ALBERT

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Es wird ein 3D-Dichtemodell der Nördlichen Kalkalpen vorgestellt, das sich auf eine breite Datenbasis von Ergebnissen aus der Gravimetrie, der Reflexionsseismik, der Refraktionsseismik und von Bohrlochmessungen stützen kann. Das Modell erfaßt die oberflächennahen Störmassen durch die Verwendung der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz (Meurers et al., 1989) und berücksichtigt eine Moho, deren Struktur unter Verwendung einer Kombination von direkten und indirekten, gravimetrischen 3D-Verfahren auf der Basis der gravimetrischen und seismischen Ergebnisse berechnet wurde. Zusammen mit den Informationen aus der Reflexionsseismik konnten mit diesem Konzept alle wesentlichen, bekannten Strukturen zwischen der topographischen Oberfläche und der Moho in die Modellierungen integriert werden. Das vorgestellte 3D-Dichtemodell erlaubt eine • Analyse der gravimetrischen Krusten- und Mantel-Effekte, sowie eine • Analyse der Qualität der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz. Voruntersuchungen, die Erstellung der nötigen Hilfsmittel zur Berechnung des 3D-Modells und dessen Diskussion brachten die folgenden Resultate: • Eine Zusammenstellung der im Untersuchungsgebiet vorkommenden Gesteinsdichten, basierend auf Handstücken, Dicht elogs und Ergebnissen der seismischer Teufenwandlung und der statistisch behandelten Geschwindigkeit slogs, wird vorgelegt. • Die 2D-Modellrechnungen im Vorland zeigen, daß Dreieckszonen (triangle zones) gravimetrisch nicht direkt nachweisbar sind. Auch eine altersabhängige Dichteverteilung der einzelnen Molasseeinheiten erzeugen nur sehr geringe gravimetrische Effekte. Die Bausteinschichten sind dagegen in oberflächennaher, steiler Lagerung gravimetrisch auflösbar. Sie können als ’’tektonische Indikatoren” in ein lokales 3D-Modell integriert werden. Im regionalen Rahmen sind sie wegen ihres geringen Schwereeffektes aber nicht erfaßbar. • Für die Nördlichen Kalkalpen wird die gravimetrische Auflösbarkeit geologischer Strukturen untersucht und die Aussagefähigkeit von 2D-Modellrechnungen relativiert. • Die geologischen Interpretationen auf den Profilen Grünten - Landeck und Bad Tölz - Innsbruck stehen im Einklang mit den gravimetrischen Daten. Die 2D-Modellrechnungen fordern für Schwereuntersuchungen in diesem Gebiet die Verwendung der Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz und die Berücksichtigung der Moho. • Eine das gesamte Untersuchungsgebiet überdeckende Bougueranomalie mit variablem Dichteansatz wird vorgestellt und anhand des Residualschwerefeldes des 3D-Modells diskutiert. • Die unter Verwendung von Daten aus der Reflexionsseismik, Refraktionsseismik und Gravimetrie berechnete Moho unter den Nördlichen Kalkalpen wird vorgestellt. • Der in der Literatur oft verwendete Dichtekontrast an der Moho von 0.4 g/cm3 ist für das Untersuchungsgebiet nicht realistisch. Die Modellrechnungen führen zu einem Kontrast von 0.22 g/cm3 an der Kruste-Mantel-Grenze. • Eine Trennung der Krusten- und Mantel- Effekte im Untersuchungsgebiet ist nicht mit Wellenlängenfilterungen, sondern nur mittels 3D-Modellrechnungen möglich.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen