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    ddc:550

    Explore " ddc:550" with insightful episodes like "Sensitivity of a Remote Alpine System to the Stockholm and LRTAP Regulations in POP Emissions", "Analyse und Bewertung von Naturgefahren als Grundlage für ein nachhaltiges Naturgefahrenmanagement in Gebirgssystemen SO-Kasachstans am Beispiel des Ile-Alatau", "Application of the Sm-Nd Isotope System to the Late Quaternary Paleoceanography of the Yermak Plateau (Arctic Ocean)", "Permeability and porosity as constraints on the explosive eruption of magma: Laboratory experiments and field investigations" and "GIS-gestützte Beckenanalyse am Beispiel des Französischen Juragebirges" from podcasts like ""Sozialwissenschaften - Open Access LMU", "Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU", "Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU", "Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU" and "Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU"" and more!

    Episodes (16)

    Sensitivity of a Remote Alpine System to the Stockholm and LRTAP Regulations in POP Emissions

    Sensitivity of a Remote Alpine System to the Stockholm and LRTAP Regulations in POP Emissions
    Persistent Organic Pollutants (POPs) have been restricted and prohibited at national level for several decades now and since the 21st century at international level under the Stockholm Convention and the Convention of Long-Range Transboundary Air Pollution (LRTAP). A high mountain lake sediment core was sampled in the Alps (Gossenköllesee) in summer 2010 and analyzed on POPs to examine whether the expected decreasing trends due to the implementation of the international Conventions could be observed. Higher POPs concentrations were observed in the sections corresponding to the period of large scale production and usage. p,p'-DDE and p,p'-DDD showed maximum concentrations in the core sections corresponding to the 1970s. These concentrations decreased to more or less constant levels in the top sediments, which is in agreement with the timing of past usage and banning of this pesticide. On the other hand, PCBs and HCB peaked in 1980s and the concentrations fluctuated afterwards. These observed profiles suggest that the studied site is still under influence of primary or secondary emissions and that the regulations of the international Conventions have still not been noticed in this site.

    Analyse und Bewertung von Naturgefahren als Grundlage für ein nachhaltiges Naturgefahrenmanagement in Gebirgssystemen SO-Kasachstans am Beispiel des Ile-Alatau

    Analyse und Bewertung von Naturgefahren als Grundlage für ein nachhaltiges Naturgefahrenmanagement in Gebirgssystemen SO-Kasachstans am Beispiel des Ile-Alatau
    Den Fragen der Erarbeitung des Naturgefahrenmanagements in Gebirgsystemen SO-Kasachstans und in den Ländern des Zentralasiens insgesamt wurde bisher keine gebührende Aufmerksamkeit zuteil. Die Naturkatastrophen der letzten Jahrzehnte sowie die Erfahrung mit Maßnahmen zum Schutz des Ile-Alatau vor Naturgefahren haben gezeigt, dass die Lösung dieser Probleme für die weitere nachhaltige Entwicklung dieser Region von erstrangiger Bedeutung ist. In dieser Arbeit wurde vom Autor umfangreiches Material zur komplexen Untersuchung der Gebiete des Ile-Alatau zusammengetragen und analysiert (u. a. durch eigene Forschungen, die im Rahmen der Forschungsprojekte des Institutes für Geografie des Ministeriums für Bildung und Wissenschaft der Republik Kasachstan durchgeführt wurden). Die Hauptmethoden der Arbeit waren Auswertung vorhandener Daten- und Kartenmaterialien, Auswertung von Fernerkundungsdaten, eigene Geländearbeiten und Kartierungen zu Naturrisiken, Recherchen bei Behörden, Befragungen. In der Dissertation wurden zunächst die Naturbedingungen (u. a. Orographie, Relief, Geologie, Klima und Vegetation) sowie der Stand der Naturrisikoforschung im Ile-Alatau dargestellt. Eine Klassifikation der wichtigsten Naturgefahren im Ile-Alatau wurde vorgenommen und die historischen Naturkatastrophen beschrieben. Die Statistiken und Materialien über den durch Lawinen, Muren und Erdrutsche entstandenen Schaden wurden untersucht. Die regionale und zeitliche Verteilung, die Charakteristik, Ursachen und Auswirkungen der ausgewählten Naturgefahren (Lawinen, Muren, Hangrutschungen, Bergstürze/Steinschläge) wurden analysiert. Es wurden Daten über die Verteilung gefährdeter Zonen in den Einzugsgebieten des Ile Alatau angeführt. Die Analyse dieser Daten hat gezeigt, wo die Lawinengefahr im Ile-Alatau territorial am stärksten verbreitet ist. Im zentralen Teil sind über 50 % der Fläche davon betroffen. Die maximale Murengefahr wird auch im zentralen Teil des Ile-Alatau verzeichnet. Die größten Bergstürze und Hangrutschungen wurden von Erdbeben verursacht. Alle diese untersuchten Naturprozesse mit verschiedenen Auswirkungen finden im untersuchten Gebiet jährlich statt. Auf dieser Basis der Analyse wurde dann das Risiko bewertet, das von den ausgewählten Naturgefahren ausgeht. Grundlage dafür war die Analyse der Häufigkeit, der Verbreitung und des Ausmaßes der Prozesse. Eine Einteilung des Gebiets nach Gefährdung durch natürliche Prozesse und nach deren Risiko wurde vorgenommen. Dazu wurden Karten der Naturgefahren und deren Risiko erstellt. Nach Datenschutzgesetz der Republik Kasachstan darf der Autor keine Karten in Großmaßstab veröffentlichen. Diese sind nur zur internen Benutzung in Kasachstan zugelassen. Die zur Zeit getroffenen Schutzmaßnahmen im Ili-Alatau wurden unter Bewertung ihrer Wirksamkeit untersucht. Die ökonomische Effektivität der Durchführung der Lawinenschutzmaßnahmen wurde für das Einzugsgebiet des Flusses Kischi Almaty berechnet. Ein unter den Bedingungen des Ile-Alatau am besten geeignetes Schema des Naturgefahren- und Risikomanagements bei Umsetzung von Präventivmaßnahmen, bei Sicherungs- und Rettungsmaßnahmen und bei Wiederherstellungsmaßnahmen wurde vorgeschlagen. Die Arbeit enthält ebenfalls Empfehlungen zur Verbesserung der Funktion der Dienste des Naturgefahrenmanagements. Konkrete Empfehlungen zum Schutz des Territoriums und der Bevölkerung vor Naturgefahren und zur Verminderung des Schadens wurden gegeben. Gebiete, die von den natürlichen Prozessen am stärksten gefährdet sind, wurden erfasst und die notwendigen optimalen Maßnahmen für ihren Schutz empfohlen. Die Erfahrung der im Ile-Alatau durchgeführten Arbeiten ermöglicht es, Naturgefahren zu analysieren und zu bewerten, um ein Naturgefahrenmanagement zu erarbeiten, das eine nachhaltige Entwicklung auch in anderen Gebirgssystemen Kasachstans und in anderen Ländern Zentralasiens gewährleistet.

    Application of the Sm-Nd Isotope System to the Late Quaternary Paleoceanography of the Yermak Plateau (Arctic Ocean)

    Application of the Sm-Nd Isotope System to the Late Quaternary Paleoceanography of the Yermak Plateau (Arctic Ocean)
    By storing and transporting vast amounts of energy derived from solar insolation, the oceans play an important role in shaping Earth’s climate. On the largest scale, ocean currents smooth the temperature gradients between the equator and the poles by redistributing excess energy from the tropics to higher latitudes. Much of this excess heat is transported by the so-called Ocean Conveyor Belt (Broecker, 1991), a global network of ocean currents driven by thermohaline convection. Changes in the pattern and strength of thermohaline circulation affect the redistribution of heat, and thereby significantly influence climate on local to global scales. The reconstruction of paleocurrents has long been a subject of paleoceanographic research. Among the various methods employed in tracing paleocurrents (and modern currents), the Sm-Nd isotope system is experiencing ever increasing attention. First applied in an oceanographic context by O’Nions et al. (1978), it is by now established as a standard tool, as shown by numerous recent publications (e.g. Rutberg et al., 2000; Tütken et al., 2002; Weldeab et al., 2002; Benson et al., 2003; Farmer and Barber, 2003; Piotrowski et al., 2004; Bayon et al., 2002, 2003, 2004; Lacan and Jeandel, 2001, 2004, 2005, and many more). Two lines of application of the Sm-Nd isotope system to oceanography/paleoceanography can be distinguished, both of which were followed for this thesis. The first approach uses the isotopic composition of Sm and Nd hosted in detrital minerals to infer the provenance of terrigenous sediments. This information can be used to draw conclusions about the direction and distance of sediment delivery. The second approach uses the isotopic signature of Nd as a tracer of different water masses. Due to the oceanic residence time of Nd being shorter than the global turnover rate of seawater (500-1000 years vs ~1000 years; Tachikawa et al., 2003), different bodies of water acquire distinct Nd isotopic signatures as a function of the age of adjacent continents. Apart from directly analyzing the Nd isotopic compositions of water samples to trace the modern distribution of different watermasses (e.g. Lacan and Jeandel, 2001, 2004), suitable archives of seawater-derived Nd can be employed to study paleocurrents. Possible archives are fossil remains of marine organisms (e.g. foraminifers; Burton and Vance, 2000), or, most widely used for the recent geological past, Fe-Mn nodules and crusts (e.g. Frank et al., 2002). With slow growth rates on the order of mm/Ma, however, Fe-Mn nodules do not offer the high temporal resolution necessary to study Late Quaternary climate change. Attention has therefore recently turned to authigenic Fe-Mn oxyhydroxides finely dispersed throughout the sediment column (e.g. Rutberg et al., 2000; Bayon et al., 2002, 2003, 2004; Piotrowski et al., 2004). For this thesis, both lines of application of the Sm-Nd isotope system to paleoceanography were followed. The samples were taken from a sediment core collected from the Yermak Plateau in the north-eastern Fram Strait. Situated between Greenland and the Svalbard Archipelago, the Fram Strait is the only deep connection between the Arctic Ocean and, via the Greenland-Iceland-Norwegian (Nordic) Seas, the North Atlantic. The Nordic Seas are an area of deep-water formation important for the global thermohaline circulation. There, the processes of deep-water formation are in a state of equilibrium that is most sensitive to changes in surface water salinity, which, in turn, is strongly influenced by the outflow of water of low salinity from the Arctic Ocean. This makes the history of water exchange between the Atlantic and the Arctic Ocean through the Fram Strait a subject of key interest for climate research. In particular, it was attempted to reconstruct the provenance of sediments deposited on the western Yermak Plateau over the last 129 000 years. This was done by analyzing samples from the sediment core and from potential source areas for their Sm-Nd isotopic compositions. The current understanding is that under present interglacial conditions sediment is delivered to the Yermak Plateau by ice drift from the Siberian shelf areas (Kara- and Laptev Sea) and as suspended load of Atlantic water advected from the south. To resolve these assumed differences in provenance and transport mechanism, the majority of the samples was split into the grain-size fractions clay, fine silt, coarse silt, and sand for Sm-Nd analyses. The position of the investigated core on the upper slope of the western Yermak Plateau limits delivery of sand-size (or coarser) material to ice rafting. The sand fractions of the core samples were therefore interpreted to be exclusively of ice rafted origin, and thus used as an indicator of changes in the pattern of surface currents. Clay- to silt-size material, on the other hand, yields a mixed signal of ice rafting and suspended-load delivery. Based on a comparison of the isotopic compositions of the core samples with those of the samples from potential source areas, a number of conclusions can be drawn: Most core sample show only little isotopic variation between their constituent size fractions (mostly less than analytical uncertainty). Only sand fractions show considerable differences. This can probably be explained by the sand samples’ small sample size relative to their coarse grain size; as a result, most sand fractions probably are not representative. The generally good agreement between the isotopic compositions suggests a common origin of ice rafted detritus (IRD) and suspended load. The possibility of suspended particulate matter transport from the Siberian shelf areas of the Kara- and Laptev Seas to the Yermak Plateau in significant amounts can be excluded. An origin of IRD in the Kara and Laptev Sea is therefore equally unlikely. Instead, a common provenance of IRD and suspended particulate matter from the Svalbard/Barents Sea area is a plausible scenario, supported by isotope-independent data from the literature (e.g. grain-size distribution, mineralogical composition, faunal abundance, etc.). The moderate downcore Nd isotopic variation suggests that, despite repeated large-scale glaciations in the Svalbard/Barents Sea area, the general modern-type circulation in the Fram Strait area has been active for most of the last 129 000 years. The largest deviation from modern conditions is indicated for the peak of the last glacial phase, approximately 20 000 years ago. Then, large amounts of IRD were delivered to the Yermak Plateau by icebergs calving from the Scandinavian ice sheet. Moreover, the occurrence of chalk fragments confirms iceberg drift from as far south as the North Sea. A similar finding has previously been reported for samples from the southern Fram Strait by Spielhagen (1991). Regarding the second analytical approach, i.e. the Nd isotopic analysis of finely dispersed authigenic Fe-Mn oxyhydroxides, implementation of the experimental technique was targeted first. The method of Fe-Mn oxyhydroxide extraction by means of leaching with a mixed reagent (acetic acid and hydroxylamine-hydrochloride) largely is based on the work of Chester and Hughes (1967). Modifications of their method have been reported in Tessier et al. (1979), Chao and Zhou (1983), and Hall et al. (1996), and have recently been compared by Bayon et al. (2002). Based on the experimental protocol described by Bayon et al. (2002), five core samples were processed and analyzed for their rare earth element (REE) concentrations by ICP-MS at the European Union Large Scale Geochemical Facility at the University of Bristol, England, financed by the EU. In addition, nine core samples were processed and the leachates analyzed for their Nd isotopic composition in Munich. The REE patterns of the leachates show an enrichment of the middle REE that is atypical for authigenic Fe-Mn phases. The isotopic analysis also yielded controversial results: downcore, the Nd isotope curves for the leachates and the detrital phases run approximately parallel, suggesting a systematic genetic relationship between the analyzed Nd fractions. A similar relationship appears to exist between data reported in Rutberg (2000), Rutberg et al. (2000), and Piotrowski et al. (2004) for a sediment core from the south-eastern Atlantic. To answer the questions raised by these controversial results, a sequential leaching experiment was designed. Several aliquots of one core sample were treated for different durations with different concentrations of the leaching reagents, and at intermediate steps were analyzed for their Sm-Nd isotopic composition. The results of this leaching experiment point towards a conceptual weakness of the method. In order to avoid contamination by non-authigenic sediment components, all experimental methods described in the literature focus on adjusting the concentration of the hydroxylamine-hydrochloride used to reduce Fe and Mn to their soluble states. This approach, however, does not take into account the dissolution of acid-soluble phases by acetic acid, which in all cases is used at a strength of 4.4 mol·l-1. Consequently, the leaching reagent is sufficiently corrosive to attack easily-soluble detrital minerals and release non-seawater-derived Nd (Hannigan and Sholkovitz, 2001; Dubinin and Strekopytov, 2001). Phosphatic phases are therefore a likely source of nonseawater-derived Nd. Apatite, for instance, is a common component of clastic sedimentary rocks, is easily dissolved by weak acids, and can account for the middle REE enrichment in the leachates. Its high Nd concentrations would mask any seawater signal. To conclude, it appears as though the available extraction techniques are not yet sufficiently refined to reliably determine the Nd isotopic composition of finely dispersed Fe-Mn oxyhydroxides as a proxy for paleoseawater composition.

    Permeability and porosity as constraints on the explosive eruption of magma: Laboratory experiments and field investigations

    Permeability and porosity as constraints on the explosive eruption of magma: Laboratory experiments and field investigations
    Porosity and permeability are both parameters which may have a considerable impact on the characteristics of a volcanic eruption. Various processes, from magmatic flow during ascent to the point of magmatic fragmentation during an explosive eruption are influenced, and sometimes even controlled by the amount of volatiles trapped in a magma’s pore space and by the efficiency of their escape. Detailed investigations of the porosity of pyroclastic rocks and its relation to the gas permeability are therefore crucial for the understanding of such processes and may provide an important database for physical models. The combination of experimental work and field investigation represents in this context an effective approach to obtain a statistically relevant amount of data on the one hand, and, on the other hand, experimentally quantify the correlation between different parameters. For this study, density data of pyroclastic deposits from eight circum-pacific volcanoes were recalculated to porosity values using the determined matrix density of the corresponding rocks. The pyroclasts density was determined directly in the field with a method based on the Archimedean principle; the matrix density was determined in the laboratory using a He-Pycnometer. The comparison of the resulting porosity distribution histograms allows (a) the investigation of local features related to depositional mechanisms, if the distribution of single measurement points is evaluated, and (b) statements about large scale coherencies regarding the eruptive style and the explosivity of a volcano, if the compiled datasets of the volcanoes are compared. The shape and the variance of the distribution curves, as well as the positions of the porosity peak or mean porosity values are parameters that can be used for further interpretation. The differences in the porosity distribution patterns allowed the classification of the investigated volcanoes into three groups, corresponding to their eruptive characteristics: (1) dome-building volcanoes with predominantly block-and-ash-flow activity and occasional Vulcanian explosions (Merapi, Unzen, Colima), (2) cryptodome-forming volcanoes with a subsequent lateral-blast eruption (Bezymianny, Mount St. Helens), and (3) Subplinian to Plinian explosive eruptions (Krakatau, Kelut, Augustine). Furthermore, possible coherencies between the mean porosity values of selected eruptions and their explosivity, expressed in two different explosivity indexes, were evaluated. The ‘Volcanic Explosivity Index’ (VEI), introduced by Newhall & Self (1982), is mainly based on the volume of the erupted tephra, and shows a rough positive correlation to the mean porosity of eruptive products. A qualitative enhancement of this correlation, especially considering low-porosity, low-explosive deposits, was achieved by using the measured porosity values to determine the index of the ‘Eruption Magnitude’, introduced by Pyle 1995. Volcanoes with not only pure explosive (Vulcanian and/or Plinian) activity were found to deviate systematically from this correlation. Besides their relevance for the understanding and modeling of eruption physics, the interpretation of porosity data may help to discriminate eruption characteristics and explosivities also at historic and pre-historic eruption deposits. The main focus of this work was the experimental investigation of the gas permeability of volcanic rocks. In order to simulate degassing processes under strongly transient conditions, the experiments were performed on a shock-tube like apparatus. The permeability of a natural porous material depends on a complex mixture of physical and textural parameters. Evidently, the volume fraction of the materials pore space, i.e. its porosity, is one of the prominent factors controlling permeable gas flow. But, as a high scatter of measured permeability values for a given porosity indicates, it seems that parameters like vesicle sizes, vesicle size distribution, vesicle shape, the degree of interconnectivity et cetera may likewise influence filtration properties. Therefore it is almost impossible to predict the permeability development of natural material with theoretical cause-and-effect relations, and experimental work in this field is essential. By performing more than 360 gas filtration experiments on 112 different samples from 13 volcanoes, a comprehensive permeability and porosity database was created with this study, giving rise to profound empirical as well as quantitative investigations. The dependency of porosity and permeability of volcanic rocks was found to follow two different, but overlapping trends, according to the geometries of the gas-flow providing pore-space: at low porosities (i.e. long-term degassed dome rocks), gas escape occurs predominantly through microcracks or elongated micropores and therefore could be described by simplified forms of capillary (Kozeny-Carman relations) and fracture flow models. At higher porosities, the influence of vesicles becomes progressively stronger as they form an increasingly connected network. Therefore, a model based on the percolation theory of fully penetrable spheres was used, as a first approximation, to describe the permeability-porosity trend. To investigate possible influences of high temperatures on the degassing properties of volcanic rocks, a measuring method that allowed permeability experiments at temperatures up to 750 °C was developed and tested. A sealing coat of compacted NaCl, which was, if required, further compressed during the high-T experiment, was found to be the most promising approach to avoid gas leaking due to different thermal expansivities of the materials involved. The results of three dome rock samples showed distinct lower gas filtration rates at high temperatures. As this may, for the largest part, be attributed to changed gas properties at high temperature, the obtained permeability values must be corrected for the enhanced gas viscosity. The corrected permeability values of the samples were higher than those obtained at room temperature, possibly caused by thermal expansion of the pores. Since, however, compressional forces of the salt coating upon the sample cylinder may lower the permeability particularly of highly fractured rocks to a not quantifyable degree, these results must be interpreted accordingly and seen under certain restrictions. Comparison of the permeability values before and after the heating process revealed that no permanent structural changes in the pore network occurred. This was confirmed by a 5h-experiment on a trachytic sample, with permeability tests in an interval of 60 minutes. The influence of permeability on magmatic fragmentation is of special interest for the modelling of eruptive processes. In particular the ‘fragmentation threshold’, i.e. the physical conditions, at which magma is no longer able to reduce gas overpressure by filtration and fragments, represents an important boundary condition for explosive eruption models. Former studies defined this threshold to depend on either the porosity of the magma, or a combination of porosity and overpressure. The experimental results of this work, however, reveal that, in addition to porosity and applied overpressure, the permeability strongly influences the fragmentation threshold. By quantifying this influence in a simple, analytical equation, these results will provide a valuable tool for physical models of eruption mechanics.

    GIS-gestützte Beckenanalyse am Beispiel des Französischen Juragebirges

    GIS-gestützte Beckenanalyse am Beispiel des Französischen Juragebirges
    Das Untersuchungsgebiet liegt an der französisch-schweizerischen Grenze. Es erstreckt sich in Nord-Süd-Richtung von 45°45'N nach 47°30'N und in Ost-West-Richtung von 5°30'E nach 7°00'E. Dabei umfasst es das Französische Juragebirge sowie Teile der angrenzenden Molas-se, der Subalpinen Ketten sowie der Französischen Voralpen. Grundlage für die Beckenanalyse war die detaillierte Auswertung von 89 Erdöltiefbohrungen und die geochemische Untersuchungen von Bohrlochproben potentieller Erdölmuttergesteine. Die Ergebnisse aus den Bohrlochprotokollen und den geochemischen Untersuchungen wur-den in eine Bohrlochdatenbank aufgenommen. Zusätzlich wurden Literaturdaten zur geologi-schen Geschichte, paläogeographische Karten, Wärmeflusskarten und Bohrlochmessungen verwendet. Die Organisation dieser sehr vielfältigen und heterogenen Datenbasis erfolgte in einem paläogeographischen Informationssystem. Erst die Verwendung dieses PaläoGIS er-möglichte die detaillierte und über das gesamte Untersuchungsgebiet einheitliche Rekonstruk-tion der geologischen Ereignisse, die die Grundlage für die Modellierung der Subsidenz und der thermischen Geschichte bildete. Das PaläoGIS enthält somit alle Daten des konzeptionel-len Modells für die Durchführung der Beckenanalyse. In einem weiteren Schritt wurden Bohrlochkorrelationen (chronostratigraphische und litho-fazielle Profile) erstellt. Diese vermitteln ein Bild der für die vorliegende Arbeit relevanten Gesteinseinheiten zur Zeit der Ablagerung und heute. Im Anschluss daran erfolgte eine Rekonstruktion der Subsidenzgeschichte. Das konzeptionel-le Modell für die Subsidenzanalyse setzt sich in erster Linie aus der Lithostratigraphie und der Chronostratigraphie der zu untersuchenden Einheiten zusammen. Da die Auswertung der Bohrlochprotokolle zum großen Teil nur lithostratigraphische Informationen ergab, mussten in einem zweiten Schritt diese lokalen lithostratigraphischen Einheiten in ein global gültiges, chronostratigraphisches Zeitgerüst eingeordnet werden. Daneben bilden eustatische Meeres-spiegelschwankungen, paläobathymetrische Daten sowie Dichte und Porosität der beteiligten Gesteine wichtige Bestandteile des konzeptionellen Modells. Wichtigstes Ergebnis der Subsi-denzanalyse sind die Subsidenzkurven, die den rein tektonischen Anteil der Subsidenz dar-stellen. Dieser tektonische Anteil der Subsidenz wird durch Korrektur der Gesamtsubsidenz um den Einfluss der sedimentären Subsidenz gewonnen, wobei Kompaktion, eustatischen Meeresspiegelschwankungen und Paläobathymetrie berücksichtigt werden (Backstripping-Verfahren). Diese Subsidenzkurven stellen wiederum den wichtigsten Eingangsparameter für die Model-lierung der thermischen Geschichte dar. Weitere wichtige Parameter für die numerische Mo-dellierung der thermischen Geschichte sind der Wärmefluss an der Erdoberfläche und an der Basis der Lithosphäre, Paläo-Oberflächentemperaturen sowie Wärmeleitfähigkeit und spezi-fische Wärmekapazität der beteiligten geologischen Einheiten. Ergebnis der thermischen Mo-dellierung ist u.a. die Maturität bestimmter Zielhorizonte. Die Kalibrierung des thermischen Modells erfolgt indirekt über im Labor ermittelte, geochemische Maturitätsparameter (Werte der Vitrinit-Reflexion, Tmax-Parameter). Porosität und Permeabilität, die wichtigsten Eigenschaften eines Speichergesteins, wurden für den Horizont des Buntsandsteins aus geophysikalischen Bohrlochmessungen berechnet. Die Permeabilität wurde hierbei mit Hilfe des Tongehalts abgeschätzt. Die flächenhafte Interpolation der zunächst punktuell vorliegenden Ergebnisse aus Geoche-mie, Subsidenzanalyse und thermischer Modellierung erfolgte mit Hilfe geostatistischer Ver-fahren (Variogramm-Analyse, Kriging, Kreuzvalidierung). Auf Basis all dieser oben aufgeführten Untersuchungsergebnisse wurde ein Modell für die Genese von Kohlenwasserstoffen im Arbeitsgebiet erstellt. Neben reifen Muttergesteinen (Permokarbon), einem wirtschaftlichen Speichergestein (Buntsandstein) und vorhandenem Deckgestein (Muschelkalk) existieren auch Fallenstrukturen (permokarbonischer Blockschol-lenbau, synsedimentäre Abschiebungen der Trias und des Lias), deren Bildung dem Beginn der Migration vorausgeht. Somit sind alle theoretischen Voraussetzungen für die Existenz von Kohlenwasserstofflagerstätten gegeben. Offen bleibt die Frage, wo permokarbonische Mut-tergesteine von genügender Mächtigkeit tatsächlich abgelagert wurden sowie die genaue Lage der Fallenstrukturen. Dies bleibt als Aufgabe für weitere Explorationstätigkeiten, die am aus-sichtsreichsten in den Gebieten erscheinen, in denen permische Gräben lokalisiert sind.

    Controlled surface manipulation at the nanometer scale based on the atomic force microscope

    Controlled surface manipulation at the nanometer scale based on the atomic force microscope
    The object of this thesis is the development of theoretical and experimental methods for the controlled manipulation of surfaces at the nanometer scale, including the design, construction and experimental demonstration of an atomic force microscope (AFM) based manipulator. The transfer function description of an AFM system not only offers a theoretical dynamic characterization but, additionally, it is appropriate for the analysis of stability and controllability of different system configurations, i.e. different inputs and outputs. In this thesis, transfer functions are derived that correspond to a realistic model of the AFM sensor, including all its resonance modes and the tip-sample interaction. This theoretical description is then validated using the frequency response along an AFM cantilever. Different experimental and control techniques have been combined in the NanoManipulator system to optimize AFM lithography. Optical video microscopy allows a fast recognition of the sample and exact positioning of the AFM tip in the particular region of interest, while UV-laser ablation offers the possibility of noncontact manipulation of a wide range of materials, including biological specimens. Two different control approaches have been implemented in the NanoManipulator system: (i) automated control using a vector-scan module, and (ii) interactive control based on the use of a haptic interface. Using the NanoManipulator, the two different standard AFM lithography techniques based on dynamic methods (namely dynamic and modulated plowing) are compared by performing nanopatterning on thin resist films. The results reflect that modulated plowing, where the AFM tip is in permanent contact with the resist surface while the force is being modulated, offers the highest reliability, minimizing undesired side effects. The isolation and extraction of localized regions of human metaphase chromosomes represents a promising alternative to standard methods for the analysis of genetic material. The NanoManipulator is an excellent tool for such application, as it is here illustrated by comparing AFM based mechanical dissection and noncontact ablation on side by side chromosomes. The results are analyzed in situ using AFM imaging, revealing the high precision of mechanical dissection. Acoustical force nanolithography is a novel method for AFM based lithography where the cantilever is actuated using an acoustic wave coupled through the sample surface. The influence of acoustic wave frequency and magnitude, along with the preloading force of the cantilever are studied in detail. Acoustical force nanolithography can be used as a stand alone method or as a complement for the fine adjustment of manipulation forces.

    Experimente zur Wachstumskinetik dekagonaler Quasikristalle

    Experimente zur Wachstumskinetik dekagonaler Quasikristalle
    In dieser Arbeit wurde das Wachstumsverhalten dekagonaler Quasikristalle untersucht. Zur besseren Vergleichbarkeit wurden die Experimente mit Schmelzen der Zusammensetzung Al77Co6Ni17 durchgeführt, aus welcher dekagonale Einkristalle mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung von d-Al72Co9Ni19 gewonnen werden können. Zusätzlich wurden in dem verwandten ternären System Al-Co-Cu Züchtungsexperimente durchgeführt. Dort zeigt die dekagonale Phase der Zusammensetzung d-Al67.5Co20.0Cu12.3 ebenfalls ein kinetisch gehemmtes Wachstumsverhalten entlang der quasiperiodischen Orientierungen. Für die Ziehgeschwindigkeit bei der Züchtung von Einkristallen sind noch engere Grenzen gesetzt, als es im System d-Al-Co-Ni der Fall ist. In beiden untersuchten Systemen können die quasikristallinen Phasen nur aus Al-reichen, nichtstöchiometrischen Schmelzen gezüchtet werden, wobei sich die einzelnen Experimente über eine Dauer von mehreren Wochen erstreckten. Dies machte die Neukonstruktion einer UHV-gedichteten Wachstumskammer notwendig, um die Schmelzen vor Oxidation zu schützen. Eine freie Schmelzenoberfläche stellt für alle Wachstums- und Kinetikexperimente eine Grundvoraussetzung dar. Aus den schon vor Beginn dieser Arbeit weitgehend beherrschten Bedingungen für die CZOCHRALSKI-Züchtung ist die ausgeprägte Wachstumsaniosotropie von dekagonalen AlCoNi-Einkristallen bekannt. Dabei beobachtet man eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit entlang der Orientierung der zehnzähligen, periodischen Achse [00001], während das laterale Wachstum entlang der zweizähligen, quasiperiodischen Richtungen [10000] und [10-100] kinetisch gehemmt ist. An den gezüchteten Einkristallen kann das Auftreten von Flächen fünf unterschiedlicher kristallographischer Formen {h1h2h3h4h5} beobachtet werden: Das Pinakoid {00001}, das dekagonale (Haupt-) Prisma {10000} und (Neben-) Prisma {10-100}, sowie zwei dekagonale Dipyramiden {0-1-101} und {10-102}. Die am Kristallmantel beobachteten Facetten dieser Formen sind das Ergebnis von Wachstumsprozessen an der Dreiphasenkoexistenzlinie und lassen keine Rückschlüsse auf das Wachstum zu, weil sie nicht repräsentativ für das Zweiphasengleichgewicht an der Wachstumsfront sind. Den Flächen der beiden dekagonalen Dipyramiden {0-1-101} und {10-102} galt jedoch besonderes Interesse. Sie stellen die morphologische Entsprechung so genannter inclined net planes dar. Dabei handelt es sich um bezüglich der periodischen Achse [00001] geneigte Netzebenen des Quasikristalls, welche die beiden widersprüchlichen Ordnungsprinzipien der Translationsperiodizität und die Quasiperiodizität miteinander verbinden. Ihre Bedeutung ist aus Röntgenbeugungsexperimenten bekannt, wobei bisher unklar war, ob sie eine Bedeutung für das Wachstum von dekagonalen Quasikristallen haben. Die Experimente dieser Arbeit sind in zwei Gruppen untergliedert: a. Experimente zur Morphologie gezüchteter dekagonaler Quasikristalle b. Experimente zur Wachstumskinetik dekagonaler Quasikristalle Zu den unter Punkt a. genannten Experimenten gehörten CZOCHRALSKI-Züchtungsexperimente in den ternären Systemen d-Al-Co-Ni und d-Al-Co-Cu und Substratexperimente unter Verwendung großvolumiger d-AlCoNi-Keime, sowie ein Kugelwachstumsexperiment. Die unter Punkt b. aufgeführten Experimente zur Wachstumskinetik beinhalteten die CZOCHRALSKI-Abreißexperimente und