ALBERT

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: Assessing the impact of global change on hydrological systems is one of the greatest hydrological challenges of our time. Changes in land cover, land use, and climate have an impact on water quantity, quality, and temporal availability. There is a widespread consensus that, given the far-reaching effects of global change, hydrological systems can no longer be viewed as static in their structure; instead, they must be regarded as entire ecosystems, wherein hydrological processes interact and coevolve with biological, geomorphological, and pedological processes. To accurately predict the hydrological response under the impact of global change, it is essential to understand this complex coevolution. The knowledge of how hydrological processes, in particular the formation of subsurface (preferential) flow paths, evolve within this coevolution and how they feed back to the other processes is still very limited due to a lack of observational data. At the hillslope scale, this intertwined system of interactions is known as the hillslope… Die Einschätzung der Auswirkungen des globalen Wandels auf die lokale Hydrologie stellt zweifellos eine der bedeutendsten hydrologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die zuverlässige Vorhersage der zukünftigen Verfügbarkeit, Menge und Qualität des Wassers in Landschaften gewinnt dabei an höchster Bedeutung. Es herrscht weitgehender Konsens darüber, dass hydrologische Systeme aufgrund des globalen Wandels nicht mehr als statische Gebilde betrachtet werden können. Vielmehr sind sie als ganzheitliche Ökosysteme zu verstehen, in denen hydrologische Prozesse mit biologischen, geomorphologischen und pedologischen Faktoren interagieren und sich gemeinsam entwickeln. Allerdings ist das Wissen über die Entwicklung und die Rückkopplung hydrologischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung unterirdischer (präferenzieller) Fließwege, aufgrund mangelnder Beobachtungsdaten noch stark begrenzt. Das Hauptziel dieser Studie liegt daher darin, anhand von Untersuchungen auf der Hangskala die Wechselwirkung zwischen Struktur und…

Description: Die Einschätzung der Auswirkungen des globalen Wandels auf die lokale Hydrologie stellt zweifellos eine der bedeutendsten hydrologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die zuverlässige Vorhersage der zukünftigen Verfügbarkeit, Menge und Qualität des Wassers in Landschaften gewinnt dabei an höchster Bedeutung. Es herrscht weitgehender Konsens darüber, dass hydrologische Systeme aufgrund des globalen Wandels nicht mehr als statische Gebilde betrachtet werden können. Vielmehr sind sie als ganzheitliche Ökosysteme zu verstehen, in denen hydrologische Prozesse mit biologischen, geomorphologischen und pedologischen Faktoren interagieren und sich gemeinsam entwickeln. Allerdings ist das Wissen über die Entwicklung und die Rückkopplung hydrologischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung unterirdischer (präferenzieller) Fließwege, aufgrund mangelnder Beobachtungsdaten noch stark begrenzt. Das Hauptziel dieser Studie liegt daher darin, anhand von Untersuchungen auf der Hangskala die Wechselwirkung zwischen Struktur und hydrologischem Verhalten zu erforschen. Dadurch soll ein besseres Verständnis für den Rückkopplungszyklus gewonnen werden. Die vier in dieser Arbeit präsentierten Studien befassen sich mit der Entwicklung hydrologischer, biologischer und physikalischer Eigenschaften von Hängen sowie der Evolution hydrologischer Fließwege über einen Zeitraum von zehntausend Jahren in zwei unterschiedlichen geologischen Geologien. Durch die Analyse von Moränen-Chronosequenzen in zwei Gletschervorfeldern, die jeweils aus silikatreichem bzw. kalkreichem Geschiebemergel entstanden sind, wird die komplexe Koevolution in Abhängigkeit von der geologischen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials beleuchtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Eigenschaften von silikatreichem und kalkhaltigem Ausgangsmaterial unter den gegebenen Klimabedingungen zu Unterschieden in Bodeneigenschaften, Durchlässigkeit und Wasserspeicherung führen. Dies wiederum begünstigt unterschiedliche Vegetationstypen und resultiert in vielfältigen Ökosystemen mit variierenden hydrologischen Dynamiken. Interessanterweise treibt das silikatreiche Ausgangsmaterial die Koevolution stärker an. Hierbei spielt der pH-Wert des Bodens eine Schlüsselrolle, da er Auswirkungen auf Vegetation, Bodenbildung und folglich auch auf die Hydrologie hat. Die saure Verwitterung des silikatreichen Materials begünstigt die Anreicherung organischer Substanz, was zu einer Erhöhung der Wasserspeicherkapazität des Bodens und zur Podsolisierung führt. Innerhalb weniger Jahrhunderte entwickelt sich das unterirdische Wassertransportsystem von einer vertikalen, heterogenen Matrixströmung zu fingerartigen Fließwegen und nach mehreren Jahrtausenden zu einem System aus Makroporen, wobei die Wasserspeicherung und die unterirdische, laterale Strömung überwiegen. Im Gegensatz dazu weist der kalkhaltige Standort eine hohe pH-Pufferkapazität auf. In dem basischen bis neutralen Milieu sammelt sich vergleichsweise wenig abgestorbene, organische Substanz an, was zu einer geringeren Wasserspeicherkapazität führt und die Ansiedlung von Grasvegetation begünstigt. Die Fließwege ändern lediglich ihre Form, nicht jedoch ihre Richtung. Es wurde lediglich ein Übergang von vertikaler, heterogener Matrixströmung zu vertikalen, fingerartigen Fließwegen beobachtet. Der schnelle vertikale Wassertransport mit geringer Speicherung begünstigt die Erhaltung der Grasvegetation. Die durchgeführten Studien verdeutlichen, dass die Entwicklung der Fließwege hauptsächlich von den Eigenschaften des Ausgangsgesteins und seinen Verwitterungsprodukten sowie von deren komplexen Interaktionen mit den ursprünglichen Fließwegen und der Entwicklung der Vegetation geprägt ist. Im Gegensatz dazu spielt die Zeit keine entscheidende Rolle bei der Beschreibung der Evolution der hydrologischen Reaktion. Diese Studie trägt wesentlich dazu bei, die bestehende Lücke in Beobachtungen für die Erforschung der Koevolution von hydrologischen, biologischen, geomorphologischen und pedologischen Prozessen zu schließen. Dies ist von großer Bedeutung, um Vorhersagen hydrologischer Prozesse in sich wandelnden Landschaften zu verbessern. Sie zeigt außerdem die Relevanz interdisziplinärer Studien auf, um den zukünftigen Herausforderungen in der Hydrologie im Zuge des globalen Wandels erfolgreich zu begegnen.

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: 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: 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: he interest of the hydrological community in the gravimetric method has steadily increased within the last decade. This is reflected by numerous studies from many different groups with a broad range of approaches and foci. Many of those are traditionally rather hydrology-oriented groups who recognized gravimetry as a potential added value for their hydrological investigations. While this resulted in a variety of interesting and useful findings, contributing to extend the respective knowledge and confirming the methodological potential, on the other hand, many interesting and unresolved questions emerged. This thesis manifests efforts, analyses and solutions carried out in this regard. Addressing and evaluating many of those unresolved questions, the research contributes to advancing hydrogravimetry, the combination of gravimetric and hydrological methods, in showing how gravimeters are a highly useful tool for applied hydrological field research. Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann.Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von

Description: Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann. Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von traditionellen hydrologischen Messinstrumenten um das Gebäude herum diese verhinderten natürlichen Prozesse beschreiben kann. Darauf folgend wird anhand eines erfolgreich getesteten Aufbaus eines Gravimeters außerhalb von einem Gebäude, also direkt im Gelände, demonstriert, was solch eine Außeninstallation für einen großen Vorteil für die hydrologische Feldforschung mit sich bringt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass dieser alternative Aufbau keinerlei Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Qualität, Rauschen oder Beherrschbarkeit von Umwelteinflüssen mit sich bringt, sondern vor allem die Empfindlichkeit für Messungen von Wassermassenänderungen in Oberflächennähe stark verbessert. Anhand eines Beregnungsexperiments auf der Fläche um dieses im Gelände installierten Gravimeters werden die Vorzüge der gravimetrischen Methode für die hydrologische Prozessforschung aufgezeigt. Verschiedene mögliche Ausbreitungen des verregneten Wassers im Untergrund können mittels dieser Methode charakterisiert und identifiziert werden. Im letzten Teil wird das Problem von Unsicherheiten besprochen, die aus der notwendigen Datenbearbeitung resultieren. Um die gravimetrischen Beobachtungen auf die Anteile zu reduzieren, die innerhalb einer Studie betrachtet werden sollen, müssen alle Komponenten die das Gravimeter misst, die aber die hydrologische Interpretation stören, beseitigt werden. Dabei handelt es sich vor allem um globale Komponenten wie Gezeiten, Luftdruckschwankungen, Gezeiten-unabhängige Meeresströmungen und globale Hydrologie. Es wird untersucht, welche Unsicherheiten bei deren Korrektur auftreten, wenn verschiedene Zeitintervalle von zu beobachtenden hydrologischen Signalen vorherrschen. Alle gewonnenen Resultate und Erfahrungen werden in einer gesamtheitlichen Betrachtung dahingehend diskutiert, wie die hydrogravimetrische Methode aufgrund dieser neuen Erkenntnisse verbessert und vorangebracht werden konnte.

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: Understanding hydrological processes is of fundamental importance for the Vietnamese national food security and the livelihood of the population in the Vietnamese Mekong Delta (VMD). As a consequence of sparse data in this region, however, hydrologic processes, such as the controlling processes of precipitation, the interaction between surface and groundwater, and groundwater dynamics, have not been thoroughly studied. The lack of this knowledge may negatively impact the long-term strategic planning for sustainable groundwater resources management and may result in insufficient groundwater recharge and freshwater scarcity. It is essential to develop useful methods for a better understanding of hydrological processes in such data-sparse regions. The goal of this dissertation is to advance methodologies that can improve the understanding of fundamental hydrological processes in the VMD, based on the analyses of stable water isotopes and monitoring data. The thesis mainly focuses on the controlling processes of precipitation, the mechanism of surface–groundwater interaction, and the groundwater dynamics. These processes have not been fully addressed in the VMD so far. The thesis is based on statistical analyses of the isotopic data of Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP), of meteorological and hydrological data from Vietnamese agencies, and of the stable water isotopes and monitoring data collected as part of this work. First, the controlling processes of precipitation were quantified by the combination of trajectory analysis, multi-factor linear regression, and relative importance analysis (hereafter, a model‐based statistical approach). The validity of this approach is confirmed by similar, but mainly qualitative results obtained in other studies. The total variation in precipitation isotopes (δ18O and δ2H) can be better explained by multiple linear regression (up to 80%) than single-factor linear regression (30%). The relative importance analysis indicates that atmospheric moisture regimes control precipitation isotopes rather than local climatic conditions. The most crucial factor is the upstream rainfall along the trajectories of air mass movement. However, the influences of regional and local climatic factors vary in importance over the seasons. The developed model‐based statistical approach is a robust tool for the interpretation of precipitation isotopes and could also be applied to understand the controlling processes of precipitation in other regions. Second, the concept of the two-component lumped-parameter model (LPM) in conjunction with stable water isotopes was applied to examine the surface–groundwater interaction in the VMD. A calibration framework was also set up to evaluate the behaviour, parameter identifiability, and uncertainties of two-component LPMs. The modelling results provided insights on the subsurface flow conditions, the recharge contributions, and the spatial variation of groundwater transit time. The subsurface flow conditions at the study site can be best represented by the linear-piston flow distribution. The contributions of the recharge sources change with distance to the river. The mean transit time (mTT) of riverbank infiltration increases with the length of the horizontal flow path and the decreasing gradient between river and groundwater. River water infiltrates horizontally mainly via the highly permeable aquifer, resulting in short mTTs (〈40 weeks) for locations close to the river (〈200 m). The vertical infiltration from precipitation takes place primarily via a low‐permeable overlying aquitard, resulting in considerably longer mTTs (〉80 weeks). Notably, the transit time of precipitation infiltration is independent of the distance to the river. All these results are hydrologically plausible and could be quantified by the presented method for the first time. This study indicates that the highly complex mechanism of surface–groundwater interaction at riverbank infiltration systems can be conceptualized by exploiting two‐component LPMs. It is illustrated that the model concept can be used as a tool to investigate the hydrological functioning of mixing processes and the flow path of multiple water components in riverbank infiltration systems. Lastly, a suite of time series analysis approaches was applied to examine the groundwater dynamics in the VMD. The assessment was focused on the time-variant trends of groundwater levels (GWLs), the groundwater memory effect (representing the time that an aquifer holds water), and the hydraulic response between surface water and multi-layer alluvial aquifers. The analysis indicates that the aquifers act as low-pass filters to reduce the high‐frequency signals in the GWL variations, and limit the recharge to the deep groundwater. The groundwater abstraction has exceeded groundwater recharge between 1997 and 2017, leading to the decline of groundwater levels (0.01-0.55 m/year) in all considered aquifers in the VMD. The memory effect varies according to the geographical location, being shorter in shallow aquifers and flood-prone areas and longer in deep aquifers and coastal regions. Groundwater depth, season, and location primarily control the variation of the response time between the river and alluvial aquifers. These findings are important contributions to the hydrogeological literature of a little-known groundwater system in an alluvial setting. It is suggested that time series analysis can be used as an efficient tool to understand groundwater systems where resources are insufficient to develop a physical-based groundwater model. This doctoral thesis demonstrates that important aspects of hydrological processes can be understood by statistical analysis of stable water isotope and monitoring data. The approaches developed in this thesis can be easily transferred to regions in similar tropical environments, particularly those in alluvial settings. The results of the thesis can be used as a baseline for future isotope-based studies and contribute to the hydrogeological literature of little-known groundwater systems in the VMD.

Description: Ein fundiertes Verständnis der hydrologischen Prozesse im vietnamesischen Mekong Delta (VMD) ist von grundlegender Bedeutung für den Lebensunterhalt der Bevölkerung im Mekong Delta, und darüber hinaus auch für die nationale Ernährungssicherheit. Aufgrund des Fehlens einer belastbaren Datenbasis konnten bislang eine Reihe von wichtigen hydrologischen Prozessen nur unzureichend untersucht und quantifiziert werden. Dazu zählen unter anderem die Analyse des Ursprungs des Niederschlages im Delta, die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser, sowie die Grundwasserdynamik. Diese Lücken im Wissensstand verhindern eine solide datenbasierte Wasserwirtschaftsplanung, was unter Berücksichtigung der derzeitigen Trends mittelfristig zu weiter fallenden Grundwasserständen und Wasserknappheit führen wird. Daher ist es von großer Bedeutung, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die auch unter der bestehenden Datenknappheit belastbare quantitative Ergebnisse für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung liefern können. Das Ziel dieser Dissertation ist es, solche Methoden zu entwickeln und zu testen, um grundlegende hydrologische Prozesse im VMD besser verstehen und quantifizieren zu können. Hierzu werden die existierenden Messdaten sowie im Rahmen dieser Arbeit gesammelte Daten zum Gehalt an stabilen Wasserisotopen verwendet. Mit Hilfe dieser Daten wurden folgende Prozesse untersucht: 1. Der Ursprung und die Fraktionierung des Niederschlages im VMD. 2. Die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser mit einem besonderen Fokus auf die ufernahen Gebiete. 3. Die großflächige Dynamik in den verschiedenen Grundwasserleitern der letzten Jahrzehnte. Die Prozesse, die den Ursprung und die Verteilung des Niederschlagsbestimmen, wurden mittels einer Kombination aus Isotopendaten, Trajektorienanalyse, multifaktorieller Regression, und relativer Wichtigkeitsanalyse untersucht. Diese Kombination ist nachfolgend „modelbasierter statistischer Ansatz“ betitelt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Varianz im Isotopengehalt des Niederschlags (δ18O and δ2H) mit der multifaktoriellen Regression zu 80% erklärt werden konnte, was im Vergleich zu einer einfachen Regression mit 30% erklärter Varianz eine deutliche Verbesserung darstellt. Die Wichtigkeitsanalyse ergab zudem, dass großskalige atmosphärische Feuchtigkeitsverteilungen einen weitaus größeren Einfluss auf die Isotopenverteilung im Niederschlag haben, als lokale klimatische Bedingungen im VMD. Der hierbei wichtigste Faktor ist die Regenmenge entlang der Trajektorien der Luftmassenbewegungen. Die Wichtigkeit der Faktoren variiert jedoch saisonal zwischen Regen- und Trockenzeit. Der in dieser Dissertation entwickelte modelbasierte statistische Ansatz ist ein robustes Werkzeug zur Analyse und Interpretation der Isotopenverteilung im Niederschlag, der auch auf ähnliche Fragestellungen in andere Regionen übertragbar ist. Im zweiten Teil der Dissertation wurden Zweikomponentenmodelle (LPM) in Verbindung mit Isotopenmessungen im Niederschlag, Oberflächen- und Grundwasser verwendet, um die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Verschiedene Modellansätze wurden hierbei in einem automatischen Kalibrieransatz getestet, und deren Unsicherheit bestimmt. Hierbei hat sich das lineare Kolbenfließmodell (linear piston flow model) als das am besten geeignetste herausgestellt. Die Modellierungsergebnisse ermöglichten daraufhin eine modellbasierte Abschätzung der Grundwasserschwankungen und -flüsse, der Grundwasserneubildung und der räumlichen Variabilität der Grundwasserlaufzeiten. Hierbei zeigte sich, dass Grundwasserneubildung und deren Quellen räumlich variabel ist, und sich mit zunehmender Entfernung vom Fluss die Neubildung von primär Uferinfiltration hin zu Neubildung durch Niederschläge ändert. Analog dazu erhöhen sich die Grundwasserlaufzeiten mit der Länge der horizontalen Fließwege (= Entfernung vom Vorfluter) und mit sinkendem Gradienten zwischen Grundwasserstand und Wasserstand im Fluss. Flusswasser infiltriert über das Flussufer in den wasserleitenden Aquifer, mit mittleren Transferzeiten (mTT) von 〈 40 Wochen für Bereiche mit weniger als 200 m Entfernung zum Fluss. In größeren Entfernungen findet die Neubildung im Wesentlichen durch Versickerung von Regenwaser statt. Da der betrachtete holozäne Grundwasserleiter mit einer schwerdurchlässigen Deckschicht überlagert ist, liegen die mTT in diesen Bereichen mit 〉 80 Wochen wesentlich höher. Es konnte mit dieser Studie gezeigt werden, dass die komplexe Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser mittels eines konzeptionellen Modells in Verbindung mit aus Wasserproben bestimmten Isotopendaten konzeptionalisiert und quantifiziert werden kann. Der Ansatz empfiehlt sich daher als Werkzeug für die Untersuchung der Mischungsprozesse der Ufer- und Regenwasserinfiltration, sowie der Fließwege des Grundwassers in ähnlichen Gebieten. Im letzten Teil der Dissertation wurden Trends in den Grundwasserständen im gesamtem VMD untersucht. Hierzu wurde eine Reihe von Methoden zur Zeitreihenanalyse angewandt. Der Fokus der Untersuchungen lag auf zeitvariablen Trends in den Grundwasserständen, der Wasserspeicherdauer (memory effect), und der hydraulischen Reaktionszeit zwischen dem Oberflächenwasser und den verschiedenen Aquiferen im VMD. Die Analyse ergab, dass die verschiedenen Schichten von Aquiferen und Aquitarden wie ein Tiefpassfilter auf die hydraulischen Signale des Oberflächenwassers wirken, was wiederum die Grundwasserneubildung in den tieferen Aquiferen stark reduziert. Die Zeitreihenanalyse ergab, dass die Entnahmemengen an Grundwasser insbesondere in den tieferen, stark genutzten Aquiferen die Neubildung im gesamten Analysezeitraum 1997 – 2017 überschritten hat. Dies führte zu Absenkung des Grundwasserspiegels von 0.01 – 0.55 m pro Jahr in den verschiedenen Aquiferen des VMD. Die Speicherdauer variiert zwischen den verschiedenen Regionen und Aquiferen des VMD. In den flacheren Aquiferen und in der Region mit tiefen Überflutungen während der Hochwassersaison sind die Speicherdauern kürzer, während sie in den tieferen Aquiferen und in den küstennahen Regionen wesentlich länger sind. Die Reaktionszeit variiert ebenfalls im Raum, wobei die wichtigsten Einflussfaktoren der Abstand des Grundwasserspiegels zur Oberfläche, die Saison und die Lage, hier besonders die Entfernung zum Fluss oder der Küste, sind. Diese qualitativen wie quantitativen Ergebnisse fügen wichtige und wesentlich Erkenntnisse zum Wissensstand über das Grundwasser im VMD hinzu. Die verwendeten Methoden empfehlen sich darüber hinaus für die Analyse von Grundwasserdynamiken in alluvialen Aquifersystemen im Generellen, wenn Daten und Ressourcen für ein physisches numerisches Grundwassermodell fehlen. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass wichtige hydrologische Prozesse auch über statistische Analysen von Mess- und Isotopendaten quantitativ analysiert werden können. Die Ergebnisse stellen eine Basisanalyse der Grundwasserdynamik und der sie beeinflussenden Prozesse im VMD dar, und sollten in weiteren Studien ausgebaut werden. Die Analyse der Isotopendaten liefert darüber hinaus die Basislinie für hydrologische Analysen mit stabilen Isotopen im VMD und aufgrund der ähnlichen klimatischen und geografischen Lage auch für weite Teile Südostasiens. Die entwickelten Methodenkombinationen können aufgrund ihrer generellen Natur auch problemlos auf andere tropische Regionen, insbesondere solche mit alluvialen Aquiferen, übertragen werden.

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: River flooding is a constant peril for societies, causing direct economic losses in the order of $100 billion worldwide each year. Under global change, the prolonged concentration of people and assets in floodplains is accompanied by an emerging intensification of flood extremes due to anthropogenic global warming, ultimately exacerbating flood risk in many regions of the world. Flood adaptation plays a key role in the mitigation of impacts, but poor understanding of vulnerability and its dynamics limits the validity of predominant risk assessment methods and impedes effective adaptation strategies. Therefore, this thesis investigates new methods for flood risk assessment that embrace the complexity of flood vulnerability, using the understudied commercial sector as an application example. Despite its importance for accurate risk evaluation, flood loss modeling has been based on univariable and deterministic stage-damage functions for a long time. However, such simplistic methods only insufficiently describe the large variation in damage processes, which initiated the development of multivariable and probabilistic loss estimation techniques. The first study of this thesis developed flood loss models for companies that are based on emerging statistical and machine learning approaches (i.e., random forest, Bayesian network, Bayesian regression). In a benchmarking experiment on basis of object-level loss survey data, the study showed that all proposed models reproduced the heterogeneity in damage processes and outperformed conventional stage-damage functions with respect to predictive accuracy. Another advantage of the novel methods is that they convey probabilistic information in predictions, which communicates the large remaining uncertainties transparently and, hence, supports well-informed risk assessment. Flood risk assessment combines vulnerability assessment (e.g., loss estimation) with hazard and exposure analyses. Although all of the three risk drivers interact and change over time, such dependencies and dynamics are usually not explicitly included in flood risk models. Recently, systemic risk assessment that dissolves the isolated consideration of risk drivers has gained traction, but the move to holistic risk assessment comes with limited thoroughness in terms of loss estimation and data limitations. In the second study, I augmented a socio-hydrological system dynamics model for companies in Dresden, Germany, with the multivariable Bayesian regression loss model from the first study. The additional process-detail and calibration data improved the loss estimation in the systemic risk assessment framework and contributed to more accurate and reliable simulations. The model uses Bayesian inference to quantify uncertainty and learn the model parameters from a combination of prior knowledge and diverse data. The third study demonstrates the potential of the socio-hydrological flood risk model for continuous, long-term risk assessment and management. Using hydroclimatic ad socioeconomic forcing data, I projected a wide range of possible risk trajectories until the end of the century, taking into account the adaptive behavior of companies. The study results underline the necessity of increased adaptation efforts to counteract the expected intensification of flood risk due to climate change. A sensitivity analysis of the effectiveness of different adaptation measures and strategies revealed that optimized adaptation has the potential to mitigate flood risk by up to 60%, particularly when combining structural and non-structural measures. Additionally, the application shows that systemic risk assessment is capable of capturing adverse long-term feedbacks in the human-flood system such as the levee effect. Overall, this thesis advances the representation of vulnerability in flood risk modeling by offering modeling solutions that embrace the complexity of human-flood interactions and quantify uncertainties consistently using probabilistic modeling. The studies show how scarce information in data and previous experiments can be integrated in the inference process to provide model predictions and simulations that are reliable and rich in information. Finally, the focus on the flood vulnerability of companies provides new insights into the heterogeneous damage processes and distinct flood coping of this sector.

Description: Flussüberschwemmungen sind eine ständige Gefahr für die Gesellschaft und verursachen jedes Jahr weltweit wirtschaftliche Schäden in der Größenordnung von 100 Milliarden US-Dollar. Im Zuge des globalen Wandels erhöht sich die Konzentration von Menschen und Vermögenswerten in Überschwemmungsgebieten kontinuierlich, während der menschengemachte Klimawandel Hochwasserextreme verstärkt. Die Überlagerung dieser Prozesse führt zu einer Verschärfung des Hochwasserrisikos in vielen Weltregionen. Der Hochwasseranapassung kommt dabei eine Schlüsselrolle bei der Abschwächung von Schäden zu. Allerdings ist das Verständnis von Hochwasservulnerabilität (d.h., Anfälligkeit gegenüber Schäden) und damit verbundener Dynamiken noch sehr begrenzt, was die Risikoabschätzung und die Entwicklung von Anpassungsstrategien erschwert. In dieser kumulativen Dissertation werden anhand von drei Studien neue Methoden zur Hochwasserrisikoabschätzung für den gewerblichen Sektor vorgestellt, der in der Vergangenheit wenig untersucht wurde. Die erste Studie präsentiert Hochwasserschadensmodelle die auf statistischen Methoden und maschinellem Lernen basieren und eine Vielzahl von Einflussfaktoren berücksichtigen. In Verbindung mit probabilistischen Vorhersagen führt dies zu einer Verbesserung der Modellgenauigkeit und -verlässlichkeit. Anschließend wird in einer Pilotstudie für Dresden, Deutschland, eines der neuen Schadensmodelle in ein ganzheitliches systemdynamisches Modell integriert, um Veränderungen in Hochwasservulnerabilität und -risiko kontinuierlich zu simulieren. Die Methode integriert zusätzliche Prozessdetails und Kalibrierungsdaten in das Modell und verbessert so die Simulationsleistung. Schließlich werden mit dem systemdynamischen Modell in der dritten Studie langfristige Projektionsläufe durchgeführt, um die Entwicklung des Hochwasserrisikos bis zum Ende des Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das Potential von Hochwasseranpassung - insbesondere in Zeiten des Klimawandels - und demonstrieren die Fähigkeit ganzheitlicher Modellierungsansätze, ungünstige Entwicklungen des Risikos frühzeitig aufzudecken. Insgesamt verbessert diese Arbeit die Darstellung der Vulnerabilität in der Hochwasserrisikoabschätzung, indem sie Modellierungslösungen anbietet, die der Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Mensch und Hochwasser gerecht werden und Unsicherheiten konsequent quantifizieren.

Description: Magmatic-hydrothermal systems form a variety of ore deposits at different proximities to upper-crustal hydrous magma chambers, ranging from greisenization in the roof zone of the intrusion, porphyry mineralization at intermediate depths to epithermal vein deposits near the surface. The physical transport processes and chemical precipitation mechanisms vary between deposit types and are often still debated. The majority of magmatic-hydrothermal ore deposits are located along the Pacific Ring of Fire, whose eastern part is characterized by the Mesozoic to Cenozoic orogenic belts of the western North and South Americas, namely the American Cordillera. Major magmatic-hydrothermal ore deposits along the American Cordillera include (i) porphyry Cu(-Mo-Au) deposits (along the western cordilleras of Mexico, the western U.S., Canada, Chile, Peru, and Argentina); (ii) Climax- (and sub−) type Mo deposits (Colorado Mineral Belt and northern New Mexico); and (iii) porphyry and IS-type epithermal Sn(-W-Ag) deposits of the Central Andean Tin Belt (Bolivia, Peru and northern Argentina). The individual studies presented in this thesis primarily focus on the formation of different styles of mineralization located at different proximities to the intrusion in magmatic-hydrothermal systems along the American Cordillera. This includes (i) two individual geochemical studies on the Sweet Home Mine in the Colorado Mineral Belt (potential endmember of peripheral Climax-type mineralization); (ii) one numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment; and (iii) a numerical modeling study on the Central Andean Tin Belt-type Pirquitas Mine in NW Argentina. Microthermometric data of fluid inclusions trapped in greisen quartz and fluorite from the Sweet Home Mine (Detroit City Portal) suggest that the early-stage mineralization precipitated from low- to medium-salinity (1.5-11.5 wt.% equiv. NaCl), CO2-bearing fluids at temperatures between 360 and 415°C and at depths of at least 3.5 km. Stable isotope and noble gas isotope data indicate that greisen formation and base metal mineralization at the Sweet Home Mine was related to fluids of different origins. Early magmatic fluids were the principal source for mantle-derived volatiles (CO2, H2S/SO2, noble gases), which subsequently mixed with significant amounts of heated meteoric water. Mixing of magmatic fluids with meteoric water is constrained by δ2Hw-δ18Ow relationships of fluid inclusions. The deep hydrothermal mineralization at the Sweet Home Mine shows features similar to deep hydrothermal vein mineralization at Climax-type Mo deposits or on their periphery. This suggests that fluid migration and the deposition of ore and gangue minerals in the Sweet Home Mine was triggered by a deep-seated magmatic intrusion. The second study on the Sweet Home Mine presents Re-Os molybdenite ages of 65.86±0.30 Ma from a Mo-mineralized major normal fault, namely the Contact Structure, and multimineral Rb-Sr isochron ages of 26.26±0.38 Ma and 25.3±3.0 Ma from gangue minerals in greisen assemblages. The age data imply that mineralization at the Sweet Home Mine formed in two separate events: Late Cretaceous (Laramide-related) and Oligocene (Rio Grande Rift-related). Thus, the age of Mo mineralization at the Sweet Home Mine clearly predates that of the Oligocene Climax-type deposits elsewhere in the Colorado Mineral Belt. The Re-Os and Rb-Sr ages also constrain the age of the latest deformation along the Contact Structure to between 62.77±0.50 Ma and 26.26±0.38 Ma, which was employed and/or crosscut by Late Cretaceous and Oligocene fluids. Along the Contact Structure Late Cretaceous molybdenite is spatially associated with Oligocene minerals in the same vein system, a feature that precludes molybdenite recrystallization or reprecipitation by Oligocene ore fluids. Ore precipitation in porphyry copper systems is generally characterized by metal zoning (Cu-Mo to Zn-Pb-Ag), which is suggested to be variably related to solubility decreases during fluid cooling, fluid-rock interactions, partitioning during fluid phase separation and mixing with external fluids. The numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment presents new advances of a numerical process model by considering published constraints on the temperature- and salinity-dependent solubility of Cu, Pb and Zn in the ore fluid. This study investigates the roles of vapor-brine separation, halite saturation, initial metal contents, fluid mixing, and remobilization as first-order controls of the physical hydrology on ore formation. The results show that the magmatic vapor and brine phases ascend with different residence times but as miscible fluid mixtures, with salinity increases generating metal-undersaturated bulk fluids. The release rates of magmatic fluids affect the location of the thermohaline fronts, leading to contrasting mechanisms for ore precipitation: higher rates result in halite saturation without significant metal zoning, lower rates produce zoned ore shells due to mixing with meteoric water. Varying metal contents can affect the order of the final metal precipitation sequence. Redissolution of precipitated metals results in zoned ore shell patterns in more peripheral locations and also decouples halite saturation from ore precipitation. The epithermal Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn mine in NW Argentina is hosted in a domain of metamorphosed sediments without geological evidence for volcanic activity within a distance of about 10 km from the deposit. However, recent geochemical studies of ore-stage fluid inclusions indicate a significant contribution of magmatic volatiles. This study tested different formation models by applying an existing numerical process model for porphyry-epithermal systems with a magmatic intrusion located either at a distance of about 10 km underneath the nearest active volcano or hidden underneath the deposit. The results show that the migration of the ore fluid over a 10-km distance results in metal precipitation by cooling before the deposit site is reached. In contrast, simulations with a hidden magmatic intrusion beneath the Pirquitas deposit are in line with field observations, which include mineralized hydrothermal breccias in the deposit area.

