ALBERT

Description: Die vorliegende Arbeit behandelt die Auswertung und Interpretation von refraktions- und weitwinkelseismischen Messungen die im Rahmen des seismischen Projekts ANCORP 1996 in Nordchile und Bolivien durchgeführt worden waren. Der Datensatz dieses Projekts, bestehend aus Steilwinkelreflexionsdaten und Refraktionsdaten ergänzt die in den vergangenen zwei Jahrzehnten gesammelten seismischen Daten. Nachdem in den vorigen Projekten onshore ausschließlich refraktionsseismische Daten gesammelt wurden, ist die ANCORP-Traverse die einzige tiefenreflexions- und refraktionsseismische Linie in den südlichen Zentralen Anden. Nach einer kurzen Einleitung wird zunächst ein Überblick über die geologische und morphostrukturelle Gliederung des Arbeitsgebietes gegeben, das sich von der chilenischen Pazifikküste bis zum Ostrand des bolivianischen Altiplanos erstreckt. Die Traverse kreuzt die morphologischen Einheiten (Küstenkordillere, Längstal, Westkordillere (der aktive vulkanische Bogen) und Altiplano) senkrecht zu ihrer Streichrichtung. Es folgt die Beschreibung der technischen Durchführung der seismischen Messungen auf der ANCORP-Traverse, die von September bis November 1996 stattfand. Im Anschluß daran wird auf die Auswertung der refraktions- und weitwinkelseismischen Daten eingegangen. Die Ersteinsätze der Steilwinkelreflexionsdaten erlaubten die tomographische Bestimmung eines Geschwindigkeitsmodells entlang der Traverse für die oberen 5 km. Dieses Geschwindigkeitsmodell gibt vor allem einen Überblick über die Lage von mächtigeren Sedimentschichten im Längstal und auf dem Altiplano, wo deutlich niedrigere P-Wellen-Geschwindigkeiten (um etwa 2 km/s) bestimmt wurden als in den Kordilleren. Die Schußsektionen des Weitwinkel-Experiemts wurden dann auf mögliche Korrelationen untersucht. Da die meisten Sektionen nicht länger als 160 km waren, waren kaum Korrelationen aus dem Bereich der unteren kontinentalen Kruste und der ozeanischen Kruste möglich. Überkritische Reflexionen von der kontinentalen Moho und der ozeanischen Moho konnten in der Sektion des Schußpunktes im Pazifischen Ozean korreliert werden. Die übrigen Schüsse ergänzten die bereits aus früheren Kampagnen stammenden Sektionen entlang der Traverse und senkrecht zu ihr. Basierend auf Laufzeitmodellierungen der in den Sektionen korrelierten Phasen und unter Berücksichtigung der Ergebnisse der dem ANCORP Experiment vorangehenden Messungen wird ein Geschwindigkeitsmodell für die Traverse entlang des 21. südlichen Breitengrades vorgestellt. Perturbationsrechnungen wurden durchgeführt, um den Fehlerbalken für die P- Wellen Geschwindigkeiten und Tiefenlagen von Reflektoren zu bestimmen. Um die gewonnenen Ergebnisse strukturell zu interpretieren, werden weitere Informationen aus geophysikalischen Untersuchungen benötigt, über die in den folgenden Kapiteln ein Überblick gegeben wird. Die Datensätze aus Reflexionsseismik, Gravimetrie und Magnetotellurik werden dann zusammengefaßt zu einem Strukturmodell bestehend aus der kontinentalen Kruste, aufgeteilt in eine geophysikalische Oberkruste und der durch verschiedene Prozesse verdickten Kruste, einem asthenosphärischen Mantelkeil und der subduzierten ozeanischen Kruste. Die Synthese der Ergebnisse der geophysikalischen Untersuchungen entlang der Traverse bezüglich der extremen Verdickung der kontinentalen Kruste ist, daß diese im Forearc durch Underplating und Hydratisierung von Mantelmaterial erfolgt ist, im Arc und westlichen Backarc durch pure shear Deformation und im östlichen Backarc durch simple shear Deformation.

Description: In this thesis the refraction and wide-angle seismic data of the seismic project ANCORP 1996, measured in Northern Chile and Bolivia, are evaluated and interpreted. The data set of this project, consisting of near- vertical incidence and wide-angle seismic data, completes the data collected during the past two decades. Earlier projects having measured only refraction seismic data onshore, the ANCORP transsect is the only deep reflexion and refraction seismic line in the Southern Central Andes. After a short introduction, an overview of the geological and morphstructural setting of the working area is given. The area is reaching from the Chilean Pacific Coast through the eastern margin of the Bolivian Altiplano. The transsect crosses the morphstructural units (Coastal Cordillera, Longitudinal Valley, Precordillera, Western Cordillera (magmatic arc) and Altiplano) orthogonally to their strike. After that a description of technical aspects of the seismic measurements on the ANCORP transsect is given. Then the evaluation of the refraction- and wide-angle data will be described. The first break traveltimes of the CMP-measurements made possible the tomographic determination of the P-wave velocity distribution along the transsect for the uppermost 5 km. This velocity model mainly represents the varying sediment layer thickness in the Longitudinal Valley and on the Altiplano where significantly lower P-wave velocities were found than in the cordilleras (2 km/s lower). The shot-sections of the wide-angle seismic experiment were examined for possible correlations. As most of the sections were not longer than 160 km, only few correlations from the deeper continental crust and the oceanic crust could be made. Over-critical reflections from the continental Moho and the oceanic Moho could be correlated in the section of the shotpoint in the Pacific Ocean. The remaining shots complete the sections from earlier campaigns along the transsect and orthogonally to it. Based on traveltime modeling of the phases correlated in the sections and taking into account the results of measurements before the ANCORP experiment a velocity model for the transsect along 21°S is introduced. Perturbed models were tested in order to find the error of P-wave velocity and depth of layer boundaries. For a structural interpretation of the results, further information from geophysical inverstigations is needed. An overview of the most important results of reflection seismic, gravimetric and magnetotelluric measurements is given and then, together with the results of the wide-angle seismic investigations put together into a structural model, consisting of a continental crust, divided into upper geophysical crust and crust thickened by several processes, an asthenospheric mantle wedge and the subducted oceanic crust. The most important conclusion concerning the thickening of the continental crust, derived from the geophysical investigations along the transsect is the following: In the forearc, thickening is mainly caused by magmatic underplating and hydration of the continental mantle, in the arc and western backarc pure shear deformation are most important and the eastern backarc is thickened by simple shear deformation.

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Description: Den eigentlichen Anwendungen geophysikalischer Modelliertechniken und Bearbeitungsmethoden geht im Verlauf dieser Arbeit eine umfassende Evaluierung und Kompilierung einer Flächendeckenden Datenbasis zwischen 20° und 26°S sowie 62° und 74°W aus gravimetrischen Daten voran. Untersuchungen des Magnetfeldes beschränken sich auf den Bereich der Nazca-Platte. Dabei werden alle verfügbaren Datensätze einbezogen, wozu neben Satelliten-altimetrisch gewonnenen Schweredaten auch Datensätze südamerikanischer Partner-Institutionen gehören. Ziel dieser Vorarbeiten ist die Erstellung eines homogenen nach Qualitätsmerkmalen unterschiedenen Schweredatensatzes, welcher den ozeanischen und den kontinentalen Bereich des Meßgebietes zwischen 20° und 26°S des Arbeitsgebietes beinhaltet. Im folgenden dient die gravimetrische und magnetische Datenbasis als Vergleichsdatensatz für die Modellierung von Dichteinhomogenitäten und Magnetisierungskontrasten. Randbedingungen aus anderen geowissenschaftlichen Teilbereichen wie der Seismik (grenzt die Geometrie- und Dichtevariationen ein), der Petrologie (Phasenübergänge, Gesteinsmetamorphosen) und Geologie (Strukturelle Grenzen) dienen der maximalen Einschränkung von Dichtedomänen und magnetisierten Bereichen. Das lokale 3D-Modell des Kontinentalrandes mit angrenzender Nazca-Platte erklärt die im Magnet-und Schwerefeld beobachteten Anomalien und zeigt die besondere Bedeutung der subduzierten Lithosphäre der Nazca-Platte auf. Neben dieser statischen Modellierung werden im Schwerefeld enthaltene Informationen über die Rigidität der aneinander grenzenden ozeanischen und kontinentalen Lithosphärenplatten extrahiert. Mit einem 3D-Kohärenzverfahren, welches erstmalig in den Zentralen Anden angewendet wird, werden Bereiche mit unterschiedlicher Festigkeit abgegrenzt. Durch die Einbeziehung von ’’Surface- und Subsurface Load” wird die hochauflösende Kohärenz-Analyse verbessert, gegenüber 2D- Verfahren ohne Berücksichtigung von ’’Subsurface Loads”. Eine Vergleichsstudie der Rigiditätsverteilung mit ähnlich regionalen Charakteristika der Lithosphärenplatten, wie etwa dem geothermischen Gradienten führt zu vergleichbaren Aussagen und bestätigt den großen Einfluß der subduzierten Nazca-Platte auf das gesamte aktive System in Bezug auf das Schwerefeld, das Thermische- und das Spannungsregime. Bereiche mit hohem Oberflächen-Wärmefluß korrelieren mit geringer Rigidität. Demzufolge finden sich die höchsten Rigiditätswerte im Forearc und östlichen Backarc und die niedrigsten in der Westkordillere. Schließlich wird auf der Basis der Analyse isostatischer Restfelder mit und ohne Berücksichtigung des Schweresignals der Nazca-Platte, der isostatische Zustand der kontinentalen Lithosphäre untersucht. Dabei werden zusätzlich, neben Modellgeometrien, Dichten und Rigiditäten auch geotektonische Regionen unterschieden. Isostatische Unterkompensation wird demnach in der Küstenkordillere und der Ostkordillere beobachtet. Der Bereich des Hochplateaus der Zentralen Anden befindet sich in isostatischem Gleichgewicht.

Description: The actual application of geophysical modelling and processing techniques in this thesis is preceded by a comprehensive evaluation and compilation of a Database covering the area from 20° and 26°S to 62° and 74°W with gravimetric and magnetic data. Research of the magnetic field is constrained to the Nazca-Plate oceanic area. In addition to altimétrie satellite gravity data all other available gravity data has been included in the database, e.g. datasets provided by our south american partner institutions. The aim of these preparatory works is the preparation of a uniform dataset which distinguishes data according to quality features. In further progress, this gravimetric and magnetic database is utilized to compare the Signals caused by density inhomogeneities and magnetization contrasts to measured data. Boundary conditions from other geophysical disciplines like seismics (restricting geometry and density variations), petrology (Phasetransitions, Metamorphic reactions) and geology (structural boundaries) lead to a maximum limitation of density and magnetic domains. The local 3D-model of the continent-ocean transition zone with the boundaring Nazca-plate explains the observed anomalies and highlights the particular meaning of the subducting Nazca-plate. Beside this static modelling information about the rigidity of the contacting oceanic and continental lithospheres which is contained in the gravity field is extracted. The utilization of a new 3D-coherence method, which is applied for the first time in the central Andes, enables to divide regions of different rigidity. The incorporation of surface and subsurface loads implies a higher spacial resolution in opposition to 2D-methods not regarding subsurface loads. A comparative study of the distribution of rigidity and similar more regional parameters controlling the rigidity of the lithosphere leads to compareable results and confirms the importance of the subducting Nazca-plate on the active system, in terms of the gravity field, the geothermal- and stress regime. Regions characterized by high surface heatflow correspond to low rigidity. The highest values for flexural rigidity are to be found in the forarc and eastern backarc, the lowest in the active volcanic front, the western cordillera. Finally an analysis of isostatic residual fields, again taking into account the gravity signal of the subducting Nazca-plate reveals different isostatic conditions for different parts of the surveyed continental lithosphere. Apart from model geometries, densities and rigidities geotectonic regions are distinguished. Isostatic undercompensation is observed in the coastal and eastern cordillera; whereas the andean plateaus in the central Andes can be considered as isostatically compensated.

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Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In der vorliegenden Arbeit wurden weitwinkelseismische Daten aus dem Land-See-kombinierten Projekt CINCA 95 ausgewertet. Die Daten wurden auf drei EW-streichenden Profilen bei 21°S, 22°S und 23.25°S registriert. Die Linien umfassen das Gebiet zwischen Peru-Chile- Trench und Westkordillere, also den Forearc-Bereich der nord-chilenischen erosiven Subduktionszone. Der Hauptteil der Daten besteht aus einer Anregerlinie auf See und einer Empfängerlinie auf Land. Ergänzend wurden Sprengungen am westlichen und östlichen Ende der Empfängerlinie durchgeführt. Aus dem Datensatz wurden in der ersten Bearbeitungsstufe mit den Methoden der Refraktionsseismik drei vp-Geschwindigkeitsmodelle erstellt, die ihre Aussage im äußeren Forearc, also dem Gebiet zwischen Rinne und Küste haben. Dabei kann folgendes festgehalten werden: • Sie zeigen die Nazca-Platte mit einem sich versteilenden Subduktionswinkel von 10° direkt nach der Subduktion auf 23-25° vor der Küste Nord-Chiles. Die subduzierte Platte zeigt, was ihren Abtauchwinkel anbelangt, keine NS-Variation. • In der Geschwindigkeitszunahme an der Oberkante der subduzierten Platte zeigt sich durchaus eine Differenz in NS-Richtung: im Norden nimmt die Geschwindigkeit von 4.5 km/s direkt nach dem Untertauchen unter die südamerikanische Platte auf 6.5 km/s auf einer Distanz von 70 km zu, während sie im Süden dazu nur noch 30 km benötigt. Diese Struktur wird als Lage erodierten und subduzierten Gesteinsmaterials zwischen den Platten interpretiert. • Bereits im westlichsten Krustenblock, also dem Teil, der heute an der Rinne zur Erosion ansteht, zeigt sich eine hohe vp-Geschwindigkeit von 5.8 km/s. Sie nimmt zur Küste hin noch auf 6.0 km/s direkt an der Oberfläche zu. Die Kruste ist im Norden deutlich differenziert. Auch dies nimmt nach Süden hin ab und so sind auf dem südlichsten Profil keine Krustenstrukturen mehr in Tiefen unterhalb von 11 km modelliert worden. • Auf den Profilen bei 21°S und 22°S wurde eine platten-parallele Diskontinuität, die die Oberkante zu einer Zone erhöhter Geschwindigkeit bildet (7.1 km/s), modelliert. Sie hat eine Neigung von 15°. Diese Diskontinuität wird im Zusammenhang mit bereits existierenden Modellen für den landseitigen Forearc als Paläo-Moho interpretiert. Das darunterliegende Gestein mit einer Geschwindigkeit von 7.0 km/s wird entsprechend als serpentinisierter oberster Mantel verstanden. • Unterhalb schließt sich eine Zone stark erniedrigter Geschwindigkeit an, die zwischen der abtauchenden Platte und der Oberplatte einen Keil bildet. Sie hat eine Geschwindigkeit von 6.4 km/s und wird als Anlagerungsort des erodierten und subduzierten Gesteins interpretiert. • Die östlich der Küste in den vp -Schnitten als Moho modellierte Diskontinuität wurde durch die vorherigen Arbeiten bestätigt und als die heutige, geophysikalische Moho interpretiert. Zur Erosion am Kontinentalrand kann folgendes festgestellt werden: • Eine Varianz im Ablauf der Erosion wird nahegelegt, kann aber nicht bewiesen werden. • Nach der hier vorgelegten Interpretation findet die Erosion in der Hauptsache frontal statt. In einem zweiten Bearbeitungsschritt wurde die seeseitige Spurdichte von 160 m zu einer CMP-Stapelung der Weitwinkeldaten ausgenutzt. Bei der Bearbeitung der Daten wurden ausschließlich Tools der Standard-Reflexionsseismik verwendet. Dabei sollte ein Strukturabbild ähnlich dem aus der Standard-Reflexionsseismik bekannten entstehen. Diese Art des Prozessierens von Daten wurde bisher auf einen Datensatz mit so großer Apertur noch nicht angewandt. Es konnte gezeigt werden, daß mit einem unkonventionellen Ansatz durchaus Zusatzinformationen aus den Daten gewonnen werden können: die Oberkante der Niedergeschwindigkeitszone sowie die ozeanische Moho konnten auf dem nördlichsten Profil bestätigt werden, die platten-parallel liegende Struktur sowie die ozeanische Moho konnten auf dem mittleren Profil bestätigt werden und auf dem südlichsten zeigte sich, dass die Unterkante der ozeanischen Kruste weiter nach Osten hin detektiert werden konnte, als durch die refraktionsseismische Bearbeitung möglich war.

Description: In this thesis wide-angle seismic data from the on-shore/off-shore CINCA 95project were analysed. The data set was recorded on three E-W profiles at 21°S, 22°S und 23.25°S. These profiles cover the region between the Peru-Chile trench and the Western Cordillera, i.e. the forearc of the north-Chile subduction zone. The north-Chile margin is an example of a non-accreting, eroding continental margin. The data set mainly consists of three off-shore lines of airgun shots and on-shore receiver lines. Additional chemical shots were performed at the ends of the receiver lines. A vp-velocity model was derived for each profile using seismic refraction interpretation methods. The models are well constrained in the outer forearc, i.e. the region between the trench and the coast line. Major results are summarized as follows. • The models show the Nazca plate subducting at an angle of 10°near the trench, increasing to 23-25° near the coast. There is no N-S variation in the behaviour of the subduction angle. • However, a N-S variation in the lateral velocity increase at the top of the subducted plate can be derived. On the northernmost profile the velocity increases from 4.5 km/s at the trench to 6.5 km/s, 70 km E of the trench, whereas on the southernmost profile, this velocity increase occurs over a distance of only 30 km. This structure is interpreted as a layer of eroded and subducted material. • In the westernmost portion of the continental crust, where erosion occurs, a high vp-velocity of 5.8 km/s is found. It increases to 6.0 km/s towards the coast. In the north the crust is more differentiated. This differentiation weakens southwards and on the southernmost profile no additional crustal structure in the upper plate was modelled beneath 11 km depth. • On the profiles at 21°S and 22°S a discontinuity parallel to the subducting plate was modelled, representing the top of a high velocity (7.1 km/s) zone. The discontinuity dips at an angle of 15°. On the basis of an existing model for the on-shore part of the forearc this discontinuity is interpreted as a paleo-Moho. The high velocity zone is thus interpreted to be serpentinized uppermost mantle. • The high velocity zone is followed by a low velocity zone, which forms a wedge between the subducting plate and the overriding plate. It has a velocity of 6.4 km/s and is interpreted as a depot for the eroded and subducted material. • The Moho east of the coast is confirmed by former studies in the area and interpreted as the recent geophysical Moho of the South American continent. Concerning erosion at a continental margin the following can be noted. • An episodical character of erosion is implied by the models but cannot be proven. • The interpretation presented in this thesis implies frontal erosion along the Peru-Chile trench in this region. For further interpretation the dense shot line off-shore (160 m shot interval) was utilized for a CMP-stack of the wide-angle data. This was achieved with standards tools used in the processing of near- vertical incidence reflection data. The goal was to achieve a structural image similar to that which can be obtained from standard near-vertical incidence data. So far, this kind of processing has not been used for data with such a large aperture. Using this non-conventional approach some further information could be drawn from the data set. On the profile at 21°S the upper boundary of the low velocity wedge between the plates could be confirmed as well as the oceanic Moho. On the profile at 22°S the plate parallel structure as well as the oceanic Moho could be confirmed. On the profile at 23.25°S, with the help of the CMP processing, the subducting oceanic Moho could be traced further east than in the velocity model which was derived using standard seismic refraction interpretation methods.

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Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Mit einer dreidimensionalen Vorwärtsmodellierung von Dichtestrukturen der Kruste und des oberen Mantels im Gebiet von 12°-35°S und 57°-79°W wird der regionale Trend des Schwerefelds und gleichzeitig das Geoid am aktiven Kontinentalrand Südamerikas zwischen 20° S und 29°S erklärt. Das Dichtemodell umfaßt die abtauchende Nazca-Platte, Teile des südamerikanischen Kratons, den Asthenosphärenkeil zwischen Unter- und Oberplatte und die Kruste der Zentralanden. Eine Vielzahl externer geowissenschaftlicher Randbedingungen schränkt die Dichteverteilung ein. Die Strukturierung der zentralandinen Kruste im Modell orientiert sich hauptsächlich an den Ergebnissen der Refraktionsseismik. Zur Ermittlung der Krustendichten wird eine druck- und temperaturabhängige Geschwindigkeits-Dichte-Beziehung (S. Sobolev) zur Anwendung gebracht. Neben der bekannten Berechnung der Schwerewirkung dreidimensionaler Dichteverteilungen erlaubt eine neuentwickelte Berechnung des Schwerepotentials nun auch die Modellierung des Geoids. Das Einbeziehen eines Referenzdichtemodells ermöglicht die Anpassung der berechneten Felder an die beobachteten Felder bei gleichzeitiger Verwendung von Absolutdichten. Verschiedene Dichtekontraste der abtauchenden Nazca-Platte gegenüber dem umgebenden Mantel sowie mögliche Dichtekontraste innerhalb des Slab, die sich aus Phasenumwandlungen der gesteinsbildenden Minerale ergeben, werden behandelt und ihre einzelnen Beiträge zum Schwerefeld und Geoid der zentralen Anden berechnet. Mit dem fertigen Gesamtmodell wird die Zusammensetzung des Schwerefeldes und des Geoids am aktiven Kontinentalrand Südamerikas analysiert und ihre Hauptbeiträge dargestellt. Die im Modell enthaltenen Strukturen erklären das regionale Schwerefeld und das Geoid vollständig. Daraus folgt, daß aus tieferliegenden Dichteinhomogenitäten, beispielsweise an der Grenze vom oberen zum unteren Mantel oder im unteren Mantel aufgrund einer möglichen isostatischen “in situ”-Kompensation keine weiteren Beiträge zu erwarten sind. Das Schwereminimum wird hauptsächlich durch eine bis auf 65km verdickte Kruste erklärt. Die Schweremaxima in der Küstenkordillere werden durch den Beitrag des Slab und eine Zone erhöhter Dichte in mittlerer Krustentiefe verursacht. Eine anomale VΡ-ρ-Beziehung unter dem rezenten Arc läßt dort partielle Aufschmelzung vermuten. Eine Untersuchung des Schwimmgleichgewichts des Modells ergibt isostatische Unterkompensation (= Massenüberschuß) im Bereich der Küstenkordillere und der Ostkordillere sowie isostatischen Ausgleich bis leichte Überkompensation im Bereich der Westkordillere und des Altiplano bzw. der Puna.

Description: A three-dimensional foreward modelling of the density structures of the crust and the upper mantle in the region between 12°-35°S and 57°-79°W explains both the regional trend of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America from 20°S to 29°S. The density model comprises the downgoing Nazca plate, parts of the South American craton, the asthenospheric wedge between lower and upper plate, and the crust of the Central Andes. A large number of external geoscientific boundary conditions constrains the density distribution. The Central Andean crust of the model is structured according to the results of refraction seismic studies. A pressure and temperature dependent velocity- density relation (S. Sobolev) is applied to determine densities within the crust. Apart from the well known calculation of the gravity effect of three-dimensional density distributions, a recently developped calculation of the gravity potential now allows the modelling of the geoid. Using absolute densities, the fitting of the calculated fields to the observed fields is realized by the application of a reference density model. Several density contrasts of the subducting Nazca plate against the surrounding mantle and possible density contrasts inside the slab resulting from mineral phase transitions are discussed and their particular contributions to the Central Andean gravity field and the geoid are calculated. Using the complete model, the composition of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America is analyzed and the main contributions are visualized. The model structures explain both regional gravity field and geoid completely. This implies that density inhomogeneities at greater depth than presented in the model, e. g. at the interface between the upper and the lower mantle or in the lower mantle are not expected to have effects at the surface due to possible isostatic “in situ” compensation. The gravity minimum is generally explained by a crust thickened to 65 km maximum. The gravity highs in the Coastal Cordillera are caused by the contribution of the slab and a zone of increased density in mid crustal layers. An anomalous VΡ-ρ- relation beneath the recent arc implies partial melt. The investigation of the isostatic state of the density model results in isostatic undercompensation (= mass surplus) in the region of the Coastal Cordillera und the Eastern Cordillera, and isostatic equilibrium to slight overcompensation in the Altiplano/Puna region.

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Description: DFG, SUB Göttingen