei Erdbebenschärmen innerhalb kontinentaler Platten zu verbessern.

Description: Partial melting is a first order process for the chemical differentiation of the crust (Vielzeuf et al., 1990). Redistribution of chemical elements during melt generation crucially influences the composition of the lower and upper crust and provides a mechanism to concentrate and transport chemical elements that may also be of economic interest. Understanding of the diverse processes and their controlling factors is therefore not only of scientific interest but also of high economic importance to cover the demand for rare metals. The redistribution of major and trace elements during partial melting represents a central step for the understanding how granite-bound mineralization develops (Hedenquist and Lowenstern, 1994). The partial melt generation and mobilization of ore elements (e.g. Sn, W, Nb, Ta) into the melt depends on the composition of the sedimentary source and melting conditions. Distinct source rocks have different compositions reflecting their deposition and alteration histories. This specific chemical “memory” results in different mineral assemblages and melting reactions for different protolith compositions during prograde metamorphism (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). These factors do not only exert an important influence on the distribution of chemical elements during melt generation, they also influence the volume of melt that is produced, extraction of the melt from its source, and its ascent through the crust (Le Breton and Thompson, 1988). On a larger scale, protolith distribution and chemical alteration (weathering), prograde metamorphism with partial melting, melt extraction, and granite emplacement are ultimately depending on a (plate-)tectonic control (Romer and Kroner, 2016). Comprehension of the individual stages and their interaction is crucial in understanding how granite-related mineralization forms, thereby allowing estimation of the mineralization potential of certain areas. Partial melting also influences the isotope systematics of melt and restite. Radiogenic and stable isotopes of magmatic rocks are commonly used to trace back the source of intrusions or to quantify mixing of magmas from different sources with distinct isotopic signatures (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). These applications are based on the fundamental requirement that the isotopic signature in the melt reflects that of the bulk source from which it is derived. Different minerals in a protolith may have isotopic compositions of radiogenic isotopes that deviate from their whole rock signature (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). In particular, old minerals with a distinct parent-to-daughter (P/D) ratio are expected to have a specific radiogenic isotope signature. As the partial melting reaction only involves selective phases in a protolith, the isotopic signature of the melt reflects that of the minerals involved in the melting reaction and, therefore, should be different from the bulk source signature. Similar considerations hold true for stable isotopes.

Description: Partielle Schmelzbildung ist ein zentraler Prozess für die geochemische Differentiation der Erdkruste (Vielzeuf et al., 1990). Die Umverteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung beeinflusst die Zusammensetzung der oberen und unteren Erdkruste entscheidend und stellt einen Mechanismus zur Konzentration und zum Transport chemischer Elemente dar. Das Verständnis der diversen Prozesse und der kontrollierenden Faktoren ist deshalb nicht nur von wissenschaftlichem Interesse sondern auch von ökonomischer Bedeutung um die Nachfrage für seltene Metalle zu decken. Die Umverteilung von Haupt- und Spurenelementen während des partiellen Aufschmelzens ist ein entscheidender Schritt für das Verständnis wie sich granitgebundene Lagerstätten bilden (Hedenquist and Lowenstern, 1994). Die Schmelzbildung und die Mobilisierung von Erz-Elementen (z. B. Sn, W, Nb, Ta) in die Schmelze hängt von der Zusammensetzung der sedimentären Ausgangsgesteine und den Schmelzbedingungen ab. Verschiedene Ausgangsgesteine haben aufgrund ihrer Ablagerungs- und Verwitterungsgeschichte unterschiedliche Zusammensetzungen. Dieses spezifische geochemische „Gedächtnis“ resultiert in unterschiedlichen Mineralparagenesen und Schmelzreaktionen in verschiedenen Ausgangsgesteinen während der prograden Metamorphose. (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). Diese Faktoren haben nicht nur einen wichtigen Einfluss auf die Verteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung, sie beeinflussen auch das Volumen an Schmelze, die Extraktion der Schmelze aus dem Ausgangsgestein und deren Aufstieg durch die Erdkruste (Le Breton and Thompson, 1988). Auf einer grösseren Skala unterliegen die Verteilung der Ausgangsgesteine und deren chemische Alteration (Verwitterung), die prograde Metamorphose mit partieller Schmelzbildung, Schmelzextraktion und die Platznahme granitischer Intrusionen einer plattentektonischen Kontrolle. Das Verständnis der einzelnen Schritte und deren Wechselwirkungen ist entscheidend um zu verstehen wie granitgebunden Lagerstätten entstehen und erlaubt es, das Mineralisierungspotential bestimmter Gebiete abzuschätzen. Partielles Aufschmelzen beeinflusst auch die Isotopensystematik der Schmelze und des Restites. Die Zusammensetzungen radiogener und stabiler Isotopen von magmatischen Gesteinen werden im Allgemeinen dazu verwendet um deren Ursprungsgesteine zu identifizieren oder um Mischungsprozesses von Magmen unterschiedlichen Ursprunges zu quantifizieren (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). Diese Anwendungen basieren auf der fundamentalen Annahme, dass die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen des Ausgangsgesteines entspricht. Unterschiedliche Minerale in einem Gestein können unterschiedliche, vom Gesamtgestein abweichende, Isotopenzusammensetzungen haben (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). Insbesondere für alte Minerale, mit einem unterschiedlichen Mutter-Tochter Nuklidverhältnis, ist eine spezifische Isotopenzusammensetzung zu erwarten. Da im partiellen Schmelzprozess nur bestimmte Minerale eines Gesteines involviert sind, entspricht die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen der Minerale welche an der Schmelzreaktion teilnehmen. Daher sollte die Isotopenzusammensetzung der Schmelze von derjenigen des Ursprungsgesteines abweichen. Ähnliche Überlegungen treffen auch für stabile Isotopen zu.

Description: The Central Andes host large reserves of base and precious metals. The region represented, in 2017, an important part of the worldwide mining activity. Three principal types of deposits have been identified and studied: 1) porphyry type deposits extending from central Chile and Argentina to Bolivia, and Northern Peru, 2) iron oxide-copper-gold (IOCG) deposits, extending from central Peru to central Chile, and 3) epithermal tin polymetallic deposits extending from Southern Peru to Northern Argentina, which compose a large part of the deposits of the Bolivian Tin Belt (BTB). Deposits in the BTB can be divided into two major types: (1) tin-tungsten-zinc pluton-related polymetallic deposits, and (2) tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposits. Mina Pirquitas is a tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposit, located in north-west Argentina, that used to be one of the most important tin-silver producing mine of the country. It was interpreted to be part of the BTB and it shares similar mineral associations with southern pluton related BTB epithermal deposits. Two major mineralization events related to three pulses of magmatic fluids mixed with meteoric water have been identified. The first event can be divided in two stages: 1) stage I-1 with quartz, pyrite, and cassiterite precipitating from fluids between 233 and 370 °C and salinity between 0 and 7.5 wt%, corresponding to a first pulse of fluids, and 2) stage I-2 with sphalerite and tin-silver-lead-antimony sulfosalts precipitating from fluids between 213 and 274 °C with salinity up to 10.6 wt%, corresponding to a new pulse of magmatic fluids in the hydrothermal system. The mineralization event II deposited the richest silver ores at Pirquitas. Event II fluids temperatures and salinities range between 190 and 252 °C and between 0.9 and 4.3 wt% respectively. This corresponds to the waning supply of magmatic fluids. Noble gas isotopic compositions and concentrations in ore-hosted fluid inclusions demonstrate a significant contribution of magmatic fluids to the Pirquitas mineralization although no intrusive rocks are exposed in the mine area. Lead and sulfur isotopic measurements on ore minerals show that Pirquitas shares a similar signature with southern pluton related polymetallic deposits in the BTB. Furthermore, the major part of the sulfur isotopic values of sulfide and sulfosalt minerals from Pirquitas ranges in the field for sulfur derived from igneous rocks. This suggests that the main contribution of sulfur to the hydrothermal system at Pirquitas is likely to be magma-derived. The precise age of the deposit is still unknown but the results of wolframite dating of 2.9 ± 9.1 Ma and local structural observations suggest that the late mineralization event is younger than 12 Ma.

Description: Die zentralen Anden beherbergen große Reserven von unedlen und Edelmetallen. Die Region war 2017 ein wichtiger Teil der weltweiten Bergbautätigkeit. Bisher wurden drei Hauptlagerstätten identifiziert und untersucht: 1) Porphyr-Lagerstätten, die sich von Zentralchile und Argentinien bis Bolivien und Nord-Peru erstrecken; 2) Eisenoxid-Kupfer-Gold-Lagerstätten (IOCG), die sich von Zentralperu bis Zentralchile ausdehnen, sowie 3) polymetallische epithermale Zinnlagerstätten, die sich von Südperu bis nach Nordargentinien erstrecken und einen Großteil der Lagerstätten des bolivianischen Zinngürtels (Bolivian Tin Belt - BTB) bilden. Lagerstätten im BTB können in zwei Haupttypen unterteilt werden: (1) polymetallische Lagerstätten aus Zinn-Wolfram-Zink im Zusammenhang mit Plutonen und (2) polymetallische Zinn-Silber-Blei-zink Anlagerungen in epithermalen gangförmigen Lagerstätten. Mina Pirquitas ist eine epithermale Zinn-Silber-Blei-Zink-Polymetallvenenlagerstätte im Nordwesten Argentiniens, die früher eine der wichtigsten Zinnsilber-Mine meines Landes war. Es wurde als Teil der BTB interpretiert und hat ähnliche Mineralstoffverbände mit südlichen Pluton-bezogenen BTB-Epithermalvorkommen. Es wurden zwei bedeutende Mineralisierungsereignisse identifiziert, die sich auf drei mit meteorischem Wasser gemischte magmatische Fluide beziehen. Das erste Ereignis kann in zwei Stufen unterteilt werden: 1) Stufe I-1, wobei Quarz, Pyrit und Cassiterit aus Fluiden zwischen 233 und 370 ° C und einem Salzgehalt zwischen 0 und 7,5 Gew .-% ausfallen, entsprechend einem ersten Flüssigkeitsimpuls, und 2) Stufe I-2 mit Sphalerit und Zinn-Silber-Blei-Antimonsulfosalzen, die aus Fluiden zwischen 213 und 274 ° C mit einem Salzgehalt von bis zu 10,6 Gew .-% ausfallen, was einem neuen Impuls magmatischer Fluiden im hydrothermalen System entspricht. Durch die Mineralisierung II wurden die reichsten Silbererze bei Pirquitas abgelagert. Die Temperaturen und Salzgehalte von Event II liegen zwischen 190 und 252 ° C bzw. zwischen 0,9 und 4,3 Gew .-%. Dies entspricht der abnehmenden Versorgung mit magmatischen Fluiden. Edelgasisotopenzusammensetzungen und -konzentrationen in mit Erz beherbergten Flüssigkeitseinschlüssen zeigen einen signifikanten Beitrag magmatischer Fluiden zur Pirquitas-Mineralisierung, obwohl keine intrusiven Gesteine im Minengebiet exponiert sind. Messungen von Blei- und Schwefelisotopen an Erzmineralien zeigen, dass Pirquitas eine ähnliche Signatur mit südlichen Pluton-verwandten polymetallischen Lagerstätten in der BTB teilt. Darüber hinaus liegt der größte Teil der Schwefelisotopenwerte von Sulfid- und Sulfosaltmineralien aus Pirquitas im Bereich von Schwefel aus magmatischem Gestein. Dies deutet darauf hin, dass der Hauptbeitrag von Schwefel zum hydrothermalen System bei Pirquitas wahrscheinlich aus Magma stammt. Das genaue Alter der Lagerstätte ist noch nicht bekannt, aber die Ergebnisse der Wolframit-Datierung von 2,9 ± 9,1 Ma und lokalen Strukturbeobachtungen legen nahe, dass die späten Mineralisierungsereignisse jünger als 12 Ma sind.

Description: The climate is a complex dynamical system involving interactions and feedbacks among different processes at multiple temporal and spatial scales. Although numerous studies have attempted to understand the climate system, nonetheless, the studies investigating the multiscale characteristics of the climate are scarce. Further, the present set of techniques are limited in their ability to unravel the multi-scale variability of the climate system. It is completely plausible that extreme events and abrupt transitions, which are of great interest to climate community, are resultant of interactions among processes operating at multi-scale. For instance, storms, weather patterns, seasonal irregularities such as El Niño, floods and droughts, and decades-long climate variations can be better understood and even predicted by quantifying their multi-scale dynamics. This makes a strong argument to unravel the interaction and patterns of climatic processes at different scales. With this background, the thesis aims at developing measures to understand and quantify multi-scale interactions within the climate system. In the first part of the thesis, I proposed two new methods, viz, multi-scale event synchronization (MSES) and wavelet multi-scale correlation (WMC) to capture the scale-specific features present in the climatic processes. The proposed methods were tested on various synthetic and real-world time series in order to check their applicability and replicability. The results indicate that both methods (WMC and MSES) are able to capture scale-specific associations that exist between processes at different time scales in a more detailed manner as compared to the traditional single scale counterparts. In the second part of the thesis, the proposed multi-scale similarity measures were used in constructing climate networks to investigate the evolution of spatial connections within climatic processes at multiple timescales. The proposed methods WMC and MSES, together with complex network were applied to two different datasets. In the first application, climate networks based on WMC were constructed for the univariate global sea surface temperature (SST) data to identify and visualize the SSTs patterns that develop very similarly over time and distinguish them from those that have long-range teleconnections to other ocean regions. Further investigations of climate networks on different timescales revealed (i) various high variability and co-variability regions, and (ii) short and long-range teleconnection regions with varying spatial distance. The outcomes of the study not only re-confirmed the existing knowledge on the link between SST patterns like El Niño Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation, but also suggested new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections. In the second application, I used the developed non-linear MSES similarity measure to quantify the multivariate teleconnections between extreme Indian precipitation and climatic patterns with the highest relevance for Indian sub-continent. The results confirmed significant non-linear influences that were not well captured by the traditional methods. Further, there was a substantial variation in the strength and nature of teleconnection across India, and across time scales. Overall, the results from investigations conducted in the thesis strongly highlight the need for considering the multi-scale aspects in climatic processes, and the proposed methods provide robust framework for quantifying the multi-scale characteristics.

Description: Das Klima ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen und Rückkopplungen auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen. Viele Studien beschäftigten sich mit dem diesem System, nur wenige jedoch konzentrierten sich auf das Multiskalenverhalten des Klimas. Vor allem die bis dato verfügbaren Techniken schränkten eine vertiefte Analyse der Klimavariabilität auf unterschiedlichen Skalen ein. Von großen Interesse in der aktuellen Klimaforschung sind Extremereignisse und plötzliche Veränderungen, welche höchstwahrscheinlich aus dem Zusammenwirken von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen hervorgehen. Um Stürme, wiederkehrende Wetterlagen, jahreszeitliche Phänomene wie El Niño, Fluten, Dürren oder Klimaschwankungen über Jahrzehnte besser zu verstehen oder sogar vorhersagen zu können, müssen wir deren Dynamik auf unterschiedlichen Skalen quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden Mittel und Wege präsentiert um das Zusammenwirken auf verschiedenen Skalen im Klimasystem besser zu verstehen und zu quantifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich zwei Methoden, multi-scale event synchronization (MSES) und wavelet multi-scale correlation (WMC) vor, welche skalenspezifischen Eigenschaften in klimatischen Prozessen abbilden. Die vorgestellte Methode wurde mit mehreren synthetischen und realen Zeitreihen getestet um ihre Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden Beziehungen auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen detaillierter als traditionelle Ansätze abbilden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit bilde ich klimatische Netzwerke mithilfe eines Maßes zur Ähnlichkeit auf Multiskalen. Dabei untersuche ich die Entwicklung von räumlichen Beziehungen um klimatische Prozesse auf mehreren Zeitskalen zu verstehen. Die Methoden WMC und MSES werden zusammen mit komplexen Netzwerken auf zwei Datensätze angewendet. In der ersten Anwendung werden klimatische Netzwerke mit WMC für univariate globale Meeresoberflächentemperaturen gebildet. Auf unterschiedlichen Zeitskalen sollen dabei kurze und lange Fernwirkungen, welche andernfalls auf einer einzigen Zeitskale unerkannt blieben, entdeckt werden. In diesem Klimanetzwerk ließ sich eine starke Variabilität über die Zeit feststellen, was auf eine skalenfreie und kleinräumige Netzstruktur auf großem, beziehungsweise kleinem Maßstab schließen lässt. Weitere Untersuchungen von Klimanetzwerken auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigte (i) hohe Variabilität und Co-Variabilität in Regionen, und (ii) Fernbeziehungen auf kurzen und langen Entfernungen mit variabler räumlicher Distanz. Die Ergebnisse bestätigen bekannte physikalischen Wechselwirkungen und daher auch die Stärken meines Ansatzes. Dadurch ergeben sich neue Einblicke in die Klimatologie von Ozeanen, sodass beispielsweise konvektive Prozesse in der Atmosphäre eine Abhängigkeit über weite Entfernungen aufweisen können. In der zweiten Anwendung verwendeten wir das von mir entwickelte, nicht-lineare MSES Ähnlichkeitsmaß um multivariate Fernbeziehungen zwischen Starkniederschlägen und klimatischen Mustern über Indien zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse bestätigen signifikante, nicht-lineare Einflüsse, welche von traditionellen Methoden bisher unzureichend abgebildet wurden. Des Weiteren fanden wir deutliche Schwankungen in der Stärke und in der Ausprägung von Fernbeziehungen über Indien und über Zeitskalen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Fallstudien, dass Multiskalen in Klimaprozessen entschieden berücksichtigt werden müssen und dass der entwickelte methodische Rahmen adäquat die charakteristischen Prozesse quantifizieren kann.

Description: Gas hydrates are crystalline solids composed of water and gas molecules. They are stable at elevated pressure and low temperatures. Therefore, natural gas hydrate deposits occur at continental margins, permafrost areas, deep lakes, and deep inland seas. During hydrate formation, the water molecules rearrange to form cavities which host gas molecules. Due to the high pressure during hydrate formation, significant amounts of gas can be stored in hydrate structures. The water-gas ratio hereby can reach up to 1:172 at 0°C and atmospheric pressure. Natural gas hydrates predominantly contain methane. Because methane constitutes both a fuel and a greenhouse gas, gas hydrates are a potential energy resource as well as a potential source for greenhouse gas. This study investigates the physical properties of methane hydrate bearing sediments on a laboratory scale. To do so, an electrical resistivity tomography (ERT) array was developed and mounted in a large reservoir simulator (LARS). For the first time, the ERT array was applied to hydrate saturated sediment samples under controlled temperature, pressure, and hydrate saturation conditions on a laboratory scale. Typically, the pore space of (marine) sediments is filled with electrically well conductive brine. Because hydrates constitute an electrical isolator, significant contrasts regarding the electrical properties of the pore space emerge during hydrate formation and dissociation. Frequent measurements during hydrate formation experiments permit the recordings of the spatial resistivity distribution inside LARS. Those data sets are used as input for a new data processing routine which transfers the spatial resistivity distribution into the spatial distribution of hydrate saturation. Thus, the changes of local hydrate saturation can be monitored with respect to space and time. This study shows that the developed tomography yielded good data quality and resolved even small amounts of hydrate saturation inside the sediment sample. The conversion algorithm transforming the spatial resistivity distribution into local hydrate saturation values yielded the best results using the Archie-var-phi relation. This approach considers the increasing hydrate phase as part of the sediment frame, metaphorically reducing the sample’s porosity. In addition, the tomographical measurements showed that fast lab based hydrate formation processes cause small crystallites to form which tend to recrystallize. Furthermore, hydrate dissociation experiments via depressurization were conducted in order to mimic the 2007/2008 Mallik field trial. It was observed that some patterns in gas and water flow could be reproduced, even though some setup related limitations arose. In two additional long-term experiments the feasibility and performance of CO2-CH4 hydrate exchange reactions were studied in LARS. The tomographical system was used to monitor the spatial hydrate distribution during the hydrate formation stage. During the subsequent CO2 injection, the tomographical array allowed to follow the CO2 migration front inside the sediment sample and helped to identify the CO2 breakthrough.

Description: The 3D basin modelling of the Southwestern Barents Sea was planned with the aim of addressing the masses of petroleum generated, migrated, accumulated and lost during the basin evolution. The first model was constructed for the Hammerfest Basin considering three source rocks, which correspond to the Upper Jurassic Hekkingen Formation and the Triassic Snadd and Kobbe formations. The highest maturities for the three source rocks were reached in the western and northwestern margin of the basin. The model reproduced satisfactorily the hydrocarbon phases and distribution of the main fields and discoveries. Two events of petroleum re-distribution occurred in the basin: the first corresponds to the oil re-distribution (during the Oligocene–Miocene); the second corresponds to the gas leakage (during the Pliocene–Pleistocene) in connection to the glacial–interglacial cycles. At least 0.247 Gt of thermogenic gas leaked from the main reservoir and reached the sediment interface. The analysis of the volumetric proportions of oil and gas contributions to each field and discovery, suggest that the gas contribution stems mainly from Triassic source rocks, while the oil phases contain variable proportions from both the Jurassic Hekkingen Formation and the Triassic source rocks. Available fluid geochemical data from the main fields in the Hammerfest Basin allowed testing these results. The interpretation of gas isotopes and maturity related biomarker ratios confirms the maturity trends derived from basin modelling; and light hydrocarbons indicate the influence of secondary processes. However, age related biomarker ratios did not provide a clear separation when evaluating a contribution from Jurassic versus Triassic source rocks. The 3D basin modelling was extended to include the Loppa High as well as some other important frontier exploration areas; taking into account the same source rocks. Calibrated model predictions indicate that the three source rocks are overmature in the western margin and also have high maturities in the deepest parts of the Maud Basin to the east. However, in the Bjarmeland platform, only the Triassic source rocks have entered the oil window. Recent generation has been observed in the eastern part around the Bjarmeland Platform and generative potential is still available at present–day. The timing of generation in the western part is different in comparison to the east, with the Kobbe Formation starting to generate during the Late Triassic–Early Jurassic, the Snadd Formation during Late Jurassic–Early Cretaceous and the Hekkingen Formation during Middle Cretaceous. The three source rocks do not have any generative potential left; therefore, it is necessary to rely on younger source rocks. Additional results indicate that the main drainage directions do not change drastically during the evolution of the area, not even during the glacial–interglacial cycles. The model output shows changes in the sizes of the relative oil versus gas quantities in the modelled accumulations during the glacial cycles.