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: 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: Seismological agencies play an important role in seismological research and seismic hazard mitigation by providing source parameters of seismic events (location, magnitude, mechanism), and keeping these data accessible in the long term. The availability of catalogues of seismic source parameters is an important requirement for the evaluation and mitigation of seismic hazards, and the catalogues are particularly valuable to the research community as they provide fundamental long-term data in the geophysical sciences. This work is well motivated by the rising demand for developing more robust and efficient methods for routine source parameter estimation, and ultimately generation of reliable catalogues of seismic source parameters. Specifically, the aim of this work is to develop some methods to determine hypocentre location and temporal evolution of seismic sources based on regional and teleseismic observations more accurately, and investigate the potential of these methods to be integrated in near real-time processing. To achieve this, a location method that considers several events simultaneously and improves the relative location accuracy among nearby events has been provided. This method tries to reduce the biasing effects of the lateral velocity heterogeneities (or equivalently to compensate for limitations and inaccuracies in the assumed velocity model) by calculating a set of timing corrections for each seismic station. The systematic errors introduced into the locations by the inaccuracies in the assumed velocity structure can be corrected without explicitly solving for a velocity model. Application to sets of multiple earthquakes in complex tectonic environments with strongly heterogeneous structure such as subduction zones and plate boundary region demonstrate that this relocation process significantly improves the hypocentre locations compared to standard locations. To meet the computational demands of this location process, a new open-source software package has been developed that allows for efficient relocation of large-scale multiple seismic events using arrival time data. Upon that, a flexible location framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales. The latest version of the software distribution including source codes, a user guide, an example data set, and a change history, is freely available to the community. The developed relocation algorithm has been modified slightly and then its performance in a simulated near real-time processing has been evaluated. It has been demonstrated that applying the proposed technique significantly reduces the bias in routine locations and enhance the ability to locate the lower magnitude events using only regional arrival data. Finally, to return to emphasis on global seismic monitoring, an inversion framework has been developed to determine the seismic source time function through direct waveform fitting of teleseismic recordings. The inversion technique can be systematically applied to moderate- size seismic events and has the potential to be performed in near real-time applications. It is exemplified by application to an abnormal seismic event; the 2017 North Korean nuclear explosion. The presented work and application case studies in this dissertation represent the first step in an effort to establish a framework for automatic, routine generation of reliable catalogues of seismic event locations and source time functions.

Description: Seismologische Dienste spielen eine wichtige Rolle in der seismologischen Forschung und Gefährdungsanalyse, indem sie Quellparameter für seismische Ereignisse (Lokalisierung, Stärke, Mechanismus) bereitstellen und diese Daten langfristig verfügbar machen. Die Verfügbarkeit von Katalogen seismischer Quellparameter ist eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der seismischen Gefährdung und Minderung der Auswirkungen von Erdbeben. Die seismischen Kataloge sind für die Forschungsgemeinschaft besonders wertvoll, da sie grundlegende Hintergrundsdaten über lange Zeiträume liefern. Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die steigende Nachfrage nach der Entwicklung robusterer und effizienterer Methoden für die routinemäßige Schätzung von Quellparametern und schließlich die Verbesserung der Qualität und Quantität der seismischen Kataloge. Ziel dieser Arbeit ist es insbesondere Methoden zu entwickeln, um die Lokalisierung von Hypozentren und die zeitliche Entwicklung der Momentfreisetzung bei einem Erdbeben auf der Grundlage regionaler und teleseismischer Beobachtungen genauer zu bestimmen, und das Potenzial dieser Methoden für eine zeitnahe Verarbeitung zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lokalisierungsmethode bereitgestellt, die mehrere Ereignisse gleichzeitig berücksichtigt und die relative Genauigkeit der Hypozentren zwischen benachbarten Ereignissen verbessert. Dieses Verfahren versucht, die Verzerrungen durch Geschwindigkeits-heterogenitäten zu reduzieren, oder äquivalent Einschränkungen und Ungenauigkeiten in dem angenommenen Geschwindigkeitsmodell auszugleichen, indem richtungsabhängige Zeitkorrekturen für jede seismische Station berechnet werden. Die systematischen Fehler, die durch die Ungenauigkeiten in der angenommenen Geschwindigkeitsstruktur in die Lokalisierung projiziert werden, können korrigiert werden, ohne explizit nach einem Geschwindigkeitsmodell zu lösen. Die Anwendung auf Ensemble von Erdbeben in tektonischen Situationen mit stark heterogener, komplexer Struktur wie Subduktionszonen und Plattengrenzregionen zeigt, dass diese Relokalisierung die Hypozentren im Vergleich zu Standardlokalisierungen signifikant verbessert. Um den rechnerischen Anforderungen der Lokalisierung gerecht zu werden, wurde ein neues Open-Source-Softwarepaket entwickelt, das eine effiziente Relokalisierung einer großen Anzahl von Erdbeben unter Verwendung von Ankunftszeitdaten ermöglicht. Daraufhin wird ein flexibler Lokalisierungsrahmen bereitgestellt, der an verschiedene Fälle auf lokaler, regionaler und globaler Ebene angepasst werden kann. Die neueste Version der Software einschließlich Quellcodes, Benutzerhandbuch, Beispieldatensatz und Änderungsverlauf ist für die Öffentlichkeit frei verfügbar. Der entwickelte Relokalisierungs-Algorithmus wurde geringfügig verändert und anschließend seine Leistung in einem simulierten Echtzeit Prozess bewertet. Es zeigte sich, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Technik die Verzerrung der Hypozentren der Routineauswertung erheblich verringert und die Fähigkeit zum Lokalisieren der Ereignisse mit niedriger Magnitude unter Verwendung nur regionaler Ankunftsdaten verbessert. Um sich wieder auf die globale seismische Überwachung zu konzentrieren, wurde schließlich ein Inversionssystem entwickelt, um die Zeitfunktion der seismischen Quelle durch direkte Wellenformanpassung von teleseismischen Aufzeichnungen zu bestimmen. Die Inversionstechnik kann systematisch auf seismische Ereignisse mittlerer Größe angewendet werden und hat das Potenzial, in nahezu Echtzeitanwendungen ausgeführt zu werden. Dies wird beispielhaft durch die Anwendung auf ein abnormales seismisches Ereignis veranschaulicht: die nordkoreanische Atomexplosion 2017. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeits- und Anwendungsfallstudien stellen den ersten Schritt dar, um einen Rahmen für die automatische, routinemäßige Erzeugung zuverlässiger Kataloge von seismischen Ereignisorten und Quellzeitfunktion zu schaffen.

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: This cumulative thesis is concerned with the evolution of geomagnetic activity since the beginning of the 20th century, that is, the time-dependent response of the geomagnetic field to solar forcing. The focus lies on the description of the magnetospheric response field at ground level, which is particularly sensitive to the ring current system, and an interpretation of its variability in terms of the solar wind driving. Thereby, this work contributes to a comprehensive understanding of long-term solar-terrestrial interactions. The common basis of the presented publications is formed by a reanalysis of vector magnetic field measurements from geomagnetic observatories located at low and middle geomagnetic latitudes. In the first two studies, new ring current targeting geomagnetic activity indices are derived, the Annual and Hourly Magnetospheric Currents indices (A/HMC). Compared to existing indices (e.g., the Dst index), they do not only extend the covered period by at least three solar cycles but also constitute a qualitative improvement concerning the absolute index level and the ~11-year solar cycle variability. The analysis of A/HMC shows that (a) the annual geomagnetic activity experiences an interval-dependent trend with an overall linear decline during 1900–2010 of ~5 % (b) the average trend-free activity level amounts to ~28 nT (c) the solar cycle related variability shows amplitudes of ~15–45 nT (d) the activity level for geomagnetically quiet conditions (Kp〈2) lies slightly below 20 nT. The plausibility of the last three points is ensured by comparison to independent estimations either based on magnetic field measurements from LEO satellite missions (since the 1990s) or the modeling of geomagnetic activity from solar wind input (since the 1960s). An independent validation of the longterm trend is problematic mainly because the sensitivity of the locally measured geomagnetic activity depends on geomagnetic latitude. Consequently, A/HMC is neither directly comparable to global geomagnetic activity indices (e.g., the aa index) nor to the partly reconstructed open solar magnetic flux, which requires a homogeneous response of the ground-based measurements to the interplanetary magnetic field and the solar wind speed. The last study combines a consistent, HMC-based identification of geomagnetic storms from 1930–2015 with an analysis of the corresponding spatial (magnetic local time-dependent) disturbance patterns. Amongst others, the disturbances at dawn and dusk, particularly their evolution during the storm recovery phases, are shown to be indicative of the solar wind driving structure (Interplanetary Coronal Mass Ejections vs. Stream or Co-rotating Interaction Regions), which enables a backward-prediction of the storm driver classes. The results indicate that ICME-driven geomagnetic storms have decreased since 1930 which is consistent with the concurrent decrease of HMC. Out of the collection of compiled follow-up studies the inclusion of measurements from high-latitude geomagnetic observatories into the third study’s framework seems most promising at this point.

Description: The Cheb Basin (CZ) is a shallow Neogene intracontinental basin located in the western Eger Rift. The Cheb Basin is characterized by active seismicity and diffuse degassing of mantle-derived CO2 in mofette fields. Within the Cheb Basin, the Hartoušov mofette field shows a daily CO2 flux of 23–97 tons. More than 99% of CO2 released over an area of 0.35 km2. Seismic active periods have been observed in 2000 and 2014 in the Hartoušov mofette field. Due to the active geodynamic processes, the Cheb Basin is considered to be an ideal region for the continental deep biosphere research focussing on the interaction of biological processes with geological processes. To study the influence of CO2 degassing on microbial community in the surface and subsurface environments, two 3-m shallow drillings and a 108.5-m deep scientific drilling were conducted in 2015 and 2016 respectively. Additionally, the fluid retrieved from the deep drilling borehole was also recovered. The different ecosystems were compared regarding their geochemical properties, microbial abundances, and microbial community structures. The geochemistry of the mofette is characterized by low pH, high TOC, and sulfate contents while the subsurface environment shows a neutral pH, and various TOC and sulfate contents in different lithological settings. Striking differences in the microbial community highlight the substantial impact of elevated CO2 concentrations and high saline groundwater on microbial processes. In general, the microorganisms had low abundance in the deep subsurface sediment compared with the shallow mofette. However, within the mofette and the deep subsurface sediment, the abundance of microbes does not show a typical decrease with depth, indicating that the uprising CO2-rich groundwater has a strong influence on the microbial communities via providing sufficient substrate for anaerobic chemolithoautotrophic microorganisms. Illumina MiSeq sequencing of the 16S rRNA genes and multivariate statistics reveals that the pH strongly influences the microbial community composition in the mofette, while the subsurface microbial community is significantly influenced by the groundwater which motivated by the degassing CO2. Acidophilic microorganisms show a much higher relative abundance in the mofette. Meanwhile, the OTUs assigned to family Comamonadaceae are the dominant taxa which characterize the subsurface communities. Additionally, taxa involved in sulfur cycling characterizing the microbial communities in both mofette and CO2 dominated subsurface environments. Another investigated important geo–bio interaction is the influence of the seismic activity. During seismic events, released H2 may serve as the electron donor for microbial hydrogenotrophic processes, such as methanogenesis. To determine whether the seismic events can potentially trigger methanogenesis by the elevated geogenic H2 concentration, we performed laboratory simulation experiments with sediments retrieved from the drillings. The simulation results indicate that after the addition of hydrogen, substantial amounts of methane were produced in incubated mofette sediments and deep subsurface sediments. The methanogenic hydrogenotrophic genera Methanobacterium was highly enriched during the incubation. The modeling of the in-situ observation of the earthquake swarm period in 2000 at the Novy Kostel focal area/Czech Republic and our laboratory simulation experiments reveals a close relation between seismic activities and microbial methane production via earthquake-induced H2 release. We thus conclude that H2 – which is released during seismic activity – can potentially trigger methanogenic activity in the deep subsurface. Based on this conclusion, we further hypothesize that the hydrogenotrophic early life on Earth was boosted by the Late Heavy Bombardment induced seismic activity in approximately 4.2 to 3.8 Ga.

Description: Das Eger-Becken (CZ) ist ein flaches, intrakontinentales neogenes Becken im westlichen Eger-Graben. Das Eger-Becken zeichnet sich durch aktive Seismizität und die diffuse Entgasung von aus dem Mantel stammenden CO2 in Mofettenfeldern aus. Das Mofettenfeld von Hartoušov weist einen täglichen CO2-Fluss von 23-97 Tonnen auf. Mehr als 99% des CO2 werden auf einer Fläche von 0,35 km2 freigesetzt. Im Untersuchungsgebiet wurden in den Jahren 2000 und 2014 seismisch aktive Perioden beobachtet. Aufgrund der aktiven geodynamischen Prozesse gilt das Egerer Becken als ideale Region für die kontinentale Tiefenbiosphärenforschung, die sich auf die Wechselwirkung von biologischen Prozessen mit geologischen Prozessen konzentriert. Zur Untersuchung des Einflusses der CO2-Entgasung auf die mikrobielle Gemeinschaft in der ober- und unterirdischen Umwelt wurden 2015 und 2016 zwei 3 m tiefe Flachbohrungen und eine 108,5 m tiefe wissenschaftliche Bohrung durchgeführt. Zusätzlich wurde auch aus dem Tiefbohrloch Flüssigkeit gewonnen. Die verschiedenen Ökosysteme wurden hinsichtlich ihrer geochemischen Eigenschaften, der mikrobiellen Abundanzen und der mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen verglichen. Die Geochemie der Mofetten zeichnet sich durch einen niedrigen pH-Wert und hohe TOC- und Sulfatgehalte aus, während das unterirdische Milieu einen neutralen pH-Wert und verschiedene TOC- und Sulfatgehalte in unterschiedlichen lithologischen Umgebungen aufweist. Auffällige Unterschiede in der mikrobiellen Gemeinschaft unterstreichen den erheblichen Einfluss erhöhter CO2-Konzentrationen und stark salzhaltigen Grundwassers auf mikrobielle Prozesse. Generell waren die mikrobiellen Abundanzen in dem tiefen Untergrundsediment im Vergleich zur flachen Mofette gering. Innerhalb der Mofette und des tiefen unterirdischen Sediments zeigt die Häufigkeit der Mikroorganismen jedoch keine typische Abnahme mit der Tiefe, was darauf hinweist, dass das aufsteigende CO2-reiche Grundwasser einen starken Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften hat, indem es genügend Substrat für anaerobe chemolithoautotrophe Mikroorganismen bietet. Die Illumina-MiSeq-Sequenzierung der 16S rRNA-Gene und die multivariate Statistik zeigen, dass der pH-Wert die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in der Mofette signifikant bestimmt, während die unterirdische mikrobielle Gemeinschaft signifikant vom Grundwasser beeinflusst wird, das durch das ausgasende CO2 geprägt ist. Azidophile Mikroorganismen zeigen eine viel höhere relative Abundanz in der Mofette, wohingegen die der Familie Comamonadaceae zugeordneten OTUs die dominierenden Taxa der unterirdischen Gemeinschaften darstellen. Zusätzlich charakterisieren Taxa, die am Schwefelzyklus beteiligt sind, die mikrobiellen Gemeinschaften sowohl in der Mofette als auch in der CO2-dominierten unterirdischen Umwelt. Eine weitere wichtige Untersuchung der Geo-Bio-Interaktion ist der Einfluss der seismischen Aktivität. Während seismischer Ereignisse kann freigesetztes H2 als Elektronendonator für mikrobielle hydrogenotrophe Prozesse, wie z.B. die Methanogenese, dienen. Um zu bestimmen, ob die seismischen Ereignisse durch die erhöhten geogenen H2-Konzentrationen möglicherweise methanogene Prozesse auslösen können, führten wir Laborsimulationsexperimente mit Sedimenten durch, die aus den Bohrungen gewonnen wurden. Die Simulationsexperimente weisen darauf hin, dass nach der Zugabe von Wasserstoff beträchtliche Mengen an Methan in inkubierten Mofettensedimenten und tiefen unterirdischen Sedimenten produziert wurden. Die methanogene hydrogenotrophe Gattung Methanobacterium wurde während der Inkubation stark angereichert. Die Modellierung der in-situ-Beobachtung der Erdbeben-Schwarmzeit im Jahr 2000 im Schwerpunktgebiet Novy Kostel/Tschechische Republik und unsere Laborsimulationsexperimente zeigen einen engen Zusammenhang zwischen seismischen Aktivitäten und der biotischen Methanproduktion durch erdbebeninduzierte H2-Freisetzung. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass H2 - dass bei seismischer Aktivität freigesetzt wird - möglicherweise methanogene Aktivität im tiefen Untergrund auslösen kann. Basierend auf dieser Schlussfolgerung gehen wir weiter davon aus, dass das frühe hydrogenotrophe Leben, durch die durch Late Heavy Bombardment induzierte seismische Aktivität in etwa 4,2 bis 3,8 Ga verstärkt wurde.

Description: Rivers have always flooded their floodplains. Over 2.5 billion people worldwide have been affected by flooding in recent decades. The economic damage is also considerable, averaging 100 billion US dollars per year. There is no doubt that damage and other negative effects of floods can be avoided. However, this has a price: financially and politically. Costs and benefits can be estimated through risk assessments. Questions about the location and frequency of floods, about the objects that could be affected and their vulnerability are of importance for flood risk managers, insurance companies and politicians. Thus, both variables and factors from the fields of hydrology and sociol-economics play a role with multi-layered connections. One example are dikes along a river, which on the one hand contain floods, but on the other hand, by narrowing the natural floodplains, accelerate the flood discharge and increase the danger of flooding for the residents downstream. Such larger connections must be included in the assessment of flood risk.

Description: Flüsse haben seit jeher ihre Auen überflutet. In den vergangenen Jahrzehnten waren weltweit über 2,5 Milliarden Menschen durch Hochwasser betroffen. Auch der ökonomische Schaden ist mit durchschnittlich 100 Milliarden US Dollar pro Jahr erheblich. Zweifelsohne können Schäden und andere negative Auswirkungen von Hochwasser vermieden werden. Allerdings hat dies einen Preis: finanziell und politisch. Kosten und Nutzen lassen sich durch Risikobewertungen abschätzen. Dabei werden in der Wasserwirtschaft, von Versicherungen und der Politik Fragen nach dem Ort und der Häufigkeit von Überflutungen, nach den Dingen, die betroffen sein könnten und deren Anfälligkeit untersucht. Somit spielen sowohl Größen und Faktoren aus den Bereichen der Hydrologie und Sozioökonmie mit vielschichtigen Zusammenhängen eine Rolle. Ein anschauliches Beispiel sind Deiche entlang eines Flusses, die einerseits in ihrem Abschnitt Überflutungen eindämmen, andererseits aber durch die Einengung der natürlichen Vorländer den Hochwasserabfluss beschleunigen und die Gefährdung für die Anlieger flussab verschärfen. Solche größeren Zusammenhänge müssen in der Bewertung des Hochwasserrisikos einbezogen werden. In derzeit gängigen Verfahren geht dies mit vereinfachenden Annahmen einher. Risikoabschätzungen sind daher unscharf und mit Unsicherheiten verbunden. Diese Arbeit untersucht den Nutzen und die Möglichkeiten neuer Datensätze für eine Verbesserung der Hochwasserrisikoabschätzung. Es werden neue Methoden und Modelle entwickelt, die die angesprochenen Zusammenhänge stärker berücksichtigen und auch die bestehenden Unsicherheiten der Modellergebnisse beziffern und somit die Verlässlichkeit der getroffenen Aussagen einordnen lassen. Dafür werden Daten zu Hochwasserereignissen aus verschiedenen Quellen erfasst und ausgewertet. Dazu zählen neben Niederschlags-und Durchflussaufzeichnungen an Messstationen beispielsweise auch Bilder aus sozialen Medien, die mit Ortsangaben und Bildinhalten helfen können, die Überflutungsflächen abzugrenzen und Hochwasserschäden zu schätzen. Verfahren des Maschinellen Lernens wurden erfolgreich eingesetzt, um aus vielfältigen Daten, Zusammenhänge zwischen Hochwasser und Auswirkungen zu erkennen, besser zu verstehen und verbesserte Modelle zu entwickeln. Solche Risikomodelle helfen bei der Entwicklung und Bewertung von Strategien zur Minderung des Hochwasserrisikos. Diese Werkzeuge ermöglichen darüber hinaus Einblicke in das Zusammenspiel verschiedener Faktoren sowie Aussagen zu den zu erwartenden Folgen auch von Hochwassern, die das bisher bekannte Ausmaß übersteigen. Diese Arbeit verzeichnet Fortschritte in Bezug auf eine verbesserte Bewertung von Hochwasserrisiken durch die Nutzung vielfältiger Daten aus unterschiedlichen Quellen mit innovativen Verfahren sowie der Weiterentwicklung von Modellen. Das Hochwasserrisiko unterliegt durch wirtschaftliche Entwicklungen und klimatische Veränderungen einem steten Wandel. Um das Wissen über Risiken aktuell zu halten sind robuste, leistungs- und anpassungsfähige Verfahren wie sie in dieser Arbeit vorgestellt werden von zunehmender Bedeutung.

