ALBERT

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

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

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Eine für die Zentralanden erstellte geowissenschaftliche Datenbank erfaßt die umfangreichen Forschungsergebnisse des SFB 267 wie auch externe Datensätze in Form eines zentral verwalteten Dateisystems. Ein Datenkatalog, welcher seit Mitte 1996 auch im World Wide Web (WWW, URL: http://userpage.fu-berlin.de/~data) verfügbar ist, bietet einen Überblick über die aktuelle Datenbasis und erleichtert den allgemeinen Zugriff auf die einzelnen Datensätze. Vorgestellt werden ferner verschiedene Methoden zur Analyse raumbezogener Daten aus Bereichen der Statistik (streifen-gemittelte Topographieprofile, Standardabweichung, Korrelationen, Fraktale) , Bildverarbeitung (direktionale Richtungsfilter) , Geomorphometrie (Neigung und Vertikalwölbung) und Numerik (Horizontalgradienten, FFT). Die Anwendung dieser Verfahren bezüglich einer regionalen Strukturierung wird am Beispiel der für die Zentralanden flächendeckend vorliegenden Topographie und Schwerefelder getestet und mit den aus langjährigen Untersuchungen in den Anden zur Verfügung stehenden Forschungsergebnissen verglichen. Endogene und exogene Prozesse spiegeln sich in den topographischen Erscheinungsformen wider. Insbesondere mit Hilfe der geomorphometrischen Analyse und der FFT-Filterung lassen sich für die morphostrukturellen Einheiten typische Merkmale sehr gut herausarbeiten. Auch mit einer einfachen Statistik (streifen-gemittelte Topographieprofile, Berechnung von Minimum, Mittelwert, Maximum und Standardabweichung einzelner Untersuchungsgebiete) können für die ausgewählten Gebiete charakteristische Unterschiede ermittelt werden. Im Hinblick auf die Topographie unterscheidet sich bei allen Untersuchungsmethoden am Westrand der Zentralanden der hyperaride Norden im Bereich der Atacama Wüste deutlich vom weniger trockenen Süden. Studien zur fraktalen Geometrie der Geländeoberfläche zeigen, daß sich die andine Topographie skaleninvariant verhält und tektonische wie klimatische Einflüsse sich in der geometrischen Variation der Geländeoberfläche widerspiegeln. Morphologisch zergliederte Zonen, wie das durch starke Verkürzungen gekennzeichnete Subandin oder der Südwestrand der Zentralanden, weisen im Vergleich zur fraktalen Dimension des Gesamtgebietes eine höhere fraktale Dimension auf, während das hyperaride Gebiet im Bereich der Atacama Wüste durch einen vergleichsweise niedrigen Wert gekennzeichnet ist. Mit der direktionalen Lineamentverstärkung, z.T. aber auch mit anderen Methoden wie etwa der Darstellung der Neigungsrichtung, werden die wichtigsten Störungszonen (z.B. das Atacama- oder das Präkordilleren-Störungssystem) weitestgehend erfaßt. Auf dem Pazifik bilden sich - sowohl bei der geomorphometrischen Untersuchung wie auch bei der Lineamenterkennung - entlang der Peru-Chile-Tiefseerinne die im CINCA Experiment beobachteten morphologisch-tektonischen Charakteristika (Reichert et al., 1997), wie z.B. die Blocktektonik innerhalb einer ca. 50 km breiten, westlich der Tiefseerinne verlaufenden Zone, ab. Gravimetrische Lineamente, die aus den maximalen Horizontalgradienten im Schwerefeld abgeleitet werden, weisen auf abrupte, laterale Dichteänderungen hin, sind jedoch in den Zentralanden nur in Einzelfällen mit den an der Oberfläche anstehenden lithologischen Einheiten oder Störungszonen korrelierbar. Die zweidimensionale Korrelation im moving window Verfahren hat sich als nützliches Instrument zur Analyse von sich gegenseitig beeinflussenden, raumverteilten Datensätzen erwiesen. Die Wahl der Fenstergröße erlaubt, zwischen einer regionalen und einer eher lokalen Analyse zu differenzieren; mit Hilfe einer geeigneten Visualisierung lassen sich die Beziehungen zwischen den Variablen schnell erfassen. Die räumlich differenzierte, quantitative Analyse der Korrelation zwischen Schwerefeld und Topographie in den Zentralanden zeigt, daß nicht nur die Bouguer-Anomalie sondern auch das isostatische Restfeld stark negativ mit der Geländehöhe korreliert.

Description: A geoscientific database was established for the area of the Central Andes, which includes information about past and current research conducted within the frame of the ’SFB 267 - Deformation Processes in the Andes’ (Berlin, Potsdam) as well as data from external sources. The catalogue, which since 1996 is also available on the Web (WWW, URL: http://userpage.fu-berlin.de/~data/ provides a general view of the database architecture and contents, and facilitates common and easy access to singular sets of data. In addition, various methods for the analysis of spatial data from disciplines such as statistics (swath-averaged topographic profiles, standard deviation, correlation, fractals), digital image processing (directional filtering), geomorphometry (inclination and vertical doming) and numerical methods (horizontal gradient, Fast Fourier Transformation [FFT]) are presented in this thesis. Application of these techniques for structural analysis on a regional scale was tested for the Central Andes, for which topographic coverage is complete, as well as for associated gravity fields, and compared with information generated during long term investigations in the Andes. Endogenous and exogenous processes are mirrored in topographic forms and landscapes. Characteristic features of morphostructural units are particularly well characterized when employing geomorphometric analyses and FFT filter techniques. Even simple statistical methods (swath-averaged topographic profiles, calculation of minimum, mean, maximum and standard deviation) for selected areas allow recognition of specific features and characteristic variations. As far as topography is concerned, distinct differences between the hyperarid northern portion of the western Central Andes (Atacama Desert) and lesser arid southern sectors are evident for all methods employed. Studies of the surface fractal geometry show an invariance of scale of the Andean topography. Structural and climatic influences are mirrored in geometric variations of the landscape. Morphologically intensely structured portions, like the Subandean ranges, characterized by pronounced crustal shortening, or the southwestern margin of the Central Andes are marked by a higher fractal dimension, when compared to the entire area studied, whereas the hyperarid portion of the Atacama Desert is characterized by a lower fractal dimension. Directional lineament enhancement, but other methods such as areal inclination detection as well, allow to accentuate major zones of structural weakness, such as the Atacama and Precordilleran fault systems. Both, geomorphometric investigations and lineament recognition, enhance morpho-structural features such as block-faulting of oceanic lithosphere along the Peru-Chile deep sea trench in a 50 km wide sector to the west of the subduction zone, and verify results gathered during the CINCA experiment (Reichert et al., 1997). Gravimetric lineaments, derived from maximum horizontal gradients in gravity fields of the Central Andes, point to abrupt lateral density variations, but can only occasionally be correlated with outcropping lithologic units or fault zones. The two dimensional correlation using the moving average technique has proven to be useful for analysis of mutually influencing and spatially arranged data sets. Selection of a proper window size allows to differentiate between analyses on regional resp. local scales. Employing proper visualization, relations between variables are easily detectable. A spatially differentiated and quantitative analysis of the relationship between gravity field and topography in the Central Andes shows a strong negative correlation of altitude with Bouguer anomaly and isostatic residual field.

Description: http://www.cms.fu-berlin.de/sfb/sfb267/results/data_catalogue/index.html

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen