ALBERT

Description: Das Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit ist der westliche und nordwestliche Rand der Adriaplatte bis in den Bereich der Vortiefen nördlich und östlich des Apennins sowie der Kontaktbereich der Adriaplatte zur europäischen Platte im Westalpenbogen und im Gebiet des Ligurischen Meeres. Für dieses Areal werden Aufbau und Struktur der Erdkruste beschrieben.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen