ALBERT

Description: The Eifel is the youngest volcanic area of Central Europe. The last eruption occurred approximately 11000 years ago. Little is known about the deep origin and the mechanism responsible for the Eifel volcanic activity. Earthquake activity indicates that the Eifel is one of the most geodynamically active areas of Central Europe. In this work the receiver function method is used to investigate the upper mantle structure beneath the Eifel. Data from 96 teleseismic events (mb 〉 5.2) that were recorded by both permanent stations and a temporary network of 33 broadband and 129 short period stations had been analyzed. The temporary network was operating from November 1997 till June 1998 and covered an area of approximately 400x250 km^2 centered on the Eifel volcanic fields. The receiver function analysis reveals a clear image of the Moho and the mantle discontinuities at 410 km and 660 km depth. Average Moho depth is approximately 30 km and it shows little variation over the extent of the network. The observed variations of converted waveforms are possibly caused by lateral variations in crustal structure, which could not resolved by it receiver functions}. Inversions of data and migrated it receiver functions} from stations of the central Eifel array suggest that a low velocity zone is present at about 60 to 90 km depth in the western Eifel region. There are also indications for a high velocity zone around 200 km depth, perhaps caused by dehydration of the rising plume material. The results suggest that P-to-S conversions from the 410-km discontinuity arrive later than in the IASP91 reference model. The migrated data show a depression of the 410 km discontinuity of about 20 km, which correspond to an increase of temperature of about 140° Celsius. The 660 km discontinuity seems to be unaffected. This indicates that no mantel material rises up from directly below the 660 km discontinuity in the Eifel region or the Eifel-Plume has its origin within the transition zone.

Description: Der Scientific Technical Report (STR) 03/08 ist die teilweise überarbeitete Diplomarbeit des Autors, welche im November 2002 am Lehrstuhl für Astronomie des Instituts für Planetare Geodäsie der Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften an der Technischen Universität Dresden eingereicht wurde.

Description: The work contained in this thesis considers deformations of the Earth, which are produced by the loads of the last ice-age glacial sheets. The forces the Earth sets against the surface loads are the buoyancy force of the Earth's mantle and the opposing force by the elastic flexure of the lithosphere. Because the time scale of the ice-age of some 100,000 years is short with respect to geological time scales, the viscoelastic behaviour of the Earth has to be considered. Viscoelasticity results in a retarded response of the Earth, which is observed as postglacial uplift in previously glaciated regions, 8,000 years after deglaciation. To model the buoyancy of the Earth's mantle, often a viscous incompressible fluid of homogeneous density is assumed. More recent studies consider also compressibility of the mantle material, but keep the homogeneous density. This results in an inconsistent reference state, because the self compression due to hydrostatic pressure is neglected. These models are discussed here, and the problems are shown, which arise from the description of the field equations for a viscoelastic compressible gravitating continuum in a half-space geometry. The opposing force by the elastic flexure of the lithosphere is determined by the flexural rigidity of the lithospheric plate. If we consider viscoelastic layers in the lithosphere, the flexural rigidity is reduced. Therefore, the overall thickness of a viscoelastic layered lithosphere is much larger than its effective elastic thickness deduced from assuming one elastic plate. Consequently the effective elastic thickness looses its merit for assessing the lithosphere thickness. We show, how strong effective elastic thickness and lithosphere thickness may differ, in which way the viscoelastic structure of the Earth influences this difference for glacial loads and which consequences arise for the lithospheric stress state.

Description: Der glazio-isostatische Ausgleich in Island als Folge des Abschmelzens der größten europäischen Eiskappe, dem Vatnajökull, verursacht zeitliche Änderungen der Schwere und Landhebung. Nach Auswertung der Schweredaten zeigt sich ein charakteristisches Verhalten. Die Schwereänderungsrate beträgt ca. -4 mikroGal/a am Eisrand (50 km Entfernung vom Eiszentrum)und ca. 1 mikroGal/a in Höfn (75 km Entfernung vom Eiszentrum). In größeren Entfernungen vom Eiszentrum (150 bis 250 km) werden die Raten kleiner als 1 mikroGal/a und nähern sich schließlich Null. Vorwärtsmodellierung liefert eine Lithosphärenmächtigkeit von 10 bis 15 km. Die Asthenosphärenviskosität ist 3 x 1017 bis 1 x 1018 Pa s. Diese Werte bestätigen frühere Resultate aus GPS-, seismischen und theoretischen Untersuchungen. Eine deutlich bessere Anpassung an die Meßdaten ergibt sich für erhöhte Asthenosphäremächtigkeit (165 bis 170km). Vermutlich reflektiert dies die spezielle Lage Islands oberhalb eines Plumes.

Description: In the present thesis, interactions of kimberlites and lamproites as well as their constituent minerals with fluids are discussed based on noble gas compositions. The samples originate from the eastern Baltic Shield, more specifically from the Kola craton (Poria Guba and Kandalaksha) and the Karelia craton (Kostamuksha). Gas was extracted by stepwise heating and crushing from 23 whole rock samples and 15 mineral separates. These two techniques allow differential extraction of gas from fluid inclusions (crushing technique) and from the bulk sample (stepwise heating).

Description: Diese Arbeit beschäftigt sich vor allem mit einem neuen Verfahren zur Abbildung von Leitfähigkeitsstrukturen. Mit der Propagation Number Analysis (PNA), die auf einen mathematischen Formalismus von Reilly [1979] zurück geht und die im Rahmen dieser Arbeit in einen physikalischen Kontext dargestellt wird, ist es möglich, die gesamte Tensor- Information in eine Widerstandsellipse zu transformieren. Sie gibt im übertragenen Sinn die Vorzugsrichtung der Ströme an und liefert somit ein Abbild der Leitfähigkeitsverteilung. Die graphische Präsentation fand bislang für transiente elektromagnetische Messungen Verwendung [Caldwell & Bibby, 1998], um einen wahren Widerstandstensor darzustellen. Die Widerstandsellipsen ergeben aufgrund von Geometrie und Farbkodierung flächenhaft ein Bild, in dem leitfähige Strukturen auch ohne Kenntnisse der MTTheorie erkennbar sind. Die dadurch gewonnenen Informationen lassen sich direkt mit der Geologie vergleichen oder für eine Modellierung nutzen.

Description: Der vorliegende Bericht fasst die Ergebnisse der in den Jahren 2000 und 2001 durchgeführten Arbeiten zur Aufwältigung, zum primären Test- und Messprogramm sowie zum Monitoring in der Geothermiebohrung Groß Schönebeck 3/90 zusammen. Mit Mitteln aus der Grundfinanzierung des GeoForschungsZentrums Potsdam wurde die Bohrung aufgewältigt und bis in eine Endteufe von 4294 m vertieft. Sie erschließt geothermisch interessante Horizonte des Norddeutschen Beckens in Tiefen zwischen ca. 3900 m und 4300 m bei einem Temperaturniveau von ca. 150°C. Dabei gewonnene Ergebnisse lassen sich auf ähnliche geologische Randbedingungen im Norddeutschen Becken übertragen. Dieses Sedimentbecken zieht sich von den Niederlanden über Norddeutschland bis nach Polen hin.

Description: Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Mechanik im Bereich des forearcs der Makran Subduktionszone zu untersuchen. Zu diesem Zweck kommen drei verschiedene Simulationstechniken zum Einsatz. Dies sind die Finite und die Diskrete Elemente Methode als zwei numerische Verfahren, sowie analoge Sandexperimente. Durch die Kombination dieser drei Methoden, die sich ergänzende und vergleichende Ergebnisse liefern, wird ein umfassendes Bild der Deformations- und Massentransferprozesse des forearcs in Makran gewonnen. Zudem ermöglichen alle drei Verfahren die Untersuchung des Deformationsverhaltens in einem Material, welches einer Mohr-Coulomb Rheologie mit strain hardening/strain softening bzw. einem work hardening gehorcht.

Description: Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Rekonstruktion der geodynamischen Entwicklung des aktiven Plattenrandes von Kamchatka vom Paläozän bis heute. Die vorgestellte Kombination von klassischen strukturgeologischen Methoden und Geländebeobachtungen mit thermochronologischen Untersuchungen und Datierungen an Apatiten eignet sich dabei in besonderem Maße.

Description: In Südostalaska wird eine relative Meeresspiegelabsenkung von bis zu 4 cm/ a beobachtet. Da dieses Gebiet während der letzten Kaltperiode durch das Kordillerische Eisschild bedeckt war und noch heute von Vergletscherung geprägt ist, liegt die Vermutung nahe, daß die Meeresspiegeländerungen zumindest teilweise durch isostatische Ausgleichsvorgänge hervorgerufen werden. Um diese Hypothese zu prüfen, werden für dieses Gebiet eislastinduzierte Vertikalbewegungen und Geoidänderungen mit Hilfe viskoelastischer Erdmodelle berechnet. Insbesondere werden sechs siebenschichtige Erdmodelle verwendet, die unterschiedliche Viskostitätsprofile berücksichtigen und die Bandbreite der plausiblen Lithosphärenmächtigkeiten abdecken. Das globale Lastmodell ICE-3G wird erweitert und das regionale Lastmodell AL-1 entwickelt, welches die rezente Vergletscherung Südostalaskas berücksichtigt. Weiterhin werden die Ozeane als Last einbezogen. Ein Vergleich der berechneten mit den beobachteten Meeresspiegeländerungen zeigt, daß die Beobachtungen nur zu einen geringen Anteil von wenigen Millimetern pro Jahr durch Isostasie erklärt werden können.

Description: Deformation processes in the early deformation stages of thrusting in growing fold-and-thrust belts and the role of factors controlling and localizing the deformation are still not well understood. There are only few natural examples or experimental studies to allow the identification of factors controlling initial states of deformation. In particular, the spatial interactions in curved fold-and-thrust belts or in segments striking obliquely to the convergence direction are rarely systematically examined. The Boomerang Hills Region (BHR), located at the eastern flank of the Central Andes close to the axis of the Bolivian Orocline, is an appropriate area to study such problems. There, oblique contraction is caused by a south-dipping basement interacting with a WSW-ENE to SW-NE convergence direction. In order to infer the controlling factors of deformation, the structural pattern associated with the active development of a new thrust sheet and the structural history of the adjacent foreland was examined. The detailed spatial-temporal relationships of Andean and pre-Andean structures within the BHR were investigated using a dense network of 100 reflection-seismic profiles for subsurface interpretation and structural modeling. In addition, satellite images and drainage pattern were interpreted to infer neotectonic activity. Modeling techniques included cross section balancing for validation and quantification of geological processes, horizon unfolding for kinematical interpretation, and critical taper estimates to derive the possible dynamic status. Results show that the main factor controlling the evolution of the Boomerang Hills Thrust Unit and the eastern flank of the Bolivian Orocline are paleogeographic features. The crystalline basement of the BHR comprises an inherited structure of several syn- and antiforms. Some of these structures were partly reactivated as minor reverse faults with associated small folds in the sedimentary cover at an early stage of the Tertiary foreland basin evolution. Basement faulting is probably a result of spatial problems linked to the initiation of a foreland basin in a heterogeneous crust. WNW-ESE striking normal faults were active in the foreland of the BHR in the Late Tertiary and show maximum activity during the intermediate state of foreland basin sedimentation. Further to the north, closer to the Brazilian Craton, normal faults are presently active. Foreland extension sums to 1.1%-1.5% and results from minor flexural extension due to bending of the Brazilian Shield lithosphere through Andean orogenic loading. The southern part of the BHR is represented by a young, evolving thrust sheet. Two zones can be differentiated along the Andean deformation front: (1) a W-E to NW-SE-striking frontal segment of predominantly orthogonal shortening, comprising a thrust / anticline system and accommodating at least 1400- 2000 m horizontal shortening on the basal decollement ; (2) A WSW-ENE-striking lateral zone of oblique shortening comprised by a complex system of thin-skinned strike-slip faults and minor folds. The deformation front always follows a pronounced edge in the topography of the top basement surface close to the boundary of the Paleozoic basin. Usually, faults are located close to asperities in the top basement surface; fold axes trend parallel to the contours of basement depth. The orientation of the deformation front as well as the laterally varying structural style is the result of deformation localization and strain partitioning. Because of the impossibility to accommodate non-orthogonal contraction by oblique faulting close to the surface, strain partitioning must occur along the deformation front. Consequently, a N 35°E thrusting direction is divided into orthogonal and tangential components, both with respect to the orientation of the deformation front and to depth contours of the basement. The two components are accommodated by convergent and strike-slip structures, respectively, which join via a common detachment horizon. The Boomerang Hills Thrust Unit is affected by left-lateral shear as interpreted from the particle displacement field of an unfolded horizon. This shear is invoked by the spatially distributed accommodation of thrust movement along the obliquely striking deformation front. The N 35° thrusting direction of the Boomerang Hills Thrust Unit represents the orthogonal component of strain partitioning caused by the WNW-ESE orientation of the Subandean Zone with respect to a WSW-ENE convergence between the Andes and the Brazilian shield. The tangential component is compensated at the back of the Boomerang Hills Thrust Unit where a positive flower structure is present and strain partitioning is made possible via the detachment horizon. Critical taper analysis shows that thrusting on the south-dipping basement is possible without any substantial internal deformation due to the wedge shape of the sedimentary prism. Therefore, the most important factor controlling the localization of the deformation front is the loss of critical taper at a pronounced edge along the Paleozoic basin boundary. Secondary reasons for deformation localization are small asperities in/close to the top of the basement, e.g. small folds of the early foredeep evolution. Strain partitioning may also play a major role for the evolution of the eastern border of the Bolivian Orocline and in other curved fold-and-thrust belts as discussed for natural and experimental examples. Generally, orthogonal accreting segments evolve faster than obliquely orientated segments due to strain partitioning at the deformation front, hence leading to an increase in the curvature of the belt. Strain partitioning itself is caused by the orientation of the deformation front with respect to the shortening direction. Thus, factors controlling the localization of the deformation front, i.e. paleogeographic features, dominantly control the evolution of curved fold-and-thrust belts. For the eastern flank of the Bolivian Orocline it is postulated that an early Paleozoic rift basin exerts paleogeographic control on Andean deformation, leading to the WNW-ESE orientation of the Subandean Zone between the Chapare and Santa Cruz. Based on map interpretation it is suggested that (a) the previously assumed style of deformation using main thrusts is questionable for this segment of the Andes and (b) deformation involving basally accreting foredeep sediments has to be taken into account. Previously assumed estimates of shortening for the Chapare area in the northern limb of the Bolivian Orocline may therefore be significantly low.

Description: Die im Norddeutschen Becken vorkommenden hochsalinaren, heißen Tiefenwässer besitzen ein beträchtliches Wärmepotential, das bisher in Neustadt-Glewe, Neubrandenburg und Waren zur Energiegewinnung genutzt wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand zum einen darin, die Herkunft und die Genese dieser Solen und der in ihnen gelösten Stoffe zu rekonstruieren. Ein zweiter Schwerpunkt bestand in der Ermittlung geochemischer Parameter, die für einen problemlosen Langzeitbetrieb geothermischer Anlagen und somit für deren Wirtschaftlichkeit von Bedeutung sind. Die untersuchten Solen stammten aus Aquiferen, die durch fünf Bohrungen (Neubrandenburg, Waren, Rheinsberg, Neustadt-Glewe, Hamburg-Allermöhe) in Tiefen von 1250 bis 3250 m (54 bis l28°C) erschlossen wurden. Alle untersuchten Na-Cl-Solen wurden aus Sandsteinaquiferen des Keuper (Contorta!Postera-Schichten) gefördert, für die mit zunehmender Tiefe steigende TDS-Gehalte (134 bis 224 g/1) charakteristisch sind. Die Zusammensetzung der gelösten Feststoffe blieb über einen Zeitraum von 3 Jahren konstant. Die Br/CJ-Verhältnisse der Solen sind kleiner als in eingedampftem Meerwasser. Dies und 811B-Werte von +23.8 %o bis +36.3 %o indizieren die Herkunft des Salzgehaltes durch Auflösung/Laugung von Salzen. Das Gas-Wasser-Volumenverhältnis in Proben geothermisch genutzter Solen liegt bei max. 1:10. Die Gasphase wird von C02, N2 und CH4 dominiert, wobei der Gehalt an C02 und CH4 mit der Tiefe zunimmt. Als Spurengase treten He, Ar, H2 und weitere Kohlenwasserstoffe auf (jeweils 〈1 Vol.-%). Die Gasphase des Thermalwassers Neustadt-Giewe zeigte über einen Zeitraum von 2 Jahren keine Änderung in ihrer Zusammensetzung. Periodische Schwankungen in sehr kleinen Konzentrationsbereichen während einer mehrtägigen Gasmeßkampagne korrelieren mit den Erdgezeiten. Die N2-Ar-He-Verhältnisse zeigen, daß es sich um tiefzirkulierende Oberflächenwässer handelt. Untermauert wird diese Interpretation durch die sehr niedrigen 3HefHe-Verhältnisse (R!Ra:S;O.Ol), die keine Mantelheliumkomponente anzeigen, sowie die gegenüber Luft (295.5) leicht erhöhten 40 Ar/36 Ar-Verhältnisse von bis zu 367.5. He-Akkumulationsalter als scheinbare Verweildauer der Solen von 20 bis 50 Ma wurden berechnet. Das Tiefenwasser von NeustadtGiewe besaß gegenüber den anderen Lokationen erhöhte Kohlenwasserstoffgehalte. Die 813C1,2,3- Werte weisen auf thermogenetische Kohlenwasserstoffe und auf ein marines Ausgangsmaterial mit einer Reife, die einer Vitrinitreflektion von etwa 1.2 % entspricht, hin. Die Herkunft aus Corgreichen Zechstein-Sedimenten ist wahrscheinlich, organisches Material des wesentlich tiefer liegenden Karbons scheidet als Quelle aus. Die 8180- und öD-Werte der Wässer zeigen an, daß meteorisches Wasser bei der Genese eine bedeutende Rolle gespielt hat. Die ermittelte isatopische Zusammensetzung der meteorischen Komponente weicht von heutigen Niederschlagswässern ab und weist einen letztmaligen Kontakt mit der Atmosphäre zu einer Zeit deutlich wärmeren Klimas als das heutige nach. Die in einem Thermalwasser vorhandenen Gase können die technologische Eignung der Sole und den Betrieb einer geothermischen Anlage maßgeblich beinflussen (Scaling, Auftreten brennbarer Gase, Entlösung von Gasen). Bei Vorhandensein Corg-reicher Sedimente nimmt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens brennbarer Gase in Wässern aus größerer Tiefe, die durch ihre höhere Temperatur wirtschaftlicher sind, zu. Um die Entgasung eines Tiefenwassers innerhalb einer Anlage zu verhindem und somit Scaling und unkontrolliertes Entgasen zu minimieren, wurde anhand Literaturdaten exemplarisch für den Thermalwasserkreislauf der Anlage Neustadt-Giewe (Sole mit den höchsten Gasgehalten) ein Mindestanlagendruck berechnet. Danach sind etwa 2 bar ausreichend, um ein Entgasen der Sole zu verhindern; Strömungseffekte erfordern jedoch eine Erhöhung des Anlagendrucks auf etwa 4 bar. Die zeitliche Konstanz in der Zusammensetzung der gelösten Feststoffe und der Gasphase über einen Zeitraum von 2 bzw. 3 Jahren zeugt von einer relativ großen räumlichen Homogenität der Aquifere, wodurch der Betrieb der Anlagen durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Solen kaum gefährdet zu sein scheint. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben gezeigt, daß sowohl bei der hydrodynamischen Vorerkundung als auch während des Betriebes eines geothermischen Heizwerkes die genaue Kenntnis der Gasmengen und der Gaszusammensetzung von entscheidender Bedeutung ist.

Description: Deep seated hydrothermal brines in the North German Basin have a considerable heat potential, which is currently used for geothermal energy recovery in Neustadt-Glewe, Neubrandenburg and Waren. One aim of this study was to reconstruct the origin of these brines and their dissolved substances. Another goalwas to determine geochemical parameters which are critically influence the long-term operation, and hence the econornic viability of geothermal plants. The brines come from aquifers which have been accessed by 5 boreholes (Neubrandenburg, Waren, Rheinsberg, Neustadt-Glewe, Hamburg-Allermöhe) in depths from 1250 to 3250 m (54 to 128 °C). All investigated Na-Cl-brines were produced from sandstone aquifers of the Keuper (Contorta!Postera layers). Typically, TDS-values (134 to 224 g/1) increase with depth. The compositions of the dissolved solids were constant during 3 years. The Br/Cl ratios of the brines are lower than evaporated sea water. This, and 811B-values of +23.8 %o up to +36.3 %o indicate dissolution/leaching of salt as the origin of the salt content. The gas-water volume ratio of samples from brines used for geothermal energy recovery are less than around 1:10. The gas phase is dorninated by C02, N2 and C~ with higher C02- and C~ contents with increasing depths. He, Ar, H2 and other hydrocarbons exist as traces ( 〈1 vol.% each). The gas phase of the thermal water from Neustadt-Giewe showed no changes in its composition during 2 years. Small · periodical variations in the concentrations obtained from gas monitaring over several days correlate with the earth tides. The N2-Ar-He ratios show that the waters are deep-circulating meteoric waters. This interpretation is supported by very low 3HefHe ratios (R!Ra:S;O.Ol), which show no mantle helium, and 40 ArP6 Ar ratios up to 367.5, which are slightly enhanced compared to air (295.5). He accumulation ages, taken as the apparent residence time of the brines, were calculated to be 20 to 50 Ma. Compared to the other locations the formation water from Neustadt-Giewe contained enhanced hydrocarbon contents. The 813C1,2,3 values point to thermogenic hydrocarbons and to a marine source rock with a maturity corresponding to about 1.2 % vitrinite reflectivity. An origin from Corg-rich Zechstein sediments seems probable, organic material from significantly deeper-seated Carboniferous formations can be ruled out. The 8180 and ÖD values of the waters confirm that meteoric water played an important role in the brine genesis. The determined isotopic composition of the meteoric component deviates from recent precipitation and indicates a last contact with the atmosphere at a time when climate conditions were significantly warmer than today. Gases dissolved in thermal waters can significantly affect both the technological suitability of a brine and the operation of a geothermal heat plant (scaling, degassing, occurence of flammable gases). If Corg-rich sedimentary rocks occur, the probability of the occurence of flammable gases increases in waters from larger depths, which are more economic due to their higher temperature. The pressure needed to prevent degassing inside a plant and thus to rninirnize scaling and uncontrolled degassing was calculated for the example of the thermal water cycle at Neustadt-Giewe (brine with the highest gas content). About 2 bars are sufficient to prevent degassing; however, flow effects require increasing the pressure up to about 4 bars. The constant composition of both the dissolved solids and gases over a period of 2 to 3 years is a sign of a relatively large spatial uniformity of the aquifers. Therefore the continuous operation of the plants seems unlikely to be endangered by a change in the chernical composition of the brines. The results of this study have shown that during the hydrodynarnic reconnaissance as weil as during the operation of a geothermal heat plant, precise knowlegde of the gas concentration is of essential importance.

Description: Dieser Report fasst Ergebnisse aus der Startphase des Projekts Nutzbarmachung klüftigporöser Speichergesteine zur abnehmernahen geothermischen Energiebereitstellung zusammen. Das Projekt wurde mit Förderung durch das BMBF (BEO 0327063B) in einer Vorphase 1998 und durch das BMWi (BEO 0327063) 1999 gestartet.