Description: Flooding is a vast problem in many parts of the world, including Europe. It occurs mainly due to extreme weather conditions (e.g. heavy rainfall and snowmelt) and the consequences of flood events can be devastating. Flood risk is mainly defined as a combination of the probability of an event and its potential adverse impacts. Therefore, it covers three major dynamic components: hazard (physical characteristics of a flood event), exposure (people and their physical environment that being exposed to flood), and vulnerability (the elements at risk). Floods are natural phenomena and cannot be fully prevented. However, their risk can be managed and mitigated. For a sound flood risk management and mitigation, a proper risk assessment is needed. First of all, this is attained by a clear understanding of the flood risk dynamics. For instance, human activity may contribute to an increase in flood risk. Anthropogenic climate change causes higher intensity of rainfall and sea level rise and therefore an increase in scale and frequency of the flood events. On the other hand, inappropriate management of risk and structural protection measures may not be very effective for risk reduction. Additionally, due to the growth of number of assets and people within the flood-prone areas, risk increases. To address these issues, the first objective of this thesis is to perform a sensitivity analysis to understand the impacts of changes in each flood risk component on overall risk and further their mutual interactions. A multitude of changes along the risk chain are simulated by regional flood model (RFM) where all processes from atmosphere through catchment and river system to damage mechanisms are taken into consideration. The impacts of changes in risk components are explored by plausible change scenarios for the mesoscale Mulde catchment (sub-basin of the Elbe) in Germany. A proper risk assessment is ensured by the reasonable representation of the real-world flood event. Traditionally, flood risk is assessed by assuming homogeneous return periods of flood peaks throughout the considered catchment. However, in reality, flood events are spatially heterogeneous and therefore traditional assumption misestimates flood risk especially for large regions. In this thesis, two different studies investigate the importance of spatial dependence in large scale flood risk assessment for different spatial scales. In the first one, the “real” spatial dependence of return period of flood damages is represented by continuous risk modelling approach where spatially coherent patterns of hydrological and meteorological controls (i.e. soil moisture and weather patterns) are included. Further the risk estimations under this modelled dependence assumption are compared with two other assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages: complete dependence (homogeneous return periods) and independence (randomly generated heterogeneous return periods) for the Elbe catchment in Germany. The second study represents the “real” spatial dependence by multivariate dependence models. Similar to the first study, the three different assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages are compared, but at national (United Kingdom and Germany) and continental (Europe) scales. Furthermore, the impacts of the different models, tail dependence, and the structural flood protection level on the flood risk under different spatial dependence assumptions are investigated. The outcomes of the sensitivity analysis framework suggest that flood risk can vary dramatically as a result of possible change scenarios. The risk components that have not received much attention (e.g. changes in dike systems and in vulnerability) may mask the influence of climate change that is often investigated component. The results of the spatial dependence research in this thesis further show that the damage under the false assumption of complete dependence is 100 % larger than the damage under the modelled dependence assumption, for the events with return periods greater than approximately 200 years in the Elbe catchment. The complete dependence assumption overestimates the 200-year flood damage, a benchmark indicator for the insurance industry, by 139 %, 188 % and 246 % for the UK, Germany and Europe, respectively. The misestimation of risk under different assumptions can vary from upstream to downstream of the catchment. Besides, tail dependence in the model and flood protection level in the catchments can affect the risk estimation and the differences between different spatial dependence assumptions. In conclusion, the broader consideration of the risk components, which possibly affect the flood risk in a comprehensive way, and the consideration of the spatial dependence of flood return periods are strongly recommended for a better understanding of flood risk and consequently for a sound flood risk management and mitigation.

Description: Hochwasser sind ein großes Problem und treten hauptsächlich aufgrund extremer Wetterbedingungen (z. B. starker Regen und Schneeschmelze) auf. Die Folgen von Hochwasserereignissen können verheerend sein. Das Konzept des Hochwasserrisikos beinhaltet die drei Komponenten: Gefahr, Exposition und Vulnerabilität. Hochwasser sind natürliche Phänomene und können nicht sicher verhindert werden. Das Risiko kann jedoch gesteuert und gemindert werden. Für ein solides Hochwasserrisikomanagement und die Minderung des Risikos ist eine ordnungsgemäße Risikobewertung und ein klares Verständnis der Hochwasserrisikodynamik erforderlich. Beispielsweise verursacht der anthropogene Klimawandel eine höhere Intensität der Niederschläge und einen Anstieg des Meeresspiegels und damit eine Zunahme des Ausmaßes und der Häufigkeit von Hochwasserereignissen. Andererseits können unangemessene strukturelle Schutzmaßnahmen, das Anwachsen von Vermögenswerten und eine steigende Anzahl betroffener Personen in den hochwassergefährdeten Gebieten das Risiko erhöhen. Um diese Probleme zu adressieren, besteht ein Ziel dieser Arbeit aus der Durchführung einer Sensitivitätsanalyse, um die Auswirkungen von Änderungen in jeder Hochwasserrisikokomponente auf das Gesamtrisiko und deren Wechselwirkungen untereinander zu verstehen. Eine angemessene Risikobewertung wird auch durch die korrekte k Darstellung des realen Hochwasserereignisses erreicht. Traditionell wird das Hochwasserrisiko bewertet, indem homogene Wiederkehrintervalle von Hochwasserspitzen im gesamten Einzugsgebiet angenommen werden. In der Realität sind Hochwasserereignisse jedoch räumlich heterogen, weshalb die traditionelle Annahme von Homogenität das Hochwasserrisiko insbesondere für große Einzugsgebiete falsch einschätzt. In dieser Arbeit wird die Bedeutung der räumlichen Abhängigkeit bei der Bewertung des Hochwasserrisikos in großem Maßstab in zwei Studien für verschiedene räumliche Skalen untersucht. In der ersten Untersuchung wird die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch einen kontinuierlichen Risikomodellierungsansatz dargestellt. Zusätzlich werden die Risikoabschätzungen unter dieser modellierten Abhängigkeitsannahme mit zwei weiteren Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser verglichen: vollständige Abhängigkeit und Unabhängigkeit für das Elbeeinzugsgebiet in Deutschland. Die zweite Studie repräsentiert die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch ein copula-basiertes Abhängigkeitsmodell. In ähnlicher Weise werden die drei verschiedenen Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser auf nationaler und kontinentaler Ebene verglichen. Außerdem wird der Einfluss von „Tail-dependences“ im Modell sowie von Hochwasserschutzmaßnahmen auf die räumliche Abhängigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit unter Anwendung des Sensitivitätsanalyse-Frameworks zeigen, dass das Hochwasserrisiko aufgrund möglicher Änderungsszenarien dramatisch variieren kann. Der Einfluss des Klimawandels kann durch Änderungen anderer Risikokomponenten (z. B. Änderungen der Deichsysteme und der Vulnerabilität) überdeckt werden. Die Untersuchung zur räumlichen Abhängigkeit zeigen, dass der Schaden unter der Annahme vollständiger Abhängigkeit für Ereignisse mit Wiederkehrintervalle von mehr als ungefähr 200 Jahren im Elbeeinzugsgebiet 100 % größer als der Schaden unter modellierter Abhängigkeit. Die Annahme vollständiger Abhängigkeit überschätzt den 200-jährigen Hochwasserschaden, einen Referenzindikator für die Versicherungsbranche, um 139 %, 188 % und 246 % für Vereinigte Königreich, Deutschland und Europa. Die Fehleinschätzung des Hochwasserrisikos kann unter verschiedenen Annahmen von Abhängigkeit zwischen Oberlauf und Unterlauf eines Einzugsgebietes stark variieren. Zudem können „Tail-dependences“ im Modell sowie der Hochwasserschutz im Einzugsgebiet die Ergebnisse der Risikoabschätzung, unter verschiedenen Annahmen der räumlichen Abhängigkeit, beeinflussen. Abschließend wird eine umfangreiche Berücksichtigung der Risikokomponenten und insbesondere der räumlichen Abhängigkeit von Wiederkehrintervallen stark empfohlen, um das Hochwasserrisiko und damit dessen Management und Minderung besser verstehen zu können.

Description: In March 2010, the project CoCoCo (incipient COntinent-COntinent COllision) recorded a 650 km long amphibian N-S wide-angle seismic profile, extending from the Eratosthenes Seamount (ESM) across Cyprus and southern Turkey to the Anatolian plateau. The aim of the project is to reveal the impact of the transition from subduction to continent-continent collision of the African plate with the Cyprus-Anatolian plate. A visual quality check, frequency analysis and filtering were applied to the seismic data and reveal a good data quality. Subsequent first break picking, finite-differences ray tracing and inversion of the offshore wide-angle data leads to a first-arrival tomographic model. This model reveals (1) P-wave velocities lower than 6.5 km/s in the crust, (2) a variable crustal thickness of about 28 - 37 km and (3) an upper crustal reflection at 5 km depth beneath the ESM. Two land shots on Turkey, also recorded on Cyprus, airgun shots south of Cyprus and geological and previous seismic investigations provide the information to derive a layered velocity model beneath the Anatolian plateau and for the ophiolite complex on Cyprus. The analysis of the reflections provides evidence for a north-dipping plate subducting beneath Cyprus. The main features of this layered velocity model are (1) an upper and lower crust with large lateral changes of the velocity structure and thickness, (2) a Moho depth of about 38 - 45 km beneath the Anatolian plateau, (3) a shallow north-dipping subducting plate below Cyprus with an increasing dip and (4) a typical ophiolite sequence on Cyprus with a total thickness of about 12 km. The offshore-onshore seismic data complete and improve the information about the velocity structure beneath Cyprus and the deeper part of the offshore tomographic model. Thus, the wide-angle seismic data provide detailed insights into the 2-D geometry and velocity structures of the uplifted and overriding Cyprus-Anatolian plate. Subsequent gravity modelling confirms and extends the crustal P-wave velocity model. The deeper part of the subducting plate is constrained by the gravity data and has a dip angle of ~ 28°. Finally, an integrated analysis of the geophysical and geological information allows a comprehensive interpretation of the crustal structure related to the collision process.

Description: The objective of this study is the development and application of a full flood risk chain, appropriate for the large scale and based on long term and continuous simulation. The novel approach of ‘derived flood risk based on continuous simulations’ is introduced, where the synthetic discharge time series is used as input into flood impact models and flood risk is directly derived from the resulting synthetic damage time series.

Description: This dissertation was carried out as part of the international and interdisciplinary graduate school StRATEGy. This group has set itself the goal of investigating geological processes that take place on different temporal and spatial scales and have shaped the southern central Andes. This study focuses on claystones and carbonates of the Yacoraite Fm. that were deposited between Maastricht and Dan in the Cretaceous Salta Rift Basin. The former rift basin is located in northwest Argentina and is divided into the sub-basins Tres Cruces, Metán-Alemanía and Lomas de Olmedo. The overall motivation for this study was to gain new knowledge about the evolution of marine and lacustrine conditions during the Yacoraite Fm. Deposit in the Tres Cruces and Metán-Alemanía sub-basins. Other important aspects that were examined within the scope of this dissertation are the conversion of organic matter from Yacoraite Fm. into oil and its genetic relationship to selected oils produced and natural oil spills. The results of my study show that the Yacoraite Fm. began to be deposited under marine conditions and that a lacustrine environment developed by the end of the deposition in the Tres Cruces and Metán-Alemanía Basins. In general, the kerogen of Yacoraite Fm. consists mainly of the kerogen types II, III and II / III mixtures. Kerogen type III is mainly found in samples from the Yacoraite Fm., whose TOC values are low. Due to the adsorption of hydrocarbons on the mineral surfaces (mineral matrix effect), the content of type III kerogen with Rock-Eval pyrolysis in these samples could be overestimated. Investigations using organic petrography show that the organic particles of Yacoraite Fm. mainly consist of alginites and some vitrinite-like particles. The pyrolysis GC of the rock samples showed that the Yacoraite Fm. generates low-sulfur oils with a predominantly low-wax, paraffinic-naphthenic-aromatic composition and paraffinic wax-rich oils. Small proportions of paraffinic, low-wax oils and a gas condensate-generating facies are also predicted. Here, too, mineral matrix effects were taken into account, which can lead to a quantitative overestimation of the gas-forming character. The results of an additional 1D tank modeling carried out show that the beginning (10% TR) of the oil genesis took place between ≈10 Ma and ≈4 Ma. Most of the oil (from ≈50% to 65%) was generated prior to the development of structural traps formed during the Plio-Pleistocene Diaguita deformation phase. Only ≈10% of the total oil generated was formed and potentially trapped after the formation of structural traps. Important factors in the risk assessment of this petroleum system, which can determine the small amounts of generated and migrated oil, are the generally low TOC contents and the variable thickness of the Yacoraite Fm. Additional risks are associated with a low density of information about potentially existing reservoir structures and the quality of the overburden.

Description: Diese Dissertation wurde im Rahmen des internationalen und interdisziplinären Graduiertenkollegs StRATEGy durchgeführt. Diese Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, geologische Prozesse zu untersuchen, die auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen ablaufen und die südlichen Zentralanden geprägt haben. Diese Studie konzentriert sich auf die Tonsteine und Karbonate der Yacoraite Fm., die zwischen Maastricht und Dan im kreidezeitlichen Salta-Grabenbecken abgelagert wurden. Das ehemalige Riftbecken liegt im Nordwesten Argentiniens und gliedert sich in die Teilbecken Tres Cruces, Metán-Alemanía und Lomas de Olmedo. Die übergreifende Motivation für diese Studie war es, neue Erkenntnisse über die Entwicklung der marinen und lakustrinen Bedingungen während der Ablagerung der Yacoraite Fm. in den Tres Cruces und Metán-Alemanía Sub-Becken zu gewinnen. Weitere wichtige Aspekte, die im Rahmen dieser Dissertation untersucht wurden, sind die Umwandlung von organischer Materie der Yacoraite Fm. in Öl sowie deren genetische Beziehung zu ausgewählten produzierten Ölen und natürlichen Ölaustritten. Die Ergebnisse meiner Studie zeigen, dass die Ablagerung der Yacoraite Fm. unter marinen Bedingungen begann und sich bis zum Ende der Ablagerung in den Tres Cruces- und Metán-Alemanía-Becken ein lakustrines Milieu entwickelte. Im Allgemeinen besteht das Kerogen der Yacoraite Fm. überwiegend aus den Kerogentypen II, III und II/III-Mischungen. Der Kerogentyp III findet sich vor allem in Proben aus der Yacoraite Fm., deren TOC-Werte niedrig sind. Aufgrund der Adsorption von Kohlenwasserstoffen an den Mineraloberflächen (Mineralmatrixeffekt) könnte der Gehalt an Typ-III-Kerogen mit der Rock-Eval-Pyrolyse in diesen Proben überschätzt werden. Untersuchungen mittels organischer Petrographie zeigen, dass die organischen Partikel der Yacoraite Fm. hauptsächlich aus Alginiten und einigen Vitrinit-artigen Partikeln bestehen. Die Pyrolyse-GC der Gesteinsproben zeigte, dass die Yacoraite Fm. schwefelarme Öle mit einer überwiegend Wachs-armen paraffinisch-naphthenisch-aromatischen Zusammensetzung und paraffinische Wachs-reiche Öle generiert. Geringe Anteile paraffinischer, Wachs-armer Öle und einer Gaskondensat-generierenden Fazies werden ebenfalls vorausgesagt. Auch hier wurden Mineralmatrixeffekte berücksichtigt, die zu einer quantitativen Überschätzung des gasbildenden Charakters führen können. Die Ergebnisse einer zusätzlich durchgeführten 1D-Beckenmodellierung zeigen, dass der Beginn (10 %TR) der Ölgenese zwischen ≈10 Ma und ≈4 Ma stattfand. Der größte Teil des Öls (von ≈50 % bis 65 %) wurde vor der Entwicklung struktureller Fallen gebildet, die während der plio-pleistozänen Diaguita Deformatiosphase gebildet wurden. Nur ≈10 % des insgesamt generierten Öls wurde nach der Entstehung struktureller Fallen gebildet und potentiell darin gefangen. Wichtige Faktoren in der Risikobewertung dieses Erdölsystems, welche die geringen Mengen an generiertem und migriertem Öl bestimmen können, stellen die allgemein niedrigen TOC-Gehalte und die variable Mächtigkeit der Yacoraite Fm. dar. Weitere Risiken sind mit einer niedrigen Informationsdichte über potentiell vorhandene Reservoirstrukturen und die Qualität der Deckgesteine verbunden.

Description: Rheology describes the flow of matter under the influence of stress, and - related to solids- it investigates how solids subjected to stresses deform. As the deformation of the Earth’s outer layers, the lithosphere and the crust, is a major focus of rheological studies, rheology in the geosciences describes how strain evolves in rocks of variable composition and temperature under tectonic stresses. It is here where deformation processes shape the form of ocean basins and mountain belts that ultimately result from the complex interplay between lithospheric plate motion and the susceptibility of rocks to the influence of plate-tectonic forces. A rigorous study of the strength of the lithosphere and deformation phenomena thus requires in-depth studies of the rheological characteristics of the involved materials and the temporal framework of deformation processes. This dissertation aims at analyzing the influence of the physical configuration of the lithosphere on the present-day thermal field and the overall rheological characteristics of the lithosphere to better understand variable expressions in the formation of passive continental margins and the behavior of strike-slip fault zones. The main methodological approach chosen is to estimate the present-day thermal field and the strength of the lithosphere by 3-D numerical modeling. The distribution of rock properties is provided by 3-D structural models, which are used as the basis for the thermal and rheological modeling. The structural models are based on geophysical and geological data integration, additionally constrained by 3-D density modeling. More specifically, to decipher the thermal and rheological characteristics of the lithosphere in both oceanic and continental domains, sedimentary basins in the Sea of Marmara (continental transform setting), the SW African passive margin (old oceanic crust), and the Norwegian passive margin (young oceanic crust) were selected for this study. The Sea of Marmara, in northwestern Turkey, is located where the dextral North Anatolian Fault zone (NAFZ) accommodates the westward escape of the Anatolian Plate toward the Aegean. Geophysical observations indicate that the crust is heterogeneous beneath the Marmara basin, but a detailed characterization of the lateral crustal heterogeneities is presented for the first time in this study. Here, I use different gravity datasets and the general non-uniqueness in potential field modeling, to propose three possible end-member scenarios of crustal configuration. The models suggest that pronounced gravitational anomalies in the basin originate from significant density heterogeneities within the crust. The rheological modeling reveals that associated variations in lithospheric strength control the mechanical segmentation of the NAFZ. Importantly, a strong crust that is mechanically coupled to the upper mantle spatially correlates with aseismic patches where the fault bends and changes its strike in response to the presence of high-density lower crustal bodies. Between the bends, mechanically weaker crustal domains that are decoupled from the mantle are characterized by creep. For the passive margins of SW Africa and Norway, two previously published 3-D conductive and lithospheric-scale thermal models were analyzed. These 3-D models differentiate various sedimentary, crustal, and mantle units and integrate different geophysical data, such as seismic observations and the gravity field. Here, the rheological modeling suggests that the present-day lithospheric strength across the oceanic domain is ultimately affected by the age and past thermal and tectonic processes as well as the depth of the thermal lithosphere-asthenosphere boundary, while the configuration of the crystalline crust dominantly controls the rheological behavior of the lithosphere beneath the continental domains of both passive margins. The thermal and rheological models show that the variations of lithospheric strength are fundamentally influenced by the temperature distribution within the lithosphere. Moreover, as the composition of the lithosphere significantly influences the present-day thermal field, it therefore also affects the rheological characteristics of the lithosphere. Overall my studies add to our understanding of regional tectonic deformation processes and the long-term behavior of sedimentary basins; they confirm other analyses that have pointed out that crustal heterogeneities in the continents result in diverse lithospheric thermal characteristics, which in turn results in higher complexity and variations of rheological behavior compared to oceanic domains with a thinner, more homogeneous crust.

Description: Die Rheologie ist die Wissenschaft, die sich mit dem Fließ- und Verformungsverhalten von Materie beschäftigt. Hierzu gehören neben Gasen und Flüssigkeiten vor allem auch Feststoffe, die einer Spannung ausgesetzt sind und einem daraus resultierenden Verformungsprozess unterliegen - entweder unter bruchhaften oder plastischen Bedingungen. In den Geowissenschaften umfasst die Rheologie die kombinierte Analyse tektonischer Spannungen und resultierender Deformationsphänomene in Gesteinen unter unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen sowie im Zusammenhang mit physikalischen Eigenschaften der Krusten- und Mantelgesteine. Die Verformung des lithosphärischen Mantels und der Kruste ist ein Schwerpunkt rheologischer Untersuchungen, denn in diesem Zusammenhang bilden sich Ozeanbecken und Gebirgsgürtel, die letztendlich aus dem komplexen Zusammenspiel der Bewegungen lithosphärischer Platten und der unterschiedlichen Deformierbarkeit von Krusten- und Mantelgesteinen unter dem Einfluss plattentektonischer Kräfte resultieren. Eine genaue Untersuchung der Festigkeit der Lithosphäre und der Deformationssphänomene erfordert daher eingehende Studien der rheologischen Eigenschaften der beteiligten Materialien. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieser Dissertation, die allgemeinen rheologischen Charakteristika der Lithosphäre in drei verschiedenen geodynamischen Bereichen zu analysieren, um unterschiedlich geprägte passive Kontinentalränder sowie das Verhalten von Transformstörungen innerhalb der Kontinente besser zu verstehen. Der wichtigste methodische Ansatz, der hierfür gewählt wurde, ist die numerische 3D-Modellierung, um eine Abschätzung des gegenwärtigen thermischen Feldes und der Festigkeit der Lithosphäre zu ermöglichen. Die räumliche Verteilung der Gesteinseigenschaften in Kruste und Mantel wird dabei durch 3-D-Strukturmodelle bereitgestellt, die als Grundlage für die thermische und rheologische Modellierung verwendet werden. Die Strukturmodelle basieren auf der Integration geophysikalischer und geologischer Daten, die zusätzlich durch eine 3D-Dichtemodellierung validiert werden. Um die thermischen und rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre sowohl im ozeanischen als auch im kontinentalen Bereich zu entschlüsseln, wurden für diese Studie Sedimentbecken im Marmarameer im Bereich der kontinentalen Nordanatolischen Transformstörung sowie im Bereich der passiven Plattenränder von SW-Afrika (alte ozeanische Kruste) und vor Norwegen (junge ozeanische Kruste) ausgewählt. Das Marmarameer im Nordwesten der Türkei befindet sich in einer Region, wo die dextrale Nordanatolische Störung (NAFZ) die westwärts gerichtete Ausweichbewegung der Anatolischen Platte in Richtung Ägäis ermöglicht. Geophysikalische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die kontinentale Kruste unter dem Marmara-Becken heterogen ist, allerdings stellt diese Arbeit zum ersten Mal eine detaillierte Charakterisierung dieser lateralen Krustenheterogenitäten vor. Hierzu verwende ich verschiedene Schweredaten und die Potenzialfeldmodellierung, um drei mögliche Szenarien zur Erklärung der Unterschiede im Charakter der Kruste vorzuschlagen. Die Modelle legen nahe, dass ausgeprägte Schwereanomalien im Becken von signifikanten Dichte-Heterogenitäten innerhalb der Kruste hervorgerufen werden. Die rheologische Modellierung zeigt, dass damit verbundene Unterschiede in der Festigkeit der Lithosphäre die mechanische Segmentierung der NAFZ steuern und sich auf seismogene Prozesse auswirken. Demnach korrelieren Krustenbereiche hoher Festigkeit, die mechanisch an den oberen Mantel gekoppelt sind, räumlich mit aseismischen Sektoren in der Region um die Störungszone, in denen sich das Streichen der NAFZ ändert. Zwischen den Bereichen mit den veränderten Streichrichtungen der Störung existieren dagegen mechanisch schwächere Krustenbereiche, die vom Mantel entkoppelt und durch Kriechbewegungen gekennzeichnet sind. Für die passiven Kontinentalränder von SW-Afrika und Norwegen wurden zwei veröffentlichte thermische 3-D-Modelle hinsichtlich des Einflusses der Temperaturverteilung auf die Festigkeit der Lithosphäre analysiert. Diese 3-D-Modelle differenzieren verschiedene Sediment-, Krusten- und Mantelbereiche und integrieren unterschiedliche geophysikalische Daten, wie zum Beispiel seismische Beobachtungen und Schwerefeldmessungen. Hier legt die rheologische Modellierung nahe, dass die derzeitige Lithosphärenfestigkeit im ozeanischen Bereich letztlich durch das Alter und vergangene thermische und tektonische Prozesse sowie die Tiefe der thermischen Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre beeinflusst wird, während die Konfiguration der kristallinen Kruste das rheologische Verhalten der Lithosphäre in den kontinentalen Bereichen der beiden passiven Ränder dominiert. Die thermischen und rheologischen Modelle zeigen, dass die Variationen in der Festigkeit der Lithosphäre grundlegend von der Temperaturverteilung innerhalb der Lithosphäre selbst beeinflusst werden. Dabei steuert die Zusammensetzung der Lithosphäre das heutige thermische Feld entscheidend mit und darüber auch die rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre. Diese Ergebnisse tragen somit zu einem besseren Verständnis regionaler tektonischer Deformationsprozesse und der dynamischen Langzeitentwicklung von Sedimentbecken bei; sie bestätigen außerdem frühere Analysen, die bereits darauf hingewiesen haben, dass die Heterogenität der Kruste in den Kontinenten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Lithosphäre einhergeht, welches wiederum zu einer höheren Komplexität und Variabilität des rheologischen Verhaltens im Vergleich zu ozeanischen Gebieten mit einer geringer mächtigen, homogeneren Kruste führt.

Description: We study segregation of the subducted oceanic crust (OC) at the core mantle boundary and its ability to accumulate and form large thermochemical piles (such as the seismically observed Large Low Shear Velocity Provinces - LLSVPs). Our high-resolution numerical simulations suggest that the longevity of LLSVPs for up to three billion years, and possibly longer, can be ensured by a balance in the rate of segregation of high-density OC-material to the CMB, and the rate of its entrainment away from the CMB by mantle upwellings. For a range of parameters tested in this study, a large-scale compositional anomaly forms at the CMB, similar in shape and size to the LLSVPs. Neutrally buoyant thermochemical piles formed by mechanical stirring - where thermally induced negative density anomaly is balanced by the presence of a fraction of dense anomalous material - best resemble the geometry of LLSVPs. Such neutrally buoyant piles tend to emerge and survive for at least 3Gyr in simulations with quite different parameters. We conclude that for a plausible range of values of density anomaly of OC material in the lower mantle - it is likely that it segregates to the CMB, gets mechanically mixed with the ambient material, and forms neutrally buoyant large scale compositional anomalies similar in shape to the LLSVPs. We have developed an efficient FEM code with dynamically adaptive time and space resolution, and marker-in-cell methodology. This enabled us to model thermochemical mantle convection at realistically high convective vigor, strong thermally induced viscosity variations, and long term evolution of compositional fields.

Description: Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars. Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis. It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface.

Description: The habilitation thesis presented here includes results from several studies dealing with fluid-rock interactions and rock deformation processes in active fault zones. The focus in all of these studies is on the influence of clay minerals on the geochemical and the hydro-mechanical behavior of the fault rocks. The research was conducted on rock cores and cuttings from four scientific drilling projects at the San Andreas Fault (USA), the Nankai Trough subduction zone and the Japan Trench subduction zone (Japan), as well as the Alpine Fault in New Zealand. These ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) and IODP (International Ocean Discovery Program) funded projects were all conducted with the aim to monitor and better understand earthquakes. Chapter 1 contains a short introduction to the topic with basic principles and objectives regarding the research approach. Chapter 2 describes the state of the art in clay mineral and fault zone science, gives a short description of the individual drilling projects and their locations on which the research was based, and summarizes the most important analytical methods used. Chapter 3 comprises ten peer-reviewed publications that are connected thematically and methodologically. The papers were published in the years 2006-2015, and additional related publications including myself as co-author are given in the literature list. The ten publications address different questions concerning the formation of clay minerals and processes of fluid-rock interaction in active fault zones. Six papers contain results from the SAFOD drilling project, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth), with the main focus on fluid-rock interaction processes in fault rocks and the formation and location of clay minerals. Three publications report on research from the NanTroSEIZE drilling project (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) and the JFAST drilling project (Japan Trench Fast Drilling Project). Both projects are situated in Japan. Here, the swelling behavior of smectite clay minerals in relation to changing environmental conditions (e.g. temperature and/or humidity) was investigated. The last publication included here concerns a study from the DFDP project (Deep Fault Drilling Project) in New Zealand, where I investigated the deformation of clay minerals on the context of the hydro-mechanical behavior of the fault zone rocks. I was first author in nine of the publications and in charge of the project preparation, measurements and data analyses, and the completion of the manuscript. As co-author on the other publication I was responsible for electronmicroscopy analyses (SEM and TEM) and their interpretation. The key results from the publications in Chapter 3 are discussed in Chapter 4 with additional considerations from more recent papers. Following the major theses in Chapter 5, Chapter 6 highlights a future research project in clay mineralogy research at the GFZ. An appendix includes more detailed descriptions of the laboratory equipment and lists of all publications, conference contributions and teaching courses and modules.

Description: Die vorliegende Habilitationsschrift umfasst Forschungsergebnisse aus Studien, die sich mit Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen und Deformationsprozessen in aktiven Störungszonen befassen, wobei der Einfluss der Tonminerale auf das geochemische und hydromechanische Verhalten dieser Störungen im Vordergrund steht. Kernproben (core) und Bohrklein (cuttings) aus vier verschiedenen Bohrprojekten an der San Andreas Störung (USA), der Nankai Trough Subduktionszone und der Japan Trench Subduktionszone (Japan), sowie der Alpine Störung in Neuseeland wurden untersucht. Die von ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) und IODP (International Ocean Discovery Program) unterstützten Projekte verfolgen alle das Ziel, das Verhalten von Erdbeben besser zu verstehen. In Kapitel 1 werden in einer kurzen Einleitung die allgemeinen thematischen Grundlagen und Ziele der Arbeit beschrieben. Kapitel 2 umfasst den Stand der Forschung, eine kurze Beschreibung der einzelnen Bohrprojekte und Standorte, sowie eine Zusammenfassung der wichtigsten Messmethoden. Kapitel 3 beinhaltet insgesamt zehn wissenschaftliche Arbeiten, die alle in einem methodisch-thematischen Zusammenhang stehen. Die Manuskripte wurden in den Jahren 2006-2015 veröffentlicht, wobei weitere Arbeiten aus diesem Themenbereich im Literaturverzeichnis vermerkt sind. Sie gehen auf unterschiedliche Fragestellungen um die Bildung und das Verhalten von Tonmineralen in aktiven Störungszonen ein. Insgesamt sechs Publikationen beinhalten Daten und Forschungsergebnisse, die im Rahmen des SAFOD Projektes, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth) erstellt wurden. Hier wurde vor allem auf die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungsprozesse im Störungsgestein und die daraus resultierende Bildung von Tonmineralen eingegangen. Drei weitere Arbeiten wurden im Rahmen des NanTroSEIZE Projektes, Japan (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) und des JFAST Projektes, Japan (Japan Trench Fast Drilling Project) erstellt. Hier steht vor allem das Verhalten von quellfähigen Tonmineralen auf sich ändernde Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur und Feuchtigkeit) im Mittelpunkt. Die zehnte hier vorgestellte Veröffentlichung betrifft Analysen rund um das DFDP Projekt (Deep Fault Drilling Project) in Neuseeland, wobei hier die Deformation von Tonmineralen und das hydro-mechanische Verhalten der Störungszone im Vordergrund stehen. In neun Veröffentlichungen war ich als Erstautor für die Vorbereitung des Projektes, das Erstellen der Daten und die Fertigstellung der Manuskripte zuständig. In einer Publikation war ich als Mitautorin für die elektronenmikroskopischen Analysen und deren Interpretation verantwortlich. Die wichtigsten Ergebnisse der in Kapitel 3 vorgelegten Arbeiten werden in Kapitel 4 unter Berücksichtigung neuer Publikationen diskutiert. Nach der Beschreibung der Thesen in Kapitel 5 werden in Kapitel 6 „Outlook“ die Highlights zukünftiger Forschungspläne am GFZ näher beschrieben. Die Habilitationsschrift endet mit dem Anhang, in welchem unter anderem das Laborequipment genauer beschrieben wird, sowie die Publikationen, Konferenzbeiträge und Lehrbeiträge aufgelistet sind.

Description: The thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recovered from conventional resources e.g., coal towards energy provided by renewable resources such as wind or water is a big challenge. Gas recovered from unconventional reservoirs (shale plays) is considered a potential bridge technology. In Chapter 2, short-term mechanical properties of two European mature shale rocks are presented, which were determined from constant strain rate experiments performed at ambient and in situ deformation conditions (confining pressure, pc ≤ 100 MPa, temperature, T ≤ 125 °C, representing pc, T - conditions at 〈 4 km depth) using a Paterson– type gas deformation apparatus. The investigated shales were mainly from drill core material of Posidonia (Germany) shale and weathered material of Bowland (United Kingdom) shale. The results are compared with mechanical properties of North American shales. Triaxial compression tests performed perpendicular to bedding revealed semibrittle deformation behavior of Posidonia shale with pronounced inelastic deformation. This is in contrast to Bowland shale samples that deformed brittle and displayed predominantly elastic deformation. The static Young’s modulus, E, and triaxial compressive strength, σTCS, determined from recorded stress-strain curves strongly depended on the applied confining pressure and sample composition, whereas the influence of temperature and strain rate on E and σTCS was minor. Shales with larger amounts of weak minerals (clay, mica, total organic carbon) yielded decreasing E and σTCS. This may be related to a shift from deformation supported by a load-bearing framework of hard phases (e.g., quartz) towards deformation of interconnected weak minerals, particularly for higher fractions of about 25 – 30 vol% weak phases. Comparing mechanical properties determined at reservoir conditions with mechanical data applying effective medium theories revealed that E and σTCS of Posidonia and Bowland shale are close to the lower (Reuss) bound. Brittleness B is often quoted as a measure indicating the response of a shale formation to stimulation and economic production. The brittleness, B, of Posidonia and Bowland shale, estimated from E, is in good agreement with the experimental results. This correlation may be useful to predict B from sonic logs, from which the (dynamic) Young’s modulus can be retrieved. Chapter 3 presents a study of the long-term creep properties of an immature Posidonia shale. Constant stress experiments (σ = const.) were performed at elevated confining pressures (pc = 50 – 200 MPa) and temperatures (T = 50 – 200 °C) to simulate reservoir pc, T - conditions. The Posidonia shale samples were acquired from a quarry in South Germany. At stresses below ≈ 84 % compressive strength of Posidonia shale, at high temperature and low confining pressure, samples showed pronounced transient (primary) creep with high deformation rates in the semibrittle regime. Sample deformation was mainly accommodated by creep of weak sample constituents and pore space reduction. An empirical power law relation between strain and time, which also accounts for the influence of pc, T and σ on creep strain was formulated to describe the primary creep phase. Extrapolation of the results to a creep period of several years, which is the typical time interval for a large production decline, suggest that fracture closure is unlikely at low stresses. At high stresses as expected for example at the contact between the fracture surfaces and proppants added during stimulation measures, subcritical crack growth may lead to secondary and tertiary creep. An empirical power law is suggested to describe secondary creep of shale rocks as a function of stress, pressure and temperature. The predicted closure rates agree with typical production decline curves recorded during the extraction of hydrocarbons. At the investigated conditions, the creep behavior of Posidonia shale was found to correlate with brittleness, calculated from sample composition. In Chapter 4 the creep properties of mature Posidonia and Bowland shales are presented. The observed long-term creep behavior is compared to the short-term behavior determined in Chapter 2. Creep experiments were performed at simulated reservoir conditions of pc = 50 – 115 MPa and T = 75 – 150 °C. Similar to the mechanical response of immature Posidonia shale samples investigated in Chapter 3, creep strain rates of mature Bowland and Posidonia shales were enhanced with increasing stress and temperature and decreasing confining pressures. Depending on applied deformation conditions, samples displayed either only a primary (decelerating) or in addition also a secondary (quasi-steady state) and subsequently a tertiary (accelerating) creep phase before failure. At the same deformation conditions, creep strain of Posidonia shale, which is rich in weak constituents, is tremendously higher than of quartz-rich Bowland shale. Typically, primary creep strain is again mostly accommodated by deformation of weak minerals and local pore space reduction. At the onset of tertiary creep most of the deformation was accommodated by micro crack growth. A power law was used to characterize the primary creep phase of Posidonia and Bowland shale. Primary creep strain of shale rocks is inversely correlated to triaxial compressive strength and brittleness, as described in Chapter 2. Chapter 5 provides a synthesis of the experimental findings and summarizes the major results of the studies presented in Chapters 2 – 4 and potential applications in the Exploration & Production industry. Chapter 6 gives a brief outlook on potential future experimental research that would help to further improve our understanding of processes leading to fracture closure involving proppant embedment in unconventional shale gas reservoirs. Such insights may allow to improve stimulation techniques aimed at maintaining economical extraction of hydrocarbons over several years.

Description: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf die Motivation für die vorliegende Studie eingegangen wird. Die Einleitung fokussiert sich dabei auf die aktuell vorherrschende Herausforderung, die Energieversorgung durch konventionelle Ressourcen, wie beispielsweise Kohle, durch regenerative Ressourcen, wie z.B. Wind oder Wasser, zu ersetzen. Üblicherweise wird der Energiezeugung aus unkonventionell gewonnenem Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie zugewiesen. Die Motivation zur Durchführung dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von Gasschiefern zu untersuchen, die auch in Europa einen substantiellen Beitrag zur Gasförderung liefern können. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die exemplarisch auf die Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von zwei reifen, europäischen Schiefergesteinen abzielen. Dazu wurden in einer Gasdruckapparatur Deformationsexperimente an Proben durchgeführt die senkrecht zur Schichtung orientiert entnommen wurden. Die Versuche wurden bei konstanter Verformungsrate und bei nachgestellten in situ Umgebungsbedingungen bis etwa 4 km Tiefe durchgeführt (Manteldruck, pc ≤ 100 MPa, Temperatur, T ≤ 125 °C). Die untersuchten Schieferproben stammen hauptsächlich aus Kernmaterial von erbohrtem Posidonienschiefer aus Niedersachsen und aus englischen Bowlandschiefer, das aus natürlichen Aufschlüssen gewonnen wurde. Zusätzlich wurden einige nordamerikanische Schieferproben zum Vergleich untersucht. Die triaxialen Kompressionstests zeigen ein semi-sprödes Deformationsverhalten mit ausgeprägter inelastischer Verformung des untersuchten Posidonienschiefers, wohingegen sich Bowlandschiefer spröde und bis zum Bruch vorzugsweise elastisch verformt. Der Elastizitätsmodul, E, und die Druckfestigkeit, σTCS, weisen bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine starke Abhängigkeit vom Manteldruck und der Gesteinsmineralogie auf. Der Einfluss von Temperatur und Verformungsrate auf E und σTCS ist dagegen vernachlässigbar. Mit ansteigendem Anteil an mechanisch weichen Mineralphasen, z.B. Ton, Glimmer und organisch gebundenem Kohlenstoff, nehmen E und σTCS der untersuchten Schiefergesteine ab. Dies ist durch eine verändertes Verformungsverhalten begründet, das von der Deformation eines lasttragenden Gerüstes aus mechanisch festen Mineralen, wie beispielsweise Quarz, bis zu einer Verformung von miteinander verbundenen mechanisch weichen Mineralen reicht. Der Übergang wurde ab einem Volumenanteil von etwa 25 – 30 vol% weicher Mineralphasen beobachtet. Beim Vergleich der experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften (E, σTCS) mit Vorhersagen, in denen die Zusammensetzung der Schiefer berücksichtigt wird (effective medium theories, Voigt-Reuss Grenzen) ist erkennbar, dass E und σTCS nahe an der unteren (Reuss) Grenze liegen. Die aus dem Elastizitätsmodul berechnete Sprödfestigkeit (brittleness, B) von Posidonien- und Bowlandschiefer stimmt gut mit dem gemessenen Spannungs-Verformungsverhalten überein. Die Sprödfestigkeit eines Gesteins wird oft als Indiz zur Abschätzung des möglichen Erfolges von Stimulationsmaßnahmen betrachtet. Daher ist der Zusammenhang zwischen elastischen Eigenschaften, die sich mit Ultraschallmessungen (sonic-log) in Bohrungen abschätzen lassen und dem mechanischen Verhalten von Gasschiefern für eine schnelle und kostengünstige Beurteilung wichtig. Im dritten Kapitel werden die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen untersucht. Dafür wurden Deformationsexperimente bei konstanter Spannung (σ = konst.) und erhöhten Umlagerungsdrücken (pc = 50 – 200 MPa) und Temperaturen (T = 50 – 200 °C) an einem unreifen Posidonienschiefer, welcher in einem aktiven Steinbruch in Süddeutschland gewonnen wurde, durchgeführt. Bei Spannungen unterhalb ≈ 84 % der Druckfestigkeit des Schiefers und hohen Temperaturen und niedrigen Manteldrücken zeigen die deformierten Schieferproben transientes (primäres) Kriechen im semi-spröden Regime mit relativ hohen Verformungsraten. Der größte Teil der Deformation wird dabei durch die Verformung von mechanisch weichen Mineralphasen und Porenraumreduktion aufgenommen. Ein empirisches Potenzgesetz wurde aufgestellt, um die zeitabhängige primäre Kriechphase in Abhängigkeit von Manteldruck, Temperatur und Spannung zu charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, dass ein mögliches Rissschließen über einen typischen Zeitraum von wenigen Jahren bei der Annahme von ausschließlich primären Kriechen unwahrscheinlich ist. Typischerweise entstehen an den Kotaktflächen zwischen hydraulisch stimulierten Rissen innerhalb der Schieferformation und dem Stützmittel, welches dem Stimulationsfluid hinzugefügt wird, um offene Risse aufrecht zu erhalten, hohe Differentialspannungen. Dadurch kann zusätzliches (subkritisches) Risswachstum initiiert werden, welches bei den untersuchten Proben unter hoher Differentialspannung zusätzlich zum primären auch zum sekundären und tertiären Kriechen bis zum Versagen der Probe führte. Bei Verwendung eines empirischen Potenzgesetzes zur Beschreibung der sekundären Kriechphase kann eine, im Vergleich zur primären Kriechregime, substanziell höhere Rissschließungsrate abgeschätzt werden. Diese erscheint wesentlich zuverlässiger, da sie mit den Zeiträumen typische gemessener Produktionsrückgänge einer Bohrung übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine inverse Korrelation zwischen gemessener Verformung und Sprödigkeit, basierend auf der Schiefermineralogie, festgestellt. In Kapitel 4 werden weiterführende Untersuchungen vorgestellt, in dem die Kriecheigenschaften von reifem Posidonien-und Bowlandschiefer gemessen und mit den mechanischen Eigenschaften, bestimmt in Kurzzeit-Deformationsversuchen bei konstanter Verformungsrate (Kapitel 2) verglichen werden. Dafür wurden Kriechversuche an Posidonien- und Bowlandschiefermaterial, wie in Kapitel 2 beschrieben, bei simulierten Reservoirdrücken und -temperaturen durchgeführt (pc = 50 – 115 MPa, T = 75 – 150 °C). Auch für diese Schiefergesteine wurde eine erhöhte Verformung bei erhöhten Spannungen und Temperaturen und niedrigen Manteldrücken gemessen. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Deformationsbedingungen wiesen die Proben beider Schiefergesteine entweder nur eine primäre oder zusätzlichen zur primären auch eine sekundäre und tertiäre Kriechphase auf. Bei gleichem Umlagerungsdruck und gleicher Temperatur erwies sich der tonreiche Posidonienschiefer als deutlich weniger fest als der quarzreiche Bowlandschiefer. Während der Großteil der Deformation in der primären Kriechphase durch die Verformung von weichen Mineralen und Porenraumreduktion aufgefangen wurde, ist eine Mikrorissbildung bezeichnend für das tertiäre Kriechen. Um das primäre Kriechverhalten der unterschiedlichen Schiefergesteine zu charakterisieren, wurde auch hier ein Potenzgesetz genutzt, welches einen Vergleich mit den Kriecheigenschaften anderer Schiefergesteinen erlaubt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine deutliche inverse Korrelation zwischen primärer Verformung und der gemessenen Druckfestigkeit und der berechneten Sprödigkeit. Dies ermöglicht es die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen mit den, aus einem Kurzzeittest gemessenen, mechanischen Eigenschaften grob abzuschätzen, solange die angenommen Zeitintervalle zwischen zwei Stimulationsoperationen in dem in der Praxis typischen Zeitintervall von einigen Jahren liegt. Im fünften Kapitel werden die erzielten Ergebnisse nochmals im Zusammenhang dargestellt. Hier wird im Besonderen auf eine potentielle Anwendung der Ergebnisse in der E & P - Industrie eingegangen. Abschließend wird im sechsten Kapitel auf mögliche Experimente eingegangen, die zukünftig durchgeführt werden könnten, um unser Verständnis in Bezug auf die spannungsinduzierte Rissschließung in Schieferlagerstätten durch die Einbettung der Stützmittel in die Formation zu verbessern. Diese Erkenntnisse wären wiederum hilfreich, um eine ökonomische und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen von stimulierten Bohrungen zu gewährleisten, die in unkonventionelle Lagerstätten abgeteuft wurden.

Description: In this dissertation, I describe the mechanisms involved in magmatic plumbing system establishment and evolution. Magmatic plumbing systems play a key role in determining volcanic activity style and recognizing its complexities can help in forecasting eruptions, especially within hazardous volcanic systems such as calderas. I explore the mechanisms of dike emplacement and intrusion geometry that shape magmatic plumbing systems beneath caldera-like topographies and how their characteristics relate to precursory activity of a volcanic eruption. For this purpose, I use scaled laboratory models to study the effect of stress field reorientation on a propagating dike induced by caldera topography. I construct these models by using solid gelatin to mimic the elastic properties of the earth's crust with a caldera on the surface. I inject water as the magma analog and track the evolution of the experiments through qualitative (geometry and stress evolution) and quantitative (displacement and strain computation) descriptions. The results show that a vertical dike deviates towards and outside of the caldera-like margin due to stress field reorientation beneath the caldera-like topography. The propagating intrusion forms a circumferential-eruptive dike when the caldera-like size is small, whereas a cone sheet develops beneath the large caldera-like topography. To corroborate the results obtained from the experimental models, this thesis also describes the results of a case study utilizing seismic monitoring data associated with the unrest period of the 2015 phreatic eruption of Lascar volcano. Lascar has a crater with a small-scale caldera-like topography and exhibited long-lasting anomalous evolution of the number of long-period (LP) events preceding the 2015 eruption. I apply seismic techniques to constrain the hypocentral locations of LP events and characterize their spatial distribution, obtaining an image of Lascar's plumbing system. I observe an agreement in shallow hypocentral locations obtained through four different seismic techniques; nevertheless, the cross-correlation technique provides the best results. These results depict a plumbing system with a narrow sub-vertical deep conduit and a shallow hydrothermal system, where most LP events are located. These two regions are connected through an intermediate region of path divergence, whose geometry and orientation likely is influenced by stress reorientation due to topographic effects of the caldera-like crater. Finally, in order to further enhance the interpretations of the previous case study, the seismic data was analyzed in tandem with a complementary multiparametric monitoring dataset. This complementary study confirms that the anomalous LP activity occurred as a sign of unrest in the preparatory phase of the phreatic eruption. In addition, I show how changes observed in other monitored parameters enabled to detect further signs of unrest in the shallow hydrothermal system. Overall, this study demonstrates that detecting complex geometric regions within plumbing systems beneath volcanoes is fundamental to produce an effective forecast of eruptions that from a first view seem to occur without any precursory activity. Furthermore, through the development of this research I show that combining methods that include both observations and models allows one to obtain a more precise interpretation of the volcanic processes.

Description: In dieser Dissertation beschreibe ich die physikalischen Mechanismen, die maßgeblich an der Entstehung und Entwicklung von magmatischen Systemen beteiligt sind. Das magmatische System eines Vulkans spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des vulkanischen Aktivitätsstils und die Erkennung seiner Komplexität kann bei der Vorhersage von Ausbrüchen helfen, insbesondere bei gefährlichen vulkanischen Systemen wie Calderas. Hier erforsche ich deshalb die Mechanismen der Platznahme von Eruptivgängen, sogenannten Dikes und die Geometrie der Intrusionen, welche die magmatischen Systeme unterhalb von Calderen formen, und beleuchte wie ihre Eigenschaften an der Vorläuferaktivität eines Vulkanausbruchs beteiligt sind. Zu diesem Zweck untersuche ich mit Hilfe von skalierten Labormodellen den Effekt, der durch die Caldera-Topographie induzierten Stressfeldneuausrichtung auf einen sich ausbreitenden Dike ausgeübt wird. Ich habe diese Modelle mit fester Gelatine durchgeführt, um die elastischen Eigenschaften der Erdkruste mit einer Caldera an der Oberfläche nachzuahmen. Ich injizierte Wasser als Magma-Analog und verfolgte die Entwicklung der Intrusion. Die Ergebnisse zeigen, dass ein vertikaler Dike aufgrund einer Umorientierung des oberflächennahen Spannungsfeldes unterhalb einer Caldera sowohl in Richtung, als auch nach außerhalb des Caldera-Randes abgelenkt wird. Die propagierende Intrusion bildet somit bei kleinen Calderen einen umlaufend eruptiven Dike, während sich unter großen Calderen bevorzugt sogenannte cone sheets bilden. Um die Ergebnisse aus den vorangegangenen experimentellen Modellen zu bestätigen, werden im Anschluß die Ergebnisse einer Fallstudie beschrieben, in welcher seismologische Monitoringdaten für den Zeitraum des Ausbruchs des Vulkans Lascar im Jahr 2015 herangezogen wurden. Lascar hat einen Krater mit einer kleinräumigen caldera-ähnlichen Topographie und zeigte vor dem phreatischen Ausbruch im Jahr 2015 eine lang anhaltende Periode anomaler Entwicklung bezüglich der Anzahl der täglich registrierten langperiodischen (LP) Erdbeben. Ich habe verschiedene seismische Techniken angewendet, um die Herdregionen (Hypozentren) dieser LP Erdbeben zu lokalisierenund ihre räumliche Verteilung zu charakterisieren, und somit ein Bild von Lascars magmatischen System zu erhalten. Ich beobachte eine Übereinstimmung in den flachen hypozentralen Positionen, die durch vier verschiedene seismische Techniken ermittelt wurden, allerdings lieferte die Kreuzkorrelationstechnik die besten Ergebnisse. Diese Ergebnisse zeigen ein magmatisches System mit einem schmalen tiefen subvertikalen Kanal und einem flachen hydrothermalen System, in dem sich die meisten LP-Ereignisse befinden. Diese beiden Bereiche sind durch einen Zwischenbereich der Pfaddivergenz miteinander verbunden, dessen Geometrie und Ausrichtung wahrscheinlich auf eine oberflächennahe Spannungsumorientierung aufgrund der topographischen Wirkung des caldera-ähnlichen Kraters zurückzuführen ist. Um die Interpretation der vorigen Fallstudie weiter zu vertiefen, habe ich die seismischen Daten in einer weiteren Studie zusammen mit einem ergänzenden multiparametrischen Überwachungsdatensatz analysiert, und wurde darin betstätigt, dass die anomale LP-Aktivität wahrscheinlich als Anzeichen für Unruhe in der Vorbereitungsphase der phreatischen Eruption gedeutet werden kann. Hier zeige ich u.a. auch, wie die Änderungen in den verschiedenen anderen überwachten Parametern weitere Anzeichen von Unruhe im flachen hydrothermalen System erkennen ließen. Insgesamt hat diese Studie gezeigt, wie grundlegend das Erkennen komplexer Geometrien des magmatischen Systems unter Vulkanen ist, um eine effektive Vorhersage von Eruptionen zu erstellen, die auf den ersten Blick ohne Vorläuferaktivität zu erfolgen scheinen. Darüber hinaus zeige ich durch die Entwicklung dieser Forschung, dass die Kombination von Methoden, die sowohl Beobachtungen als auch Modelle umfassen, eine genauere Interpretation der vulkanischen Prozesse ermöglicht.

Description: Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere. Although the climatological variability of their occurrence in terms of season, longitude, local time and solar flux is well-known, their day to day variability is not. The sparse observations from ground-based instruments like radars and the few simultaneous measurements of ionospheric parameters by space-based instruments have left gaps in the knowledge of EPDs essential to comprehend their variability. In this dissertation, I profited from the unique observations of the ESA’s Swarm constellation mission launched in November 2013 to tackle three issues that revealed novel and significant results on the current knowledge of EPDs. I used Swarm’s measurements of the electron density, magnetic, and electric fields to answer, (1.) what is the direction of propagation of the electromagnetic energy associated with EPDs?, (2.) what are the spatial and temporal characteristics of the electric currents (field-aligned and diamagnetic currents) related to EPDs, i.e., seasonal/geographical, and local time dependencies?, and (3.) under what conditions does the balance between magnetic and plasma pressure across EPDs occur? The results indicate that: (1.) The electromagnetic energy associated with EPDs presents a preference for interhemispheric flows; that is, the related Poynting flux directs from one magnetic hemisphere to the other and varies with longitude and season. (2.) The field-aligned currents at the edges of EPDs are interhemispheric. They generally close in the hemisphere with the highest Pedersen conductance. Such hemispherical preference presents a seasonal/longitudinal dependence. The diamagnetic currents increase or decrease the magnetic pressure inside EPDs. These two effects rely on variations of the plasma temperature inside the EPDs that depend on longitude and local time. (3.) EPDs present lower or higher plasma pressure than the ambient. For low-pressure EPDs the plasma pressure gradients are mostly dominated by variations of the plasma density so that variations of the temperature are negligible. High-pressure EPDs suggest significant temperature variations with magnitudes of approximately twice the ambient. Since their occurrence is more frequent in the vicinity of the South Atlantic magnetic anomaly, such high temperatures are suggested to be due to particle precipitation. In a broader context, this dissertation shows how dedicated satellite missions with high-resolution capabilities improve the specification of the low-latitude ionospheric electrodynamics and expand knowledge on EPDs which is valuable for current and future communication, navigation, and Earth-observing missions. The contributions of this investigation represent several ’firsts’ in the study of EPDs: (1.) The first observational evidence of interhemispheric electromagnetic energy flux and field-aligned currents. (2.) The first spatial and temporal characterization of EPDs based on their associated field-aligned and diamagnetic currents. (3.) The first evidence of high plasma pressure in regions of depleted plasma density in the ionosphere. These findings provide new insights that promise to advance our current knowledge of not only EPDs but the low-latitude post-sunset ionosphere environment.

Description: To investigate the reliability and stability of spherical harmonic models based on archeo/-paleomagnetic data, 2000 Geomagnetic models were calculated. All models are based on the same data set but with randomized uncertainties. Comparison of these models to the geomagnetic field model gufm1 showed that large scale magnetic field structures up to spherical harmonic degree 4 are stable throughout all models. Through a ranking of all models by comparing the dipole coefficients to gufm1 more realistic uncertainty estimates were derived than the authors of the data provide. The derived uncertainty estimates were used in further modelling, which combines archeo/-paleomagnetic and historical data. The huge difference in data count, accuracy and coverage of these two very different data sources made it necessary to introduce a time dependent spatial damping, which was constructed to constrain the spatial complexity of the model. Finally 501 models were calculated by considering that each data point is a Gaussian random variable, whose mean is the original value and whose standard deviation is its uncertainty. The final model arhimag1k is calculated by taking the mean of the 501 sets of Gauss coefficients. arhimag1k fits different dependent and independent data sets well. It shows an early reverse flux patch at the core-mantle boundary between 1000 AD and 1200 AD at the location of the South Atlantic Anomaly today. Another interesting feature is a high latitude flux patch over Greenland between 1200 and 1400 AD. The dipole moment shows a constant behaviour between 1600 and 1840 AD. In the second part of the thesis 4 new paleointensities from 4 different flows of the island Fogo, which is part of Cape Verde, are presented. The data is fitted well by arhimag1k with the exception of the value at 1663 of 28.3 microtesla, which is approximately 10 microtesla lower than the model suggest.

Description: The current thesis contains the results from two experimental and one modelling study focused on the topic of ductile strain localization in the presence of material heterogeneities. Localization of strain in the high temperature regime is a well known feature of rock deformation occurring in nature at different scales and in a variety of lithologies. Large scale shear zones at the roots of major crustal fault zones are considered responsible for the activity of plate tectonics on our planet. A large number of mechanisms are suggested to be associated with strain softening and nucleation of localization. Among these, the presence of material heterogeneities within homogeneous host rocks is frequently observed in field examples to trigger shear zone development. Despite a number of studies conducted on the topic, the mechanisms controlling initiation and evolution of localization are not fully understood yet. We investigated, experimentally and by means of numerical modelling, phenomenological and microphysical aspects of high temperature strain localization in a homogeneous body containing single and paired inclusions of weaker material. A monomineralic carbonate system composed of Carrara marble (homogeneous, strong matrix) and Solnhofen limestone (weak planar inclusions) is selected for our studies based on its versatility as an experimental material and on the frequent occurrence of carbonate rocks at the core of natural shear zones. To explore the influence of different loading conditions on heterogeneity-induced high temperature shear zones we conducted torsion experiments under constant twist (deformation) rate and constant torque (stress) conditions in a Paterson-type deformation apparatus on hollow cylinders of marble containing single planar inclusions of limestone. At the imposed experimental conditions (900 ◦C temperature and 400 MPa confining pressure) both materials deform plastically and the marble is ≈ 9 times stronger than the limestone. The viscosity contrast between the two materials induces a perturbation of the stress field within the marble matrix at the tip of the planar inclusion. Early on along the deformation path (at bulk shear strains ≈ 0.3), heterogeneous distribution of strain can be observed under both loading conditions and a small area of incipient strain localization is formed at the tip of the weak limestone inclusion. Strongly deformed grains, incipient dynamic recrystallization and a weak crystallographic preferred orientation characterize the marble within an area a few mm in front of the inclusion. As the bulk strain is increased (up to γ ≈ 1), the area of microstructural modification is expanded along the inclusion plane, the texture strengthens and grain size refinement by dynamic recrystallization becomes pervasive. Locally, evidences for coexisting brittle deformation are also observed regardless of the imposed loading conditions. A shear zone is effectively formed within the deforming Carrara marble, its geometry controlled by the plane containing the thin plate of limestone. Thorough microstructural and textural analysis, however, do not reveal substantial differences in the mechanisms or magnitude of strain localization at the different loading conditions. We conclude that, in the presence of material heterogeneities capable of inducing strain softening, the imposed loading conditions do not affect ductile localization in its nucleating and transient stages. As the ultimate goal of experimental rock deformation is the extrapolation of results to geologically relevant time and space scales, we developed 2D numerical models reproducing (and benchmarked to) our experimental results. Our cm-scaled models have been implemented with a first-order strain-dependent softening law to reproduce the effect of rheological weakening in the deforming material. We successfully reproduced the local stress concentration at the inclusion tips and the strain localization initiated in the marble matrix. The heterogeneous distribution of strain and its evolution with imposed bulk deformation (i.e. the shape and extent of the nucleating shear zone) are observed to depend on the degree of softening imposed to the deforming matrix. When a second (artificial) softening step is introduced at elevated bulk strains in the model, the formation of a secondary high strain layer is observed at the core of the initial shear zone, analogous to the development of ultramylonite bands in high strain natural shear zones. Our results do not only reproduce the nucleation and transient evolution of a heterogeneity-induced high temperature shear zone with high accuracy, but also confirm the importance of introducing reliable softening laws capable of mimicking strain weakening to numerical models of crustal scale ductile processes. Material heterogeneities inducing strain localization in the field are often consisting of brittle precursors (joints and fractures). More generally, the interaction of brittle and ductile deformation mechanisms and its effect on the localization of strain have been a key topic in the structural geology community for a long time. The positive feedback between (micro)fracturing and ductile strain localization is a well recognized effect in a number of field examples. We experimentally investigated the influence of brittle deformation on the initiation and evolution of high temperature shear zones in a strong matrix containing pairs of weak material heterogeneities. Our Carrara marble-Solnhofen limestone inclusions system was tested in triaxial compression under constant strain rate and high temperature (900 ◦C) conditions in a Paterson deformation apparatus. The inclusion pairs were arranged in non-overlapping step-over geometries of either compressional or extensional nature. Experimental runs were conducted at different confining pressures (30, 50, 100 and 300 MPa) to induce various amounts of brittle deformation within the marble matrix. At low confinement (30 and 50 MPa) abundant brittle deformation is observed in all configurations, but the spatial distribution of cracks is dependent on the kinematics of the step-over region: concentrated along the shearing plane between the inclusions in the extensional samples, or broadly distributed around the inclusions but outside the step-over region in the compressional configuration. Accordingly, brittle-assisted ductile processes tend to localize deformation along the inclusions plane in the extensional geometry or to distribute widely across large areas of the matrix in the compressional step-over. At pressures of 100 and 300 MPa fracturing is mostly suppressed in both configurations and strain is accommodated almost entirely by viscous creep. In extensional samples this leads to progressive de-localization with increasing confinement. Our results show that, while ductile localization of strain is indeed more efficient where assisted by brittle processes, these latter are only effective if themselves heterogeneously distributed, ultimately a function of the local stress perturbations.

Description: Die vorliegende Doktorarbeit umfasst Ergebnisse von zwei experimentellen und einer Modellierungsstudie. Diese befassen sich mit der Lokalisierung von duktilen Verformungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Materialeigenschaften. Die Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in unterschiedlichen Maßstäben und in einer Vielzahl von Lithologien ist ein bekanntes Merkmal der natürlichen Gesteinsdeformationen. So wird beispielsweise die Aktivität der Plattentektonik unseres Planeten durch weiträumige Scherzonen am Grund dieser Plattengrenzen verantwortlich gemacht. Dabei wird eine große Anzahl von Mechanismen mit der durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung und der Ausbildung der Lokalisierung in Verbindung gebracht. Dabei wird unter diesen Mechanismen das Vorhandensein von Materialheterogenitäten innerhalb eines Gesteins häufig als Auslöser für die Ausbildung von Scherzonen beobachtet. Obwohl bereits Studien zu diesem Thema durchgeführt wurden, sind die kontrollierenden Mechanismen, die für die Initiierung und Entwicklung der Lokalisierung zuständig sind, bis heute nicht vollumfänglich verstanden. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der vorgelegten Dissertation phänomenologische und mikrophysikalische Aspekte der Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in einem homogenen Gesteinskörper, der mit einfachen und gepaarten Inklusionen aus weicheren Material versehen wurde, experimentell und unter Hilfenahme von numerischen Modellen untersucht. Da Karbonatgesteine häufig am Ursprung natürlicher Scherzonen auftreten und diese für ihre Vielseitigkeit als Experimentiermaterial bekannt sind, wurde ein monomineralisches Karbonatsystem, bestehend aus Carrara Marmor (homogene, starke Matrix) und Solnhofen Kalkstein (schwache Inklusionen) als zu untersuchendes Probenmaterial für diese Studie gewählt. Um den Einfluss unterschiedlicher Deformationsbedingungen auf die, durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzonen im Hochtemperaturbereich zu untersuchen, wurden Torsionsexperimente bei konstanter Torsionsrate und konstantem Drehmoment in einer Paterson-Deformationsapparatur an hohlen Carrara Marmorzylindern mit einer ebenen Inklusion bestehend aus Kalkstein durchgeführt. Unter den vorgegebenen Randbedingungen (Temperatur = 900 ◦C, Manteldruck = 400 MPa) verformten sich beide Materialien plastisch, wobei die Festigkeit des Marmors in etwa dem neunfachen der Kalksteinfestigkeit entspricht. An der Spitze der ebenen Kalksteininklusion wird durch den Viskositätskontrast der beiden Materialien dadurch eine Störung des Spannungsfeldes in der Marmormatrix hervorgerufen. In der frühen Phase der Deformation (Scherverformung γ ≈ 0.3) kann eine heterogene Verteilung der Verformungen in der gesamten Probe bei beiden Experimenttypen beobachtet werden. Zusätzlich beginnt sich an der Spitze der schwächeren Kalksteininklusion ein Bereich mit lokaler Verformung in der Marmormatrix auszubilden. Dieser ist durch stark deformierte Mineralkörner, beginnende dynamische Rekristallisation und einer schwach ausgeprägten kristallographisch bevorzugten Ausrichtung innerhalb einer Fläche weniger Millimeter charakterisiert. Mit ansteigender Gesamtverformung (γ ≈ 1) erweitert sich die Fläche der mikrostrukturellen Modifikationen entlang der Inklusionsebene. Zusätzlich konnten eine verfestigte Textur und eine Verfeinerung der Korngröße aufgrund dynamischer Rekristallisation beobachtet werden. Lokale Anzeichen für eine gleichzeitige spröde Verformung konnten, unabhängig von den Deformationsbedingungen, ebenfalls festgestellt werden. Innerhalb des deformierten Marmors bildete sich eine Scherzone aus, deren Geometrie maßgeblich durch die Ebene der Kalksteininklusion kontrolliert wird. Sorgfältig durchgeführte mikrostrukturelle Analysen zeigten jedoch keine wesentlichen Unterschiede der Mechanismen oder dem Ausmaß der Lokalisierung der Verformung bei unterschiedlichen Deformationsbedingungen. Daraus lässt sich schließen, dass bei dem Vorhandensein von Materialheterogenitäten, welche eine verformungsbedingte Materialermüdung hervorrufen können, die verwendeten Deformationsbedingungen keinen Einfluss auf die Lokalisierung duktiler Deformation in ihrer Entstehung und übergangsphasen haben. Da für gewöhnlich die Durchführung von Deformationsexperimenten auf die Extrapolation der gewonnenen Ergebnisse auf geologische Zeiträume abzielt, wurden zwei- dimensionale numerische Modelle entwickelt, welche in der Lage sind die aufgenommenen experimentellen Daten zu reproduzieren und zu bewerten. Diese, auf dem Zentimetermaßstab skalierten Modelle wurden mit einem verformungsbasierten Ermüdungsgesetz erster Ordnung umgesetzt, um den Effekt der rheologischen Materialermüdung nachzubilden. Die lokale Spannungskonzentration an der Spitze der Inklusionen und die in der Marmormatrix initiierten Lokalisierung der Verformung konnten mit diesen Modellen erfolgreich reproduziert werden. Dabei wurde festgestellt, dass die heterogene Verteilung der Verformung und deren Entwicklung mit zunehmender Gesamtverformung (z.B. Form und Umfang der sich ausbildenden Scherzone) abhängig vom Grad der Ermüdung der deformierten Matrix ist. Analog zu der Entwicklung von Ultramylonitbändern in natürlichen Scherzonen mit hoher Verformung, konnte bei der Einführung eines zweites (künstlichen) Ermüdungsschritts bei erhöhter Gesamtverformung, die Ausbildung einer zweiten Schicht mit großer Verformung am Kern der initialen Scherzone beobachtet werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen der numerischen Simulationen wurde nicht nur die Ausbildung und transiente Entwicklung, der durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzone im Hochtemperaturbereich mit großer Genauigkeit reproduziert. Auch wurde die Wichtigkeit verlässliche Ermüdungsgesetze aufzustellen, die in der Lage sind die durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung im geologischen Maßstab unter Hinzunahme von numerischen Modellen nachzuahmen, bestätigt. Die durch Materialheterogenitäten hervorgerufene Lokalisierung von Verformungen in der Natur bestehen häufig aus spröden Vorläufern, wie beispielsweise Klüften und Rissen. Die Interaktion von spröden und duktilen Deformationsmechanismen im Allgemeinen und ihr Effekt auf die Lokalisierung von Verformungen sind seit langem Schlüsselthema auf dem Gebiet der Strukturgeologie. Die Kopplung von spröden Bruchprozessen mit der Lokalisierung duktiler Verformungen ist oft Gegenstand der Untersuchung in einer Vielzahl von Feldstudien. Daher wurde experimentell der Einfluss von spröder Deformation auf die Initiierung und Entwicklung von Hochtemperatur Scherzonen in einer starken Matrix mit schwächeren Materialheterogenitäten untersucht. Dafür wurden Carrara Marmor-Solnhofen Kalksteininklusions-Systeme unter triaxialen Bedingungen bei konstanter axialer Verformungsrate und hoher Temperatur (T = 900 ◦C) in einer PatersonApparatur deformiert. Dabei wurden die Inklusionen in einer übereinander liegenden, aber nicht überlappenden Geometrie so angeordnet, dass sich bei axialer Probendeformation entweder Kompression oder Dehnung in der Fläche zwischen den Inklusionen einstellt. Die Versuche wurden bei verschiedenen Manteldrücken (P = 30, 50, 100 und 300 MPa) durchgeführt, um unterschiedliche Beträge an spröder Deformation in der Marmormatrix hervorzurufen. Bei geringen Manteldrücken (P = 30 und 50 MPa) kann ein hoher Anteil an spröder Deformation in allen Probenkonfigurationen beobachtet werden. Allerdings ist die räumliche Verteilung der Risse abhängig von der Kinematik der sich übereinanderliegenden Inklusionen. Bei der Dehnungskonfiguration sind die Risse entlang der Scherfläche zwischen den Inklusionen konzentriert, während sie bei der Kompressionskonfiguration außer halb der Inklusionen weit verteilt sind. Dementsprechend neigen duktile, durch spröde unterstützte Prozesse Deformationen entlang der Inklusionsebene bei Dehnung zu lokalisieren oder sich über weite Fläche der Matrix bei Kompression zu verteilen. Bei Manteldrücken von 100 und 300 MPa ist die Risserzeugung in beiden Konfigurationen weitestgehend unterdrückt und die Verformung wird fast ausschließlich durch viskoses Kriechen akkommodiert. Mit ansteigendem Manteldruck führt das bei Proben der Dehnungskonfiguration zu fortschreitender De-Lokalisierung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lokalisierung von duktilen Verformungen effizienter ist, wenn diese durch spröde Bruchprozesse assistiert werden. Allerdings sind diese spröden Prozesse nur dann effektiv, wenn sie heterogen verteilt sind, was letztendlich eine Funktion der lokalen Spannungsstörungen ist.

Description: Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas.

Description: Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen.

Description: The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor.

Description: Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie.

Description: Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids.

Description: Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft.

Description: The foreland of the Andes in South America is characterised by distinct along strike changes in surface deformational styles. These styles are classified into two end-members, the thin-skinned and the thick-skinned style. The superficial expression of thin-skinned deformation is a succession of narrowly spaced hills and valleys, that form laterally continuous ranges on the foreland facing side of the orogen. Each of the hills is defined by a reverse fault that roots in a basal décollement surface within the sedimentary cover, and acted as thrusting ramp to stack the sedimentary pile. Thick-skinned deformation is morphologically characterised by spatially disparate, basement-cored mountain ranges. These mountain ranges are uplifted along reactivated high-angle crustal-scale discontinuities, such as suture zones between different tectonic terranes. Amongst proposed causes for the observed variation are variations in the dip angle of the Nazca plate, variation in sediment thickness, lithospheric thickening, volcanism or compositional differences. The proposed mechanisms are predominantly based on geological observations or numerical thermomechanical modelling, but there has been no attempt to understand the mechanisms from a point of data-integrative 3D modelling. The aim of this dissertation is therefore to understand how lithospheric structure controls the deformational behaviour. The integration of independent data into a consistent model of the lithosphere allows to obtain additional evidence that helps to understand the causes for the different deformational styles. Northern Argentina encompasses the transition from the thin-skinned fold-and-thrust belt in Bolivia, to the thick-skinned Sierras Pampeanas province, which makes this area a well suited location for such a study. The general workflow followed in this study first involves data-constrained structural- and density-modelling in order to obtain a model of the study area. This model was then used to predict the steady-state thermal field, which was then used to assess the present-day rheological state in northern Argentina. The structural configuration of the lithosphere in northern Argentina was determined by means of data-integrative, 3D density modelling verified by Bouguer gravity. The model delineates the first-order density contrasts in the lithosphere in the uppermost 200 km, and discriminates bodies for the sediments, the crystalline crust, the lithospheric mantle and the subducting Nazca plate. To obtain the intra-crustal density structure, an automated inversion approach was developed and applied to a starting structural model that assumed a homogeneously dense crust. The resulting final structural model indicates that the crustal structure can be represented by an upper crust with a density of 2800 kg/m³, and a lower crust of 3100 kg/m³. The Transbrazilian Lineament, which separates the Pampia terrane from the Río de la Plata craton, is expressed as a zone of low average crustal densities. In an excursion, we demonstrate in another study, that the gravity inversion method developed to obtain intra-crustal density structures, is also applicable to obtain density variations in the uppermost lithospheric mantle. Densities in such sub-crustal depths are difficult to constrain from seismic tomographic models due to smearing of crustal velocities. With the application to the uppermost lithospheric mantle in the north Atlantic, we demonstrate in Tan et al. (2018) that lateral density trends of at least 125\,km width are robustly recovered by the inversion method, thereby providing an important tool for the delineation of subcrustal density trends. Due to the genetic link between subduction, orogenesis and retroarc foreland basins the question rises whether the steady-state assumption is valid in such a dynamic setting. To answer this question, I analysed (i) the impact of subduction on the conductive thermal field of the overlying continental plate, (ii) the differences between the transient and steady-state thermal fields of a geodynamic coupled model. Both studies indicate that the assumption of a thermal steady-state is applicable in most parts of the study area. Within the orogenic wedge, where the assumption cannot be applied, I estimated the transient thermal field based on the results of the conducted analyses. Accordingly, the structural model that had been obtained in the first step, could be used to obtain a 3D conductive steady-state thermal field. The rheological assessment based on this thermal field indicates that the lithosphere of the thin-skinned Subandean ranges is characterised by a relatively strong crust and a weak mantle. Contrarily, the adjacent foreland basin consists of a fully coupled, very strong lithosphere. Thus, shortening in northern Argentina can only be accommodated within the weak lithosphere of the orogen and the Subandean ranges. The analysis suggests that the décollements of the fold-and-thrust belt are the shallow continuation of shear zones that reside in the ductile sections of the orogenic crust. Furthermore, the localisation of the faults that provide strain transfer between the deeper ductile crust and the shallower décollement is strongly influenced by crustal weak zones such as foliation. In contrast to the northern foreland, the lithosphere of the thick-skinned Sierras Pampeanas is fully coupled and characterised by a strong crust and mantle. The high overall strength prevents the generation of crustal-scale faults by tectonic stresses. Even inherited crustal-scale discontinuities, such as sutures, cannot sufficiently reduce the strength of the lithosphere in order to be reactivated. Therefore, magmatism that had been identified to be a precursor of basement uplift in the Sierras Pampeanas, is the key factor that leads to the broken foreland of this province. Due to thermal weakening, and potentially lubrication of the inherited discontinuities, the lithosphere is locally weakened such that tectonic stresses can uplift the basement blocks. This hypothesis explains both the spatially disparate character of the broken foreland, as well as the observed temporal delay between volcanism and basement block uplift. This dissertation provides for the first time a data-driven 3D model that is consistent with geophysical data and geological observations, and that is able to causally link the thermo-rheological structure of the lithosphere to the observed variation of surface deformation styles in the retroarc foreland of northern Argentina.

Description: Das Vorland der südamerikanischen Anden ist durch lateral variierende Deformationsregimes des östlichen Vorlands geprägt. Dabei treten zwei grundlegend verschiedene Endglieder mit charakteristischer Architektur auf: flach abgescherte Falten- und Überschiebungsgürtel einerseits und Vorland-Sockelüberschiebungen ("zerbrochenes Vorland") andererseits. Das morphologische Erscheinungsbild der Falten- und Überschiebungsgürtel entspricht lateral ausgedehnten, dicht aneinander gereihten Abfolgen von Hügeln und Tälern. Die Hügel werden durch eine darunter liegende Überschiebung definiert, die in einem subhorizontalen Abscherhorizont in 10 bis 20 km Tiefe endet. Sockelüberschiebungen hingegen sind in Gebieten mit geringer Sedimentmächtigkeit zu finden und sind durch weit auseinander liegende Erhebungen charakterisiert, welche von steil einfallenden, reaktivierten krustenskaligen Verwerfungen begrenzt werden. Als Ursachen der beobachteten Deformationsvariationen wurden präexistente Schwächezonen, Sedimentmächtigkeiten, Lithosphärenverdickung, Vulkanismus oder kompositionelle Eigenschaften aufgeführt. Diese Vorschläge waren überwiegend konzeptuell und meist auf Grundlage von Feldbeobachtungen oder synthetischen numerischen, thermo-mechanischen Modelle abgeleitet. Die vorliegende Dissertation beleuchtet zum ersten mal die Ursachen der beobachteten Deformationsstile aus der Perspektive von dreidimensionaler, Daten-integrativer Modellierung. Durch die Integration voneinander unabhängiger Daten erlaubt diese Art der Beschreibung des physikalischen Zustands der Lithosphäre die Erlangung zusätzliche Hinweise auf die zugrundeliegenden Ursachen der verschiedenen Derformationsregimes. Für eine solche Studie bietet sich Nord-Argentinien an, da dort beide Vorland-Endglieder vorzufinden sind. Die dafür im wesentlichen durchgeführten Arbeitsschritte beinhalten die Erstellung eines strukturellen Dichtemodells des Untersuchungsgebiets, die Berechnung des 3D stationären thermischen Feldes, sowie die Analyse der rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre. Das datenbasierte strukturelle Dichtemodell ist mit verschiedenen geologischen und geophysikalischen Beobachtungen sowie dem Bouguer-Schwerefeld konsistent. Dieses Modell bildet die primären Dichtekontraste der oberen 200 km der Lithosphäre ab und differenziert Körper für die Sedimente, die kristalline Kruste, den lithosphärischen Mantel, und die subduzierende Nazca-Platte. Um die krusteninterne Dichteverteilung zu erhalten wurde ein automatisierter Inversionsprozess entworfen der es erlaubt eine leichtere Oberkruste und eine schwerere Unterkruste geometrisch zu definieren. Die Modellierung zeigt, dass die Kruste in Nord-Argentinien durch eine leichtere Oberkruste (2800 kg/m³) und eine dichtere Unterkruste (3100 kg/m³) repräsentiert werden kann. Das Transbrasilianische Linement, welches das Pampia Terran im Westen vom Río de La Plata Kraton im Osten trennt, ist durch eine im Vergleich zur Umgebung geringere durchschnittliche Krustendichte charakterisiert. In einem Exkurs wird anschließend demonstriert, dass die hier entwickelte Inversionsmethodik zur Ermittlung von intrakrustalen Dichtekontrasten auch im obersten lithosphärischen Mantel angewandt werden kann. Dichten zwischen der Kruste-Mantel-Grenze und etwa 50\,km Tiefe sind besonders schwer zu bestimmen, da tomographische Modelle die Geschwindigkeitsvariationen von seismischen Wellen in diesen Bereichen nicht auflösen. In Tan u.a. (2018) demonstrieren wir, dass die Inversionsmethode Dichteverläufe mit einer lateralen Ausdehnung von 125 km oder weniger ermitteln kann, und somit einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung von subkrustalen Dichteverteilungen im Mantel liefert. Wegen der genetischen Verbindung zwischen Subduktion, Orogenese und Retroarc Vorlandbecken stellt sich die Frage, ob die Annahme eines stationären thermischen Feldes für solch ein dynamisches Modelliergebiet zulässig ist. Um diese Frage zu beantworten wurde zum einen der Einfluss von Subduktion auf das konduktive thermische Feld auf die kontinentale Lithosphäre untersucht. Zum anderen wurde die Abweichung zwischen transientem und stationären thermischen Feld eines gekoppelten geodynamischen Modells untersucht. Beide Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Annahme eines stationären thermischen Felds für den Großteil des Modelliergebiets zulässig ist. Im orogenen Keil, in dem diese Annahme nicht gilt, wurde das transiente thermische Feld mithilfe der erfolgten Untersuchungen abgeschätzt. Entsprechend kann für das Arbeitsgebiet im Vorland das strukturelle Modell aus dem ersten Schritt zur Berechnung des stationären 3D konduktiven thermischen Feldes herangezogen werden. Basierend auf der ermittelten Dichte- und Temperatur-Konfigurationen konnte anschließend die rheologische Konfiguration berechnet werden. Die rheologischen Analysen zeigen, dass die Lithosphäre in Falten- und Überschiebungsgürteln nur eine gerine Festigkeit besitzt und die Kruste Großteil zur integrierten Festigkeit beiträgt. Das benachbarte Vorlandbecken jedoch weist eine vollständig gekoppelte und starke Lithosphäre auf, weshalb Krustenverkürzung nur im vergleichsweise schwachen orogenen Keil aufgenommen werden kann. Daher komme ich zu der Schlussfolgerung, dass die Abscherhorizonte der Falten- und Überschiebungsgürtel die oberflächennahe Fortsetzung von Scherzonen in der duktilen Kruste unterhalb des Orogens sind. Die Lokalisation der Transferzonen zwischen der duktilen Kruste und dem Abscherhorizont sind dabei maßgeblich durch präexistente Schwächezonen in der Kruste beeinflusst. Im zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas ist die Lithosphäre vollständig gekoppelt und durch einen Mantel hoher Festigkeit charakterisiert. Die sehr hohe integrierte lithosphärische Festigkeit des zerbrochenen Vorlands verhindert die Bildung von Störungen durch tektonische Kräfte. Selbst krustenskalige Schwächezonen können die Festigkeit nicht ausreichend reduzieren, weshalb eine thermische Schwächung benötigt wird. Daher spielt der Magmatismus, der in direkter Nachbarschaft zu den Schwächezonen in der Sierras Pampeanas nachgewiesen wurde, eine Schlüsselrolle in der Entstehung des zerbrochenen Vorlands. Diese Hypothese erklärt die große räumliche Distanz zwischen den Vorlandsockelüberschiebungen, sowie die beobachtete zeitliche Verzögerung zwischen Magmatismus und Hebung der Gebirgskämme. Die vorliegende Studie kann somit aufgrund Daten-integrativer Modellierung einen kausalen Zusammenhang zwischen der Lithosphärenstruktur, den beobachteten Deformationsmechanismen und unabhängigen geologischen Beobachtungen herstellen.

Description: Arctic tundra ecosystems are experiencing warming twice the global average and Arctic vegetation is responding in complex and heterogeneous ways. Shifting productivity, growth, species composition, and phenology at local and regional scales have implications for ecosystem functioning as well as the global carbon and energy balance. Optical remote sensing is an effective tool for monitoring ecosystem functioning in this remote biome. However, limited field-based spectral characterization of the spatial and temporal heterogeneity limits the accuracy of quantitative optical remote sensing at landscape scales. To address this research gap and support current and future satellite missions, three central research questions were posed: ? Does canopy-level spectral variability differ between dominant low Arctic vegetation communities and does this variability change between major phenological phases? ? How does canopy-level vegetation colour images recorded with high and low spectral resolution devices relate to phenological changes in leaf-level photosynthetic pigment concentrations? ? How does spatial aggregation of high spectral resolution data from the ground to satellite scale influence low Arctic tundra vegetation signatures and thereby what is the potential of upcoming hyperspectral spaceborne systems for low Arctic vegetation characterization? To answer these questions a unique and detailed database was assembled. Field-based canopy-level spectral reflectance measurements, nadir digital photographs, and photosynthetic pigment concentrations of dominant low Arctic vegetation communities were acquired at three major phenological phases representing early, peak and late season. Data were collected in 2015 and 2016 in the Toolik Lake Research Natural Area located in north central Alaska on the North Slope of the Brooks Range. In addition to field data an aerial AISA hyperspectral image was acquired in the late season of 2016. Simulations of broadband Sentinel-2 and hyperspectral Environmental and Mapping Analysis Program (EnMAP) satellite reflectance spectra from ground-based reflectance spectra as well as simulations of EnMAP imagery from aerial hyperspectral imagery were also obtained. Results showed that canopy-level spectral variability within and between vegetation communities differed by phenological phase. The late season was identified as the most discriminative for identifying many dominant vegetation communities using both groundbased and simulated hyperspectral reflectance spectra. This was due to an overall reduction in spectral variability and comparable or greater differences in spectral reflectance between vegetation communities in the visible near infrared spectrum. Red, green, and blue (RGB) indices extracted from nadir digital photographs and pigmentdriven vegetation indices extracted from ground-based spectral measurements showed strong significant relationships. RGB indices also showed moderate relationships with chlorophyll and carotenoid pigment concentrations. The observed relationships with the broadband RGB channels of the digital camera indicate that vegetation colour strongly influences the response of pigment-driven spectral indices and digital cameras can track the seasonal development and degradation of photosynthetic pigments. Spatial aggregation of hyperspectral data from the ground to airborne, to simulated satellite scale was influenced by non-photosynthetic components as demonstrated by the distinct shift of the red edge to shorter wavelengths. Correspondence between spectral reflectance at the three scales was highest in the red spectrum and lowest in the near infrared. By artificially mixing litter spectra at different proportions to ground-based spectra, correspondence with aerial and satellite spectra increased. Greater proportions of litter were required to achieve correspondence at the satellite scale. Overall this thesis found that integrating multiple temporal, spectral, and spatial data is necessary to monitor the complexity and heterogeneity of Arctic tundra ecosystems. The identification of spectrally similar vegetation communities can be optimized using nonpeak season hyperspectral data leading to more detailed identification of vegetation communities. The results also highlight the power of vegetation colour to link ground-based and satellite data. Finally, a detailed characterization non-photosynthetic ecosystem components is crucial for accurate interpretation of vegetation signals at landscape scales.

Description: Die arktische Erwärmung beeinflusst Produktivität, Wachstums, Artenzusammensetzung, Phänologie und den Reproduktionserfolg arktischer Vegetation, mit Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen sowie auf den globalen Kohlenstoff- und Energiehaushalt. Feldbasierte Messungen und spektrale Charakterisierungen der räumlichen und zeitlichen Heterogenität arktischer Vegetationsgemeinschaften sind limitiert und die Genauigkeit fernerkundlicher Methoden im Landschaftsmaßstab eingeschränkt. Um diese Forschungslücke zu schließen und aktuelle und zukünftige Satellitenmissionen zu unterstützen, wurden drei zentrale Forschungsfragen entwickelt: 1) Wie unterscheidet sich die spektrale Variabilität des Kronendaches zwischen dominanten Vegetationsgemeinschaften der niederen Arktis und wie verändert sich diese Variabilität zwischen den wichtigsten phänologischen Phasen? 2) Wie hängen Aufnahmen der Vegetationsfarbe des Kronendaches von hoch und niedrig auflösenden Geräten mit phänologischen Veränderungen des photosynthetischen Pigmentgehalts auf Blattebene zusammen? 3) Wie beeinflusst die räumliche Aggregation von Daten mit hoher spektraler Auflösung von der Boden- bis zur Satelliten-Skala die arktischen Vegetationssignale der Tundra und welches Potenzial haben zukünftige hyperspektraler Satellitensysteme für die arktische Vegetationscharakterisierung? Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine detaillierte Datenbank aus feldbasierten Daten erstellt und mit hyperspektralen Luftbildern sowie multispektralen Sentinel-2 und simulierten hyperspektralen EnMAP Satellitendaten verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spätsai-son am besten geeignet ist um dominante Vegetationsgemeinschaften mit Hilfe von hyper-spektralen Daten zu identifizieren. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die mit handelsüb-lichen Digitalkameras aufgenommene Vegetationsfarbe pigmentgesteuerte Spektralindizes stark beeinflusst und den Verlauf von photosynthetischen Pigmenten nachverfolgen kann. Die räumliche Aggregation hyperspektraler Daten von der Boden- über die Luft- zur Satelli-tenskala wurde durch nicht-photosynthetische Komponenten beeinflusst und die spektralen Reflexionsvermögen der drei Skalen stimmten im roten Spektrum am höchsten und im nahen Infrarotbereich am niedrigsten überein. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Integration zeitlicher, spektraler und räumlicher Daten notwendig ist, um Komplexität und Heterogenität arktischer Vegetationsreaktionen in Reaktion auf klimatische Veränderungen zu überwachen.

Description: Tectonic and climatic boundary conditions determine the amount and the characteristics (size distribution and composition) of sediment that is generated and exported from mountain regions. On millennial timescales, rivers adjust their morphology such that the incoming sediment (Qs,in) can be transported downstream by the available water discharge (Qw). Changes in climatic and tectonic boundary conditions thus trigger an adjustment of the downstream river morphology. Understanding the sensitivity of river morphology to perturbations in boundary conditions is therefore of major importance, for example, for flood assessments, infrastructure and habitats. Although we have a general understanding of how rivers evolve over longer timescales, the prediction of channel response to changes in boundary conditions on a more local scale and over shorter timescales remains a major challenge. To better predict morphological channel evolution, we need to test (i) how channels respond to perturbations in boundary conditions and (ii) how signals reflecting the persisting conditions are preserved in sediment characteristics. This information can then be applied to reconstruct how local river systems have evolved over time. In this thesis, I address those questions by combining targeted field data collection in the Quebrada del Toro (Southern Central Andes of NW Argentina) with cosmogenic nuclide analysis and remote sensing data. In particular, I (1) investigate how information on hillslope processes is preserved in the 10Be concentration (geochemical composition) of fluvial sediments and how those signals are altered during downstream transport. I complement the field-based approach with physical experiments in the laboratory, in which I (2) explore how changes in sediment supply (Qs,in) or water discharge (Qw) generate distinct signals in the amount of sediment discharge at the basin outlet (Qs,out). With the same set of experiments, I (3) study the adjustments of alluvial channel morphology to changes in Qw and Qs,in, with a particular focus in fill-terrace formation. I transfer the findings from the experiments to the field to (4) reconstruct the evolution of a several-hundred meter thick fluvial fill-terrace sequence in the Quebrada del Toro. I create a detailed terrace chronology and perform reconstructions of paleo-Qs and Qw from the terrace deposits. In the following paragraphs, I summarize my findings on each of these four topics. First, I sampled detrital sediment at the outlet of tributaries and along the main stem in the Quebrada del Toro, analyzed their 10Be concentration ([10Be]) and compared the data to a detailed hillslope-process inventory. The often observed non-linear increase in catchment-mean denudation rate (inferred from [10Be] in fluvial sediment) with catchment-median slope, which has commonly been explained by an adjustment in landslide-frequency, coincided with a shift in the main type of hillslope processes. In addition, the [10Be] in fluvial sediments varied with grain-size. I defined the normalized sand-gravel-index (NSGI) as the 10Be-concentration difference between sand and gravel fractions divided by their summed concentrations. The NSGI increased with median catchment slope and coincided with a shift in the prevailing hillslope processes active in the catchments, thus making the NSGI a potential proxy for the evolution of hillslope processes over time from sedimentary deposits. However, the NSGI recorded hillslope-processes less well in regions of reduced hillslope-channel connectivity and, in addition, has the potential to be altered during downstream transport due to lateral sediment input, size-selective sediment transport and abrasion. Second, my physical experiments revealed that sediment discharge at the basin outlet (Qs,out) varied in response to changes in Qs,in or Qw. While changes in Qw caused a distinct signal in Qs,out during the transient adjustment phase of the channel to new boundary conditions, signals related to changes in Qs,in were buffered during the transient phase and likely only become apparent once the channel is adjusted to the new conditions. The temporal buffering is related to the negative feedback between Qs,in and channel-slope adjustments. In addition, I inferred from this result that signals extracted from the geochemical composition of sediments (e.g., [10Be]) are more likely to represent modern-day conditions during times of aggradation, whereas the signal will be temporally buffered due to mixing with older, remobilized sediment during times of channel incision. Third, the same set of experiments revealed that river incision, channel-width narrowing and terrace cutting were initiated by either an increase in Qw, a decrease in Qs,in or a drop in base level. The lag-time between the external perturbation and the terrace cutting determined (1) how well terrace surfaces preserved the channel profile prior to perturbation and (2) the degree of reworking of terrace-surface material. Short lag-times and well preserved profiles occurred in cases with a rapid onset of incision. Also, lag-times were synchronous along the entire channel after upstream perturbations (Qw, Qs,in), whereas base-level fall triggered an upstream migrating knickzone, such that lag-times increased with distance upstream. Terraces formed after upstream perturbations (Qw, Qs,in) were always steeper when compared to the active channel in new equilibrium conditions. In the base-level fall experiment, the slope of the terrace-surfaces and the modern channel were similar. Hence, slope comparisons between the terrace surface and the modern channel can give insights into the mechanism of terrace formation. Fourth, my detailed terrace-formation chronology indicated that cut-and-fill episodes in the Quebrada del Toro followed a ~100-kyr cyclicity, with the oldest terraces ~ 500 kyr old. The terraces were formed due to variability in upstream Qw and Qs. Reconstructions of paleo-Qs over the last 500 kyr, which were restricted to times of sediment deposition, indicated only minor (up to four-fold) variations in paleo-denudation rates. Reconstructions of paleo-Qw were limited to the times around the onset of river incision and revealed enhanced discharge from 10 to 85% compared to today. Such increases in Qw are in agreement with other quantitative paleo-hydrological reconstructions from the Eastern Andes, but have the advantage of dating further back in time.

Description: Tektonische und klimatische Bedingungen bestimmen die Menge, Größenverteilung und Zusammensetzung von Sedimenten, welche in Gebirgsregionen produziert und von dort exportiert werden. Über Jahrtausende hinweg passen Flüsse ihre Morphologie an, um den Sedimenteintrag (Qs,in) mit dem verfügbaren Wasserabfluss (Qw) flussabwärts zu transportieren. Änderungen in den klimatischen oder tektonischen Randbedingungen lösen flussabwärts eine Anpassung der Flussmorphologie aus. Ein besseres Verständnis darüber, wie sensitiv Flüsse auf Perturbationen in den Randbedingungen reagieren, ist entscheidend, um beispielsweise Überflutungspotential besser abschätzen zu können. Obwohl wir generell ein gutes Verständnis für die Entwicklung von Flüssen auf langen Zeitskalen haben, können wir durch veränderte Randbedingungen ausgelöste Flussdynamiken lokal und auf kurzen Zeitskalen nur schwer vorhersagen. Um die Entwicklung der Flussmorphologie besser zu verstehen, beziehungsweise vorhersagen zu können, müssen wir testen, (1) wie Flüsse auf veränderte Randbedingungen reagieren und (2) wie Signale, welche die vorherschenden Bedingungen reflektieren, in Sedimenten konserviert werden. Diese Informationen können wir nutzen, um die Entwicklung von lokalen Flusssystemen zu rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit adressiere ich diese Fragen durch die Analyse von kosmogenen Nukleiden und Fernerkundungsdaten in der Quebrada del Toro (südliche Zentralanden in NW Argentinien). Insbesondere untersuche ich, wie (1) Informationen über Hangprozesse in der 10Be Konzentration (geochemische Zusammensetzung) von Flusssedimenten gespeichert werden und wie diese Signale durch den Transport flussabwärts überprägt werden. Ich ergänze diesen geländebasierten Ansatz mit physikalischen Experimenten im Labor, mit welchen ich untersuche, wie (2) Veränderungen in der Sedimentzufuhr (Qs,in) oder der Abflussmenge (Qw) eindeutige Signale in der Menge an Sedimentaustrag (Qs,out) am Beckenauslass generieren. Mit denselben Experimenten untersuche ich (3) die Anpassung der Flussmorphologie auf Veränderungen in Qw und Qs,in mit einem speziellen Fokus auf der Entstehung von Flussterrassen. Ich übertrage die Erkenntnisse von den Experimenten ins Gelände und (4) rekonstruiere die Entstehung von einer mehreren hundert Meter mächtigen Terrassensequenz in der Quebrada del Toro. Ich erstelle eine detaillierte Terrassenchronologie und führe mit Hilfe der Terrassenablagerungen Rekonstruktion von Qs und Qw für die Vergangenheit durch. In den folgenden Paragraphen fasse ich meine Ergebnisse zu den vier Forschungsschwerpunkten dieser Arbeit zusammen. Erstens habe ich Flusssedimente an den Mündungen von Nebenflüssen, sowie entlang des Hauptflusses in der Quebrada del Toro beprobt, die jeweilige 10Be Konzentration ([10Be]) bestimmt und die Daten mit einem detaillierten Hangprozess-Inventar verglichen. Der häufig beobachtete, nicht-lineare Anstieg der durchschnittlichen Denudationsrate des Einzugsgebietes (abgeleitet aus der [10Be] der Flusssedimente) mit der Hangneigung eines Einzugsgebietes fiel mit einer Verschiebung der wesentlichen, aktiven Hangprozesse zusammen. Zusätzlich variierte die [10Be] der Flusssedimente mit den Korngrößen. Ich habe den normalisierten Sand-Schotter-Index (NSGI) definiert, welcher sich aus der Differenz der [10Be] zwischen der Sand- und der Kiesfraktion, geteilt durch ihre summierte Konzentration, berechnet. Der NSGI stieg mit dem Median der Hangneigung eines Einzugsgebietes und fiel wiederum mit einer Verschiebung der vorherrschenden Hangprozesse im jeweiligen Einzugsgebiet zusammen. Diese Beobachtung qualifiziert den NSGI als einen potentiellen Proxy, um die Entwicklung von Hangprozessen über die Zeit aus Sedimentablagerungen zu rekonstruieren. Es ist jedoch einzuschränken, dass der NSGI durch den Transport flussabwärts auf Grund von temporärer Sedimentablagerung, lateraler Sedimentzufuhr, größenselektivem Sedimenttransport und Abrasion überprägt werden kann. Zweitens haben die Laborexperimente gezeigt, dass der Sedimentaustrag am Beckenauslass (Qs,out) auf Grund von Veränderungen in Qs,in oder Qw variiert. Während Veränderungen in Qw ein eindeutiges Signal in Qs,out während der transienten Anpassungsphase des Flusses an die neuen Randbedingungen hervorriefen, wurden durch Qs,in ausgelöste Signale während der transienten Anpassungsphase gepuffert. Sie werden vermutlich erst sichtbar, nachdem der Fluss sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. Das zeitliche Puffern ist mit der negativen Rückkopplung zwischen Qs,in und dem Flussgradienten zu erklären. Zusätzlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich Signale, welche in der geochemischen Zusammenstzung von Sediment gespeichert sind (z.B. [10Be]), in Phasen der Flussaufschotterung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit die heutigen Bedingungen repräsentieren. Dagegen sind Signale in Zeiten der Flusseinschneidung aufgrund von Mischung mit älteren, remobilisierten Sedimenten gepuffert. Drittens haben dieselben Experimente gezeigt, dass Flusseinschneidung, Flussbettverengung sowie Terrassenbildung entweder durch eine Zunahme an Qw, eine Abnahme in Qs,in oder durch ein Absinken der Flussbasis initiiert werden konnte. Die Zeitverzögerung zwischen der Perturbation der Randbedingungen und der Terrassenformation bestimmt (1) wie gut Terrassenoberflächen das Flussprofil vom Zeitpunkt unmittelbar vor der Störung representieren und (2) den Grad an Umschichtung des Terrassenoberflächenmaterials. Kurze Verzögerungszeiten und gut erhaltende Profile konnten in Fällen eines schnellen Einsetzens der Flusseinschneidung beobachtet werden. Außerdem waren die Verzögerungszeiten entlang des Flusslaufes synchron im Falle einer Perturbation im Flussoberlauf (Qw, Qs,in), während ein Abfallen der Flussbasis einen flussaufwärts migrierenden Knickpunkt ausgelöst hat, sodass die Verzögerungszeiten in flussaufwärts Richtung zunahmen. Terrassen, welche durch Perturbationen im Flussoberlauf (Qw, Qs,in) gebildet wurden, waren steiler im Vergleich zum aktiven Fluss, nachdem dieser sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. In dem Experiment, bei welchem die Flussbasis abgesenkt wurde, waren die Neigung der Terrassenoberflächen und des aktiven Flussesbettes ähnlich. Daher können Vergleiche zwischen der Neigung der Terrassenoberflächen mit dem aktiven Flussbett auf den Mechanismus der Terrassenformation hinweisen. Viertens hat die detaillierte Terrassenchronologie gezeigt, dass die Einschneide-und-Ablagerungsepisoden in der Quebrada del Toro einem ~100 ka Zyklus folgen, beginnend mit der ersten Terrasse vor ca. 500 ka. Die Terrassen wurden durch Variabilität in Qw und Qs,in gebildet. Rekonstruktionen von Qs über die letzten 500 ka, beschränkt auf die Zeiten von Sedimentablagerung, zeigten eine eher geringe Variabilität (maximal vierfach) in Denudationsraten an. Rekonstruktionen des Abflusses waren beschränkt auf die Zeitpunkte um das Einsetzen der Flusseinschneidung herum und deuteten auf vermehrten Abfluss zwischen 10 und 85% im Vergleich zu heutigen Bedingungen hin. Vermehrter Abfluss in dieser Größenordnung stimmt mit anderen quantitativen Rekonstruktionen zur Hydrologie der Ost-Anden überein, diese Methode hat jedoch den Vorteil, dass sie zeitlich weiter zurück reicht.

Description: Salt pans also termed playas are common landscape features of hydrologically closed basins in arid and semiarid zones, where evaporation significantly exceeds the local precipitation. The analysis and monitoring of salt pan environments is important for the evaluation of current and future impact of these landscape features. Locally, salt pans have importance for the ecosystem, wildlife and human health, and through dust emissions they influence the climate on regional and global scales. Increasing economic exploitation of these environments in the last years, e.g. by brine extraction for raw materials, as well as climate change severely affect the water, material and energy balance of these systems. Optical remote sensing has the potential to characterise salt pan environments and to increase the understanding of processes in playa basins, as well as to assess wider impacts and feedbacks that exist between climate forcing and human intervention in their regions. Remote sensing techniques can provide information for extensive regions on a high temporal basis compared to traditional field samples and ground observations. Specifically, for salt pans that are often challenging to study because of their large size, remote location, and limited accessibility due to missing infrastructure and ephemeral flooding. Furthermore, the availability of current and upcoming hyperspectral remote sensing data opened the opportunity for the analyses of the complex reflectance signatures that relate to the mineralogical mixtures found in the salt pan sediments. However, these new advances in sensor technology, as well as increased data availability currently have not been fully explored for the study of salt pan environments. The potential of new sensors needs to be assessed and state of the art methods need to be adapted and improved to provide reliable information for in depth analysis of processes and characterisation of the recent condition, as well as to support long-term monitoring and to evaluate environmental impacts of changing climate and anthropogenic activity. This thesis provides an assessment of the capabilities of optical remote sensing for the study of salt pan environments that combines the information of hyperspectral data with the increased temporal coverage of multispectral observations for a more complete understanding of spatial and temporal complexity of salt pan environments using the Omongwa salt pan located in the southwest Kalahari as a test site. In particular, hyperspectral data are used for unmixing of the mineralogical surface composition, spectral feature-based modelling for quantification of main crust components, as well as time-series based classification of multispectral data for the assessment of the long-term dynamic and the analysis of the seasonal process regime. The results show that the surface of the Omongwa pan can be categorized into three major crust types based on diagnostic absorption features and mineralogical ground truth data. The mineralogical crust iv types can be related to different zones of surface dynamic as well as pan morphology that influences brine flow during the pan inundation and desiccation cycles. Using current hyperspectral imagery, as well as simulated data of upcoming sensors, robust quantification of the gypsum component could be derived. For the test site the results further indicate that the crust dynamic is mainly driven by flooding events in the wet season, but it is also influenced by temperature and aeolian activity in the dry season. Overall, the scientific outcomes show that optical remote sensing can provide a wide range of information helpful for the study of salt pan environments. The thesis also highlights that remote sensing approaches are most relevant, when they are adapted to the specific site conditions and research scenario and that upcoming sensors will increase the potential for mineralogical, sedimentological and geomorphological analysis, and will improve the monitoring capabilities with increased data availability.

Description: The branch of seismology that deals with strong motion refers to seismic events that are hazardous to society in general.Two aspects drive the development in strong-motion seismology: First comes the societal need to understand the earth-quake hazard and to mitigate the associated risk. While the hazard changed little during human history, the risk in-creases steadily. A growing population—also in the most earthquake-prone regions of the world—and a more and morevulnerable infrastructure contribute to higher exposure to seismic events and higher vulnerability in case an earthquakestruck. The second driver in strong-motion seismology is shared with many other fields: the technological advancement.The available options for processing more and more data is unprecedented in human history and are still not exhausted.Both drivers also pose new challenges as in how to interpret and make use of the data.The scientific question, on the other hand, is clear: What can we learn from the rupture process (the source of earth-quakes), Earth’s structure (the medium through which seismic wave travels), and their interactions (how does an earth-quake affect its surrounding medium)? The question is broad and this thesis can focus only for specific aspects of thisquestion and provide answers for them. To reach the answers, I developed several new algorithms and models, all rootedin the concept of the likelihood function.Seismicity (and population alike) is concentrated along the tectonic plate boundaries. Different earthquake typesoccur at these boundaries and their characteristics in terms of ground shaking are considerably different. It is thereforeimportant to classify earthquakes according to their style of faulting. This classification is the objective of ACE (angularclusterization with expectation-maximization). Founded on the geomechanical principles, ACE provides earthquakeclassifications which can be applied not only for ground-motion related topics but also to study the Earth’s stress field.The development of reliable ground-motion models requires waveform data of high quality. Instrument related errorscan compromise the data quality, however, with large archives of waveform data, the correction for spurious s cannot behandled manually anymore. To alleviate the effect of instrument related data shifts, I developed the integrated combinedbaseline modification (ICBM). This routine is implemented during the data pre-processing and is particularly necessarywhen determining integrated quantities from acceleration records, such as coseismic displacement and radiated seismicenergy.Radiated seismic energy plays a major role in the development of a new type of ground-motion model that uses thesite-dependent energy estimates to model the seismic radiation pattern at lower frequencies of the earthquake amplitudespectrum. This kind of ground-motion model performs better when relating ground motion to earthquake triggeredlandslides, which is demonstrated with the landslides triggered by the 2016MW7.1 Kumamoto earthquake which struckcentral Kyushu (Japan). In this case study, it is also shown that the landslide movement direction is to some extent linkedto the seismic wave polarization.The preferred mathematical model in ground-motion model development is the mixed-effect model. However, themost widely used formalism does not allow data weighting beyond directly related measurement errors and weightsderived from ACE would inadvertently bias the model. To overcome this problem, I derived the model estimators onthe basis of the weighted likelihood. The derivation is exhaustive to allow for any of the currently used model types onthe basis of mixed effects to be augmented with data weighting. This formalism in connection with ACE allows for atransparent model development and also avoids model choices on subjective expert judgment

Description: Der Teil der Seismologie, der sich mit starker Bodenbewegung beschäftigt, bezieht sich auf seismische Ereignisse, dieallgemein ein Gefahrenpotenzial für die Gesellschaft darstellen. Die Seismologie der starken Bodenbewegung wird vonzwei Aspekten angetrieben: An erster Stelle kommt die gesellschaftliche Notwendigkeit, die Erdbebengefährdung zuverstehen und das damit verbundene Risiko zu vermeiden. Während die Gefährdung durch Erdbeben kaum Änderun-gen in der Geschichte der Menschheit unterlag, so wächst das Risiko andererseits kontinuierlich an. Eine wachsendeBevölkerung, insbesondere in den am stärksten von Erdbeben geprägten Regionen der Welt, und eine mehr und mehrstörungsanfällige Infrastruktur, tragen dazu bei, seismische Ereignissen vermehrt ausgesetzt zu sein, bei gleichzeitighöherem Schadenspotenzial. Der zweite Antrieb in der Seismologie wird mit vielen anderen Forschungsfeldern geteilt:der technische Fortschritt. Die verfügbaren Möglichkeiten beim Verarbeiten immer größerer Datenmengen sindbeispiellos in der Geschichte und sind bisher noch nicht erschöpft. Beide Triebfedern stellen aber auch neue Heraus-forderungen dar, inwiefern die Daten zu interpretieren sind und wie man sie nutzbar macht.Andererseits ist die wissenschaftliche Frage klar: Was können wir aus Bruchprozessen (als Erdbebenursachen), demAuf bau der Erde (als Medium, durch welches sich die seismischen Wellen ausbreiten), sowie deren Interaktion (inwiefernbeeinflusst das Beben das umgebende Gesteinsmedium)? Diese Frage ist breit gestellt und diese Abhandlung kann sichletztlich nur auf einige Punkte beziehen und Antworten dazu liefern. Um Antworten zu finden, habe ich mehrere neueAlgorithmen und Modelle entwickelt, die allesamt auf dem Konzept der Likelihood-Funktion beruhen.Seismizität (sowie auch die Bevölkerung) ist stark an den Rändern der tektonischen Platten konzentriert. An denPlattenrändern treten verschiedene Erdbebentypen mit teils erheblich abweichenden Eigenschaften auf. Daher ist esvon Wichtigkeit, Erdbeben nach ihrem Verwerfungstyp zu klassifizieren. Das Ziel von ACE (angular clusterization withexpectation-maximization, zu dt. ungefähr Winkelgruppenbestimmung mit Erwartungswertmaximierung) ist genaudiese Klassifizierung. Auf geomechanischen Prinzipien basierend, können die Erdbebenklassifizierungen mittels ACEnicht nur auf Themen der Bodenbewegungen angewandt werden, sondern auch zur Untersuchung des Spannungsfeldesder Erde herangezogen werden.Der Entwicklung von verlässlichen Bodenbewegungsmodellen bedarf es Wellenformdaten hoher Güte. Instrumentenbezogene Fehler können die Qualität beeinträchtigen, jedoch ist eine manuelle Korrektur großer Datenmengen nichtmehr umsetzbar. Um Instrumentenfehler, die sich in Verschiebungen in den Daten zeigen, zu reduzieren, habe icheine Nulllinienkorrektur entwickelt (ICBM, integrated combined baseline modification, zu dt. integriert kombinierteNulllinienmodifikation). Dieser Algorithmus wird in der Datenvorbereitung eingesetzt und ist insbesondere dannnotwendig, wenn integrierte Größen auf Grundlage von Beschleunigungsdaten bestimmt werden, wie statischer Ver-satz eines Erdbebens als auch abgestrahlte seismische Energie.Abgestrahlte seismische Energie spielt eine herausragende Rolle in der Entwicklung einer neuen Art von Bodenbewe-gungsmodell, welches anstellen von Magnituden stationsabhängige Energieabschätzungen nutzt, um die Erdbebenab-strahlcharakteristik auf tieferen Frequenzen des Erdbebenspektrums zu beschreiben. Diese Art Bodenbewegungsmodellist besser geeignet, wenn Bodenbewegungen in Bezug zu Hangrutschungen, welche durch Erdbeben verursacht wur-den, gesetzt werden. Als Beispiel dienen hier die Hangrutschungen, die 2016 durch das Erdbeben in Zentralkyuschu(Japan) mit einer Momentenmagnitude von 7.1 verursacht wurden. In dieser Fallstudie wird auch aufgezeigt, wie dieBewegungsrichtung der Hangrutschungen zu einem gewissen Grad durch die Ausrichtung des seismischen Wellenfeldesbeeinflusst werden.Das bevorzugte mathematische Modell in der Seismologie zur Beschreibung starker Bodenbewegungen ist das gemis-chte Modell. Jedoch lässt der weitläufig angewendete Formalismus nur die Einbettung von Gewichten in Form vonMessunsicherheiten zu. Gewichte wie sie von ACE erzeugt werden, die in keinem direkten Bezug zur Messgröße stehen,liefern zwangsläufig verzerrte Ergebnisse. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich Parameterschätzer auf Basis einergewichteten Likelihood hergeleitet. Die rigorose Herleitung erlaubt sämtliche Arten des gemischten Modells, wie siezur Beschreibung von Bodenbewegungen genutzt werde, mit Datengewichtungen zu kombinieren. Dieser Formalis-mus in Verbindung mit ACE erlaubt die Entwicklung nachvollziehbarer Modelle und vermeidet Entscheidungen aufsubjektiver Expertenmeinung.

Description: The Earth's inner magnetosphere is a very dynamic system, mostly driven by the external solar wind forcing exerted upon the magnetic field of our planet. Disturbances in the solar wind, such as coronal mass ejections and co-rotating interaction regions, cause geomagnetic storms, which lead to prominent changes in charged particle populations of the inner magnetosphere - the plasmasphere, ring current, and radiation belts. Satellites operating in the regions of elevated energetic and relativistic electron fluxes can be damaged by deep dielectric or surface charging during severe space weather events. Predicting the dynamics of the charged particles and mitigating their effects on the infrastructure is of particular importance, due to our increasing reliance on space technologies. The dynamics of particles in the plasmasphere, ring current, and radiation belts are strongly coupled by means of collisions and collisionless interactions with electromagnetic fields induced by the motion of charged particles. Multidimensional numerical models simplify the treatment of transport, acceleration, and loss processes of these particles, and allow us to predict how the near-Earth space environment responds to solar storms. The models inevitably rely on a number of simplifications and assumptions that affect model accuracy and complicate the interpretation of the results. In this dissertation, we quantify the processes that control electron dynamics in the inner magnetosphere, paying particular attention to the uncertainties of the employed numerical codes and tools. We use a set of convenient analytical solutions for advection and diffusion equations to test the accuracy and stability of the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code. We show that numerical schemes implemented in the code converge to the analytical solutions and that the VERB-4D code demonstrates stable behavior independent of the assumed time step. The order of the numerical scheme for the convection equation is demonstrated to affect results of ring current and radiation belt simulations, and it is crucially important to use high-order numerical schemes to decrease numerical errors in the model. Using the thoroughly tested VERB-4D code, we model the dynamics of the ring current electrons during the 17 March 2013 storm. The discrepancies between the model and observations above 4.5 Earth's radii can be explained by uncertainties in the outer boundary conditions. Simulation results indicate that the electrons were transported from the geostationary orbit towards the Earth by the global-scale electric and magnetic fields. We investigate how simulation results depend on the input models and parameters. The model is shown to be particularly sensitive to the global electric field and electron lifetimes below 4.5 Earth's radii. The effects of radial diffusion and subauroral polarization streams are also quantified. We developed a data-assimilative code that blends together a convection model of energetic electron transport and loss and Van Allen Probes satellite data by means of the Kalman filter. We show that the Kalman filter can correct model uncertainties in the convection electric field, electron lifetimes, and boundary conditions. It is also demonstrated how the innovation vector - the difference between observations and model prediction - can be used to identify physical processes missing in the model of energetic electron dynamics. We computed radial profiles of phase space density of ultrarelativistic electrons, using Van Allen Probes measurements. We analyze the shape of the profiles during geomagnetically quiet and disturbed times and show that the formation of new local minimums in the radial profiles coincides with the ground observations of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves. This correlation indicates that EMIC waves are responsible for the loss of ultrarelativistic electrons from the heart of the outer radiation belt into the Earth's atmosphere.

Description: Die innere Magnetosphäre der Erde ist ein sehr dynamisches System, das hauptsächlich vom äußeren Sonnenwind beeinflusst wird, der auf das Magnetfeld unseres Planeten einwirkt. Störungen im Sonnenwind, wie z.B. koronale Massenauswürfe und sogenannte Korotierende Wechselwirkungsbereiche, verursachen geomagnetische Stürme, die zu deutlichen Veränderungen der Populationen geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre führen - Plasmasphäre, Ringstrom und Strahlungsgürtel. Satelliten, die in Regionen mit erhöhten energetischen und relativistischen Elektronenflüssen betrieben werden, können durch tiefe dielektrische Ladung oder Oberflächenladungen bei schweren Weltraumwetterereignissen beschädigt werden. Die Vorhersage der Dynamik der geladenen Teilchen und die Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die Infrastruktur sind heutzutage von besonderer Bedeutung, insbesondere aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von Weltraumtechnologien. Die Dynamik von Teilchen in der Plasmasphäre, des Ringstrom und in den Strahlungsgürteln sind durch Kollisionen und kollisionsfreie Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern, die durch die Bewegung geladener Teilchen induziert werden, stark gekoppelt. Mehrdimensionale numerische Modelle vereinfachen die Betrachtung von Transport-, Beschleunigungs- und Verlustprozessen dieser Partikel und ermöglichen es uns, vorherzusagen, wie die erdnahe Weltraumumgebung auf Sonnenstürme reagiert. Die Modelle beruhen zwangsläufig auf einer Reihe von Vereinfachungen und Voraussetzungen, die sich auf die Modellgenauigkeit auswirken und die Interpretation der Ergebnisse erschweren. In dieser Dissertation quantifizieren wir die Prozesse, die die Dynamik der Elektronen in der inneren Magnetosphäre steuern. Dabei richten wir den Fokus insbesondere auch auf die Unsicherheiten der verwendeten numerischen Codes. Wir verwenden eine Reihe praktischer analytischer Lösungen für Advektions- und Diffusionsgleichungen, um die Genauigkeit und Stabilität des 4-dimensionalen ''Versatile Electron Radiation Belt'' Codes (VERB-4D Code) zu testen. Wir zeigen, dass die im Code implementierten numerischen Schemata zu den analytischen Lösungen konvergieren und der Code sich unabhängig vom angenommenen Zeitschritt stabil verhält. Wir demonstrieren, wie die Genauigkeit des numerischen Schemas für die Konvektionsgleichung die Ergebnisse von Ringstrom- und Strahlungsgürtelsimulationen beeinflussen kann, und dass es von entscheidender Beteutung ist, numerische Schemata höherer Ordnung zu verwenden, um numerische Fehler im Modell zu reduzieren. Mit dem ausführlich getesteten VERB-4D Code modellieren wir die Dynamik der Ringstromelektronen während des Sturms vom 17. März 2013. Wir zeigen, dass die Diskrepanzen zwischen dem Modell und Beobachtungen oberhalb von 4.5 Erdradien durch Unsicherheiten in den äußeren Randbedingungen erklärt werden können und dass die Elektronen durch die globalen elektrischen und magnetischen Felder von der geostationäre Umlaufbahn zur Erde transportiert wurden. Wir untersuchen weiterhin, wie die Simulationsergebnisse von den Eingabemodellen und Parametern abhängen. Wir zeigen, dass das Modell besonders empfindlich für das globale elektrische Feld und die Lebensdauer der Elektronen unterhalb von 4.5 Erdradien ist. Außerdem quantifizieren wir auch die Auswirkungen von radialer Diffusion und subauroralen Polarisationsströmen. Wir haben einen datenassimilativen Code entwickelt, der mithilfe des Kalman-Filters ein Konvektionsmodell für den Transport und den Verlust energetischer Elektronen mit den Satellitendaten der Van Allen Probes kombiniert. Wir zeigen, dass die Verwendung eines Kalman-Filters Modellunsicherheiten im elektrischen Konvektionsfeld, in der Lebensdauer der Elektronen und in den Randbedingungen korrigieren kann. Weiterhin zeigen wir, wie der Innovationsvektor - die Differenz zwischen Beobachtungen und Modellvorhersagen - verwendet werden kann, um physikalische Prozesse zu identifizieren, die im Modell der Dynamik der energetischen Elektronen fehlen. Außerdem berechnen wir radiale Profile der Phasenraumdichte ultrarelativistischer Elektronen mithilfe von Van Allen Probes-Messungen. Wir analysieren die Form der Profile und zeigen, dass die Entstehung neuer lokaler Minima in den radialen Profilen mit den Bodenbeobachtungen von EMIC-Wellen übereinstimmt. Diese Korrelation legt nahe, dass EMIC-Wellen für den Verlust ultrarelativistischer Elektronen vom Herzen des äußeren Strahlungsgürtels in die Erdatmosphäre verantwortlich sind.

Description: The plasmasphere is a dynamic region of cold, dense plasma surrounding the Earth. Its shape and size are highly susceptible to variations in solar and geomagnetic conditions. Having an accurate model of plasma density in the plasmasphere is important for GNSS navigation and for predicting hazardous effects of radiation in space on spacecraft. The distribution of cold plasma and its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions remain, however, poorly quantified. Existing empirical models of plasma density tend to be oversimplified as they are based on statistical averages over static parameters. Understanding the global dynamics of the plasmasphere using observations from space remains a challenge, as existing density measurements are sparse and limited to locations where satellites can provide in-situ observations. In this dissertation, we demonstrate how such sparse electron density measurements can be used to reconstruct the global electron density distribution in the plasmasphere and capture its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions. First, we develop an automated algorithm to determine the electron density from in-situ measurements of the electric field on the Van Allen Probes spacecraft. In particular, we design a neural network to infer the upper hybrid resonance frequency from the dynamic spectrograms obtained with the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) instrumentation suite, which is then used to calculate the electron number density. The developed Neural-network-based Upper hybrid Resonance Determination (NURD) algorithm is applied to more than four years of EMFISIS measurements to produce the publicly available electron density data set. We utilize the obtained electron density data set to develop a new global model of plasma density by employing a neural network-based modeling approach. In addition to the location, the model takes the time history of geomagnetic indices and location as inputs, and produces electron density in the equatorial plane as an output. It is extensively validated using in-situ density measurements from the Van Allen Probes mission, and also by comparing the predicted global evolution of the plasmasphere with the global IMAGE EUV images of He+ distribution. The model successfully reproduces erosion of the plasmasphere on the night side as well as plume formation and evolution, and agrees well with data. The performance of neural networks strongly depends on the availability of training data, which is limited during intervals of high geomagnetic activity. In order to provide reliable density predictions during such intervals, we can employ physics-based modeling. We develop a new approach for optimally combining the neural network- and physics-based models of the plasmasphere by means of data assimilation. The developed approach utilizes advantages of both neural network- and physics-based modeling and produces reliable global plasma density reconstructions for quiet, disturbed, and extreme geomagnetic conditions. Finally, we extend the developed machine learning-based tools and apply them to another important problem in the field of space weather, the prediction of the geomagnetic index Kp. The Kp index is one of the most widely used indicators for space weather alerts and serves as input to various models, such as for the thermosphere, the radiation belts and the plasmasphere. It is therefore crucial to predict the Kp index accurately. Previous work in this area has mostly employed artificial neural networks to nowcast and make short-term predictions of Kp, basing their inferences on the recent history of Kp and solar wind measurements at L1. We analyze how the performance of neural networks compares to other machine learning algorithms for nowcasting and forecasting Kp for up to 12 hours ahead. Additionally, we investigate several machine learning and information theory methods for selecting the optimal inputs to a predictive model of Kp. The developed tools for feature selection can also be applied to other problems in space physics in order to reduce the input dimensionality and identify the most important drivers. Research outlined in this dissertation clearly demonstrates that machine learning tools can be used to develop empirical models from sparse data and also can be used to understand the underlying physical processes. Combining machine learning, physics-based modeling and data assimilation allows us to develop novel methods benefiting from these different approaches.

Description: Die Plasmasphäre ist eine die Erde umgebende dynamische Region aus kaltem, dichtem Plasma. Ihre Form und Größe sind sehr anfällig für Schwankungen der solaren und geomagnetischen Bedingungen. Ein präzises Modell der Plasmadichte in der Plasmasphäre ist wichtig für die GNSS-Navigation und für die Vorhersage gefährlicher Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Raumfahrzeuge. Die Verteilung des kalten Plasmas und seine dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend quantifiziert. Bestehende empirische Modelle der Plasmadichte sind in der Regel zu stark vereinfacht, da sie auf statistischen Durchschnittswerten statischer Parameter basieren. Das Verständnis der globalen Dynamik der Plasmasphäre anhand von Beobachtungen aus dem Weltraum bleibt eine Herausforderung, da vorhandene Dichtemessungen spärlich sind und sich auf Orte beschränken, an denen Satelliten In-situ-Beobachtungen liefern können. In dieser Dissertation zeigen wir, wie solche spärlichen Elektronendichtemessungen verwendet werden können, um die globale Elektronendichteverteilung in der Plasmasphäre zu rekonstruieren und ihre dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen zu erfassen. Zunächst entwickeln wir einen automatisierten Algorithmus zur Bestimmung der Elektronendichte aus In-situ-Messungen des elektrischen Feldes der Van Allen Probes Raumsonden. Insbesondere entwerfen wir ein neuronales Netzwerk, um die obere Hybridresonanzfrequenz aus den dynamischen Spektrogrammen abzuleiten, die wir durch die Instrumentensuite „Electric and Magnetic Field Instrument Suite“ (EMFISIS) erhielten, welche dann zur Berechnung der Elektronenzahldichte verwendet wird. Der entwickelte „Neural-network-based Upper Hybrid Resonance Determination“ (NURD)-Algorithmus wird auf mehr als vier Jahre der EMFISIS-Messungen angewendet, um den öffentlich verfügbaren Elektronendichte-Datensatz zu erstellen. Wir verwenden den erhaltenen Elektronendichte-Datensatz, um ein neues globales Modell der Plasmadichte zu entwickeln, indem wir einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Modellierungsansatz verwenden. Zusätzlich zum Ort nimmt das Modell den zeitlichen Verlauf der geomagnetischen Indizes und des Ortes als Eingabe und erzeugt als Ausgabe die Elektronendichte in der äquatorialebene. Dies wird ausführlich anhand von In-situ-Dichtemessungen der Van Allen Probes-Mission und durch den Vergleich der vom Modell vorhergesagten globalen Entwicklung der Plasmasphäre mit den globalen IMAGE EUV-Bildern der He+ -Verteilung validiert. Das Modell reproduziert erfolgreich die Erosion der Plasmasphäre auf der Nachtseite sowie die Bildung und Entwicklung von Fahnen und stimmt gut mit den Daten überein. Die Leistung neuronaler Netze hängt stark von der Verfügbarkeit von Trainingsdaten ab, die für Intervalle hoher geomagnetischer Aktivität nur spärlich vorhanden sind. Um zuverlässige Dichtevorhersagen während solcher Intervalle zu liefern, können wir eine physikalische Modellierung verwenden. Wir entwickeln einen neuen Ansatz zur optimalen Kombination der neuronalen Netzwerk- und physikbasierenden Modelle der Plasmasphäre mittels Datenassimilation. Der entwickelte Ansatz nutzt sowohl die Vorteile neuronaler Netze als auch die physikalischen Modellierung und liefert zuverlässige Rekonstruktionen der globalen Plasmadichte für ruhige, gestörte und extreme geomagnetische Bedingungen. Schließlich erweitern wir die entwickelten auf maschinellem Lernen basierten Werkzeuge und wenden sie auf ein weiteres wichtiges Problem im Bereich des Weltraumwetters an, die Vorhersage des geomagnetischen Index Kp. Der Kp-Index ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren für Weltraumwetterwarnungen und dient als Eingabe für verschiedene Modelle, z.B. für die Thermosphäre, die Strahlungsgürtel und die Plasmasphäre. Es ist daher wichtig, den Kp-Index genau vorherzusagen. Frühere Arbeiten in diesem Bereich verwendeten hauptsächlich künstliche neuronale Netze, um Kurzzeit-Kp-Vorhersagen zu treffen, wobei deren Schlussfolgerungen auf der jüngsten Vergangenheit von Kp- und Sonnenwindmessungen am L1-Punkt beruhten. Wir analysieren, wie sich die Leistung neuronaler Netze im Vergleich zu anderen Algorithmen für maschinelles Lernen verhält, um kurz- und längerfristige Kp-Voraussagen von bis zu 12 Stunden treffen zu können. Zusätzlich untersuchen wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens und der Informationstheorie zur Auswahl der optimalen Eingaben für ein Vorhersagemodell von Kp. Die entwickelten Werkzeuge zur Merkmalsauswahl können auch auf andere Probleme in der Weltraumphysik angewendet werden, um die Eingabedimensionalität zu reduzieren und die wichtigsten Treiber zu identifizieren. Die in dieser Dissertation skizzierten Untersuchungen zeigen deutlich, dass Werkzeuge für maschinelles Lernen sowohl zur Entwicklung empirischer Modelle aus spärlichen Daten als auch zum Verstehen zugrunde liegender physikalischer Prozesse genutzt werden können. Die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierter Modellierung und Datenassimilation ermöglicht es uns, kombinierte Methoden zu entwickeln, die von unterschiedlichen Ansätzen profitieren.

Description: The aim of this work is the evaluation of the geothermal potential of Luxembourg. The approach consists in a joint interpretation of different types of information necessary for a first rather qualitative assessment of deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the adjoining regions in the surrounding countries of Belgium, France and Germany. For the identification of geothermal reservoirs by exploration, geological, thermal, hydrogeological and structural data are necessary. Until recently, however, reliable information about the thermal field and the regional geology, and thus about potential geothermal reservoirs, was lacking. Before a proper evaluation of the geothermal potential can be performed, a comprehensive survey of the geology and an assessment of the thermal field are required.

Description: An important contribution of geosciences to the renewable energy production portfolio is the exploration and utilization of geothermal resources. For the development of a geothermal project at great depths a detailed geological and geophysical exploration program is required in the first phase. With the help of active seismic methods high-resolution images of the geothermal reservoir can be delivered. This allows potential transport routes for fluids to be identified as well as regions with high potential of heat extraction to be mapped, which indicates favorable conditions for geothermal exploitation. The presented work investigates the extent to which an improved characterization of geothermal reservoirs can be achieved with the new methods of seismic data processing. The summations of traces (stacking) is a crucial step in the processing of seismic reflection data. The common-reflection-surface (CRS) stacking method can be applied as an alternative for the conventional normal moveout (NMO) or the dip moveout (DMO) stack. The advantages of the CRS stack beside an automatic determination of stacking operator parameters include an adequate imaging of arbitrarily curved geological boundaries, and a significant increase in signal-to-noise (S/N) ratio by stacking far more traces than used in a conventional stack. A major innovation I have shown in this work is that the quality of signal attributes that characterize the seismic images can be significantly improved by this modified type of stacking in particular. Imporoved attribute analysis facilitates the interpretation of seismic images and plays a significant role in the characterization of reservoirs. Variations of lithological and petro-physical properties are reflected by fluctuations of specific signal attributes (eg. frequency or amplitude characteristics). Its further interpretation can provide quality assessment of the geothermal reservoir with respect to the capacity of fluids within a hydrological system that can be extracted and utilized. The proposed methodological approach is demonstrated on the basis on two case studies. In the first example, I analyzed a series of 2D seismic profile sections through the Alberta sedimentary basin on the eastern edge of the Canadian Rocky Mountains. In the second application, a 3D seismic volume is characterized in the surroundings of a geothermal borehole, located in the central part of the Polish basin. Both sites were investigated with the modified and improved stacking attribute analyses. The results provide recommendations for the planning of future geothermal plants in both study areas.

Description: This thesis investigates how the permafrost microbiota responds to global warming. In detail, the constraints behind methane production in thawing permafrost were linked to methanogenic activity, abundance and composition. Furthermore, this thesis offers new insights into microbial adaptions to the changing environmental conditions during global warming. This was assesed by investigating the potential ecological relevant functions encoded by plasmid DNA within the permafrost microbiota. Permafrost of both interglacial and glacial origin spanning the Holocene to the late Pleistocene, including Eemian, were studied during long-term thaw incubations. Furthermore, several permafrost cores of different stratigraphy, soil type and vegetation cover were used to target the main constraints behind methane production during short-term thaw simulations. Short- and long-term incubations simulating thaw with and without the addition of substrate were combined with activity measurements, amplicon and metagenomic sequencing of permanently frozen and seasonally thawed active layer. Combined, it allowed to address the following questions. i) What constraints methane production when permafrost thaws and how is this linked to methanogenic activity, abundance and composition? ii) How does the methanogenic community composition change during long-term thawing conditions? iii) Which potential ecological relevant functions are encoded by plasmid DNA in active layer soils? The major outcomes of this thesis are as follows. i) Methane production from permafrost after long-term thaw simulation was found to be constrained mainly by the abundance of methanogens and the archaeal community composition. Deposits formed during periods of warmer temperatures and increased precipitation, (here represented by deposits from the Late Pleistocene of both interstadial and interglacial periods) were found to respond strongest to thawing conditions and to contain an archaeal community dominated by methanogenic archaea (40% and 100% of all detected archaea). Methanogenic population size and carbon density were identified as main predictors for potential methane production in thawing permafrost in short-term incubations when substrate was sufficiently available. ii) Besides determining the methanogenic activity after long-term thaw, the paleoenvironmental conditions were also found to influence the response of the methanogenic community composition. Substantial shifts within methanogenic community structure and a drop in diversity were observed in deposits formed during warmer periods, but not in deposits from stadials, when colder and drier conditions occurred. Overall, a shift towards a dominance of hydrogenotrophic methanogens was observed in all samples, except for the oldest interglacial deposits from the Eemian, which displayed a potential dominance of acetoclastic methanogens. The Eemian, which is discussed to serve as an analogue to current climate conditions, contained highly active methanogenic communities. However, all potential limitation of methane production after permafrost thaw, it means methanogenic community structure, methanogenic population size, and substrate pool might be overcome after permafrost had thawed on the long-term. iii) Enrichments with soil from the seasonally thawed active layer revealed that its plasmid DNA (‘metaplasmidome’) carries stress-response genes. In particular it encoded antibiotic resistance genes, heavy metal resistance genes, cold shock proteins and genes encoding UV-protection. Those are functions that are directly involved in the adaptation of microbial communities to stresses in polar environments. It was further found that metaplasmidomes from the Siberian active layer originate mainly from Gammaproteobacteria. By applying enrichment cultures followed by plasmid DNA extraction it was possible to obtain a higher average contigs length and significantly higher recovery of plasmid sequences than from extracting plasmid sequences from metagenomes. The approach of analyzing ‘metaplasmidomes’ established in this thesis is therefore suitable for studying the ecological role of plasmids in polar environments in general. This thesis emphasizes that including microbial community dynamics have the potential to improve permafrost-carbon projections. Microbially mediated methane release from permafrost environments may significantly impact future climate change. This thesis identified drivers of methanogenic composition, abundance and activity in thawing permafrost landscapes. Finally, this thesis underlines the importance to study how the current warming Arctic affects microbial communities in order to gain more insight into microbial response and adaptation strategies.

Description: Diese Dissertation untersucht die Reaktion der Permafrost-Mikrobiota auf die globale Erwärmung. Im Detail wurden mögliche Faktoren, die die Methanproduktion in tauendem Permafrost einschränken, im Zusammenhang methanogener Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung untersucht. Darüber hinaus bietet diese Dissertation neue Einblicke in mikrobielle Anpassungen an die sich ändernden Umweltbedingungen während der globalen Erwärmung. Dies wurde durch Untersuchung der potenziell ökologisch relevanten Funktionen bewertet, die von Plasmid-DNA innerhalb der Permafrost-Mikrobiota codiert werden. Permafrost, der seinen Ursprung in den Interglazialen und Glazialen aus dem Holozän bis zum späten Pleistozän, einschließlich des Eem, hat, wurde in Langzeit-Tau-Inkubationen untersucht. Darüber hinaus wurden mehrere Permafrostkerne mit unterschiedlicher Stratigraphie, Vegetationsbedeckung und unterschiedlichem Bodentyp verwendet, um die Faktoren, die die Methanproduktion während kurzfristiger Auftausimulationen bestimmen, zu ermitteln. Kurz- und Langzeitinkubationen, die das Auftauen mit und ohne Zugabe von Substrat in Kombination mit Aktivitätsmessungen, Amplikon- und Metagenom-Sequenzierung von permanent gefrorenem und saisonal aufgetautem Boden simulieren, ermöglichten die Beantwortung folgender Fragen: i) Welche Faktoren hemmen die Methanproduktion beim Auftauen des Permafrosts und wie hängt dies mit der Aktivität, Abundanz und Zusammensetzung methanogener Organismen zusammen? ii) Wie verändert sich die Gemeinschaftszusammensetzung methanogener Organismen unter langfristigen Auftaubedingungen? iii) Welche potenziell ökologisch relevanten Funktionen werden von Plasmid-DNA in saisonal getauten Böden kodiert? Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden. i) Die Methanproduktion in langfristig getautem Permafrost wird hauptsächlich durch die Anzahl der methanogenen Archaeen und ihrem Anteil innerhalb der Archaeen bestimmt. Ablagerungen, die in wärmeren Perioden mit erhöhtem Niederschlag gebildet wurden, reagierten am stärksten auf das Tauen und enthielten eine von Methanogenen dominierte Archaeen-Gemeinschaft. In Kurzzeitinkubationen mit ausreichender Verfügbarkeit von Substrat wurden die Populationsgröße der methanogenen Organismen und die Kohlenstoffdichte als Hauptprädiktoren für die potenzielle Methanproduktion beim Auftauen von Permafrost identifiziert. ii) Auch die paläoökologischen Bedingungen beeinflussen die Reaktion der methanogenen Gemeinschaft und Aktivität, wenn Permafrost taut. Es wurden erhebliche Verschiebungen innerhalb der Gemeinschaftsstruktur und ein Rückgang der Diversität in Ablagerungen beobachtet, die in wärmeren Perioden gebildet wurden, jedoch nicht bei Ablagerungen aus kälteren und trockeneren Perioden. Insgesamt wurde in allen Proben eine Verschiebung hin zu einer Dominanz von hydrogenotrophen Methanogenen beobachtet, mit Ausnahme der ältesten interglazialen Ablagerungen aus dem Eem, die eine potenzielle Dominanz von acetoklastischen Methanogenen aufwiesen. Das Eem, das als Analogon zu den aktuellen Klimabedingungen diskutiert wird, enthielt hochaktive methanogene Gemeinschaften. iii) Anreicherungen aus Boden der saisonalen Auftauschicht zeigten, dass die enthaltene Plasmid-DNA („Metaplasmidom“) Stress-Reaktions-Gene trägt. Insbesondere codierte die Plasmid-DNA Antibiotikaresistenzgene, Schwermetallresistenzgene, Kälteschock-proteine und Gene, für den UV-Schutz, also Funktionen, die direkt an der Anpassung mikrobieller Gemeinschaften an Stress in polaren Umgebungen beteiligt sind. Weiterhin stammten die Metaplasmidome der saisonalen Auftauschicht Sibiriens hauptsächlich von Gammaproteobakterien. Durch die Anreicherung von Kulturen, gefolgt von einer Extraktion der Plasmid-DNA, war es möglich, eine höhere durchschnittliche Contig-Länge und eine signifikant höhere Wiederherstellung von Plasmidsequenzen zu erhalten als durch Extrahieren von Plasmidsequenzen aus Metagenomen. Der in dieser Arbeit etablierte Ansatz zur Analyse von „Metaplasmidomen“ ist ein geeigneter Ansatz zur Untersuchung der ökologischen Rolle von Plasmiden in polaren Regionen insgesamt. Diese Dissertation hebt hervor, wie wichtig es ist, die Abundanz, Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft in Permafrost-Kohlenstoff-Projektionen einzubeziehen, und zwar nicht nur, da die mikrobiell vermittelte Methanfreisetzung aus Permafrostablagerungen das Potenzial hat, den zukünftigen Klimawandel erheblich zu beeinflussen. Vielmehr wurden in dieser Arbeit Abhängigkeiten methanogener Gemeinschaftsstrukturen, Abundanz und Aktivität identifiziert. Abschließend verdeutlicht diese Arbeit, wie wichtig es ist zu untersuchen, wie sich die derzeitige Erwärmung der Arktis auf mikrobielle Gemeinschaften auswirkt, um Einblicke in mikrobielle Reaktions- und Anpassungsstrategien zu erhalten.

Description: Climate change affects societies across the globe in various ways. In addition to gradual changes in temperature and other climatic variables, global warming is likely to increase intensity and frequency of extreme weather events. Beyond biophysical impacts, these also directly affect societal and economic activity. Additionally, indirect effects can occur; spatially, economic losses can spread along global supply-chains; temporally, climate impacts can change the economic development trajectory of countries. This thesis first examines how climate change alters river flood risk and its local socio-economic implications. Then, it studies the global economic response to river floods in particular, and to climate change in general. Changes in high-end river flood risk are calculated for the next three decades on a global scale with high spatial resolution. In order to account for uncertainties, this assessment makes use of an ensemble of climate and hydrological models as well as a river routing model, that is found to perform well regarding peak river discharge. The results show an increase in high-end flood risk in many parts of the world, which require profound adaptation efforts. This pressure to adapt is measured as the enhancement in protection level necessary to stay at historical high-end risk. In developing countries as well as in industrialized regions, a high pressure to adapt is observed - the former to increase low protection levels, the latter to maintain the low risk levels perceived in the past. Further in this thesis, the global agent-based dynamic supply-chain model acclimate is developed. It models the cascading of indirect losses in the global supply network. As an anomaly model its agents - firms and consumers - maximize their profit locally to respond optimally to local perturbations. Incorporating quantities as well as prices on a daily basis, it is suitable to dynamically resolve the impacts of unanticipated climate extremes. The model is further complemented by a static measure, which captures the inter-dependencies between sectors across regions that are only connected indirectly. These higher-order dependencies are shown to be important for a comprehensive assessment of loss-propagation and overall costs of local disasters. In order to study the economic response to river floods, the acclimate model is driven by flood simulations. Within the next two decades, the increase in direct losses can only partially be compensated by market adjustments, and total losses are projected to increase by 17% without further adaptation efforts. The US and the EU are both shown to receive indirect losses from China, which is strongly affected directly. However, recent trends in the trade relations leave the EU in a better position to compensate for these losses. Finally, this thesis takes a broader perspective when determining the investment response to the climate change damages employing the integrated assessment model DICE. On an optimal economic development path, the increase in damages is anticipated as emissions and consequently temperatures increase. This leads to a significant devaluation of investment returns and the income losses from climate damages almost double. Overall, the results highlight the need to adapt to extreme weather events - local physical adaptation measures have to be combined with regional and global policy measures to prepare the global supply-chain network to climate change.

Description: The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is likely the most well-known system of ocean currents on Earth, redistributing heat, nutrients and carbon over a large part of the Earth’s surface and affecting global climate as a result. Due to enhanced freshwater fluxes into the subpolar North Atlantic as a response to global warming, the AMOC is expected, and may have already started, to weaken and these changes will likely have global impacts. It is therefore of considerable relevance to improve our understanding of past and future AMOC changes. My thesis tries to answer some of the open questions in this field by giving strong evidence that the AMOC has already weakened over the last century, by narrowing future projections of this slowdown and by studying the impacts on global surface warming.