Description: Magmatisch-hydrothermale Systeme bilden eine Vielzahl von Erzlagerstätten in unterschiedlicher Entfernung zu wasserhaltigen Magmakammern in der oberen Erdkruste, von der Greisenbildung in der Dachzone der Intrusion über die Porphyrmineralisierung in mittleren Tiefen bis hin zu epithermalen Ganglagerstätten nahe der Erdoberfläche. Die physikalischen Transportprozesse und chemischen Ausfällungsmechanismen variieren zwischen den verschiedenen Lagerstättentypen und werden immer noch häufig diskutiert. Die meisten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten befinden sich entlang des Pazifischen Feuerrings, dessen östlicher Teil durch die mesozoischen bis känozoischen orogenen Gürtel des westlichen Nord- und Südamerikas, zusammen die Amerikanische Kordillere, vertreten ist. Zu den wichtigsten magmatisch-hydrothermalen Erzlagerstätten entlang der Amerikanischen Kordillere gehören (i) Cu(-Mo-Au)-Porphyrlagerstätten (entlang der westlichen Kordilleren Mexikos, der westlichen USA, Kanadas, Chiles, Perus und Argentiniens); (ii) Mo-Lagerstätten vom Climax- (und Sub-)Typ (Colorado Mineral Belt und nördliches New Mexico); und (iii) porphyrische und epithermale Sn(-W-Ag)-Lagerstätten vom IS-Typ des Zentralandinen-Zinngürtels (Bolivien, Peru und Nordargentinien). Die einzelnen Studien dieser Arbeit konzentrieren sich in erster Linie auf die Bildung verschiedener Vererzungsstypen, die sich in unterschiedlicher Entfernung zur Intrusion in magmatisch-hydrothermalen Systemen entlang der amerikanischen Kordillere befinden. Dazu gehören (i) zwei geochemische Einzelstudien über die Sweet Home-Mine im Colorado Mineral Belt (potenzielles Endglied der peripheren Mineralisierung des Climax-Typs); (ii) eine numerische Modellierungsstudie in einem generischen Cu-Porphyr-Setup; und (iii) eine numerische Modellierungsstudie über die Pirquitas-Mine des Zentralandinen-Zinn-Typs in Nordwest-Argentinien. Mikrothermometrische Daten von Fluideinschlüssen, die in Greisenquarz und -fluorit aus der Sweet Home-Mine (Detroit City Portal) eingeschlossen sind, deuten darauf hin, dass die Mineralisierung im Frühstadium aus CO2-haltigen Fluiden mit niedrigem bis mittlerem Salzgehalt (1,5-11,5 Gew.-% NaCl-Äquivalent) bei Temperaturen zwischen 360 und 415 °C und in einer Tiefe von mindestens 3,5 km ausgefällt wurde. Daten zu stabilen Isotopen und Edelgasisotopen zeigen, dass die Greisenbildung und die Buntmetallvererzung in der Sweet Home-Mine mit Fluiden unterschiedlichen Ursprungs in Verbindung stehen. Frühe magmatische Fluide waren die Hauptquelle für aus dem Mantel stammende Volatile (CO2, H2S/SO2, Edelgase), die sich anschließend mit erheblichen Mengen erhitzten meteorischen Wassers vermischten. Die Vermischung von magmatischen Fluiden mit meteorischem Wasser wird durch die Zusammenhänge von δ2Hw-δ18Ow der Fluideinschlüsse belegt. Die tiefe hydrothermale Vererzung in der Sweet Home-Mine weist ähnliche Merkmale auf wie die tiefe hydrothermale Gangvererzung in Mo-Lagerstätten vom Climax-Typ oder in deren Peripherie. Dies deutet darauf hin, dass die Fluidmigration und die Ausfällung von Erz und Gangmineralen in der Sweet Home-Mine durch eine tief sitzende magmatische Intrusion angeregt wurde. Die zweite Studie über die Sweet Home Mine präsentiert ein Re-Os-Molybdänit-Alter von 65,86±0,30 Ma aus einer Mo-vererzten Abschiebung, namentlich der Contact Structure, und ein multimineralisches Rb-Sr-Isochronen-Alter von 26,26±0,38 Ma und 25,3±3,0 Ma von Gangmineralen in Greisenvergesellschaftungen. Die Altersdaten deuten darauf hin, dass die Vererzungen in der Sweet Home Mine während zweier separater Ereignisse entstand: In der späten Kreidezeit (im Zusammenhang mit der Laramidischen Orogenese) und im Oligozän (im Zusammenhang mit dem Rio Grande Rift). Das Alter der Mo-Vererzung in der Sweet Home Mine liegt demnach eindeutig vor dem der oligozänen Climax-Lagerstätten anderswo im Colorado Mineral Belt. Die Re-Os- und Rb-Sr-Alter grenzen auch das Alter der jüngsten Deformation entlang der Contact Structure, die von spätkreidezeitlichen und oligozänen Fluiden genutzt und/oder geschnitten wurde, auf 62,77±0,50 Ma und 26,26±0,38 Ma ein. Entlang der Contact Structure ist spätkreidezeitlicher Molybdänit räumlich mit Mineralen aus dem Oligozän in demselben Gangsystem vergesellschaftet, was eine Rekristallisierung oder Ausfällung von Molybdänit durch oligozäne Fluide ausschließt. Die Erzausfällung in porphyrischen Kupfersystemen ist im Allgemeinen durch eine Metallzonierung (Cu-Mo bis Zn-Pb-Ag) gekennzeichnet, die vermutlich mit der Abnahme der Löslichkeit während der Fluidabkühlung, den Wechselwirkungen zwischen Fluid und Gestein, der Partitionierung während der Phasenseparation des Fluids und der Mischung mit externen Fluiden in Zusammenhang steht. Die numerische Modellierung, die in einer generischen Porphyr-Cu-Umgebung durchgeführt wurde, stellt neue Fortschritte eines numerischen Prozessmodells dar, indem sie veröffentlichte Randbedingungen für die temperatur- und salinitätsabhängige Löslichkeit von Cu, Pb und Zn im Erzfluid berücksichtigt. Diese Studie untersucht die Rolle der Dampf-Sole-Separation, der Halitsättigung, des anfänglichen Metallgehalts, der Fluidmischung und der Remobilisierung als Einflussfaktoren erster Ordnung der physikalischen Hydrologie auf die Erzbildung. Die Ergebnisse zeigen, dass die magmatischen Dampf- und Solephasen mit unterschiedlichen Verweilzeiten, aber als mischbare Fluide aufsteigen, wobei eine Erhöhung des Salzgehalts zu einem metall-ungesättigten Gesamtfluid führt. Die Freisetzungsraten der magmatischen Fluide wirken sich auf die Lage der thermohalinen Fronten aus, was zu widersprüchlichen Mechanismen für die Erzausfällung führt: Höhere Raten führen zu einer Halitsättigung ohne signifikante Metallzonierung, niedrigere Raten erzeugen zonierte Erzschalen aufgrund der Mischung mit meteorischem Wasser. Unterschiedliche Metallgehalte können sich auf die Reihenfolge der endgültigen Metallausfällung auswirken. Die Wiederauflösung bereits ausgefällter Metalle führt zu zonierten Erzschalenmustern in periphereren Bereichen und entkoppelt auch die Halitsättigung von der Erzausfällung. Die epithermale Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn-Mine im Nordwesten Argentiniens befindet sich in einem Bereich metamorphisierter Sedimente ohne geologische Hinweise auf vulkanische Aktivitäten in einer Entfernung von etwa 10 km zur Lagerstätte. Jüngste geochemische Untersuchungen von Fluideinschlüssen im Erzstadium deuten jedoch auf einen bedeutenden Beitrag von magmatischen Volatilen hin. In dieser Studie wurden verschiedene Entstehungsmodelle getestet, indem ein bestehendes numerisches Prozessmodell für porphyrisch-epithermale Systeme mit einer magmatischen Intrusion angewandt wurde, die sich entweder in einer Entfernung von etwa 10 km unterhalb des nächstgelegenen aktiven Vulkans oder verborgen unterhalb der Lagerstätte befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Migration der Erzflüssigkeit über eine Entfernung von 10 km zu einer Metallausfällung durch Abkühlung führt, bevor die Lagerstätte erreicht wird. Im Gegensatz dazu stimmen die Simulationen mit einer verborgenen magmatischen Intrusion unter der Pirquitas-Lagerstätte mit den Feldbeobachtungen überein, die mineralisierte hydrothermale Brekzien im Lagerstättenbereich umfassen.

Description: Why do exercises in collaborative governance often witness more impasse than advantage? This cumulative dissertation undertakes a micro-level analysis of collaborative governance to tackle this research puzzle. It situates micropolitics at the very center of analysis: a wide range of activities, interventions, and tactics used by actors – be they conveners, facilitators, or participants – to shape the collaborative exercise. It is by focusing on these daily minutiae, and on the consequences that they bring along, the study argues, that we can better understand why and how collaboration can become stuck or unproductive. To do so, the foundational part of this dissertation (Article 1) uses power as a sensitizing concept to investigate the micro-dynamics that shape collaboration. It develops an analytical approach to advance the study of collaborative governance at the empirical level under a power-sensitive and process-oriented perspective. The subsequent articles follow the dissertation's red thread of investigating the micropolitics of collaborative governance by showing facilitation artefacts' interrelatedness and contribution to the potential success or failure of collaborative arrangements (Article 2); and by examining the specialized knowledge, skills and practices mobilized when designing a collaborative process (Article 3). The work is based on an abductive research approach, tacking back and forth between empirical data and theory, and offers a repertoire of concepts – from analytical terms (designed and emerging interaction orders, flows of power, arenas for power), to facilitation practices (scripting, situating, and supervising) and types of knowledge (process expertise) – to illustrate and study the detailed and constant work (and rework) that surrounds collaborative arrangements. These concepts sharpen the way researchers can look at, observe, and understand collaborative processes at a micro level. The thesis thereby elucidates the subtleties of power, which may be overlooked if we focus only on outcomes rather than the processes that engender them, and supports efforts to identify potential sources of impasse.

Description: Warum führen Prozesse der collaborative governance oft eher in die Sackgasse als zum Erfolg? Die vorliegende kumulative Dissertation geht dieses Problem an, indem sie die Mikroebene von collaborative governance analysiert. Untersuchungsgegenstand ist die Mikropolitik, verstanden als weites Spektrum an Aktivitäten, Interventionen und Taktiken, mit denen beteiligte Akteure – seien es VeranstalterInnen, ModeratorInnen oder TeilnehmerInnen – kollaborative Prozesse gestalten. Es ist dieser Fokus auf alltägliche Handlungen und ihre Auswirkungen, so argumentiert die Arbeit, der ein besseres Verständnis ermöglicht, wann und warum kollaborative Prozesse unproduktiv werden. Um dies zu erreichen, verwendet der grundlegende Teil der Dissertation (Artikel 1) Macht als sensibilisierenden Begriff, um die Mikrodynamiken zu untersuchen, welche collaborative governance prägen. Der Artikel entwickelt ein Analysemodell, um die empirische Untersuchung der collaborative governance aus einer machtsensiblen und prozessorientierten Perspektive zu ermöglichen. Die weiteren Artikel folgen dem roten Faden der Dissertation und untersuchen die Mikropolitik der collaborative governance, indem sie die Wechselwirkungen und den Beitrag von Moderationsgegenständen zum potenziellen Erfolg oder Misserfolg kollaborativer Prozesse aufzeigen (Artikel 2), sowie die speziellen Kenntnisse, Fähigkeiten und Praktiken untersuchen, die bei der Gestaltung eines Beteiligungsprozesses mobilisiert werden (Artikel 3). Die Arbeit basiert auf einem abduktiven Forschungsansatz, bewegt sich zwischen empirischen Daten und Theorie hin und her, und entwickelt ein Repertoire an Begriffen und Konzepten - von analytischen Begriffen (designed and emerging interaction orders, flows of power, arenas for power) bis hin zu Moderationspraktiken (scripting, situating, und supervising) und Wissensarten (Prozessexpertise) - um die minutiösen und kontinuierlichen Gestaltungen (und Umgestaltungen) von kollaborativen Prozessen zu veranschaulichen und untersuchen. Diese Begriffe und Konzepte erlauben ForscherInnen, ihren Blick auf die Mikroebene von kollaborativen Prozessen zu schärfen. Die Dissertation verdeutlicht damit die Feinheiten von Macht, welche bei einem Fokus auf Ergebnisse statt auf die ihnen vorgelagerten Prozesse oft übersehen werden, und unterstützt die Bemühungen, potenzielle Quellen von collaborative impasse zu identifizieren.zeige weniger

Description: While temperatures are rising globally, they are rising more than twice as fast in the Arctic. Landscapes underlain by permafrost are especially vulnerable to this changing climate and experience increased thaw and degradation. The proceeding warming of organic-rich frozen ground is a highly relevant driver of carbon release into the atmosphere. Retrogressive Thaw Slumps (RTSs) are dynamic thermokarst features which develop when ice-rich permafrost thaws and thus are important indices when it comes to the assessment of potential carbon sources in permafrost landscapes. Thousands of RTSs have been inventoried in northwestern Canada. These inventories showed that thaw slumping modifies terrain morphology and alters the discharge into aquatic systems resulting amongst others in infrastructure instabilities and ecosystem changes. Furthermore, recent studies project that abrupt thermokarst processes contribute significant amounts of greenhouse gas emissions. As observed in most arctic regions, RTS activity has increased in the Russian High Arctic, however, little research has been done on RTSs in this region. The objective of this study is to better understand growth pattern and development rates of RTSs in northern Russia during the last decade. The study area consists of five different sites in the Russian High Arctic covering an area of more than 600 km². The sites are located on the Novaya Zemlya Archipelago, Kolguev Island, Bol’shoy Lyakhovsky Island and Taymyr Peninsula in ice-rich permafrost characterized by either buried glacial ice deposits or syngenetically formed Yedoma permafrost. To assess changes in number and extent, a GIS based inventory of manually mapped RTSs was created. The inventory is based on multispectral imagery of high-resolution satellite sensors, including PlanetScope, RapidEye, Pléiades and SPOT. Cloud free images were acquired between 2011 and 2020 and exist for each or every few years depending on their availability. Additional data sets such as ArcticDEM, Esri Satellite base map and Tasseled Cap Landsat Trends were used to support the mapping process. From the extracted individual RTS objects, changes in number and surface area were calculated. Furthermore, for coastal slumps thermal denudation and thermal abrasion rates were computed. The results show that RTS activity was high at the study sites during the investigation period and that the diverse sites revealed different RTS characteristics, with non-coastal RTSs showing a much larger increase in area. At the non-coastal sites, RTS-affected area increased by a factor of 2 (100 %) in West Taymyr, a factor of 4 (400 %) in Novaya Zemlya, and a factor of 33 (3300 %) in East Taymyr, with particularly large increases in more recent years. At the coastal sites, total RTS area increased by a factor of 1.2 (20%) in North Kolguev, remained the same in South Kolguev, and decreased slightly by a factor of 0.95 (5%) in Bol’shoy Lyakhovsky. Headwall and base of the coastal slumps retreated at different rates. However, at all coastal sites, erosion of the headwall and base progressed, demonstrating that RTS activity cannot be determined by area changes alone because coastal RTSs are strongly influenced by thermal abrasion and thermal denudation which diminishes areal changes. Moreover, the number of RTS did not necessarily increase with increasing RTS activity. At all study sites except East Taymyr, increased RTS activity resulted from RTS growth rather than new RTS initiation. In addition, climate analysis revealed that the mean temperature increased significantly, within the last decade at all sites, potentially favouring RTS initiation and growth. The findings of this study contribute substantially to our understanding of regional permafrost thaw in the Russian High Arctic. Nevertheless, further research is needed to quantify volumetric permafrost loss and associated carbon release comprehensively throughout the Russian High Arctic to better understand RTS dynamics and their impact on greenhouse gas release.

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: 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: In my doctoral thesis, I examine continuous gravity measurements for monitoring of the geothermal site at Þeistareykir in North Iceland. With the help of high-precision superconducting gravity meters (iGravs), I investigate underground mass changes that are caused by operation of the geothermal power plant (i.e. by extraction of hot water and reinjection of cold water). The overall goal of this research project is to make a statement about the sustainable use of the geothermal reservoir, from which also the Icelandic energy supplier and power plant operator Landsvirkjun should benefit. As a first step, for investigating the performance and measurement stability of the gravity meters, in summer 2017, I performed comparative measurements at the gravimetric observatory J9 in Strasbourg. From the three-month gravity time series, I examined calibration, noise and drift behaviour of the iGravs in comparison to stable long-term time series of the observatory superconducting gravity meters. After preparatory work in Iceland (setup of gravity stations, additional measuring equipment and infrastructure, discussions with Landsvirkjun and meetings with the Icelandic partner institute ISOR), gravity monitoring at Þeistareykir was started in December 2017. With the help of the iGrav records of the initial 18 months after start of measurements, I carried out the same investigations (on calibration, noise and drift behaviour) as in J9 to understand how the transport of the superconducting gravity meters to Iceland may influence instrumental parameters. In the further course of this work, I focus on modelling and reduction of local gravity contributions at Þeistareykir. These comprise additional mass changes due to rain, snowfall and vertical surface displacements that superimpose onto the geothermal signal of the gravity measurements. For this purpose, I used data sets from additional monitoring sensors that are installed at each gravity station and adapted scripts for hydro-gravitational modelling. The third part of my thesis targets geothermal signals in the gravity measurements. Together with my PhD colleague Nolwenn Portier from France, I carried out additional gravity measurements with a Scintrex CG5 gravity meter at 26 measuring points within the geothermal field in the summers of 2017, 2018 and 2019. These annual time-lapse gravity measurements are intended to increase the spatial coverage of gravity data from the three continuous monitoring stations to the entire geothermal field. The combination of CG5 and iGrav observations, as well as annual reference measurements with an FG5 absolute gravity meter represent the hybrid gravimetric monitoring method for Þeistareykir. Comparison of the gravimetric data to local borehole measurements (of groundwater levels, geothermal extraction and injection rates) is used to relate the observed gravity changes to the actually extracted (and reinjected) geothermal fluids. An approach to explain the observed gravity signals by means of forward modelling of the geothermal production rate is presented at the end of the third (hybrid gravimetric) study. Further modelling with the help of the processed gravity data is planned by Landsvirkjun. In addition, the experience from time-lapse and continuous gravity monitoring will be used for future gravity measurements at the Krafla geothermal field 22 km south-east of Þeistareykir.

Description: In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit kontinuierlichen Schweremessungen zum Monitoring des geothermisch genutzten Standorts Þeistareykir in Nordisland. Unter Verwendung von hochpräzisen Supraleitgravimetern (iGravs) untersuche ich unterirdische Massenveränderungen, die durch den Betrieb des isländischen Erdwärmekraftwerks (d.h. durch die Entnahme von Heißwasser und Rückinjektion von Kaltwasser) hervorgerufen werden. Als übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes soll eine Aussage zur nachhaltigen Nutzung des geothermischen Reservoirs gemacht werden, von der auch der isländische Energieversorger und Kraftwerksbetreiber Landsvirkjun profitieren soll. Als ersten Schritt, zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Messstabilität der Gravimeter, begleitete ich im Sommer 2017 Vergleichsmessungen in dem gravimetrischen Observatorium J9 in Straßburg. Aus den dreimonatigen Messzeitreihen untersuchte ich Kalibration, Rausch- und Driftverhalten der iGravs im Vergleich zu den betriebssicher laufenden Observatoriums-Supraleitgravimetern. Nach vorbereitender Arbeit in Island (Aufbau der Gravimeter-Stationen und zusätzlicher Messeinrichtung, Einrichtung der Infrastruktur, Gespräche mit Landsvirkjun und Treffen mit isländischen Partnerinstitut ISOR) startete ich mit meinen Kollegen im Dezember 2017 das Gravimeter-Monitoring in Þeistareykir. Anhand der iGrav-Aufzeichnungen der ersten 18 Monaten nach Messbeginn führte ich die gleichen Untersuchungen (zu Kalibration, Rausch- und Driftverhalten) wie in J9 durch, um zu verstehen inwieweit der Transport der Supraleitgravimeter nach Island die Geräteeigenschaften beeinflusst hat. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit beschäftige ich mich verstärkt mit der Modellierung und Korrektur von oberflächennahen Schwereeffekten in Þeistareykir. Dies umfasst zusätzliche Massenbewegungen durch Regen, Schneefall oder vulkanisch-tektonische Bodenbewegungen, die das geothermische Signal in den Gravimeter-Messungen überlagern. Als Hilfsmittel verwende ich die Datensätze der zusätzlich an jeder Gravimeter-Station eingerichteten Messsensorik und von mir angepasste Modellierungsskripte meiner Gravimetrie-Kollegen. Als dritten Punkt meiner Dissertation untersuche ich die geothermischen Signale in den Gravimeter-Messungen. Gemeinsam mit meiner PhD-Kollegin Nolwenn Portier aus Frankreich führte ich in den Sommern 2017, 2018 und 2019 zusätzliche Schweremessungen mit einem Scintrex CG5 Gravimeter an 26 im Geothermie-Feld verteilten Messpunkten durch. Diese jährlich begrenzten Schweredaten dienen der Verbesserung der räumlichen Auflösung unserer kontinuierlichen iGrav-Messungen. Die kombinierten Ergebnisse beider Messmethoden (der CG5 und iGrav Gravimeter), sowie jährlich im Messgebiet durchgeführter Referenz-Messungen mit einem FG5 Absolut-Gravimeter, komplettieren das hybridgravimetrische Monitoring am Messstandort Þeistareykir. Die abschließende Gegenüberstellung der gravimetrischen Daten mit lokalen Bohrlochmessungen (von Grundwasserpegeln, geothermischen Extraktions- und Injektions-Raten) des Kraftwerksbetreibers, ermöglicht einen direkten Vergleich der beobachteten Schwereveränderungen mit den tatsächlich geförderten geothermischen Fluiden. Ein Ansatz zur Erklärung des beobachteten Schweresignals mittels Vorwärtsmodellierung der geförderten geothermischen Förderrate wird im Abschluss der dritten (hybridgravimetrischen) Studie vorgestellt. Weitere Modellierungen unter Verwendung der aufbereiteten gravimetrischen Messdaten sind durch den Kraftwerksbetreibers von Þeistareykir geplant. Außerdem sollen die gesammelten Erfahrungen des gravimetrischen Messnetzes und Monitorings in Þeistareykir zur Durchführung weiterer gravimetrischer Messungen an dem 22 km südöstlich gelegenem Geothermiefeld Krafla genutzt werden.

Description: Plate tectonics describes the movement of rigid plates at the surface of the Earth as well as their complex deformation at three types of plate boundaries: 1) divergent boundaries such as rift zones and mid-ocean ridges, 2) strike-slip boundaries where plates grind past each other, such as the San Andreas Fault, and 3) convergent boundaries that form large mountain ranges like the Andes. The generally narrow deformation zones that bound the plates exhibit complex strain patterns that evolve through time. During this evolution, plate boundary deformation is driven by tectonic forces arising from Earth’s deep interior and from within the lithosphere, but also by surface processes, which erode topographic highs and deposit the resulting sediment into regions of low elevation. Through the combination of these factors, the surface of the Earth evolves in a highly dynamic way with several feedback mechanisms. At divergent boundaries, for example, tensional stresses thin the lithosphere, forcing uplift and subsequent erosion of rift flanks, which creates a sediment source. Meanwhile, the rift center subsides and becomes a topographic low where sediments accumulate. This mass transfer from foot- to hanging wall plays an important role during rifting, as it prolongs the activity of individual normal faults. When rifting continues, continents are eventually split apart, exhuming Earth’s mantle and creating new oceanic crust. Because of the complex interplay between deep tectonic forces that shape plate boundaries and mass redistribution at the Earth’s surface, it is vital to understand feedbacks between the two domains and how they shape our planet. In this study I aim to provide insight on two primary questions: 1) How do divergent and strike-slip plate boundaries evolve? 2) How is this evolution, on a large temporal scale and a smaller structural scale, affected by the alteration of the surface through erosion and deposition? This is done in three chapters that examine the evolution of divergent and strike-slip plate boundaries using numerical models. Chapter 2 takes a detailed look at the evolution of rift systems using two-dimensional models. Specifically, I extract faults from a range of rift models and correlate them through time to examine how fault networks evolve in space and time. By implementing a two-way coupling between the geodynamic code ASPECT and landscape evolution code FastScape, I investigate how the fault network and rift evolution are influenced by the system’s erosional efficiency, which represents many factors like lithology or climate. In Chapter 3, I examine rift evolution from a three-dimensional perspective. In this chapter I study linkage modes for offset rifts to determine when fast-rotating plate-boundary structures known as continental microplates form. Chapter 4 uses the two-way numerical coupling between tectonics and landscape evolution to investigate how a strike-slip boundary responds to large sediment loads, and whether this is sufficient to form an entirely new type of flexural strike-slip basin.

Description: Plattentektonik beschreibt die Bewegung starrer tektonischer Platten an der Erdoberfläche sowie deren komplexe Deformation an drei Arten von Plattengrenzen: 1) divergenten Grenzen wie Grabenbrüchen und mittelozeanische Rücken, 2) transversalen Grenzen, an denen Platten gegeneinander verschoben werden, wie die San-Andreas-Verwerfung, und 3) konvergenten Grenzen, die große Gebirgszüge wie die Anden bilden. Diese schmalen Deformationszonen, die Platten begrenzen, weisen meist komplexe Dehnungsmuster auf, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Während dieser Entwicklung wird die Verformung der Plattengrenzen durch tektonische Kräfte aus dem tiefen Erdinneren und der Lithosphäre, aber auch durch Oberflächenprozesse, welche topografische Erhebungen erodieren und die daraus resultierenden Sedimente in tiefer gelegenen Gebieten ablagern, angetrieben. Durch das Zusammenwirken und die Rückkopplung dieser Faktoren entwickelt sich die Erdoberfläche in einer extrem dynamischen Art und Weise. An divergenten Grenzen beispielsweise dünnen Zugspannungen die Lithosphäre aus, was zu einer Hebung und anschließenden Erosion der Flanken eines Grabenbruchs führt, wobei wiederum Sedimente freigesetzt werden. Währenddessen sinkt das Zentrum des Grabens ab und wird zu einer topografischen Senke, in der sich Sedimente ablagern. Diese Massenumverteilung vom Fuß zum Hang einer Verwerfung spielt eine wichtige Rolle, da er die Aktivität einzelner Verwerfungen verlängert. Durch anhaltende Divergenz werden Kontinente schließlich auseinandergerissen, wodurch der Erdmantel an die Erdoberfläche gefördert und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen tektonischen Kräften aus dem tiefen Erdinneren und der Massenumverteilung an der Erdoberfläche ist es von entscheidender Bedeutung, die Rückkopplungen zwischen diesen beiden Bereichen zu verstehen. In dieser Studie möchte ich Einblicke zu zwei Hauptfragen geben: 1) Wie entwickeln sich divergierende Plattengrenzen? 2) Wie wird diese Entwicklung auf einer großen zeitlichen und einer kleinen strukturellen Skala durch die Veränderung der Oberfläche durch Erosion und Sedimentation beeinflusst? In drei Kapiteln untersuche ich die Entwicklung von divergenten und streichenden Plattengrenzen anhand numerischer Modelle. In Kapitel 2 wird die Entwicklung von Grabenbrüchen anhand zweidimensionaler Modelle im Detail erforscht. Dabei extrahiere ich Verwerfungen aus einer Reihe von Modellen und korreliere sie über die Zeit, um zu untersuchen, wie sich Verwerfungsnetzwerke räumlich und zeitlich entwickeln. Durch die bidirektionale Kopplung des Geodynamik-Codes ASPECT und des Erdoberflächen-Codes FastScape untersuche ich, wie diese Verwerfungsnetzwerk und der Grabenbruch im Allgemeinen durch die Erosionseffizienz des Systems, welche viele Faktoren wie Lithologie oder Klima abbildet, beeinflusst werden. In Kapitel 3 untersuche ich die Entwicklung eines Grabenbruchs aus einer dreidimensionalen Perspektive. In diesem Kapitel analysiere ich wie sich gegeneinander versetzte Grabenbrüche verbinden und wann sich dabei schnell rotierende kontinentale Mikroplatten bilden. In Kapitel 4 nutze ich die entwickelte bidirektionale Kopplung zwischen Geodynamik und Erdoberflächenprozessen, um zu verstehen, wie transversale Plattengrenzen auf Sedimentlasten reagieren und ob die ausreicht, um einen völlig neue Art von Sedimentbecken in dieser Umgebung zu formen.

Description: Localisation of deformation is a ubiquitous feature in continental rift dynamics and observed across drastically different time and length scales. This thesis comprises one experimental and two numerical modelling studies investigating strain localisation in (1) a ductile shear zone induced by a material heterogeneity and (2) in an active continental rift setting. The studies are related by the fact that the weakening mechanisms on the crystallographic and grain size scale enable bulk rock weakening, which fundamentally enables the formation of shear zones, continental rifts and hence plate tectonics. Aiming to investigate the controlling mechanisms on initiation and evolution of a shear zone, the torsion experiments of the experimental study were conducted in a Patterson type apparatus with strong Carrara marble cylinders with a weak, planar Solnhofen limestone inclusion. Using state-of-the-art numerical modelling software, the torsion experiments were simulated to answer questions regarding localisation procedure like stress distribution or the impact of rheological weakening. 2D numerical models were also employed to integrate geophysical and geological data to explain characteristic tectonic evolution of the Southern and Central Kenya Rift. Key elements of the numerical tools are a randomized initial strain distribution and the usage of strain softening. During the torsion experiments, deformation begins to localise at the limestone inclusion tips in a process zone, which propagates into the marble matrix with increasing deformation until a ductile shear zone is established. Minor indicators for coexisting brittle deformation are found close to the inclusion tip and presumed to slightly facilitate strain localisation besides the dominant ductile deformation processes. The 2D numerical model of the torsion experiment successfully predicts local stress concentration and strain rate amplification ahead of the inclusion in first order agreement with the experimental results. A simple linear parametrization of strain weaking enables high accuracy reproduction of phenomenological aspects of the observed weakening. The torsion experiments suggest that loading conditions do not affect strain localisation during high temperature deformation of multiphase material with high viscosity contrasts. A numerical simulation can provide a way of analysing the process zone evolution virtually and extend the examinable frame. Furthermore, the nested structure and anastomosing shape of an ultramylonite band was mimicked with an additional second softening step. Rheological weakening is necessary to establish a shear zone in a strong matrix around a weak inclusion and for ultramylonite formation. Such strain weakening laws are also incorporated into the numerical models of the Southern and Central Kenya Rift that capture the characteristic tectonic evolution. A three-stage early rift evolution is suggested that starts with (1) the accommodation of strain by a single border fault and flexure of the hanging-wall crust, after which (2) faulting in the hanging-wall and the basin centre increases before (3) the early-stage asymmetry is lost and basinward localisation of deformation occurs. Along-strike variability of rifts can be produced by modifying the initial random noise distribution. In summary, the three studies address selected aspects of the broad range of mechanisms and processes that fundamentally enable the deformation of rock and govern the localisation patterns across the scales. In addition to the aforementioned results, the first and second manuscripts combined, demonstrate a procedure to find new or improve on existing numerical formulations for specific rheologies and their dynamic weakening. These formulations are essential in addressing rock deformation from the grain to the global scale. As within the third study of this thesis, where geodynamic controls on the evolution of a rift were examined and acquired by the integration of geological and geophysical data into a numerical model.

Description: Die Lokalisierung von Deformation ist ein allgegenwärtiges Merkmal in der Dynamik von Grabenbrüchen bzw. Riftzonen und wird über verschiedene Zeit- und Längenskalen beobachtet. Diese Arbeit umfasst eine experimentelle und zwei numerische Studien zur Untersuchung der Lokalisierung von Deformation in (1) einer durch eine Materialheterogenität induzierten duktilen Scherzone und (2) in einem aktiven Kontinentalgraben. Die Studien verbindet, dass die Schwächungsmechanismen auf der kristallographischen Skala und der Korngrößenskala eine Enthärtung eines Gesteinkörpers ermöglicht, was im Wesentlichen die Bildung von Scherzonen, Grabenbrüchen und damit Plattentektonik ermöglicht. Um die Kontrollmechanismen für die Initiierung und Entwicklung einer Scherzone zu untersuchen, wurden die Torsionsexperimente der experimentellen Studie in einem Patterson-Gerät an starken Carrara-Marmorzylinder mit einer schwachen, planaren Solnhofen-Kalksteineinschluss durchgeführt. Mit modernster numerischer Modellierungssoftware wurden die Torsionsexperimente simuliert, um weitere Fragen zum Lokalisierungsablauf wie die Verteilung der Spannung oder den Einfluss rheologischer Schwächung zu beantworten. Numerische 2D-Modelle wurden auch verwendet, um geophysikalische und geologische Daten zu kombinieren, um die charakteristische tektonische Entwicklung des südlichen und zentralen Kenia-Rifts zu erklären. Schlüsselelemente der verwendeten numerischen Werkzeuge sind eine randomisierte Anfangsverteilung des Strain und der Einsatz von Strain basierter Enthärtung. Während der Torsionsversuche lokalisiert die Deformation zunächst an den Kalksteineinschlussspitzen in einer Prozesszone, die sich mit zunehmender Deformation in die Marmormatrix ausbreitet bis sich eine duktile Scherzone einstellt. Neben den dominierenden duktilen Verformungsprozessen werden geringfügige Indikatoren für eine koexistierende spröde Verformung nahe der Einschlussspitzen gefunden und es wird angenommen, dass diese die Lokalisierung der Deformation geringfügig erleichtern. In erster Ordnung sagt das numerische 2D-Modell des Torsionsexperiments erfolgreich lokale Spannungskonzentration und Strainratenverstärkung vor der Inklusion in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorher. Eine einfache lineare Parametrisierung der Enthärtung durch Strain ermöglicht eine genaue Reproduktion phänomenologischer Aspekte der beobachteten Schwächung. Die Torsionsexperimente legen nahe, dass die Randbedingungen die Lokalisierung des Strain während der Hochtemperaturverformung von Mehrphasenmaterial mit hohen Viskositätskontrasten nicht beeinflussen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die Entwicklung der Prozesszone virtuell zu analysieren und den Untersuchungsrahmen zu erweitern. Darüber hinaus wurde die verschachtelte Struktur und anastomosierende Form eines Ultramylonitbandes mit einem zusätzlichen zweiten Enthärtungsschritt nachgeahmt. Die rheologische Schwächung ist notwendig, um eine Scherzone in einer starken Matrix um einen schwachen Einschluss herum und für die Ultramylonitbildung zu etablieren. Solche Schwächungsgesetze, die auf Strain basieren, fließen auch in die numerischen Modelle des südlichen und zentralen Kenia-Rifts ein, die die charakteristische tektonische Entwicklung erfassen. Es wird eine dreistufige frühe Riftentwicklung vorgeschlagen, die mit (1) der Anpassung von Spannungen durch eine einzelne Grenzstörung und Biegung der hangenden Kruste beginnt, wonach (2) die Verwerfung im Hangenden und im Beckenzentrum zunimmt, bevor (3) die Asymmetrie des Frühstadiums verloren geht und es zu einer beckenseitigen Deformationslokalisierung kommt. Die Variabilität von Rissen entlang des Rifts kann durch Modifizieren der anfänglichen zufälligen Rauschverteilung erzeugt werden. Zusammenfassend befassen sich die drei Studien mit ausgewählten Aspekten der breiten Palette von Mechanismen und Prozessen, die die Deformation von Gestein grundlegend ermöglichen und die Lokalisierungsmuster über die Skalen bestimmen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen demonstrieren das erste und zweite Manuskript in Kombination ein Verfahren, um neue oder bestehende numerische Formulierungen für spezifische Rheologien und deren dynamische Schwächung zu finden oder zu verbessern. Diese Formulierungen sind essenziell, um Gesteinsverformung von der Korngrößen bis zur globalen Skala zu untersuchen. Wie in der dritten Studie dieser Dissertation, in der geodynamische Kontrollen auf die Entwicklung eines Grabenbruchs durch die Integration geologischer und geophysikalischer Daten in ein numerisches Modell untersucht und erfasst wurden.

Description: Different lake systems might reflect different climate elements of climate changes, while the responses of lake systems are also divers, and are not completely understood so far. Therefore, a comparison of lakes in different climate zones, during the high-amplitude and abrupt climate fluctuations of the Last Glacial to Holocene transition provides an exceptional opportunity to investigate distinct natural lake system responses to different abrupt climate changes. The aim of this doctoral thesis was to reconstruct climatic and environmental fluctuations down to (sub-) annual resolution from two different lake systems during the Last Glacial-Interglacial transition (~17 and 11 ka). Lake Gościąż, situated in the temperate central Poland, developed in the Allerød after recession of the Last Glacial ice sheets. The Dead Sea is located in the Levant (eastern Mediterranean) within a steep gradient from sub-humid to hyper-arid climate, and formed in the mid-Miocene. Despite their differences in sedimentation processes, both lakes form annual laminations (varves), which are crucial for studies of abrupt climate fluctuations. This doctoral thesis was carried out within the DFG project PALEX-II (Paleohydrology and Extreme Floods from the Dead Sea ICDP Core) that investigates extreme hydro-meteorological events in the ICDP core in relation to climate changes, and ICLEA (Virtual Institute of Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses) that intends to better the understanding of climate dynamics and landscape evolutions in north-central Europe since the Last Glacial. Further, it contributes to the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change and Humans) Research Theme 3 “Extreme events across temporal and spatial scales” that investigates extreme events using climate data, paleo-records and model-based simulations. The three main aims were to (1) establish robust chronologies of the lakes, (2) investigate how major and abrupt climate changes affect the lake systems, and (3) to compare the responses of the two varved lakes to these hemispheric-scale climate changes. Robust chronologies are a prerequisite for high-resolved climate and environmental reconstructions, as well as for archive comparisons. Thus, addressing the first aim, the novel chronology of Lake Gościąż was established by microscopic varve counting and Bayesian age-depth modelling in Bacon for a non-varved section, and was corroborated by independent age constrains from 137Cs activity concentration measurements, AMS radiocarbon dating and pollen analysis. The varve chronology reaches from the late Allerød until AD 2015, revealing more Holocene varves than a previous study of Lake Gościąż suggested. Varve formation throughout the complete Younger Dryas (YD) even allowed the identification of annually- to decadal-resolved leads and lags in proxy responses at the YD transitions. The lateglacial chronology of the Dead Sea (DS) was thus far mainly based on radiocarbon and U/Th-dating. In the unique ICDP core from the deep lake centre, continuous search for cryptotephra has been carried out in lateglacial sediments between two prominent gypsum deposits – the Upper and Additional Gypsum Units (UGU and AGU, respectively). Two cryptotephras were identified with glass analyses that correlate with tephra deposits from the Süphan and Nemrut volcanoes indicating that the AGU is ~1000 years younger than previously assumed, shifting it into the YD, and the underlying varved interval into the Bølling/Allerød, contradicting previous assumptions. Using microfacies analyses, stable isotopes and temperature reconstructions, the second aim was achieved at Lake Gościąż. The YD lake system was dynamic, characterized by higher aquatic bioproductivity, more re-suspended material and less anoxia than during the Allerød and Early Holocene, mainly influenced by stronger water circulation and catchment erosion due to stronger westerly winds and less lake sheltering. Cooling at the YD onset was ~100 years longer than the final warming, while environmental proxies lagged the onset of cooling by ~90 years, but occurred contemporaneously during the termination of the YD. Chironomid-based temperature reconstructions support recent studies indicating mild YD summer temperatures. Such a comparison of annually-resolved proxy responses to both abrupt YD transitions is rare, because most European lake archives do not preserve varves during the YD. To accomplish the second aim at the DS, microfacies analyses were performed between the UGU (~17 ka) and Holocene onset (~11 ka) in shallow- (Masada) and deep-water (ICDP core) environments. This time interval is marked by a huge but fluctuating lake level drop and therefore the complete transition into the Holocene is only recorded in the deep-basin ICDP core. In this thesis, this transition was investigated for the first time continuously and in detail. The final two pronounced lake level drops recorded by deposition of the UGU and AGU, were interrupted by one millennium of relative depositional stability and a positive water budget as recorded by aragonite varve deposition interrupted by only a few event layers. Further, intercalation of aragonite varves between the gypsum beds of the UGU and AGU shows that these generally dry intervals were also marked by decadal- to centennial-long rises in lake level. While continuous aragonite varves indicate decadal-long stable phases, the occurrence of thicker and more frequent event layers suggests general more instability during the gypsum units. These results suggest a pattern of complex and variable hydroclimate at different time scales during the Lateglacial at the DS. The third aim was accomplished based on the individual studies above that jointly provide an integrated picture of different lake responses to different climate elements of hemispheric-scale abrupt climate changes during the Last Glacial-Interglacial transition. In general, climatically-driven facies changes are more dramatic in the DS than at Lake Gościąż. Further, Lake Gościąż is characterized by continuous varve formation nearly throughout the complete profile, whereas the DS record is widely characterized by extreme event layers, hampering the establishment of a continuous varve chronology. The lateglacial sedimentation in Lake Gościąż is mainly influenced by westerly winds and minor by changes in catchment vegetation, whereas the DS is primarily influenced by changes in winter precipitation, which are caused by temperature variations in the Mediterranean. Interestingly, sedimentation in both archives is more stable during the Bølling/Allerød and more dynamic during the YD, even when sedimentation processes are different. In summary, this doctoral thesis presents seasonally-resolved records from two lake archives during the Lateglacial (ca 17-11 ka) to investigate the impact of abrupt climate changes in different lake systems. New age constrains from the identification of volcanic glass shards in the lateglacial sediments of the DS allowed the first lithology-based interpretation of the YD in the DS record and its comparison to Lake Gościąż. This highlights the importance of the construction of a robust chronology, and provides a first step for synchronization of the DS with other eastern Mediterranean archives. Further, climate reconstructions from the lake sediments showed variability on different time scales in the different archives, i.e. decadal- to millennial fluctuations in the lateglacial DS, and even annual variations and sub-decadal leads and lags in proxy responses during the rapid YD transitions in Lake Gościąż. This showed the importance of a comparison of different lake archives to better understand the regional and local impacts of hemispheric-scale climate variability. An unprecedented example is demonstrated here of how different lake systems show different lake responses and also react to different climate elements of abrupt climate changes. This further highlights the importance of the understanding of the respective lake system for climate reconstructions. Verschiedene Seesysteme können unterschiedliche Klimaelemente während Klimaveränderungen wiederspiegeln und auch diverse Seesystemreaktionen aufweisen, wobei letztere bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Ein Vergleich von Seesystemen in verschiedenen Klimazonen während der hoch-amplituden und abrupten Klimaveränderung innerhalb des Übergangs vom Letzten Glazial zum Holozän, ermöglicht die Untersuchung deutlicher natürlicher Seesystemreaktionen in Bezug zu abrupten Klimaänderungen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Rekonstruktion von Klima- und Umweltschwankungen von zwei verschiedenen Seesystemen während des Letzten Glazial-Interglazial-Übergangs (~17.000-11.000 BP) bis hinunter zu saisonaler Auflösung. Der Gościąż See liegt in der gemäßigten Klimazone in Zentralpolen und entwickelte sich im Allerød nach dem Rückgang der Eisschilde des letzten Glazials. Das Tote Meer liegt in der Levante (östlicher Mittelmeerraum) innerhalb eines steilen Gradienten von subhumidem zu hyperaridem Klima und entstand im mittleren Miozän. Trotz ihrer unterschiedlichen Sedimentationsprozesse bilden beide Seen jährliche Laminierungen (Warven) aus. Dies ist essentiell für Studien abrupter Klimaveränderungen. Diese Doktorarbeit wurde innerhalb des DFG-Projektes PALEX-II (Paläohydrologie und Sturzfluten vom ICDP-Kern des Toten Meeres) und ICELA (Virtuelles Institut zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse) durchgeführt. PALEX-II untersucht hydrometeorologische Extremereignisse im ICDP-Kern in Bezug zu Klimaveränderungen, während ICLEA beabsichtig das Verständnis von Klimadynamiken und Landschaftsevolution in Nord- und Zentraleuropa seit dem letzten Glazial zu verbessern. Zudem, trägt diese Doktorarbeit auch zum Forschungsthema 3 „Extremevents auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen“ der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionale Klimaänderungen und Mensch) bei, das basierend auf Klimadaten, Paläoarchiven und modelbasierten Simulationen Extremevents untersucht. Robuste Chronologien sind Voraussetzung für hochaufgelöste Klima- und Umweltstudien, sowie für den Vergleich von Archiven. Um das erste Ziel zu erreichen, wurde für den Gościąż See mithilfe von mikroskopischer Warvenzählung und einer bayesschen Alters-Tiefen-Modellierung eine neue Chronologie erstellt. Diese wurde durch unabhängige Altersinformationen von 137Cs Konzentrationsmessungen, AMS Radiokarbondatierung und Pollenanalyse bestätigt. Die Warvenchronologie beginnt im späten Allerød und endet AD 2015. Sie offenbart mehr Warven im Holozän als in einer früheren Studie vom Gościąż See gezeigt wurde. Warvenbildung durch die gesamte Jüngere Dryaszeit (JD) hindurch ermöglicht sogar die Identifizierung von jährlich bis dekadisch aufgelösten Abfolgen in Proxyreaktion während der Übergangszonen der JD. Die spätglaziale Chronologie des Toten Meeres basierte bisher auf Radiokarbon- und U/Th-Datierungen. In den spätglazialen Sedimenten des einzigartigen ICDP-Kern vom tiefen Seezentrum wurde zwischen zwei markanten Gipseinheiten – den Oberen und Zusätzlichen Gipseinheiten (UGU bzw. AGU) – kontinuierlich nach Kryptotephra gesucht. Gläser zweier Kryptotephren korrelieren mit Aschenablagerungen der Süphan und Nemrut Vulkane. Dies deutet darauf hin, dass die AGU ~1000 Jahre jünger ist als bisher angenommen, was sie komplett in die JD verlagert und das darunterliegende warvierte Intervall in das Bølling/Allerød. Diese Ergebnisse widersprechen bisherigen Annahmen. Unter Verwendung von Mikrofaziesanalysen, stabiler Isotope und Temperaturrekonstruktionen, wurde das zweite Ziel am Gościąż See erreicht. Das Seesystem war während der JD dynamisch und durch höhere aquatische Bioproduktivität, Resuspension und geringere anoxische Bedingungen als das Allerød und frühe Holozän gekennzeichnet. Dies wurde hauptsächlich durch eine verstärkte Wasserzirkulation und Erosion im Einzugsgebiet hervorgerufen, die wiederum durch stärkere Westwinde und geringeren Schutz vor Wind im Einzugsgebiet verursacht wurden. Die Abkühlung am Beginn der JD war etwa 100 Jahre länger als die finale Erwärmung an ihrem Ende, während die Umweltproxies ca. 90 Jahre nach Beginn der Abkühlung, aber gleichzeitig mit der Erwärmung auftraten. Auf Chironomiden basierende Temperatur-rekonstruktionen unterstützen neueste Studien, die milde Sommertemperaturen während der JD anzeigen. Da die meisten europäischen Seearchive keine Warven während der JD erhalten, ist ein solcher Vergleich von jährlich aufgelösten Proxyreaktionen während beiden JD Übergangszonen sehr selten. Um das zweite Ziel auch am Toten Meer zu realisieren, wurden Mikrofaziesanalysen zwischen der UGU (~17.000 BP) und dem Beginn des Holozäns (~11.000 BP) in Sedimenten aus dem Flachwasserbereich (Masada) und aus dem tiefen Becken (ICDP-Kern) durchgeführt. In diesem Intervall sinkt der Seespiegel gewaltig ab, wobei er von Schwankungen betroffen ist. Daher ist der komplette Übergang in das Holozän nur im ICDP-Kern enthalten, der im tiefen Becken gezogen wurde. In dieser Doktorarbeit wurde dieser Übergang zum ersten Mal kontinuierlich und im Detail untersucht. Während der beiden finalen Seespiegelabfälle wurden die UGU und AGU abgelagert. Zwischen den beiden Gipseinheiten zeugen jedoch Aragonitwarven und nur wenige Extremevents von sedimentärer Stabilität und einem positiven Wasserbudget für beinahe ein Jahrtausend. Selbst innerhalb der UGU und AGU deutet die Ablagerung von Aragonitwarven zwischen Gipslagen auf Dekaden bis Jahrhunderte andauernde Anstiege im Seespiegel hin, was zeigt, dass UGU und AGU nicht kontinuierlich von Trockenheit gekennzeichnet waren. Die kontinuierliche Bildung von Aragonitwarven zeigt hier stabile Phasen über Dekaden, wohingegen mächtigere und häufigere Extremevents generell auf eine erhöhte Instabilität während der Gipseinheiten hindeuten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein komplexes und variables Hydroklima auf unterschiedlichen Zeitskalen während des Spätglazials am Toten Meer operierte. Das dritte Ziel wurde basierend auf den individuellen Studien erreicht, die zusammen ein ganzheitliches Bild zu verschiedenen Seesystemreaktionen liefern, die während des Übergangs vom letzten Glazial zum Holozän durch diverse Klimaelemente während abrupter Klimaveränderungen mit hemisphärischen Ausmaßen beeinflusst sind. Grundsätzlich sind die durch Klimaänderungen ausgelösten Faziesänderungen ausgeprägter am Toten Meer als im Gościąż See. Zudem ist der Gościąż See beinahe durchgängig warviert, während die Sedimente des Toten Meeres weithin durch Ablagerungen von Extremevents geprägt sind, welche die Konstruktion einer kontinuierlichen Warvenchronologie verhindern. Die spätglaziale Sedimentation im Gościąż See ist hauptsächlich durch Westwinde beeinflusst und untergeordnet auch durch Vegetationsänderungen im Einzugsgebiet. Im Gegensatz dazu ist die spätglaziale Sedimentation im Toten Meer überwiegend von Schwankungen im Niederschlag während des Winters beeinflusst. Diese wiederum werden durch Temperaturschwankungen im Mittelmeer verursacht. Obwohl die Sedimentationsprozesse so verschieden sind, ist die Sedimentation interessanterweise in beiden Archiven stabiler im Bølling/Allerød und dynamischer in der JD. Kurz zusammengefasst, präsentiert diese Doktorarbeit saisonal-aufgelöste Sedimentprofile zweier Seearchive während des Spätglazials (ca. 17.000-11.000 BP), um die Auswirkungen abrupter Klimaveränderungen in verschiedenen Seesystemen zu untersuchen. Neue Altersinformationen anhand der Identifizierung von vulkanischen Aschen in den spätglazialen Sedimenten des Toten Meeres erlaubten die erste Lithologie-basierte Interpretation der JD im Sedimentprofil des Toten Meeres und den Vergleich mit dem Gościąż See. Dies hebt die Bedeutung der Erstellung einer robusten Chronologie hervor und liefert einen ersten Schritt für die Synchronisierung des Toten Meeres mit anderen Archiven im östlichen Mittelmeerraum. Des Weiteren haben die Klimarekonstruktionen anhand der Seesedimente Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen in den Archiven gezeigt. Diese umfassen dekadische bis tausendjährige Schwankungen im Toten Meer und sogar jährliche und sub-dekadische Schwankungen in Proxys während der rapiden Übergangszonen der JD im Gościąż See. Dies zeigt wie bedeutend es ist verschiedene Seearchive zu vergleichen um die regionalen und lokalen Auswirkungen von hemisphärischen Klimaschwankungen besser zu verstehen. Hier wurde eine beispiellose Fallstudie gezeigt, die die diversen Reaktionen unterschiedlicher Seen beleuchtet und aufzeigt wie diese von verschiedenen Klimaelementen abrupter Klimaveränderungen beeinflusst werden können. Dies hebt auch hervor, wie bedeutsam es für Klimarekonstruktionen ist das jeweilige Seesystem zu verstehen.

Description: Verschiedene Seesysteme können unterschiedliche Klimaelemente während Klimaveränderungen wiederspiegeln und auch diverse Seesystemreaktionen aufweisen, wobei letztere bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Ein Vergleich von Seesystemen in verschiedenen Klimazonen während der hoch-amplituden und abrupten Klimaveränderung innerhalb des Übergangs vom Letzten Glazial zum Holozän, ermöglicht die Untersuchung deutlicher natürlicher Seesystemreaktionen in Bezug zu abrupten Klimaänderungen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Rekonstruktion von Klima- und Umweltschwankungen von zwei verschiedenen Seesystemen während des Letzten Glazial-Interglazial-Übergangs (~17.000-11.000 BP) bis hinunter zu saisonaler Auflösung. Der Gościąż See liegt in der gemäßigten Klimazone in Zentralpolen und entwickelte sich im Allerød nach dem Rückgang der Eisschilde des letzten Glazials. Das Tote Meer liegt in der Levante (östlicher Mittelmeerraum) innerhalb eines steilen Gradienten von subhumidem zu hyperaridem Klima und entstand im mittleren Miozän. Trotz ihrer unterschiedlichen Sedimentationsprozesse bilden beide Seen jährliche Laminierungen (Warven) aus. Dies ist essentiell für Studien abrupter Klimaveränderungen. Diese Doktorarbeit wurde innerhalb des DFG-Projektes PALEX-II (Paläohydrologie und Sturzfluten vom ICDP-Kern des Toten Meeres) und ICELA (Virtuelles Institut zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse) durchgeführt. PALEX-II untersucht hydrometeorologische Extremereignisse im ICDP-Kern in Bezug zu Klimaveränderungen, während ICLEA beabsichtig das Verständnis von Klimadynamiken und Landschaftsevolution in Nord- und Zentraleuropa seit dem letzten Glazial zu verbessern. Zudem, trägt diese Doktorarbeit auch zum Forschungsthema 3 „Extremevents auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen“ der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionale Klimaänderungen und Mensch) bei, das basierend auf Klimadaten, Paläoarchiven und modelbasierten Simulationen Extremevents untersucht. Robuste Chronologien sind Voraussetzung für hochaufgelöste Klima- und Umweltstudien, sowie für den Vergleich von Archiven. Um das erste Ziel zu erreichen, wurde für den Gościąż See mithilfe von mikroskopischer Warvenzählung und einer bayesschen Alters-Tiefen-Modellierung eine neue Chronologie erstellt. Diese wurde durch unabhängige Altersinformationen von 137Cs Konzentrationsmessungen, AMS Radiokarbondatierung und Pollenanalyse bestätigt. Die Warvenchronologie beginnt im späten Allerød und endet AD 2015. Sie offenbart mehr Warven im Holozän als in einer früheren Studie vom Gościąż See gezeigt wurde. Warvenbildung durch die gesamte Jüngere Dryaszeit (JD) hindurch ermöglicht sogar die Identifizierung von jährlich bis dekadisch aufgelösten Abfolgen in Proxyreaktion während der Übergangszonen der JD. Die spätglaziale Chronologie des Toten Meeres basierte bisher auf Radiokarbon- und U/Th-Datierungen. In den spätglazialen Sedimenten des einzigartigen ICDP-Kern vom tiefen Seezentrum wurde zwischen zwei markanten Gipseinheiten – den Oberen und Zusätzlichen Gipseinheiten (UGU bzw. AGU) – kontinuierlich nach Kryptotephra gesucht. Gläser zweier Kryptotephren korrelieren mit Aschenablagerungen der Süphan und Nemrut Vulkane. Dies deutet darauf hin, dass die AGU ~1000 Jahre jünger ist als bisher angenommen, was sie komplett in die JD verlagert und das darunterliegende warvierte Intervall in das Bølling/Allerød. Diese Ergebnisse widersprechen bisherigen Annahmen. Unter Verwendung von Mikrofaziesanalysen, stabiler Isotope und Temperaturrekonstruktionen, wurde das zweite Ziel am Gościąż See erreicht. Das Seesystem war während der JD dynamisch und durch höhere aquatische Bioproduktivität, Resuspension und geringere anoxische Bedingungen als das Allerød und frühe Holozän gekennzeichnet. Dies wurde hauptsächlich durch eine verstärkte Wasserzirkulation und Erosion im Einzugsgebiet hervorgerufen, die wiederum durch stärkere Westwinde und geringeren Schutz vor Wind im Einzugsgebiet verursacht wurden. Die Abkühlung am Beginn der JD war etwa 100 Jahre länger als die finale Erwärmung an ihrem Ende, während die Umweltproxies ca. 90 Jahre nach Beginn der Abkühlung, aber gleichzeitig mit der Erwärmung auftraten. Auf Chironomiden basierende Temperatur-rekonstruktionen unterstützen neueste Studien, die milde Sommertemperaturen während der JD anzeigen. Da die meisten europäischen Seearchive keine Warven während der JD erhalten, ist ein solcher Vergleich von jährlich aufgelösten Proxyreaktionen während beiden JD Übergangszonen sehr selten. Um das zweite Ziel auch am Toten Meer zu realisieren, wurden Mikrofaziesanalysen zwischen der UGU (~17.000 BP) und dem Beginn des Holozäns (~11.000 BP) in Sedimenten aus dem Flachwasserbereich (Masada) und aus dem tiefen Becken (ICDP-Kern) durchgeführt. In diesem Intervall sinkt der Seespiegel gewaltig ab, wobei er von Schwankungen betroffen ist. Daher ist der komplette Übergang in das Holozän nur im ICDP-Kern enthalten, der im tiefen Becken gezogen wurde. In dieser Doktorarbeit wurde dieser Übergang zum ersten Mal kontinuierlich und im Detail untersucht. Während der beiden finalen Seespiegelabfälle wurden die UGU und AGU abgelagert. Zwischen den beiden Gipseinheiten zeugen jedoch Aragonitwarven und nur wenige Extremevents von sedimentärer Stabilität und einem positiven Wasserbudget für beinahe ein Jahrtausend. Selbst innerhalb der UGU und AGU deutet die Ablagerung von Aragonitwarven zwischen Gipslagen auf Dekaden bis Jahrhunderte andauernde Anstiege im Seespiegel hin, was zeigt, dass UGU und AGU nicht kontinuierlich von Trockenheit gekennzeichnet waren. Die kontinuierliche Bildung von Aragonitwarven zeigt hier stabile Phasen über Dekaden, wohingegen mächtigere und häufigere Extremevents generell auf eine erhöhte Instabilität während der Gipseinheiten hindeuten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein komplexes und variables Hydroklima auf unterschiedlichen Zeitskalen während des Spätglazials am Toten Meer operierte. Das dritte Ziel wurde basierend auf den individuellen Studien erreicht, die zusammen ein ganzheitliches Bild zu verschiedenen Seesystemreaktionen liefern, die während des Übergangs vom letzten Glazial zum Holozän durch diverse Klimaelemente während abrupter Klimaveränderungen mit hemisphärischen Ausmaßen beeinflusst sind. Grundsätzlich sind die durch Klimaänderungen ausgelösten Faziesänderungen ausgeprägter am Toten Meer als im Gościąż See. Zudem ist der Gościąż See beinahe durchgängig warviert, während die Sedimente des Toten Meeres weithin durch Ablagerungen von Extremevents geprägt sind, welche die Konstruktion einer kontinuierlichen Warvenchronologie verhindern. Die spätglaziale Sedimentation im Gościąż See ist hauptsächlich durch Westwinde beeinflusst und untergeordnet auch durch Vegetationsänderungen im Einzugsgebiet. Im Gegensatz dazu ist die spätglaziale Sedimentation im Toten Meer überwiegend von Schwankungen im Niederschlag während des Winters beeinflusst. Diese wiederum werden durch Temperaturschwankungen im Mittelmeer verursacht. Obwohl die Sedimentationsprozesse so verschieden sind, ist die Sedimentation interessanterweise in beiden Archiven stabiler im Bølling/Allerød und dynamischer in der JD. Kurz zusammengefasst, präsentiert diese Doktorarbeit saisonal-aufgelöste Sedimentprofile zweier Seearchive während des Spätglazials (ca. 17.000-11.000 BP), um die Auswirkungen abrupter Klimaveränderungen in verschiedenen Seesystemen zu untersuchen. Neue Altersinformationen anhand der Identifizierung von vulkanischen Aschen in den spätglazialen Sedimenten des Toten Meeres erlaubten die erste Lithologie-basierte Interpretation der JD im Sedimentprofil des Toten Meeres und den Vergleich mit dem Gościąż See. Dies hebt die Bedeutung der Erstellung einer robusten Chronologie hervor und liefert einen ersten Schritt für die Synchronisierung des Toten Meeres mit anderen Archiven im östlichen Mittelmeerraum. Des Weiteren haben die Klimarekonstruktionen anhand der Seesedimente Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen in den Archiven gezeigt. Diese umfassen dekadische bis tausendjährige Schwankungen im Toten Meer und sogar jährliche und sub-dekadische Schwankungen in Proxys während der rapiden Übergangszonen der JD im Gościąż See. Dies zeigt wie bedeutend es ist verschiedene Seearchive zu vergleichen um die regionalen und lokalen Auswirkungen von hemisphärischen Klimaschwankungen besser zu verstehen. Hier wurde eine beispiellose Fallstudie gezeigt, die die diversen Reaktionen unterschiedlicher Seen beleuchtet und aufzeigt wie diese von verschiedenen Klimaelementen abrupter Klimaveränderungen beeinflusst werden können. Dies hebt auch hervor, wie bedeutsam es für Klimarekonstruktionen ist das jeweilige Seesystem zu verstehen.

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: We develop a model of optimal carbon taxation and redistribution taking into account horizontal equity concerns by considering heterogeneous energy efficiencies. By deriving first- and second-best rules for policy instruments including carbon taxes, transfers and energy subsidies, we then investigate analytically how horizontal equity is considered in the social welfare maximizing tax structure. We calibrate the model to German household data and a 30 percent emission reduction goal. Our results show that energy-intensive households should receive more redistributive resources than energy-efficient households if and only if social inequality aversion is sufficiently high. We further find that redistribution of carbon tax revenue via household-specific transfers is the first-best policy. Equal per-capita transfers do not suffer from informational problems, but increase mitigation costs by around 15 percent compared to the first- best for unity inequality aversion. Adding renewable energy subsidies or non-linear energy subsidies, reduces mitigation costs further without relying on observability of households’ energy efficiency.

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: Carbonatite magmatism is a highly efficient transport mechanism from Earth’s mantle to the crust, thus providing insights into the chemistry and dynamics of the Earth’s mantle. One evolving and promising tool for tracing magma interaction are stable iron isotopes, particularly because iron isotope fractionation is controlled by oxidation state and bonding environment. Meanwhile, a large data set on iron isotope fractionation in igneous rocks exists comprising bulk rock compositions and fractionation between mineral groups. Iron isotope data from natural carbonatite rocks are extremely light and of remarkably high variability. This resembles iron isotope data from mantle xenoliths, which are characterized by a variability in δ56Fe spanning three times the range found in basalts, and by the extremely light values of some whole rock samples, reaching δ56Fe as low as -0.69 ‰ in a spinel lherzolite. Cause to this large range of variations may be metasomatic processes, involving metasomatic agents like volatile bearing high-alkaline silicate melts or carbonate melts. The expected effects of metasomatism on iron isotope fractionation vary with parameters like melt/rock-ratio, reaction time, and the nature of metasomatic agents and mineral reactions involved. An alternative or additional way to enrich light isotopes in the mantle could be multiple phases of melt extraction. To interpret the existing data sets more knowledge on iron isotope fractionation factors is needed. To investigate the behavior of iron isotopes in the carbonatite systems, kinetic and equilibration experiments in natro-carbonatite systems between immiscible silicate and carbonate melts were performed in an internally heated gas pressure vessel at intrinsic redox conditions at temperatures between 900 and 1200 °C and pressures of 0.5 and 0.7 GPa. The iron isotope compositions of coexisting silicate melt and carbonate melt were analyzed by solution MC-ICP-MS. The kinetic experiments employing a Fe-58 spiked starting material show that isotopic equilibrium is obtained after 48 hours. The experimental studies of equilibrium iron isotope fractionation between immiscible silicate and carbonate melts have shown that light isotopes are enriched in the carbonatite melt. The highest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.13 ‰ was determined in a system with a strongly peralkaline silicate melt composition (ASI ≥ 0.21, Na/Al ≤ 2.7). In three systems with extremely peralkaline silicate melt compositions (ASI between 0.11 and 0.14) iron isotope fractionation could analytically not be resolved. The lowest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.02 ‰ was determined in a system with an extremely peralkaline silicate melt composition (ASI ≤ 0.11 , Na/Al ≥ 6.1). The observed iron isotope fractionation is most likely governed by the redox conditions of the system. Yet, in the systems, where no fractionation occurred, structural changes induced by compositional changes possibly overrule the influence of redox conditions. This interpretation implicates, that the iron isotope system holds the potential to be useful not only for exploring redox conditions in magmatic systems, but also for discovering structural changes in a melt. In situ iron isotope analyses by femtosecond laser ablation coupled to MC-ICP-MS on magnetite and olivine grains were performed to reveal variations in iron isotope composition on the micro scale. The investigated sample is a melilitite bomb from the Salt Lake Crater group at Honolulu (Oahu, Hawaii), showing strong evidence for interaction with a carbonatite melt. While magnetite grains are rather homogeneous in their iron isotope compositions, olivine grains span a far larger range in iron isotope ratios. The variability of δ56Fe in magnetite is limited from - 0.17 ‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.08 ‰ (± 0.09 ‰, 2SE). δ56Fe in olivine range from -0.66‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.10 ‰ (± 0.13 ‰, 2SE). Olivine and magnetite grains hold different informations regarding kinetic and equilibrium fractionation due to their different Fe diffusion coefficients. The observations made in the experiments and in the in situ iron isotope analyses suggest that the extremely light iron isotope signatures found in carbonatites are generated by several steps of isotope fractionation during carbonatite genesis. These may involve equilibrium and kinetic fractionation. Since iron isotopic signatures in natural systems are generated by a combination of multiple factors (pressure, temperature, redox conditions, phase composition and structure, time scale), multi tracer approaches are needed to explain signatures found in natural rocks.

Description: Karbonatitische Schmelzen, die im Erdmantel gebildet werden, transportieren Material aus dem Erdmantel zur Erdkruste und ermöglichen somit Einblicke in Chemismus und Dynamiken des Erdmantels. Die Analyse stabiler Eisenisotopenverhältnisse ist eine neue und vielversprechende Methode um Schmelzprozesse und Interaktionen von Schmelzen im Erdmantel nachzuverfolgen, insbesondere da Eisenisotopenfraktionierung vom Oxidationszustand und der Bindungsumgebung in der Schmelze abhängig ist. Mittlerweile existiert ein großer Datensatz zur Eisenisotopenfraktionierung in magmatischen Gesteinen, der sowohl Zusammensetzungen von Gesamtgesteinen als auch von separierten Mineralgruppen umfasst. Karbonatite weisen extrem leichte Eisenisotopensignaturen und gleichzeitig eine breite Spannweite der δ56Fe auf. Darin ähneln sie Mantelxenolithen, die ebenfalls sehr variable und teilweise extrem leichte δ56Fe aufweisen, wie zum Beispiel -0.69 ‰ in einem Spinelllherzolith. Ein möglicher Grund für diese große Spannweite sind metasomatische Prozesse, an denen Fluide wie hochalkalische Silikatschmelzen oder Karbonatschmelzen beteiligt sind. Welche Auswirkung Metasomatose auf die Eisenisotopenfraktionierung hat, hängt von Parametern wie dem Verhältnis von Schmelze zu Gestein, der Reaktionszeit und der Art der beteiligten metasomatischen Fluide sowie den Mineralreaktionen ab. Auch mehrere aufeinanderfolgende Phasen der Schmelzextraktion könnten zur Heterogenisierung von Teilen des Erdmantels beigetragen haben. Bisher existieren allerdings nur wenige Untersuchungen zur Eisenisotopenfraktionierung zwischen Silikat- und Karbonatphasen. Um Eisenisotopenfraktionierung im Karbonatitsystem besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente im Natrokarbonatitsystem durchgeführt. Dazu wurden unmischbare Silikat- und Karbonatschmelzen bei Temperaturen zwischen 900 und 1200 °C und Drücken von 0,5 und 0,7 GPa in einem intern beheizten Autoklaven bei intrinsischen Redoxbedingungen equilibriert. Im Anschluss wurden die Silikat- und Karbonatschmelzen separiert, aufgeschlossen und die Eisenisotopenverhältnisse beider Phasen mittels MC-ICP-MS analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Proben nach spätestens 48 Stunden Fe-isotopisch equilibriert sind und dass im Gleichgewicht leichte Eisenisotope in der Karbonatschmelze angereichert sind. Die größte Isotopenfraktionierung von Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) = 0,13 ‰ wurde in einem System mit stark peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI ≥ 0,21, Na/Al ≤ 2,7) gemessen. In den Systemen mit extrem peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI zwischen 0,11 and 0,14) hingegen war die Eisenisotopenfraktionierung analytisch nicht auflösbar. Zusätzlich wurde die Eisenisotopenfraktionierung zwischen Magnetit- und Olivinkörnern in situ mittels UV-Femtosekunden-Laserablation gekoppelt mit MC-ICP-MS untersucht. Bei der Probe handelt es sich um eine Melilititbombe aus der Salt-Lake-Crater-Gruppe in Honolulu (Oahu, Hawaii), die deutliche Anzeichen für Kontakt mit einer karbonatitischen Schmelze aufweist. Während die Magnetite eher homogen hinsichtlich ihrer Eisenisotopenzusammensetzung sind (-0,17 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,08 ‰, ± 0,09 ‰, 2SE), weisen die Olivine eine weitaus größere Spannweite an δ56Fe auf (-0,66 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,10 ‰, ± 0,13 ‰, 2SE). Da Eisen unterschiedliche Diffusionskoeffizienten in Olivin und Magnetit hat, sind in beiden unterschiedliche Informationen zur kinetischen und Gleichgewichtsisotopenfraktionierung enthalten. Die Beobachtungen aus den Experimenten und in den Eisenisotopenanalysen in situ deuten darauf hin, dass die extrem leichten Eisenisotopensignaturen in Karbonatiten durch Isotopenfraktionierung in mehreren Schritten während der Karbonatitgenese entstanden sind, die sowohl Gleichgewichts- als auch kinetische Fraktionierung umfassen können. Da die Eisenisotopensignaturen in natürlichen Systemen durch eine Kombination mehrerer Faktoren (Druck, Temperatur, Redoxbedingungen, Phasenzusammensetzung und -struktur, Zeitskala) entstehen, werden Multi-Tracer-Ansätze benötigt, um die in natürlichen Gesteinen beobachteten Signaturen zu erklären.

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: Fluids in the Earth's crust can move by creating and flowing through fractures, in a process called `hydraulic fracturing’. The tip-line of such fluid-filled fractures grows at locations where stress is larger than the strength of the rock. Where the tip stress vanishes, the fracture closes and the fluid-front retreats. If stress gradients exist on the fracture's walls, induced by fluid/rock density contrasts or topographic stresses, this results in an asymmetric shape and growth of the fracture, allowing for the contained batch of fluid to propagate through the crust. The state-of-the-art analytical and numerical methods to simulate fluid-filled fracture propagation are two-dimensional (2D). In this work I extend these to three dimensions (3D). In my analytical method, I approximate the propagating 3D fracture as a penny-shaped crack that is influenced by both an internal pressure and stress gradients. In addition, I develop a numerical method to model propagation where curved fractures can be simulated as a mesh of triangular dislocations, with the displacement of faces computed using the displacement discontinuity method. I devise a rapid technique to approximate stress intensity and use this to calculate the advance of the tip-line. My 3D models can be applied to arbitrary stresses, topographic and crack shapes, whilst retaining short computation times. I cross-validate my analytical and numerical methods and apply them to various natural and man-made settings, to gain additional insights into the movements of hydraulic fractures such as magmatic dikes and fluid injections in rock. In particular, I calculate the `volumetric tipping point’, which once exceeded allows a fluid-filled fracture to propagate in a `self-sustaining’ manner. I discuss implications this has for hydro-fracturing in industrial operations. I also present two studies combining physical models that define fluid-filled fracture trajectories and Bayesian statistical techniques. In these studies I show that the stress history of the volcanic edifice defines the location of eruptive vents at volcanoes. Retrieval of the ratio between topographic to remote stresses allows for forecasting of probable future vent locations. Finally, I address the mechanics of 3D propagating dykes and sills in volcanic regions. I focus on Sierra Negra volcano in the Gal\'apagos islands, where in 2018, a large sill propagated with an extremely curved trajectory. Using a 3D analysis, I find that shallow horizontal intrusions are highly sensitive to topographic and buoyancy stress gradients, as well as the effects of the free surface.

Description: Flüssigkeiten und Gase (Fluide) können sich in der Erdkruste bewegen, indem sie Risse erzeugen und durch diese fließen. Die Mechanik dieses Problems wird im Forschungsbereich der Bruchmechanik beschrieben. Das Vorhandensein von Spannungsgradienten verursacht einen Rissausbreitungsvorgang durch die Erdkruste. Auf den Flächen dieser Rissufer können verschiedene Arten von Belastungen auftreten, welche definieren, wie sich die Rissfront vergrößert. In dieser Arbeit adaptiere ich zuvor entwickelte zweidimensionale (2D) Modelle der flüssigkeitsgefüllten Bruchausbreitung für drei Dimensionen (3D). Anhand der dreidimensionalen Betrachtung können die Bewegungen dieser Frakturen detaillierter untersucht werden. Analoge und neotektonische Beobachtungen, die mit vorhandenen 2D-Techniken nicht beschreibbar waren, können mit der neuen Technik erklärt werden. Zusätzlich beschreibe ich, wie man mit einer 3D Randelementmethode (boundary element method) Spannungsintensitätsfaktoren berechnen und komplexe Rissgeometrien erfassen kann. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit 2D-Modellen. Ich stelle neue Analysetechniken bereit, mit denen diese Probleme schnell, aber kohärent quantifiziert werden können. Ich verwende diese 3D-Techniken, um eine Reihe von Fallstudien zu untersuchen, wobei ich mich zunächst auf den Wendepunkt konzentriere, ab dem sich der mit Fluiden gefüllte Riss autark bewegt. Ich habe herausgefunden, dass dies durch das in der Fraktur enthaltene Volumen beschrieben werden kann, was Auswirkungen auf den industriellen Betrieb hat. Anschließend präsentiere ich zwei Studien, die physikalische Rissausbreitungsmodelle und Bayes‘sche statistische Techniken kombinieren. Ich zeige, dass die Spannungshistorie den Ort eruptiver Entlüftungsöffnungen definiert und dass die Einbeziehung der topografischen und tektonischen Spannungsverhältnisse mit diesem Schema die Vorhersage wahrscheinlicher zukünftiger Entlüftungsstellen ermöglicht. Mit dem 3D Randelementmethode befasse ich mich mit der Ausbreitung von Gängen und Lavagängen in vulkanischen Regionen. Ich konzentriere mich auf eine Fallstudie vom Vulkan Sierra Negra auf den Galapagos-Inseln, auf der eine große Lavagängen beobachteten wurden, die sich mit einer stark gekrümmten Kurve ausbreitet. Ich habe heraus gefunden, dass die Bewegung von Lavagängen in solchen Systemen aus einer Wechselwirkung von topografischen- und Auftriebs- Spannungsgradienten sowie den Auswirkungen von Halbraumeffekten resultieren.

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: Today, the Mekong Delta in the southern of Vietnam is home for 18 million people. The delta also accounts for more than half of the country’s food production and 80% of the exported rice. Due to the low elevation, it is highly susceptible to the risk of fluvial and coastal flooding. Although extreme floods often result in excessive damages and economic losses, the annual flood pulse from the Mekong is vital to sustain agricultural cultivation and livelihoods of million delta inhabitants. Delta-wise risk management and adaptation strategies are required to mitigate the adverse impacts from extreme events while capitalising benefits from floods. However, a proper flood risk management has not been implemented in the VMD, because the quantification of flood damage is often overlooked and the risks are thus not quantified. So far, flood management has been exclusively focused on engineering measures, i.e. high- and low- dyke systems, aiming at flood-free or partial inundation control without any consideration of the actual risks or a cost-benefit analysis. Therefore, an analysis of future delta flood dynamics driven these stressors is valuable to facilitate the transition from sole hazard control towards a risk management approach, which is more cost-effective and also robust against future changes in risk. Built on these research gaps, this thesis investigates the current state and future projections of flood hazard, damage and risk to rice cultivation, the most important economic activity in the VMD. The study quantifies the changes in risk and hazard brought by the development of delta-based flood control measures in the last decades, and analyses the expected changes in risk driven by the changing climate, rising sea-level and deltaic land subsidence, and finally the development of hydropower projects in the Mekong Basin. For this purpose, flood trend analyses and comprehensive hydraulic modelling were performed, together with the development of a concept to quantify flood damage and risk to rice plantation. The analysis of observed flood levels revealed strong and robust increasing trends of peak and duration downstream of the high-dyke areas with a step change in 2000/2001, i.e. after the disastrous flood which initiated the high-dyke development. These changes were in contrast to the negative trends detected upstream, suggested that high-dyke development has shifted flood hazard downstream. Findings of the trend’s analysis were later confirmed by hydraulic simulations of the two recent extreme floods in 2000 and 2011, where the hydrological boundaries and dyke system settings were interchanged. However, the high-dyke system was not the only and often not the main cause for a shift of flood hazard, as a comparative analysis of these two extreme floods proved. The high-dyke development was responsible for 20–90% of the observed changes in flood level between 2000 and 2011, with large spatial variances. The particular flood hydrograph of the two events had the highest contribution in the northern part of the delta, while the tidal level had 2–3 times higher influence than the high-dyke in the lower-central and coastal areas downstream of high-dyke areas. The impact of the high-dyke development was highest in the areas closely downstream of the high-dyke area just south of the Cambodia-Vietnam border. The hydraulic simulations also validated that the concurrence of the flood peak with spring tides, i.e. high sea level along the coast, amplified the flood level and inundation in the central and coastal regions substantially. The risk assessment quantified the economic losses of rice cultivation to USD 25.0 and 115 million (0.02–0.1% of the total GDP of Vietnam in 2011) corresponding to the 10-year and the 100-year floods, with an expected annual damage of about USD 4.5 million. A particular finding is that the flood damage was highly sensitive to flood timing. Here, a 10-year event with an early peak, i.e. late August-September, could cause as much damage as a 100-year event that peaked in October. This finding underlines the importance of a reliable early flood warning, which could substantially reduce the damage to rice crops and thus the risk. The developed risk assessment concept was furthermore applied to investigate two high-dyke development alternatives, which are currently under discussion among the administrative bodies in Vietnam, but also in the public. The first option favouring the utilization of the current high-dyke compartments as flood retention areas instead for rice cropping during the flood season could reduce flood hazard and expected losses by 5–40%, depending on the region of the delta. On the contrary, the second option promoting the further extension of the areas protected by high-dyke to facilitate third rice crop planting on a larger area, tripled the current expected annual flood damage. This finding challenges the expected economic benefit of triple rice cultivation, in addition to the already known reducing of nutrient supply by floodplain sedimentation and thus higher costs for fertilizers. The economic benefits of the high-dyke and triple rice cropping system is further challenged by the changes in the flood dynamics to be expected in future. For the middle of the 21st century (2036-2065) the effective sea-level rise an increase of the inundation extent by 20–27% was projected. This corresponds to an increase of flood damage to rice crops in dry, normal and wet year by USD 26.0, 40.0 and 82.0 million in dry, normal and wet year compared to the baseline period 1971-2000. Hydraulic simulations indicated that the planned massive development of hydropower dams in the Mekong Basin could potentially compensate the increase in flood hazard and agriculture losses stemming from climate change. However, the benefits of dams as mitigation of flood losses are highly uncertain, because a) the actual development of the dams is highly disputed, b) the operation of the dams is primarily targeted at power generation, not flood control, and c) this would require international agreements and cooperation, which is difficult to achieve in South-East Asia. The theoretical flood mitigation benefit is additionally challenged by a number of negative impacts of the dam development, e.g. disruption of floodplain inundation in normal, non-extreme flood years. Adding to the certain reduction of sediment and nutrient load to the floodplains, hydropower dams will drastically impair rice and agriculture production, the basis livelihoods of million delta inhabitants. In conclusion, the VMD is expected to face increasing threats of tidal induced floods in the coming decades. Protection of the entire delta coastline solely with “hard” engineering flood protection structures is neither technically nor economically feasible, adaptation and mitigation actions are urgently required. Better control and reduction of groundwater abstraction is thus strongly recommended as an immediate and high priority action to reduce the land subsidence and thus tidal flooding and salinity intrusion in the delta. Hydropower development in the Mekong basin might offer some theoretical flood protection for the Mekong delta, but due to uncertainties in the operation of the dams and a number of negative effects, the dam development cannot be recommended as a strategy for flood management. For the Vietnamese authorities, it is advisable to properly maintain the existing flood protection structures and to develop flexible risk-based flood management plans. In this context the study showed that the high-dyke compartments can be utilized for emergency flood management in extreme events. For this purpose, a reliable flood forecast is essential, and the action plan should be materialised in official documents and legislation to assure commitment and consistency in the implementation and operation.

Description: Das Mekong-Delta im Süden Vietnams ist die Heimat von 18 Millionen Menschen. Im Delta werden mehr als die Hälfte der Nahrungsmittel des Landes und 80 % des exportierten Reises produziert. Aufgrund der geringen Höhen und Topographie ist das Delta sehr anfällig für Überflutungen, sowohl durch Fußhochwasser als auch durch gezeitenbedingte Rückstauüberflutungen. Obwohl extreme Überschwemmungen oft zu hohen Schäden und wirtschaftlichen Verlusten führen, ist der jährliche Hochwasserimpuls des Mekong lebenswichtig für die Aufrechterhaltung des landwirtschaftlichen Anbaus und des Lebensunterhalts von Millionen Deltabewohnern. Ein deltaweites Risikomanagement bestehend aus Hochwasserschutzmaßnahmen und Anpassungsstrategien ist erforderlich, um die negativen Auswirkungen von Extremereignissen zu mindern, zeitgleich aber auch die positiven Aspekte der Hochwasser beizubehalten. Ein Hochwasserrisikomanagement ist im VMD jedoch nicht implementiert, da die Quantifizierung von Hochwasserschäden typischerweise nicht vorgenommen wird. Bisher konzentriert sich das Hochwassermanagement ausschließlich auf ingenieurtechnische Maßnahmen zur Eindämmung der Gefährdung. Dies geschieht entweder durch Hoch- oder Niederdeichung, die auf eine hochwasserfreie oder teilweise Überflutungssteuerung abzielen. Eine risikobasierte Bewertung der Vor- und Nachteile zwischen Hoch- und Niederdeichansatz sowie Kosten-Nutzen-Rechnungen fehlen allerdings ebenfalls. Zudem ist zu erwarten, dass sich die Überschwemmungen Dynamik und das Hochwasserrisiko im Mekong Delta als Folge des Klimawandels und menschlicher Eingriffe in das Delta und das Mekong-Einzugsgebiet verändern werden. Die Analyse der zukünftigen Hochwasserdynamik in Abhängigkeit von diesen Stressoren ist notwendig, um den Übergang von einer alleinigen Gefahrenabwehr zu einem zukunftssicheren, probabilistischen Risikomanagement zu erleichtern. Ausgehend von diesen Forschungslücken untersucht diese Arbeit den aktuelle Hochwassergefährdung und die zu erwartenden zukünftigen Änderungen, sowie der damit einhergehenden Schäden und Risiken für den Reisanbau im Mekong Delta unter Berücksichtigung existierender und möglicher Hochwasserschutzmaßnahmen, des sich ändernden Klimas, des steigenden Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung des Deltas und der geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet. Eine Analyse der jährlichen Hochwasserpegel zeigte starke und robuste steigende Trends in den maximalen Wasserständen der Hochwasser und der Hochwasserdauer flussabwärts der Hochdeichgebiete, wobei eine sprunghafte Veränderung in den Jahren 2000/2001 nach. dem katastrophalen Hochwasser, das die Hochdeichentwicklung einleitete, festgestellt wurde. Diese Veränderungen stehen im Gegensatz zu den negativen Trends, oberstrom der Hocdeichgebiete, was darauf schließen lässt, dass die Hochdeichentwicklung die Hochwassergefahr flussabwärts verlagert hat. Die Ergebnisse der Trendanalyse wurden weiterhin durch hydraulische Simulationen der Überflutungsdynamiken der Hochwasser von 2000 und 2011 bestätigt. Allerdings waren die Hochdeiche nicht die Haupt- und einzige Ursache für den höheren Hochwasserpegel im Jahr 2011 im Vergleich zum Hochwasser im Jahr 2000. Die Hochwasserganglinie des Mekongs hatte den höchsten Beitrag im nördlichen Teil des Deltas oberstrom der Hochdeichgebiete, während der Tidenhub in den zentralen und küstennahen Gebieten stromabwärts des Hochdeichs einen 2-3 mal höheren Einfluss hatte als die Hochdeiche. Die wirtschaftlichen Verluste des Reisanbaus wurden rezent auf 25,0-115 Mio. USD geschätzt, für jeweils das 10- und 100-jährliche Hochwasser. Die Schäden sind hierbei sehr sensitiv gegenüber der Hochwasserganglinie, insbesondere dem Zeitpunkt des Auftretens des Hochwasserscheitels. Ein frühes 10-jährliches Hochwasser kann aufgrund des Zusammentreffens des Hochwassers mit der Ernte der Frühjahrsaussaat oder der Aussaat der Sommerfrucht ähnliche Verluste verursachen wie ein 100-jährliches Ereignis, das im Oktober seinen Höhepunkt erreicht. Neben dem Anbau einer dritten Frucht im Jahr könnten die existierenden Hochdeichabschnitte als Hochwasserrückhalteräume genutzt werden und so die Hochwassergefahr und die zu erwartenden Schäden um 5-40% reduzieren. Umgekehrt würde ein weiterer Ausbau der Hochdeiche die derzeit erwarteten jährlichen Hochwasserschäden verdreifachen. Die Zukunftsprojektionen des Hochwasserrisikos ergaben, dass das Mekong Delta in den nächsten Jahrzehnten zunehmend von tidebedingten Überschwemmungen bedroht sein wird. Der Anstieg des Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung erhöht das Ausmaß der Überflutung des Deltas um 20% und den Schaden an der Reisernte um 40-85 Mio. USD. Technische Hochwasserschutzmaßnahmen können diesen Anstieg des Risikos nicht verhindern, da der Schutz des gesamten Deltas allein durch harte Hochwasserschutzbauten technisch und wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Daher sind Maßnahmen zur Schadensminderung und zur Anpassung an das veränderte Risiko dringend erforderlich. Als erster und wichtiger Schritt wird hier eine bessere Kontrolle und Reduzierung der Grundwasserentnahme im Delta dringend empfohlen, um die Landabsenkung und dadurch die tidenbedingten Überflutungen sowie die Salzwasserintrusion zu verringern. Der Klimawandel und die daraus resultierenden Veränderungen im Hochwasserregime des Mekong verursachen eine weitere, aber geringere Erhöhung des Hochwasserrisikos. Die geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet könnten die Zunahme der Hochwassergefahr und der landwirtschaftlichen Verluste aufgrund des Klimawandels in extremen Hochwasserjahren zumindest theoretisch abmildern. Der Nutzen von Dämmen zur Minderung des Hochwasserrisikos ist jedoch ungewiss, da die Realisierung der geplanten Dämme sehr umstritten und damit unsicher ist. Weiterhin spielt das Management der Staudämme eine wichtige Rolle für die Hochwasserregulierung. Da die Dämme in erste Linie zur Stromerzeugung gebaut werden, ist der Hochwasserschutz der unterliegenden Anrainerstaaten eher von untergeordneter Bedeutung. Für Vietnam bedeutet das, dass eine ordnungsgemäße Instandhaltung von Deichen und Hochwasserschutzbauten eine hohe Priorität haben sollte, um Abhängigkeiten von den Nachbarstaaten zu vermeiden. Weiterhin ist die Entwicklung von „weichen“ Hochwasserschutzmaßnahmen und -plänen dringend notwendig, da ein alleiniger Schutz durch technische Maßnahmen unmöglich ist. Aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse wird daher empfohlen, die Hochdeichkompartimente für das Notfall-Hochwassermanagement bei Extremereignissen zu nutzen. Zu diesem Zweck ist eine verlässliche Hochwasservorhersage unerlässlich, und der Aktionsplan sollte in offiziellen Dokumenten und Gesetzen festgehalten werden, um die Verbindlichkeit und konsequente Umsetzung sicherzustellen.

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: Forming as a result of the collision between the Adriatic and European plates, the Alpine orogen exhibits significant lithospheric heterogeneity due to the long history of interplay between these plates, other continental and oceanic blocks in the region, and inherited features from preceeding orogenies. This implies that the thermal and rheological configuration of the lithosphere also varies significantly throughout the region. Lithology and temperature/pressure conditions exert a first order control on rock strength, principally via thermally activated creep deformation and on the distribution at depth of the brittle-ductile transition zone, which can be regarded as the lower bound to the seismogenic zone. Therefore, they influence the spatial distribution of seismicity within a lithospheric plate. In light of this, accurately constrained geophysical models of the heterogeneous Alpine lithospheric configuration, are crucial in describing regional deformation patterns. However, despite the amount of research focussing on the area, different hypotheses still exist regarding the present-day lithospheric state and how it might relate to the present-day seismicity distribution. This dissertaion seeks to constrain the Alpine lithospheric configuration through a fully 3D integrated modelling workflow, that utilises multiple geophysical techniques and integrates from all available data sources. The aim is therefore to shed light on how lithospheric heterogeneity may play a role in influencing the heterogeneous patterns of seismicity distribution observed within the region. This was accomplished through the generation of: (i) 3D seismically constrained, structural and density models of the lithosphere, that were adjusted to match the observed gravity field; (ii) 3D models of the lithospheric steady state thermal field, that were adjusted to match observed wellbore temperatures; and (iii) 3D rheological models of long term lithospheric strength, with the results of each step used as input for the following steps. Results indicate that the highest strength within the crust (~ 1 GPa) and upper mantle (〉 2 GPa), are shown to occur at temperatures characteristic for specific phase transitions (more felsic crust: 200 – 400 °C; more mafic crust and upper lithospheric mantle: ~600 °C) with almost all seismicity occurring in these regions. However, inherited lithospheric heterogeneity was found to significantly influence this, with seismicity in the thinner and more mafic Adriatic crust (~22.5 km, 2800 kg m−3, 1.30E-06 W m-3) occuring to higher temperatures (~600 °C) than in the thicker and more felsic European crust (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Correlation between seismicity in the orogen forelands and lithospheric strength, also show different trends, reflecting their different tectonic settings. As such, events in the plate boundary setting of the southern foreland correlate with the integrated lithospheric strength, occurring mainly in the weaker lithosphere surrounding the strong Adriatic indenter. Events in the intraplate setting of the northern foreland, instead correlate with crustal strength, mainly occurring in the weaker and warmer crust beneath the Upper Rhine Graben. Therefore, not only do the findings presented in this work represent a state of the art understanding of the lithospheric configuration beneath the Alps and their forelands, but also a significant improvement on the features known to significantly influence the occurrence of seismicity within the region. This highlights the importance of considering lithospheric state in regards to explaining observed patterns of deformation.

Description: Als Resultat der Kollision zwischen der Adriatischen und Europäischen Platte ist das Alpenorogen durch eine ausgeprägte Heterogenität der Lithosphäreneigenschaften gekennzeichnet, die auf die Geschichte der beiden Platten, ihre Interaktion, Wechselwirkungen mit anderen kontinentalen und ozeanischen Blöcken der Region und strukturell vererbte Merkmale aus früheren Orogenesen zurückzuführen sind. Entsprechend ist zu erwarten, dass die thermische und rheologische Konfiguration der Lithosphäre ebenfalls grundlegend innerhalb der Region variiert. Lithologie und Temperatur-/Druckbedingungen steuern maßgeblich die Festigkeit der Lithosphäre indem thermisch aktiviertes Kriechen die Tiefenlage der spröd-duktilen Übergangszone – die sogenannte brittle-ductile transition (BDT) bestimmt. Diese Tiefenlage kann als untere Grenze der seismogenen Zone betrachtet werden kann, weshalb sie die räumliche Verteilung der Seismizität in der Lithosphärenplatte entscheidend beeinflusst. Trotz der langjährigen und umfangreichen Forschung zur Dynamik und Struktur der Alpen gibt es immer noch verschiedene Hypothesen zum heutigen physikalischen Zustand des Systems und dazu, wie dieser mit der Verteilung und dem Auftreten von Seismizität zusammenhängt. Diese Dissertation hat das Ziel, die Lithosphärenkonfiguration der Alpen zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen der Verteilung lithosphärischer Eigenschaften und Deformation, insbesondere der Verteilung der Seismizität abzuleiten. Dies wird durch einen integrierten Modellierungsansatz erreicht, mit dem verfügbare geophysikalische Beobachtungen in 3D Modellen zusammengeführt werden, die die heterogene lithosphärische Konfiguration abbilden. Dazu wird (1) ein mit geologischen, seismischen und gravimetrischen Daten konsistentes 3D-Dichtemodell erzeugt und genutzt, um Lithologien abzuleiten, (2) deren Konsequenzen für das dreidimensionale stationäre thermische Feld zu berechnen und, basierend darauf, schließlich (3) die räumliche Variation der Lithosphärenrheologie zu bestimmen. Diese räumliche Variation der rheologischen Eigenschaften wurde schließlich in Beziehung zur Verteilung der auftretenden Seismizität gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die größte Festigkeit innerhalb der Kruste (~1 GPa) und im oberen Mantel (〉 2 GPa) oberhalb der Bereiche auftritt, wo Temperaturbedingte Phasenübergänge zu erwarten sind. Für die felsische Kruste umfasst dies den Temperaturbereich bis etwa 400° C, für die mafische Kruste und den lithospärischen Mantel bis etwa 600°, wobei Seismizität jeweils oberhalb dieser Temperaturen auftritt. Zusätzlich wurden Hinweise gefunden, dass diese Festigkeitsverteilung auf vererbte Lithosphäreneigenschaften zurückzuführen ist: so tritt seismische Aktivität in der dünneren und mafischen Adria Kruste (~22,5 km, 2.800 kg m-3, 1.30E -06 W m-3) bei höheren Temperatur (~600° C) auf als in der dickeren und eher felsischen europäischen Kruste (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Die Beziehung zwischen seismischer Aktivität und Lithosphärenfestigkeit im Bereich der Vorländer zeigt ebenfalls unterschiedliche Trends, die verschiedenene tektonische Randbedingungen wiederspiegeln. Während im Plattenrandsetting des südlichen Vorlands Seismizität in der rheologisch weicheren Lithosphäre in der Umrandung des adriatischen Indentors auftritt, korreliert die auftretende Seismizität im Intraplattensetting des nördlichen Vorlands räumlich mit wärmeren und rheologisch schwächeren Domänen im Bereich des Oberrheingrabens. Somit liefern die Ergebnisse in dieser Arbeit nicht nur ein verbessertes Verständnis der Lithosphärenkonfiguration der Alpen und ihrer Vorländer , sondern auch einen bedeutenden Fortschritt dazu, welche Faktoren Seismizität innerhalb der Region beeinflussen können. Sie zeigen, dass es wichtig ist, die Lithosphärenkonfiguration zu kennen und sie zur auftretenden Deformation in Beziehung zu setzen.

Description: Centroid moment tensor inversion can provide insight into ongoing tectonic processes and active faults. In the Alpine mountains (central Europe), challenges result from low signal-to-noise ratios of earthquakes with small to moderate magnitudes and complex wave propagation effects through the heterogeneous crustal structure of the mountain belt. In this thesis, I make use of the temporary installation of the dense AlpArray seismic network (AASN) to establish a work flow to study seismic source processes and enhance the knowledge of the Alpine seismicity. The cumulative thesis comprises four publications on the topics of large seismic networks, seismic source processes in the Alps, their link to tectonics and stress field, and the inclusion of small magnitude earthquakes into studies of active faults. Dealing with hundreds of stations of the dense AASN requires the automated assessment of data and metadata quality. I developed the open source toolbox AutoStatsQ to perform an automated data quality control. Its first application to the AlpArray seismic network has revealed significant errors of amplitude gains and sensor orientations. A second application of the orientation test to the Turkish KOERI network, based on Rayleigh wave polarization, further illustrated the potential in comparison to a P wave polarization method. Taking advantage of the gain and orientation results of the AASN, I tested different inversion settings and input data types to approach the specific challenges of centroid moment tensor (CMT) inversions in the Alps. A comparative study was carried out to define the best fitting procedures. The application to 4 years of seismicity in the Alps (2016-2019) substantially enhanced the amount of moment tensor solutions in the region. We provide a list of moment tensors solutions down to magnitude Mw 3.1. Spatial patterns of typical focal mechanisms were analyzed in the seismotectonic context, by comparing them to long-term seismicity, historical earthquakes and observations of strain rates. Additionally, we use our MT solutions to investigate stress regimes and orientations along the Alpine chain. Finally, I addressed the challenge of including smaller magnitude events into the study of active faults and source processes. The open-source toolbox Clusty was developed for the clustering of earthquakes based on waveforms recorded across a network of seismic stations. The similarity of waveforms reflects both, the location and the similarity of source mechanisms. Therefore the clustering bears the opportunity to identify earthquakes of similar faulting styles, even when centroid moment tensor inversion is not possible due to low signal-to-noise ratios of surface waves or oversimplified velocity models. The toolbox is described through an application to the Zakynthos 2018 aftershock sequence and I subsequently discuss its potential application to weak earthquakes (Mw〈3.1) in the Alps.

Description: Die Erforschung der Bruchmechanismen von Erdbeben in den Alpen bietet Einblicke in aktuelle tektonische Prozesse. Typischerweise niedrige bis mittlere Erdbebenmagnituden und die heterogene Krustenstruktur des alpinischen Gebirges erschweren die zu dieser Erforschung durchgeführten Momententensorinversionen. In dieser Dissertation stelle ich einen Arbeitsablauf vor, mit dem ich die Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 studiert habe. Datengrundlage bildet dabei das temporäre AlpArray Netzwerk (AASN - AlpArray seismic network). Die kumulative Dissertation besteht aus vier Publikationen, die sich einerseits mit den Möglichkeiten und Herausforderungen von großen seismischen Netzwerken und andererseits mit der Erforschung der Bruchprozesse beschäftigen. Dabei wird sowohl auf die Verbindung von den Herdmechanismen und anderen Informationen wie Seismizität, Tektonik und Spannungsfeld eingegangen, als auch untersucht, wie kleinere Erdbeben unser Wissen erweitern können. Die Nutzung der großen Anzahl von Sensoren des AASN erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Wellenformdaten und Stations-Metadaten. Um diese aufwändige Aufgabe weitmöglichst zu automatisieren, habe ich die open source toolbox AutoStatsQ entwickelt. Die Verwendung von AutoStatsQ zur Überprüfung des AASN zeigte mehrere signifikante Fehler in den Wellenform-Amplituden und in den Orientierungen der Horizontalkomponenten der Sensoren. Bei einer zweiten Anwendung des Orientierungstests von AutoStatsQ auf das türkische KOERI Netzwerk zeigten sich ebenfalls zahlreiche fehlerhaft orientierte Sensoren. Ein Vergleich mit einer zweiten Methode, basierend auf P-Wellen anstatt von Rayleigh-Wellen, zeigt weitestgehend übereinstimmende Ergebnisse. Basierend auf der Datenqualitätsstudie des AASN werden in der dritten Publikation systematisch verschiedene Einstellungen (z.B. Frequenzbänder, Datentypen, Azimuthale Abdeckung) für Momententensorinversionen getestet und vergleichen. Anschließend wurden Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 mit Magnituden ab Mw 3.1 analysiert. Zur Interpretation der Ergebnisse im seismotektonischen Zusammenhang werden zusätzlich ältere Momententensorlösungen, Seismizitätskataloge ab 1970, historische Erdbeben und Deformation basierend auf Satellitendaten betrachtet. Aufgrund des Signal-Rausch-Verhältnisses von Oberflächenwellen müssten im Falle von Erdbeben mit kleineren Magnituden (Mw〈3.1) höherfrequentere Raumwellen genutzt werden. Je höher der Frequenzbereich, desto größer sind die Einflüsse von Heterogenitäten entlang der Laufwege, sodass einfache 1-D Geschwindigkeitsmodelle nicht ausreichen. Um trotzdem kleinere Erdbeben in die Studien von aktiven Störungen einzubeziehen, haben wir die open-source toolbox Clusty entwickelt. Diese nutzt die Ähnlichkeit von Wellenformen in einem seismischen Netzwerk, um Erdbeben zu gruppieren. Die Ähnlichkeit von Wellenformen zweier Erdbeben über ein Netzwerk resultiert dabei sowohl aus der Ähnlichkeit der Herdmechanismen als auch aus der Lokation der Beben. Der Ketten-ähnliche clustering Ansatz ermöglicht es dabei, graduelle Wellenform-Unterschiede aufgrund von Lokationsänderungen entlang einer Störungszone zu berücksichtigen. Das clustering bietet folglich die Möglichkeit, Beben mit ähnlichen Herdmechanismen zu identifizieren und somit Störungszonen nachzuzeichnen. Die toolbox wird in der vierten Publikation anhand einer Anwendung auf die Nachbebensequenz des Zakynthos Bebens von 2018 beschrieben. Anschließend daran diskutiere ich, wie eine Anwendung auf die Alpen unsere Studien der Bruchprozesse und aktiven Störungen erweitern kann.

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: One third of the world's population lives in areas where earthquakes causing at least slight damage are frequently expected. Thus, the development and testing of global seismicity models is essential to improving seismic hazard estimates and earthquake-preparedness protocols for effective disaster-risk mitigation. Currently, the availability and quality of geodetic data along plate-boundary regions provides the opportunity to construct global models of plate motion and strain rate, which can be translated into global maps of forecasted seismicity. Moreover, the broad coverage of existing earthquake catalogs facilitates in present-day the calibration and testing of global seismicity models. As a result, modern global seismicity models can integrate two independent factors necessary for physics-based, long-term earthquake forecasting, namely interseismic crustal strain accumulation and sudden lithospheric stress release. In this dissertation, I present the construction of and testing results for two global ensemble seismicity models, aimed at providing mean rates of shallow (0-70 km) earthquake activity for seismic hazard assessment. These models depend on the Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2), a stationary seismicity approach for subduction zones, based on the conservation of moment principle and the use of regional "geodesy-to-seismicity" parameters, such as corner magnitudes, seismogenic thicknesses and subduction dip angles. Specifically, this interface-earthquake model combines geodetic strain rates with instrumentally-recorded seismicity to compute long-term rates of seismic and geodetic moment. Based on this, I derive analytical solutions for seismic coupling and earthquake activity, which provide this earthquake model with the initial abilities to properly forecast interface seismicity. Then, I integrate SMERF2 interface-seismicity estimates with earthquake computations in non-subduction zones provided by the Seismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Map seismicity approach to construct the global Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM). Thus, TEAM is designed to reduce number, and potentially spatial, earthquake inconsistencies of its predecessor tectonic earthquake model during the 2015-2017 period. Also, I combine this new geodetic-based earthquake approach with a global smoothed-seismicity model to create the World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood scores (WHEEL) model. This updated hybrid model serves as an alternative earthquake-rate approach to the Global Earthquake Activity Rate model for forecasting long-term rates of shallow seismicity everywhere on Earth. Global seismicity models provide scientific hypotheses about when and where earthquakes may occur, and how big they might be. Nonetheless, the veracity of these hypotheses can only be either confirmed or rejected after prospective forecast evaluation. Therefore, I finally test the consistency and relative performance of these global seismicity models with independent observations recorded during the 2014-2019 pseudo-prospective evaluation period. As a result, hybrid earthquake models based on both geodesy and seismicity are the most informative seismicity models during the testing time frame, as they obtain higher information scores than their constituent model components. These results support the combination of interseismic strain measurements with earthquake-catalog data for improved seismicity modeling. However, further prospective evaluations are required to more accurately describe the capacities of these global ensemble seismicity models to forecast longer-term earthquake activity.

Description: Ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in Gebieten, in denen häufig Erdbeben mit zumindest geringen Schäden zu erwarten sind. Daher ist die Entwicklung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle für verbesserte Schätzungen der Erdbebengefährdung und Planungen zur Vorbereitung auf Erdbeben für eine wirksame Minderung des Katastrophenrisikos von entscheidender Bedeutung. Derzeit bietet die Verfügbarkeit und Qualität geodätischer Daten entlang der Plattengrenzregionen die Gelegenheit, um globale Modelle der Plattenbewegung und der Dehnungsrate zu erstellen, die in globale Karten der prognostizierten Seismizität übersetzt werden können. Darüber hinaus erleichtert die breite Abdeckung bestehender Erdbebenkataloge in der heutigen Zeit die Kalibrierung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle. Infolgedessen können moderne globale Seismizitätsmodelle zwei unabhängige Faktoren integrieren, die für eine physikbasierte Langzeit-Erdbebenvorhersage erforderlich sind, die Ansammlung interseismischer Krustenverformungen und die plötzliche Freisetzung von lithosphärischem Stress. In dieser Dissertation stelle ich die Konstruktion und die Testergebnisse für zwei globale Ensemble-Seismizitätsmodelle vor, die darauf abzielen, mittlere Raten der Flachbebenaktivität (0-70 km) für die Bewertung der Erdbebengefährdung bereitzustellen. Diese Modelle hängen von dem Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2) ab, einem stationären Seismizitätsmodell für Subduktionszonen, das auf dem Prinzip der Erhaltung des Moments und der Verwendung regionaler "Geodäsie-zu-SeismizitätParameter wie Corner Magnitudes, seismogene Dicken und Subduktionsneigungswinkel basiert. Insbesondere kombiniert dieses Erdbebenmodell geodätische Dehnungsraten mit instrumentell aufgezeichneter Seismizität, um Langzeitraten sowohl des seismischen als auch des geodätischen Moments zu berechnen. Auf dieser Grundlage leite ich analytische Lösungen für die seismische Kopplung und Erdbebenaktivität ab, um mit diesem Erdbebenmodell, die Subduktionseismizität richtig vorherzusagen. Dann integriere ich SMERF2-Schätzungen an Subduktionsrändern mit Erdbebenberechnungen in Nicht-Subduktionszonen, die von dem Modell ßeismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Mapßur Erstellung des globalen Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM) bereitgestellt werden. Daher ist TEAM darauf ausgelegt, die Anzahl und möglicherweise räumliche Vohersageinkonsistenzen seines tektonischen Erdbebenvorgängermodells im Zeitraum 2015-2017 zu reduzieren. Außerdem kombiniere ich dieses neue geodätische Erdbebenmodell mit einem globalen, geglätteten Seismizitätsmodell, um das World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood Scores (WHEEL)-Modell zu erstellen. Dieses aktualisierte Hybridmodell dient als alternativer Ansatz zum Global Earthquake Activity Rate (GEAR1)-Modell zur Vorhersage langfristiger Raten flacher Seismizität überall auf der Erde. Globale Seismizitätsmodelle liefern wissenschaftliche Hypothesen darüber, wann und wo Erdbeben auftreten können und wie groß sie sein können. Die Richtigkeit dieser Hypothesen kann jedoch erst nach prospektiven Tests bestätigt oder abgelehnt werden. Daher teste ich abschließend die Konsistenz und relative Leistung dieser globalen Seismizitätsmodellen gegen unabhängige Beobachtungen, die während des pseudo-prospektiven Evaluierungszeitraums 2014-2019 aufgezeichnet wurden. Hybride Erdbebenmodelle, die sowohl auf Geodäsie als auch auf Seismizität basieren, sind die informativsten Seismizitätsmodelle während des Testzeitraums, da beide höhere Informationswerte als ihre konstituierenden Modellkomponenten erhalten. Diese Ergebnisse unterstützen die Kombination von interseismischen Dehnungsmessungen mit Erdbebenkatalogdaten für eine verbesserte Seismizitätsmodellierung. Es sind jedoch weitere prospektive Tests erforderlich, um die Kapazitäten dieser globalen Ensemble-Seismizitätsmodelle zur Vorhersage längerfristiger Erdbebenaktivitäten genauer zu bewerten.

Description: Stratospheric variability is one of the main potential sources for sub-seasonal to seasonal predictability in mid-latitudes in winter. Stratospheric pathways play an important role for long-range teleconnections between tropical phenomena, such as the quasi-biennial oscillation (QBO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the mid-latitudes on the one hand, and linkages between Arctic climate change and the mid-latitudes on the other hand. In order to move forward in the field of extratropical seasonal predictions, it is essential that an atmospheric model is able to realistically simulate the stratospheric circulation and variability. The numerical weather prediction (NWP) configuration of the ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model ICON is currently being used by the German Meteorological Service for the regular weather forecast, and is intended to produce seasonal predictions in future. This thesis represents the first extensive evaluation of Northern Hemisphere stratospheric winter circulation in ICON-NWP by analysing a large set of seasonal ensemble experiments. An ICON control climatology simulated with a default setup is able to reproduce the basic behaviour of the stratospheric polar vortex. However, stratospheric westerlies are significantly too weak and major stratospheric warmings too frequent, especially in January. The weak stratospheric polar vortex in ICON is furthermore connected to a mean sea level pressure (MSLP) bias pattern resembling the negative phase of the Arctic Oscillation (AO). Since a good representation of the drag exerted by gravity waves is crucial for a realistic simulation of the stratosphere, three sensitivity experiments with reduced gravity wave drag are performed. Both a reduction of the non-orographic and orographic gravity wave drag respectively, lead to a strengthening of the stratospheric vortex and thus a bias reduction in winter, in particular in January. However, the effect of the non-orographic gravity wave drag on the stratosphere is stronger. A third experiment, combining a reduced orographic and non-orographic drag, exhibits the largest stratospheric bias reductions. The analysis of stratosphere-troposphere coupling based on an index of the Northern Annular Mode demonstrates that ICON realistically represents downward coupling. This coupling is intensified and more realistic in experiments with a reduced gravity wave drag, in particular with reduced non-orographic drag. Tropospheric circulation is also affected by the reduced gravity wave drag, especially in January, when the strongly improved stratospheric circulation reduces biases in the MSLP patterns. Moreover, a retuning of the subgrid-scale orography parameterisations leads to a significant error reduction in the MSLP in all months. In conclusion, the combination of these adjusted parameterisations is recommended as a current optimal setup for seasonal simulations with ICON. Additionally, this thesis discusses further possible influences on the stratospheric polar vortex, including the influence of tropical phenomena, such as QBO and ENSO, as well as the influence of a rapidly warming Arctic. ICON does not simulate the quasi-oscillatory behaviour of the QBO and favours weak easterlies in the tropical stratosphere. A comparison with a reanalysis composite of the easterly QBO phase reveals, that the shift towards the easterly QBO in ICON further weakens the stratospheric polar vortex. On the other hand, the stratospheric reaction to ENSO events in ICON is realistic. ICON and the reanalysis exhibit a weakened stratospheric vortex in warm ENSO years. Furthermore, in particular in winter, warm ENSO events favour the negative phase of the Arctic Oscillation, whereas cold events favour the positive phase. The ICON simulations also suggest a significant effect of ENSO on the Atlantic-European sector in late winter. To investigate the influence of Arctic climate change on mid-latitude circulation changes, two differing approaches with transient and fixed sea ice conditions are chosen. Neither ICON approach exhibits the mid-latitude tropospheric negative Arctic Oscillation circulation response to amplified Arctic warming, as it is discussed on the basis of observational evidence. Nevertheless, adding a new model to the current and active discussion on Arctic-midlatitude linkages, further contributes to the understanding of divergent conclusions between model and observational studies.

