ALBERT

Description: This paper claims that countries of the North must develop a new model of wealth - one less harmful to the environment and capable of being applied throughout the world. There are reasons to be hopeful they will do so: first, they have the means at their disposal; second, it is a misconception that environmental protection is a cost; and third, there is mounting pressure for change as indicated by air, water and soil quality data. The challenge is to move the emphasis away from end-of-the-pipe pollution control to improving resource productivity. The best way of doing this is through the imposition of "green taxes" to raise resource prices. If governments compensate by cutting other taxes to make the change revenue-neutral, there would be real benefits to the environment and the economy, particularly in developing countries.

Description: The Federal Republic of Germany committed itself in June 1990 to reduce its carbon dioxide emissions by 25% of the 1987 level by the year 2005, as a measure of slowing down the increase in the greenhouse effect. The issue of a human-caused climate change, however, did not surface in Germany for the first time just a few years ago. The potential threat was recognized a half a century ago. This article traces the history of the German climate change debate in the last 50 yr and discusses the forces and events that shaped it. The way in which various societal actors - among them scientists, the government, industry, non-governmental organizations (NGOs) and the media - entered into and influenced the debate is also examined. Unfolding the history of the global warming debate in Germany reveals how the country's current policy stance evolved.

Description: In der vorliegenden Arbeit wurde ein numerisches Verfahren für die zweidimensionale Simulation stationärer Strömung in porösen Medien entwickelt. Dabei können Modelle mit anisotroper Permeabilität und Wärmeleitfähigkeit ebenso berechnet werden wie Modelle in geneigten und gekrümmten Gebieten. Das Verfahren basiert auf einer Finite-Differenzen-Methode mit einem Schema 2. Ordnung (Il'in-Schema). Für das nichtlineare Gleichungssystem wird ein Iterationsansatz mit einer Art Mehrgittermethode verwendet. Um den großen Anwendungsbereich des entwickelten Verfahrens zu demonstrieren, wird es auf zwei unterschiedliche Fragestellungen aus der Hydrothermik und der Schneemetamorphose angewendet.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Die Toskana ist die stärkste geothermische Anomalie auf dem europäischen Kontinent. In dieser Anomalie finden sich zahlreiche lokale geothermische Felder mit hoher Enthalpie, wie z.B. das Feld von Travale. In diesem geothermischen Feld, das im Era-Graben liegt, wurden in den Jahren 1980/81 elektromagnetische Messungen durchgeführt. Es war das Ziel der Untersuchungen, die Quelle und die Ursache dieser teilweise bekannten Anomalie zu finden. Hierzu sollte die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit in der Erdkruste bis in Tiefen der Kruste-Mantel-Grenze mit den Methoden der Magnetotellurik und Erdmagnetischen Tiefensondierung untersucht werden. Parallel dazu wurde die geothermische Anomalie von Travale mit einer Vielzahl weiterer elektromagnetischer, seismischer und geochemischer Methoden untersucht. Das Ziel, die geothermische Anomalie in der Erdkruste zu lokalisieren, war nicht einfach zu erreichen. Deshalb war es notwendig, ein Modell der Anomalie zu erarbeiten, aus dem die Lokalität folgen sollte. Vor angegangene elektromagnetische Untersuchungen (HAAK & SCHWARZ 1981) hatten gezeigt, daß nahezu das gesamte Gebiet der Toskana als eine Anomalie der elektrischen Leitfähigkeit anzusehen ist: Gutleitende Deckschichten, mit bis zu 10 km Mächtigkeit, werden von einem hochohmigen Basement unterlagert. An einigen Meßorten deutet sich der Übergangsbereich Kruste / Mantel - in einer Tiefe zwischen 20 und 30 km - durch eine Zone hoher Leitfähigkeit an. Dieser Bereich zeichnet sich durch Lamellen hoher und extrem niedriger seismischer Wellengeschwindigkeiten aus. Petrologisch kann dieses durch eine Wechsellagerung von basischem und saurem Material gedeutet werden. Die zeitlichen Variationen des elektrischen und magnetischen Feldes wurden im geothermischen Feld von Travale in einem breiten Periodenbereich von 6 - 10.000 s registriert. Die Meßorte liegen überwiegend auf zwei Profilen, eines verläuft parallel zum Era-Graben aus der Anomalie heraus nach NW, das zweite schneidet die Anomalie senkrecht zum Graben. Der Meßpunktabstand war mit einigen hundert Metern bis zu mehreren Kilometern sehr dicht, um möglichst alle lateralen Variationen der scheinbaren spezifischen Widerstände beobachten zu können. Es zeigte sich, daß die lateralen Variationen der spezifischen Widerstände im Gebiet von Travale sehr groß waren. Bis zu Perioden von 50-100 s ist der Era-Graben die dominierende zweidimensionale Leitfähigkeitsstruktur. Die gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstände sind bei längeren Perioden durch dreidimensionale Leitfähigkeitsstrukturen verzerrt. Die scheinbaren elektrischen Widerstände sind innerhalb der geothermischen Anomalie mit Werten bis zu 50 Qm äußerst klein, während sie nördlich des geothermischen Feldes auf 100-300 Qm ansteigen, um dann etwa 7 km NW der Anomalie wieder deutlich abzufallen. Selbst in der tieferen Kruste werden keine höheren Widerstände angetroffen. Die integrierte Leitfähigkeit weist das geothermische Feld ebenso als eine Anomalie der elektrischen Leitfähigkeit aus, während nördlich davon die "hochohmige Barriere" bestätigt wurde. Aus den Ergebnissen der Seismik und Magnetotellurik wurde ein Modell für die geothermische Anomalie von Travale und die Toskana abgeleitet, das sich in drei Stockwerke gliedert: - Das unterste Stockwerk, die Übergangszone zwischen Oberem Mantel und Unterkruste in 20-30 km Tiefe ist die Quelle auf steigender heißer Gase und Flüssigkeiten. Die Temperatur beträgt etwa 700° C. - Das mittlere Stockwerk ist von tief reichenden, vertikalen Störungen durchsetzt, die einen konvektiven Wärmetransport durch die hydrothermalen Phasen in das oberste Stockwerk erlauben. Im Gebiet von Travale hat sich durch längs- und zum Era-Graben querstreichende Störungen eine ausgeprägte Schwächezone in der Kruste gebildet, die einen besonders intensiven Wärmetransport zuläßt. Der Temperaturgradient wird mit 15° C/km angenommen. - Das oberste Stockwerk besteht aus Sedimenten und kristallinen Formationen, die im wesentlichen von horizontalen Abscherungs- und Störungsflächen durchzogen sind, in denen hydrothermale Phasen zirkulieren. Innerhalb der Basements hat sich so ein zweites Reservoir ausgebildet, welches das bekannte geothermische Reservoir in den Karbonaten in Tiefen von 1-2 km durch ein ausgeprägtes Bruchsystem speist. Die Temperatur ist in 4 km Tiefe mit 400° C sehr hoch. Die augenblicklich geförderten heißen Gase und Wässer sind meteorologischen Ursprungs und werden an der Oberkante des toskanischen Basements aufgeheizt. Aus tektonischer Sicht besteht das oberste Stockwerk aus allochthonen Decken, die während der Orogenese über die Toskana hinweggeschoben wurden. Dieser tektonischen Kompressionsphase folgte eine Phase starker lateraler Dehnungen, die bis heute andauern. Das System von Grabenbrüchen und tiefgreifenden Verwerfungen ist Ausdruck dieser Dehnungstektonik. Die damit verbundenen Störungszonen tragen zu einer Entwässerung und Entgasung der tiefen Erdkruste bei und lassen die hydrothermalen Phasen in das oberste Stockwerk aufs teigen. In ausgeprägte Schwächezonen, die die gesamte Kruste durchziehen und die durch undurchlässige Schichten nach oben abgeschlossen werden, kann sich so ein geothermisches Reservoir ausbilden.

Description: Tuscany is the strongest geothermal anomaly in continental Europe. Numerous local high enthalpy geothermal fields are to be found within this anomaly, e.g. the Travale field. Electromagnetic soundings have been carried out in this geothermal field, which lies in the Era-Graben, in the years 1980 and 1981. The aim of this study was to find the origin as well as the cause of this partly known anomaly, using the methods of magnetotelluric- and geomagnetic depth soundings to study the distribution of electrical conductivity in the earth's crust downwards to the crust/mantle boundary, at least. Parallel to this study the geothermel anomaly of Travale has been studied with the help of various other methods, including electromagnetic, seismic and geochemical surveys. To localize the geothermal anomaly in the earth's crust was not an easy task. Therefore it seemed to be necessary to develop a model of the anomaly, first, and then to localize it. Earlier electromagnetic investigations (HAAK & SCHWARZ 1981) have shown, that nearly the whole area of Tuscany corresponds to an electrical conductivity anomaly: A well conducting cover, reaching down to 10 km depth is underlain by a high resistive basement. At some places within the geothermal anomaly a zone of high conductivity has been found at the depth of the crust/mantle-boundary (between 20 and 30 km) . Seismic refraction measurements are indicating a wide transition zone between the crust und upper mantle, displayed by alternating high- und extreme low-velocity layers. The time-varying electric- and magnetic fields have been recorded in the Travale area in a broad period range from 6-10.000 s, mainly on two profiles, the one parallel, the other perpendicular to the Era-Graben. The stations have been very close to each other, spacings varied between some hundreds of meters and a few kilometers, to study lateral variations of apparent resistivities within the Graben. In deed, lateral variations of apparent resistivities have been very large in the Travale area. Up to 50-100 s the Era-Graben is the dominating 2D-structure, but for longer periods of investigation the three-dimensionality of the electrical conductivity structure has to be considered. The apparent resistivities inside the geothermal anomaly are extremely low, reaching not more than 50 Gm, even in the lower crust, whereas going up to 100-300 firn north of the geothermal field. Further to NW apparent resistivities are coming down again to 5-5o Gm. Total conductance as well indicates the geothermal field as a local conductivity anomaly, whereas more to the north the poorly conducting "barrier" has been confirmed. Based on the results of the magnetotelluic soundings and those of the seismic survey a geothermal model for the anomaly of Travale as well as for Tuscany has been developed. The crust is built up by 3 stories: - The lowermost story of the transition from the mantle to the crust at 20-30 km depth has to be regarded as the origin of hot gases and fluids. Temperature amounts to 700° C. - The central story is more or less fractured vertically so that pathways allow convective transport of heat by means of hydrothermal fluids to the upper story. In the Travale area a weak crustal zone of faults crossing over has developed, allowing the transport of heat to be very intensive. The temperature gradient is assumed to reach not more than 15° C/km. - The uppermost story consists of sediments and more or less horizontally fractured crystalline formations, filled with hot, circulating fluids. Within the basement a second reservoir has evolved, which feeds the known geothermal reservoir in the carbonate series at 1-2 km depth through fractures and cracks in the top of the basement. The temperature of about 400° C in 4 km depth is extremely high. The actually exploited hot gases and fluids are of meterological origin and heated up at the top of the basement. From the tectonic point of view, the uppermost story consists of allochthonous nappes shifted across Tuscany during orogenesis. This compressive tectonic deformation was followed by strong dilatational forces, which are still active in the whole crust, expressed by the features of graben structures and deep reaching faults. This process gives volatiles and water generated by dehydration in the deep crust the chance to rise to the uppermost story. A basement fractured at the top and an impermeable cover in the uppermost layer will then favour the development of a geothermal reservoir.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In vielen naturwissenschaftlich-technischen Disziplinen zeigt es sich immer wieder, daß es sehr lohnend sein kann, eine schon als abgeschlossen betrachtete Fragestellung mit neuen methodischen Ansätzen wieder aufzunehmen. So bemerkt man in den technischen Anwendungen eine regelrechte Renaissance der Variationsrechnung, da die damit durchgeführten Computersimulationen helfen, einen Teil der Entwicklungskosten für z.B. Automodelle im Maßstab 1:1 einzusparen. Die topographischen Reduktionsrechnungen, welche als geradezu klassisches Gebiet der Gravimetrie gelten, werden in dieser Arbeit analog dem oben angeführten Gesichtspunkt erneut diskutiert. Dabei werden in den einleitenden Betrachtungen diejenigen Verfahren in einem sehr kurzen historischen Abriß vorgestellt, die sich durch ihre Anwendungsbreite und ausreichende Genauigkeit auszeichnen. Der entscheidende Gesichtspunkt für die erneute Entwicklung von Reduktionsverfahren sind die gerade jetzt im Entstehen begriffenen Höhendatenbanken. Die dort in geeigneter Weise abgespeicherten Daten ersparen dem Gravimetriker in Zukunft die enorm zeitaufwendige Kartendigitalisierung. Ausführlich werden in der Arbeit die beiden neuesten Rechenschemata das • Sideris-Verfahren , das die schnelle Fourier-Transformation (FFT) benutzt, und • eine Methode, die auf der Basis einer Polyeder-Approximation des Geländes arbeitet, erläutert und an synthetischen Beispielen getestet. Eine kritische Gewichtung der Arbeitsresultate hinsichtlich der Verwendung dieser Verfahren und ihrer Weiterentwicklung ergibt folgendes Bild: • Die Verwendung der FFT nach Sider is liefert zwar ein überragend schnelles Verfahren, ist aber durch seine physikalische Äquivalenz zur Massenlinienmethode für die angewandte Gravimetrie zu ungenau. • Die Polyeder -Methode ist von einer exakten Darstellung des Geländes (zumindest in unmittelbarer Stationsumgebung) abhängig und erleidet bei der Anwendung auf Datensätze mit mittleren Höhen einen Genauigkeitsverlust. Die zukünftig verfügbaren Datenbanken, die so oder ähnlich wie das mit TIN bezeichnete Abspeicherungsschema auf gebaut sind, werden für die Polyeder -Methode in idealer Weise verwendbar sein. Denn diese Höhendatenbanken verwenden nicht nur exakte Punkthöhen zur Geländebeschreibung, auch die sehr rechen zeitaufwendige Dreiecksbildung würde damit entfallen. Bis zur Verfügbarkeit solcher Datenbanken kann man aber mit dem in der Arbeit als "kombiniertes System" vorgestellten Kompromiß arbeiten: Die Schnelligkeit der FFT-Methode wird für den Stationsfernbereich ausgenutzt und die Genauigkeit der Polyeder -Methode in der Stationsnähe. Mit diesem Verfahren lassen sich Fehler von weniger als einem Milligal mit durchaus vertretbarem Aufwand erzielen. In den Anwendungen der entwickelten Methoden auf reale Gegebenheiten werden im Falle des Westharzes die oben genannten Eigenschaften bestätigt. Dabei kann man als Ergebnis der Simulation eines TIN -Höhenmodells davon ausgehen, daß die Polyeder -Methode ohne Kompromisse auch auf sehr große Datensätze anwendbar ist, wenn die Dreiecksbildung entfällt. Das Beispiel aus Zimbabwe zeigt, daß man sich mit modernen digitalen Methoden solch ein TIN-Höhenmodell selbst erstellen kann (Digitalisiertablett und angeschlossener PC). Die dann im weiteren diskutierten, modellgebundenen Anwendungen der topographischen Massenreduktionen wurden in erster Linie durch die einfache morphologische Situation des Gebietes provoziert.

Description: In most natural sciences and technology it is sometimes profitable to tackle an old problem which seems to be solved once more with new powerful tools. In finite element computer simulations one can find optimization methods which are based on a very old mathematical discipline called variational calculus. These methods can be used in the automobile industry for instance, for reducing the costs in motor car development. Analogously, in this work, the classical subject of topographic reduction calculations has been tackled with modern algorithmic techniques. Firstly a brief historical overview gives insight into topographical algorithms which are precise enough in calculating and flexible to use. Some remarks about data bases of topographic heights serve as an introduction into geographical information systems. Such systems may be of great help in future topographical work, as they eliminate the time consuming digitalization of topographic maps by hand. The topographical reduction method of Sideris using the fast fourier transform algorithm and a new developed reduction scheme based on an exact polyhedron algorithm and a triangulization of the topography are discussed in detail and tested. The calculations of synthetic topographic models gave varied results: • The method of Sideris works with an enormous speed but as it is physically equivalent to the massline method it is not precise enough for applied gravimetry. • The algorithm using polyhedral bodies needs exact topographical point heights especially in the near surroundings of the gravimetrical station. In future there will be a data base of topographical heights stored in a triangular fashion (triangulated irregular network) called a TIN data base. With TIN the topographical reduction method using the polyhedron formula will be fast enough to handle even big topographical models. As such data bases are not available at present one can use a method developed in this work which combines the positive attributes of both algorithms: The heights far away from the station are calculated with FFT while those in the immediate surroundings with the algorithm using the polyhedron formula. This combined system gives results which are better than 1 mGal and take a considerable short CPU-time. All algorithms are tested with real topographical models of the Harz mountains of West Germany and the Zambezi escarpment of Zimbabwe.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In der vorliegenden Arbeit wird das Schwerefeld in den südlichen zentralen Anden in Hinblick auf die Vorgänge an einem aktiven, konvergenten Plattenrand untersucht. Es können wesentliche Randbedingungen für die Strukturen und den Stoffbestand der Lithosphäre abgeleitet werden. Die Grundlage dieser Interpretationen bildet die Bearbeitung der gravimetrischen Meßdaten in drei Schritten: • Erstellung einer homogenen, regionalen Datenbasis unter besonderer Berücksichtigung der Vernetzung der Schweredaten und der topographischen Reduktion • Numerische Analyse des Schwerefeldes mit Hilfe von Filterungen, isostatischen Berechnungen und Massenabschätzungen • Durchführung 2-dimensionaler und 3-dimensionaler Modellrechnungen Die wesentlichen Ergebnisse der Bearbeitung des Schwerefeldes der andinen Subduktionszone sind in der Reihenfolge von den tieferen zu den höheren Stockwerken: • Die subduzierte Nazca Platte hat einen maximalen gravimetrischen Effekt von 55 mGal. • Thermische isostatische Prozesse nach Froidevaux ir Isacks (1984) haben einen minimalen Einfluß auf das Schwerefeld. • Die Berechnung regionaler isostatischer Modelle nach Banks et al. (1977) ergibt eine Biegesteifigkeit der Kruste von 1 ∙ 1023 Nm im W-E Segment zwischen 20° S und 22° S und 5 ∙ 1022 Nm im Segment zwischen 22° S und 26° S. • Die Kruste - Mantel - Grenze zeigt entlang der Hochkordillere einen strukturierten Verlauf mit einer maximalen Tiefe von 63 km bei 67.5° W, 23° S. • In dem Gebiet zwischen 23.5° S bis 24.5° S und 68.5° W bis 69.5° W wird im Bereich der Moho eine anomale Geschwindigkeit - Dichte Beziehung registriert. • Die kombinierte Interpretation seismologischer, refraktionsseismischer, gravimetrischer und petrophysikalischer Untersuchungen deutet auf eine Mächtigkeit der kontinentalen Kruste im küstennahen Bereich von 30 - 33 km und einer zunächst mit einem sehr geringen Abtauchwinkel subduzierten ozeanischen Lithosphärenplatte hin. • Die kontinentale Unterkruste zeigt im Untersuchungsgebiet eine geringe Änderung in der Streichrichtung der Anden. • Die Ostgrenze der aus refraktionsseismischen Messungen abgeleiteten, stark aufgegliederten Unterkruste mit sehr geringen Durchschnittsgeschwindigkeiten kann mit Hilfe des Schwerefeldes kartiert werden. Ihre Übereinstimmung mit der Ostgrenze des neogenen bis holozänen Vulkanismus deutet auf einen direkten Zusammenhang zwischen dieser Unterkrustenstruktur und dem rezenten Magmatismus hin. • Die gravimetrisch geforderte Mittelkruste mit Dichten um 2.9 g/cm3 unter der Hochkordillere könnte zum überwiegenden Teil aus Gesteinen einer präandinen Unterkruste bestehen. • Die gravimetrische Modellierung der Schichten mit schon oberflächennah sehr hohen Geschwindigkeiten im Bereich Küstenkordillere und Längstal in Kombination mit Massenabschätzungen zeigt, daß nur der obere maximal 5 km mächtige Teil der modellierten Körper für die Anomalien im Residualfeld verantwortlich ist. Die tieferliegenden Massen erzeugen zusammen mit der Unterkrustenstruktur im wesentlichen den regionalen Trend im Schwerefeld. • Die bedeutendste Struktur im residualen Schwerefeld, das langgestreckte Maximum südöstlich von Calama, ist vermutlich ein relativ einheitlicher, paläozoischer Gesteinskomplex in 10 bis 20 km Tiefe. • Modellrechnungen und Massenabschätzungen im Bereich des rezenten magmatischen Bogens lassen auch aufgrund des Schwerefeldes die Anwesenheit von kleineren, partiell geschmolzenen Magmenreservoiren in der oberen Kruste möglich erscheinen. • Im andinen Vorland ist im Schwerefeld deutlich zwischen dem SANTA BARBARA SYSTEM und dem fold and thrust belt zu unterscheiden. Auf der Basis des regionalen Schwerefeldes konnten bisher unbekannte Krustenstrukturen aufgezeigt werden. Trotz der Einschränkungen, die sich aus den mangelnden oder nicht existenten Randwerten ergeben, konnte ein plausibles Strukturmodell des Untergrundes des Andenorogens erstellt werden.

