ALBERT

Description: Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry.

Description: Die Bewirtschaftung von Wassereinzugsgebieten erfordert ein Verständnis der wichtigsten hydrochemischen Prozesse. Das Pra-Becken ist eines der fünf großen Flusseinzugsgebiete Ghanas mit einer Bevölkerung von über 4,2 Millionen Menschen. Die Bewirtschaftung der Wasserressourcen wird derzeit durch die Verschmutzung der Oberflächengewässer erschwert, die durch die unkontrollierte Einleitung von unbehandelten Haushalts- und Industrieabfällen in die aquatischen Ökosysteme und durch illegale Bergbauaktivitäten entsteht. Dies hat den Bedarf an Grundwasser als zuverlässigste Wasserversorgung erhöht. Unser Verständnis der Mechanismen der Grundwasserneubildung und der chemischen Entwicklung im Einzugsgebiet ist bislang unzureichend, was eine wirksame Bewirtschaftung erschwert. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit Einblicke in die Prozesse zu bekommen, welche die hydrogeochemische Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken bestimmen. Die kombinierte Verwendung von Daten stabiler Isotope, der Hydrochemie und von Wasserständen bildet die Grundlage für die Konzeption der chemischen Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken. Dafür wurden die Herkunft und die Verdunstungsraten des in die ungesättigte Zone infiltrierenden Wassers bewertet. Darüber hinaus wurden die Chlorid-Massenbilanz und die Wasserspiegelschwankungen betrachtet, um die Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet zu quantifizieren. Indizes wie der Wasserqualitätsindex (WQI), das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR), das Wilcox-Diagramm und der Salzgehalt (USSL) wurden in dieser Studie verwendet, um die Qualität der Ressource für die Verwendung als Trinkwasser und zu Bewässerungszwecken zu bestimmen. Aufgrund der Heterogenität der hydrochemischen Daten wurden die statistischen Verfahren der hierarchischen Cluster- und Faktorenanalyse angewandt, um die Daten entsprechend ihrer räumlichen Korrelation zu unterteilen. Ein konzeptionelles hydrogeochemisches Modell wurde entwickelt und anschließend durch Anwendung kombinatorischer inverser und reaktionspfadbasierter geochemischer Modelle validiert, um plausible mineralische Assemblagen zu bestimmen, welche die chemische Zusammensetzung des Grundwassers kontrollieren. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die Grundwasserqualität im Pra-Becken. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Grundwasser eine gute Qualität aufweist und als Trinkwasser und für Bewässerungszwecke genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass ein großes Grundwasserpotenzial vorhanden ist, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf des gesamten Pra-Beckens zu decken. Als Hauptneubildungsgebiet wurde die nördliche Zone im Gebiet identifiziert, während die südliche Zone das Abflussgebiet ist. Der vorherrschende Einfluss der Verwitterung von Silikatmineralen spielt bei der chemischen Entwicklung des Grundwassers eine zentrale Rolle. Die hier vorgestellte Arbeit gibt grundlegende Einblicke in die Hydrochemie des Pra-Beckens und liefert für das Wassermanagement wichtige Daten für eine fundierte Entscheidungsfindung bei der Planung und Zuweisung von Wasserressourcen für verschiedene Zwecke. Ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierungwurde in dieser Studie eingesetzt, um unterschiedliche Mineralzusammensetzungen zu ermitteln, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen. Diese Modellierungstechnik hat das Potenzial, die Zusammensetzung eines Grundwassers auf der Skala eines Beckens mit großer hydrochemischer Heterogenität zu simulieren, wobei die durchschnittliche Wasserzusammensetzung zur Darstellung der etablierten räumlichen Gruppierungen der Wasserchemie verwendet wird.

Description: Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry.

Description: Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets.

Description: Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen.

Description: Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained. In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+.

Description: Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht. Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen.

Description: In order to limit global warming and fulfill their contributions to the Paris agreement, both Germany and Japan have set targets for climate neutrality towards the middle of the century. Reaching these goals will imply transformation of all sectors of society to avoid all fossil greenhouse gas emissions, heavy industry not the least. The focus of this study is the transformation of the petrochemical industry. This sector can become climate neutral but cannot be "decarbonized", as carbon is integral to the chemical structures of the products like polymers and solvents. Reaching climate neutrality thus means that the whole lifecycle of the petrochemical products has to be regarded. Another specific challenge is today's synergetic relation of this industry to fossil transport fuel production, which cannot be maintained in a climate neutral world. The two countries interestingly share a similar industrial structure overall, and the chemical and petrochemical industry is one of the major industries in both countries. The countries' respective chemical industries are the third and fourth largest in the world in terms of sales, but at the same time, these industries represent just over 5% of the respective countries' greenhouse gas emissions. However, these scope 1 emissions of the chemical industry itself are far less relevant than the end-of-life emissions of their products, which belong to scope 3 and are thus not counted under the chemical industry in the country greenhouse gas balances. To mediate these emissions, there is a need to set the direction, draw out paths and investigate possible alternatives for how the petrochemical industry can be become climate neutral. In this report, the existing scenario analyses, energy strategies and roadmaps dealing with this issue in the two countries are compared, as well as the current state of their petrochemical industries. We highlight similarities, differences and identify possible areas of cooperation and exchange in order to find robust paths forward for the transformation of the petrochemical industries.

Description: In light of Egypt's transition to a green economy, this report focuses on reducing greenhouse gas (GHG) emissions and increasing resource efficiency along three different value chains in which small and medium-sized enterprises (SMEs) play a crucial role. In order to support SMEs in Egypt to take advantage of implementing greening options along value chains, more detailed analyses are needed. Therefore, the aim of this study is to analyse three selected supply chains to identify greening opportunities for SMEs. Against this background, the project report is structured as follows: Chapter 2 introduces the background with an overview over the concept of green economy followed by Egypt's economy and its green economy. This is followed by a presentation of the value chains and an overview of the respective sectors. Chapter 3 describes the research approach, methods and data collection. The following chapters examine the three selected value chains cotton, sugar beet and refrigerators, including environmental hot spots, greening options as well as the experts' evaluation of those greening options. The report concludes with key recommendations in Chapter 7.

Description: This cumulative thesis presents a stepwise investigation of the exposure modelling process for risk assessment due to natural hazards while highlighting its, to date, not much-discussed importance and associated uncertainties. Although “exposure” refers to a very broad concept of everything (and everyone) that is susceptible to damage, in this thesis it is narrowed down to the modelling of large-area residential building stocks. Classical building exposure models for risk applications have been constructed fully relying on unverified expert elicitation over data sources (e.g., outdated census datasets), and hence have been implicitly assumed to be static in time and in space. Moreover, their spatial representation has also typically been simplified by geographically aggregating the inferred composition onto coarse administrative units whose boundaries do not always capture the spatial variability of the hazard intensities required for accurate risk assessments. These two shortcomings and the related epistemic uncertainties embedded within exposure models are tackled in the first three chapters of the thesis. The exposure composition of large-area residential building stocks is studied on the scope of scenario-based earthquake loss models. Then, the proposal of optimal spatial aggregation areas of exposure models for various hazard-related vulnerabilities is presented, focusing on ground-shaking and tsunami risks. Subsequently, once the experience is gained in the study of the composition and spatial aggregation of exposure for various hazards, this thesis moves towards a multi-hazard context while addressing cumulative damage and losses due to consecutive hazard scenarios. This is achieved by proposing a novel method to account for the pre-existing damage descriptions on building portfolios as a key input to account for scenario-based multi-risk assessment. Finally, this thesis shows how the integration of the aforementioned elements can be used in risk communication practices. This is done through a modular architecture based on the exploration of quantitative risk scenarios that are contrasted with social risk perceptions of the directly exposed communities to natural hazards. In Chapter 1, a Bayesian approach is proposed to update the prior assumptions on such composition (i.e., proportions per building typology). This is achieved by integrating high-quality real observations and then capturing the intrinsic probabilistic nature of the exposure model. Such observations are accounted as real evidence from both: field inspections (Chapter 2) and freely available data sources to update existing (but outdated) exposure models (Chapter 3). In these two chapters, earthquake scenarios with parametrised ground motion fields were transversally used to investigate the role of such epistemic uncertainties related to the exposure composition through sensitivity analyses. Parametrised scenarios of seismic ground shaking were the hazard input utilised to study the physical vulnerability of building portfolios. The second issue that was investigated, which refers to the spatial aggregation of building exposure models, was investigated within two decoupled vulnerability contexts: due to seismic ground shaking through the integration of remote sensing techniques (Chapter 3); and within a multi-hazard context by integrating the occurrence of associated tsunamis (Chapter 4). Therein, a careful selection of the spatial aggregation entities while pursuing computational efficiency and accuracy in the risk estimates due to such independent hazard scenarios (i.e., earthquake and tsunami) are discussed. Therefore, in this thesis, the physical vulnerability of large-area building portfolios due to tsunamis is considered through two main frames: considering and disregarding the interaction at the vulnerability level, through consecutive and decoupled hazard scenarios respectively, which were then contrasted. Contrary to Chapter 4, where no cumulative damages are addressed, in Chapter 5, data and approaches, which were already generated in former sections, are integrated with a novel modular method to ultimately study the likely interactions at the vulnerability level on building portfolios. This is tested by evaluating cumulative damages and losses after earthquakes with increasing magnitude followed by their respective tsunamis. Such a novel method is grounded on the possibility of re-using existing fragility models within a probabilistic framework. The same approach is followed in Chapter 6 to forecast the likely cumulative damages to be experienced by a building stock located in a volcanic multi-hazard setting (ash-fall and lahars). In that section, special focus was made on the manner the forecasted loss metrics are communicated to locally exposed communities. Co-existing quantitative scientific approaches (i.e., comprehensive exposure models; explorative risk scenarios involving single and multiple hazards) and semi-qualitative social risk perception (i.e., level of understanding that the exposed communities have about their own risk) were jointly considered. Such an integration ultimately allowed this thesis to also contribute to enhancing preparedness, science divulgation at the local level as well as technology transfer initiatives. Finally, a synthesis of this thesis along with some perspectives for improvement and future work are presented.

Description: Diese kumulative Diplomarbeit stellt eine schrittweise Untersuchung des Expositionsmodellierungsprozesses für die Risikobewertung durch Naturgefahren dar und weist auf seine bisher wenig diskutierte Bedeutung und die damit verbundenen Unsicherheiten hin. Obwohl sich „Exposition“ auf einen sehr weiten Begriff von allem (und jedem) bezieht, der für Schäden anfällig ist, wird er in dieser Arbeit auf die Modellierung von großräumigen Wohngebäudebeständen eingeengt. Klassische Gebäudeexpositionsmodelle für Risikoanwendungen wurden vollständig auf der Grundlage unbestätigter Expertenerhebungen über Datenquellen (z. B. veraltete Volkszählungsdatensätze) erstellt und wurden daher implizit als zeitlich und räumlich statisch angenommen. Darüber hinaus wurde ihre räumliche Darstellung typischerweise auch vereinfacht, indem die abgeleitete Zusammensetzung geografisch auf grobe Verwaltungseinheiten aggregiert wurde, deren Grenzen nicht immer die räumliche Variabilität der Gefahrenintensitäten erfassen, die für genaue Risikobewertungen erforderlich sind. Diese beiden Mängel und die damit verbundenen epistemischen Unsicherheiten, die in Expositionsmodellen eingebettet sind, werden in den ersten drei Kapiteln der Dissertation verfolgt. Die Exposure-Zusammensetzung von großflächigen Wohngebäudebeständen wird im Rahmen szenariobasierter Erdbebenschadenmodelle untersucht. Anschließend wird der Vorschlag optimaler räumlicher Aggregationsbereiche von Expositionsmodellen für verschiedene gefahrenbezogene Anfälligkeiten präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf Bodenerschütterungs- und Tsunami-Risiken liegt. Anschließend, sobald die Erfahrung in der Untersuchung der Zusammensetzung und räumlichen Aggregation der Exposition für verschiedene Gefahren gesammelt wurde, bewegt sich diese Arbeit in Richtung eines Kontextes mit mehreren Gefahren, während sie sich mit kumulativen Schäden und Verlusten aufgrund aufeinanderfolgender Gefahrenszenarien befasst. Dies wird erreicht, indem eine neuartige Methode vorgeschlagen wird, um die bereits bestehenden Schadensbeschreibungen an Gebäudeportfolios als Schlüsseleingabe für die Berücksichtigung einer szenariobasierten Multi-Risiko-Bewertung zu berücksichtigen. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie die Integration der oben genannten Elemente in der Risikokommunikation genutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine modulare Architektur, die auf der Untersuchung quantitativer Risikoszenarien basiert, die mit der sozialen Risikowahrnehmung der direkt von Naturgefahren betroffenen Gemeinschaften kontrastiert werden. In Kapitel 1 wird ein bayesianischer Ansatz vorgeschlagen, um die früheren Annahmen zu einer solchen Zusammensetzung (d. h. Anteile pro Gebäudetypologie) zu aktualisieren. Dies wird erreicht, indem hochwertige reale Beobachtungen integriert und dann die intrinsische Wahrscheinlichkeitsnatur des Expositionsmodells erfasst wird. Solche Beobachtungen werden sowohl aus Feldbegehungen (Kapitel 2) als auch aus frei verfügbaren Datenquellen zur Aktualisierung bestehender (aber veralteter) Expositionsmodelle (Kapitel 3) als echte Beweise gewertet. In diesen beiden Kapiteln wurden Erdbebenszenarien mit parametrisierten Bodenbewegungsfeldern transversal verwendet, um die Rolle solcher epistemischen Unsicherheiten in Bezug auf die Expositionszusammensetzung durch Sensitivitätsanalysen zu untersuchen. Parametrisierte Szenarien seismischer Bodenerschütterungen waren der Gefahreneingang, der verwendet wurde, um die physische Anfälligkeit von Gebäudeportfolios zu untersuchen. Das zweite untersuchte Problem, das sich auf die räumliche Aggregation von Gebäudeexpositionsmodellen bezieht, wurde in zwei entkoppelten Vulnerabilitätskontexten untersucht: durch seismische Bodenerschütterungen durch die Integration von Fernerkundungstechniken (Kapitel 3); und innerhalb eines Multi-Hazard-Kontextes durch Einbeziehung des Auftretens assoziierter Tsunamis (Kapitel 4). Darin wird eine sorgfältige Auswahl der räumlichen Aggregationseinheiten bei gleichzeitigem Streben nach Recheneffizienz und Genauigkeit bei den Risikoschätzungen aufgrund solcher unabhängiger Gefahrenszenarien (d. h. Erdbeben und Tsunami) diskutiert. Daher wird in dieser Arbeit die physische Vulnerabilität von großen Gebäudeportfolios durch Tsunamis durch zwei Hauptrahmen betrachtet: Berücksichtigung und Nichtberücksichtigung der Wechselwirkung auf der Vulnerabilitätsebene, durch aufeinanderfolgende bzw. entkoppelte Gefahrenszenarien, die dann gegenübergestellt wurden. Im Gegensatz zu Kapitel 4, wo keine kumulativen Schäden angesprochen werden, werden in Kapitel 5 Daten und Ansätze, die bereits in früheren Abschnitten generiert wurden, mit einer neuartigen modularen Methode integriert, um letztendlich die wahrscheinlichen Wechselwirkungen auf der Schwachstellenebene beim Aufbau von Portfolios zu untersuchen. Dies wird getestet, indem kumulative Schäden und Verluste nach Erdbeben mit zunehmender Magnitude gefolgt von den jeweiligen Tsunamis bewertet werden. Eine solche neuartige Methode basiert auf der Möglichkeit, bestehende Fragilitätsmodelle innerhalb eines probabilistischen Rahmens wiederzuverwenden. Derselbe Ansatz wird in Kapitel 6 verfolgt, um die wahrscheinlichen kumulativen Schäden zu prognostizieren, denen ein Gebäudebestand ausgesetzt sein wird, der sich in einer vulkanischen Umgebung mit mehreren Gefahren (Aschefall und Lahare) befindet. In diesem Abschnitt wurde besonderes Augenmerk auf die Art und Weise gelegt, wie die prognostizierten Verlustmetriken an lokal exponierte Gemeinden kommuniziert werden. Koexistierende quantitative wissenschaftliche Ansätze (d. h. umfassende Expositionsmodelle; explorative Risikoszenarien mit Einzel- und Mehrfachgefahren) und semiqualitative soziale Risikowahrnehmung (d. h. Grad des Verständnisses, das die exponierten Gemeinschaften über ihr eigenes Risiko haben) wurden gemeinsam berücksichtigt. Eine solche Integration ermöglichte es dieser Arbeit schließlich auch, zur Verbesserung der Bereitschaft, der wissenschaftlichen Verbreitung auf lokaler Ebene sowie zu Technologietransferinitiativen beizutragen. Abschließend wird eine Zusammenfassung dieser These zusammen mit einigen Perspektiven für Verbesserungen und zukünftige Arbeiten präsentiert.

Description: The IUGG Yearbook is a reference document of IUGG members, administrative officers, and Association and Union Commission officers that is updated annually and distributed free of charge. Each issue endeavors to update the contact information for hundreds of persons who are actively participating in IUGG scientific activities. Information is complied throughout the year until end December. The Yearbooks are published and posted at the IUGG webpage at the beginning of the year. The Yearbooks are printed together with the Annual Reports for the preceding year in May and mailed to National Committee for Geodesy and Geophysics, Adhering Bodies, IUGG partners, and major libraries.

Description: Volcanoes are one of the Earth’s most dynamic zones and responsible for many changes in our planet. Volcano seismology aims to provide an understanding of the physical processes in volcanic systems and anticipate the style and timing of eruptions by analyzing the seismic records. Volcanic tremor signals are usually observed in the seismic records before or during volcanic eruptions. Their analysis contributes to evaluate the evolving volcanic activity and potentially predict eruptions. Years of continuous seismic monitoring now provide useful information for operational eruption forecasting. The continuously growing amount of seismic recordings, however, poses a challenge for analysis, information extraction, and interpretation, to support timely decision making during volcanic crises. Furthermore, the complexity of eruption processes and precursory activities makes the analysis challenging. A challenge in studying seismic signals of volcanic origin is the coexistence of transient signal swarms and long-lasting volcanic tremor signals. Separating transient events from volcanic tremors can, therefore, contribute to improving our understanding of the underlying physical processes. Some similar issues (data reduction, source separation, extraction, and classification) are addressed in the context of music information retrieval (MIR). The signal characteristics of acoustic and seismic recordings comprise a number of similarities. This thesis is going beyond classical signal analysis techniques usually employed in seismology by exploiting similarities of seismic and acoustic signals and building the information retrieval strategy on the expertise developed in the field of MIR. First, inspired by the idea of harmonic–percussive separation (HPS) in musical signal processing, I have developed a method to extract harmonic volcanic tremor signals and to detect transient events from seismic recordings. This provides a clean tremor signal suitable for tremor investigation along with a characteristic function suitable for earthquake detection. Second, using HPS algorithms, I have developed a noise reduction technique for seismic signals. This method is especially useful for denoising ocean bottom seismometers, which are highly contaminated by noise. The advantage of this method compared to other denoising techniques is that it doesn’t introduce distortion to the broadband earthquake waveforms, which makes it reliable for different applications in passive seismological analysis. Third, to address the challenge of extracting information from high-dimensional data and investigating the complex eruptive phases, I have developed an advanced machine learning model that results in a comprehensive signal processing scheme for volcanic tremors. Using this method seismic signatures of major eruptive phases can be automatically detected. This helps to provide a chronology of the volcanic system. Also, this model is capable to detect weak precursory volcanic tremors prior to the eruption, which could be used as an indicator of imminent eruptive activity. The extracted patterns of seismicity and their temporal variations finally provide an explanation for the transition mechanism between eruptive phases.…

Description: The Andean Cordillera is a mountain range located at the western South American margin and is part of the Eastern- Circum-Pacific orogenic Belt. The ~7000 km long mountain range is one of the longest on Earth and hosts the second largest orogenic plateau in the world, the Altiplano-Puna plateau. The Andes are known as a non-collisional subduction-type orogen which developed as a result of the interaction between the subducted oceanic Nazca plate and the South American continental plate. The different Andean segments exhibit along-strike variations of morphotectonic provinces characterized by different elevations, volcanic activity, deformation styles, crustal thickness, shortening magnitude and oceanic plate geometry. Most of the present-day elevation can be explained by crustal shortening in the last ~50 Ma, with the shortening magnitude decreasing from ~300 km in the central (15°S-30°S) segment to less than half that in the southern part (30°S-40°S). Several factors were proposed that might control the magnitude and acceleration of shortening of the Central Andes in the last 15 Ma. One important factor is likely the slab geometry. At 27-33°S, the slab dips horizontally at ~100 km depth due to the subduction of the buoyant Juan Fernandez Ridge, forming the Pampean flat-slab. This horizontal subduction is thought to influence the thermo-mechanical state of the Sierras Pampeanas foreland, for instance, by strengthening the lithosphere and promoting the thick-skinned propagation of deformation to the east, resulting in the uplift of the Sierras Pampeanas basement blocks. The flat-slab has migrated southwards from the Altiplano latitude at ~30 Ma to its present-day position and the processes and consequences associated to its passage on the contemporaneous acceleration of the shortening rate in Central Andes remain unclear. Although the passage of the flat-slab could offer an explanation to the acceleration of the shortening, the timing does not explain the two pulses of shortening at about 15 Ma and 4 Ma that are suggested from geological observations. I hypothesize that deformation in the Central Andes is controlled by a complex interaction between the subduction dynamics of the Nazca plate and the dynamic strengthening and weakening of the South American plate due to several upper plate processes. To test this hypothesis, a detailed investigation into the role of the flat-slab, the structural inheritance of the continental plate, and the subduction dynamics in the Andes is needed. Therefore, I have built two classes of numerical thermo-mechanical models: (i) The first class of models are a series of generic E-W-oriented high-resolution 2D subduction models thatinclude flat subduction in order to investigate the role of the subduction dynamics on the temporal variability of the shortening rate in the Central Andes at Altiplano latitudes (~21°S). The shortening rate from the models was then validated with the observed tectonic shortening rate in the Central Andes. (ii) The second class of models are a series of 3D data-driven models of the present-day Pampean flat-slab configuration and the Sierras Pampeanas (26-42°S). The models aim to investigate the relative contribution of the present-day flat subduction and inherited structures in the continental lithosphere on the strain localization. Both model classes were built using the advanced finite element geodynamic code ASPECT. The first main finding of this work is to suggest that the temporal variability of shortening in the Central Andes is primarily controlled by the subduction dynamics of the Nazca plate while it penetrates into the mantle transition zone. These dynamics depends on the westward velocity of the South American plate that provides the main crustal shortening force to the Andes and forces the trench to retreat. When the subducting plate reaches the lower mantle, it buckles on it-self until the forced trench retreat causes the slab to steepen in the upper mantle in contrast with the classical slab-anchoring model. The steepening of the slab hinders the trench causing it to resist the advancing South American plate, resulting in the pulsatile shortening. This buckling and steepening subduction regime could have been initiated because of the overall decrease in the westwards velocity of the South American plate. In addition, the passage of the flat-slab is required to promote the shortening of the continental plate because flat subduction scrapes the mantle lithosphere, thus weakening the continental plate. This process contributes to the efficient shortening when the trench is hindered, followed by mantle lithosphere delamination at ~20 Ma. Finally, the underthrusting of the Brazilian cratonic shield beneath the orogen occurs at ~11 Ma due to the mechanical weakening of the thick sediments covered the shield margin, and due to the decreasing resistance of the weakened lithosphere of the orogen. The second main finding of this work is to suggest that the cold flat-slab strengthens the overriding continental lithosphere and prevents strain localization. Therefore, the deformation is transmitted to the eastern front of the flat-slab segment by the shear stress operating at the subduction interface, thus the flat-slab acts like an indenter that “bulldozes” the mantle-keel of the continental lithosphere. The offset in the propagation of deformation to the east between the flat and steeper slab segments in the south causes the formation of a transpressive dextral shear zone. Here, inherited faults of past tectonic events are reactivated and further localize the deformation in an en-echelon strike-slip shear zone, through a mechanism that I refer to as “flat-slab conveyor”. Specifically, the shallowing of the flat-slab causes the lateral deformation, which explains the timing of multiple geological events preceding the arrival of the flat-slab at 33°S. These include the onset of the compression and of the transition between thin to thick-skinned deformation styles resulting from the crustal contraction of the crust in the Sierras Pampeanas some 10 and 6 Myr before the Juan Fernandez Ridge collision at that latitude, respectively.

Description: Die Andenkordillere ist ein Gebirgszug am westlichen Rand Südamerikas und Teil des östlichen zirkumpazifischen Gebirgsgürtels. Der ~7000 km lange Gebirgszug ist einer der längsten der Erde und beherbergt mit dem Altiplano-Puna-Plateau das zweitgrößte orogenetische Plateau der Welt. Die Anden sind als nicht-kollisionsbedingtes Subduktionsgebirge bekannt, das durch die Wechselwirkung zwischen der subduzierten ozeanischen Nazca-Platte und der südamerikanischen Kontinentalplatte entstanden ist. Entlang des Höhenzugs der Anden lassen sich Segmente unterschiedlicher morphotektonischer Provinzen ausmachen, die durch Variationen in topographischer Höhe, vulkanischer Aktivität, Deformationsform, Krustendicke, Krustenverkürzung und ozeanischer Plattengeometrie gekennzeichnet sind. Der größte Teil der heutigen Hebung lässt sich durch die Krustenverkürzung der letzten 50 Mio. Jahre erklären, wobei das Ausmaß der Verkürzung von ca. 300 km im zentralen Segment (15°S-30°S) auf weniger als die Hälfte im südlichen Teil (30°S-40°S) abnimmt. Es wurden mehrere Faktoren vorgeschlagen, die das Ausmaß und die Beschleunigung der Verkürzung der zentralen Anden in den letzten 15 Mio. Jahren beeinflusst haben könnten. Ein wichtiger Faktor ist wahrscheinlich die Plattengeometrie. Durch die Subduktion des Juan-Fernandez-Rückens und dessen hohe Auftriebskraft fällt die Platte bei 27-33°S in ~100 km Tiefe horizontal ein und bildet den pampeanischen flat-slab. Es wird angenommen, dass die horizontale Subduktion den thermomechanischen Zustand des Sierras-Pampeanas-Vorlandes beeinflusst, indem sie beispielsweise die Lithosphäre stärkt und die dickschalige Verlagerung der Deformation nach Osten sowie die Hebung der kristallinen Basis der Sierras-Pampeanas fördert. Vor etwa 30 Mio. Jahren verschob sich der flat-slab von der geographischen Breite des Altiplano zu seiner heutigen Position nach Süden. Die mit der Positionsverlagerung verbundenen Prozesse und Folgen für die gleichzeitige Beschleunigung der Verkürzungsraten in den zentralen Anden sind noch immer unklar. Obwohl die Passage des flat-slab eine Erklärung für dafür sein könnte, erklärt ihr Zeitpunkt nicht die beiden aus der Geologie abgeleiteten Verkürzungsimpulse vor etwa 15 und 4 Mio. Jahren. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Deformation in den zentralen Anden durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Subduktionsdynamik der Nazca-Platte und der dynamischen Materialschwächung der südamerikanischen Platte aufgrund einer Reihe von Prozessen in der oberen Platte gesteuert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, ist eine detaillierte Untersuchung der Rolle des flat-slab, sowie der strukturellen Vererbung der Kontinentalplatte und der Subduktionsdynamik in den Anden erforderlich. Daher habe ich zwei Klassen von numerischen thermomechanischen Modellen erstellt: (i) Die erste Klasse von Modellen umfasst eine Reihe von generischen E-W-orientierten 2D-Subduktionsmodellen mit hoher Auflösung. Diese beinhalten subhorizontalen Subduktion um die Rolle der Subduktionsdynamik auf die zeitliche Variabilität der Verkürzungsrate in den zentralen Anden auf dem Altiplano (~21°S) zu untersuchen. Die modellierte Verkürzungsrate wurde mit der beobachteten tektonischen Verkürzungsrate in den zentralen Anden validiert. (ii) Die zweite Klasse von Modellen besteht aus einer Reihe von datengesteuerten 3D-Modellen der heutigen pampeanischen flat-slab-Konfiguration und der Sierras Pampeanas (26-42°S). Diese Modelle zielen darauf ab, den relativen Beitrag der heutigen subhorizontalen Subduktion und der ererbten Strukturen in der kontinentalen Lithosphäre zur Dehnungslokalisierung zu untersuchen. Beide Modellklassen wurden mit Hilfe des fortschrittlichen geodynamischen Finite-Elemente-Codes ASPECT erstellt. Das erste Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass zeitliche Änderungen der Verkürzung in den Zentralanden in erster Linie durch die Subduktionsdynamik der Nazca-Platte gesteuert werden, während diese in die Mantelübergangszone eindringt. Die Dynamik hängt von der westwärts gerichteten Geschwindigkeit der südamerikanischen Platte ab, die die Hauptantriebskraft für die Krustenverkürzung in den Anden darstellt und den Subduktionsgraben zum Zurückziehen zwingt. Wenn die subduzierende Platte den unteren Erdmantel erreicht, wölbt sie sich auf, bis der erzwungene Rückzug des Grabens dazu führt, dass auch die Platte im oberen Erdmantel steiler wird. Die aufgesteilte Platte behindert wiederum den Graben, der sich der vorrückenden südamerikanischen Platte widersetzt, was eine pulsierende Verkürzung zur Folge hat. Dieses Subduktionsregime, bestehend aus Aufwölbung und Aufsteilung, könnte durch die allgemeine westwärts gerichtete Geschwindigkeitsabnahme der südamerikanischen Platte ausgelöst worden sein. Der Durchgang des flat-slab ist zudem eine notwendige Bedingung, um die Verkürzung der Kontinentalplatte voran zu treiben, da subhorizontale Subduktion Teile der Mantellithosphäre abträgt und so die Kontinentalplatte schwächt. Dieser Prozess trägt somit zur effizienten Verkürzung bei während der Graben behindert wird und ist gefolgt von der Ablösung der Mantellithosphäre vor etwa 20 Mio. Jahren. Das Subduzieren des brasilianischen kratonischen Schildes unter das Orogen erfolgte schließlich vor etwa 11 Mio. Jahren aufgrund der mechanischen Schwächung der dicken Sedimentschicht, die den Schildrand bedeckte, sowie wegen des abnehmenden Widerstands der geschwächten Gebirgslithosphäre. Das zweite Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass der kalte flat-slab die darüber liegende kontinentale Lithosphäre stärkt und damit verhindert, dass sich Verformungen lokalisieren können. Daher wird die Deformation durch die an der Subduktionsfläche wirkende Scherspannung auf die östliche Front des flat-slab-Segments übertragen. Der flat-slab wirkt wie ein Eindringling, der die unter mantle-keel bekannte Anhäufung von abgelöstem Mantelmaterial beiseite schiebt. Der Versatz in der ostwärts gerichteten Deformationsausbreitung der flachen und der steileren Plattensegmenten im Süden führt zur Bildung einer transpressiven dextralen Scherungszone. Hier werden ererbte Verwerfungen vergangener tektonischer Ereignisse reaktiviert und helfen bei der Lokalisierung neuer Deformation in einer en-echelon-artigen Scherungszone. Dies geschieht durch einen Mechanismus, den ich als "flat-slab-Conveyor" bezeichne. Das laterale Zusammenschieben wird besonders durch das Flacherwerden des flat-slab beeinflusst, welches den Zeitpunkt mehrerer geologischer Ereignisse erklärt, die der Ankunft des flat-slab bei 33°S vorangehen. Dazu gehören der Beginn der Kompression und der Übergang von dünn- zu dickschaliger Deformation, die sich aus der Krustenkontraktion in den Sierras Pampeanas etwa 10 bzw. 6 Mio. Jahre vor der Kollision mit dem Juan-Fernandez-Rücken auf diesem Breitengrad ergaben.

Description: The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment

Description: Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei.

Description: The shallow Earth’s layers are at the interplay of many physical processes: some being driven by atmospheric forcing (precipitation, temperature...) whereas others take their origins at depth, for instance ground shaking due to seismic activity. These forcings cause the subsurface to continuously change its mechanical properties, therefore modulating the strength of the surface geomaterials and hydrological fluxes. Because our societies settle and rely on the layers hosting these time-dependent properties, constraining the hydro-mechanical dynamics of the shallow subsurface is crucial for our future geographical development. One way to investigate the ever-changing physical changes occurring under our feet is through the inference of seismic velocity changes from ambient noise, a technique called seismic interferometry. In this dissertation, I use this method to monitor the evolution of groundwater storage and damage induced by earthquakes. Two research lines are investigated that comprise the key controls of groundwater recharge in steep landscapes and the predictability and duration of the transient physical properties due to earthquake ground shaking. These two types of dynamics modulate each other and influence the velocity changes in ways that are challenging to disentangle. A part of my doctoral research also addresses this interaction. Seismic data from a range of field settings spanning several climatic conditions (wet to arid climate) in various seismic-prone areas are considered. I constrain the obtained seismic velocity time-series using simple physical models, independent dataset, geophysical tools and nonlinear analysis. Additionally, a methodological development is proposed to improve the time-resolution of passive seismic monitoring.

Description: Die oberflächennahen Erdschichten sind ein Zusammenspiel vieler physikalischer Prozesse: Einige werden durch atmosphärische Einflüsse (Niederschlag, Temperatur...) angetrieben, während andere ihren Ursprung im Untergrund haben, beispielsweise Bodenerschütterungen aufgrund seismischer Aktivität. Diese Kräfte führen zu sich ständig ändernden mechanische Eigenschaften des Untergrunds, und damit auch Änderungen der Festigkeit der Geomaterialien der Oberfläche, sowie der Wasserflüsse. Als Gesellschaft leben wir auf der Erdoberfläche, und sind auf diese zeitabhängigen Eigenschaften angewiesen. Für unsere zukünftige, geographische Entwicklung ist es daher essentiell, die hydromechanischen Dynamiken des flachen Untergrunds zu verstehen. Eine Möglichkeit, die sich stetig ändernden physikalischen Eigenschaften unter unseren Füßen zu untersuchen, ist die Ableitung seismischer Geschwindigkeitsänderungen aus dem Umgebungslärm, mit Hilfe einer Technik namens seismische Interferometrie. In dieser Dissertation verwende ich diese Methode, um die Entwicklung der Grundwasserspeicherung, sowie durch Erdbeben verursachte Schäden zu untersuchen. Es werden zwei Forschungslinien untersucht, diese umfassen die Hauptkontrollen der Grundwasserneubildung in steilen Landschaften und die Vorhersagbarkeit und Dauer der transienten physikalischen Eigenschaften aufgrund von Erdbebenerschütterungen. Beide Dynamiken beeinflussen sich gegenseitig, sowie die Geschwindigkeitsänderungen im Untergrund in einer Weise, die schwer zu entschlüsseln ist. Ein Teil dieser Doktorarbeit behandelt daher auch diese Wechselwirkung. Wir verwenden seismische Daten, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (feuchtes bis trockenes Klima) in mehreren, seismisch gefährdeten Gebieten erhoben wurden. Die gewonnenen seismischen Geschwindigkeitszeitreihen werden mit Hilfe einfacher, physikalischer Modelle, unabhängiger Datensätze, geophysikalischer Instrumente und nichtlinearer Analysen untersucht. Darüber hinaus wird eine methodische Entwicklung vorgeschlagen, um die zeitliche Auflösung des passiven, seismischen Monitorings zu verbessern.

Description: Biogeochemical analyses of lacustrine environments are well-established methods that allow exploring and understanding complex systems in the lake ecosystem. However, most were conducted in temperate lakes controlled by entirely different physical conditions than in tropical climates. The most important difference between the temperate and tropical lakes is lacking seasonal temperature fluctuations in the latter, which leads to a stable temperature gradient in the water column. Thus, the water column in tropical latitudes generally is void of perturbations that can be seen in their temperate counterparts. Permanent stratification in the water column provides optimal conditions for intact sedimentation. The geochemical processes in the water column and the weathering process in the distinct lithology in the catchment leads to the different biogeochemical characteristic in the sediment. Conducting a biogeochemical study in this lake sediment, especially in the Sediment Water Interface (SWI) helps reveal the sedimentation and diagenetic process records influenced by the internal or external loading. Lake Sentani, the study area, is one of the thousands of lakes in Indonesia and located in the Papua province. This tropical lake has a unique feature, as it consists of four interconnected sub-basins with different water depths. More importantly, its catchment is comprised of various different lithologies. Hence, its lithological characteristics are highly diverse, and range from mafic and ultramafic rocks to clastic sediment and carbonates. Each sub-basin receives a distinct sediment input. Equally important, besides the natural loading, Lake Sentani is also influenced by anthropogenic input. Previous studies have elaborated that there is an increase in population growth rate around the lake which has direct consequences on eutrophication. Considering these factors, the government of The Republic of Indonesia put Lake Sentani on the list of national priority lakes for restoration. This thesis aims to develop a fundamental understanding of Lake Sentani's sedimentary geochemistry and geomicrobiology with a special focus on the effects of different lithologies and anthropogenic pressures in the catchment area. We conducted geochemical and geomicrobiology research on Lake Sentani to meet this objective. We investigated geochemical characteristics in the water column, porewater, and sediment core of the four sub-basins. Additional to direct investigations of the lake itself, we also studied the sediments in the tributary rivers, of which some are ephemeral, as well as the river mouths, as connections between riverine and the lacustrine habitat. The thesis is composed of three main publications about Lake Sentani and supported by several publications that focus on other tropical lakes in Indonesia. The first main publication investigates the geochemical characterization of the water column, porewater, and surface sediment (upper 40-50 cm) from the center of the four sub-basins. It reveals that besides catchment lithology, the water column heavily influences the geochemical characteristics in the lake sediments and their porewater. The findings indicate that water column stratification has a strong influence on overall chemistry. The four sub-basins are very different with regard to their water column chemistry. Based on the physicochemical profiles, especially dissolved oxygen, one sub-basin is oxygenated, one intermediate i.e. just reaches oxygen depletion at the sediment-water interface, and two sub-basins are fully meromictic. However, all four sub-basins share the same surface water chemistry. The structure of the water column creates differences on the patterns of anions and cations in the porewater. Likewise, the distinct differences in geochemical composition between the sub-basins show that the lithology in the catchment affects the geochemical characteristic in the sediment. Overall, water column stratification and particularly bottom water oxygenation strongly influence the overall elemental composition of the sediment and porewater composition. The second publication reveals differences in surface sediment composition between habitats, influenced by lithological variations in the catchment area. The macro-element distribution shows that the geochemical characteristics between habitats are different. Furthermore, the geochemical composition also indicates a distinct distribution between the sub-basins. The geochemical composition of the eastern sub-basin suggests that lithogenic elements are more dominant than authigenic elements. This is also supported by sulfide speciation, particle distribution, and smear slide data. The third publication is a geomicrobiological study of the surface sediment. We compare the geochemical composition of the surface sediment and its microbiological composition and compare the different signals. Next Generation Sequencing (NGS) of the 16S rRNA gene was applied to determine the microbial community composition of the surface sediment from a great number of locations. We use a large number of sampling sites in all four sub-basins as well as in the rivers and river mouths to illustrate the links between the river, the river mouth, and the lake. Rigorous assessment of microbial communities across the diverse Lake Sentani habitats allowed us to study some of these links and report novel findings on microbial patterns in such ecosystems. The main result of the Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on microbial community composition highlighted some commonalities but also differences between the microbial community analysis and the geochemical data. The microbial community in rivers, river mouths and sub-basins is strongly influenced by anthropogenic input from the catchment area. Generally, Bacteroidetes and Firmicutes could be an indicator for river sediments. The microbial community in the river is directly influenced by anthropogenic pressure and is markedly different from the lake sediment. Meanwhile, the microbial community in the lake sediment reflects the anoxic environment, which is prevalent across the lake in all sediments below a few mm burial depth. The lake sediments harbour abundant sulfate reducers and methanogens. The microbial communities in sediments from river mouths are influenced by both rivers and lake ecosystems. This study provides valuable information to understand the basic processes that control biogeochemical cycling in Lake Sentani. Our findings are critical for lake managers to accurately assess the uncertainties of the changing environmental conditions related to the anthropogenic pressure in the catchment area. Lake Sentani is a unique study site directly influenced by the different geology across the watershed and morphometry of the four studied basins. As a result of these factors, there are distinct geochemical differences between the habitats (river, river mouth, lake) and the four sub-basins. In addition to geochemistry, microbial community composition also shows differences between habitats, although there are no obvious differences between the four sub-basins. However, unlike sediment geochemistry, microbial community composition is impacted by human activities. Therefore, this thesis will provide crucial baseline data for future lake management.…

Description: Biogeochemische Studien werden schon seit langer Zeit durchgeführt. Die meisten Studien wurden jedoch in Seen der gemäßigten Zonen durchgeführt, in denen ganz andere physikalische Bedingungen herrschen als in Seen mit tropischem Klima. Der wichtigste Unterschied zwischen gemäßigten und tropischen Seen ist das Fehlen saisonaler Temperaturschwankungen in letzteren, was zu einem stabilen Temperaturgefälle in der Wassersäule führt. Die Wassersäule wird daher nicht durch wechselnde Oberflächentemperaturen gestört. Die permanente Schichtung in der Wassersäule bietet optimale Bedingungen für eine intakte Sedimentation. Geochemischen Prozesse in der Wassersäule und Verwitterungsprozesse in den unterschiedlichen Lithologien im Einzugsgebiet führen zu unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften im Sediment. Die Durchführung einer biogeochemischen Studie in diesem Seesediment, insbesondere an der Sediment-Wasser-Grenzfläche (SWI), hilft dabei, die Sedimentations- und diagenetischen Prozessaufzeichnungen aufzuzeigen, die durch interne oder externe Belastung beeinflusst werden. Der See Sentani, das Untersuchungsgebiet, ist einer von tausenden Seen in Indonesien, der in der Provinz Papua liegt. Der See wurde ausgewählt, weil er die Einzigartigkeit der tropischen Seen repräsentiert, und mit vier Unterbecken verbunden ist, welche in unterschiedlichen Wassertiefen liegen. Des Weiteren, weist sein Einzugsgebiet unterschiedliche Lithologien auf. Die Lithologie ist sehr vielfältig und reicht von mafischem und ultramafischem Gestein bis hin zu klastischen Sedimenten und Karbonaten. Somit erhält jedes Teileinzugsgebiet einen anderen Sedimenteintrag. Ebenso wichtig ist, dass dieser See neben der natürlichen Belastung auch von anthropogenen Einträgen aus seinem Einzugsgebiet beeinflusst wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zunahme des Bevölkerungswachstums eine Eutrophierung zur Folge hat. In Anbetracht dieser Faktoren wurde der See von der Regierung der Republik Indonesien zu einem der vorrangig zu restaurierenden nationalen Seen erklärt. Ziel dieser Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis der Sedimentgeochemie und Geomikrobiologie des Sentani-Sees zu entwickeln, mit besonderem Augenmerk auf die Auswirkungen verschiedener Lithologien und anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet. Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir geochemische und geomikrobiologische Untersuchungen am Sentani-See durch. Wir untersuchten die geochemischen Merkmale in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentkern der vier Teileinzugsgebiete. Wir untersuchten nicht nur den See selbst, sondern auch die Sedimente in den Nebenflüssen, von denen einige nur saisonal Wasser führen, sowie die Flussmündungen, welche die Verbindung zwischen dem fluvialen und dem lakustrinen Lebensraum darstellen. Die Arbeit ist eine Synthese aus drei Publikationen über den Sentani-See und wird durch mehrere Veröffentlichungen über andere tropische Seen in Indonesien ergänzt. Die erste Publikation untersucht die geochemischen Bedingungen in der Wassersäule, des Porenwassers und des Oberflächensediments (obere 40-50 cm) in den Zentren der vier Becken des Sees. Sie zeigt, dass neben der Lithologie des Einzugsgebiets auch die Wassersäule die geochemischen Eigenschaften der Seesedimente und ihres Porenwassers beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtung der Wassersäule einen starken Einfluss auf die Gesamtchemie hat. Die vier Teilbecken unterscheiden sich jedoch sehr stark in ihrer Wassersäulenchemie. Ausgehend von den physikalisch-chemischen Profilen, insbesondere dem gelösten Sauerstoff, ist ein Teilbecken sauerstoffreich, in einem weiteren erreicht die Sauerstoffkonzentration Werte um Null an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, und zwei Teilbecken sind vollständig meromiktisch. Alle vier Teilbecken weisen jedoch die gleiche Oberflächenwasserchemie auf. Die Struktur der Wassersäule führt zu Unterschieden in den Profilen der Anionen und Kationen im Porenwasser. Ebenso zeigen die deutlichen Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung zwischen den Teilbecken, dass die Lithologie im Einzugsgebiet die geochemischen Merkmale im Sediment beeinflusst. Insgesamt haben die Schichtung der Wassersäule und insbesondere die Sauerstoffanreicherung des Bodenwassers einen starken Einfluss auf die elementare Gesamtzusammensetzung des Sediments und die Zusammensetzung des Porenwassers. Die zweite Veröffentlichung zeigt, dass die Zusammensetzung des Oberflächensediments zwischen den Lebensräumen durch die lithologischen Unterschiede im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Die Makroelementverteilung zeigt, dass die geochemischen Merkmale zwischen den Lebensräumen unterschiedlich sind. Darüber hinaus weist die unterschiedliche geochemische Zusammensetzung auch auf eine unterschiedliche Verteilung zwischen den Teilbecken hin. Die geochemische Zusammensetzung des östlichen Teilbeckens deutet darauf hin, dass lithogene Elemente dominanter sind als authigene Elemente. Dies wird auch durch die Sulfid-Speziation, die Partikelverteilung und die Daten der Smear-Slide Analyse bestätigt. Bei der dritten Veröffentlichung handelt es sich um eine geomikrobiologische Studie des Oberflächensediments. Wir stellen die geochemische Zusammensetzung des Oberflächensediments und seine mikrobiologische Zusammensetzung gegenüber und vergleichen die verschiedenen Signale. Next Generation Sequencing (NGS) des 16S rRNA-Gens wurde angewandt, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Oberflächensediments an einer großen Anzahl von Standorten zu bestimmen. Wir verwenden eine große Anzahl von Probenahmestellen in allen vier Teilbecken sowie in den Flüssen und Flussmündungen, um die Verbindungen zwischen den Flüssen, den Flussmündungen und dem See aufzuzeigen. Eine statistische Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Lebensräumen des Sentani-Sees ermöglichte es uns, einige dieser Verbindungen zu untersuchen und einige neue Erkenntnisse über mikrobielle Muster in solchen Ökosystemen zu gewinnen. Das Hauptergebnis der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zeigte einige Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zwischen der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und den geochemischen Daten auf. Die mikrobielle Gemeinschaft in Flüssen, Flussmündungen und in den vier Teilbecken wird stark von anthropogenen Einträgen aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Im Allgemeinen könnten Bacteroidetes und Firmicutes ein Indikator für Flusssedimente sein. Die mikrobielle Gemeinschaft im Fluss wird direkt durch den anthropogenen Druck beeinflusst und unterscheidet sich deutlich von den Seesedimenten. Die mikrobielle Gemeinschaft in den Seesedimenten spiegelt das anoxische Milieu wider, das im gesamten See in allen Sedimenten unterhalb einiger mm Tiefe vorherrscht. Die Seesedimente beherbergen eine Vielzahl von Sulfatreduzierern und Methanogenen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in den Sedimenten von Flussmündungen werden sowohl von den Ökosystemen der Flüsse als auch der Seen beeinflusst. Diese Studie liefert wertvolle Informationen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse, die den biogeochemischen Kreislauf im Sentani-See steuern. Die Studie bietet den Verantwortlichen Managern des Sees wertvolle Informationen, um die Unsicherheiten der sich ändernden Umweltbedingungen im Zusammenhang mit dem anthropogenen Druck im Einzugsgebiet zu erfassen. Der Sentani-See wird direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Teilbecken und deren Einzugsgebieten beeinflusst, was ihn zu einem einzigartigen Untersuchungsgebiet macht. Dies bietet eine außergewöhnliche Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Sedimentzusammensetzung unter identischen klimatischen und hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Der Sentani-See ist ein einzigartiges Untersuchungsgebiet, das direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Einzugsgebiete beeinflusst wird. Als Ergebnis dieser Faktoren gibt es deutliche geochemische Unterschiede zwischen den Lebensräumen (Fluss, Flussmündung, See) und den vier Teileinzugsgebieten. Neben der Geochemie weist auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften Unterschiede zwischen den Lebensräumen auf, obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Teileinzugsgebieten gibt. Im Gegensatz zur Geochemie der Sedimente wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Daher wird diese Arbeit wichtige Grundlagendaten für die künftige Bewirtschaftung der Seen liefern.…

Description: As the climate crisis is accelerating and the pressure to act is steadily increasing, many companies are claiming themselves or their products carbon neutral. This is usually achieved by offsetting residual emissions with carbon certificates (carbon offsetting). However, recent revelations about the inadequate quality of carbon credits and legal uncertainties surrounding the use of such offset claims are increasingly raising doubts about this approach. This Wuppertal Report examines how the EU can promote integrity in corporate climate action. Taking into account the new framework of the Paris Agreement, the paper outlines various options for how the EU could push for more integrity and effectively combat greenwashing through the targeted use of Article 6 of the Paris Agreement. In their recommendations, the authors advocate addressing the most serious consequences of ongoing offset practices through increased regulation of offset claims. If a ban on offset claims cannot be implemented, claims requirements and carbon offset regulations should be further specified, for example, by prohibiting any type of double counting of emissions reductions. In addition to tightening the rules for corporate offset claims within Europe, the EU could help partner countries make informed decisions when approving climate change mitigation measures and respective carbon credits. The report also emphasizes the EU's special role in international climate negotiations, where it should advocate for a strong legal framework for climate action under Article 6.

Description: The production of green hydrogen in Germany is more competitive than expected compared to imports. This is the key finding of a meta-analysis conducted by the Wuppertal Institute on behalf of the North Rhine-Westphalia Association for Renewable Energies (Landesverband Erneuerbare Energien NRW). The hydrogen study focuses primarily on the year 2030 and beyond - and confirms the advantages of green hydrogen produced in Germany from domestic renewable energies, especially when the evaluation is viewed from a holistic system perspective.

Description: The adoption of the Paris Agreement in 2015 and the passing of the Climate Action Law in Germany in 2019 established the legal need for the basic material industry in Germany to decarbonise. For the industry sector, the target is sets at a 49-51% GHG reduction by 2030 compared to 1990. Even though the sector specific targets are likely to become obsolete, a Hydrogen Strategy, Industry Strategy and Climate Protection Contracts are currently being developed or elaborated on. These are to further ensure and enable the basic material industry in Germany to decarbonise. These developments are emphasising the relevance of studying the industry decarbonisation at the time of conducting this research. As the institutionalisation of the industry decarbonisation is influenced by discourse, the analysis of the discourse is an important tool for studying the power effects produced by and built into the discourse. This is the first research aiming to provide a structured analysis of the discourse on industry decarbonisation in Germany. Drawing on discourse analysis and the Multilevel-Perspectives framework, this research investigated the power and dominance of storylines to influence the discourse of the industry transformation towards decarbonisation. In this research insights were obtained into the storylines used in this discourse, the actors who are part of this discourse, the frequency of storylines used and the percentage of actors making use of these storylines. Additionally, insights were generated into the discursive network and potential coalitions. This research made use of the Discourse Network Analysis software in combination with Visone and Excel for data collection, analysis, and visualisation. Based on 117 documents of various categories from the years 2012 to 2023, the discourse on German industry decarbonisation is discovered to be dominated by storylines of mainly technological or economic nature. The general sentiment discovered by the different actors is positive with the storylines focusing on establishing the conditions for the industry to decarbonise and no resistance being communicated. The discourse is furthermore dominated by most storylines. 18 out of 27 storylines are being used by more than 56% of all actors. The high overlap in storyline indicates discursive homogeneity. The homogeneity is further indicated through the lack of emerging discourse coalitions and the therewith connected lack of struggles for discursive dominance. One coalition can be defined with some actors being deeper involved and some being less involved in the discourse. As decisions on the transition path for Germany's industry to decarbonise are still to be taken the lack of discursive struggles has come to my surprise. In the discussion I reflect on how the positive sentiment, the discursive homogeneity and the great number of dominant storylines may come about.

Description: The original objectives for introducing Energy Performance Certificates (EPCs) were 1) to make energy performance transparent in the building market, as a measure of energy costs of using a building that a potential buyer or tenant would be interested in; and 2) to encourage energy efficiency renovation. However, the current implementation of EPC schemes in the Member States still shows significant challenges in achieving these two objectives. The recast of the EU Directive on the Overall Energy Performance of Buildings (EPBD) provides a chance to enhance both the usefulness and quality of EPCs and the EPC schemes overall. This document aims to inform both the debate on the recast of the EPBD and the enhancement of national EPC schemes in EU Member States. It presents the draft policy recommendations of the Horizon 2020 QualDeEPC project for making the EPBD and the national schemes more effective, particularly for deep renovation, and enhance their quality overall. The policy recommendations particularly target the link between EPCs and deep (energy) renovation1, while increasing the levels of ambition and convergence across the EU in terms of building renovation. Deep (energy) renovation is crucial for mitigating climate change and for energy security. The EPBD and all of its articles, as well as national EPC schemes, should aim to make deep (energy) renovation the default. This objective would be embedded and ensured in EPC schemes, if the policy recommendations provided in this document were adopted and implemented.

Description: This Wuppertal Paper analyses the energy transition models of Colombia and Germany. The emphasis of the exercise is on an analysis of options for the complete decarbonization of the energy system in Colombia as a Global South country. To this end, it analyses the current situation, projections, public policy and narratives, and contrasts it with Germany as one of the countries of the Global North with which Colombia has historically maintained energy trade relations and is currently collaborating in the exploration of energy alternatives for decarbonization. Detailed analysis of sectoral energy consumption in Colombia shows the sectors with the highest fossil energy consumption (in this order): transport (fuels), industry (gas, coal), electricity generation (gas, coal) and residential (gas). We show the projected increase in demand for fuels and electricity, and calculate the amount of electricity theoretically needed to substitute fossil sources in each sector. We estimate the total electricity required for decarbonization via sector coupling and derive a first estimation of the range of additional renewable energy capacities needed to supply this demand. We find that required capacities are expectedly large (56-110 GW), depending on decarbonization pathways, and that export capacity beyond national demand may be limited. Our analysis of the policy and scenario arena in both countries finds that Colombia is still lacking both sector-specific decarbonization strategies and an embedding in a systemic vision of a systemic energy transition. Germany has more advanced sector strategies and (national) systemic visions, but lacks embedding assumptions on energy imports in a global-system analysis, i.e. in the analysis of an energy transition in potential exporting countries like Colombia. We formulate requirements to close these gaps in our conclusions.

Description: The QualDeEPC project is aiming to both improve quality and cross-EU convergence of Energy Performance Certificate schemes, and the link between EPCs and deep renovation: High-quality Energy Performance Assessment and Certification in Europe Accelerating Deep Energy Renovation. The objective of the project is to improve the practical implementation of the assessment, issuance, design, and use of EPCs as well as their renovation recommendations, in the participating countries and beyond. This report serves as a compilation of the project's proposal for an enhanced and converging EPC assessment and certification scheme. It aims to provide a detailed description on the set of practical concepts, policy proposals, and tools for an enhanced EPC scheme towards deep renovation, developed by the QualDeEPC project. The project's substantial proposals both on EU and national level are presented in a comprehensive and rational way, guiding the relevant stakeholders, in particular the policy makers and competed bodies, on which steps need to be followed so as the proposals to be adapted and how the specific values can be determined in MSs. Furthermore, this report includes the project's proposal for defining "Deep Energy Renovation" based on a modified nZEB-based approach. The project's priorities A) to G) addressed are presented in the following order in this document, reflecting the importance of the enhanced EPC template form and the training of EPC assessors in such schemes: A) Improving the recommendations for renovation, which are provided on the EPCs, towards deep energy renovation; E) High user-friendliness of the EPC, by way of an enhanced EPC template form, including an introduction of the proposed "Energy Rating" indicator; D) Regular mandatory EPC assessor training or examination on assessment and renovation recommendations, required for certification/accreditation and registry; B) Online tool for comparing EPC recommendations to deep energy renovation recommendations; C) Creating Deep Renovation Network Platforms (DRNPs); F) & G) Voluntary/mandatory advertising guidelines for EPCs and Improving compliance with the mandatory use of EPCs in real estate advertisement.

Description: Considering that 40% of the European Union's energy consumption can be traced back to its buildings, it is essential to improve their energy efficiency in order to achieve the EU's energy efficiency targets. Both the rate of energy renovation and its depth, i.e. the amount of energy savings during a renovation, need to be improved. Energy Performance Certificates (EPC), regulated by the EU's Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), are an important instrument to enhance the market uptake of energy-efficient new buildings and the energy-efficient renovation of existing buildings. Against this background, the Horizon2020 funded project QualDeEPC will work on EU-wide convergence of the building assessment and the issuance, design, and use of quality-enhanced EPCs as well as their recommendations for building renovation. The aim is to make these recommendations coherent with deep energy renovation towards a nearly-zero energy building stock by 2050. The first part of the QualDeEPC project (work package 2) aims to identify the priorities for elements of EPC schemes that show a need to be improved, and for which the project will investigate further and propose how the elements can be improved. The first step in identifying these priorities is taking stock of the existing EPC schemes. Based on the input from all national consortium partners and other sources, the Wuppertal Institute prepared this detailed overview of the country-specific EPC assessment and certification procedures and their links to other policies and programmes, existing initiatives, and projects. The analysis was based on a list of almost 50 potential options for enhancing the existing EPC schemes. The aim of this deliverable is to present this stock-taking by a detailed analysis on which of the potential enhanced EPC elements are already implemented in which form in which country, covering all 28 countries that were EU member states until 31 January 2020. All partners conducted bilateral interviews with the major actors in the EPC procedures, including executive bodies on EPC at regional and/or national level. For countries not represented in the Consortium, Wuppertal Institut and EAP conducted specific literature research, e.g. from the Concerted Action EPBD, and aimed to obtain contributions from other member states. The information collected allows a detailed presentation on the elements implemented as well as a cross-country comparison matrix (see Annex I) in this report, which outlines the current EPC practices across the EU regarding the elements of a good practice scheme or innovative improvement options, their comparability, compliance with EU legislation, and to which extent they differ or converge. The results show, once more, the high diversity in EPC schemes across the EU. They also provide useful information in at least two directions: 1) which improvement options are not yet implemented at all or in sufficient quality in most QualDeEPC partner countries as well as other EU member states, and could therefore be interesting candidates for the further work of the QualDeEPC project in development, testing, discussion, and possibly implementation of elements for enhanced and converging EPC schemes; and 2) which countries, within or beyond the QualDeEPC project, offer good practice examples for the implementation of these options that could serve to guide the development and implementation in other countries. This deliverable will thus serve as a basis for the upcoming tasks to develop priorities and actual proposals for improvement of EPC schemes.

Description: The food system faces a multitude of challenges, including high greenhouse gas emissions, threats to biodiversity, increased diet-related diseases due to unbalanced diets, and socially problematic complex supply chains. This requires not only a transformation of the agricultural economy but also a change in the diet and lifestyles of all consumers. Developing and using digital and technological innovations can help to solve these challenges. In this context, the study provides impulses on how digitalisation can contribute to transforming production and consumption and which prerequisites have to be given to achieve this. The study describes the approaches for digitalisation along the value chain. These include optimising the use of resources in agriculture - for example with the help of smart farming - and supporting consumers with digital tools and assistance systems - such as apps designed to support grocery shopping. In addition, new business models and a better connection between production and consumption processes are also possible. This includes, for example, new digital sales channels or tracking and communicating sustainability indicators such as CO2 emissions across all steps of the value chain in order to enable all stakeholders to take reliable action.

Description: 22 years are left until the German target for climate neutrality should be reached. For the industrial sector, this implies a fundamental change and an acceleration of emission reduction, as from 2000 to 2021 the sector has reduced its greenhouse gas (GHG) emissions by only 13% (ERK, 2022). For the large structures, plants and assets that are characteristic for the energy intensive industrial sectors, the timespan implies no room for delay. One sector facing particular challenges is the chemical industry. Here, fossil resources are used not only for energetic purposes but for feedstock as well, in the petrochemical industry in particular. The efforts made in the petrochemical sector thereby not only affects the sectors own emissions, but the chemicals value chain at large, including the management of end-of-life products. The dependency on energetic resources for material use also means that there is a particular connection from the chemical industry to the energy system at large, which also entails special consideration. The chemical industry also has a particular relevance to the Antwerp-Rotterdam-Rhine-Ruhr-Area (ARRRA) which hosts several large petrochemical clusters in Germany as well as the Netherlands and Belgium, with complexly interlinked production chains. In reaching the climate targets, these regions especially face significant changes and may have the opportunity to position themselves as frontrunners for industrial transformation. That is, if a successful strategy can be found. In the recent years, numerous scenario analyses and roadmaps have been released drawing out pathways for chemical industries to develop in line with national and international climate targets. This can entail mapping of technological options, important prerequisites, particular challenges as well as important opportunities and timeframes. This meta-analysis summarizes and compares the findings of some of the most recent previous works at the national, European and global level. As the goal is to investigate the various strategic options and development paths for Germany and the ARRRA, it has a particular focus on roadmaps for Germany, the Netherlands and Belgium. It takes a quantitative as well as qualitative approach, looking both at resource and production volumes, different emission reduction strategies relative importance, as well as policy recommendations and other important framework conditions. A particular focus is put on the use of non-fossil feedstocks to reduce emissions.

Description: The objectives of the urban mobility transition have been clearly set out: gaining more space for urban living, reducing noise and emissions that have a negative impact on the climate and improving air quality. That means less traffic in cities and more trips made using environmentally-friendly modes of transport - i.e., walking, cycling or foot scooters or public transport. In transport policy, the focus is generally on innovative approaches to shaping the mobility transition. This paper aims to explain the concept of exnovation in the context of the urban mobility transition and to underpin it using specific practical examples. In the course of this process, it is intended to identify the obstacles that stand in the way of rolling out the concept on an area-wide basis in order to deduce strategies and courses of action for expanding the concept in the future.

Description: Established in 2016, the German-Japanese Energy Transition Council (GJETC) strives to promote bilateral cooperation between Germany and Japan on energy transition. Among other studies and topical papers, an output paper in 2020 (Rauschen et al., 2020) already compared the energy efficiency in buildings in both countries with a particular focus on heating and cooling. One important finding of this output paper was that further efforts in the building sector are needed to improve the energy efficiency of buildings in Germany and Japan. Following the more ambitious climate protection targets in both countries, this study seeks to analyze the German and Japanese policies put in place to accelerate the decarbonization of the building sector. The decarbonization of the vast number of buildings that both Japan and Germany are facing will be a major contribution to achieving the GHG reduction targets of both countries and should continue to be discussed among experts and developed into a discussion among policy makers. This report examines and compares the characteristics of the building stock in both countries, as well as existing policies and new strategies and policies that are planned or discussed to achieve energy conservation and decarbonization of buildings. The current shape of buildings, especially houses, is greatly influenced by the land area of the country corresponding to the available space for buildings, the natural environment surrounding the country, the natural resources available, and the lifestyle and cultural ideas that have been passed down and taken root over time. Therefore, it might be difficult to compare them and the corresponding strategies and policies with the same yardstick, so we also discuss common or deviant situations. Through this joint research, we aim to find each other's advantages and challenges and to develop useful and concrete policy recommendations that will contribute to decarbonization policies in both countries.

Description: Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system. The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (〈 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency.

Description: Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (〈 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz.

Description: Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures.

Description: Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden.

Description: The geomagnetic main field is vital for live on Earth, as it shields our habitat against the solar wind and cosmic rays. It is generated by the geodynamo in the Earth’s outer core and has a rich dynamic on various timescales. Global models of the field are used to study the interaction of the field and incoming charged particles, but also to infer core dynamics and to feed numerical simulations of the geodynamo. Modern satellite missions, such as the SWARM or the CHAMP mission, support high resolution reconstructions of the global field. From the 19th century on, a global network of magnetic bservatories has been established. It is growing ever since and global models can be constructed from the data it provides. Geomagnetic field models that extend further back in time rely on indirect observations of the field, i.e. thermoremanent records such as burnt clay or volcanic rocks and sediment records from lakes and seas. These indirect records come with (partially very large) uncertainties, introduced by the complex measurement methods and the dating procedure. Focusing on thermoremanent records only, the aim of this thesis is the development of a new modeling strategy for the global geomagnetic field during the Holocene, which takes the uncertainties into account and produces realistic estimates of the reliability of the model. This aim is approached by first considering snapshot models, in order to address the irregular spatial distribution of the records and the non-linear relation of the indirect observations to the field itself. In a Bayesian setting, a modeling algorithm based on Gaussian process egression is developed and applied to binned data. The modeling algorithm is then extended to the temporal domain and expanded to incorporate dating uncertainties. Finally, the algorithm is sequentialized to deal with numerical challenges arising from the size of the Holocene dataset. The central result of this thesis, including all of the aspects mentioned, is a new global geomagnetic field model. It covers the whole Holocene, back until 12000 BCE, and we call it ArchKalmag14k. When considering the uncertainties that are produced together with the model, it is evident that before 6000 BCE the thermoremanent database is not sufficient to support global models. For times more recent, ArchKalmag14k can be used to analyze features of the field under consideration of osterior uncertainties. The algorithm for generating ArchKalmag14k can be applied to different datasets and is provided to the community ss an open source python package.

Description: Das geomagnetische Hauptfeld ist essenziell für das Leben auf der Erde, da es unseren Lebensraum gegen den Sonnenwind und kosmische Strahlung abschirmt. Es wird vom Geodynamo im Erdkern erzeugt und zeigt eine komplexe Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen. Globale Modelle des Magnetfelds werden zur Studie der Wechselwirkung von einströmenden geladenen Teilchen genutzt, aber auch um Kerndynamiken zu untersuchen und um sie in numerische Simulationen des Geodynamos einzuspeisen. Moderne Satellitenmissionen, wie SWARM und CHAMP, stützen hochauflösende Rekonstruktionen des globalen Felds. Seit dem 19. Jahrhundert wird ein globales Netzwerk von magnetischen Observatorien aufgebaut. Es wächst stetig und globale Modelle können aus den Daten, die es liefert, konstruiert werden. Geomagnetische Feldmodelle, die weiter in der Zeit zurückreichen, basieren auf indirekten Beobachtungen des Felds, d.h. auf thermoremanenten Daten, wie gebrannten Tonen oder vulkanischen Gesteinen, und auf Sedimentdaten aus Seen und Meeren. Diese indirekten Beobachtungen werden mit (teilweise sehr hohen) Unsicherheiten geliefert, die aus den komplexen Datierungs- und Messmethoden resultieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Modellierungsmethode für das globale geomagnetische Feld während des Holozäns, welche die Unsicherheiten berücksichtigt und realistische Schätzungen für die Verlässlichkeit des Modells liefert. Dabei werden lediglich thermoremanente Daten betrachtet. Diesem Ziel wird sich zunächst genähert, indem ein Schnappschuss-Modell konstruiert wird, um die unregelmäßige räumliche Verteilung der Daten und die nichtlineare Beziehung zwischen Daten und Magnetfeld zu untersuchen. In einem Bayesianischen Rahmen wird ein auf Gaussprozessen basierender Algorithmus entwickelt und zunächst auf diskretisierte Daten angewendet. Dieser Algorithmus wird dann um eine zeitabhängige Komponente ergänzt und erweitert, um Datierungsfehler zu berücksichtigen. Zuletzt wird der Algorithmus sequenzialisiert, um mit numerischen Herausforderungen umzugehen, die aufgrund der Größe des Holozän-Datensatzes bestehen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit, welches alle genannten Aspekte beinhaltet, ist ein neues globales geomagnetisches Feldmodell. Es deckt das gesamte Holozän ab, bis ins Jahr 12000 BCE, und wir nennen es ArchKalmag14k. Bei Betrachtung der Unsicherheiten, die gemeinsam mit dem Modell ermittelt werden, wird deutlich, dass die thermoremanente Datenbasis nicht ausreicht, um globale Modelle vor dem Jahr 6000 BCE zu stützen. Für jüngere Zeiträume kann ArchKalmag14k genutzt werden, um Merkmale des Erdmagnetfelds unter Berücksichtigung der a posteriori Unsicherheiten zu analysieren. Der Algorithmus, mit dem ArchKalmag14k erzeugt wurde, kann auf weitere Datensätze angewendet werden und wird als quelloffenes python-Paket zur Verfügung gestellt.

Description: Climate change and human-driven eutrophication promote the spread of harmful cyanobacteria blooms in lakes worldwide, which affects water quality and impairs the aquatic food chain. In recent times, sedimentary ancient DNA-based (sedaDNA) studies were used to probe how centuries of climate and environmental changes have affected cyanobacterial assemblages in temperate lakes. However, there is a lack of information on the consistency between sediment-deposited cyanobacteria communities versus those of the water column, and on the individual role of natural climatic changes versus human pressure on cyanobacteria community dynamics over multi-millennia time scales. Therefore, this thesis uses sedimentary ancient DNA of Lake Tiefer See in northeastern Germany to trace the deposition of cyanobacteria along the water column into the sediment, and to reconstruct cyanobacteria communities spanning the last 11,000 years using a set of molecular techniques including quantitative PCR, biomarkers, metabarcoding, and metagenome sequence analyses. The results of this thesis proved that cyanobacterial composition and species richness did not significantly differ among different water depths, sediment traps, and surface sediments. This means that the cyanobacterial community composition from the sediments reflects the water column communities. However, there is a skewed sediment deposition of different cyanobacteria groups because of DNA alteration and/or deterioration during transport along the water column to the sediment. Specifically, single filament taxa, such as Planktothrix, are poorly represented in sediments despite being abundant in the water column as shown by an additional study of the thesis on cyanobacteria seasonality. In contrast, aggregate-forming taxa, like Aphanizomenon, are relatively overrepresented in sediment although they are not abundant in the water column. These different deposition patterns of cyanobacteria taxa should be considered in future DNA-based paleolimnological investigations. The thesis also reveals a substantial increase in total cyanobacteria abundance during the Bronze Age which is not apparent in prior phases of the early to middle Holocene and is suggested to be caused by human farming, deforestation, and excessive nutrient addition to the lake. Not only cyanobacterial abundance was influenced by human activity but also cyanobacteria community composition differed significantly between phases of no, moderate, and intense human impact. The data presented in this thesis are the first on sedimentary cyanobacteria DNA since the early Holocene in a temperate lake. The results bring together archaeological, historical climatic, and limnological data with deep DNA-sequencing and paleoecology to reveal a legacy impact of human pressure on lake cyanobacteria populations dating back to approximately 4000 years.

Description: Der Klimawandel und die vom Menschen verursachte Eutrophierung fördern die Ausbreitung schädlicher Cyanobakterienblüten in Seen weltweit, was die Wasserqualität und die aquatische Nahrungskette beeinträchtigt. In jüngster Zeit wurden sedimentäre DNA (sedaDNA)-Studien verwendet, um zu untersuchen, wie sich klimatische- und menschliche Umweltveränderungen von Jahrhunderten auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen ausgewirkt haben. Jedoch fehlen bislang Informationen, wie repräsentativ die im Sediment abgelagerten Cyanobakterien und deren DNA für die Gemeinschaften der Wassersäule sind, sowie zur individuellen Rolle natürlicher klimatischer Veränderungen gegenüber dem menschlichen Einflusses auf die Dynamik von Cyanobakterien über Zeitskalen von Jahrtausenden. Daher wurde in dieser Arbeit sedimentäre alte DNA (sedaDNA) des Tiefen Sees in Nordostdeutschland verwendet, um die Ablagerung von Cyanobakterien entlang der Wassersäule in das Sediment zu verfolgen. Ein Hauptteil dieser Arbeit bildete jedoch die Rekonstruktion von Cyanobakteriengemeinschaften der letzten 11.000 Jahre, unter Verwendung einer Reihe von molekularen Techniken, darunter quantitative PCR, Biomarker, Metabarcoding und Metagenom-Sequenzanalysen. Die Ergebnisse dieser Arbeit beweisen, dass die Cyanobakterien-Zusammensetzung und der Artenreichtum zwischen verschiedenen Wassertiefen, Sedimentfallen und Oberflächensedimenten nicht signifikant unterschiedlich ist. Das bedeutet, dass die Zusammensetzung der Cyanobakteriengemeinschaften aus den Sedimenten die Gemeinschaften der Wassersäule widerspiegelt. Aufgrund von DNA-Veränderungen und/oder -Abbau während des Transports entlang der Wassersäule zum Sediment kommt es jedoch zu einer verzerrten Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten. Insbesondere sind filamentose Arten wie Planktothrix in Sedimenten schlecht vertreten, obwohl sie, laut Ergebnissen einer zusätzlichen Studie dieser Arbeit zur Saisonalität von Cyanobakterien, in der Wassersäule reichlich vorhanden sind. Im Gegensatz dazu sind aggregatbildende Arten wie Aphanizomenon in Sedimenten relativ gesehen überrepräsentiert, obwohl sie in der Wassersäule relativ selten vorkommen. Diese unterschiedlichen Muster zur Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten sollten in zukünftigen DNA-basierten paläolimnologischen Untersuchungen berücksichtigt werden. Die Dissertation zeigt auch eine deutliche Zunahme der Cyanobakterien Abundanz während der Bronzezeit, die in vorhergehenden Phasen des frühen und mittleren Holozäns nicht erkennbar war. Dies ist wahrscheinlich durch menschliche Landwirtschaft, Entwaldung und übermäßige Nährstoffzufuhr in den See verursacht worden. Nicht nur die Abundanz von Cyanobakterien wurde durch menschliche Aktivitäten beeinflusst, sondern auch die Zusammensetzung von deren Gemeinschaften, die sich signifikant zwischen Phasen unterscheidet, die durch keinen, moderaten, und intensiven menschlichen Einfluss gekennzeichnet sind. Die in dieser Dissertation präsentierten Daten sind die ersten zu sedimentärer Cyanobakterien-DNA seit dem frühen Holozän eines Sees der gemäßigte Klimazone. Die Ergebnisse vereinen archäologische, historische, klimatische und limnologische Daten mit hochaufgelöster und Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung und belegen, dass der menschliche Einfluss auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen etwa 4000 Jahre zurückreicht.

Description: Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming.

Description: Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten.

Description: Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden) by Zang et al. (2017). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1). An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broadband seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding. To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3).

Description: Hydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mit unterschiedlichen Injektionsstrategien durchgeführt. Die detaillierte Auswertung der Bruch-Experimente in dieser Dissertation zielt darauf ab, die Nutzbarkeit von hydraulischen Stimulationen (hydraulic fracturing, HF) in EGS zu untersuchen und das Verständnis von Bruchprozessen sowie der hydromechanischen Beziehung zur induzierten Seismizität zu verbessern. Um die Schallemissionsaktivität (acoustic emissions, AE), die durch 11 piezoelektrische AE-Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet wurde, zu extrahieren und zu charakterisieren, wurde ein halbautomatischer, wellenformbasierter Detektions-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsworkflow entwickelt. Mit Hilfe des resultierenden Katalogs von 20000 AEs wurde das Bruchwachstum detailliert kartiert und charakterisiert. Das Experiment mit der neuartigen, zyklischen Injektionsstrategie (HF3) weist einen geringeren seismischen Fußabdruck auf als die Standard-Injektionsstrategie. HF3 induzierte weniger AEs und eine kleinere Maximalmagnitude. Außerdem hatte das Experiment einen signifikant höheren b-Wert, was einer verringerten Anzahl von großen AEs relativ zur Anzahl der kleineren AEs entspricht. Darüber hinaus zeigte HF3 eine erhöhte Komplexität im Bruchmuster mit mehreren Brüchen bzw. einem Netzwerk von Brüchen. Im Gegensatz dazu entwickelten die Standard-Injektionen einzelne, ebene Bruchzonen (Publikation 1). Zusätzlich zu den induzierten AEs wurden transiente, langperiodische Signale auf den horizontalen Komponenten von zwei Breitband-Seismometern, die wenige Meter von den Brüchen installiert waren, ausgewertet. Diese Signale wurden als Neigungssignale interpretiert und mit modellierten Neigungssignalen verglichen. Der Vergleich zeigt unabhängig, dass hydraulische Brüche geöffnet wurden und bestätigt, dass die AE-basierte Analyse die Bruchgeometrie verlässlich kartieren kann. Die gemeinsame Betrachtung von AEs und Neigungssignalen offenbart verschiedene Phasen des Bruchprozesses: das (wiederholte) Öffnen des Bruches, das Bruchwachstum und das weitere Wachsen des Bruches nach dem Ende der Injektion. Außerdem liefert die Analyse Hinweise auf die Reaktivierung einer natürlichen Bruchzone in einem der Experimente (Publikation 2). Eine neuentwickelte und hier präsentierte Wellenform-Ähnlichkeitsanalyse, die Informationen des gesamten Sensornetzwerkes nutzt und zum ersten Mal auf einen umfangreichen AE-Katalog angewendet wurde, unterstützt diese Interpretation. Um zu validieren, ob die verringerte Seismizität während der zyklischen Injektion auf der Meter-Skala (Bergwerk) auf andere Maßstäbe übertragbar ist, wurden Energie-Budgets für Injektionsexperimente aus zuvor durchgeführten Laborversuchen und aus einem Tiefengeothermie-Projekt berechnet. Über alle drei Skalen hinweg zeigen die zyklischen Injektionen einen verringerten seismischen Fußabdruck mit kleineren Maximalmagnituden, größeren b-Werte und einem kleineren Verhältnis von seismisch-abgestrahlter zu injizierter Energie(Publikation 3).

Description: Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled? In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2). In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3). The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on farfield stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydromechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges.

Description: Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden? In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1). Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2). In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3). Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h. bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen.

Description: River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale. The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a…zeige mehr Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten.

Description: Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können. Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden.

Description: Major challenges during geothermal exploration and exploitation include the structural-geological characterization of the geothermal system and the application of sustainable monitoring concepts to explain changes in a geothermal reservoir during production and/or reinjection of fluids. In the absence of sufficiently permeable reservoir rocks, faults and fracture networks are preferred drilling targets because they can facilitate the migration of hot and/or cold fluids. In volcanic-geothermal systems considerable amounts of gas emissions can be released at the earth surface, often related to these fluid-releasing structures. In this thesis, I developed and evaluated different methodological approaches and measurement concepts to determine the spatial and temporal variation of several soil gas parameters to understand the structural control on fluid flow. In order to validate their potential as innovative geothermal exploration and monitoring tools, these methodological approaches were applied to three different volcanic-geothermal systems. At each site an individual survey design was developed regarding the site-specific questions. The first study presents results of the combined measurement of CO2 flux, ground temperatures, and the analysis of isotope ratios (δ13CCO2, 3He/4He) across the main production area of the Los Humeros geothermal field, to identify locations with a connection to its supercritical (T 〉 374◦C and P 〉 221 bar) geothermal reservoir. The results of the systematic and large-scale (25 x 200 m) CO2 flux scouting survey proved to be a fast and flexible way to identify areas of anomalous degassing. Subsequent sampling with high resolution surveys revealed the actual extent and heterogenous pattern of anomalous degassing areas. They have been related to the internal fault hydraulic architecture and allowed to assess favourable structural settings for fluid flow such as fault intersections. Finally, areas of unknown structurally controlled permeability with a connection to the superhot geothermal reservoir have been determined, which represent promising targets for future geothermal exploration and development. In the second study, I introduce a novel monitoring approach by examining the variation of CO2 flux to monitor changes in the reservoir induced by fluid reinjection. For that reason, an automated, multi-chamber CO2 flux system was deployed across the damage zone of a major normal fault crossing the Los Humeros geothermal field. Based on the results of the CO2 flux scouting survey, a suitable site was selected that had a connection to the geothermal reservoir, as identified by hydrothermal CO2 degassing and hot ground temperatures (〉 50 °C). The results revealed a response of gas emissions to changes in reinjection rates within 24 h, proving an active hydraulic communication between the geothermal reservoir and the earth surface. This is a promising monitoring strategy that provides nearly real-time and in-situ data about changes in the reservoir and allows to timely react to unwanted changes (e.g., pressure decline, seismicity). The third study presents results from the Aluto geothermal field in Ethiopia where an area-wide and multi-parameter analysis, consisting of measurements of CO2 flux, 222Rn, and 220Rn activity concentrations and ground temperatures was conducted to detect hidden permeable structures. 222Rn and 220Rn activity concentrations are evaluated as a complementary soil gas parameter to CO2 flux, to investigate their potential to understand tectono-volcanic degassing. The combined measurement of all parameters enabled to develop soil gas fingerprints, a novel visualization approach. Depending on the magnitude of gas emissions and their migration velocities the study area was divided in volcanic (heat), tectonic (structures), and volcano-tectonic dominated areas. Based on these concepts, volcano-tectonic dominated areas, where hot hydrothermal fluids migrate along permeable faults, present the most promising targets for future geothermal exploration and development in this geothermal field. Two of these areas have been identified in the south and south-east which have not yet been targeted for geothermal exploitation. Furthermore, two unknown areas of structural related permeability could be identified by 222Rn and 220Rn activity concentrations. Eventually, the fourth study presents a novel measurement approach to detect structural controlled CO2 degassing, in Ngapouri geothermal area, New Zealand. For the first time, the tunable diode laser (TDL) method was applied in a low-degassing geothermal area, to evaluate its potential as a geothermal exploration method. Although the sampling approach is based on profile measurements, which leads to low spatial resolution, the results showed a link between known/inferred faults and increased CO2 concentrations. Thus, the TDL method proved to be a successful in the determination of structural related permeability, also in areas where no obvious geothermal activity is present. Once an area of anomalous CO2 concentrations has been identified, it can be easily complemented by CO2 flux grid measurements to determine the extent and orientation of the degassing segment. With the results of this work, I was able to demonstrate the applicability of systematic and area-wide soil gas measurements for geothermal exploration and monitoring purposes. In particular, the combination of different soil gases using different measurement networks enables the identification and characterization of fluid-bearing structures and has not yet been used and/or tested as standard practice. The different studies present efficient and cost-effective workflows and demonstrate a hands-on approach to a successful and sustainable exploration and monitoring of geothermal resources. This minimizes the resource risk during geothermal project development. Finally, to advance the understanding of the complex structure and dynamics of geothermal systems, a combination of comprehensive and cutting-edge geological, geochemical, and geophysical exploration methods is essential.

Description: Zu den großen Herausforderungen bei der Erkundung und Nutzung geothermischer Ressourcen, gehören die strukturgeologische Charakterisierung eines geothermischen Systems sowie die Anwendung nachhaltiger Überwachungskonzepte, um Veränderungen im geothermischen Reservoir während der Förderung und/oder Injektion von Fluiden zu verstehen. Bei unzureichender Permeabilität des Reservoirgesteins stellen Verwerfungen und Kluftnetzwerke bevorzugte Bohrziele dar, da sie potentielle Wegsamkeiten für heiße und/oder kalte Fluide sind. Entlang dieser fluidführenden Strukturen können in vulkanisch-geothermischen Systemen auch erhebliche Mengen an Gasemissionen an der Erdoberfläche freigesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene methodische Ansätze und Messkonzepte entwickelt und getestet, um die räumliche und zeitliche Variation verschiedener Bodengasparameter zu bestimmen und diese im Kontext struktureller Permeabilitäten zu interpretieren. Um das Potential der Bodengasanalytik als innovative geothermische Explorations- und Überwachungsmethode zu validieren, wurden die methodischen Ansätze auf drei verschiedene vulkanisch-geothermische Systeme angewendet. Diesbezüglich wurde für jeden Standort ein individueller Messansatz hinsichtlich der bekannten strukturgeologischen Merkmale und standortspezifischen Fragestellung entwickelt. Die erste Studie präsentiert Ergebnisse aus der kombinierten Messung des CO2-Flusses, der Bodentemperatur und der Analyse von Isotopenverhältnissen (δ13CCO2, 3He/4He), welche systematisch und flächendeckend in der geothermischen Produktionszone des Geothermalfeldes Los Humeros, Mexiko, gemessen wurden. Ziel war es, Bereiche mit einer Verbindung zum überkritischen (T 〉 374◦C and P 〉 221 bar) und bisher noch ungenutzten geothermischen Reservoir zu identifizieren. Das mit großem Punktabstand und systematisch generierte Messnetz (25 x 200 m) für die Bestimmung des CO2-Flusses erwies sich als schnelle und flexible Anwendung zur Identifizierung von Gebieten mit anomaler CO2-Entgasung. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde anschließend mit geringeren Messabständen die genaue Ausdehnung und das heterogene Muster der anomalen Entgasungsgebiete aufgelöst. Dadurch war es möglich, die Entgasungsmuster mit der internen strukturgeologischen Heterogenität einzelner Störungssegmente in Verbindung zu bringen, wodurch Bereiche, die den Gasfluss besonders begünstigen, wie z.B. Störungsschnittpunkte, ermittelt werden konnten. Schließlich wurden vorher unbekannte, geothermisch interessante Bereiche, die eine erhöhte strukturelle Permeabilität aufweisen und eine Verbindung zum überkritischen Reservoir darstellen, identifiziert. Diese Bereiche gelten als besonders vielversprechend für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung des Geothermalfeldes. In der zweiten Studie wird ein neuartiger Überwachungsansatz vorgestellt, bei dem kontinuierlich der CO2-Fluss gemessen wurde, um Veränderungen im Reservoir zu überwachen, die durch die Reinjektion von kaltem Thermalwasser verursacht werden. Zu diesem Zweck wurde ein automatisiertes Mehrkammer-CO2-Flusssystem innerhalb der Bruchzone einer Hauptstörung aufgebaut. Die Grundlage eines geeigneten Standortes wurde durch die Ergebnisse der CO2-Explorationsuntersuchungen gegeben. Es war von großer Wichtigkeit, dass der Standort eine Verbindung zum geothermischen Reservoir aufweist, erkennbar an hydrothermaler CO2-Entgasung und heißen Bodentemperaturen (〉 50 °C). Die Ergebnisse zeigten ein Sinken der Gasemissionen als Reaktion auf Änderungen der Reinjektionsraten innerhalb von 24 h, was auf eine aktive hydraulische Kommunikation zwischen dem geothermischen Reservoir und der Erdoberfläche hinweist. Dies ist ein vielversprechende Methode, da nahezu in Echtzeit und in situ Daten über Veränderungen im Reservoir angezeigt werden und eine rechtzeitige Reaktion auf unerwünschte Veränderungen (z.B. Druckabfall, Seismizität) möglich ist. Die dritte Studie präsentiert Ergebnisse aus dem Aluto-Geothermiefeld in Äthiopien, bei dem eine flächendeckende, Multiparameter-Analyse, bestehend aus CO2-Fluss, 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen und Bodentemperaturen durchgeführt wurde, um verborgene fluidführende Strukturen zu erkennen. Die 222Rn- und 220Rn-Aktivitätskonzentrationen wurden als ergänzende Bodengasparameter zum CO2-Fluss verwendet, um ihr Potenzial als zusätzliche Explorationsparameter zu bewerten. Die kombinierte Messung aller Parameter ermöglichte die Entwicklung von Bodengas Fingerabdrücken – ein neuartiger Visualisierungsansatz. Dadurch lässt sich in Abhängigkeit von der Menge an Gasemissionen und deren Fließgeschwindigkeiten das Untersuchungsgebiet in vulkanisch (Wärme), tektonisch (Strukturen) und vulkanischtektonisch dominierte Gebiete unterteilen. Basierend auf diesem Konzept stellen vulkanischtektonisch dominierte Gebiete die vielversprechendsten Ziele für die zukünftige geothermische Exploration und Entwicklung an diesem Standort dar, da hier heiße hydrothermale Fluide entlang durchlässiger Strukturen migrieren. Zwei solche, bisher nicht berücksichtigte Gebiete wurden im Süden und Südosten identifiziert. Darüber hinaus konnten zwei bisher unbekannte Gebiete mit strukturell bedingter Durchlässigkeit anhand der Aktivitätskonzentrationen von 222Rn und 220Rn identifiziert werden. Schließlich wird in der vierten Studie ein neuartiger Messansatz zum Nachweis der strukturbedingten CO2-Entgasung im geothermischen Gebiet Ngapouri, Neuseeland, vorgestellt. Zum ersten Mal wurde die Tunable-Diode-Laser-Methode (TDL) in einem geothermischen Gebiet mit geringer Entgasung angewandt, um ihr Potenzial als geothermische Explorationsmethode zu bewerten. Obwohl der Messansatz auf Profilmessungen basiert, was zu einer geringen räumlichen Auflösung führt, zeigen die Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen bekannten und unbekannten Störungen sowie erhöhten CO2-Konzentrationen. Somit erwies sich die TDL-Methode bei der Bestimmung der strukturbedingten Permeabilität auch in solchen Gebieten als erfolgreich, in denen keine offensichtliche geothermische Aktivität vorhanden ist. Mit systematischen und kleinskaligen CO2-Fluss-Messungen, kann anschließend die räumliche Auflösung der Abschnitte eines Profils mit erhöhten CO2-Konzentrationen, verfeinert werden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnte ich die Anwendbarkeit systematischer und flächendeckender Bodengasmessungen für geothermische Explorations- und Überwachungszwecke nachweisen. Die Kombination von verschiedenen Bodengasen und deren Messung anhand verschiedener Messnetze ermöglicht die genaue Identifizierung und Charakterisierung fluidführender Strukturen und wurde bisher noch nicht standardmäßig eingesetzt und/oder erprobt. Mit den Ergebnissen der jeweiligen Studien werden effiziente und kostengünstige Arbeitsabläufe dargelegt, die einen praxisorientierten Ansatz zeigen, der zu einer erfolgreichen und nachhaltigen Exploration und Überwachung geothermischer Ressourcen beitragen kann. Letztlich wird somit das Ressourcenrisiko bei der geothermischen Projektentwicklung minimiert. Um das Verständnis der komplexen Struktur und Dynamik geothermischer Systeme voranzutreiben, ist schließlich eine Kombination aus innovativen und flächendeckenden geologischen, geochemischen und geophysikalischen Methoden unerlässlich.

Description: The Andes are a ~7000 km long N-S trending mountain range developed along the South American western continental margin. Driven by the subduction of the oceanic Nazca plate beneath the continental South American plate, the formation of the northern and central parts of the orogen is a type case for a non-collisional orogeny. In the southern Central Andes (SCA, 29°S-39°S), the oceanic plate changes the subduction angle between 33°S and 35°S from almost horizontal (〈 5° dip) in the north to a steeper angle (~30° dip) in the south. This sector of the Andes also displays remarkable along- and across- strike variations of the tectonic deformation patterns. These include a systematic decrease of topographic elevation, of crustal shortening and foreland and orogenic width, as well as an alternation of the foreland deformation style between thick-skinned and thin-skinned recorded along- and across the strike of the subduction zone. Moreover, the SCA are a very seismically active region. The continental plate is characterized by a relatively shallow seismicity (〈 30 km depth) which is mainly focussed at the transition from the orogen to the lowland areas of the foreland and the forearc; in contrast, deeper seismicity occurs below the interiors of the northern foreland. Additionally, frequent seismicity is also recorded in the shallow parts of the oceanic plate and in a sector of the flat slab segment between 31°S and 33°S. The observed spatial heterogeneity in tectonic and seismic deformation in the SCA has been attributed to multiple causes, including variations in sediment thickness, the presence of inherited structures and changes in the subduction angle of the oceanic slab. However, there is no study that inquired the relationship between the long-term rheological configuration of the SCA and the spatial deformation patterns. Moreover, the effects of the density and thickness configuration of the continental plate and of variations in the slab dip angle in the rheological state of the lithosphere have been not thoroughly investigated yet. Since rheology depends on composition, pressure and temperature, a detailed characterization of the compositional, structural and thermal fields of the lithosphere is needed. Therefore, by using multiple geophysical approaches and data sources, I constructed the following 3D models of the SCA lithosphere: (i) a seismically-constrained structural and density model that was tested against the gravity field; (ii) a thermal model integrating the conversion of mantle shear-wave velocities to temperature with steady-state conductive calculations in the uppermost lithosphere (〈 50 km depth), validated by temperature and heat-flow measurements; and (iii) a rheological model of the long-term lithospheric strength using as input the previously-generated models. The results of this dissertation indicate that the present-day thermal and rheological fields of the SCA are controlled by different mechanisms at different depths. At shallow depths (〈 50 km), the thermomechanical field is modulated by the heterogeneous composition of the continental lithosphere. The overprint of the oceanic slab is detectable where the oceanic plate is shallow (〈 85 km depth) and the radiogenic crust is thin, resulting in overall lower temperatures and higher strength compared to regions where the slab is steep and the radiogenic crust is thick. At depths 〉 50 km, largest temperatures variations occur where the descending slab is detected, which implies that the deep thermal field is mainly affected by the slab dip geometry. The outcomes of this thesis suggests that long-term thermomechanical state of the lithosphere influences the spatial distribution of seismic deformation. Most of the seismicity within the continental plate occurs above the modelled transition from brittle to ductile conditions. Additionally, there is a spatial correlation between the location of these events and the transition from the mechanically strong domains of the forearc and foreland to the weak domain of the orogen. In contrast, seismicity within the oceanic plate is also detected where long-term ductile conditions are expected. I therefore analysed the possible influence of additional mechanisms triggering these earthquakes, including the compaction of sediments in the subduction interface and dehydration reactions in the slab. To that aim, I carried out a qualitative analysis of the state of hydration in the mantle using the ratio between compressional- and shear-wave velocity (vp/vs ratio) from a previous seismic tomography. The results from this analysis indicate that the majority of the seismicity spatially correlates with hydrated areas of the slab and overlying continental mantle, with the exception of the cluster within the flat slab segment. In this region, earthquakes are likely triggered by flexural processes where the slab changes from a flat to a steep subduction angle. First-order variations in the observed tectonic patterns also seem to be influenced by the thermomechanical configuration of the lithosphere. The mechanically strong domains of the forearc and foreland, due to their resistance to deformation, display smaller amounts of shortening than the relatively weak orogenic domain. In addition, the structural and thermomechanical characteristics modelled in this dissertation confirm previous analyses from geodynamic models pointing to the control of the observed heterogeneities in the orogen and foreland deformation style. These characteristics include the lithospheric and crustal thickness, the presence of weak sediments and the variations in gravitational potential energy. Specific conditions occur in the cold and strong northern foreland, which is characterized by active seismicity and thick-skinned structures, although the modelled crustal strength exceeds the typical values of externally-applied tectonic stresses. The additional mechanisms that could explain the strain localization in a region that should resist deformation are: (i) increased tectonic forces coming from the steepening of the slab and (ii) enhanced weakening along inherited structures from pre-Andean deformation events. Finally, the thermomechanical conditions of this sector of the foreland could be a key factor influencing the preservation of the flat subduction angle at these latitudes of the SCA.

Description: Die Anden sind eine ~7000 km lange N-S-verlaufende Hochgebirgskette, die entlang des westlichen südamerikanischen Kontinentalrandes entstanden ist. Aufgrund der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter die kontinentale südamerikanische Platte ist die Bildung des nördlichen und zentralen Teils des Gebirges typisch für eine nicht-kollisionale Orogenese. In den südlichen Zentralanden (SZA, 29-39° S) verändert sich der Subduktionswinkel der ozeanischen Platte zwischen 33 ° S und 35 ° S von fast horizontal (〈 5° Einfallen) im Norden zu einem steileren Winkel (~ 30 ° Einfallen) im Süden. Begleitet wird dieser Trend von systematischen, Süd-gerichteten Abnahmen der topographischen Erhebung, der Krusteneinengung und der Vorland- und Orogenbreite, sowie von Variationen im Deformationsstil des Vorlandes, wo die Einengung des Deckgebirges in unterschiedlichem Maße von einer entsprechenden Deformation des Grundgebirges begleitet wird. . Darüber hinaus sind die SZA eine seismisch sehr aktive Region. Die Kontinentalplatte zeichnet sich durch eine relativ flache Seismizität (〈 30 km Tiefe) aus, die sich hauptsächlich auf die Übergänge vom Orogen zu den Vorlandbereichen konzentriert; im Gegensatz dazu tritt tiefere Seismizität in den zentralen Bereichen des nördlichen Vorlandes auf. Darüber hinaus ist häufig auftretende Seismizität auch in den flachen Teilen der ozeanischen Platte und im Plattensegment mit flach einfallender Subduktion zwischen 31 ° S und 33 ° S festzustellen. Die beobachtete räumliche Heterogenität der tektonischen und seismischen Deformation in den SZA wurde auf mehrere Ursachen zurückgeführt, darunter Schwankungen der Sedimentmächtigkeit, das Vorhandensein vererbter Strukturen und Veränderungen des Subduktionswinkels der ozeanischen Platte. Es gibt jedoch bislang keine Studie, die den Zusammenhang zwischen der langfristigen rheologischen Konfiguration der SZA und den räumlichen Deformationsmustern untersucht hat. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Dichte- und Mächtigkeitsvariationen in der kontinentalen Oberplatte und der verschiedenen Subduktionswinkel auf den rheologischen Zustand der Lithosphäre noch nicht grundlegend untersucht. Da die Rheologie von der Gesteinsart, dem Druck und der Temperatur abhängt, ist eine detaillierte Charakterisierung der Zusammensetzung, Struktur und des thermischen Feldes der Lithosphäre erforderlich. Daher habe ich unter Verwendung kombinierter Modellierungsansätze und geophysikalischer Daten die folgenden 3D Modelle für die Lithosphäre der SZA konstruiert: (i) ein auf seismischen Daten basierendes Struktur- und Dichtemodell, das anhand des beobachteten Schwerefeldes validiert wurde; (ii) ein thermisches Modell, das die Umwandlung von Mantelscherwellengeschwindigkeiten in Temperaturen mit Berechnungen des konduktiven Wärmetransports für stationäre Bedingungen in der obersten Lithosphäre (〈50 km Tiefe) integriert und durch Temperatur- und Wärmeflussmessungen validiert wurde; und (iii) ein rheologisches Modell der langfristig bedingten Lithosphärenfestigkeit, das auf den zuvor erzeugten Modellen gründet. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die thermischen und rheologischen Bedingungen in den heutigen SZA durch verschiedene Mechanismen in unterschiedlichen Tiefen gesteuert werden. In flachen Tiefen (〈 50 km) wird das thermomechanische Feld durch die heterogene Zusammensetzung der kontinentalen Lithosphäre differenziert. Eine Überprägung durch die ozeanische Platte ist dort nachweisbar, wo die ozeanische Platte flach (〈 85 km tief) und die radiogene Kruste dünn ist, was insgesamt zu niedrigeren Temperaturen und einer höheren Festigkeit im Vergleich zu Bereichen führt, in denen die Platte steil einfällt und die radiogene Kruste dick ist. In Tiefen 〉 50 km treten die größten Temperaturschwankungen dort auf, wo die subduzierten Platte nachgewiesen wurde, was bedeutet, dass das tiefe thermische Feld den Subduktionswinkel gesteuert wird. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit legen nahe, dass der langfristige thermomechanische Zustand der Lithosphäre die räumliche Verteilung rezenter Seismizität beeinflusst. Der größte Anteil innerhalb der Kontinentalplatte registrierter Erdbebentätigkeit tritt oberhalb des modellierten Übergangs von spröden zu duktilen Bedingungen auf. Außerdem besteht eine räumliche Korrelation zwischen Erdbebenclustern und den Übergängen von den mechanisch rigideren Vorlandbereichen (Forearc und Foreland) zum mechanisch schwächeren Orogen. Demgegenüber wird vermehrte Seismizität innerhalb der ozeanischen Platte auch dort nachgewiesen, wo entsprechend der Modellierung langfristig duktile Bedingungen erwartet werden. Ich habe daher den möglichen Einfluss zusätzlicher Mechanismen untersucht, die ein Auslösen dieser Erdbeben begünstigen könnten, darunter die Kompaktion von Sedimenten an der Subduktionsgrenzfläche und Dehydrationsreaktionen innerhalb der Platte. Dazu habe ich eine qualitative Analyse des Hydratationszustandes des Mantels unter Verwendung des Verhältnisses zwischen Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit (Vp/Vs-Verhältnis aus einemseismischen Tomographiemodell) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass der Großteil der Seismizität räumlich mit hydratisierten Bereichen in der subduzierten Platte und im darüber liegenden kontinentalen Mantel korreliert, mit Ausnahme eines Erdbebenclusters, das innerhalb des flachen Plattensegments auftritt. In diesem Bereich wechselt die subduzierte Platte von einem flachen in einen steilen Subduktionswinkel und Erdbeben werden wahrscheinlich durch Biegevorgänge in der Platte ausgelöst. Auch die wichtigsten Variationen in den beobachteten tektonischen Mustern scheinen durch die thermomechanische Konfiguration der Lithosphäre beeinflusst zu sein. Die mechanisch starken Bereiche von Forearc und Foreland zeigen aufgrund ihrer Verformungsbeständigkeit geringere Verkürzungsraten als der relativ schwache Bereich des Orogens. Darüber hinaus bestätigen die in dieser Dissertation modellierten strukturellen und thermomechanischen Eigenschaften der Lithosphäre auch frühere Analysen geodynamischer Simulationen, denen zufolge der Deformationsstil im Orogen- und Vorlandbereich jeweils von Variationen in der Lithosphären- und Krustendicke, im Vorhandensein schwacher Sedimente und in der gravitativen potentiellen Energie kontrolliert wird. Eine Sonderstellung nimmt der nordöstliche Vorlandbereich der SZA ein, wo eine verstärkte Seismizität und eine das Deck-und Grundgebirge erfassende Deformation zu beobachten sind, obwohl die modellierte Krustenfestigkeit dort Werte übersteigt, die für die in diesem Gebiet anzunehmenden tektonischen Spannungen typisch wären. . Mechanismen zur Lokalisierung verstärkter Deformation in einem Gebiet beitragen können, das nach den vorliegenden Modellen einer tektonischen Verformung widerstehen sollte, sind: (i) erhöhte tektonische Kräfte durch ein steileres Abtauchen der Platte und (ii) Schwächezonen in der Kruste, die auf prä-andine Deformationsereignisse zurückgehen. Schließlich könnten die thermomechanischen Bedingungen in diesem Teil des Vorlands einchlüsselfaktor für die Erhaltung des flachen Subduktionswinkels in diesen Breiten der SZA sein.

Description: These short, informal newsletters, issued every month on approximately the first day of the month, are intended to keep IUGG Member National Committees informed about the activities of the IUGG Associations and actions of the IUGG Secretariat. Special issues are sometimes distributed mid-month as deemed appropriate. The content usually includes a synopsis of scientific meetings during the following three months in order to illustrate the disciplinary and geographical diversity of IUGG interests. E-Journals may be forwarded to those who will benefit from the information.

Description: Seismology, like many scientific fields, e.g., music information retrieval and speech signal pro- cessing, is experiencing exponential growth in the amount of data acquired by modern seismo- logical networks. In this thesis, I take advantage of the opportunities offered by "big data" and by the methods developed in the areas of music information retrieval and machine learning to predict better the ground motion generated by earthquakes and to study the properties of the surface layers of the Earth. In order to better predict seismic ground motions, I propose two approaches based on unsupervised deep learning methods, an autoencoder network and Generative Adversarial Networks. The autoencoder technique explores a massive amount of ground motion data, evaluates the required parameters, and generates synthetic ground motion data in the Fourier amplitude spectra (FAS) domain. This method is tested on two synthetic datasets and one real dataset. The application on the real dataset shows that the substantial information contained within the FAS data can be encoded to a four to the five-dimensional manifold. Consequently, only a few independent parameters are required for efficient ground motion prediction. I also propose a method based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN) for simulating ground motion records in the time-frequency and time domains. CGAN generates the time-frequency domains based on the parameters: magnitude, distance, and shear wave velocities to 30 m depth (VS30). After generating the amplitude of the time-frequency domains using the CGAN model, instead of classical conventional methods that assume the amplitude spectra with a random phase spectrum, the phase of the time-frequency domains is recovered by minimizing the observed and reconstructed spectrograms. In the second part of this dissertation, I propose two methods for the monitoring and characterization of near-surface materials and site effect analyses. I implement an autocorrelation function and an interferometry method to monitor the velocity changes of near-surface materials resulting from the Kumamoto earthquake sequence (Japan, 2016). The observed seismic velocity changes during the strong shaking are due to the non-linear response of the near-surface materials. The results show that the velocity changes lasted for about two months after the Kumamoto mainshock. Furthermore, I used the velocity changes to evaluate the in-situ strain-stress relationship. I also propose a method for assessing the site proxy "VS30" using non-invasive analysis. In the proposed method, a dispersion curve of surface waves is inverted to estimate the shear wave velocity of the subsurface. This method is based on the Dix-like linear operators, which relate the shear wave velocity to the phase velocity. The proposed method is fast, efficient, and stable. All of the methods presented in this work can be used for processing "big data" in seismology and for the analysis of weak and strong ground motion data, to predict ground shaking, and to analyze site responses by considering potential time dependencies and nonlinearities.

Description: Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (〉100 m). Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale. Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients. The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 〉 hydrogeology 〉 mineralogy. The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m.

Description: Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala. Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden. Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 〉 Hydrogeologie 〉 Mineralogie. Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen.

Description: The idea for the Green Recovery Tracker was born in spring 2020 when governments started making announcements on economic Corona recovery measures. From a climate and resilience perspective it is key that those recovery packages, investments and subsidies are in line with long-term climate and sustainability targets. Thus, recovery packages should not only boost the economy in the short-term, but also strike the path to a just transition towards climate neutrality. Against this background, Wuppertal Institute and E3G have launched the Green Recovery Tracker project in late summer 2020 to shed light on the following questions: What can be considered an effective green recovery? What are good examples, which can be used as an inspiration for recovery programs aiming to support sustainable development? Where do the individual Member States stand with respect to aligning their recovery activities with the climate policy agenda? In this report, you will find our Methodology as well our Policy Briefing highlighting our key takeaways of our country and sectoral analyses. It further includes a section on "What can we learn from our experience with the Green Recovery Tracker?". The briefing concludes with a "Guidance for future funding programs and achieving climate targets overall".

Description: Within the Shaping Digitalisation project, we aim to highlight and discuss the opportunities that digitalisation can bring to Germany. In particular, we are discussing three stand-out areas where action is most needed to achieve ecological transformation: mobility, the circular economy, and agriculture and food. This report addresses the second area in need of action. Up until now, discussions on the circular economy have been limited to recycling and the re-use of materials. We must expand the scope of these discussions to include new, resource-efficient business models and the comprehensive transformation of value chains and industrial structures. Our analysis has found that digitalisation is indispensable for this transformation if used properly. We hope this report will provide the impetus needed to kick-start a climate- and resource-friendly industrial transformation in Germany. Here, we have incorporated the findings of our interdisciplinary workshop on "Shaping the Digital-Ecological Industrial Transformation - Business Models and Political Framework Conditions for Climate and Resource Protection" that was attended by experts from international research institutes, civil organizations, public authorities, and private companies.

Description: At the end of March 2022, the European Commission published its new EU Strategy for Sustainable and Circular Textiles. Its ambitious vision is to reduce textile waste, promote circular measures and minimise the negative environmental impacts of the textile industry. But what would a textile industry that keeps textiles in a closed loop look like, and what political conditions would be required in Germany? This Zukunftsimpuls paper by the Wuppertal Institute points to the role that Germany could play in the transformation towards a circular textile industry.

Description: The transport sector accounts for 20 per cent of the greenhouse gas emissions in Germany and it is therefore key to success for German climate policy. At present, however, there is no other sector with a wider gap in missing the trajectory to climate neutrality. The present study, conducted on behalf of Huawei within the project "Shaping the Digital Transformation - Digital Solution Systems for the Sustainability Transition", points out new pathways towards a sustainable and climate friendly transition of the transport sector. The report specifies concrete options to follow up on the ambitious goals of the new coalition agreement to foster clean and digital mobility solutions. The authors refined eight theses on how digitalisation can foster sustainable mobility solutions and how to shape a supporting policy framework, which is aligning the financial and regulatory guardrails for ramping up a sustainable mobility system while gradually phasing down the usage of private cars.

Description: The challenges and also potentials of the energy transition are tremendous in Germany, as well as in Japan. Sometimes, structures of the old energy world need "creative destruction" to clear the way for innovations for a decarbonized, low-risk energy system. In these times of disruptive changes, a constructive and sometimes controversial dialog within leading industrial nation as Japan and Germany over the energy transition is even more important. The German-Japanese Energy Transition Council (GJETC) released a summarizing report for the first project phase 2016-2018. It includes jointly formulated recommendations for politics as well as a controversial dialogue part. The Council jointly states and recommends that: Ambitious long-term targets and strategies for a low-carbon energy system must be defined and ambitiously implemented; Germany and Japan as high technology countries need to take the leadership. Both countries will have to restructure their energy systems substantially until 2050 while maintaining their competitiveness and securing energy supply. Highest priority is given to the forced implementation of efficiency technologies and renewable energies, despite different views on nuclear energy. In both countries all relevant stakeholders - but above all the decision-makers on all levels of energy policy - need to increase their efforts for a successful implementation of the energy transition. Design of the electricity market needs more incentives for flexibility options and for the extensive expansion of variable power generation, alongside with strategies for cost reduction for electricity from photovoltaic and wind energy. The implementation gap of the energy efficiency needs to be closed by an innovative energy policy package to promote the principle of "Energy Efficiency First". Synergies and co-benefits of an enhanced energy and resource efficiency policy need to be realized. Co-existence of central infrastructure and the growing diversity of the activities for decentralization (citizens funding, energy cooperatives, establishment of public utility companies) should be supported. Scientific cooperation can be intensified by a joint working group for scenarios and by the establishment of an academic exchange program.

Description: The German-Japanese Energy Transition Council (GJETC) was established in 2016 by experts from research institutions, energy policy think tanks, and practitioners in Germany and Japan. The objectives and main activities of the Council and the supporting secretariats are to identify and analyze current and future issues regarding policy frameworks, markets, infrastructure, and technological developments in the energy transition, and to hold Council meetings to exchange ideas and propose better policies and strategies. In its second project phase (2018-2020), the GJETC had six members from academia on the Japanese side, and eight members on the German side, with one Co-Chair from each country. From October 2018 to March 2020, the GJETC worked on and debated six topics: 1) Digitalization and the energy transition. 2) Hydrogen society. 3) Review of German and Japanese long-term energy scenarios and their evaluation mechanism. 4) Buildings, energy efficiency, heating/cooling. 5) Integration costs of renewable energies. 6) Transport and sector coupling. The outputs and the recommendations of the second phase of the GJETC are summarized in this report.

Description: The sales of pedelecs are currently skyrocketing in Germany and in many other places. As a low-carbon means of mobility, pedelecs have the potential to make a substantial contribution to the mobility transition. This thesis employs practice theory as proposed by Shove et al. (2012) to investigate this quickly evolving phenomenon. The analysis is based on interviews with e-bike commuters which were investigated using template analysis and exploratory memos. To obtain a broad picture the practice, a maximum variance sampling strategy was carried out in two cities that vary substantially with regard to velomobility: Wuppertal and Münster. This thesis one hand presents the first encompassing account on the practice elements which commuting by pedelec is composed of. It hence contributes to the debate about the depiction of practices. Furthermore, the thesis finds that pedelec commuting should be conceptualized as a variant of velomobility and not as a variant of motoring or as an independent practice. Yet, the elements integrated in pedelec-commuting are found to clearly differ from those of cycling, so that pedelec-commuting meets the requirements of everyday life much better than commuting on non-electrified bikes. The findings of this thesis suggest several pathways to strengthening this novel practice. The capacity of e-biking to serve mundane trips can for example be supported through the normalization of the use of weather- and transport relevant materials and competences. Deeper linkages with interacting practices from other sectors, such as an integration of cycling materials (GPS-trackers) into policing practices, can also con-tribute to this goal. With regard to research, the present work offers starting points for quantifications, for example on the relative importance of single elements as well as on the characteristics of their relations among each other or with regard to typical constellations of elements.

Description: In the coming years, we must set a course that will allow as to protect our climate, reduce resource consumption, and preserve biodiversity. A profound ecological system change is on the horizon in all central areas of action of the economy and society, or transformation arenas. Digitalisation is a prerequisite for the success in this change and will impact these arenas at multiple levels: Digital technologies and applications will make it possible to improve current procedures, processes, and structures (Improve) and help us take the first steps towards new business models and frameworks (Convert). Despite this, digitalisation itself must be effective enough to facilitate a complete ecological restructuring of our society and lives to achieve more far-reaching economic transformation and value creation (Transform). The ability to obtain, link, and use data is a basic prerequisite for tapping into the potential of digitisation for sustainability transformation. However, data is not a homogeneous raw material. Data only gains value when we know the context in which it was collected and when we can use it for a specific purpose. The discussion on what structures and prerequisites are necessary for the system-changing use of data has only just begun. This study was conducted to serve as a starting point for this discussion as it describes the opportunities and prerequisites for a data-based sustainability transformation. This study focuses on environmental data, data from plants, machines, infrastructure, and IoT products. Our task will be to increase the use this data for systemic solutions (system innovation) within transformation arenas where different stakeholders are working together to initiate infrastructure, value chain, and business model transformation.

Description: On the basis of a literature research, this subtask develops a conceptional framework for a common understanding of CE within the project team and for the following work packages and tasks. After a brief introduction into the objectives and the context of a circular economy, a more elaborated look into the necessity of an explicit understanding of CE, the objectives, the spatial perspective of CE and the specific challenges within the CICERONE context will be done, in order to develop a basis for a common understanding within the project context. Circular economy can and has to be understood as an (eco-)innovation agenda. Therefore, the paper investigates the role policy has to play to support innovation for a CE transition, for creating the framework conditions and why CE has also to be build from the ground up. Finally, the paper looks from two perspectives at emerging trends and business models in a CE to sketch next steps towards the transition in a selection of central sectors. Conclusions are drawn on the basis of the insights gained by the preceding chapters.

Description: The key objective of this deliverable is to gain insights on and assess how CE is being implemented and R&I is being funded at regional level, e.g., via the RIS3 strategy and Structural Funds. As such it sets the scope for the project and provides the background against which programmes and measures can be understood, assessed, developed and recommended in succinct tasks and work packages. The objective of this report is to provide a concise overview of the current R&I priorities, as expressed in running and newly introduced funding and legislative measures with respect to Circular Economy in European countries and regions.

Description: A main goal of this study - which also functions as deliverable 210078-D07 of the Circular Economy Beacons (CEB) project - is to evaluate currently available frameworks that measure and operationalise Circular Economy (CE), with a particular focus on the urban context. The regional focus lies on the Western Balkan region, which is at the centre of the project. Such "Urban Circularity Hotspot Frameworks" (UCHF) aim at providing decision support for policy makers, companies, citizens etc. regarding the transition to CE within cities. Based on the analysis of different frameworks, suggestions are derived regarding UCHF suitable for the specific characteristics of Western Balkan municipalities, i.e. a Circular Economy Beacons Urban Circularity Hotspot Framework (CEB-UCHF) ready for short-term implementation.

Description: A sectoral perspective can help the Global Stocktake (GST) to effectively achieve its objective to inform Parties' in enhancing subsequent NDCs and in enhancing international cooperation. Specifically, granular and actionable sectoral lessons, grounded in country-driven assessments, should be identified and elaborated. To be effective, conversations on sectoral transformations need to synthesise key challenges and opportunities identified in the national analyses and link them to international enablers; focus on systemic interdependencies, involve diverse actors, and be thoroughly prepared including by pre-scoping points of convergences and divergence across transformations. We specifically recommend that: the co-facilitators of the Technical Dialogue use their (limited) mandate to facilitate an effective conversationon sectoral transformations e.g. by organising dedicated informal seminars in between formal negotiation sessions; key systemic transformations necessary toachieve net-zero by mid-century should be spelled out and included in the final decision or political declaration of the GST; and the political outcome of the GST should mandate follow-up processes at the regional level and encourage national-level conversations to translate the collective messages from GST into actionable and sector-specific policy recommendations.

Description: This paper analyses the potential of digital information technology to enable the reliable provision of product information along the plastics supply chain. The authors investigate the possible contribution of a product passport equipped with decentralised identifiers and verifiable credentials to overcome information deficits and information asymmetry in the circular plastics economy. Through this, high-quality plastics recycling could be enabled on a larger scale than currently possible.

Description: A large number and variety of activities are being undertaken to introduce Digital Product Passports (DPPs). However, only a few DPPs have made it into practice so far, so there is some uncertainty about which impact DPPs will actually have. With this paper, we aim to provide a structured overview of the current development of DPPs. We provide insights of 76 current corporate, policy, and research activities that exist and their objectives. To allow for a structured assessment and discussion of the diverse approaches we defined 13 criteria for a comparable description, categorization and evaluation. We expect that this overview will not only encourage feedback and contributions from the DPP community, as well as valuable discussions with and among experts. It is also intended to help promote and facilitate the adoption of DPPs for the Circular Economy by facilitating collaborations and suggestions for ongoing activities.

Description: What is necessary to reach net zero emissions in the transport sector on a global level? To keep limiting global warming to 1.5° C within reach, the world has to decarbonise by mid-century, with every sector contributing as much as possible as soon as possible. This paper identifies what has to be done in road transport, aviation, and shipping to achieve net zero emission in the transport sector. For this purpose, it first sets the scene by providing an overview of the origins and impacts of the concept of net zero emissions in international climate policy as well as of the current state and future prospects of global transport emissions using currently available scenarios for low-emission and net zero transport. While for staying below 1.5° C, the basic approach to reducing transport emissions remains unchanged from what has been suggested in the past, the set, intensity and pace of actions as to shift fundamentally. Without first drastically reducing traffic volume and shifting transport demand to low-emission modes, reaching net zero transport will not be feasible: the amount of additional electricity required to fully electrify the sector with renewable energy is otherwise just too huge. After portraying key instruments for achieving net zero emissions in land transport, aviation, and shipping, this paper identifies key barriers for net zero transport. Based on this analysis, the authors recommend the following to be able to move transport to net zero: 1. Adapt Decarbonisation Strategies to Different Transport Sub-sectors 2. Prioritise and Significantly Increase Investment in Zero-/low-carbon Infrastructure 3. Massively Invest in the Development and Roll out of Zero-/low-emission Technologies 4. Focus on a Just Transition to Overcome Social and Political Barriers 5. Increase International Support and Cooperation

Description: This thesis conceptualizes the school as a socio-technical system, in which change towards sustainable development and a transition towards more climate awareness are necessary. The multi-level perspective (MLP) framework is applied to the German school system and to climate protection projects (CPPs) as examples of niche activities integrating climate protection (CP) in the school. The thesis utilizes the analytical levels of the MLP (landscape, regime, and niche) and the concept of regulative, cognitive, and normative rules and addresses the question: How do actors in CPPs perceive drivers and barriers for transitioning towards more climate awareness in the German school system? The data were collected through expert interviews and analyzed by conducting a qualitative content analysis. The results show that the German school system is characterized by an inherent rigidity, deep-set normative role dynamics, and an unappreciated role of schools in society. They also highlight the importance of public pressure, strategic CP orientation, and hands-on approaches. CPPs can be a driving force for this in individual schools, but, overall, CP needs to be addressed more systematically in the school and more substantial efforts and reforms are necessary. Highly motivated niche actors play an important role and represent key drivers for such developments. This thesis reveals the complex and systemic nature of the challenges the German school system is faced with. It highlights the difficulties of integrating CP and the importance of substantial and transformative political action. The thesis demonstrates the crucial need to recognize the significance of schools and their actors for society and to integrate new methods and approaches into the school. This thesis also contributes to the body of literature on socio-technical systems and sustainability transitions. It offers an operationalization of the MLP and reveals strengths and limits as well as future research outlooks.

Description: As the worldwide remaining carbon budget decreases rapidly, countries across the globe are searching for solutions to limit greenhouse gas emissions. As the production and use of coal is among the most carbon-intensive processes, it is foreseeable that coal regions will be particularly affected by the consequences of a transformation towards a climate-neutral economy and energy system. Challenges arise in the area of energy production, environmental protection, but also for economic and social aspects in the transforming regions - often coined with the term "Just Transition". For the decision makers in coal regions, there is an urgent need for support tools that help to kick off measures to diversify the local economies while at the same time supporting the local workers and communities. The Wuppertal Institute aims to support coal regions worldwide by developing a Just Transition Toolbox, which illustrates the challenges and opportunities of a sustainable transition for a global audience. It comprises information about strategy development, sets recommendations for governance structures, fostering sustainable employment, highlights technology options and sheds light on the environmental rehabilitation and repurposing of coal-related sites and infrastructure. The toolbox builds on the work of the Wuppertal Institute for the EU Initiative for Coal Regions in Transition and takes into account country-specific findings from the SPIPA-partner countries India, Indonesia, South Africa, Japan, South Korea, Canada and the USA. The acronym SPIPA is short for "Strategic Partnerships for the Implementation of the Paris Agreement" an EU-BMU programme co-financed by the GIZ.

Description: The project "Plastic Credits - Financing the Transition to the Global Circular Economy" supports the implementation of a waste management structure in India's rural regions. By that it aims to improve the current waste collection and treatment structures in the pilot regions Goa, Maharashtra, and Kerala. Herein, the project focuses on low value plastics (LVP), and especially multi-layer plastics (MLP), that have no market value. In order to analyze the environmental impacts of the project, an Environmental Impact Assessment (EIA) was conducted. The considered environmental components comprise: greenhouse gas emissions, usage of primary resources, impacts on marine and terrestrial wildlife, standard of living, and economic costs.

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: 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: Geochemical processes such as mineral dissolution and precipitation alter the microstructure of rocks, and thereby affect their hydraulic and mechanical behaviour. Quantifying these property changes and considering them in reservoir simulations is essential for a sustainable utilisation of the geological subsurface. Due to the lack of alternatives, analytical methods and empirical relations are currently applied to estimate evolving hydraulic and mechanical rock properties associated with chemical reactions. However, the predictive capabilities of analytical approaches remain limited, since they assume idealised microstructures, and thus are not able to reflect property evolution for dynamic processes. Hence, aim of the present thesis is to improve the prediction of permeability and stiffness changes resulting from pore space alterations of reservoir sandstones. A detailed representation of rock microstructure, including the morphology and connectivity of pores, is essential to accurately determine physical rock properties. For that purpose, three-dimensional pore-scale models of typical reservoir sandstones, obtained from highly resolved micro-computed tomography (micro-CT), are used to numerically calculate permeability and stiffness. In order to adequately depict characteristic distributions of secondary minerals, the virtual samples are systematically altered and resulting trends among the geometric, hydraulic, and mechanical rock properties are quantified. It is demonstrated that the geochemical reaction regime controls the location of mineral precipitation within the pore space, and thereby crucially affects the permeability evolution. This emphasises the requirement of determining distinctive porosity-permeability relationships by means of digital pore-scale models. By contrast, a substantial impact of spatial alterations patterns on the stiffness evolution of reservoir sandstones are only observed in case of certain microstructures, such as highly porous granular rocks or sandstones comprising framework-supporting cementations. In order to construct synthetic granular samples a process-based approach is proposed including grain deposition and diagenetic cementation. It is demonstrated that the generated samples reliably represent the microstructural complexity of natural sandstones. Thereby, general limitations of imaging techniques can be overcome and various realisations of granular rocks can be flexibly produced. These can be further altered by virtual experiments, offering a fast and cost-effective way to examine the impact of precipitation, dissolution or fracturing on various petrophysical correlations. The presented research work provides methodological principles to quantify trends in permeability and stiffness resulting from geochemical processes. The calculated physical property relations are directly linked to pore-scale alterations, and thus have a higher accuracy than commonly applied analytical approaches. This will considerably improve the predictive capabilities of reservoir models, and is further relevant to assess and reduce potential risks, such as productivity or injectivity losses as well as reservoir compaction or fault reactivation. Hence, the proposed method is of paramount importance for a wide range of natural and engineered subsurface applications, including geothermal energy systems, hydrocarbon reservoirs, CO2 and energy storage as well as hydrothermal deposit exploration

Description: Geochemische Lösungs- und Fällungsprozesse verändern die Struktur des Porenraums und können dadurch die hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften erheblich beeinflussen. Die Quantifizierung dieser Parameteränderung und ihre Berücksichtigung in Reservoirmodellen ist entscheidend für eine nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrunds. Aufgrund fehlender Alternativen werden dafür bisher analytische Methoden genutzt. Da diese Ansätze eine idealisierte Mikrostruktur annehmen, können insbesondere Änderungen der Gesteinseigenschaften infolge von dynamischen Prozessen nicht zuverlässig abgebildet werden. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es deshalb, die Entwicklung von Gesteinspermeabilitäten und -steifigkeiten aufgrund von Porenraumveränderungen genauer vorherzusagen. Für die möglichst exakte Bestimmung physikalischer Gesteinsparameter ist eine detaillierte Darstellung der Mikrostruktur notwendig. Basierend auf mikro-computertomographischen Scans werden daher hochaufgelöste, dreidimensionale Modelle typischer Reservoirsandsteine erstellt und Gesteinspermeabilität und -steifigkeit numerisch berechnet. Um charakteristische Verteilungen von Sekundärmineralen abzubilden, wird der Porenraum dieser virtuellen Sandsteinproben systematisch verändert und die resultierenden Auswirkungen auf die granulometrischen, hydraulischen und elastischen Gesteinseigenschaften bestimmt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass charakteristische Fällungsmuster unterschiedlicher geochemischer Reaktionsregime die Permeabilität erheblich beeinflussen. Folglich ist die Nutzung von porenskaligen Modellen zur Bestimmung der Porosität-Permeabilitätsbeziehungen unbedingt notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Verteilung von Sekundärmineralen für die Gesteinssteifigkeit nur bei bestimmten Mikrostrukturen von Bedeutung, hierzu zählen hochporöse Sandsteine oder solche mit Korngerüst-stützenden Zementierungen. In der Arbeit wird außerdem ein Ansatz zur Konstruktion granularer Gesteine vorgestellt, welcher sowohl die Kornsedimentation als auch die diagenetische Verfestigung umfasst. Es wird gezeigt, dass die synthetischen Proben die mikrostrukturelle Komplexität natürlicher Reservoirsandsteine gut abbilden. Dadurch können generelle Limitationen von bildgebenden Verfahren überwunden und unterschiedlichste virtuelle Repräsentationen von granularen Gesteinen generiert werden. Die synthetischen Proben können zukünftig in virtuellen Experimenten verwendet werden, um die Auswirkungen von Lösungs- und Fällungsreaktionen auf verschiedene petrophysikalische Korrelationen zu untersuchen. Die vorgestellte Arbeit liefert methodische Grundlagen zur Quantifizierung von Permeabilitäts- und Steifigkeitsänderungen infolge geochemischer Prozesse. Die berechneten petrophysikalischen Beziehungen basieren direkt auf mikrostrukturellen Veränderungen des Porenraums. Daher bieten sie eine genauere Vorhersage der Gesteinseigenschaften als herkömmliche analytische Methoden, wodurch sich die Aussagekraft von Reservoirmodellen erheblich verbessert. Somit können Risiken, wie Produktivitäts- oder Injektivitätsverluste sowie Reservoirkompaktion oder Störungsreaktivierung, verringert werden. Die präsentierten Ergebnisse sind daher relevant für verschiedenste Bereiche der geologischen Untergrundnutzung wie CO2- oder Energiespeicherung, Geothermie, Kohlenwasserstoffgewinnung sowie die Erkundung hydrothermaler Lagerstätten.

Description: This work develops hybrid methods of imaging spectroscopy for open pit mining and examines their feasibility compared with state-of-the-art. The material distribution within a mine face differs in the small scale and within daily assigned extraction segments. These changes can be relevant to subsequent processing steps but are not always visually identifiable prior to the extraction. Misclassifications that cause false allocations of extracted material need to be minimized in order to reduce energy-intensive material re-handling. The use of imaging spectroscopy aspires to the allocation of relevant deposit-specific materials before extraction, and allows for efficient material handling after extraction. The aim of this work is the parameterization of imaging spectroscopy for pit mining applications and the development and evaluation of a workflow for a mine face, ground-based, spectral characterization. In this work, an application-based sensor adaptation is proposed. The sensor complexity is reduced by down-sampling the spectral resolution of the system based on the samples’ spectral characteristics. This was achieved by the evaluation of existing hyperspectral outcrop analysis approaches based on laboratory sample scans from the iron quadrangle in Minas Gerais, Brazil and by the development of a spectral mine face monitoring workflow which was tested for both an operating and an inactive open pit copper mine in the Republic of Cyprus. The workflow presented here is applied to three regional data sets: 1) Iron ore samples from Brazil, (laboratory); 2) Samples and hyperspectral mine face imagery from the copper-gold-pyrite mine Apliki, Republic of Cyprus (laboratory and mine face data); and 3) Samples and hyperspectral mine face imagery from the copper-gold-pyrite deposit Three Hills, Republic of Cyprus (laboratory and mine face data). The hyperspectral laboratory dataset of fifteen Brazilian iron ore samples was used to evaluate different analysis methods and different sensor models. Nineteen commonly used methods to analyze and map hyperspectral data were compared regarding the methods’ resulting data products and the accuracy of the mapping and the analysis computation time. Four of the evaluated methods were determined for subsequent analyses to determine the best-performing algorithms: The spectral angle mapper (SAM), a support vector machine algorithm (SVM), the binary feature fitting algorithm (BFF) and the EnMap geological mapper (EnGeoMap). Next, commercially available imaging spectroscopy sensors were evaluated for their usability in open pit mining conditions. Step-wise downsampling of the data - the reduction of the number of bands with an increase of each band’s bandwidth - was performed to investigate the possible simplification and ruggedization of a sensor without a quality fall-off of the mapping results. The impact of the atmosphere visible in the spectrum between 1300– 2010nm was reduced by excluding the spectral range from the data for mapping. This tested the feasibility of the method under realistic open pit data conditions. Thirteen datasets based on the different, downsampled sensors were analyzed with the four predetermined methods. The optimum x sensor for spectral mine face material distinction was determined as a VNIR-SWIR sensor with 40nm bandwidths in the VNIR and 15nm bandwidths in the SWIR spectral range and excluding the atmospherically impacted bands. The Apliki mine sample dataset was used for the application of the found optimal analyses and sensors. Thirty-six samples were analyzed geochemically and mineralogically. The sample spectra were compiled to two spectral libraries, both distinguishing between seven different geochemical-spectral clusters. The reflectance dataset was downsampled to five different sensors. The five different datasets were mapped with the SAM, BFF and SVM method achieving mapping accuracies of 85-72%, 85-76% and 57-46% respectively. One mine face scan of Apliki was used for the application of the developed workflow. The mapping results were validated against the geochemistry and mineralogy of thirty-six documented field sampling points and a zonation map of the mine face which is based on sixty-six samples and field mapping. The mine face was analyzed with SAM and BFF. The analysis maps were visualized on top of a Structure-from-Motion derived 3D model of the open pit. The mapped geological units and zones correlate well with theexpected zonation of the mine face. The third set of hyperspectral imagery from Three Hills was available for applying the fully-developed workflow. Geochemical sample analyses and laboratory spectral data of fifteen different samples from the Three Hills mine, Republic of Cyprus, were used to analyse a downsampled mine face scan of the open pit. Here, areas of low, medium and high ore content were identified. The developed workflow is successfully applied to the open pit mines Apliki and Three Hills and the spectral maps reflect the prevailing geological conditions. This work leads through the acquisition, preparation and processing of imaging spectroscopy data, the optimum choice of analysis methodology, and the utilization of simplified, robust sensors that meet the requirements of open pit mining conditions. It accentuates the importance of a site-specific and deposit-specific spectral library for the mine face analysis and underlines the need for geological and spectral analysis experts to successfully implement imaging spectroscopy in the field of open pit mining.

Description: In dieser Dissertation wird die Machbarkeit und Anwendung moderner und eines eigen entwickelten Hybridverfahrens in der bildgebenden Spektroskopie für den Tagebau untersucht. Die Materialverteilung innerhalb einer Abbaufront unterscheidet sich oft innerhalb eines kleinen Maßstabs und variiert zudem innerhalb täglich zugeordneter Abbausegmente. Diese Veränderungen können für nachfolgende Verarbeitungsschritte relevant sein, sind aber vor dem Abbau nicht immer visuell erkennbar. Falsche Klassifizierungen des Materials führen zu Fehlverteilungen des abgebauten Materials, die minimiert werden müssen, um den energie-intensiven Materialtransport zu reduzieren. Mit Hilfe der bildgebenden Spektroskopie wird angestrebt, relevante Lagerstättenspezifische Materialien vor der Extraktion korrekt zuzuordnen und ein effizientes Materialhandling nach der Extraktion zu ermöglichen. Ziel dieser Arbeit ist die Parametrisierung der bildgebenden Spektroskopie für den Bergbau und die Entwicklung und Evaluierung eines Workflows zur spektralen Charakterisierung von offenem Bergbau mittels bodengebundener Sensorik. Dies wurde durch die Evaluierung bestehender Ansätze zur hyperspektralen Aufschlussanalyse erreicht, die auf Grundlage von Laborscans von Proben aus dem Eisernen Vierecks in Minas Gerais, Brasilien, durchgeführt wurde. Eine spektralen Abbaufrontanalyse wurde mithilfe von Daten eines aktiven und eines inaktiven Kupfer-Tagebaus in der Republik Zypern entwickelt. Der in dieser Arbeit vorgestellte Arbeitsablauf wird auf drei regionale Datensätze angewandt: 1) Eisenerzproben aus Brasilien (Labordaten); 2) Proben und hyperspektrale bildgebende Daten der Abbaufront aus dem Kupfer-Gold-Pyrit-Tagebau Apliki, Republik Zypern (Labor- und Abbaufrontdaten); und 3) Proben und hyperspektrale bildgebende Daten der Abbaufront aus der Kupfer-Gold-Pyrit-Lagerstätte Three Hills, Republik Zypern (Labor- und Abbaufrontdaten). Der hyperspektrale Labordatensatz von fünfzehn brasilianischen Eisenerzproben wurde zur Evaluierung verschiedener Analysemethoden und verschiedener Sensormodelle verwendet. Neunzehn gebräuchliche Methoden zur Analyse und Kartierung hyperspektraler Daten wurden im Hinblick auf ihre resultierenden Datenprodukte, die Genauigkeit der Kartierung und die Berechnungszeit der Analyse verglichen. Vier der evaluierten Methoden wurden für nachfolgende Analysen bestimmt: Der Spectral Angle Mapper (SAM), ein Support Vector Machine Algorithmus (SVM), der Binary Feature Fitting Algorithmus (BFF) und der EnMap Geological Mapper (EnGeoMap). Als nächstes wurden kommerziell erhältliche bildgebende Spektroskopiesensoren auf ihre Verwendbarkeit unter Tagebaubedingungen evaluiert. Ein schrittweises Reduzieren der Datenkomplexität, das sog. “downsampling” (die Verringerung der Anzahl der Bänder und gleichzeitige Erhöhung der Bandbreite jedes Bandes), wurde durchgeführt, um eine Vereinfachung der Sensorkomplexität ohne Qualitätseinbußen der Kartierungsergebnisse zu untersuchen. Der Einfluss der Atmosphäre, die im Spektrum zwischen 1300-2010nm sichtbar ist, wurde reduziert, indem der Spektralbereich aus den Daten für die Kartierung ausgeschlossen wurde. Dadurch wurde die Durchführbarkeit der Methode unter realistischen Tagebaubedingungen getestet. Dreizehn Datensätze, die auf den verschiedenen Sensoren basierten, wurden mit den vier vorher benannten Methoden analysiert. Der optimale Sensor für die spektrale Unterscheidung von Abbaufrontmaterial wurde als VNIR-SWIR-Sensor mit 40nm Bandbreite im VNIR- und 15nm Bandbreite im SWIR-Spektralbereich bestimmt, der atmosphärisch beeinflusste Spektralbereich wurde ausgeschlossen. Nun wurde der Datensatz von der Mine in Apliki verwendet, um die vorher bestimmten Analysen und Sensoren anzuwenden. Sechsunddreißig Proben wurden geochemisch und mineralogisch analysiert. Die Probenspektren wurden zu zwei Spektralbibliotheken zusammengestellt, die beide zwischen sieben verschiedenen geochemisch-spektralen Clustern unterscheiden. Die Reflexionsdaten wurden auf fünf verschiedene Sensoren heruntergerechnet. Diese fünf verschiedenen Datensätze wurden mit der SAM-, BFF- und SVM-Methode kartiert, wobei entsprechende Kartierungsgenauigkeiten von 85-72%, 85-76% bzw. 57-46% erreicht wurden. Ein Scan der Abbaufront von Apliki wurde verwendet, um den entwickelten Arbeitsablauf auf Daten unter realistische Bedingungen anzuwenden. Die Kartierungsergebnisse wurden auf der Grundlage der Feldbeprobung und einer geologischen Zonierungskarte der Abbaufront validiert. Die Abbaufront wurde mit SAM und BFF analysiert und die Analysekarten wurden auf einem von „Structure-from-Motion“ abgeleiteten 3D-Modell des Tagebaus visualisiert. Die kartographierten geologischen Einheiten und Zonen korrelierten gut mit der erwarteten Zonierung der Abbaufront. Ein dritter Datensatz stand für die Anwendung des entwickelten Arbeitsablaufs zur Verfügung. Geochemische Probenanalysen und Laborspektraldaten von fünfzehn verschiedenen Proben aus dem offenen Tagebau Three Hills in der Republik Zypern wurden zur Analyse eines Datensatzes der Abbaufron des Tagebaus verwendet. Dabei wurden Bereiche mit niedrigem, mittlerem und hohem Erzgehalt identifiziert. Der in der Arbeit entwickelte Arbeitsablauf konnte erfolgreich für die offenen Tagebaue Apliki und Three Hills angewandt werden. Die errechneten Spektralgeologischen Karten stellen die örtliche geologische Situation korrekt dar. Der entwickelte Arbeitsablauf erläutert die Erfassung, Aufbereitung und Verarbeitung von Daten aus der bildgebenden Spektroskopie und beschreibt die Wahl der Analysemethodik sowie die Verwendung robuster Sensoren, die den Anforderungen der Tagebaubedingungen entsprechen. Sie hebt die Bedeutung einer standort- und lagerstättenspezifischen Spektralbibliothek für die Analyse von Abbaufronten hervor und unterstreicht die nötige Einbindung von Experten im Bereich der Geologie und der Spektralanalyse für eine erfolgreiche Implementierung der bildgebenden Spektroskopie im Kontext des Abbaus von Material in offenen Tagebauten.

Description: By regulating the concentration of carbon in our atmosphere, the global carbon cycle drives changes in our planet’s climate and habitability. Earth surface processes play a central, yet insufficiently constrained role in regulating fluxes of carbon between terrestrial reservoirs and the atmosphere. River systems drive global biogeochemical cycles by redistributing significant masses of carbon across the landscape. During fluvial transit, the balance between carbon oxidation and preservation determines whether this mass redistribution is a net atmospheric CO2 source or sink. Existing models for fluvial carbon transport fail to integrate the effects of sediment routing processes, resulting in large uncertainties in fluvial carbon fluxes to the oceans. In this Ph.D. dissertation, I address this knowledge gap through three studies that focus on the timescale and routing pathways of fluvial mass transfer and show their effect on the composition and fluxes of organic carbon exported by rivers. The hypotheses posed in these three studies were tested in an analog lowland alluvial river system – the Rio Bermejo in Argentina. The Rio Bermejo annually exports more than 100 Mt of sediment and organic matter from the central Andes, and transports this material nearly 1300 km downstream across the lowland basin without influence from tributaries, allowing me to isolate the effects of geomorphic processes on fluvial organic carbon cycling. These studies focus primarily on the geochemical composition of suspended sediment collected from river depth profiles along the length of the Rio Bermejo. In Chapter 3, I aimed to determine the mean fluvial sediment transit time for the Rio Bermejo and evaluate the geomorphic processes that regulate the rate of downstream sediment transfer. I developed a framework to use meteoric cosmogenic 10Be (10Bem) as a chronometer to track the duration of sediment transit from the mountain front downstream along the ~1300 km channel of the Rio Bermejo. I measured 10Bem concentrations in suspended sediment sampled from depth profiles, and found a 230% increase along the fluvial transit pathway. I applied a simple model for the time-dependent accumulation of 10Bem on the floodplain to estimate a mean sediment transit time of 8.5±2.2 kyr. Furthermore, I show that sediment transit velocity is influenced by lateral migration rate and channel morphodynamics. This approach to measuring sediment transit time is much more precise than other methods previously used and shows promise for future applications. In Chapter 4, I aimed to quantify the effects of hydrodynamic sorting on the composition and quantity of particulate organic carbon (POC) export transported by lowland rivers. I first used scanning electron miscroscopy (SEM) coupled with nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) analyses to show that the Bermejo transports two principal types of POC: 1) mineral-bound organic carbon associated with 〈4 µm, platy grains, and 2) coarse discrete organic particles. Using n-alkane stable isotope data and particle shape analysis, I showed that these two carbon pools are vertically sorted in the water column, due to differences in particle settling velocity. This vertical sorting may drive modern POC to be transported efficiently from source-to-sink, driving efficient CO2 drawdown. Simultaneously, vertical sorting may drive degraded, mineral-bound POC to be deposited overbank and stored on the floodplain for centuries to millennia, resulting in enhanced POC remineralization. In the Rio Bermejo, selective deposition of coarse material causes the proportion of mineral-bound POC to increase with distance downstream, but the majority of exported POC is composed of discrete organic particles, suggesting that the river is a net carbon sink. In summary, this study shows that selective deposition and hydraulic sorting control the composition and fate of fluvial POC during fluvial transit. In Chapter 5, I characterized and quantified POC transformation and oxidation during fluvial transit. I analyzed the radiocarbon content and stable carbon isotopic composition of Rio Bermejo suspended sediment and found that POC ages during fluvial transit, but is also degraded and oxidized during transient floodplain storage. Using these data, I developed a conceptual model for fluvial POC cycling that allows the estimation of POC oxidation relative to POC export, and ultimately reveals whether a river is a net source or sink of CO2 to the atmosphere. Through this study, I found that the Rio Bermejo annually exports more POC than is oxidized during transit, largely due to high rates of lateral migration that cause erosion of floodplain vegetation and soil into the river. These results imply that human engineering of rivers could alter the fluvial carbon balance, by reducing lateral POC inputs and increasing the mean sediment transit time. Together, these three studies quantitatively link geomorphic processes to rates of POC transport and degradation across sub-annual to millennial time scales and nanoscale to 103 km spatial scales, laying the groundwork for a global-scale fluvial organic carbon cycling model.

Description: Der globale Kohlenstoffkreislauf bestimmt das Klima und die Bewohnbarkeit unseres Planeten durch die Regulierung der Kohlenstoffkonzentration in unserer Atmosphäre. Erdoberflächenprozesse spielen eine zentrale, aber nicht ausreichend verstandene Rolle in der Regulierung der Kohlenstoffflüsse zwischen terrestrischen Reservoiren und der Atmosphäre. Flusssysteme steuern globale biogeochemische Kreisläufe, indem sie große Mengen Kohlenstoff in der Landschaft umverteilen. Dabei bestimmt das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffoxidation und -konservierung, ob der Flusstransport in einer atmosphärischen Netto CO2-Quelle oder -Senke resultiert. Die Auswirkungen von Sedimentverlagerungsprozessen werden in bestehenden Modellen für den Kohlenstofftransport in Flüssen jedoch nicht berücksichtigt, was zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung von Kohlenstoffflüssen von Quellen zu Senken führt. In dieser Dissertation adressiere ich diese Wissenslücke mithilfe von drei Studien, die verschiedene Komponenten des Stofftransfers von Quelle zu Senke und seine Auswirkungen auf die Zusammensetzung und den Transfer des organischen Kohlenstoffs im Fluss herausgreifen. Die in diesen drei Studien aufgestellten Hypothesen wurden in einem analogen alluvialen Tieflandflusssystem - dem Rio Bermejo in Argentinien - getestet. Der Rio Bermejo exportiert jährlich mehr als 100 Mt Sedimente und organisches Material aus den Zentralanden und transportiert dieses fast 1300 km flussabwärts ohne Einfluss von Nebenflüssen durch das Tieflandbecken. Dies erlaubt die Isolierung der Auswirkungen geomorphologischer Prozesse auf den organischen Kohlenstoffkreislauf im Fluss. Die Studien basieren auf geochemischen Daten eines Satzes Sedimentproben der Suspensionsfracht, die entlang des Rio Bermejo aus Flusstiefenprofilen entnommen wurden. In Kapitel 3 habe ich mir das Ziel gesetzt die mittlere Flusssedimenttransitzeit des Rio Bermejo sowie die geomorphologischen Prozesse, die die Geschwindigkeit des Sedimenttransfers flussabwärts regulieren, zu bestimmen. Dazu habe ich ein Framework entwickelt, wie meteorisches kosmogenes 10Be (10Bem) als Chronometer verwendet werden kann, das die Dauer des Sedimenttransits von der Bergfront stromabwärts entlang des ~ 1300 km langen Kanals des Rio Bermejo misst. Ich habe 10Bem -Konzentrationen an den Tiefenprofilen der Suspensionsfracht gemessen und dabei einen Anstieg von 230% entlang des Flusstransfers festgestellt. Für die zeitabhängige Akkumulation von 10Bem auf der Überflutungsebene habe ich ein einfaches Modell angewendet und dadurch eine mittlere Sedimenttransitzeit von ~ 8,5 ± 2,2 kyr abgeschätzt. Meine Daten haben zusätzlich gezeigt, dass Unterschiede in der lateralen Migrationsrate und der Kanalmorphodynamik Unterschiede in der Sedimenttransitgeschwindigkeit verursachen. Dieser Ansatz zur Messung der Sedimenttransitzeit ist viel präziser als andere bisher verwendete Methoden und hat ein großes Potential für zukünftige Anwendungen. Kapitel 4 habe ich darauf ausgerichtet die Auswirkungen der vorübergehenden Speicherung in Überflutungsebenen, der Verfeinerung der Korngrößen flussabwärts und der organomineralischen Assoziationen auf die Zusammensetzung und Menge des Exports von fluvialem partikulärem organischem Kohlenstoff (POC) zu quantifizieren. Daten stabiler n Alkan-Isotope zeigten eine vertikale Sortierung organischer Stoffe in der Flusswassersäule, durch die 13C -angereichertes, mineralassoziiertes POC am oberen Ende der Wassersäule konzentriert wurde. Mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und nanoskalige Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) -Analysen habe ich gezeigt, dass Organomineralassoziationen größtenteils in feinen, plattigen Mineralkörnern mit niedrigen Absetzgeschwindigkeiten gefunden werden, welche zum Aufsteigen des mineralgebundenen POC in der Wassersäule führen. Organomineralassoziationen und 13C -Anreicherung sind typisch für den Abbau von organischem Kohlenstoff im Boden, was darauf hindeutet, dass mineralgebundener POC größtenteils aus der Erosion verwitterter Auenböden stammt. Ich habe gezeigt, dass〉 70% des suspendierten POC-Exports in Zusammenhang mit feinem Sediment seht. Dieser POC ist wahrscheinlich aufgrund des Abbaus während der vorübergehenden Lagerung in den Überflutungsebenen stärker an 13C angereichert. Da mineralgebundenes POC und diskrete organische Partikel in der Wassersäule in unterschiedlichen Tiefen transportiert werden, weisen sie wahrscheinlich unterschiedliche Flusslaufzeiten und damit unterschiedliche Oxidationswahrscheinlichkeiten während des Flusstransfers auf. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass hydrodynamische Sortiereffekte die Zusammensetzung und das Schicksal des fluvialen POC während des Transits von Quelle zu Senke steuern. In Kapitel 5 habe ich die POC-Transformation und -Oxidation während des Flussdurchgangs charakterisiert und quantifiziert. Dazu habe ich den Radiokohlenstoffgehalt und die stabile Kohlenstoffisotopenzusammensetzung der Suspensionsfracht des Rio Bermejo analysiert. Die Daten zeigten sowohl eine Alterung des POC während des Flusstransits und als auch den Abbau von POC während der vorübergehenden Ablagerung in Überflutungsebenen. Unter Verwendung dieser Daten entwickelte ich ein konzeptionelles Modell für den Fluss-POC-Kreislauf, das die Abschätzung der POC-Oxidation im Verhältnis zum POC-Export ermöglicht und zeigt, ob ein Fluss eine Nettoquelle oder -senke für CO2 in der Atmosphäre darstellt. Durch diese Studie fand ich heraus, dass der Rio Bermejo jährlich mehr POC exportiert, als während des Transits oxidiert wird, was hauptsächlich auf die hohen seitlichen Migrationsraten zurückzuführen ist, die zur Erosion der Auenvegetation und der Auenböden in den Fluss führen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die menschliche Gestaltung von Flüssen die Kohlenstoffbilanz im Fluss verändern könnte, indem die seitlichen POC-Einträge reduziert und die mittlere Sedimenttransitzeit erhöht werden. Zusammengenommen verknüpfen diese drei Studien geomorphologische Prozesse quantitativ mit den Raten des POC-Transports und der POC-Degradation über sub-jährliche bis tausendjährige Zeitskalen und Nano bis 103 km räumlichen Skalen und bilden die Grundlage für ein Modell des globalen, fluvialen, organischen Kohlenstoffkreislaufs.

Description: These short, informal newsletters, issued every month on approximately the first day of the month, are intended to keep IUGG Member National Committees informed about the activities of the IUGG Associations and actions of the IUGG Secretariat. Special issues are sometimes distributed mid-month as deemed appropriate. The content usually includes a synopsis of scientific meetings during the following three months in order to illustrate the disciplinary and geographical diversity of IUGG interests. E-Journals may be forwarded to those who will benefit from the information.

Description: Science and education are central fields and a lever for sustainable development. With the newly developed student teaching and learning format "Transformative Innovation Lab" - TIL for short - students are to be enabled to conduct independent transformative research. To this end, the researchers, under the direction of the Wuppertal Institute, developed and tested the new learning concept in the project "Development, testing and dissemination of new qualification offers for 'change agents' for transformative learning using the real-world laboratory approach" (EEVA). The detailed results and numerous implementation tips have been published in a practical handbook aimed at academic teaching staff and other multipliers.

Description: Transport is a key economic sector in Europe, it influences the opportunities of production and consumption. By improving access to markets, goods and services, employment, housing, health care, and education, transportation projects can increase economic productivity and development. The ability to be mobile is also a prerequisite for inclusion. At the same time, transport induces a range of negative effects, most notably the emission of greenhouse gases. At the urban level, motorised transport significantly contributes to air pollution. Since 2013, the European Commission has increased EU funding for projects: The "Urban Mobility Package" provided EUR 13 billion for investments into sustainable urban mobility between 2014 and 2020. This has allowed cities across Europe to put in place a range of initiatives. European funding programmes and financing institutions such as the European Investment Bank increasingly insist on a contribution to more sustainable mobility systems in their financing commitments. The impact, however, is mixed. The European Court of Auditors warned that EU cities must shift more traffic to sustainable transport modes. They found that EU-funded projects were not always based on sound urban mobility strategies and were not as effective as intended. In many EU member states, the transfer of EU funds to cities is contingent on the existence of a SUMP. A statistical analysis of the modal split of 396 cities in the European Union revealed that the implementation of Sustainable Urban Mobility Plans positively correlates with a reduction of the share of the private car in the cities. Such plans include strategies and activities to pursue sustainable mobility. This report analyses transport and mobility in Bratislava with a view to providing a clear picture about its current sustainability state. It points to both good practice and areas of improvement. In so doing, it provides recommendations how mobility in the city can be developed increasingly sustainable. Bratislava is the capital and largest city of Slovakia. In 2016, the population of the city was 426,000 inhabitants, the Bratislava region was home to 642,000 inhabitants.

Description: The first step of complete transformation will be utilizing digital technologies and applications to improve current procedures, processes, and structures (Improve). Next, complete digitalisation will pave the way for new business models and framework conditions (Convert). Finally, comprehensive transformation of the economy and value creation will ensure the effective reorientation of society and lifestyles towards sustainability (Transform). This last step is critical for a successful ecological transformation, or a "green transformation", must be placed front and centre during international debate. Through this report, we aim to highlight and discuss the opportunities that digitalisation can bring to Germany. In particular, we will discuss three exemplary areas of ecological transformation where action is necessary: 1) A digital and circular economy that uses data to increase resource efficiency. 2) Intelligent, sustainable mobility that connects us in eco-friendly ways. 3) Transparent transitions towards sustainable food chains and agriculture. This report represents the first phase of the Shaping Digital Transformation project. In this report, we will outline the framework of our project to create a starting point for further debates.

Description: Two thirds of today's world trade is based on global value chains and supply networks. Purely regional supply chains have become less important in recent decades. The effects of these globalised structures are manifold. On the one hand, they promote employment and generate prosperity. On the other hand, they are beset by extreme social, ecological and economic imbalances. The COVID-19 pandemic has demonstrated the fragility of existing supply chain systems. The lockdown continues to disrupt complex supply chains and many problems of existing production and consumption continue to worsen. COVID-19 is one example of the crises that can shake globally networked supply chains in the short term. Other crises, such as climate change, develop more insidiously and are less immediately recognisable. Different as they are, such crises have one thing in common: they highlight the vulnerability of global social and economic structures and illustrate the impact of global trade on the regions and people of the world. This is precisely where global sustainability strategy comes in - it aims to fundamentally reduce differences and inequalities in opportunities and quality of life. The COVID-19 pandemic has forced the entire world into upheaval, creating an opportunity to make sustainability a central political resilience strategy. In the wake of the Corona pandemic, the discussion about resilient communities has flared up. In order to guarantee supply in the face of such crises, these should be more strongly regional and circular in their economic approach and global and sustainable in their perspective. The aim should be sustainable, transparent, non-exploitative supply chains that guarantee the security of supply to cover basic needs and public services despite sudden changes and crises. This discussion paper draws a future scenario of globally cooperative, circular regional economies that fundamentally reduce global inequalities in opportunities and quality of life, while at the same time permanently preserving the natural foundations of life.

Description: Cities and municipalities have had to endure a great deal in recent years, including a global coronavirus pandemic, fire disasters in the US and devastating floods like those in Germany. These are also consequences of anthropogenic climate change, and cities have to be better prepared for such events in future. In particular, the cata-strophic flooding Germany experienced in July 2021 demonstrated how ill-equipped municipalities are for this type of incident. In this paper, we look at how cities can become more resilient, sustainable and ready for the future.

Description: Nutrition is one of the most important areas for the great transformation. So how can a shift towards a sustainable food system be achieved? This paper addresses this question - based on more than ten years of research on sustainable nutrition at the Wuppertal Institute. It focuses on public catering, because even small changes - for example in the choice of ingredients - have a huge impact here. With appropriate policy frameworks, public catering can serve as an easily accessible place for consumers to experience sustainable food and at the same time be a reliable buyer of biodiversity and climate-friendly food from farmers. However, other actors are also needed for a transformation of the food system: The "Zukunftsimpuls" addresses politics, (agricultural) industry, science and every individual - because the transformation of the food system is a task for the entire society.

Description: More and more companies are announcing their intention to become climate-neutral and numerous companies already offer climate-neutral products or services: From climate-neutral parcel delivery to air travel. But what exactly do the companies' net-zero targets mean? Is the target set ambitious? And what role does offsetting play, i.e., purchasing carbon credits that are accounted against the company's own climate target? The approaches behind the proclaimed targets are often difficult to understand. Against this background, this Zukunftsimpuls provides ten recommendations for the definition and implementation of neutrality targets. Among other things, the authors advocate the use of a robust database as the basis for net-zero targets, emphasize the importance of transparent communication, and highlight the role that offsetting should play. Purchased carbon credits should make as limited a contribution as possible for meeting climate targets and should only be used to offset emissions that cannot be reduced or avoided. More generally, net-zero targets should not be made the sole criterion for ambitious climate strategies. Rather, they are a building block of a much more comprehensive strategy of corporate climate action.

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: 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: The IUGG Yearbook is a reference document of IUGG members, administrative officers, and Association and Union Commission officers that is updated annually and distributed free of charge. Each issue endeavors to update the contact information for hundreds of persons who are actively participating in IUGG scientific activities. Information is complied throughout the year until end December. The Yearbooks are published and posted at the IUGG webpage at the beginning of the year. The Yearbooks are printed together with the Annual Reports for the preceding year in May and mailed to National Committee for Geodesy and Geophysics, Adhering Bodies, IUGG partners, and major libraries.

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: 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 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: 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: These short, informal newsletters, issued every month on approximately the first day of the month, are intended to keep IUGG Member National Committees informed about the activities of the IUGG Associations and actions of the IUGG Secretariat. Special issues are sometimes distributed mid-month as deemed appropriate. The content usually includes a synopsis of scientific meetings during the following three months in order to illustrate the disciplinary and geographical diversity of IUGG interests. E-Journals may be forwarded to those who will benefit from the information.

Description: The Arctic region is especially impacted by global warming as temperatures in high latitude regions have increased and are predicted to further rise at levels above the global average. This is crucial to Arctic soils and the shallow shelves of the Arctic Ocean as they are underlain by permafrost. Perennially frozen ground is a habitat for a large number and great diversity of viable microorganisms, which can remain active even under freezing conditions. Warming and thawing of permafrost makes trapped soil organic carbon more accessible to microorganisms. They can transform it to the greenhouse gases carbon dioxide, methane and nitrous oxide. On the other hand, it is assumed that thawing of the frozen ground stimulates microbial activity and carbon turnover. This can lead to a positive feedback loop of warming and greenhouse gas release. Submarine permafrost covers most areas of the Siberian Arctic Shelf and contains a large though unquantified carbon pool. However, submarine permafrost is not only affected by changes in the thermal regime but by drastic changes in the geochemical composition as it formed under terrestrial conditions and was inundated by Holocene sea level rise and coastal erosion. Seawater infiltration into permafrost sediments resulted in an increase of the pore water salinity and, thus, in thawing of permafrost in the upper sediment layers even at subzero temperatures. The permafrost below, which was not affected by seawater, remained ice-bonded, but warmed through seawater heat fluxes. The objective of this thesis was to study microbial communities in submarine permafrost with a focus on their response to seawater influence and long-term warming using a combined approach of molecular biological and physicochemical analyses. The microbial abundance, community composition and structure as well as the diversity were investigated in drill cores from two locations in the Laptev Sea, which were subjected to submarine conditions for centuries to millennia. The microbial abundance was measured through total cell counts and copy numbers of the 16S rRNA gene and of functional genes. The latter comprised genes which are indicative for methane production (mcrA) and sulfate reduction (dsrB). The microbial community was characterized by high-throughput-sequencing of the 16S rRNA gene. Physicochemical analyses included the determination of the pore water geochemical and stable isotopic composition, which were used to describe the degree of seawater influence. One major outcome of the thesis is that the submarine permafrost stratified into different so-called pore water units centuries as well as millennia after inundation: (i) sediments that were mixed with seafloor sediments, (ii) sediments that were infiltrated with seawater, and (iii) sediments that were unaffected by seawater. This stratification was reflected in the submarine permafrost microbial community composition only millennia after inundation but not on time-scales of centuries. Changes in the community composition as well as abundance were used as a measure for microbial activity and the microbial response to changing thermal and geochemical conditions. The results were discussed in the context of permafrost temperature, pore water composition, paleo-climatic proxies and sediment age. The combination of permafrost warming and increasing salinity as well as permafrost warming alone resulted in a disturbance of the microbial communities at least on time-scales of centuries. This was expressed by a loss of microbial abundance and bacterial diversity. At the same time, the bacterial community of seawater unaffected but warmed permafrost was mainly determined by environmental and climatic conditions at the time of sediment deposition. A stimulating effect of warming was observed only in seawater unaffected permafrost after millennia-scale inundation, visible through increased microbial abundance and reduced amounts of substrate. Despite submarine exposure for centuries to millennia, the community of bacteria in submarine permafrost still generally resembled the community of terrestrial permafrost. It was dominated by phyla like Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes and Proteobacteria, which can be active under freezing conditions. Moreover, the archaeal communities of both study sites were found to harbor high abundances of marine and terrestrial anaerobic methane oxidizing archaea (ANME). Results also suggested ANME populations to be active under in situ conditions at subzero temperatures. Modeling showed that potential anaerobic oxidation of methane (AOM) could mitigate the release of almost all stored or microbially produced methane from thawing submarine permafrost. Based on the findings presented in this thesis, permafrost warming and thawing under submarine conditions as well as permafrost warming without thaw are supposed to have marginal effects on the microbial abundance and community composition, and therefore likely also on carbon mobilization and the formation of methane. Thawing under submarine conditions even stimulates AOM and thus mitigates the release of methane.

Description: Die globale Erwärmung beeinträchtigt die Arktische Region besonders stark. Im Vergleich zum globalen Mittel sind die Temperaturen in den hohen Breitengraden am stärksten gestiegen und werden voraussichtlich auch weiterhin am stärksten ansteigen. Das ist äußerst kritisch, da arktische Böden und die flachen Schelfgebiete des Arktischen Ozeans von Permafrost geprägt sind. Dieser mehrjährig gefrorene Boden ist ein Habitat für eine große Anzahl und Diversität von Mikroorganismen, die lebensfähig sind und auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Einerseits machen eine Erwärmung und das Tauen des Permafrosts gespeicherten organischen Kohlenstoff zugänglicher für die Mikroorganismen. Diese können den Kohlenstoff in die Treibhausgase Kohlenstoffdioxid, Methan und Distickstoffoxid umwandeln. Andererseits stimuliert das Tauen des gefrorenen Bodens die mikrobielle Aktivität und den Kohlenstoffumsatz. Das kann zu einem sich verstärkenden Rückkopplungsprozess aus Erwärmung und Freisetzung von Treibhausgasen führen. Submariner Permafrost umfasst den größten Teil des Ostsibirischen Arktisschelfs und enthält ein großes, wenn auch nicht quantifiziertes Kohlenstoffreservoir. Der submarine Permafrost wird jedoch nicht nur durch Veränderungen des Wärmehaushalts beeinflusst, sondern auch durch drastische Veränderungen in der geochemischen Zusammensetzung. Durch den holozänen Meeresspiegelanstieg und durch Küstenerosion wurde der unter terrestrischen Bedingungen gebildete Permafrost überflutet. Ein Eindringen von Meerwasser führte in den Permafrostsedimenten zu einem Anstieg der Porenwasser-Salinität und dadurch zum Tauen des Permafrosts in den oberen Schichten, sogar bei Temperaturen unter 0 °C. Tiefer liegende Permafrostsedimente, die (noch) nicht vom Meerwasser beeinflusst wurden, blieben eis-gebunden, aber begannen sich durch den Wärmestrom des Meerwassers zu erwärmen. Das Ziel dieser Dissertation war es, die mikrobiellen Gemeinschaften in submarinem Permafrost zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf der Reaktion der Gemeinschaften auf den Einfluss des Meerwassers und die Langzeiterwärmung. Die Arbeit nutzt dafür einen kombinierten Ansatz aus molekularbiologischen und physikochemischen Analysen. Die mikrobielle Abundanz, Gemeinschaftszusammensetzung und -struktur sowie die Diversität wurden in Sedimentbohrkernen zweier Standorte in der Laptew See untersucht, welche seit Jahrhunderten bis Jahrtausenden submarinen Bedingungen ausgesetzt waren. Die mikrobielle Abundanz wurde mit Hilfe von Zellzahlen und Kopienzahlen des 16S rRNA Gens sowie funktioneller Gene bestimmt, die kennzeichnend für die Methanproduktion (mcrA) und Sulfatreduktion (dsrB) sind. Die mikrobielle Gemeinschaft wurde mit Hilfe der Hochdurchsatz-Sequenzierung des 16S rRNA Gens charakterisiert. Physikochemische Analysen beinhalteten die Untersuchung der geochemischen Zusammensetzung der Porenwassers und der stabilen Wasserisotopen. Beide Zusammensetzungen wurden genutzt, um den Grad des Meerwassereinflusses auf die Permafrostsedimente zu beschreiben. Ein Hauptergebnis der Arbeit ist, dass sich submariner Permafrost sowohl nach Jahrhunderten als auch nach Jahrtausenden der Überflutung in verschiedene Schichten, sogenannte Porenwassereinheiten, unterteilen lässt: (i) Sedimente, die sich mit dem Meeresboden vermischt haben, (ii) Sedimente, die vom Meerwasser infiltriert wurden und (iii) Sedimente, die vom Meerwasser unbeeinflusst sind. Diese Schichtenbildung spiegelt sich erst nach jahrtausendelanger Überflutung auch in der mikrobiellen Gemeinschaftszusammensetzung wider, nicht jedoch nach Jahrhunderten. Änderungen sowohl in der Gemeinschaftszusammensetzung als auch in der Abundanz wurden als Maß für mikrobielle Aktivität und die mikrobielle Reaktion auf die sich ändernden thermischen und geochemischen Bedingungen genutzt. Die Ergebnisse wurden im Kontext von Permafrosttemperatur, Porenwasserzusammensetzung, paleoklimatischen Proxys und dem Sedimentalter diskutiert. Die Kombination aus Permafrosterwärmung und steigender Salinität, sowie die Permafrosterwärmung allein, resultierten auf Zeitskalen von Jahrhunderten in einer Störung der mikrobiellen Gemeinschaft. Dies drückte sich durch einen Verlust der mikrobiellen Abundanz und der bakteriellen Diversität aus. Gleichzeitig wurde die bakterielle Gemeinschaft im vom Meerwasser unbeeinflussten, aber erwärmten Permafrost hauptsächlich durch die Umweltbedingungen und das Klima zur Zeit der Sedimentablagerung geprägt. Ein stimulierender Einfluss der Erwärmung konnte im vom Meerwasser unbeeinflussten Permafrost erst nach jahrtausendelanger Überflutung beobachtet werden. Dies wurde durch einen Anstieg in der mikrobiellen Abundanz und einer Abnahme der organischen Substrate sichtbar. Obwohl die bakteriellen Gemeinschaften des Permafrostes submarinen Bedingungen für Jahrhunderte bis Jahrtausende ausgesetzt waren, unterschieden sie sich kaum von den Gemeinschaften im terrestrischen Permafrost. Die Gemeinschaft des submarinen Permafrosts wurde von Phyla wie Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes und Proteobacteria dominiert, welche auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Darüber hinaus enthielten die archaellen Gemeinschaften an beiden Standorten eine hohe Anzahl von marinen und terrestrischen anaerob methan-oxidierenden Archaeen (ANME), bei denen eine Aktivität unter in situ Bedingungen bei Minusgraden angenommen wird. Eine Modellierung zeigte, dass die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) potenziell fast die gesamte Menge des gespeicherten und mikrobiell produzierten Methans in tauendem submarinem Permafrost reduzieren könnte. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass das Tauen von Permafrost unter submarinen Bedingungen sowie eine Erwärmung ohne Tauen marginale Effekte auf die Abundanz und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften und somit wahrscheinlich auch auf die Mobilisierung von Kohlenstoff in Form von Methan hat. Das Tauen unter submarinen Bedingungen stimuliert sogar AOM und reduziert somit den Ausstoß von Methan.

Description: Methane is an important greenhouse gas contributing to global climate change. Natural environments and restored wetlands contribute a large proportion to the global methane budget. Methanogenic archaea (methanogens) and methane oxidizing bacteria (methanotrophs), the biogenic producers and consumers of methane, play key roles in the methane cycle in those environments. A large number of studies revealed the distribution, diversity and composition of these microorganisms in individual habitats. However, uncertainties exist in predicting the response and feedback of methane-cycling microorganisms to future climate changes and related environmental changes due to the limited spatial scales considered so far, and due to a poor recognition of the biogeography of these important microorganisms combining global and local scales. With the aim of improving our understanding about whether and how methane-cycling microbial communities will be affected by a series of dynamic environmental factors in response to climate change, this PhD thesis investigates the biogeographic patterns of methane-cycling communities, and the driving factors which define these patterns at different spatial scales. At the global scale, a meta-analysis was performed by implementing 94 globally distributed public datasets together with environmental data from various natural environments including soils, lake sediments, estuaries, marine sediments, hydrothermal sediments and mud volcanos. In combination with a global biogeographic map of methanogenic archaea from multiple natural environments, this thesis revealed that biogeographic patterns of methanogens exist. The terrestrial habitats showed higher alpha diversities than marine environments. Methanoculleus and Methanosaeta (Methanothrix) are the most frequently detected taxa in marine habitats, while Methanoregula prevails in terrestrial habitats. Estuary ecosystems, the transition zones between marine and terrestrial/limnic ecosystems, have the highest methanogenic richness but comparably low methane emission rates. At the local scale, this study compared two rewetted fens with known high methane emissions in northeastern Germany, a coastal brackish fen (Hütelmoor) and a freshwater riparian fen (Polder Zarnekow). Consistent with different geochemical conditions and land-use history, the two rewetted fens exhibit dissimilar methanogenic and, especially, methanotrophic community compositions. The methanotrophic community was generally under-represented among the prokaryotic communities and both fens show similarly low ratios of methanotrophic to methanogenic abundances. Since few studies have characterized methane-cycling microorganisms in rewetted fens, this study provides first evidence that the rapid and well re-established methanogenic community in combination with the low and incomplete re-establishment of the methanotrophic community after rewetting contributes to elevated sustained methane fluxes following rewetting. Finally, this thesis demonstrates that dispersal limitation only slightly regulates the biogeographic distribution patterns of methanogenic microorganisms in natural environments and restored wetlands. Instead, their existence, adaption and establishment are more associated with the selective pressures under different environmental conditions. Salinity, pH and temperature are identified as the most important factors in shaping microbial community structure at different spatial scales (global versus terrestrial environments). Predicted changes in climate, such as increasing temperature, changes in precipitation patterns and increasing frequency of flooding events, are likely to induce a series of environmental alterations, which will either directly or indirectly affect the driving environmental forces of methanogenic communities, leading to changes in their community composition and thus potentially also in methane emission patterns in the future.…

Description: Methan ist ein wichtiges Treibhausgas, das zum globalen Klimawandel beiträgt. Bedeutend für das globale Methanbudget sind unter anderem natürliche und wiedervernäßte Moore. Methanogene Archaeen (Methanogene) und Methan-oxidierende Bakterien (Methanotrophe) sind die biogenen Produzenten und Konsumenten von Methan. Daher nehmen sie global, und speziell in Mooren, eine Schlüsselrolle für das Methanbudget ein. Eine Vielzahl von Studien hat die Verteilung, Vielfalt und Zusammensetzung dieser Mikroorganismen in einzelnen Lebensräumen untersucht. Es bestehen jedoch Unsicherheiten in der Vorhersage, wie sie auf den globalen Wandel und auf die damit verbundenen Umweltveränderungen reagieren werden. Diese Unsicherheiten basieren unter anderem auf bislang fehlenden biogeographischen Untersuchungen, die globale und lokale Skalen kombinieren, und auf einem unzureichenden Verständnis dazu, ob und welche Umweltfaktoren speziell methanogene Gemeinschaften beeinflussen. Zudem gibt es trotz der Bedeutung von Projekten zur Moorwiedervernässung für das regionale und globale Treibhausgasbudget nahezu keine Untersuchungen zur Zusammensetzung und Verbreitung von methanogenen und methanotrophen Gemeinschaften in degradierten wiedervernäßten, eutrophen Niedermooren. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, unser Verständnis zur Reaktion der am Methanbudget beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften auf den globalen Wandel und auf die damit einhergehenden Umweltänderungen zu verbessern. Die Arbeit untersucht daher zum einen die biogeographischen Muster methanogener Gemeinschaften und die ihnen zugrunde liegenden Umweltfaktoren auf verschiedenen räumlichen Skalen. Auf globaler Ebene wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, die auf 94 global verteilten, öffentlichen Sequenzdatensätzen sowie den dazugehörigen Umweltdaten aus verschiedenen natürlichen Ökosystemen basiert. Hierzu gehören Böden, Seesedimente, Ästuare, marine Sedimente, hydrothermale Sedimente und Schlammvulkane. In Kombination mit einer globalen biogeographischen Karte zur Verbreitung methanogener Archaeen konnte diese Arbeit zeigen, dass biogeographische Muster von Methanogenen existieren. Terrestrische Ökosysteme zeigen zudem eine höhere Diversität als marine Ökosysteme. Ästuare, Übergangszonen zwischen marinen und terrestrischen/ limnischen Ökosystemen, weisen die größte methanogene Diversität bei jedoch vergleichsweise geringen Methanemissionen auf. Methanoculleus und Methanosaeta (Methanothrix) sind die am häufigsten nachgewiesenen Taxa in marinen Lebensräumen, während Methanoregula in terrestrischen Ökosystemen dominiert. Auf lokaler Ebene wurden in dieser Arbeit zwei wiedervernässte, eutrophe Niedermoore im Nordosten Deutschlands verglichen, das von der Ostsee beeinflusste „Hütelmoor“ und das Durchströmungsmoor „Polder Zarnekow“. Beide Moore sind durch hohe Methanemissionen infolge der Wiedervernässung charakterisiert. Einhergehend mit unterschiedlichen geochemischen Bedingungen und unterschiedlicher Nutzungshistorie weisen diese beiden wiedervernässten Standorte in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche methanogene und methanotrophe Gemeinschaften auf lokaler Ebene auf. Zudem ist die Gruppe der Methanotrophen innerhalb der prokaryotischen Gemeinschaften jeweils unterrepräsentiert und beide Moore zeigen ein vergleichbar niedriges Verhältnis von Methanotrophen im Vergleich zu Methanogenen. Diese Arbeit liefert erste Hinweise darauf, dass die schnelle und erfolgreiche Wiederbesiedlung durch Methanogene in Kombination mit einer offenbar schlecht etablierten methanotrophen Gemeinschaft zu den erhöhten Methanflüssen in beiden Mooren nach Wiedervernässung beiträgt. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass eine eingeschränkte Migration („dispersal limitation“) die biogeographischen Verteilungsmuster von Methanogenen in natürlichen Ökosystemen kaum beeinflusst. Stattdessen werden Vorkommen und Anpassung von methanogenen Gemeinschaften vor allem durch den selektiven Druck verschiedener Umweltbedingungen reguliert. Die Umweltparameter Salzgehalt, pH-Wert und Temperatur wurden dabei als wichtigste Faktoren identifiziert, die die Verbreitung methanogener Gemeinschaften global bzw. speziell in terrestrischen Standorten beeinflussen. Es ist daher wahrscheinlich, dass prognostizierte Klimaveränderungen wie steigende Temperatur, Änderungen der Niederschlagsmuster und zunehmende Häufigkeit von Überschwemmungsereignissen zu Änderungen in der Zusammensetzung methanogener Gemeinschaften führen, die möglicherweise auch die Methanemissionsmuster beeinflussen werden.…

Description: Given that over 50% of Myanmar's urban inhabitants and nearly 75% of the rural population lack access to adequate electricity, the country's development agenda includes electrification as a key policy goal. The government's National Electrification Project (NEP) aims to reach 100% household electrification by 2030. To achieve this ambitious target, the government of Myanmar has established a set of strategic electrification priorities. The primary focus is to electrify the country through extension of the national grid and construction of large power plants based on fossil fuels and renewable energy. For decades, decentralised energy solutions have played a niche role in Myanmar's electrification journey. Local developers have constructed thousands of nominal "mini-grids", powered by a range of sources, including water, diesel, and solar. With the support of local communities, these initiatives provide positive stimuli for the social and economic development of villages across the country. To achieve its electrification goals, the NEP includes a segment to promote the development of new mini-grids through a set of subsidies and private sector cooperation initiatives. These target remote regions, which are difficult to electrify through extension of the main grid. This report takes an in-depth look at decentralised electrification through community-based mini-grids with a focus on renewable energy. The aim is to provide insights into the potential role of sustainable electrification and to identify both enabling and limiting factors related to the institutional and policy landscape (macro), as well as the local conditions (micro). It also aims to explore whether the cooperative model is a suitable organisational framework for the operation of mini-grids in Myanmar. The results of the study will help to inform policymakers and supporters of decentralised electrification about the potential role for cooperatives and provide ways to improve the operating environment for sustainable, community-based mini-grids.

Description: The European Union (EU) has established that the goal of achieving climate neutrality by 2050 as a key driver of innovation and growth for industry and the economy in the EU. In addition to offering great opportunities, this also poses considerable challenges for the European economy and, for the most part, for basic industries, which are particularly emission-intensive and face strong international competition. An integrated climate and industry strategy is of central importance to protecting the climate, since the production of steel, cement, basic chemicals, glass, paper, and other materials in the EU and worldwide accounts for roughly one fifth of total greenhouse gas emissions. Even in a greenhouse gas-neutral future, we will not be able to fully eliminate our need for these materials. At the same time, it is particularly challenging to produce these materials without creating emissions given the state of technology and the necessary infrastructures. This applies above all to the question of how large amounts of green energy, including electricity and hydrogen, can be produced at competitive prices. Analyses show that despite the considerable costs involved in process changeover, the costs of transforming the raw materials industry are acceptable to society as a whole, given that the additional costs usually only increase the price of the end products by a few percentage points. However, in the case of crude steel or cement, the price would increase by between one third and 100 per cent. Since almost all raw materials manufacturers face strong global market competition, in most cases they are not able to bankroll the investments in climate-neutral production and the required energy infrastructure without outside support. This paper outlines an integrated climate industrial policy package that allows the EU to utilise its existing technological leadership in many of these industries to build a greenhouse gas-neutral raw materials industry.

Description: While the Paris Agreement (PA) has enshrined ambitious long-term objectives, the current actions of the Parties to the Agreement fall far short of these goals. The Global Stocktake (GST), established in Art. 14 of the PA, may help narrow this gap between ambition and action: its purpose is to review the implementation of the PA and to assess the collective progress of the international community towards Paris goals. While some general modalities on how to conduct the GST have been adopted, the details are still to be determined. The objective of this report is to analyze existing international regimes as regards their review processes, the contribution of these review processes to various governance functions and, finally, to derive lessons for the GST. Processes analyzed include: the design of the upcoming Global Stocktake itself, the Talanoa Dialogue (TD) which is the direct precursor of the GST, the Agenda 2030 High-Level Political Forum (HLPF), which features a regular stocktaking process focused on progress toward the Sustainable Development Goals (SDGs), the review processes of the UN human rights system (UNHRS) and the review processes and assessment panels of the Montreal Protocol (MP). The analysis of each review process is organised in four section: (1) political background and context, (2) technical and organisational details of the processes, (3) interface between the political and technical processes, and (4) how the review processes contribute to achieving the objectives of the respective regime, particularly governance functions of the regime (guidance and signal, transparency and accountability, and knowledge and learning).

Description: Any energy efficiency impact evaluation can be done from different analytical perspectives, e.g. the investor/end-user perspective, program administrator perspective or the societal perspective. COMBI applies the "societal perspective", as this is most relevant for policy-making. COMBI draws on a reference scenario until the year 2030 including existing (partially already ambitious) policies. By modelling 21 sets of "energy efficiency improvement" (EEI) actions, a second efficiency scenario was modelled amounting to additional energy savings of around 8% p.a. in 2030, that is comparable to the EUCO+33 to EUCO+35 scenario. This D2.7 quantification report summarises the quantification approaches applied in the COMBI project and main project findings. It therefore draws on other COMBI reports that contain this information in greater detail in order to summarise quantifications. The report is structured in three main sections: 1. The COMBI approach and methods, explaining key methodological approaches both for individual impact quantifications and for the aggregation of impacts 2. Quantification results, giving an overview on main figures of quantified indicators and 3. Insights from cross-impact analysis, which gives a comparison between monetised impacts and presents their use for Cost-Benefit calculations in the COMBI online tool.

Description: Much of the current literature on climate clubs sees mitigation costs creating free rider incentives as the main problem of climate policy. Climate clubs are supposed to solve this problem by creating additional incentives for mitigation. Looking more in detail, one sees that the situation differs from sector to sector. Some industry sectors indeed have substantial cost and competitiveness issues. In others such as electricity and transport, there are costs at micro level but balance for economy and society as a whole is rather positive. International climate policy in general and clubs in particular should therefore be tailored to sectoral specifics.

Description: The COMBI project aimed at quantifying the multiple non-energy benefits of energy efficiency in the EU-28 area and incorporate those multiple impacts into decision-support frameworks for policy-making. Therefore, all multiple impacts of energy efficiency are analysed from an overall societal view in the project. The COMBI policy recommendations resulting from the evaluation outcomes are presented in this report. COMBI draws on a reference scenario until the year 2030 including existing policies. By modelling 21 sets of "energy efficiency improvement" (EEI) actions, a second efficiency scenario was modelled amounting to additional energy savings of around 8% p.a. in 2030, and that is comparable to the EUCO+33 to EUCO+35 scenario. All figures quantified by COMBI relate to additional values, i.e. additional impacts resulting from additional EEI actions beyond the reference scenario as a consequence of additional policies. The project quantified in total 31 individual impact indicators with appropriate state-of-the-art models.

Description: The Wuppertal Institute conducted an impact analysis of the NRW Sustainability Bond #4 of 2018 on behalf of the State Government of North Rhine-Westphalia (NRW). The most recent bond has a volume of EUR 2.025bn, a term of 10 years and consists of 52 eligible projects from the State's 2017 general budget (sustainable value-added was confirmed in a second party opinion by oekom research1). This report analyses the contribution of the bond to climate mitigation, sustainable land use and social impacts. It also includes information on the impacts of the previous three bonds (NRW Sustainability Bond #1 to #3).

Description: The Wuppertal Institute conducted an impact analysis of the NRW sustainability bond #5 of 2019 on behalf of the State government of North Rhine-Westphalia (NRW). The most recent bond has a volume of EUR 2.25 bn, a term of 15 years and consists of 52 eligible projects from the State's 2018 general budget (sustainable value-added was confirmed in a second party opinion by ISS-oekom). This report analyses the contribution of the bond to climate mitigation, sustainable land use and social impacts. It also includes information on the impacts of the previous four bonds (NRW sustainability bond #1 to #4).

Description: Despite a strong connection between the Paris Agreement and the 2030 Agenda for Sustainable Development, climate change mitigation actions and sustainable development objectives are oftentimes not aligned efficiently, causing conflicts between the objectives. This thesis creates a systematic overview of conflicts of three renewable energy technologies with the Sustainable Development Goals (SDGs) by a literature review in Web of Science. The technologies solar energy, wind energy and hydropower function as examples for climate change mitigation actions. Out of 530 screened articles, 63 demonstrated conflicts. The systematic overview reveals that conflicts are different for each technology, but conflicts in regard to biodiversity loss and the degradation of natural habitats (SDG 15) and inequalities (SDG 10) were frequently identified for all technologies. The results of the systematic overview suggest that the site selection and the decision-making process on the construction of renewable energy projects are crucial stages to avoid conflicts with the SDGs.

Description: Since urban processes need models of possible futures (referred to as travelling concepts) to drive their development, this study investigates whether planned-from-scratch smart city Kashiwa-no-ha International Campus Town Initiative can produce such an image with its smart governance approach, that is combined with an urban living lab. Using geographical governance research in relation to urban development processes as a framework, this master's thesis derives its own definition of the fuzzy concept of smart governance within the smart city vision based on a socio-geographical understanding of space, here referred to as Smart Urban Governance. Additionally, a set of indicators for the operationalisation of Smart Urban Governance is designed and applied to the case study. Methodologically, the thesis pursues a qualitative approach and, in this context, carries out a descriptive and normative governance analysis of Kashiwa-no-ha on the basis of the existing literature and empirical surveys conducted by the author. In summary, the strong role of academia in the urban planning context of community-building in Kashiwa-no-ha is exemplary and has led to a collaborative code of conduct between the traditional actors, mediated by a public-private-academic partnership, as well as to co-innovation between the city, developers, and citizens in form of a public-private-people partnership. Although the flagship project successfully addresses a large number of the Smart Urban Governance indicators defined in this context, there is potential for improvement, for example, in terms of participation, transparency, inclusion, and public spaces. Since Kashiwa-no-ha Smart City is still in an implementation phase until 2030, the thesis concludes with a forecast and a recommendation for action based on a strengths, weaknesses, opportunities, and threats analysis.

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.