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: Lava domes are severely hazardous, mound-shaped extrusions of highly viscous lava and commonly erupt at many active stratovolcanoes around the world. Due to gradual growth and flank oversteepening, such lava domes regularly experience partial or full collapses, resulting in destructive and far-reaching pyroclastic density currents. They are also associated with cyclic explosive activity as the complex interplay of cooling, degassing, and solidification of dome lavas regularly causes gas pressurizations on the dome or the underlying volcano conduit. Lava dome extrusions can last from days to decades, further highlighting the need for accurate and reliable monitoring data. This thesis aims to improve our understanding of lava dome processes and to contribute to the monitoring and prediction of hazards posed by these domes. The recent rise and sophistication of photogrammetric techniques allows for the extraction of observational data in unprecedented detail and creates ideal tools for accomplishing this purpose. Here, I study natural lava dome extrusions as well as laboratory-based analogue models of lava dome extrusions and employ photogrammetric monitoring by Structure-from-Motion (SfM) and Particle-Image-Velocimetry (PIV) techniques. I primarily use aerial photography data obtained by helicopter, airplanes, Unoccupied Aircraft Systems (UAS) or ground-based timelapse cameras. Firstly, by combining a long time-series of overflight data at Volcán de Colima, México, with seismic and satellite radar data, I construct a detailed timeline of lava dome and crater evolution. Using numerical model, the impact of the extrusion on dome morphology and loading stress is further evaluated and an impact on the growth direction is identified, bearing important implications for the location of collapse hazards. Secondly, sequential overflight surveys at the Santiaguito lava dome, Guatemala, reveal surface motion data in high detail. I quantify the growth of the lava dome and the movement of a lava flow, showing complex motions that occur on different timescales and I provide insight into rock properties relevant for hazard assessment inferred purely by photogrammetric processing of remote sensing data. Lastly, I recreate artificial lava dome and spine growth using analogue modelling under controlled conditions, providing new insights into lava extrusion processes and structures as well as the conditions in which they form. These findings demonstrate the capabilities of photogrammetric data analyses to successfully monitor lava dome growth and evolution while highlighting the advantages of complementary modelling methods to explain the observed phenomena. The results presented herein further bear important new insights and implications for the hazards posed by lava domes.

Description: Lavadome sind kuppelförmige Aufstauungen aus zähflüssiger Lava und bilden sich häufig bei Eruptionen an aktiven Stratovulkanen. Sie stellen dabei oft eine erhebliche Gefahr für Menschen und Infrastruktur dar, weil Lavadome instabil werden können und bei einem Kollaps pyroklastische Ströme (auch Glutlawinen) erzeugen können. Diese können innerhalb von Minuten weite Flächen verwüsten, daher ist die Überwachung von Lavadomen und deren Wachstum mit genauen und zuverlässigen Daten von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Bewegungen von Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden (Vermessungen anhand von Fotos) und mit Modellierungen in drei Teilstudien getestet und untersucht. Dazu wurden Daten sowohl an Lavadomen von Vulkanen in Mexiko und Guatemala als auch mittels künstlich erzeugter Dome im Labor erhoben. Hierbei wurden insbesondere das Structure-from-Motion-Verfahren, bei dem mithilfe einer Serie von Luftaufnahmen ein hochauflösendes 3D-Modell des Lavadoms und des Vulkans erstellt wird, und das Particle-Image-Velocimetry-Verfahren, bei dem aus einer Zeitreihe von Fotos kleinste Bewegungen detailliert gemessen werden können, verwendet. In der ersten Teilstudie wird aus einer Kombination von Überflugsbildern, Radardaten eines Satelliten, und seismischen Daten eine detaillierte Zeitreihe des Lavadom-Wachstums und der Kraterentwickelung am Volcán de Colima, Méxiko, erstellt. Anschließend werden die dabei erfassten Richtungen des Domwachstums mit numerischen Modellen auf Basis der fotogrammetrischen 3D-Modelle simuliert, welche zeigen, dass sich lokale Änderungen der Topografie auf die Wachstumsrichtung auswirken können. In der zweiten Teilstudie werden Drohnen in verschiedenen Zeitintervallen über einen Lavadom am Santa Maria Vulkan, Guatemala, geflogen. Die Überflugsdaten zeigen dabei Bewegungen sowohl an einem Lavastrom als auch ein Anschwellen des Doms mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ferner können die Daten genutzt werden um Oberflächentemperatur und die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Lava zu vermessen, welche für die Gefahrenanalyse eine wichtige Rolle spielen. In der dritten Teilstudie werden künstliche Dom-Modelle mithilfe von Sand-Gips-Gemischen erzeugt. Diese können sowohl den Aufbau und Morphologie als auch die internen Strukturen von Lavadomen simulieren und anhand von Zeitraffer-Aufnahmen im Detail nachstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Fotogrammetrie und Modellierungen geeignete Mittel sind um Lavadome sowie deren Entstehungsprozesse und Gefahren zu verfolgen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.

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: The significant environmental and socioeconomic consequences of hydrometeorological extreme events, such as extreme rainfall, are constituted as a most important motivation for analyzing these events in the south-central Andes of NW Argentina. The steep topographic and climatic gradients and their interactions frequently lead to the formation of deep convective storms and consequently trigger extreme rainfall generation. In this dissertation, I focus on identifying the dominant climatic variables and atmospheric conditions and their spatiotemporal variability leading to deep convection and extreme rainfall in the south-central Andes. This dissertation first examines the significant contribution of temperature on atmospheric humidity (dew-point temperature, Td) and on convection (convective available potential energy, CAPE) for deep convective storms and hence, extreme rainfall along the topographic and climatic gradients. It was found that both climatic variables play an important role in extreme rainfall generation. However, their contributions differ depending on topographic and climatic sub-regions, as well as rainfall percentiles. Second, this dissertation explores if (near real-time) the measurements conducted by the Global Navigation Satellite System (GNSS) on integrated water vapor (IWV) provide reliable data for explaining atmospheric humidity. I argue that GNSS-IWV, in conjunction with other atmospheric stability parameters such as CAPE, is able to decipher the extreme rainfall in the eastern central Andes. In my work, I rely on a multivariable regression analysis described by a theoretical relationship and fitting function analysis. Third, this dissertation identifies the local impact of convection on extreme rainfall in the eastern Andes. Relying on a Principal Component Analysis (PCA) it was found that during the existence of moist and warm air, extreme rainfall is observed more often during local night hours. The analysis includes the mechanisms for this observation. Exploring the atmospheric conditions and climatic variables leading to extreme rainfall is one of the main findings of this dissertation. The conditions and variables are a prerequisite for understanding the dynamics of extreme rainfall and predicting these events in the eastern Andes.

Description: Die entscheidenden ökologischen und sozioökonomischen Folgen hydrometeorologischer Extremereignisse, wie z.B. extremer Niederschläge, stellen eine wichtige Motivation für die Analyse dieser Ereignisse in den südlich-zentralen Anden von NW Argentinien dar. Die steilen topographischen und klimatischen Gradienten und deren Wechselwirkungen führen häufig zu einer starken konvektiven Regenfallbildung und sind häufig auch die Auslöser von Starkniederschlägen. In dieser Dissertation konzentriere ich mich auf die Identifizierung der dominanten klimatischen Variablen und atmosphärischen Rahmenbedingungen und ihrer räumlich-zeitliche Variabilität, die zu starker Konvektion und extremen Niederschlägen in den südlich-zentralen Anden führt. Diese Dissertation untersucht zunächst den wichtigen Beitrag der Temperatur zur Luftfeuchtigkeit(Taupunkttemperatur, Td) und zur Konvektion (konvektive verfügbare potenzielle Energie, CAPE) für starke, konvektive Stürme und damit extreme Niederschläge entlang der topographischen und klimatischen Gradienten. Es wurde festgestellt, dass beide klimatischen Variablen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung extremer Niederschläge spielen. Ihr Beitrag hängt jedoch von den topographischen und klimatischen Teilregionen sowie den Niederschlagsperzentilen ab. Zweitens, auf der Grundlage einer multivariablen Regressionsanalyse, die durch eine theoretische Beziehungs- und Anpassungsfunktionsanalyse beschrieben wird, untersucht diese Arbeit, ob integrierter Wasserdampf (IWV) auf der Grundlage von GNSS (Global Navigation Satellite System) Messungen zuverlässige Daten sind, um die Luftfeuchtigkeit zu erklären. Das GNSS-IWV in Verbindung mit anderen atmosphärischen Stabilitätsparametern wie z.B. CAPE ist in der Lage, die extremen Niederschläge in den östlichen zentralen Anden zu entschlüsseln. Drittens, diese Dissertation identifiziert die lokalen Auswirkungen der Konvektion auf extreme Niederschläge in den östlichen Anden. Auf der Grundlage einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde festgestellt, dass die extremen Niederschläge häufiger während der lokalen Nachtstunden beobachtet werden, wenn feuchte und warme Luft vorhanden ist. Die Erforschung der atmosphärischen Rahmenbedingungen und klimatischen Variablen, die zu extremen Niederschlägen führen, ist eines der wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit. Sie ist Voraussetzung für das Verständnis der Dynamik von extremen Niederschlägen und wichtig für die Vorhersage dieser Ereignisse in den östlichen Anden.

Description: Seismic receiver arrays have variety of applications in seismology, particularly when the signal enhancement is a prerequisite to detect seismic events, and in situations where installing and maintaining sparse networks are impractical. This thesis has mainly focused on the development of a new approach for seismological source and receiver array design.The proposed approach deals with the array design task as an optimization problem. The criteria and prerequisite constraints in array design task are integrated in objective function definition and evaluation of a optimization process. Three cases are covered in this thesis: (1) a 2-D receiver array geometry optimization, (2) a 3-D source array optimization, and (3) an array application to monitor microseismic data, where the effect of different types of noise are evaluated. A flexible receiver array design framework implements a customizable scenario modelling and optimization scheme by making use of synthetic seismograms. Using synthetic seismograms to evaluate array performance makes it possible to consider additional constraints, e.g. land ownership, site-specific noise levels or characteristics of the seismic sources under investigation. The use of synthetic array beamforming as an array design criteria is suggested. The framework is customized by designing a 2-D small scale receiver array to monitor earthquake swarm activity in northwest Bohemia/ Vogtland in central Europe. Two sub-functions are defined to verify the accuracy of horizontal slowness estimation; one to suppress aliasing effects due to possible secondary lobes of synthetic array beamforming calculated in horizontal slowness space, and the other to reduce the event's mislocation caused by miscalculation of the horizontal slowness vector. Subsequently, a weighting technique is applied to combine the sub-functions into one single scalar objective function to use in the optimization process. The idea of optimal array is employed to design a 3-D source array, given a well-located catalog of events. The conditions to make source arrays are formulated in four objective functions and a weighted sum technique is used to combine them in one single scalar function. The criteria are: (1) accurate slowness vector estimation, (2) high waveform coherency, (3) low location error and (4) high energy of coda phases. The method is evaluated by two experiments, (1) a synthetic test using realistic synthetic seismograms, (2) using real seismograms, and for each case optimized SA elements are configured using the data from the Vogtland area. The location of a possible scatterer in the velocity model, that makes the converted/reflected phases, e.g. sp-phases, is retrieved by a grid search method using the optimized SA. The accuracy of the approach and the obtained results demonstrated that the method is applicable to study the crustal structure and the location of crustal scatterers when the strong converted phases are observed in the data and a well-located catalog is available. Small aperture arrays are employed in seismology for a variety of applications, ranging from pure event detection to monitor and study of microcosmic activities. The monitoring of microseismicity during temporary human activities is often difficult, as the signal-to-noise ratio is very low and noise is strongly increased during the operation. The combination of small aperture seismic arrays with shallow borehole sensors offers a solution. We tested this monitoring approach at two different sites, (1) accompanying a fracking experiment in sedimentary shale at 4~km depth, and (2) above a gas field under depletion. Arrays recordings are compared with recordings available from shallow borehole sensors and examples of detection and location performance of the array are given. The effect of different types of noise at array and borehole stations are compared and discussed.

Description: Seismische Arrays haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Seismologie, insbesondere wenn die Signalverbesserung eine Voraussetzung ist für die seismische Ereignisse erkennen, und in Situationen, in denen die Installation und Wartung spärlicher Netzwerke ist unpraktisch. Diese Arbeit hat sich vor allem auf die Entwicklung eines neuen Ansatzes für seismologische Quellen und Empfänger-Array-Design konzentriert. Der vorgeschlagene Ansatz beschäftigt sich mit der Array-Design-Aufgabe als Optimierungsproblem. Die notwendigen Kriterien und Randbedingungen, die für die seismologische Array-Design-Aufgabe wichtig sind, werden in die objektive Funktionsdefinition und Bewertung eines Optimierungsprozesses integriert. In dieser Arbeit werden drei Fälle behandelt. (1) eine 2-D-Empfänger-Array-Geometrieoptimierung, (2) eine 3D-Quellfeldoptimierung, und (3) eine Array-Anwendung zum Überwachen mikroseismischer Daten, wobei die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm werden bewertet. Ein flexibles Empfänger-Array-Design-Framework wird eingeführt, das ein anpassbares Szenario-Modellierungs- und Optimierungsschema unter Verwendung synthetischer Seismogramme implementiert. Die Verwendung synthetischer Seismogramme zur Bewertung der Array-Leistung ermöglicht es, zusätzliche Einschränkungen, wie z.B. Landbesitz, zu berücksichtigen, standortspezifische Lärmpegel oder Eigenschaften der seismischen Quellen unter Berücksichtigung von Untersuchung. Die Verwendung von synthetischem Array-Strahlformung als Array-Design-Kriterium wird vorgeschlagen. Das Array-Design-Framework wird durch die Entwicklung eines 2-D-Kleinempfänger-Arrays zur Überwachung der Erdbebenschwarmaktivität im Vogtland in Mitteleuropa angepasst. Es werden zwei Teilfunktionen definiert, um die Genauigkeit der horizontalen Langsamkeitsschätzung zu überprüfen. Eine zur Unterdrückung von Aliasing-Effekten aufgrund möglicher Nebenkeulen der synthetischen Strahlformung, berechnet im horizontalen Langsamkeitsraum, und zum anderen, um die Fehlstellung des Ereignisses durch eine Fehlberechnung des horizontalen Langsamkeitsvektors zu reduzieren. Anschliessend wird eine Gewichtungstechnik angewendet, um die Kombination von die Unterfunktionen zu einer einzigen skalaren Zielfunktion zusammenfassen, die in der Optimierungsprozess verwendet werden kann. Die Idee des Array Optimal Design wird verwendet, um ein 3-D Source Array zu entwerfen, das einen gut lokalisierten Katalog von Erdbebenereignissen enthält. Die Bedingungen für die Herstellung von Quellarrays werden in vier Zielfunktionen formuliert, und eine gewichtete Summentechnik wird verwendet, um sie in einer einzigen skalaren Funktion zu kombinieren. Die Kriterien sind: (1) genaue Langsamkeitsvektorschätzung, (2) hohe Wellenform-Kohärenz, (3) niedriger Ortsfehler und (4) bis hohe Energie der Coda-Phasen. Die Methode wird durch zwei Experimente bewertet, (1) ein synthetischer Test mit realistischen synthetischen Seismogrammen, (2) mit realen Seismogrammen und optimierte SA-Elemente werden für jeden Fall unter Verwendung der Daten aus dem Vogtland gefunden. Die Position eines möglichen Streuers im Geschwindigkeitsmodell, der die konvertierten/reflektierten Phasen, z.B. sp-Phasen, erzeugt, wird durch ein Rastersuchverfahren mit dem optimierten SA ermittelt. Die Genauigkeit des Ansatzes und die erhaltenen Ergebnisse sind überzeugend, dass die Methode anwendbar ist, um die Krustenstruktur und die Position von Krustalstreuern zu untersuchen, wenn die stark konvertierten Phasen in den Daten beobachtet werden und ein gut lokalisierter Katalog verfügbar ist. Die Überwachung der Mikroseismizität bei solchen temporären menschlichen Aktivitäten ist oft schwierig, da der Signal-Rausch-Verhältnis sehr niedrig ist und das Rauschen während des Betriebs stark erhöht wird. Die Kombination von seismischen Arrays mit kleiner Apertur und flachen Bohrlochsensoren bietet eine Lösung. Wir haben diesen Überwachungsansatz an zwei verschiedenen Standorten getestet. (1) Begleiten eines Fracking-Experiments in sedimentärem Schiefer in 4 km Tiefe und (2) über einem Gasfeld unter Erschöpfung. Die Aufzeichnungen von Arrays werden mit den Aufzeichnungen von flachen Bohrlochsensoren verglichen, und es werden Beispiele für die Detektions- und Standortleistung der Arrays gegeben. Die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm an Array- und Bohrlochstationen werden verglichen und diskutiert.

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: 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: 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: The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is likely the most well-known system of ocean currents on Earth, redistributing heat, nutrients and carbon over a large part of the Earth’s surface and affecting global climate as a result. Due to enhanced freshwater fluxes into the subpolar North Atlantic as a response to global warming, the AMOC is expected, and may have already started, to weaken and these changes will likely have global impacts. It is therefore of considerable relevance to improve our understanding of past and future AMOC changes. My thesis tries to answer some of the open questions in this field by giving strong evidence that the AMOC has already weakened over the last century, by narrowing future projections of this slowdown and by studying the impacts on global surface warming.

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: The advances in modern geodetic techniques such as the global navigation satellite system (GNSS) and synthetic aperture radar (SAR) provide surface deformation measurements with an unprecedented accuracy and temporal and spatial resolutions even at most remote volcanoes on Earth. Modelling of the high-quality geodetic data is crucial for understanding the underlying physics of volcano deformation processes. Among various approaches, mathematical models are the most effective for establishing a quantitative link between the surface displacements and the shape and strength of deformation sources. Advancing the geodetic data analyses and hence, the knowledge on the Earth’s interior processes, demands sophisticated and efficient deformation modelling approaches. Yet the majority of these models rely on simplistic assumptions for deformation source geometries and ignore complexities such as the Earth’s surface topography and interactions between multiple sources. This thesis addresses this problem in the context of analytical and numerical volcano deformation modelling. In the first part, new analytical solutions for triangular dislocations (TDs) in uniform infinite and semi-infinite elastic media have been developed. Through a comprehensive investigation, the locations and causes of artefact singularities and numerical instabilities associated with TDs have been determined and these long-standing drawbacks have been addressed thoroughly. This approach has then been extended to rectangular dislocations (RDs) with full rotational degrees of freedom. Using this solution in a configuration of three orthogonal RDs a compound dislocation model (CDM) has been developed. The CDM can represent generalized volumetric and planar deformation sources efficiently. Thus, the CDM is relevant for rapid inversions in early warning systems and can also be used for detailed deformation analyses. In order to account for complex source geometries and realistic topography in the deformation models, in this thesis the boundary element method (BEM) has been applied to the new solutions for TDs. In this scheme, complex surfaces are simulated as a continuous mesh of TDs that may possess any displacement or stress boundary conditions in the BEM calculations. In the second part of this thesis, the developed modelling techniques have been applied to five different real-world deformation scenarios. As the first and second case studies the deformation sources associated with the 2015 Calbuco eruption and 2013–2016 Copahue inflation period have been constrained by using the CDM. The highly anisotropic source geometries in these two cases highlight the importance of using generalized deformation models such as the CDM, for geodetic data inversions. The other three case studies in this thesis involve high-resolution dislocation models and BEM calculations. As the third case, the 2013 pre-explosive inflation of Volcán de Colima has been simulated by using two ellipsoidal cavities, which locate zones of pressurization in the volcano’s lava dome. The fourth case study, which serves as an example for volcanotectonics interactions, the 3-D kinematics of an active ring-fault at Tendürek volcano has been investigated through modelling displacement time series over the 2003–2010 time period. As the fifth example, the deformation sources associated with North Korea’s underground nuclear test in September 2017 have been constrained. These examples demonstrate the advancement and increasing level of complexity and the general applicability of the developed dislocation modelling techniques. This thesis establishes a unified framework for rapid and high-resolution dislocation modelling, which in addition to volcano deformations can also be applied to tectonic and humanmade deformations.

Description: Fortschritte in modernen geodätischen Techniken wie dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) und dem Synthetic Apertur Radar (SAR), liefern Messungen der Oberflächenverformung mit einer beispiellosen Genauigkeit sowie zeitlichen und räumlichen Auflösungen, selbst an abgelegensten Vulkanen. Die Modellierung von hochqualitativen geodätischen Daten ist entscheidend für das Verständnis der zugrundeliegenden Physik der Verformungsprozesse an diesen Vulkanen. Um eine quantitative Verbindung zwischen den Oberflächenverschiebungen und der Form und Stärke von Verformungsquellen herzustellen, sind mathematische Modelle am effektivsten. Die Fortschnitte in geodätischen Datenanalysen und damit das Wissen über die Prozesse im Inneren der Erde erfordern ausgefeilte und effiziente Ansätze der Verformungsmodellierung. Die meisten dieser Modelle beruhen jedoch auf vereinfachten Annahmen der Geometrien der Verformungsquellen und ignorieren Komplexitäten wie die Erdoberflächentopographie und Wechselwirkungen zwischen mehreren Quellen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit diesem Problem im Kontext der analytischen und numerischen Vulkanverformungsmodellierung. Im ersten Schritt wurden neue analytische Lösungen für dreieckige Dislokationen (triangular dislocation-TD) im gleichförmigen elastischen Voll- und Halbraum entwickelt. Durch eine umfassende Untersuchung wurden die Orte und Ursachen von TDs verbundenen Artefaktsingularitäten und numerischen Instabilitäten identifiziert und diese Problematik gelöst. Dieser Ansatz wurde dann auf rechteckige Dislokationen (rectangular dislocation-RD) mit vollen Rotationsfreiheitsgraden erweitert. Unter Verwendung dieser Lösung in einer Konfiguration von drei orthogonalen RDs wurde ein “Zusammengesetztes Dislokationsmodel” (compound dislocation model-CDM) entwickelt. Das CDM kann verallgemeinerte volumetrische und planare Verformungsquellen effizient darstellen. Somit ist das CDM für schnelle Inversionen in Frühwarnungssystemen relevant und kann auch für detaillierte Verformungsanalysen verwendet werden. Um komplexe Quellengeometrien und eine realistische Topographie in den Verformungsmodellen dieser Untersuchung zu berücksichtigen, wurde die Randelementmethode (REM) auf die neuen Lösungen für TDs angewendet. In diesem Schema werden komplexe Oberflächen als ein kontinuierliches Netz von DVs simuliert, die in den REM-Berechnungen beliebige Verschiebungs- oder Spannungsgrenzbedingungen aufweisen können. Als Beispiele wurden die entwickelten Modellierungstechniken auf fünf verschiedene reale Verformungsszenarien angewendet. Das erste und zweite Beispiel, die Calbuco-Eruption 2015 und die 2013–2016 Copahue-Aufwölbungsperiode, wurden durch die Verwendung des CDM näher beschrieben. Die hoch anisotropen Quellengeometrien in diesen beiden Fällen unterstreichen die Bedeutung der Verwendung verallgemeinerter Verformungsmodelle wie dem CDM für geodätische Dateninversionen. Weitere Fallstudien dieser Doktorarbeit umfassen hochauflösende Versetzungsmodelle und REM-Berechnungen. Die Aufwölbung 2013 am Volcán de Colima wurde simuliert, indem zwei ellipsoidale Quellen verwendet wurden, die Druckzonen im Lavadom des Vulkans lokalisieren. Danach, als Beispiel für Vulkantektonik-Interaktionen, wurde die 3-D-Kinematik einer aktiven Ringstörung am Tendürek-Vulkan durch Modellierung von InSAR-Zeitreihen über die Zeitperiode 2003–2010 simuliert. Als letztes Beispiel wurden die Verformungsquellen, die im Zusammenhang mit Nordkoreas unterirdischem Atomtest im September 2017 stehen, simuliert und der Einsatz der verwendeten Methoden auch in nicht vulkanischen Terrain gezeigt. Diese Beispiele zeigen den Fortschritt und das zunehmende Niveau der Komplexität und die allgemeine Anwendbarkeit der entwickelten Dislokationsmodellierungstechniken. Diese Doktorarbeit unterstreicht die Anwendung von neuer schneller und hochauflösender Dislokationsmodellierung, die neben Vulkanverformungen auch auf tektonische und vom Menschen verursachte Verformungen angewendet werden 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.

Description: Partial melting is a first order process for the chemical differentiation of the crust (Vielzeuf et al., 1990). Redistribution of chemical elements during melt generation crucially influences the composition of the lower and upper crust and provides a mechanism to concentrate and transport chemical elements that may also be of economic interest. Understanding of the diverse processes and their controlling factors is therefore not only of scientific interest but also of high economic importance to cover the demand for rare metals. The redistribution of major and trace elements during partial melting represents a central step for the understanding how granite-bound mineralization develops (Hedenquist and Lowenstern, 1994). The partial melt generation and mobilization of ore elements (e.g. Sn, W, Nb, Ta) into the melt depends on the composition of the sedimentary source and melting conditions. Distinct source rocks have different compositions reflecting their deposition and alteration histories. This specific chemical “memory” results in different mineral assemblages and melting reactions for different protolith compositions during prograde metamorphism (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). These factors do not only exert an important influence on the distribution of chemical elements during melt generation, they also influence the volume of melt that is produced, extraction of the melt from its source, and its ascent through the crust (Le Breton and Thompson, 1988). On a larger scale, protolith distribution and chemical alteration (weathering), prograde metamorphism with partial melting, melt extraction, and granite emplacement are ultimately depending on a (plate-)tectonic control (Romer and Kroner, 2016). Comprehension of the individual stages and their interaction is crucial in understanding how granite-related mineralization forms, thereby allowing estimation of the mineralization potential of certain areas. Partial melting also influences the isotope systematics of melt and restite. Radiogenic and stable isotopes of magmatic rocks are commonly used to trace back the source of intrusions or to quantify mixing of magmas from different sources with distinct isotopic signatures (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). These applications are based on the fundamental requirement that the isotopic signature in the melt reflects that of the bulk source from which it is derived. Different minerals in a protolith may have isotopic compositions of radiogenic isotopes that deviate from their whole rock signature (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). In particular, old minerals with a distinct parent-to-daughter (P/D) ratio are expected to have a specific radiogenic isotope signature. As the partial melting reaction only involves selective phases in a protolith, the isotopic signature of the melt reflects that of the minerals involved in the melting reaction and, therefore, should be different from the bulk source signature. Similar considerations hold true for stable isotopes.

Description: Partielle Schmelzbildung ist ein zentraler Prozess für die geochemische Differentiation der Erdkruste (Vielzeuf et al., 1990). Die Umverteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung beeinflusst die Zusammensetzung der oberen und unteren Erdkruste entscheidend und stellt einen Mechanismus zur Konzentration und zum Transport chemischer Elemente dar. Das Verständnis der diversen Prozesse und der kontrollierenden Faktoren ist deshalb nicht nur von wissenschaftlichem Interesse sondern auch von ökonomischer Bedeutung um die Nachfrage für seltene Metalle zu decken. Die Umverteilung von Haupt- und Spurenelementen während des partiellen Aufschmelzens ist ein entscheidender Schritt für das Verständnis wie sich granitgebundene Lagerstätten bilden (Hedenquist and Lowenstern, 1994). Die Schmelzbildung und die Mobilisierung von Erz-Elementen (z. B. Sn, W, Nb, Ta) in die Schmelze hängt von der Zusammensetzung der sedimentären Ausgangsgesteine und den Schmelzbedingungen ab. Verschiedene Ausgangsgesteine haben aufgrund ihrer Ablagerungs- und Verwitterungsgeschichte unterschiedliche Zusammensetzungen. Dieses spezifische geochemische „Gedächtnis“ resultiert in unterschiedlichen Mineralparagenesen und Schmelzreaktionen in verschiedenen Ausgangsgesteinen während der prograden Metamorphose. (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). Diese Faktoren haben nicht nur einen wichtigen Einfluss auf die Verteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung, sie beeinflussen auch das Volumen an Schmelze, die Extraktion der Schmelze aus dem Ausgangsgestein und deren Aufstieg durch die Erdkruste (Le Breton and Thompson, 1988). Auf einer grösseren Skala unterliegen die Verteilung der Ausgangsgesteine und deren chemische Alteration (Verwitterung), die prograde Metamorphose mit partieller Schmelzbildung, Schmelzextraktion und die Platznahme granitischer Intrusionen einer plattentektonischen Kontrolle. Das Verständnis der einzelnen Schritte und deren Wechselwirkungen ist entscheidend um zu verstehen wie granitgebunden Lagerstätten entstehen und erlaubt es, das Mineralisierungspotential bestimmter Gebiete abzuschätzen. Partielles Aufschmelzen beeinflusst auch die Isotopensystematik der Schmelze und des Restites. Die Zusammensetzungen radiogener und stabiler Isotopen von magmatischen Gesteinen werden im Allgemeinen dazu verwendet um deren Ursprungsgesteine zu identifizieren oder um Mischungsprozesses von Magmen unterschiedlichen Ursprunges zu quantifizieren (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). Diese Anwendungen basieren auf der fundamentalen Annahme, dass die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen des Ausgangsgesteines entspricht. Unterschiedliche Minerale in einem Gestein können unterschiedliche, vom Gesamtgestein abweichende, Isotopenzusammensetzungen haben (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). Insbesondere für alte Minerale, mit einem unterschiedlichen Mutter-Tochter Nuklidverhältnis, ist eine spezifische Isotopenzusammensetzung zu erwarten. Da im partiellen Schmelzprozess nur bestimmte Minerale eines Gesteines involviert sind, entspricht die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen der Minerale welche an der Schmelzreaktion teilnehmen. Daher sollte die Isotopenzusammensetzung der Schmelze von derjenigen des Ursprungsgesteines abweichen. Ähnliche Überlegungen treffen auch für stabile Isotopen zu.

Description: The Central Andes host large reserves of base and precious metals. The region represented, in 2017, an important part of the worldwide mining activity. Three principal types of deposits have been identified and studied: 1) porphyry type deposits extending from central Chile and Argentina to Bolivia, and Northern Peru, 2) iron oxide-copper-gold (IOCG) deposits, extending from central Peru to central Chile, and 3) epithermal tin polymetallic deposits extending from Southern Peru to Northern Argentina, which compose a large part of the deposits of the Bolivian Tin Belt (BTB). Deposits in the BTB can be divided into two major types: (1) tin-tungsten-zinc pluton-related polymetallic deposits, and (2) tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposits. Mina Pirquitas is a tin-silver-lead-zinc epithermal polymetallic vein deposit, located in north-west Argentina, that used to be one of the most important tin-silver producing mine of the country. It was interpreted to be part of the BTB and it shares similar mineral associations with southern pluton related BTB epithermal deposits. Two major mineralization events related to three pulses of magmatic fluids mixed with meteoric water have been identified. The first event can be divided in two stages: 1) stage I-1 with quartz, pyrite, and cassiterite precipitating from fluids between 233 and 370 °C and salinity between 0 and 7.5 wt%, corresponding to a first pulse of fluids, and 2) stage I-2 with sphalerite and tin-silver-lead-antimony sulfosalts precipitating from fluids between 213 and 274 °C with salinity up to 10.6 wt%, corresponding to a new pulse of magmatic fluids in the hydrothermal system. The mineralization event II deposited the richest silver ores at Pirquitas. Event II fluids temperatures and salinities range between 190 and 252 °C and between 0.9 and 4.3 wt% respectively. This corresponds to the waning supply of magmatic fluids. Noble gas isotopic compositions and concentrations in ore-hosted fluid inclusions demonstrate a significant contribution of magmatic fluids to the Pirquitas mineralization although no intrusive rocks are exposed in the mine area. Lead and sulfur isotopic measurements on ore minerals show that Pirquitas shares a similar signature with southern pluton related polymetallic deposits in the BTB. Furthermore, the major part of the sulfur isotopic values of sulfide and sulfosalt minerals from Pirquitas ranges in the field for sulfur derived from igneous rocks. This suggests that the main contribution of sulfur to the hydrothermal system at Pirquitas is likely to be magma-derived. The precise age of the deposit is still unknown but the results of wolframite dating of 2.9 ± 9.1 Ma and local structural observations suggest that the late mineralization event is younger than 12 Ma.

Description: Die zentralen Anden beherbergen große Reserven von unedlen und Edelmetallen. Die Region war 2017 ein wichtiger Teil der weltweiten Bergbautätigkeit. Bisher wurden drei Hauptlagerstätten identifiziert und untersucht: 1) Porphyr-Lagerstätten, die sich von Zentralchile und Argentinien bis Bolivien und Nord-Peru erstrecken; 2) Eisenoxid-Kupfer-Gold-Lagerstätten (IOCG), die sich von Zentralperu bis Zentralchile ausdehnen, sowie 3) polymetallische epithermale Zinnlagerstätten, die sich von Südperu bis nach Nordargentinien erstrecken und einen Großteil der Lagerstätten des bolivianischen Zinngürtels (Bolivian Tin Belt - BTB) bilden. Lagerstätten im BTB können in zwei Haupttypen unterteilt werden: (1) polymetallische Lagerstätten aus Zinn-Wolfram-Zink im Zusammenhang mit Plutonen und (2) polymetallische Zinn-Silber-Blei-zink Anlagerungen in epithermalen gangförmigen Lagerstätten. Mina Pirquitas ist eine epithermale Zinn-Silber-Blei-Zink-Polymetallvenenlagerstätte im Nordwesten Argentiniens, die früher eine der wichtigsten Zinnsilber-Mine meines Landes war. Es wurde als Teil der BTB interpretiert und hat ähnliche Mineralstoffverbände mit südlichen Pluton-bezogenen BTB-Epithermalvorkommen. Es wurden zwei bedeutende Mineralisierungsereignisse identifiziert, die sich auf drei mit meteorischem Wasser gemischte magmatische Fluide beziehen. Das erste Ereignis kann in zwei Stufen unterteilt werden: 1) Stufe I-1, wobei Quarz, Pyrit und Cassiterit aus Fluiden zwischen 233 und 370 ° C und einem Salzgehalt zwischen 0 und 7,5 Gew .-% ausfallen, entsprechend einem ersten Flüssigkeitsimpuls, und 2) Stufe I-2 mit Sphalerit und Zinn-Silber-Blei-Antimonsulfosalzen, die aus Fluiden zwischen 213 und 274 ° C mit einem Salzgehalt von bis zu 10,6 Gew .-% ausfallen, was einem neuen Impuls magmatischer Fluiden im hydrothermalen System entspricht. Durch die Mineralisierung II wurden die reichsten Silbererze bei Pirquitas abgelagert. Die Temperaturen und Salzgehalte von Event II liegen zwischen 190 und 252 ° C bzw. zwischen 0,9 und 4,3 Gew .-%. Dies entspricht der abnehmenden Versorgung mit magmatischen Fluiden. Edelgasisotopenzusammensetzungen und -konzentrationen in mit Erz beherbergten Flüssigkeitseinschlüssen zeigen einen signifikanten Beitrag magmatischer Fluiden zur Pirquitas-Mineralisierung, obwohl keine intrusiven Gesteine im Minengebiet exponiert sind. Messungen von Blei- und Schwefelisotopen an Erzmineralien zeigen, dass Pirquitas eine ähnliche Signatur mit südlichen Pluton-verwandten polymetallischen Lagerstätten in der BTB teilt. Darüber hinaus liegt der größte Teil der Schwefelisotopenwerte von Sulfid- und Sulfosaltmineralien aus Pirquitas im Bereich von Schwefel aus magmatischem Gestein. Dies deutet darauf hin, dass der Hauptbeitrag von Schwefel zum hydrothermalen System bei Pirquitas wahrscheinlich aus Magma stammt. Das genaue Alter der Lagerstätte ist noch nicht bekannt, aber die Ergebnisse der Wolframit-Datierung von 2,9 ± 9,1 Ma und lokalen Strukturbeobachtungen legen nahe, dass die späten Mineralisierungsereignisse jünger als 12 Ma sind.

Description: The climate is a complex dynamical system involving interactions and feedbacks among different processes at multiple temporal and spatial scales. Although numerous studies have attempted to understand the climate system, nonetheless, the studies investigating the multiscale characteristics of the climate are scarce. Further, the present set of techniques are limited in their ability to unravel the multi-scale variability of the climate system. It is completely plausible that extreme events and abrupt transitions, which are of great interest to climate community, are resultant of interactions among processes operating at multi-scale. For instance, storms, weather patterns, seasonal irregularities such as El Niño, floods and droughts, and decades-long climate variations can be better understood and even predicted by quantifying their multi-scale dynamics. This makes a strong argument to unravel the interaction and patterns of climatic processes at different scales. With this background, the thesis aims at developing measures to understand and quantify multi-scale interactions within the climate system. In the first part of the thesis, I proposed two new methods, viz, multi-scale event synchronization (MSES) and wavelet multi-scale correlation (WMC) to capture the scale-specific features present in the climatic processes. The proposed methods were tested on various synthetic and real-world time series in order to check their applicability and replicability. The results indicate that both methods (WMC and MSES) are able to capture scale-specific associations that exist between processes at different time scales in a more detailed manner as compared to the traditional single scale counterparts. In the second part of the thesis, the proposed multi-scale similarity measures were used in constructing climate networks to investigate the evolution of spatial connections within climatic processes at multiple timescales. The proposed methods WMC and MSES, together with complex network were applied to two different datasets. In the first application, climate networks based on WMC were constructed for the univariate global sea surface temperature (SST) data to identify and visualize the SSTs patterns that develop very similarly over time and distinguish them from those that have long-range teleconnections to other ocean regions. Further investigations of climate networks on different timescales revealed (i) various high variability and co-variability regions, and (ii) short and long-range teleconnection regions with varying spatial distance. The outcomes of the study not only re-confirmed the existing knowledge on the link between SST patterns like El Niño Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation, but also suggested new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections. In the second application, I used the developed non-linear MSES similarity measure to quantify the multivariate teleconnections between extreme Indian precipitation and climatic patterns with the highest relevance for Indian sub-continent. The results confirmed significant non-linear influences that were not well captured by the traditional methods. Further, there was a substantial variation in the strength and nature of teleconnection across India, and across time scales. Overall, the results from investigations conducted in the thesis strongly highlight the need for considering the multi-scale aspects in climatic processes, and the proposed methods provide robust framework for quantifying the multi-scale characteristics.

Description: Das Klima ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen und Rückkopplungen auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen. Viele Studien beschäftigten sich mit dem diesem System, nur wenige jedoch konzentrierten sich auf das Multiskalenverhalten des Klimas. Vor allem die bis dato verfügbaren Techniken schränkten eine vertiefte Analyse der Klimavariabilität auf unterschiedlichen Skalen ein. Von großen Interesse in der aktuellen Klimaforschung sind Extremereignisse und plötzliche Veränderungen, welche höchstwahrscheinlich aus dem Zusammenwirken von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen hervorgehen. Um Stürme, wiederkehrende Wetterlagen, jahreszeitliche Phänomene wie El Niño, Fluten, Dürren oder Klimaschwankungen über Jahrzehnte besser zu verstehen oder sogar vorhersagen zu können, müssen wir deren Dynamik auf unterschiedlichen Skalen quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden Mittel und Wege präsentiert um das Zusammenwirken auf verschiedenen Skalen im Klimasystem besser zu verstehen und zu quantifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich zwei Methoden, multi-scale event synchronization (MSES) und wavelet multi-scale correlation (WMC) vor, welche skalenspezifischen Eigenschaften in klimatischen Prozessen abbilden. Die vorgestellte Methode wurde mit mehreren synthetischen und realen Zeitreihen getestet um ihre Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden Beziehungen auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen detaillierter als traditionelle Ansätze abbilden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit bilde ich klimatische Netzwerke mithilfe eines Maßes zur Ähnlichkeit auf Multiskalen. Dabei untersuche ich die Entwicklung von räumlichen Beziehungen um klimatische Prozesse auf mehreren Zeitskalen zu verstehen. Die Methoden WMC und MSES werden zusammen mit komplexen Netzwerken auf zwei Datensätze angewendet. In der ersten Anwendung werden klimatische Netzwerke mit WMC für univariate globale Meeresoberflächentemperaturen gebildet. Auf unterschiedlichen Zeitskalen sollen dabei kurze und lange Fernwirkungen, welche andernfalls auf einer einzigen Zeitskale unerkannt blieben, entdeckt werden. In diesem Klimanetzwerk ließ sich eine starke Variabilität über die Zeit feststellen, was auf eine skalenfreie und kleinräumige Netzstruktur auf großem, beziehungsweise kleinem Maßstab schließen lässt. Weitere Untersuchungen von Klimanetzwerken auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigte (i) hohe Variabilität und Co-Variabilität in Regionen, und (ii) Fernbeziehungen auf kurzen und langen Entfernungen mit variabler räumlicher Distanz. Die Ergebnisse bestätigen bekannte physikalischen Wechselwirkungen und daher auch die Stärken meines Ansatzes. Dadurch ergeben sich neue Einblicke in die Klimatologie von Ozeanen, sodass beispielsweise konvektive Prozesse in der Atmosphäre eine Abhängigkeit über weite Entfernungen aufweisen können. In der zweiten Anwendung verwendeten wir das von mir entwickelte, nicht-lineare MSES Ähnlichkeitsmaß um multivariate Fernbeziehungen zwischen Starkniederschlägen und klimatischen Mustern über Indien zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse bestätigen signifikante, nicht-lineare Einflüsse, welche von traditionellen Methoden bisher unzureichend abgebildet wurden. Des Weiteren fanden wir deutliche Schwankungen in der Stärke und in der Ausprägung von Fernbeziehungen über Indien und über Zeitskalen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Fallstudien, dass Multiskalen in Klimaprozessen entschieden berücksichtigt werden müssen und dass der entwickelte methodische Rahmen adäquat die charakteristischen Prozesse quantifizieren kann.

Description: The habilitation thesis presented here includes results from several studies dealing with fluid-rock interactions and rock deformation processes in active fault zones. The focus in all of these studies is on the influence of clay minerals on the geochemical and the hydro-mechanical behavior of the fault rocks. The research was conducted on rock cores and cuttings from four scientific drilling projects at the San Andreas Fault (USA), the Nankai Trough subduction zone and the Japan Trench subduction zone (Japan), as well as the Alpine Fault in New Zealand. These ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) and IODP (International Ocean Discovery Program) funded projects were all conducted with the aim to monitor and better understand earthquakes. Chapter 1 contains a short introduction to the topic with basic principles and objectives regarding the research approach. Chapter 2 describes the state of the art in clay mineral and fault zone science, gives a short description of the individual drilling projects and their locations on which the research was based, and summarizes the most important analytical methods used. Chapter 3 comprises ten peer-reviewed publications that are connected thematically and methodologically. The papers were published in the years 2006-2015, and additional related publications including myself as co-author are given in the literature list. The ten publications address different questions concerning the formation of clay minerals and processes of fluid-rock interaction in active fault zones. Six papers contain results from the SAFOD drilling project, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth), with the main focus on fluid-rock interaction processes in fault rocks and the formation and location of clay minerals. Three publications report on research from the NanTroSEIZE drilling project (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) and the JFAST drilling project (Japan Trench Fast Drilling Project). Both projects are situated in Japan. Here, the swelling behavior of smectite clay minerals in relation to changing environmental conditions (e.g. temperature and/or humidity) was investigated. The last publication included here concerns a study from the DFDP project (Deep Fault Drilling Project) in New Zealand, where I investigated the deformation of clay minerals on the context of the hydro-mechanical behavior of the fault zone rocks. I was first author in nine of the publications and in charge of the project preparation, measurements and data analyses, and the completion of the manuscript. As co-author on the other publication I was responsible for electronmicroscopy analyses (SEM and TEM) and their interpretation. The key results from the publications in Chapter 3 are discussed in Chapter 4 with additional considerations from more recent papers. Following the major theses in Chapter 5, Chapter 6 highlights a future research project in clay mineralogy research at the GFZ. An appendix includes more detailed descriptions of the laboratory equipment and lists of all publications, conference contributions and teaching courses and modules.

Description: Die vorliegende Habilitationsschrift umfasst Forschungsergebnisse aus Studien, die sich mit Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen und Deformationsprozessen in aktiven Störungszonen befassen, wobei der Einfluss der Tonminerale auf das geochemische und hydromechanische Verhalten dieser Störungen im Vordergrund steht. Kernproben (core) und Bohrklein (cuttings) aus vier verschiedenen Bohrprojekten an der San Andreas Störung (USA), der Nankai Trough Subduktionszone und der Japan Trench Subduktionszone (Japan), sowie der Alpine Störung in Neuseeland wurden untersucht. Die von ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) und IODP (International Ocean Discovery Program) unterstützten Projekte verfolgen alle das Ziel, das Verhalten von Erdbeben besser zu verstehen. In Kapitel 1 werden in einer kurzen Einleitung die allgemeinen thematischen Grundlagen und Ziele der Arbeit beschrieben. Kapitel 2 umfasst den Stand der Forschung, eine kurze Beschreibung der einzelnen Bohrprojekte und Standorte, sowie eine Zusammenfassung der wichtigsten Messmethoden. Kapitel 3 beinhaltet insgesamt zehn wissenschaftliche Arbeiten, die alle in einem methodisch-thematischen Zusammenhang stehen. Die Manuskripte wurden in den Jahren 2006-2015 veröffentlicht, wobei weitere Arbeiten aus diesem Themenbereich im Literaturverzeichnis vermerkt sind. Sie gehen auf unterschiedliche Fragestellungen um die Bildung und das Verhalten von Tonmineralen in aktiven Störungszonen ein. Insgesamt sechs Publikationen beinhalten Daten und Forschungsergebnisse, die im Rahmen des SAFOD Projektes, USA (San Andreas Fault Observatory at Depth) erstellt wurden. Hier wurde vor allem auf die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungsprozesse im Störungsgestein und die daraus resultierende Bildung von Tonmineralen eingegangen. Drei weitere Arbeiten wurden im Rahmen des NanTroSEIZE Projektes, Japan (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) und des JFAST Projektes, Japan (Japan Trench Fast Drilling Project) erstellt. Hier steht vor allem das Verhalten von quellfähigen Tonmineralen auf sich ändernde Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur und Feuchtigkeit) im Mittelpunkt. Die zehnte hier vorgestellte Veröffentlichung betrifft Analysen rund um das DFDP Projekt (Deep Fault Drilling Project) in Neuseeland, wobei hier die Deformation von Tonmineralen und das hydro-mechanische Verhalten der Störungszone im Vordergrund stehen. In neun Veröffentlichungen war ich als Erstautor für die Vorbereitung des Projektes, das Erstellen der Daten und die Fertigstellung der Manuskripte zuständig. In einer Publikation war ich als Mitautorin für die elektronenmikroskopischen Analysen und deren Interpretation verantwortlich. Die wichtigsten Ergebnisse der in Kapitel 3 vorgelegten Arbeiten werden in Kapitel 4 unter Berücksichtigung neuer Publikationen diskutiert. Nach der Beschreibung der Thesen in Kapitel 5 werden in Kapitel 6 „Outlook“ die Highlights zukünftiger Forschungspläne am GFZ näher beschrieben. Die Habilitationsschrift endet mit dem Anhang, in welchem unter anderem das Laborequipment genauer beschrieben wird, sowie die Publikationen, Konferenzbeiträge und Lehrbeiträge aufgelistet sind.

Description: The thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recovered from conventional resources e.g., coal towards energy provided by renewable resources such as wind or water is a big challenge. Gas recovered from unconventional reservoirs (shale plays) is considered a potential bridge technology. In Chapter 2, short-term mechanical properties of two European mature shale rocks are presented, which were determined from constant strain rate experiments performed at ambient and in situ deformation conditions (confining pressure, pc ≤ 100 MPa, temperature, T ≤ 125 °C, representing pc, T - conditions at 〈 4 km depth) using a Paterson– type gas deformation apparatus. The investigated shales were mainly from drill core material of Posidonia (Germany) shale and weathered material of Bowland (United Kingdom) shale. The results are compared with mechanical properties of North American shales. Triaxial compression tests performed perpendicular to bedding revealed semibrittle deformation behavior of Posidonia shale with pronounced inelastic deformation. This is in contrast to Bowland shale samples that deformed brittle and displayed predominantly elastic deformation. The static Young’s modulus, E, and triaxial compressive strength, σTCS, determined from recorded stress-strain curves strongly depended on the applied confining pressure and sample composition, whereas the influence of temperature and strain rate on E and σTCS was minor. Shales with larger amounts of weak minerals (clay, mica, total organic carbon) yielded decreasing E and σTCS. This may be related to a shift from deformation supported by a load-bearing framework of hard phases (e.g., quartz) towards deformation of interconnected weak minerals, particularly for higher fractions of about 25 – 30 vol% weak phases. Comparing mechanical properties determined at reservoir conditions with mechanical data applying effective medium theories revealed that E and σTCS of Posidonia and Bowland shale are close to the lower (Reuss) bound. Brittleness B is often quoted as a measure indicating the response of a shale formation to stimulation and economic production. The brittleness, B, of Posidonia and Bowland shale, estimated from E, is in good agreement with the experimental results. This correlation may be useful to predict B from sonic logs, from which the (dynamic) Young’s modulus can be retrieved. Chapter 3 presents a study of the long-term creep properties of an immature Posidonia shale. Constant stress experiments (σ = const.) were performed at elevated confining pressures (pc = 50 – 200 MPa) and temperatures (T = 50 – 200 °C) to simulate reservoir pc, T - conditions. The Posidonia shale samples were acquired from a quarry in South Germany. At stresses below ≈ 84 % compressive strength of Posidonia shale, at high temperature and low confining pressure, samples showed pronounced transient (primary) creep with high deformation rates in the semibrittle regime. Sample deformation was mainly accommodated by creep of weak sample constituents and pore space reduction. An empirical power law relation between strain and time, which also accounts for the influence of pc, T and σ on creep strain was formulated to describe the primary creep phase. Extrapolation of the results to a creep period of several years, which is the typical time interval for a large production decline, suggest that fracture closure is unlikely at low stresses. At high stresses as expected for example at the contact between the fracture surfaces and proppants added during stimulation measures, subcritical crack growth may lead to secondary and tertiary creep. An empirical power law is suggested to describe secondary creep of shale rocks as a function of stress, pressure and temperature. The predicted closure rates agree with typical production decline curves recorded during the extraction of hydrocarbons. At the investigated conditions, the creep behavior of Posidonia shale was found to correlate with brittleness, calculated from sample composition. In Chapter 4 the creep properties of mature Posidonia and Bowland shales are presented. The observed long-term creep behavior is compared to the short-term behavior determined in Chapter 2. Creep experiments were performed at simulated reservoir conditions of pc = 50 – 115 MPa and T = 75 – 150 °C. Similar to the mechanical response of immature Posidonia shale samples investigated in Chapter 3, creep strain rates of mature Bowland and Posidonia shales were enhanced with increasing stress and temperature and decreasing confining pressures. Depending on applied deformation conditions, samples displayed either only a primary (decelerating) or in addition also a secondary (quasi-steady state) and subsequently a tertiary (accelerating) creep phase before failure. At the same deformation conditions, creep strain of Posidonia shale, which is rich in weak constituents, is tremendously higher than of quartz-rich Bowland shale. Typically, primary creep strain is again mostly accommodated by deformation of weak minerals and local pore space reduction. At the onset of tertiary creep most of the deformation was accommodated by micro crack growth. A power law was used to characterize the primary creep phase of Posidonia and Bowland shale. Primary creep strain of shale rocks is inversely correlated to triaxial compressive strength and brittleness, as described in Chapter 2. Chapter 5 provides a synthesis of the experimental findings and summarizes the major results of the studies presented in Chapters 2 – 4 and potential applications in the Exploration & Production industry. Chapter 6 gives a brief outlook on potential future experimental research that would help to further improve our understanding of processes leading to fracture closure involving proppant embedment in unconventional shale gas reservoirs. Such insights may allow to improve stimulation techniques aimed at maintaining economical extraction of hydrocarbons over several years.

Description: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf die Motivation für die vorliegende Studie eingegangen wird. Die Einleitung fokussiert sich dabei auf die aktuell vorherrschende Herausforderung, die Energieversorgung durch konventionelle Ressourcen, wie beispielsweise Kohle, durch regenerative Ressourcen, wie z.B. Wind oder Wasser, zu ersetzen. Üblicherweise wird der Energiezeugung aus unkonventionell gewonnenem Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie zugewiesen. Die Motivation zur Durchführung dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von Gasschiefern zu untersuchen, die auch in Europa einen substantiellen Beitrag zur Gasförderung liefern können. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die exemplarisch auf die Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von zwei reifen, europäischen Schiefergesteinen abzielen. Dazu wurden in einer Gasdruckapparatur Deformationsexperimente an Proben durchgeführt die senkrecht zur Schichtung orientiert entnommen wurden. Die Versuche wurden bei konstanter Verformungsrate und bei nachgestellten in situ Umgebungsbedingungen bis etwa 4 km Tiefe durchgeführt (Manteldruck, pc ≤ 100 MPa, Temperatur, T ≤ 125 °C). Die untersuchten Schieferproben stammen hauptsächlich aus Kernmaterial von erbohrtem Posidonienschiefer aus Niedersachsen und aus englischen Bowlandschiefer, das aus natürlichen Aufschlüssen gewonnen wurde. Zusätzlich wurden einige nordamerikanische Schieferproben zum Vergleich untersucht. Die triaxialen Kompressionstests zeigen ein semi-sprödes Deformationsverhalten mit ausgeprägter inelastischer Verformung des untersuchten Posidonienschiefers, wohingegen sich Bowlandschiefer spröde und bis zum Bruch vorzugsweise elastisch verformt. Der Elastizitätsmodul, E, und die Druckfestigkeit, σTCS, weisen bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine starke Abhängigkeit vom Manteldruck und der Gesteinsmineralogie auf. Der Einfluss von Temperatur und Verformungsrate auf E und σTCS ist dagegen vernachlässigbar. Mit ansteigendem Anteil an mechanisch weichen Mineralphasen, z.B. Ton, Glimmer und organisch gebundenem Kohlenstoff, nehmen E und σTCS der untersuchten Schiefergesteine ab. Dies ist durch eine verändertes Verformungsverhalten begründet, das von der Deformation eines lasttragenden Gerüstes aus mechanisch festen Mineralen, wie beispielsweise Quarz, bis zu einer Verformung von miteinander verbundenen mechanisch weichen Mineralen reicht. Der Übergang wurde ab einem Volumenanteil von etwa 25 – 30 vol% weicher Mineralphasen beobachtet. Beim Vergleich der experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften (E, σTCS) mit Vorhersagen, in denen die Zusammensetzung der Schiefer berücksichtigt wird (effective medium theories, Voigt-Reuss Grenzen) ist erkennbar, dass E und σTCS nahe an der unteren (Reuss) Grenze liegen. Die aus dem Elastizitätsmodul berechnete Sprödfestigkeit (brittleness, B) von Posidonien- und Bowlandschiefer stimmt gut mit dem gemessenen Spannungs-Verformungsverhalten überein. Die Sprödfestigkeit eines Gesteins wird oft als Indiz zur Abschätzung des möglichen Erfolges von Stimulationsmaßnahmen betrachtet. Daher ist der Zusammenhang zwischen elastischen Eigenschaften, die sich mit Ultraschallmessungen (sonic-log) in Bohrungen abschätzen lassen und dem mechanischen Verhalten von Gasschiefern für eine schnelle und kostengünstige Beurteilung wichtig. Im dritten Kapitel werden die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen untersucht. Dafür wurden Deformationsexperimente bei konstanter Spannung (σ = konst.) und erhöhten Umlagerungsdrücken (pc = 50 – 200 MPa) und Temperaturen (T = 50 – 200 °C) an einem unreifen Posidonienschiefer, welcher in einem aktiven Steinbruch in Süddeutschland gewonnen wurde, durchgeführt. Bei Spannungen unterhalb ≈ 84 % der Druckfestigkeit des Schiefers und hohen Temperaturen und niedrigen Manteldrücken zeigen die deformierten Schieferproben transientes (primäres) Kriechen im semi-spröden Regime mit relativ hohen Verformungsraten. Der größte Teil der Deformation wird dabei durch die Verformung von mechanisch weichen Mineralphasen und Porenraumreduktion aufgenommen. Ein empirisches Potenzgesetz wurde aufgestellt, um die zeitabhängige primäre Kriechphase in Abhängigkeit von Manteldruck, Temperatur und Spannung zu charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, dass ein mögliches Rissschließen über einen typischen Zeitraum von wenigen Jahren bei der Annahme von ausschließlich primären Kriechen unwahrscheinlich ist. Typischerweise entstehen an den Kotaktflächen zwischen hydraulisch stimulierten Rissen innerhalb der Schieferformation und dem Stützmittel, welches dem Stimulationsfluid hinzugefügt wird, um offene Risse aufrecht zu erhalten, hohe Differentialspannungen. Dadurch kann zusätzliches (subkritisches) Risswachstum initiiert werden, welches bei den untersuchten Proben unter hoher Differentialspannung zusätzlich zum primären auch zum sekundären und tertiären Kriechen bis zum Versagen der Probe führte. Bei Verwendung eines empirischen Potenzgesetzes zur Beschreibung der sekundären Kriechphase kann eine, im Vergleich zur primären Kriechregime, substanziell höhere Rissschließungsrate abgeschätzt werden. Diese erscheint wesentlich zuverlässiger, da sie mit den Zeiträumen typische gemessener Produktionsrückgänge einer Bohrung übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine inverse Korrelation zwischen gemessener Verformung und Sprödigkeit, basierend auf der Schiefermineralogie, festgestellt. In Kapitel 4 werden weiterführende Untersuchungen vorgestellt, in dem die Kriecheigenschaften von reifem Posidonien-und Bowlandschiefer gemessen und mit den mechanischen Eigenschaften, bestimmt in Kurzzeit-Deformationsversuchen bei konstanter Verformungsrate (Kapitel 2) verglichen werden. Dafür wurden Kriechversuche an Posidonien- und Bowlandschiefermaterial, wie in Kapitel 2 beschrieben, bei simulierten Reservoirdrücken und -temperaturen durchgeführt (pc = 50 – 115 MPa, T = 75 – 150 °C). Auch für diese Schiefergesteine wurde eine erhöhte Verformung bei erhöhten Spannungen und Temperaturen und niedrigen Manteldrücken gemessen. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Deformationsbedingungen wiesen die Proben beider Schiefergesteine entweder nur eine primäre oder zusätzlichen zur primären auch eine sekundäre und tertiäre Kriechphase auf. Bei gleichem Umlagerungsdruck und gleicher Temperatur erwies sich der tonreiche Posidonienschiefer als deutlich weniger fest als der quarzreiche Bowlandschiefer. Während der Großteil der Deformation in der primären Kriechphase durch die Verformung von weichen Mineralen und Porenraumreduktion aufgefangen wurde, ist eine Mikrorissbildung bezeichnend für das tertiäre Kriechen. Um das primäre Kriechverhalten der unterschiedlichen Schiefergesteine zu charakterisieren, wurde auch hier ein Potenzgesetz genutzt, welches einen Vergleich mit den Kriecheigenschaften anderer Schiefergesteinen erlaubt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine deutliche inverse Korrelation zwischen primärer Verformung und der gemessenen Druckfestigkeit und der berechneten Sprödigkeit. Dies ermöglicht es die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen mit den, aus einem Kurzzeittest gemessenen, mechanischen Eigenschaften grob abzuschätzen, solange die angenommen Zeitintervalle zwischen zwei Stimulationsoperationen in dem in der Praxis typischen Zeitintervall von einigen Jahren liegt. Im fünften Kapitel werden die erzielten Ergebnisse nochmals im Zusammenhang dargestellt. Hier wird im Besonderen auf eine potentielle Anwendung der Ergebnisse in der E & P - Industrie eingegangen. Abschließend wird im sechsten Kapitel auf mögliche Experimente eingegangen, die zukünftig durchgeführt werden könnten, um unser Verständnis in Bezug auf die spannungsinduzierte Rissschließung in Schieferlagerstätten durch die Einbettung der Stützmittel in die Formation zu verbessern. Diese Erkenntnisse wären wiederum hilfreich, um eine ökonomische und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen von stimulierten Bohrungen zu gewährleisten, die in unkonventionelle Lagerstätten abgeteuft wurden.

Description: Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas.

Description: Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen.

Description: The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor.

Description: Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie.

Description: Carbonate-rich silicate and carbonate melts play a crucial role in deep Earth magmatic processes and their melt structure is a key parameter, as it controls physical and chemical properties. Carbonate-rich melts can be strongly enriched in geochemically important trace elements. The structural incorporation mechanisms of these elements are difficult to study because such melts generally cannot be quenched to glasses, which are usually employed for structural investigations. This thesis investigates the influence of CO2 on the local environments of trace elements contained in silicate glasses with variable CO2 concentrations as well as in silicate and carbonate melts. The compositions studied include sodium-rich peralkaline silicate melts and glasses and carbonate melts similar to those occurring naturally at Oldoinyo Lengai volcano, Tanzania. The local environments of the three elements yttrium (Y), lanthanum (La) and strontium (Sr) were investigated in synthesized glasses and melts using X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy. Especially extended X-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS) provides element specific information on local structure, such as bond lengths, coordination numbers and the degree of disorder. To cope with the enhanced structural disorder present in glasses and melts, EXAFS analysis was based on fitting approaches using an asymmetric distribution function as well as a correlation model according to bond valence theory. Firstly, silicate glasses quenched from high pressure/temperature melts with up to 7.6 wt % CO2 were investigated. In strongly and extremely peralkaline glasses the local structure of Y is unaffected by the CO2 content (with oxygen bond lengths of ~ 2.29 Å). Contrary, the bond lengths for Sr-O and La-O increase with increasing CO2 content in the strongly peralkaline glasses from ~ 2.53 to ~ 2.57 Å and from ~ 2.52 to ~ 2.54 Å, respectively, while they remain constant in extremely peralkaline glasses (at ~ 2.55 Å and 2.54 Å, respectively). Furthermore, silicate and unquenchable carbonate melts were investigated in-situ at high pressure/temperature conditions (2.2 to 2.6 GPa, 1200 to 1500 °C) using a Paris-Edinburgh press. A novel design of the pressure medium assembly for this press was developed, which features increased mechanical stability as well as enhanced transmittance at relevant energies to allow for low content element EXAFS in transmission. Compared to glasses the bond lengths of Y-O, La-O and Sr-O are elongated by up to + 3 % in the melt and exhibit higher asymmetric pair distributions. For all investigated silicate melt compositions Y-O bond lengths were found constant at ~ 2.37 Å, while in the carbonate melt the Y-O length increases slightly to 2.41 Å. The La-O bond lengths in turn, increase systematically over the whole silicate – carbonate melt joint from 2.55 to 2.60 Å. Sr-O bond lengths in melts increase from ~ 2.60 to 2.64 Å from pure silicate to silicate-bearing carbonate composition with constant elevated bond length within the carbonate region. For comparison and deeper insight, glass and melt structures of Y and Sr bearing sodium-rich silicate to carbonate compositions were simulated in an explorative ab initio molecular dynamics (MD) study. The simulations confirm observed patterns of CO2-dependent local changes around Y and Sr and additionally provide further insights into detailed incorporation mechanisms of the trace elements and CO2. Principle findings include that in sodium-rich silicate compositions carbon either is mainly incorporated as a free carbonate-group or shares one oxygen with a network former (Si or [4]Al) to form a non-bridging carbonate. Of minor importance are bridging carbonates between two network formers. Here, a clear preference for two [4]Al as adjacent network formers occurs, compared to what a statistical distribution would suggest. In C-bearing silicate melts minor amounts of molecular CO2 are present, which is almost totally dissolved as carbonate in the quenched glasses. The combination of experiment and simulation provides extraordinary insights into glass and melt structures. The new data is interpreted on the basis of bond valence theory and is used to deduce potential mechanisms for structural incorporation of investigated elements, which allow for prediction on their partitioning behavior in natural melts. Furthermore, it provides unique insights into the dissolution mechanisms of CO2 in silicate melts and into the carbonate melt structure. For the latter, a structural model is suggested, which is based on planar CO3-groups linking 7- to 9-fold cation polyhedra, in accordance to structural units as found in the Na-Ca carbonate nyerereite. Ultimately, the outcome of this study contributes to rationalize the unique physical properties and geological phenomena related to carbonated silicate-carbonate melts.

Description: Karbonatische und karbonatreiche silikatische Schmelzen spielen eine entscheidende Rolle in den magmatischen Prozessen der Erde. Die interne Schmelzstruktur bestimmt dabei maßgeblich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Karbonatreiche Schmelzen können sehr stark mit geochemisch wichtigen Spurenelementen angereichert sein. Die strukturellen Einbaumechanismen sind jedoch kaum verstanden, da diese Schmelzen nicht zu homogenen Gläsern abgeschreckt werden können, welche üblicherweise für strukturelle Untersuchungen genutzt werden. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Einfluss von CO2 auf die lokale Umgebung von ausgewählten Spurenelementen in karbonathaltigen silikatischen Gläsern sowie silikatisch bis karbonatischen Schmelzen. Untersucht werden natriumreiche, stark bis extrem peralkaline silikatische und karbonatische Zusammensetzungen, wie sie vom Vulkan Oldoinyo Lengai, Tansania, bekannt sind. Zum einen werden die lokale Umgebungen von Yttrium (Y), Lanthan (La) und Strontium (Sr) in synthetisierten Gläsern und Schmelzen mit Röntgen-Absorption-Feinstruktur-Spektroskopie (engl. X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy) untersucht. Insbesondere extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy liefert elementspezifisch strukturelle Informationen über Bindungslängen, Koordinationszahlen und Ordnungsgrad. Dem hohen Grad struktureller Unordnung in Gläsern und Schmelzen wird in den vorliegenden EXAFS-Analysen mit der Verwendung einer asymmetrischen Verteilungsfunktion und eines Korrelationsmodells, basierend auf der Bindungsvalenztheorie, Rechnung getragen. Für silikatische Gläser mit steigendem CO2-Gehalt zwischen 0 und bis zu 7,6 Gew.-% ist festzustellen: (1) Konstante Bindungslängen für Sr-O (~ 2,55 Å) und La-O (~ 2,54 Å) in extrem peralkaliner Zusammensetzung, sowie für Y-O (~ 2,29 Å) in stark und extrem peralkaliner Zusammensetzung. (2) Zunehmende Bindungslängen für Sr-O (~ von 2,53 auf 2,57 Å) und La-O in stark peralkaliner Zusammensetzung (~ von 2,52 auf 2,54 Å). Weiterhin werden silikatische sowie nicht-abschreckbare karbonatische Schmelzen in-situ unter hohem Druck und hoher Temperatur (2,2 bis 2,6 GPa, 1200 bis 1500 °C, untersucht in einer Paris-Edinburgh-Presse) analysiert. Ein neu entwickelter Aufbau des Druckübertragungsmediums garantiert eine hohe mechanische Festigkeit und ermöglicht aufgrund hervorragender Transmissivität im relevanten Energiebereich Transmissions-EXAFS an niedrigkonzentrierten Elementen. Im Vergleich zu den Gläsern zeigen die Schmelzen generell ~ 3 % höhere Y-O-, La-O-, und Sr-O-Bindungslängen und eine erhöhte Asymmetrie in der Paarverteilung. In silikatischen Schmelzen sind Y-O-Bindungslängen konstant (~ 2,37 Å), wohingegen sie in karbonatischen Schmelzen zunehmen (bis zu 2,41 Å). La-O-Abstände vergrößern sich systematisch von silikatischen zu karbonatischen Schmelzen (von 2,55 auf 2,60 Å). Sr-O-Abstände steigen von 2,60 auf 2,64 Å in silikatischen Zusammensetzungen mit steigendem CO2-Gehalt und sind für alle karbonatischen Zusammensetzungen konstant. Zum Vergleich und besserem Verständnis wurden Y- und Sr-haltige, silikatische und karbonatische Glas- und Schmelzstrukturen in einer explorativen ab-initio Molekular Dynamik (MD) Studie simuliert. Die MD-Studie bestätigt die CO2-abhängigen lokalen Veränderungen um Y und Sr und liefert zusätzliche Einblicke in silikatische und karbonatische Glas- und Schmelzstrukturen. In natriumreicher silikatischer Zusammensetzung wird CO2 hauptsächlich als freie Karbonatgruppe eingebaut oder teilt sich als nicht-brückenbildendes Karbonat genau ein Sauerstoffatom mit einem Netzwerkbildner (Si oder [4]Al). Seltener tritt es als brückenbildendes Karbonat zwischen zwei Netzwerkbildnern auf; dabei allerdings mit einer gegenüber der statistischen Verteilung deutlich erhöhten Präferenz für zwei [4]Al als anliegende Netzwerkbildner. C-haltige Schmelzen weisen geringe Mengen an molekularem CO2 auf, welches in den abgeschreckten Gläsern fast vollständig als Karbonat gelöst ist. Die Kombination aus Experiment und Simulation gewährt außerordentliche Einblicke in nur schwierig zu untersuchende Glas- und Schmelzstrukturen. Die gewonnenen Daten werden auf Grundlage der Bindungsvalenztheorie gedeutet und hinsichtlich potentieller Mechanismen des strukturellen Spurenelementeinbaus sowie dem daraus ableitbaren Fraktionierungsverhalten in natürlichen Schmelzen diskutiert. Neue Erkenntnisse über den strukturellen CO2-Einbau werden genutzt, um ein Strukturmodell für karbonatische Schmelzen abzuleiten. Dieses basiert auf der Verknüpfung von 7- bis 9-fach koordinierten Kationenpolyedern durch die planaren Karbonat-Gruppen, ähnlich wie es im Na-Ca-Karbonat Nyerereite zu beobachten ist. Letztendlich leisten die Erkenntnisse der Arbeit somit ihren Beitrag, das Verständnis um die einzigartigen physikalischen Eigenschaften und geologischen Phänomene dieser Schmelzen zu vertiefen.

Description: Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids.

Description: Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft.

Description: The foreland of the Andes in South America is characterised by distinct along strike changes in surface deformational styles. These styles are classified into two end-members, the thin-skinned and the thick-skinned style. The superficial expression of thin-skinned deformation is a succession of narrowly spaced hills and valleys, that form laterally continuous ranges on the foreland facing side of the orogen. Each of the hills is defined by a reverse fault that roots in a basal décollement surface within the sedimentary cover, and acted as thrusting ramp to stack the sedimentary pile. Thick-skinned deformation is morphologically characterised by spatially disparate, basement-cored mountain ranges. These mountain ranges are uplifted along reactivated high-angle crustal-scale discontinuities, such as suture zones between different tectonic terranes. Amongst proposed causes for the observed variation are variations in the dip angle of the Nazca plate, variation in sediment thickness, lithospheric thickening, volcanism or compositional differences. The proposed mechanisms are predominantly based on geological observations or numerical thermomechanical modelling, but there has been no attempt to understand the mechanisms from a point of data-integrative 3D modelling. The aim of this dissertation is therefore to understand how lithospheric structure controls the deformational behaviour. The integration of independent data into a consistent model of the lithosphere allows to obtain additional evidence that helps to understand the causes for the different deformational styles. Northern Argentina encompasses the transition from the thin-skinned fold-and-thrust belt in Bolivia, to the thick-skinned Sierras Pampeanas province, which makes this area a well suited location for such a study. The general workflow followed in this study first involves data-constrained structural- and density-modelling in order to obtain a model of the study area. This model was then used to predict the steady-state thermal field, which was then used to assess the present-day rheological state in northern Argentina. The structural configuration of the lithosphere in northern Argentina was determined by means of data-integrative, 3D density modelling verified by Bouguer gravity. The model delineates the first-order density contrasts in the lithosphere in the uppermost 200 km, and discriminates bodies for the sediments, the crystalline crust, the lithospheric mantle and the subducting Nazca plate. To obtain the intra-crustal density structure, an automated inversion approach was developed and applied to a starting structural model that assumed a homogeneously dense crust. The resulting final structural model indicates that the crustal structure can be represented by an upper crust with a density of 2800 kg/m³, and a lower crust of 3100 kg/m³. The Transbrazilian Lineament, which separates the Pampia terrane from the Río de la Plata craton, is expressed as a zone of low average crustal densities. In an excursion, we demonstrate in another study, that the gravity inversion method developed to obtain intra-crustal density structures, is also applicable to obtain density variations in the uppermost lithospheric mantle. Densities in such sub-crustal depths are difficult to constrain from seismic tomographic models due to smearing of crustal velocities. With the application to the uppermost lithospheric mantle in the north Atlantic, we demonstrate in Tan et al. (2018) that lateral density trends of at least 125\,km width are robustly recovered by the inversion method, thereby providing an important tool for the delineation of subcrustal density trends. Due to the genetic link between subduction, orogenesis and retroarc foreland basins the question rises whether the steady-state assumption is valid in such a dynamic setting. To answer this question, I analysed (i) the impact of subduction on the conductive thermal field of the overlying continental plate, (ii) the differences between the transient and steady-state thermal fields of a geodynamic coupled model. Both studies indicate that the assumption of a thermal steady-state is applicable in most parts of the study area. Within the orogenic wedge, where the assumption cannot be applied, I estimated the transient thermal field based on the results of the conducted analyses. Accordingly, the structural model that had been obtained in the first step, could be used to obtain a 3D conductive steady-state thermal field. The rheological assessment based on this thermal field indicates that the lithosphere of the thin-skinned Subandean ranges is characterised by a relatively strong crust and a weak mantle. Contrarily, the adjacent foreland basin consists of a fully coupled, very strong lithosphere. Thus, shortening in northern Argentina can only be accommodated within the weak lithosphere of the orogen and the Subandean ranges. The analysis suggests that the décollements of the fold-and-thrust belt are the shallow continuation of shear zones that reside in the ductile sections of the orogenic crust. Furthermore, the localisation of the faults that provide strain transfer between the deeper ductile crust and the shallower décollement is strongly influenced by crustal weak zones such as foliation. In contrast to the northern foreland, the lithosphere of the thick-skinned Sierras Pampeanas is fully coupled and characterised by a strong crust and mantle. The high overall strength prevents the generation of crustal-scale faults by tectonic stresses. Even inherited crustal-scale discontinuities, such as sutures, cannot sufficiently reduce the strength of the lithosphere in order to be reactivated. Therefore, magmatism that had been identified to be a precursor of basement uplift in the Sierras Pampeanas, is the key factor that leads to the broken foreland of this province. Due to thermal weakening, and potentially lubrication of the inherited discontinuities, the lithosphere is locally weakened such that tectonic stresses can uplift the basement blocks. This hypothesis explains both the spatially disparate character of the broken foreland, as well as the observed temporal delay between volcanism and basement block uplift. This dissertation provides for the first time a data-driven 3D model that is consistent with geophysical data and geological observations, and that is able to causally link the thermo-rheological structure of the lithosphere to the observed variation of surface deformation styles in the retroarc foreland of northern Argentina.

Description: Das Vorland der südamerikanischen Anden ist durch lateral variierende Deformationsregimes des östlichen Vorlands geprägt. Dabei treten zwei grundlegend verschiedene Endglieder mit charakteristischer Architektur auf: flach abgescherte Falten- und Überschiebungsgürtel einerseits und Vorland-Sockelüberschiebungen ("zerbrochenes Vorland") andererseits. Das morphologische Erscheinungsbild der Falten- und Überschiebungsgürtel entspricht lateral ausgedehnten, dicht aneinander gereihten Abfolgen von Hügeln und Tälern. Die Hügel werden durch eine darunter liegende Überschiebung definiert, die in einem subhorizontalen Abscherhorizont in 10 bis 20 km Tiefe endet. Sockelüberschiebungen hingegen sind in Gebieten mit geringer Sedimentmächtigkeit zu finden und sind durch weit auseinander liegende Erhebungen charakterisiert, welche von steil einfallenden, reaktivierten krustenskaligen Verwerfungen begrenzt werden. Als Ursachen der beobachteten Deformationsvariationen wurden präexistente Schwächezonen, Sedimentmächtigkeiten, Lithosphärenverdickung, Vulkanismus oder kompositionelle Eigenschaften aufgeführt. Diese Vorschläge waren überwiegend konzeptuell und meist auf Grundlage von Feldbeobachtungen oder synthetischen numerischen, thermo-mechanischen Modelle abgeleitet. Die vorliegende Dissertation beleuchtet zum ersten mal die Ursachen der beobachteten Deformationsstile aus der Perspektive von dreidimensionaler, Daten-integrativer Modellierung. Durch die Integration voneinander unabhängiger Daten erlaubt diese Art der Beschreibung des physikalischen Zustands der Lithosphäre die Erlangung zusätzliche Hinweise auf die zugrundeliegenden Ursachen der verschiedenen Derformationsregimes. Für eine solche Studie bietet sich Nord-Argentinien an, da dort beide Vorland-Endglieder vorzufinden sind. Die dafür im wesentlichen durchgeführten Arbeitsschritte beinhalten die Erstellung eines strukturellen Dichtemodells des Untersuchungsgebiets, die Berechnung des 3D stationären thermischen Feldes, sowie die Analyse der rheologischen Eigenschaften der Lithosphäre. Das datenbasierte strukturelle Dichtemodell ist mit verschiedenen geologischen und geophysikalischen Beobachtungen sowie dem Bouguer-Schwerefeld konsistent. Dieses Modell bildet die primären Dichtekontraste der oberen 200 km der Lithosphäre ab und differenziert Körper für die Sedimente, die kristalline Kruste, den lithosphärischen Mantel, und die subduzierende Nazca-Platte. Um die krusteninterne Dichteverteilung zu erhalten wurde ein automatisierter Inversionsprozess entworfen der es erlaubt eine leichtere Oberkruste und eine schwerere Unterkruste geometrisch zu definieren. Die Modellierung zeigt, dass die Kruste in Nord-Argentinien durch eine leichtere Oberkruste (2800 kg/m³) und eine dichtere Unterkruste (3100 kg/m³) repräsentiert werden kann. Das Transbrasilianische Linement, welches das Pampia Terran im Westen vom Río de La Plata Kraton im Osten trennt, ist durch eine im Vergleich zur Umgebung geringere durchschnittliche Krustendichte charakterisiert. In einem Exkurs wird anschließend demonstriert, dass die hier entwickelte Inversionsmethodik zur Ermittlung von intrakrustalen Dichtekontrasten auch im obersten lithosphärischen Mantel angewandt werden kann. Dichten zwischen der Kruste-Mantel-Grenze und etwa 50\,km Tiefe sind besonders schwer zu bestimmen, da tomographische Modelle die Geschwindigkeitsvariationen von seismischen Wellen in diesen Bereichen nicht auflösen. In Tan u.a. (2018) demonstrieren wir, dass die Inversionsmethode Dichteverläufe mit einer lateralen Ausdehnung von 125 km oder weniger ermitteln kann, und somit einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung von subkrustalen Dichteverteilungen im Mantel liefert. Wegen der genetischen Verbindung zwischen Subduktion, Orogenese und Retroarc Vorlandbecken stellt sich die Frage, ob die Annahme eines stationären thermischen Feldes für solch ein dynamisches Modelliergebiet zulässig ist. Um diese Frage zu beantworten wurde zum einen der Einfluss von Subduktion auf das konduktive thermische Feld auf die kontinentale Lithosphäre untersucht. Zum anderen wurde die Abweichung zwischen transientem und stationären thermischen Feld eines gekoppelten geodynamischen Modells untersucht. Beide Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Annahme eines stationären thermischen Felds für den Großteil des Modelliergebiets zulässig ist. Im orogenen Keil, in dem diese Annahme nicht gilt, wurde das transiente thermische Feld mithilfe der erfolgten Untersuchungen abgeschätzt. Entsprechend kann für das Arbeitsgebiet im Vorland das strukturelle Modell aus dem ersten Schritt zur Berechnung des stationären 3D konduktiven thermischen Feldes herangezogen werden. Basierend auf der ermittelten Dichte- und Temperatur-Konfigurationen konnte anschließend die rheologische Konfiguration berechnet werden. Die rheologischen Analysen zeigen, dass die Lithosphäre in Falten- und Überschiebungsgürteln nur eine gerine Festigkeit besitzt und die Kruste Großteil zur integrierten Festigkeit beiträgt. Das benachbarte Vorlandbecken jedoch weist eine vollständig gekoppelte und starke Lithosphäre auf, weshalb Krustenverkürzung nur im vergleichsweise schwachen orogenen Keil aufgenommen werden kann. Daher komme ich zu der Schlussfolgerung, dass die Abscherhorizonte der Falten- und Überschiebungsgürtel die oberflächennahe Fortsetzung von Scherzonen in der duktilen Kruste unterhalb des Orogens sind. Die Lokalisation der Transferzonen zwischen der duktilen Kruste und dem Abscherhorizont sind dabei maßgeblich durch präexistente Schwächezonen in der Kruste beeinflusst. Im zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas ist die Lithosphäre vollständig gekoppelt und durch einen Mantel hoher Festigkeit charakterisiert. Die sehr hohe integrierte lithosphärische Festigkeit des zerbrochenen Vorlands verhindert die Bildung von Störungen durch tektonische Kräfte. Selbst krustenskalige Schwächezonen können die Festigkeit nicht ausreichend reduzieren, weshalb eine thermische Schwächung benötigt wird. Daher spielt der Magmatismus, der in direkter Nachbarschaft zu den Schwächezonen in der Sierras Pampeanas nachgewiesen wurde, eine Schlüsselrolle in der Entstehung des zerbrochenen Vorlands. Diese Hypothese erklärt die große räumliche Distanz zwischen den Vorlandsockelüberschiebungen, sowie die beobachtete zeitliche Verzögerung zwischen Magmatismus und Hebung der Gebirgskämme. Die vorliegende Studie kann somit aufgrund Daten-integrativer Modellierung einen kausalen Zusammenhang zwischen der Lithosphärenstruktur, den beobachteten Deformationsmechanismen und unabhängigen geologischen Beobachtungen herstellen.

Description: Arctic tundra ecosystems are experiencing warming twice the global average and Arctic vegetation is responding in complex and heterogeneous ways. Shifting productivity, growth, species composition, and phenology at local and regional scales have implications for ecosystem functioning as well as the global carbon and energy balance. Optical remote sensing is an effective tool for monitoring ecosystem functioning in this remote biome. However, limited field-based spectral characterization of the spatial and temporal heterogeneity limits the accuracy of quantitative optical remote sensing at landscape scales. To address this research gap and support current and future satellite missions, three central research questions were posed: ? Does canopy-level spectral variability differ between dominant low Arctic vegetation communities and does this variability change between major phenological phases? ? How does canopy-level vegetation colour images recorded with high and low spectral resolution devices relate to phenological changes in leaf-level photosynthetic pigment concentrations? ? How does spatial aggregation of high spectral resolution data from the ground to satellite scale influence low Arctic tundra vegetation signatures and thereby what is the potential of upcoming hyperspectral spaceborne systems for low Arctic vegetation characterization? To answer these questions a unique and detailed database was assembled. Field-based canopy-level spectral reflectance measurements, nadir digital photographs, and photosynthetic pigment concentrations of dominant low Arctic vegetation communities were acquired at three major phenological phases representing early, peak and late season. Data were collected in 2015 and 2016 in the Toolik Lake Research Natural Area located in north central Alaska on the North Slope of the Brooks Range. In addition to field data an aerial AISA hyperspectral image was acquired in the late season of 2016. Simulations of broadband Sentinel-2 and hyperspectral Environmental and Mapping Analysis Program (EnMAP) satellite reflectance spectra from ground-based reflectance spectra as well as simulations of EnMAP imagery from aerial hyperspectral imagery were also obtained. Results showed that canopy-level spectral variability within and between vegetation communities differed by phenological phase. The late season was identified as the most discriminative for identifying many dominant vegetation communities using both groundbased and simulated hyperspectral reflectance spectra. This was due to an overall reduction in spectral variability and comparable or greater differences in spectral reflectance between vegetation communities in the visible near infrared spectrum. Red, green, and blue (RGB) indices extracted from nadir digital photographs and pigmentdriven vegetation indices extracted from ground-based spectral measurements showed strong significant relationships. RGB indices also showed moderate relationships with chlorophyll and carotenoid pigment concentrations. The observed relationships with the broadband RGB channels of the digital camera indicate that vegetation colour strongly influences the response of pigment-driven spectral indices and digital cameras can track the seasonal development and degradation of photosynthetic pigments. Spatial aggregation of hyperspectral data from the ground to airborne, to simulated satellite scale was influenced by non-photosynthetic components as demonstrated by the distinct shift of the red edge to shorter wavelengths. Correspondence between spectral reflectance at the three scales was highest in the red spectrum and lowest in the near infrared. By artificially mixing litter spectra at different proportions to ground-based spectra, correspondence with aerial and satellite spectra increased. Greater proportions of litter were required to achieve correspondence at the satellite scale. Overall this thesis found that integrating multiple temporal, spectral, and spatial data is necessary to monitor the complexity and heterogeneity of Arctic tundra ecosystems. The identification of spectrally similar vegetation communities can be optimized using nonpeak season hyperspectral data leading to more detailed identification of vegetation communities. The results also highlight the power of vegetation colour to link ground-based and satellite data. Finally, a detailed characterization non-photosynthetic ecosystem components is crucial for accurate interpretation of vegetation signals at landscape scales.

Description: Die arktische Erwärmung beeinflusst Produktivität, Wachstums, Artenzusammensetzung, Phänologie und den Reproduktionserfolg arktischer Vegetation, mit Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen sowie auf den globalen Kohlenstoff- und Energiehaushalt. Feldbasierte Messungen und spektrale Charakterisierungen der räumlichen und zeitlichen Heterogenität arktischer Vegetationsgemeinschaften sind limitiert und die Genauigkeit fernerkundlicher Methoden im Landschaftsmaßstab eingeschränkt. Um diese Forschungslücke zu schließen und aktuelle und zukünftige Satellitenmissionen zu unterstützen, wurden drei zentrale Forschungsfragen entwickelt: 1) Wie unterscheidet sich die spektrale Variabilität des Kronendaches zwischen dominanten Vegetationsgemeinschaften der niederen Arktis und wie verändert sich diese Variabilität zwischen den wichtigsten phänologischen Phasen? 2) Wie hängen Aufnahmen der Vegetationsfarbe des Kronendaches von hoch und niedrig auflösenden Geräten mit phänologischen Veränderungen des photosynthetischen Pigmentgehalts auf Blattebene zusammen? 3) Wie beeinflusst die räumliche Aggregation von Daten mit hoher spektraler Auflösung von der Boden- bis zur Satelliten-Skala die arktischen Vegetationssignale der Tundra und welches Potenzial haben zukünftige hyperspektraler Satellitensysteme für die arktische Vegetationscharakterisierung? Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine detaillierte Datenbank aus feldbasierten Daten erstellt und mit hyperspektralen Luftbildern sowie multispektralen Sentinel-2 und simulierten hyperspektralen EnMAP Satellitendaten verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spätsai-son am besten geeignet ist um dominante Vegetationsgemeinschaften mit Hilfe von hyper-spektralen Daten zu identifizieren. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die mit handelsüb-lichen Digitalkameras aufgenommene Vegetationsfarbe pigmentgesteuerte Spektralindizes stark beeinflusst und den Verlauf von photosynthetischen Pigmenten nachverfolgen kann. Die räumliche Aggregation hyperspektraler Daten von der Boden- über die Luft- zur Satelli-tenskala wurde durch nicht-photosynthetische Komponenten beeinflusst und die spektralen Reflexionsvermögen der drei Skalen stimmten im roten Spektrum am höchsten und im nahen Infrarotbereich am niedrigsten überein. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Integration zeitlicher, spektraler und räumlicher Daten notwendig ist, um Komplexität und Heterogenität arktischer Vegetationsreaktionen in Reaktion auf klimatische Veränderungen zu überwachen.

Description: Geomagnetic paleosecular variations (PSVs) are an expression of geodynamo processes inside the Earth’s liquid outer core. These paleomagnetic time series provide insights into the properties of the Earth’s magnetic field, from normal behavior with a dominating dipolar geometry, over field crises, such as pronounced intensity lows and geomagnetic excursions with a distorted field geometry, to the complete reversal of the dominating dipole contribution. Particularly, long-term high-resolution and high-quality PSV time series are needed for properly reconstructing the higher frequency components in the spectrum of geomagnetic field variations and for a better understanding of the effects of smoothing during the recording of such paleomagnetic records by sedimentary archives. In this doctorate study, full vector paleomagnetic records were derived from 16 sediment cores recovered from the southeastern Black Sea. Age models are based on radiocarbon dating and correlations of warming/cooling cycles monitored by high-resolution X-ray fluorescence (XRF) elementary ratios as well as ice-rafted debris (IRD) in Black Sea sediments to the sequence of ‘Dansgaard-Oeschger’ (DO) events defined from Greenland ice core oxygen isotope stratigraphy. In order to identify the carriers of magnetization in Black Sea sediments, core MSM33-55-1 recovered from the southeast Black Sea was subjected to detailed rock magnetic and electron microscopy investigations. The younger part of core MSM33-55-1 was continuously deposited since 41 ka. Before 17.5 ka, the magnetic minerals were dominated by a mixture of greigite (Fe3S4) and titanomagnetite (Fe3-xTixO4) in samples with SIRM/κLF 〉10 kAm-1, or exclusively by titanomagnetite in samples with SIRM/κLF ≤10 kAm-1. It was found that greigite is generally present as crustal aggregates in locally reducing micro-environments. From 17.5 ka to 8.3 ka, the dominant magnetic mineral in this transition phase was changing from greigite (17.5 – ~10.0 ka) to probably silicate-hosted titanomagnetite (~10.0 – 8.3 ka). After 8.3 ka, the anoxic Black Sea was a favorable environment for the formation of non-magnetic pyrite (FeS2) framboids. Aiming to avoid compromising of paleomagnetic data by erroneous directions carried by greigite, paleomagnetic data from samples with SIRM/κLF 〉10 kAm-1, shown to contain greigite by various methods, were removed from obtained records. Consequently, full vector paleomagnetic records, comprising directional data and relative paleointensity (rPI), were derived only from samples with SIRM/κLF ≤10 kAm-1 from 16 Black Sea sediment cores. The obtained data sets were used to create a stack covering the time window between 68.9 and 14.5 ka with temporal resolution between 40 and 100 years, depending on sedimentation rates. At 64.5 ka, according to obtained results from Black Sea sediments, the second deepest minimum in relative paleointensity during the past 69 ka occurred. The field minimum during MIS 4 is associated with large declination swings beginning about 3 ka before the minimum. While a swing to 50°E is associated with steep inclinations (50-60°) according to the coring site at 42°N, the subsequent declination swing to 30°W is associated with shallow inclinations of down to 40°. Nevertheless, these large deviations from the direction of a geocentric axial dipole field (I=61°, D=0°) still can not yet be termed as 'excursional', since latitudes of corresponding VGPs only reach down to 51.5°N (120°E) and 61.5°N (75°W), respectively. However, these VGP positions at opposite sides of the globe are linked with VGP drift rates of up to 0.2° per year in between. These extreme secular variations might be the mid-latitude expression of the Norwegian–Greenland Sea excursion found at several sites much further North in Arctic marine sediments between 69°N and 81°N. At about 34.5 ka, the Mono Lake excursion is evidenced in the stacked Black Sea PSV record by both a rPI minimum and directional shifts. Associated VGPs from stacked Black Sea data migrated from Alaska, via central Asia and the Tibetan Plateau, to Greenland, performing a clockwise loop. This agrees with data recorded in the Wilson Creek Formation, USA., and Arctic sediment core PS2644-5 from the Iceland Sea, suggesting a dominant dipole field. On the other hand, the Auckland lava flows, New Zealand, the Summer Lake, USA., and Arctic sediment core from ODP Site-919 yield distinct VGPs located in the central Pacific Ocean due to a presumably non-dipole (multi-pole) field configuration. A directional anomaly at 18.5 ka, associated with pronounced swings in inclination and declination, as well as a low in rPI, is probably contemporaneous with the Hilina Pali excursion, originally reported from Hawaiian lava flows. However, virtual geomagnetic poles (VGPs) calculated from Black Sea sediments are not located at latitudes lower than 60° N, which denotes normal, though pronounced secular variations. During the postulated Hilina Pali excursion, the VGPs calculated from Black Sea data migrated clockwise only along the coasts of the Arctic Ocean from NE Canada (20.0 ka), via Alaska (18.6 ka) and NE Siberia (18.0 ka) to Svalbard (17.0 ka), then looping clockwise through the Eastern Arctic Ocean. In addition to the Mono Lake and the Norwegian–Greenland Sea excursions, the Laschamp excursion was evidenced in the Black Sea PSV record with the lowest paleointensities at about 41.6 ka and a short-term (~500 years) full reversal centered at 41 ka. These excursions are further evidenced by an abnormal PSV index, though only the Laschamp and the Mono Lake excursions exhibit excursional VGP positions. The stacked Black Sea paleomagnetic record was also converted into one component parallel to the direction expected from a geocentric axial dipole (GAD) and two components perpendicular to it, representing only non-GAD components of the geomagnetic field. The Laschamp and the Norwegian–Greenland Sea excursions are characterized by extremely low GAD components, while the Mono Lake excursion is marked by large non-GAD contributions. Notably, negative values of the GAD component, indicating a fully reversed geomagnetic field, are observed only during the Laschamp excursion. In summary, this doctoral thesis reconstructed high-resolution and high-fidelity PSV records from SE Black Sea sediments. The obtained record comprises three geomagnetic excursions, the Norwegian–Greenland Sea excursion, the Laschamp excursion, and the Mono Lake excursion. They are characterized by abnormal secular variations of different amplitudes centered at about 64.5 ka, 41.0 ka and 34.5 ka, respectively. In addition, the obtained PSV record from the Black Sea do not provide evidence for the postulated 'Hilina Pali excursion' at about 18.5 ka. Anyway, the obtained Black Sea paleomagnetic record, covering field fluctuations from normal secular variations, over excursions, to a short but full reversal, points to a geomagnetic field characterized by a large dynamic range in intensity and a highly variable superposition of dipole and non-dipole contributions from the geodynamo during the past 68.9 to 14.5 ka.

Description: Die geomagnetischen Paläosäkularvarionen sind ein Ausdruck dynamischer Konvektionsprozesse im flüssigen äußeren Erdkern als Quelle des Erdmagnetfeldes, dem Geodynamo. Paläomagnetischen Zeitserien erlauben daher Rückschlüsse auf die veränderlichen Eigenschaften des Erdmagnetfeldes in Raum und Zeit, von stabilen Zuständen mit relativ hoher Feldstärke und dominierender Dipolgeometrie, bei der die magnetischen Pole nur in hohen Breiten migireren, über Feldkrisen wie Intensitätsminima und geomagnetischen Exkursionen mit komplexeren Geomentrien, bishin zur vollständigen und dauerhaften Umpolung des Dipolhauptfeldes. Eine geomagnetische Exkursion, als Extremfall der Paläosekularvariationen, ist charakterisiert durch kurzfristige (〈104 Jahre) Abweichungen der paläomagnetischen Richtungen von der Richtung, die ein geozentrischer axialer Dipol produziert. Die aus paläognetisch bestimmten Richtungen abgeleiteten Positionen des virtuellen geomagnetischen (Nord-) Pols (VGP) liegen dabei per Definition südlich von 45°N. Für diese Doktoarbeit wurden sechzehn Sedimentkerne aus dem Schwarzen Meer herangezogen, um das Verhalten des Erdmagnetfeldes der letzten 70 ka zu untersuchen. Die dabei rekonstruierten Feldvariationen umfassen drei geomagnetische Exkursionen: die 'Norwegian-Greenland Sea excursion' (64.5 ka), die 'Laschamps excursion' (41.0 ka), sowie die 'Mono Lake excursion' (34.5 ka). Alle drei Ereignisse sind mit ausgeprägten Minima in der Feldintensität verbunden. Insbesondere während der 'Laschamps excursion', kam es zu einer kurzfristigen (0.5 ka) aber vollständigen Umpolung, während für die 'Mono Lake excursion' nur ein stark verzerrtes Dipolfeld anzunehmen ist. Die in der Literatur postulierte 'Hilina Pali excursion' (18.5 ka) konnte trotz in diesem Zeitraum zeitlich hochaufgelöster Datenreihen aus dem Schwarzen Meer nicht verifiziert werden. Für sie konnte, ähnlich wie für die 'Norwegian Greenland Sea excursion', lediglich stärker ausgeprägte, zum Teil zeitlich beschleunigte Änderungen in Inklination und Deklination der Magnetfeldrichtung nachgewiesen werden.

Description: Tectonic and climatic boundary conditions determine the amount and the characteristics (size distribution and composition) of sediment that is generated and exported from mountain regions. On millennial timescales, rivers adjust their morphology such that the incoming sediment (Qs,in) can be transported downstream by the available water discharge (Qw). Changes in climatic and tectonic boundary conditions thus trigger an adjustment of the downstream river morphology. Understanding the sensitivity of river morphology to perturbations in boundary conditions is therefore of major importance, for example, for flood assessments, infrastructure and habitats. Although we have a general understanding of how rivers evolve over longer timescales, the prediction of channel response to changes in boundary conditions on a more local scale and over shorter timescales remains a major challenge. To better predict morphological channel evolution, we need to test (i) how channels respond to perturbations in boundary conditions and (ii) how signals reflecting the persisting conditions are preserved in sediment characteristics. This information can then be applied to reconstruct how local river systems have evolved over time. In this thesis, I address those questions by combining targeted field data collection in the Quebrada del Toro (Southern Central Andes of NW Argentina) with cosmogenic nuclide analysis and remote sensing data. In particular, I (1) investigate how information on hillslope processes is preserved in the 10Be concentration (geochemical composition) of fluvial sediments and how those signals are altered during downstream transport. I complement the field-based approach with physical experiments in the laboratory, in which I (2) explore how changes in sediment supply (Qs,in) or water discharge (Qw) generate distinct signals in the amount of sediment discharge at the basin outlet (Qs,out). With the same set of experiments, I (3) study the adjustments of alluvial channel morphology to changes in Qw and Qs,in, with a particular focus in fill-terrace formation. I transfer the findings from the experiments to the field to (4) reconstruct the evolution of a several-hundred meter thick fluvial fill-terrace sequence in the Quebrada del Toro. I create a detailed terrace chronology and perform reconstructions of paleo-Qs and Qw from the terrace deposits. In the following paragraphs, I summarize my findings on each of these four topics. First, I sampled detrital sediment at the outlet of tributaries and along the main stem in the Quebrada del Toro, analyzed their 10Be concentration ([10Be]) and compared the data to a detailed hillslope-process inventory. The often observed non-linear increase in catchment-mean denudation rate (inferred from [10Be] in fluvial sediment) with catchment-median slope, which has commonly been explained by an adjustment in landslide-frequency, coincided with a shift in the main type of hillslope processes. In addition, the [10Be] in fluvial sediments varied with grain-size. I defined the normalized sand-gravel-index (NSGI) as the 10Be-concentration difference between sand and gravel fractions divided by their summed concentrations. The NSGI increased with median catchment slope and coincided with a shift in the prevailing hillslope processes active in the catchments, thus making the NSGI a potential proxy for the evolution of hillslope processes over time from sedimentary deposits. However, the NSGI recorded hillslope-processes less well in regions of reduced hillslope-channel connectivity and, in addition, has the potential to be altered during downstream transport due to lateral sediment input, size-selective sediment transport and abrasion. Second, my physical experiments revealed that sediment discharge at the basin outlet (Qs,out) varied in response to changes in Qs,in or Qw. While changes in Qw caused a distinct signal in Qs,out during the transient adjustment phase of the channel to new boundary conditions, signals related to changes in Qs,in were buffered during the transient phase and likely only become apparent once the channel is adjusted to the new conditions. The temporal buffering is related to the negative feedback between Qs,in and channel-slope adjustments. In addition, I inferred from this result that signals extracted from the geochemical composition of sediments (e.g., [10Be]) are more likely to represent modern-day conditions during times of aggradation, whereas the signal will be temporally buffered due to mixing with older, remobilized sediment during times of channel incision. Third, the same set of experiments revealed that river incision, channel-width narrowing and terrace cutting were initiated by either an increase in Qw, a decrease in Qs,in or a drop in base level. The lag-time between the external perturbation and the terrace cutting determined (1) how well terrace surfaces preserved the channel profile prior to perturbation and (2) the degree of reworking of terrace-surface material. Short lag-times and well preserved profiles occurred in cases with a rapid onset of incision. Also, lag-times were synchronous along the entire channel after upstream perturbations (Qw, Qs,in), whereas base-level fall triggered an upstream migrating knickzone, such that lag-times increased with distance upstream. Terraces formed after upstream perturbations (Qw, Qs,in) were always steeper when compared to the active channel in new equilibrium conditions. In the base-level fall experiment, the slope of the terrace-surfaces and the modern channel were similar. Hence, slope comparisons between the terrace surface and the modern channel can give insights into the mechanism of terrace formation. Fourth, my detailed terrace-formation chronology indicated that cut-and-fill episodes in the Quebrada del Toro followed a ~100-kyr cyclicity, with the oldest terraces ~ 500 kyr old. The terraces were formed due to variability in upstream Qw and Qs. Reconstructions of paleo-Qs over the last 500 kyr, which were restricted to times of sediment deposition, indicated only minor (up to four-fold) variations in paleo-denudation rates. Reconstructions of paleo-Qw were limited to the times around the onset of river incision and revealed enhanced discharge from 10 to 85% compared to today. Such increases in Qw are in agreement with other quantitative paleo-hydrological reconstructions from the Eastern Andes, but have the advantage of dating further back in time.

Description: Tektonische und klimatische Bedingungen bestimmen die Menge, Größenverteilung und Zusammensetzung von Sedimenten, welche in Gebirgsregionen produziert und von dort exportiert werden. Über Jahrtausende hinweg passen Flüsse ihre Morphologie an, um den Sedimenteintrag (Qs,in) mit dem verfügbaren Wasserabfluss (Qw) flussabwärts zu transportieren. Änderungen in den klimatischen oder tektonischen Randbedingungen lösen flussabwärts eine Anpassung der Flussmorphologie aus. Ein besseres Verständnis darüber, wie sensitiv Flüsse auf Perturbationen in den Randbedingungen reagieren, ist entscheidend, um beispielsweise Überflutungspotential besser abschätzen zu können. Obwohl wir generell ein gutes Verständnis für die Entwicklung von Flüssen auf langen Zeitskalen haben, können wir durch veränderte Randbedingungen ausgelöste Flussdynamiken lokal und auf kurzen Zeitskalen nur schwer vorhersagen. Um die Entwicklung der Flussmorphologie besser zu verstehen, beziehungsweise vorhersagen zu können, müssen wir testen, (1) wie Flüsse auf veränderte Randbedingungen reagieren und (2) wie Signale, welche die vorherschenden Bedingungen reflektieren, in Sedimenten konserviert werden. Diese Informationen können wir nutzen, um die Entwicklung von lokalen Flusssystemen zu rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit adressiere ich diese Fragen durch die Analyse von kosmogenen Nukleiden und Fernerkundungsdaten in der Quebrada del Toro (südliche Zentralanden in NW Argentinien). Insbesondere untersuche ich, wie (1) Informationen über Hangprozesse in der 10Be Konzentration (geochemische Zusammensetzung) von Flusssedimenten gespeichert werden und wie diese Signale durch den Transport flussabwärts überprägt werden. Ich ergänze diesen geländebasierten Ansatz mit physikalischen Experimenten im Labor, mit welchen ich untersuche, wie (2) Veränderungen in der Sedimentzufuhr (Qs,in) oder der Abflussmenge (Qw) eindeutige Signale in der Menge an Sedimentaustrag (Qs,out) am Beckenauslass generieren. Mit denselben Experimenten untersuche ich (3) die Anpassung der Flussmorphologie auf Veränderungen in Qw und Qs,in mit einem speziellen Fokus auf der Entstehung von Flussterrassen. Ich übertrage die Erkenntnisse von den Experimenten ins Gelände und (4) rekonstruiere die Entstehung von einer mehreren hundert Meter mächtigen Terrassensequenz in der Quebrada del Toro. Ich erstelle eine detaillierte Terrassenchronologie und führe mit Hilfe der Terrassenablagerungen Rekonstruktion von Qs und Qw für die Vergangenheit durch. In den folgenden Paragraphen fasse ich meine Ergebnisse zu den vier Forschungsschwerpunkten dieser Arbeit zusammen. Erstens habe ich Flusssedimente an den Mündungen von Nebenflüssen, sowie entlang des Hauptflusses in der Quebrada del Toro beprobt, die jeweilige 10Be Konzentration ([10Be]) bestimmt und die Daten mit einem detaillierten Hangprozess-Inventar verglichen. Der häufig beobachtete, nicht-lineare Anstieg der durchschnittlichen Denudationsrate des Einzugsgebietes (abgeleitet aus der [10Be] der Flusssedimente) mit der Hangneigung eines Einzugsgebietes fiel mit einer Verschiebung der wesentlichen, aktiven Hangprozesse zusammen. Zusätzlich variierte die [10Be] der Flusssedimente mit den Korngrößen. Ich habe den normalisierten Sand-Schotter-Index (NSGI) definiert, welcher sich aus der Differenz der [10Be] zwischen der Sand- und der Kiesfraktion, geteilt durch ihre summierte Konzentration, berechnet. Der NSGI stieg mit dem Median der Hangneigung eines Einzugsgebietes und fiel wiederum mit einer Verschiebung der vorherrschenden Hangprozesse im jeweiligen Einzugsgebiet zusammen. Diese Beobachtung qualifiziert den NSGI als einen potentiellen Proxy, um die Entwicklung von Hangprozessen über die Zeit aus Sedimentablagerungen zu rekonstruieren. Es ist jedoch einzuschränken, dass der NSGI durch den Transport flussabwärts auf Grund von temporärer Sedimentablagerung, lateraler Sedimentzufuhr, größenselektivem Sedimenttransport und Abrasion überprägt werden kann. Zweitens haben die Laborexperimente gezeigt, dass der Sedimentaustrag am Beckenauslass (Qs,out) auf Grund von Veränderungen in Qs,in oder Qw variiert. Während Veränderungen in Qw ein eindeutiges Signal in Qs,out während der transienten Anpassungsphase des Flusses an die neuen Randbedingungen hervorriefen, wurden durch Qs,in ausgelöste Signale während der transienten Anpassungsphase gepuffert. Sie werden vermutlich erst sichtbar, nachdem der Fluss sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. Das zeitliche Puffern ist mit der negativen Rückkopplung zwischen Qs,in und dem Flussgradienten zu erklären. Zusätzlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich Signale, welche in der geochemischen Zusammenstzung von Sediment gespeichert sind (z.B. [10Be]), in Phasen der Flussaufschotterung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit die heutigen Bedingungen repräsentieren. Dagegen sind Signale in Zeiten der Flusseinschneidung aufgrund von Mischung mit älteren, remobilisierten Sedimenten gepuffert. Drittens haben dieselben Experimente gezeigt, dass Flusseinschneidung, Flussbettverengung sowie Terrassenbildung entweder durch eine Zunahme an Qw, eine Abnahme in Qs,in oder durch ein Absinken der Flussbasis initiiert werden konnte. Die Zeitverzögerung zwischen der Perturbation der Randbedingungen und der Terrassenformation bestimmt (1) wie gut Terrassenoberflächen das Flussprofil vom Zeitpunkt unmittelbar vor der Störung representieren und (2) den Grad an Umschichtung des Terrassenoberflächenmaterials. Kurze Verzögerungszeiten und gut erhaltende Profile konnten in Fällen eines schnellen Einsetzens der Flusseinschneidung beobachtet werden. Außerdem waren die Verzögerungszeiten entlang des Flusslaufes synchron im Falle einer Perturbation im Flussoberlauf (Qw, Qs,in), während ein Abfallen der Flussbasis einen flussaufwärts migrierenden Knickpunkt ausgelöst hat, sodass die Verzögerungszeiten in flussaufwärts Richtung zunahmen. Terrassen, welche durch Perturbationen im Flussoberlauf (Qw, Qs,in) gebildet wurden, waren steiler im Vergleich zum aktiven Fluss, nachdem dieser sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. In dem Experiment, bei welchem die Flussbasis abgesenkt wurde, waren die Neigung der Terrassenoberflächen und des aktiven Flussesbettes ähnlich. Daher können Vergleiche zwischen der Neigung der Terrassenoberflächen mit dem aktiven Flussbett auf den Mechanismus der Terrassenformation hinweisen. Viertens hat die detaillierte Terrassenchronologie gezeigt, dass die Einschneide-und-Ablagerungsepisoden in der Quebrada del Toro einem ~100 ka Zyklus folgen, beginnend mit der ersten Terrasse vor ca. 500 ka. Die Terrassen wurden durch Variabilität in Qw und Qs,in gebildet. Rekonstruktionen von Qs über die letzten 500 ka, beschränkt auf die Zeiten von Sedimentablagerung, zeigten eine eher geringe Variabilität (maximal vierfach) in Denudationsraten an. Rekonstruktionen des Abflusses waren beschränkt auf die Zeitpunkte um das Einsetzen der Flusseinschneidung herum und deuteten auf vermehrten Abfluss zwischen 10 und 85% im Vergleich zu heutigen Bedingungen hin. Vermehrter Abfluss in dieser Größenordnung stimmt mit anderen quantitativen Rekonstruktionen zur Hydrologie der Ost-Anden überein, diese Methode hat jedoch den Vorteil, dass sie zeitlich weiter zurück reicht.