Description: The present work deals with the gravity field in the Southern Central Andes in regard to the processes at an active convergent margin. Substantial boundary conditions can be deduced for the structure and the material parameters of the lithosphere. This interpretation is based on the processing of the gravity data in three steps: • Preparation of a homogeneous, regional data base considering especially the connection of the different gravity networks and the topographic reduction. • Numeric analysis of the gravity field with the aid of filtering procedures, isostatic calculations and excess mass estimations. • Realization of 2-dimensional and 3-dimensional model calculations. The main results of the analysis of the gravity field at the Andean subduction zone considered from the lower to the higher levels are: • The subducted Nazca slab has a gravity effect not exceeding 55 mGal. • Processes of the thermal compensation model by Froidevaux fc Isacks (1984) have an insignificant effect on the gravity field. • The calculation of regional isostatic models according to Banks et al. (1977) results in a crustal flexural rigidity of 1 • 10 23 Nm in the W - E segment between 20° S and 22° S, and 5 • 10 22 Nm between 22° S and 26° S. • The crust - mantle boundary shows undulations along the High - Cordillera with a maximum depth of 63 km at 67.5° W, 23° S. • In the region between 23.5° S - 24.5° S and 68.5° W - 69.5° W a level with a anomalous velocity - density relationship exists near the M – discontinuity. • The combined interpretation of seismological, refraction seismic, gravimetric and petrophysical investigations points to a thickness of the continental crust near the coast of 30 - 33 km. There the dip of the subducted plate seems to have a very low angle. • In the area under investigation the lower continental crust shows only little variations in the general strike direction of the Andean orogen. • According to the seismic investigations the lower Andean crust is highly structured and has a small mean velocity. The easternmost limit of this lower crust can be mapped with the aid of the gravity field. Its agreement with the limit of the neogene to holocene volcanism points to a direct relation between this structured lower crust and the recent, magmatism. • The postulated crustal layer with densities about 2.9 g/cm 3 beneath the High - Cordillera, which is necessary for the gravity fitting, may consist mainly of rocks of a preandean lower crust. • The 3D - modelling of the layers with high velocities near the surface under the Coast Range and the Longitudinal Valley in combination with mass estimations shows, that only the uppermost 5 km of the modelled structure are relevant for the anomalies seen in residual gravity fields. The deeper masses produce, in combination with the structure of the lower crust, mainly the regional trend of the gravity field. • The most important feature in the residual gravity fields, the pronounced regional maximum southeast of Calama, is presumably a relatively homogeneous, paleozoic rock complex in the depth range of 10 to 20 km. • The results of modelling and mass calculations in the area of the recent magmatic arc could possibly account for smaller, partly molten magma reservoires in the upper crust. • The gravity field distinguishes well between the Santa Barbara System and the Bolivian fold and thrust belt along the Andean Foreland. Based on the regional gravity field new structures in the lithosphere were detected. Besides the restriction of the limited boundary constraints it was possible to establish a plausible structural model of the Andean orogen.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Im Bereich der westlichen Poebene stoßen die aus der Kollision der adriatischen und der europäischen Platte hervorgegangenen Gebirge der Alpen und des Apennin mit ihren gegensätzlichen Vergenzen unmittelbar aneinander. Diese in unterschiedlichen Zeiten entstandenen Orogene näher zu untersuchen, war das Ziel der in den Jahren 1983 und 1986 auf dem Südsegment der Europäischen Geotraverse (EGT) durchgeführten umfangreichen refraktionsseismischen Messungen. Zusammen mit älteren refraktionsseismischen Daten bilden diese die Grundlage für die vorliegende Arbeit, die sich mit den Strukturen der die nordwestliche Adriaplatte umgrenzenden Gebirgszuge der Südalpen und des Nordapennin auseinandersetzt. Zusammen mit den Ergebnissen der reflexionsseismischen Messungen bestätigen die refraktionsseismischen Messungen, daß der nordwestliche Teil der adriatischen Platte im Westen und Norden randlich der europäischen Platte aufliegt. Entlang der EGT-Hauptlinie kann auf eine Fortsetzung von Krustenmaterial der europäischen Platte in 45 - 65 km Tiefe bis weit unter die Südalpen geschlossen werden. Die resultierende Krustenüberlappung mit ihren keilförmigen und stark asymmetrischen Strukturen weist Ähnlichkeiten sowohl mit der Situation in den Westalpen als auch mit deijenigen in den Pyrenäen auf. Eine Krustenbilanz im europäischen Teil der Alpen entlang der EGT-Hauptlinie unter Berücksichtigung geologischer Randbedingungen ergibt, daß die tiefe Alpenwurzel vollständig mit europäischem Material gefüllt ist und ihre Ausbildung im Neogen stattfand. Die adriatische Platte zeigt eine sehr prägnante Fragmentierung, so daß sich hier das Bild eines Stapels lithosphärischer Einheiten ergibt. Die einzelnen Fragmente können entsprechend ihrer geographischen Lage und ihrer Reihenfolge im Stapel in eine ligurische Einheit, eine Poebenen- und eine Südalpen-Einheit, welche wiederum auf der europäischen Einheit liegt, unterteilt werden. Unter dem Nordrand des Nordapennnin legen die geophysikalischen Ergebnisse eine intrakontinentale Subduktion nahe. Der damit verbundene Abscherungshorizont durchschneidet die gesamte Kruste wie auch einen Teil des obersten Mantels. Eine Bewegung an diesem Storungssystem muß zu einem Aufsteigen des fragmentierten Randes der Adriaplatte bis einschließlich des obersten Mantels führen. Eine Folge davon kann die in dem oberen Krustenniveau der Toskana zu beobachtende und sich in die externen Bereiche verlagernde Extensionstektonik sein. Die spät-miozäne und pliozäne Überschiebung dieses lithosphärischen Keils ist das Endstadium der orogenen Entwicklung im Nordapennin nach der paläogenen ozeanischen Subduktion und der Ausbildung eines Keils kontinentaler Kruste im frühen und mittleren Miozän. Eine Krustenbilanz entlang der EGT-Hauptlinie ergibt eine Verkürzung von mindestens 90 km, die seit dem Torton stattgefunden haben muß. Zu den geophysikalischen Ergebnissen gehören im einzelnen: Aufgrund der hohen Dichte der seismischen Information konnte entlang der EGT-Hauptline ein detailliertes raytracing-Modell erarbeitet werden, aus dem die folgenden Punkte abgelesen werden können: ► Unter dem nördlichen Teil der Poebene erreicht die Krustenmächtigkeit ein Minimum von 29 -30 km. ► Etwa 20 km nördlich des Po beginnt die adriatische Moho mit einem Winkel von rund 10 - 14° nach Süden einzufallen. Sie erreicht an ihrer südlichsten nachzuweisenden Position, 20 km nördlich der Küstenlinie, eine Tiefe von etwa 55 km. ► Die Moho besitzt unter dem ligurischen Küstenbereich eine Tiefe von 20 - 22 km. Sie ist bis 25 km nördlich der Küste in einer Tiefe von 22 - 24 km nachweisbar. Es folgt, zusammen mit dem letztgenannten Punkt, eine krustale Verdopplung unter dem Hauptkamm des Nordapennin. ► Unter dem nördlichen Rand des Nordapennin sind in der Kruste extrem niedrige Geschwindigkeiten anzutreffen. In einer Tiefe von 8-11 km nimmt die Geschwindigkeit auf 4.0 km/s ab. Eine Zone niedriger Geschwindigkeit (LVL) setzt sich unter südlichem Einfallen zumindest bis in Tiefen von 25 km fort. Die Durchschnittsgeschwindigkeit für die gesamte Kruste ist mit 5.7 km/s außergewöhnlich gering. ► Am Übergang von der Poebene zu den Südalpen existiert ein Sprung in der Moho-Tiefe von 6-8 km. Die Moho der Südalpen erstreckt sich in relativ flacher Lagerung in 36 - 42 km Tiefe nordwärts bis etwa 20 - 25 km nördlich der Insubrischen Linie. ► Unter dem südlichen Teil der Südalpen befindet sich in rund 10 - 15 km Tiefe eine LVL, in der die Geschwindigkeit maximal 5.6 km/s beträgt. ► Das südliche Einfallen der europäischen Moho unter den Schweizer Alpen setzt sich bis unter die Südalpen fort. Die größte Tiefe wird mit rund 65 km knapp südlich der Insubrischen Linie erreicht. Es folgt damit unter den Südalpen und einem Teil der angrenzenden Schweizer Alpen eine weitreichende krustale Überlappung. Aus der Interpretation der Fächer und Profile außerhalb der EGT-Hauptlinie folgt weiterhin: ► Die Moho setzt sich im ligurischen Küstenbereich östlich der Hauptlinie in einem Tiefenniveau von 20 - 25 km um zumindest 100 km bis Viareggio fort. Sie ist bis 20 - 30 km landeinwärts nachweisbar. ► Nach Westen setzt sich die Moho in demselben Tiefenniveau bis unter das Penninikum der Seealpen und unter das südliche Piemont fort. Der Übergang von der adriatischen zur europäischen Platte läßt sich dort nicht in der Konfiguration der Moho-Tiefen beobachten. ► Die Krustenstruktur im Piemont erscheint südlich des Monferrato tektonisch stark gestört. ► Am südlichen Rand der Südalpen setzt sich der Versatz der Moho östlich der Hauptlinie in den östlichen Teil der Südalpen fort. ► An der Grenze zwischen Südalpen und Schweizer Alpen setzt sich östlich des Hauptlinie die Überlagerung der adriatischen Moho über die tiefe europäische Moho zumindest bis zur Judicarien-Linie fort. Das auf der EGT-Hauptlinie entwickelte seismische Strukturmodell wurde auf seine Vereinbarkeit mit dem Schwerefeld überprüft. Die Dichtewerte des Startmodells wurden aus den seismischen Geschwindigkeiten nach einer Standard-Beziehung ermittelt. Zunächst wurde ein Optimierungsverfahren nach der Evolutionsstrategie angewendet. Eine zusätzlich durchgeführte 'trial and error* Modellierung ergab im wesentlichen dieselben Ergebnisse und bestätigte damit die Einsatzmöglichkeiten des Optimierungsverfahrens. Als Ergebnisse sind zu nennen: ► Die Modellierung des Kontaktes der europäischen zur adriatischen Kruste aufgrund des seismischen Modells ist mit Abweichungen der Dichte von unter 0.05 g/cm3 vom Startmodell möglich. ► Die Modellierung des Überganges von der Poebene zum Nordapennin ist problematischer. Es ergibt sich aus dem Startmodell aufgrund der dort bis in die mittlere Kruste seismisch gut belegten niedrigen Geschwindigkeiten ein signifikantes Massendefzit. ► Unter der Poebene befindet sich unterhalb der Moho eine positive Dichteanomalie, deren Wirkung in etwa mit der einer schon früher postulierten Dichteanomalie übereinstimmt. ► Über die Existenz und Ausdehnung der bis in Tiefen von 65 km bzw. 60 km liegenden Krustenwurzeln unter den Südalpen und unter dem Nordapennin kann keine eindeutige Aussage getroffen werden. Die Krustenstruktur wurde weiterhin mit der Verteilung der Hypozentren der Beben verglichen. Hierfür wurden Daten der nationalen seismologischen Stationsnetze aus Italien und der Schweiz untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse sind: ► Die größte Konzentration von Hypozentren tritt an dem Sprung von der flachen Moho im ligurischen Küstenbereich zur tiefen Moho unter dem nördlichen Nordapennin auf. ► Die tiefen Hypozentren (Tiefe ≥ 20 km) sind in den Bereichen zu finden, in denen die Krustenmächtigkeit groß (Tiefe ≥ 40 km) ist. ► Die quasi-kontinuierliche Tiefenverteilung der Hypozentren bis in 50 km Tiefe unter dem nördlichen Nordapennin läßt dort auf eine hohe Rigidität und damit vermutlich auf ungewöhnlich niedrige Temperaturen schließen.

Description: The mountain chains of the Alps and the Northern Apennines, which developed from the collision of the Adriatic and the European plate, border each other in the area of the western Po-plain with opposite vergences. In order to investigate these different orogenes extensive seismic refraction measurements were carried out in the southern segment of the European Geotraverse (EGT) in the years 1983 and 1986. Combined with older refraction profiles they served as a basis for this thesis, which investigates the structures of the mountain ranges that encircle the northwestern Adriatic plate, the Southern Alps and the Northern Apennines. Together with the results of seismic reflection studies the seismic refraction measurements confirmed that the northern and western margin of the northwestern part of the Adriatic plate is lying onto the European plate. Along the EGT-mainline a continuation of crustal material of the European plate at a depth range of 45 – 65 km beneath the Southern Alps can be concluded. The resulting crustal overlapping with its flakelike and strongly asymmetric structures shows similarities to the tectonic situation in the western part of the Alps as well as to the Pyrenees. A crustal balancing in the European part of the Alps under consideration of geological constraints shows, that the deep Alpine root contains European crustal material and that this deep root developed in neogene times. The Adriatic plate shows a very distinct fragmentation with a staking of lithospheric units. The fragments can be subdivided according to their geographical position and to their stacking sequence in the Ligurian, the Po-plain and the Southern Alps unit, the last one lying on the European plate. Beneath the northern rim of the Northern Apennines the geophysical results suggest a intracontinental subduction. The corresponding decoupling horizon cuts through the whole crust and a part of the uppermost mantle. Movement along this system must result in an upwards motion of the fragmented rim of he Adriatic plate, including parts of the upper mantle. As a consequence, the extensional tectonic, which can be observed in the upper crustal layers in Tuscany, may develop. The late-miocene and pliocene thrusting of the lithospheric wedge seems to be the final stage of the orogenic development in the Northern Apennines after the paleogene oceanic subduction and the development of a wedge of continental crust in early to middle miocene. A crustal balancing along the EGT-mainline results in a minimum shortening of 90 km since tortonian times. The geophysical results in particular are: ► Below the northern part of the Po-plain the crustal thickness reaches 29 - 30 km. ► About 20 km north of the river Po the Moho starts to dip southwards with an angle of 10 - 14°. At the southernmost provable position 20 km north of the coastline the depth of the Moho reaches 55 km. ► Beneath the Ligurian coast the Moho lies at a depth of 20 - 22 km. It is documented till 25 km north of the coastline at a depth of 22 - 24 km. Together with the previous point it follows a crustal doubling beneath the crest of the Northern Apennines. ► Under the northern part of the Northern Apennines extrem low velocities were detected in the crust. At a depth of 8 - 11 km the velocity lowers to only 4.0 km/s. A low velocity layer (LVL) continues with a southern dip to a depth of at least 25 km. The avarage crustal velocity in this area is as low as 5.7 km/s. ► At the transition from the Po-plain to the Southern Alps the Moho jumps 6-8 km in depth. The Moho beneath the Southern Alps continues northwards with a relatively low dip at a depth of 36 - 42 km to about 20 - 25 km north of the Insubric line. ► Below the southern part of the Southern Alps a LVL exists at a depth of about 10 - 16 km where the velocity drops to at least 5.6 km/s. ► The southward dip of the European Moho beneath the Swiss Alps continues below the Southern Alps. The maximum depth of 65 km is reached some km south of the Insubric line. It follows a crustal overlapping beneath the Southern Alps and beneath a part of the adjacent Swiss Alps. From the interpretation of fans and profils off the EGT-mainline it follows: ► In the Ligurian coastal area the Moho continues east of the mainline at a depth of 20 - 25 km for at least 100 km to Viareggio. Onshore it is provable for a distance of 20 - 30 km off the coastline. ► West of the mainline the Moho continues in the same depth range till below the penninic realm in the coastal area of the Western Alps and below southern Piemont. The transition from the Adriatic to the European plate cannot be seen in the configuration of the Moho. ► The crustal structure south of the Monferrato seems to be tectonically distorted. ► Beneath the southern boundary of the Southern Alps the jump in the depth of the Moho continues into the eastern part of the Southern Alps. ► At the boundary between the Southern Alps and the Swiss Alps the overlapping of the Adriatic Moho over the deep European Moho continues eastwards at least till the Judicaria-line. The structural model along the EGT-mainline based on seismic data must be compatible with the gravity field. Density values of a starting model were calculated using a standard relationship between velocity and density. To fit the observed gravity , an optimization method according to an evolution strategy was applied. Additional trial and error modeling was done, which gave essentially the same results and confirmed the applicability of the optimization method. The following results have been found: ► The modeling of the transition between the European and the Adriatic lithosphere on the basis of the seismic model is possible without problems and deviations of less than 0.05 g/cm3 from the starting model. ► The modeling of the transition between the Po-plain and the Northern Apennines causes more problems. A significant mass deficit results from the starting model, which is due to the the seismically well proven low velocities in this area. ► A positive density anomaly must exist in the area of the Po-plain below the Moho, which coincides roughly with the density anomaly postulated earlier in this region. ► No definite statement is possible concerning the existence and extend of the up to 65 km resp. 60 km deep crustal roots beneath the Southern Alps and the Northern Apennines. The crustal structure was furtheron compared with the distribution of hypocentres of earthquakes. The data were taken from the national seismological networks in Italy and Switzerland. The most important results are: ► The concentration of hypocentres is highest where the shallow Moho in the Ligurian coastal area jumps to the deep Moho beneath the northern part of the Northern Apennines. ► Deep hypocentres (depth ≥ 20 km) are found in areas where the crustal thickness is large (thickness ≥ 40 km). ► The quasi-continuous depth distribution of hypocentres down to a depth of 50 km below the northern part of the Northern Apennines suggests a high rigidity und therefore presumably unusual low temperatures.

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Description: Eine effektive Methode für die Interpretation verschiedener geophysikalischer Daten ist die kombinierte Auswertung der unterschiedlichen Messungen. Eine wichtige Grundlage für die kombinierte Auswertung seismischer und gravimetrischer Daten sind empirische Korrelationsbeziehungen zwischen der seismischen Geschwindigkeit und der Dichte. In Regionen mit extrem großen Krustenmächtigkeiten und hohen Temperaturen läßt sich mit bekannten Geschwindigkeit-Dichte-Relationen kein übereinstimmendes Modell aus den seismischen und gravimetrischen Daten ableiten. Auf der Basis von in der Literatur veröffentlichten Labordaten wurde das Verhalten der Dichte und der seismischen Geschwindigkeit von kristallinen Gesteinen unter dem Einfluß von Druck und Temperatur systematisch untersucht. Die Untersuchungen beinhalten auch den Temperaturbereich der partiellen Aufschmelzung der verschiedenen Gesteine. Druck und Temperatur haben einen entgegengesetzten Effekt auf die seismische Geschwindigkeit. Druckerhöhung bewirkt im allgemeinen eine Zunahme der Geschwindigkeit, Temperaturerhöhung führt zu einer Erniedrigung. Bei Erreichen der Schmelztemperatur wird eine drastische Geschwindigkeitsabnahme beobachtet, die bis über 50% betragen kann. Der Einfluß von Druck und Temperatur auf das Verhalten der Dichte ist, im Vergleich zur Geschwindigkeit, sehr viel geringer. Bei Temperaturerhöhung bis zur partiellen Aufschmelzung werden Dichteänderungen von unter 5% beobachtet. Um eine ausreichende Anzahl von Daten für die Entwicklung einer temperaturabhängigen Geschwindigkeit-Dichte-Relation zur Verfügung zu haben, wird aus den vorhandenen Labordaten das Verhalten der Geschwindigkeit unter extremen Temperaturbedingungen mit Hilfe von Modellrechnungen extrapoliert. Auf der Basis der vorhandenen chemischen Analyse wird für verschiedene Gesteine die initiale Schmelztemperatur und der Anteil der Schmelze bestimmt. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe eines einfachen Modellansatzes die Änderung der Geschwindigkeit bei partieller Aufschmelzung berechnet. Aus den so gewonnenen Daten wird eine temperaturabhängige Geschwindigkeit-Dichte-Relation und eine Geschwindigkeit-Dichte-Relation in Abhängigkeit des Schmelzanteils abgeleitet. Für die kombinierte Auswertung von seismischen und gravimetrischen Profildaten wurde ein Programmsystem zur Umrechnung von Raytracing-Geschwindigkeitsmodellen in Dichtemodelle geschrieben. Für die Umrechnung können verschiedene Geschwindigkeit-Dichte-Relationen benutzt werden. Das Dichtemodell kann über eingebundene Optimierungsalgorithmen an die gemessene Schwerekurve angepaßt werden. Die Anwendung der temperaturabhängigen Korrelationsbeziehungen zwischen Dichte und Geschwindigkeit wird am Beispiel von gravimetrischen und seismischen Profildaten aus dem Bereich der zentralen Anden zwischen 21° S und 24° S vorgestellt. Die Profildaten kreuzen einen Krustenbereich des Andenorogens, der von einem extremen Schwereminimum und einer großen Krustenmächtigkeit geprägt ist. Geothermische Modellrechnungen ergeben extreme Temperaturverhältnisse im Tiefenbereich der mittleren und unteren Kruste. Das refraktionsseismische Modell der andinen Kruste zeigt ausgeprägte Zonen erniedrigter Geschwindigkeit (LVZ) in der mittleren und unteren Kruste. Die niedrigen Geschwindigkeiten, verbunden mit der extremen Krustenmächtigkeit ergeben bei der Umrechnung der refraktionsseismischen Modelle in Dichtemodelle mit normalen Geschwindigkeit-Dichte-Relationen eine deutliche Überkompensation des Schwereminimums. Mit der temperaturabhängigen Geschwindigkeit-Dichte-Relation läßt sich eine gute Anpassung an die gemessene Schwerekurve erreichen. Mit dem Ergebnis der Anpassung kann der Grad der partiellen Aufschmelzung der andinen Kruste bestimmt werden. Der Anteil der partiellen Schmelze in den LVZ der Kruste im Bereich unter der Westkordillere kann, abgeleitet aus den Modellrechnungen, bis zu 20% betragen.

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