Description: Continental rift systems open up unique possibilities to study the geodynamic system of our planet: geodynamic localization processes are imprinted in the morphology of the rift by governing the time-dependent activity of faults, the topographic evolution of the rift or by controlling whether a rift is symmetric or asymmetric. Since lithospheric necking localizes strain towards the rift centre, deformation structures of previous rift phases are often well preserved and passive margins, the end product of continental rifting, retain key information about the tectonic history from rift inception to continental rupture. Current understanding of continental rift evolution is based on combining observations from active rifts with data collected at rifted margins. Connecting these isolated data sets is often accomplished in a conceptual way and leaves room for subjective interpretation. Geodynamic forward models, however, have the potential to link individual data sets in a quantitative manner, using additional constraints from rock mechanics and rheology, which allows to transcend previous conceptual models of rift evolution. By quantifying geodynamic processes within continental rifts, numerical modelling allows key insight to tectonic processes that operate also in other plate boundary settings, such as mid ocean ridges, collisional mountain chains or subduction zones. In this thesis, I combine numerical, plate-tectonic, analytical, and analogue modelling approaches, whereas numerical thermomechanical modelling constitutes the primary tool. This method advanced rapidly during the last two decades owing to dedicated software development and the availability of massively parallel computer facilities. Nevertheless, only recently the geodynamical modelling community was able to capture 3D lithospheric-scale rift dynamics from onset of extension to final continental rupture. The first chapter of this thesis provides a broad introduction to continental rifting, a summary of the applied rift modelling methods and a short overview of previews studies. The following chapters, which constitute the main part of this thesis feature studies on plate boundary dynamics in two and three dimension followed by global scale analyses (Fig. 1). Chapter II focuses on 2D geodynamic modelling of rifted margin formation. It highlights the formation of wide areas of hyperextended crustal slivers via rift migration as a key process that affected many rifted margins worldwide. This chapter also contains a study of rift velocity evolution, showing that rift strength loss and extension velocity are linked through a dynamic feed-back. This process results in abrupt accelerations of the involved plates during rifting illustrating for the first time that rift dynamics plays a role in changing global-scale plate motions. Since rift velocity affects key processes like faulting, melting and lower crustal flow, this study also implies that the slow-fast velocity evolution should be imprinted in rifted margin structures. Chapter III relies on 3D Cartesian rift models in order to investigate various aspects of rift obliquity. Oblique rifting occurs if the extension direction is not orthogonal to the rift trend. Using 3D lithospheric-scale models from rift initialisation to breakup I could isolate a characteristic evolution of dominant fault orientations. Further work in Chapter III addresses the impact of rift obliquity on the strength of the rift system. We illustrate that oblique rifting is mechanically preferred over orthogonal rifting, because the brittle yielding requires a lower tectonic force. This mechanism elucidates rift competition during South Atlantic rifting, where the more oblique Equatorial Atlantic Rift proceeded to breakup while the simultaneously active but less oblique West African rift system became a failed rift. Finally this Chapter also investigates the impact of a previous rift phase on current tectonic activity in the linkage area of the Kenyan with Ethiopian rift. We show that the along strike changes in rift style are not caused by changes in crustal rheology. Instead the rift linkage pattern in this area can be explained when accounting for the thinned crust and lithosphere of a Mesozoic rift event. Chapter IV investigates rifting from the global perspective. A first study extends the oblique rift topic of the previous chapter to global scale by investigating the frequency of oblique rifting during the last 230 million years. We find that approximately 70% of all ocean-forming rift segments involved an oblique component of extension where obliquities exceed 20°. This highlights the relevance of 3D approaches in modelling, surveying, and interpretation of many rifted margins. In a final study, we propose a link between continental rift activity, diffuse CO2 degassing and Mesozoic/Cenozoic climate changes. We used recent CO2 flux measurements in continental rifts to estimate worldwide rift-related CO2 release, which we based on the global extent of rifts through time. The first-order correlation to paleo-atmospheric CO2 proxy data suggests that rifts constitute a major element of the global carbon cycle.

Description: Kontinentale Grabensysteme eröffnen einzigartige Einsichten in das geodynamische System unseres Planeten: Geodynamische Lokalisierungs-prozesse prägen die Morphologie von Riftsystemen, indem sie die zeitabhängige Aktivität von Störungen, die topographische Entwicklung des Rifts oder dessen Symmetrieentwicklung kontrollieren. Da die Verformung oft in Richtung des Riftzentrums lokalisiert, sind die Deformationsstrukturen früherer Riftphasen meist gut erhalten und passive Ränder, die Endprodukte kontinentalen Riftings, beinhalten wichtige Informationen über die tektonische Geschichte vom Riftbeginn bis zum kontinentalen Zerbrechen. Unser gegenwärtiges Verständnis der Riftentwicklung basiert auf der Kombination von Beobachtungen in aktiven Rifts mit Informationen, die an passiven Kontinental-rändern gesammelt wurden. Die Einbindung dieser isolierten Datensätze erfolgt oft konzeptionell und lässt Raum für subjektive Interpretationen. Geodynamische Vorwärtsmodelle haben jedoch das Potenzial, einzelne Datensätze quantitativ zu verknüpfen, wobei zusätzliche Informationen aus der Gesteinsmechanik und Rheologie verwendet werden, die es ermöglichen, frühere konzeptionelle Riftmodelle weiter zu entwickeln. In dieser Arbeit kombiniere ich numerische, plattentektonische, analytische und analoge Modellierungsansätze, wobei die numerische thermomechanische Modellierung das primäre Werkzeug darstellt. Diese Methode hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund dedizierter Softwareentwicklung und der Verfügbarkeit von massiv parallelisierten Supercomputern sehr schnell entwickelt. Dennoch gelang es der geodynamischen Modellierungsgemeinschaft erst vor kurzem, die dreidimensionale lithosphärenskalige Riftentwicklung vom Beginn der Dehnung bis zum endgültigen Zerbrechen eines Kontinents zu erfassen. Meine Habilitationsschrift beinhaltet eine Einführung in kontinentale Rifttektonik, eine Zusammenfassung der angewendeten Modellierungsmethoden und einen kurzen Überblick über Vorstudien. In dem Hauptteil dieser Arbeit werden Untersuchungen auf Plattenrandskala in zwei und drei Dimensionen durchgeführt, gefolgt von globalen Analysen der Riftentwicklung. Dabei beschreibe ich die Bildung extrem ausgedehnter kontinentaler Kruste, die an vielen gerifteten Kontinentalrändern beobachtet wurde, die Rückkopplung zwischen Riftdynamik und Plattenbewegungen, der Wirkung von Riftschrägheit und tektonischer Vererbung auf die Riftarchitektur sowie den Einfluss von Riftsystemen auf CO2-Entgasung in Bezug auf die paläoklimatische Entwicklung der Erde seit dem Zerbrechen Pangäas.

Description: Natural extreme events are an integral part of nature on planet earth. Usually these events are only considered hazardous to humans, in case they are exposed. In this case, however, natural hazards can have devastating impacts on human societies. Especially hydro-meteorological hazards have a high damage potential in form of e.g. riverine and pluvial floods, winter storms, hurricanes and tornadoes, which can occur all over the globe. Along with an increasingly warm climate also an increase in extreme weather which potentially triggers natural hazards can be expected. Yet, not only changing natural systems, but also changing societal systems contribute to an increasing risk associated with these hazards. These can comprise increasing exposure and possibly also increasing vulnerability to the impacts of natural events. Thus, appropriate risk management is required to adapt all parts of society to existing and upcoming risks at various spatial scales. One essential part of risk management is the risk assessment including the estimation of the economic impacts. However, reliable methods for the estimation of economic impacts due to hydro-meteorological hazards are still missing. Therefore, this thesis deals with the question of how the reliability of hazard damage estimates can be improved, represented and propagated across all spatial scales. This question is investigated using the specific example of economic impacts to companies as a result of riverine floods in Germany. Flood damage models aim to describe the damage processes during a given flood event. In other words they describe the vulnerability of a specific object to a flood. The models can be based on empirical data sets collected after flood events. In this thesis tree-based models trained with survey data are used for the estimation of direct economic flood impacts on the objects. It is found that these machine learning models, in conjunction with increasing sizes of data sets used to derive the models, outperform state-of-the-art damage models. However, despite the performance improvements induced by using multiple variables and more data points, large prediction errors remain at the object level. The occurrence of the high errors was explained by a further investigation using distributions derived from tree-based models. The investigation showed that direct economic impacts to individual objects cannot be modeled by a normal distribution. Yet, most state-of-the-art approaches assume a normal distribution and take mean values as point estimators. Subsequently, the predictions are unlikely values within the distributions resulting in high errors. At larger spatial scales more objects are considered for the damage estimation. This leads to a better fit of the damage estimates to a normal distribution. Consequently, also the performance of the point estimators get better, although large errors can still occur due to the variance of the normal distribution. It is recommended to use distributions instead of point estimates in order to represent the reliability of damage estimates. In addition current approaches also mostly ignore the uncertainty associated with the characteristics of the hazard and the exposed objects. For a given flood event e.g. the estimation of the water level at a certain building is prone to uncertainties. Current approaches define exposed objects mostly by the use of land use data sets. These data sets often show inconsistencies, which introduce additional uncertainties. Furthermore, state-of-the-art approaches also imply problems of missing consistency when predicting the damage at different spatial scales. This is due to the use of different types of exposure data sets for model derivation and application. In order to face these issues a novel object-based method was developed in this thesis. The method enables a seamless estimation of hydro-meteorological hazard damage across spatial scales including uncertainty quantification. The application and validation of the method resulted in plausible estimations at all spatial scales without overestimating the uncertainty. Mainly newly available data sets containing individual buildings make the application of the method possible as they allow for the identification of flood affected objects by overlaying the data sets with water masks. However, the identification of affected objects with two different water masks revealed huge differences in the number of identified objects. Thus, more effort is needed for their identification, since the number of objects affected determines the order of magnitude of the economic flood impacts to a large extent. In general the method represents the uncertainties associated with the three components of risk namely hazard, exposure and vulnerability, in form of probability distributions. The object-based approach enables a consistent propagation of these uncertainties in space. Aside from the propagation of damage estimates and their uncertainties across spatial scales, a propagation between models estimating direct and indirect economic impacts was demonstrated. This enables the inclusion of uncertainties associated with the direct economic impacts within the estimation of the indirect economic impacts. Consequently, the modeling procedure facilitates the representation of the reliability of estimated total economic impacts. The representation of the estimates' reliability prevents reasoning based on a false certainty, which might be attributed to point estimates. Therefore, the developed approach facilitates a meaningful flood risk management and adaptation planning. The successful post-event application and the representation of the uncertainties qualifies the method also for the use for future risk assessments. Thus, the developed method enables the representation of the assumptions made for the future risk assessments, which is crucial information for future risk management. This is an important step forward, since the representation of reliability associated with all components of risk is currently lacking in all state-of-the-art methods assessing future risk. In conclusion, the use of object-based methods giving results in the form of distributions instead of point estimations is recommended. The improvement of the model performance by the means of multi-variable models and additional data points is possible, but small. Uncertainties associated with all components of damage estimation should be included and represented within the results. Furthermore, the findings of the thesis suggest that, at larger scales, the influence of the uncertainty associated with the vulnerability is smaller than those associated with the hazard and exposure. This leads to the conclusion that for an increased reliability of flood damage estimations and risk assessments, the improvement and active inclusion of hazard and exposure, including their uncertainties, is needed in addition to the improvements of the models describing the vulnerability of the objects.

Description: Extreme Naturereignisse sind ein integraler Bestandteil der Natur der Erde. Sie werden erst dann zu Gefahren für die Gesellschaft, wenn sie diesen Ereignissen ausgesetzt ist. Dann allerdings können Naturgefahren verheerende Folgen für die Gesellschaft haben. Besonders hydro-meteorologische Gefahren wie zum Beispiel Flusshochwasser, Starkregenereignisse, Winterstürme, Orkane oder Tornados haben ein hohes Schadenspotential und treten rund um den Globus auf. Einhergehend mit einer immer wärmer werdenden Welt, werden auch Extremwetterereignisse, welche potentiell Naturgefahren auslösen können, immer wahrscheinlicher. Allerdings trägt nicht nur eine sich verändernde Umwelt zur Erhöhung des Risikos von Naturgefahren bei, sondern auch eine sich verändernde Gesellschaft. Daher ist ein angemessenes Risikomanagement erforderlich um die Gesellschaft auf jeder räumlichen Ebene an diese Veränderungen anzupassen. Ein essentieller Bestandteil dieses Managements ist die Abschätzung der ökonomischen Auswirkungen der Naturgefahren. Bisher allerdings fehlen verlässliche Methoden um die Auswirkungen von hydro-meteorologischen Gefahren abzuschätzen. Ein Hauptbestandteil dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methode, welche die Verlässlichkeit der Schadensschätzung verbessert. Die Methode wurde beispielhaft zur Schätzung der ökonomischen Auswirkungen eines Flusshochwassers auf einzelne Unternehmen bis hin zu den Auswirkungen auf das gesamte Wirtschaftssystem Deutschlands erfolgreich angewendet. Bestehende Methoden geben meist wenig Information über die Verlässlichkeit ihrer Schätzungen. Da diese Informationen Entscheidungen zur Anpassung an das Risiko erleichtern, wird die Verlässlichkeit der Schadensschätzungen mit der neuen Methode dargestellt. Die Verlässlichkeit bezieht sich dabei nicht nur auf die Schadensschätzung selber, sondern auch auf die Annahmen, die über betroffene Gebäude gemacht werden. Nach diesem Prinzip kann auch die Verlässlichkeit von Annahmen über die Zukunft dargestellt werden, dies ist ein wesentlicher Aspekt für Prognosen. Die Darstellung der Verlässlichkeit und die erfolgreiche Anwendung zeigt das Potential der Methode zur Verwendung von Analysen für gegenwärtige und zukünftige hydro-meteorologische Gefahren.

Description: This dissertation combines field and geochemical observations and analyses with numerical modeling to understand the formation of vein-hosted Sn-W ore in the Panasqueira deposit of Portugal, which is among the ten largest worldwide. The deposit is located above a granite body that is altered by magmatic-hydrothermal fluids in its upper part (greisen). These fluids are thought to be the source of metals, but that was still under debate. The goal of this study is to determine the composition and temperature of hydrothermal fluids at Panasqueira, and with that information to construct a numerical model of the hydrothermal system. The focus is on analysis of the minerals tourmaline and white mica, which formed during mineralization and are widespread throughout the deposit. Tourmaline occurs mainly in alteration zones around mineralized veins and is less abundant in the vein margins. White mica is more widespread. It is abundant in vein margins as well as alteration zones, and also occurs in the granite greisen. The laboratory work involved in-situ microanalysis of major- and trace elements in tourmaline and white mica, and boron-isotope analysis in both minerals by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The boron-isotope composition of tourmaline and white mica suggests a magmatic source. Comparison of hydrothermally-altered and unaltered rocks from drill cores shows that the ore metals (W, Sn, Cu, and Zn) and As, F, Li, Rb, and Cs were introduced during the alteration. Most of these elements are also enriched in tourmaline and mica, which confirms their potential value as exploration guides to Sn-W ores elsewhere. The thermal evolution of the hydrothermal system was estimated by B-isotope exchange thermometry and the Ti-in-quartz method. Both methods yielded similar temperatures for the early hydrothermal phase: 430° to 460°C for B-isotopes and 503° ± 24°C for Ti-in-quartz. Mineral pairs from a late fault zone yield significantly lower median temperatures of 250°C. The combined results of thermometry with variations in chemical and B-isotope composition of tourmaline and mica suggest that a similar magmatic-hydrothermal fluid was active at all stages of mineralization. Mineralization in the late stage shows the same B-isotope composition as in the main stage despite a ca. 250°C cooling, which supports a multiple injection model of magmatic-hydrothermal fluids. Two-dimensional numerical simulations of convection in a multiphase NaCl hydrothermal system were conducted: (a) in order to test a new approach (lower dimensional elements) for flow through fractures and faults and (b) in order to identify conditions for horizontal fluid flow as observed in the flat-lying veins at Panasqueira. The results show that fluid flow over an intrusion (heat and fluid source) develops a horizontal component if there is sufficient fracture connectivity. Late, steep fault zones have been identified in the deposit area, which locally contain low-temperature Zn-Pb mineralization. The model results confirm that the presence of subvertical faults with enhanced permeability play a crucial role in the ascent of magmatic fluids to the surface and the recharge of meteoric waters. Finally, our model results suggest that recharge of meteoric fluids and mixing processes may be important at later stages, while flow of magmatic fluids dominate the early stages of the hydrothermal fluid circulation.

Description: In dieser Dissertation werden Feldbeobachtungen und geochemische Analysen mit numerischer Modellierung kombiniert, um die Bildung von Sn-W-Cu- Mineralisation in der Erzlagerstätte Panasqueira in Portugal zu verstehen. Panasqueira gehört zu den 10 größten Sn-W Lagerstätten weltweit, sie befindet sich oberhalb eines Granitkörpers, der im oberen Bereich durch magmatisch-hydrothermale Fluide alteriert ist (Greisenbildung). Es wird postuliert, dass magmatisch Fluide die Quelle für Metalle sind, das wurde aber bislang nicht eindeutig bestätigt. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, die Zusammensetzung und Temperatur der hydrothermalen Fluide in Panasqueira zu bestimmen und mit diesen Informationen ein numerisches Modell des hydrothermalen Systems zu erstellen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Turmalin und Hellglimmer, welche bei der Mineralisation gebildet wurden und in der gesamten Lagerstätte weit verbreitet sind. Turmalin kommt hauptsächlich in Alterationszonen um die vererzten Quarzgänge vor, sowie weniger häufig im Randbereich der Gänge. Hellglimmer dagegen ist stärker verbreitet. Es kommt sowohl in Quarzgangrändern und Alterationszonen vor als auch im Greisenkörper. Die Laborarbeiten umfassten in-situ Mikroanalytik der Haupt- und Spurenelementgehalte von Turmalin und Hellglimmer sowie die Analyse der Bor-isotopen in beiden Mineralen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Die Bor-Isotopenzusammensetzung von Turmalin und Hellglimmer deuten auf eine magmatische Quelle hin. Der Vergleich von hydrothermal-überprägten mit unveränderten Gesteinsproben aus Bohrkernen zeigt, dass die Erzmetalle (W, Sn, Cu, Zn) sowie As, F, Li, Rb und Cs während der Alteration hinzugefügt wurden. Die meisten dieser Elemente sind auch in Turmalin und Glimmer angereichert, womit ihre Nützlichkeit als Explorationshilfe für Sn-W-Erze in anderen Gebieten bestätigt wird. Die thermische Entwicklung des Hydrothermalsystems wurde durch B-Isotopenaustausch-Thermometrie sowie durch die Ti-in-Quarz- Methode bestimmt. Beide Methoden ergaben für die frühe Hydrothermalphase ähnliche Temperaturen: 430° - 460°C für B-Isotope und 503° ± 24°C für Ti-in-Quarz. Mineral Paare aus einer späten Verwerfungszone ergaben deutlich niedrigere B-Isotopentemperaturen von durchschnittlich 250°C. Die Kombination der Thermometrie mit den chemischen und B-Isotopenvariationen in Turmalin und Glimmer deutet darauf hin, dass ein ähnliches magmatisch-hydrothermales Fluid in allen Mineralisierungsstufen beteiligt war. Die Mineralisierung im späten Stadium zeigt dieselbe B-Isotopenzusammensetzung wie die Hauptphase trotz der Abkühlung um ca. 250°C, was ein Mehrfachinjektionsmodell des magmatisch-hydrothermalen Fluids unterstützt. Zwei-dimensionale numerische Simulationen der Konvektion in einem mehrphasen NaCl System wurden durchgeführt um: a) eine neue Methode (lower dimensional elements) für hydrothermales Fließen durch Brüche und Störungszonen zu testen und b) die Voraussetzungen für die in Panasqueira dominierende horizontale Fluidbewegung in den flach liegenden Gängen zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Fluidströmungen immer dann eine starke horizontale Komponente haben wenn ausreichende Bruchverbindungen im Gestein vorhanden sind. Späte, steile Bruchzonen sind in der Umgebung der Lagerstätte identifiziert worden, welche lokal niedrig-temperierte Zn-Pb Mineralisierungen führen. Die Modellergebnisse bestätigen, dass das Vorhandensein subvertikaler Störungszonen mit höherer Permeabilität eine entscheidende Rolle für den Aufstieg magmatischer Fluide zur Oberfläche und das Eindringen von meteorischen Fluiden spielen. Schließlich schlagen unsere Simulationsergebnisse vor, dass das Eindringen meteorischer Fluide und Mischungsprozesse in späteren Phasen der hydrothermalen Zirkulation wichtig sind, während magmatische Fluide in frühen Phasen dominieren.

Description: The branch of seismology that deals with strong motion refers to seismic events that are hazardous to society in general.Two aspects drive the development in strong-motion seismology: First comes the societal need to understand the earth-quake hazard and to mitigate the associated risk. While the hazard changed little during human history, the risk in-creases steadily. A growing population—also in the most earthquake-prone regions of the world—and a more and morevulnerable infrastructure contribute to higher exposure to seismic events and higher vulnerability in case an earthquakestruck. The second driver in strong-motion seismology is shared with many other fields: the technological advancement.The available options for processing more and more data is unprecedented in human history and are still not exhausted.Both drivers also pose new challenges as in how to interpret and make use of the data.The scientific question, on the other hand, is clear: What can we learn from the rupture process (the source of earth-quakes), Earth’s structure (the medium through which seismic wave travels), and their interactions (how does an earth-quake affect its surrounding medium)? The question is broad and this thesis can focus only for specific aspects of thisquestion and provide answers for them. To reach the answers, I developed several new algorithms and models, all rootedin the concept of the likelihood function.Seismicity (and population alike) is concentrated along the tectonic plate boundaries. Different earthquake typesoccur at these boundaries and their characteristics in terms of ground shaking are considerably different. It is thereforeimportant to classify earthquakes according to their style of faulting. This classification is the objective of ACE (angularclusterization with expectation-maximization). Founded on the geomechanical principles, ACE provides earthquakeclassifications which can be applied not only for ground-motion related topics but also to study the Earth’s stress field.The development of reliable ground-motion models requires waveform data of high quality. Instrument related errorscan compromise the data quality, however, with large archives of waveform data, the correction for spurious s cannot behandled manually anymore. To alleviate the effect of instrument related data shifts, I developed the integrated combinedbaseline modification (ICBM). This routine is implemented during the data pre-processing and is particularly necessarywhen determining integrated quantities from acceleration records, such as coseismic displacement and radiated seismicenergy.Radiated seismic energy plays a major role in the development of a new type of ground-motion model that uses thesite-dependent energy estimates to model the seismic radiation pattern at lower frequencies of the earthquake amplitudespectrum. This kind of ground-motion model performs better when relating ground motion to earthquake triggeredlandslides, which is demonstrated with the landslides triggered by the 2016MW7.1 Kumamoto earthquake which struckcentral Kyushu (Japan). In this case study, it is also shown that the landslide movement direction is to some extent linkedto the seismic wave polarization.The preferred mathematical model in ground-motion model development is the mixed-effect model. However, themost widely used formalism does not allow data weighting beyond directly related measurement errors and weightsderived from ACE would inadvertently bias the model. To overcome this problem, I derived the model estimators onthe basis of the weighted likelihood. The derivation is exhaustive to allow for any of the currently used model types onthe basis of mixed effects to be augmented with data weighting. This formalism in connection with ACE allows for atransparent model development and also avoids model choices on subjective expert judgment

Description: Der Teil der Seismologie, der sich mit starker Bodenbewegung beschäftigt, bezieht sich auf seismische Ereignisse, dieallgemein ein Gefahrenpotenzial für die Gesellschaft darstellen. Die Seismologie der starken Bodenbewegung wird vonzwei Aspekten angetrieben: An erster Stelle kommt die gesellschaftliche Notwendigkeit, die Erdbebengefährdung zuverstehen und das damit verbundene Risiko zu vermeiden. Während die Gefährdung durch Erdbeben kaum Änderun-gen in der Geschichte der Menschheit unterlag, so wächst das Risiko andererseits kontinuierlich an. Eine wachsendeBevölkerung, insbesondere in den am stärksten von Erdbeben geprägten Regionen der Welt, und eine mehr und mehrstörungsanfällige Infrastruktur, tragen dazu bei, seismische Ereignissen vermehrt ausgesetzt zu sein, bei gleichzeitighöherem Schadenspotenzial. Der zweite Antrieb in der Seismologie wird mit vielen anderen Forschungsfeldern geteilt:der technische Fortschritt. Die verfügbaren Möglichkeiten beim Verarbeiten immer größerer Datenmengen sindbeispiellos in der Geschichte und sind bisher noch nicht erschöpft. Beide Triebfedern stellen aber auch neue Heraus-forderungen dar, inwiefern die Daten zu interpretieren sind und wie man sie nutzbar macht.Andererseits ist die wissenschaftliche Frage klar: Was können wir aus Bruchprozessen (als Erdbebenursachen), demAuf bau der Erde (als Medium, durch welches sich die seismischen Wellen ausbreiten), sowie deren Interaktion (inwiefernbeeinflusst das Beben das umgebende Gesteinsmedium)? Diese Frage ist breit gestellt und diese Abhandlung kann sichletztlich nur auf einige Punkte beziehen und Antworten dazu liefern. Um Antworten zu finden, habe ich mehrere neueAlgorithmen und Modelle entwickelt, die allesamt auf dem Konzept der Likelihood-Funktion beruhen.Seismizität (sowie auch die Bevölkerung) ist stark an den Rändern der tektonischen Platten konzentriert. An denPlattenrändern treten verschiedene Erdbebentypen mit teils erheblich abweichenden Eigenschaften auf. Daher ist esvon Wichtigkeit, Erdbeben nach ihrem Verwerfungstyp zu klassifizieren. Das Ziel von ACE (angular clusterization withexpectation-maximization, zu dt. ungefähr Winkelgruppenbestimmung mit Erwartungswertmaximierung) ist genaudiese Klassifizierung. Auf geomechanischen Prinzipien basierend, können die Erdbebenklassifizierungen mittels ACEnicht nur auf Themen der Bodenbewegungen angewandt werden, sondern auch zur Untersuchung des Spannungsfeldesder Erde herangezogen werden.Der Entwicklung von verlässlichen Bodenbewegungsmodellen bedarf es Wellenformdaten hoher Güte. Instrumentenbezogene Fehler können die Qualität beeinträchtigen, jedoch ist eine manuelle Korrektur großer Datenmengen nichtmehr umsetzbar. Um Instrumentenfehler, die sich in Verschiebungen in den Daten zeigen, zu reduzieren, habe icheine Nulllinienkorrektur entwickelt (ICBM, integrated combined baseline modification, zu dt. integriert kombinierteNulllinienmodifikation). Dieser Algorithmus wird in der Datenvorbereitung eingesetzt und ist insbesondere dannnotwendig, wenn integrierte Größen auf Grundlage von Beschleunigungsdaten bestimmt werden, wie statischer Ver-satz eines Erdbebens als auch abgestrahlte seismische Energie.Abgestrahlte seismische Energie spielt eine herausragende Rolle in der Entwicklung einer neuen Art von Bodenbewe-gungsmodell, welches anstellen von Magnituden stationsabhängige Energieabschätzungen nutzt, um die Erdbebenab-strahlcharakteristik auf tieferen Frequenzen des Erdbebenspektrums zu beschreiben. Diese Art Bodenbewegungsmodellist besser geeignet, wenn Bodenbewegungen in Bezug zu Hangrutschungen, welche durch Erdbeben verursacht wur-den, gesetzt werden. Als Beispiel dienen hier die Hangrutschungen, die 2016 durch das Erdbeben in Zentralkyuschu(Japan) mit einer Momentenmagnitude von 7.1 verursacht wurden. In dieser Fallstudie wird auch aufgezeigt, wie dieBewegungsrichtung der Hangrutschungen zu einem gewissen Grad durch die Ausrichtung des seismischen Wellenfeldesbeeinflusst werden.Das bevorzugte mathematische Modell in der Seismologie zur Beschreibung starker Bodenbewegungen ist das gemis-chte Modell. Jedoch lässt der weitläufig angewendete Formalismus nur die Einbettung von Gewichten in Form vonMessunsicherheiten zu. Gewichte wie sie von ACE erzeugt werden, die in keinem direkten Bezug zur Messgröße stehen,liefern zwangsläufig verzerrte Ergebnisse. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich Parameterschätzer auf Basis einergewichteten Likelihood hergeleitet. Die rigorose Herleitung erlaubt sämtliche Arten des gemischten Modells, wie siezur Beschreibung von Bodenbewegungen genutzt werde, mit Datengewichtungen zu kombinieren. Dieser Formalis-mus in Verbindung mit ACE erlaubt die Entwicklung nachvollziehbarer Modelle und vermeidet Entscheidungen aufsubjektiver Expertenmeinung.

Description: Climate change affects societies across the globe in various ways. In addition to gradual changes in temperature and other climatic variables, global warming is likely to increase intensity and frequency of extreme weather events. Beyond biophysical impacts, these also directly affect societal and economic activity. Additionally, indirect effects can occur; spatially, economic losses can spread along global supply-chains; temporally, climate impacts can change the economic development trajectory of countries. This thesis first examines how climate change alters river flood risk and its local socio-economic implications. Then, it studies the global economic response to river floods in particular, and to climate change in general. Changes in high-end river flood risk are calculated for the next three decades on a global scale with high spatial resolution. In order to account for uncertainties, this assessment makes use of an ensemble of climate and hydrological models as well as a river routing model, that is found to perform well regarding peak river discharge. The results show an increase in high-end flood risk in many parts of the world, which require profound adaptation efforts. This pressure to adapt is measured as the enhancement in protection level necessary to stay at historical high-end risk. In developing countries as well as in industrialized regions, a high pressure to adapt is observed - the former to increase low protection levels, the latter to maintain the low risk levels perceived in the past. Further in this thesis, the global agent-based dynamic supply-chain model acclimate is developed. It models the cascading of indirect losses in the global supply network. As an anomaly model its agents - firms and consumers - maximize their profit locally to respond optimally to local perturbations. Incorporating quantities as well as prices on a daily basis, it is suitable to dynamically resolve the impacts of unanticipated climate extremes. The model is further complemented by a static measure, which captures the inter-dependencies between sectors across regions that are only connected indirectly. These higher-order dependencies are shown to be important for a comprehensive assessment of loss-propagation and overall costs of local disasters. In order to study the economic response to river floods, the acclimate model is driven by flood simulations. Within the next two decades, the increase in direct losses can only partially be compensated by market adjustments, and total losses are projected to increase by 17% without further adaptation efforts. The US and the EU are both shown to receive indirect losses from China, which is strongly affected directly. However, recent trends in the trade relations leave the EU in a better position to compensate for these losses. Finally, this thesis takes a broader perspective when determining the investment response to the climate change damages employing the integrated assessment model DICE. On an optimal economic development path, the increase in damages is anticipated as emissions and consequently temperatures increase. This leads to a significant devaluation of investment returns and the income losses from climate damages almost double. Overall, the results highlight the need to adapt to extreme weather events - local physical adaptation measures have to be combined with regional and global policy measures to prepare the global supply-chain network to climate change.

Description: Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales.

Description: Permafrost, defined as ground that remains frozen for at least two consecutive years, is a prominent feature of polar regions. In the Northern Hemisphere, approximately 23 million km2 of the ground are affected by permafrost. Climatic warming, which has a greater effect on the Arctic than on any other region on Earth, leads to permafrost thaw, caused by gradual deepening of the seasonal unfrozen layer (active layer), thermokarst formation (i.e. land subsidence due to ground ice loss) and thermo-erosion. In the course of thaw, formerly freeze-locked organic carbon (OC) is mobilized and mineralized into greenhouse gases (GHGs), fostering further climate warming – a process known as permafrost carbon feedback. Current climate models focus on GHG release from gradual deepening of the active layer and neglect the OC turnover during lateral transport induced by thermokarst and abrupt thermo-erosion. As such, the accelerated erosion of Arctic permafrost coasts, which make up ~34 % of the global coasts, deliver vast amounts of OC into the Arctic Ocean. However, little is known about the amounts of labile and fast bioavailable dissolved OC (DOC), the impact of thermokarst on mobilized organic matter (OM) characteristics, and the release of GHGs from eroding permafrost coasts. To fill that knowledge gap, the main objectives of the thesis are to investigate (i) how much DOC is mobilized from coastal erosion, (ii) how thermokarst and -erosion alters OM characteristics upon thaw on transit to the ocean, and (iii) how much GHGs are emitted from the nearshore zones of eroding permafrost coasts. Field work and sampling took place along the Yukon coast and on Qikiqtaruk (Herschel Island) in the western Canadian Arctic. An interdisciplinary approach was used to quantify OM (OC and nitrogen) as well as to identify degradation processes. The methods used included sedimentology, geo- and hydrochemistry, remote sensing, statistical analyses, and gas chromatography. The thesis shows that considerable amounts of DOC are released from eroding permafrost coasts. Although OC fluxes into the ocean are dominated by DOC from Arctic rivers and particulate OC (POC), labile DOC derived from permafrost plays an important role as it is quickly available for biogeochemical cycling and turnover into GHGs. During transit from land to ocean OM characteristics are substantially altered by thermokarst formation and thermo-erosion. In mudpools, originating from in-situ thawed permafrost, as well as in thaw streams draining thermokarst features towards the ocean, mobilized OM issubject to dilution with melted ground ice and degradation, which result in a decrease of OM contents by more than 50 %. The turnover of OC continues in the nearshore zone. The biochemically most labile OC portions are rapidly lost within months and mineralized into GHGs. The production of GHGs in the ocean is 60 to 80 % as efficient as on land and primarily in form of carbon dioxide (CO2), due to aerobic conditions in the nearshore zone. During each open water season in the Arctic approximately 0.7 to 1.2 Tg of CO2 are emitted from the coastal fringe. The remaining OM is buried in nearshore and shelf sediments, potentially remobilized by waves, currents and ice scouring at later stages. To conclude, the thesis shows that eroding permafrost coasts release large amounts of OC, from which considerable portions are labile DOC. In the course of thermokarst formation and thermo-erosion, OM is diluted and the most labile portions subject to rapid turnover into GHGs. This shows that eroding permafrost coasts are a major yet neglected source of CO2 to the atmosphere. With increasing temperatures and longer sea ice-free conditions projected for the Arctic, the erosion of permafrost coasts accelerates. Consequently, the transfer of OC to the ocean accompanied by GHG production increases, which is expected to have drastic impacts for the climate and coastal ecosystems.