ergänzend Kontaktwinkelmessungen zur Bestimmung der Oberflächenenergie orientierter Quasikristalloberflächen. Mit den CZOCHRALSKI -Züchtungsexperimenten wurde in einer Reihe von konventionellen Züchtungsexperimenten das Wachstum und die Morphologie dekagonaler Quasikristalle untersucht. Dabei war die Morphologie der Zweiphasengrenze l-s von besonderem Interesse. Hier wurde das Wachstum von Einkristallen in definierten Orientierungen [h1h2h3h4h5] durch ein schnelles Trennen des Kristalls von der Schmelze unterbrochen und ex situ untersucht, welche kristallographischen Formen {h1h2h3h4h5} an der Zweiphasengrenzfläche l-s morphologisch auftreten. In den Züchtungsexperimenten parallel der zehnzähligen Achse [00001] zeigt der wachsende Kristall einen rotationssymmetrischen, dekaprismatischen Habitus. An der Dreiphasengrenze v-l-s werden Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000 und in geringerer Größe Flächen der Form des dekagonalen (Neben-) Prismas {10-100} gebildet, welche die dekaprismatische Wachstumsmorphologie bestimmen. Diese Flächen entstehen trotz der durch die Kristall- und Tiegelrotation in dem thermischen Feld aufgeprägten Rotationssymmetrie und bleiben gegenüber der bestehenden Unterkühlung stabil. Die Wachstumsfront konnte durch das schnelle Trennen des in [00001]-Orientierung gezüchteten Kristalls von der Schmelze (Dekantieren) nicht konserviert werden. In jedem Fall kristallisierte an der ehemaligen Wachstumsfront anhaftende Restschmelze unter Bildung dekagonaler (Hohl-) Nadeln aus, womit eine großflächige Beobachtung der Zweiphasengrenze l-s in dieser Experimentserie nicht möglich war. Im Fall der Züchtung parallel der beiden zweizähligen, symmetrisch nicht äquivalenten Achsen [10000] bzw. [10-100] wird die Zweiphasengrenzfläche immer von der zehnzähligen Achse [00001] und der weiteren zweizähligen Achse [10-100] bzw. [10000] aufgespannt. Dabei zeigt sich sehr deutlich die Anisotropie der Wachstumsgeschwindigkeiten der periodischen und aperiodischen Kristallorientierungen mit der Ausbildung eines ovalen Kristallquerschnittes, wobei die schnellwachsende zehnzählige Achse die lange Halbachse und eine zweizählige Achse die kurze Halbachse des Ovals bilden. Die jeweilige Dreiphasenkoexistenzlinie am Meniskus ist in der [00001]-Richtung nicht facettiert, d.h. hier wird das Wachstum durch den rotationssymmetrischen Verlauf der Isothermen an der Schmelzenoberfläche begrenzt. Im Gegensatz dazu bildet der Kristall senkrecht zu der Richtung der zweizähligen Achse Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} aus. Nach dem Dekantieren der Grenzfläche l-s beobachtet man für jede der zweizähligen Züchtungsrichtungen eine individuelle Morphologie der ehemaligen Wachstumsfront. Für die Züchtungsrichtung parallel der [10000]-Orientierung zeigt sich eine singuläre Fläche (10000), die senkrecht zur Ziehrichtung verläuft als Wachstumsfläche am der Zweiphasengrenze l-s. Im Fall der Züchtungsrichtung parallel der [10-100]-Orientierung zeigt sich ein anderes Bild: Die Zweiphasengrenze l-s ist in einzelne, um ±18° gegen die Ziehrichtung verkippte Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} zerfallen, sodass deren Einhüllende die Wachstumsfläche (10-100) bildet. Aus der Bildung einer facettierten Wachstumsfront in diesen Orientierungen erkennt man, dass das Wachstum hier über atomar glatte Grenzflächen erfolgt. In diesem Fall sind den parallelen Verschiebungsgeschwindigkeiten beider Orientierungen kinetische Grenzen gesetzt. Bei der Züchtung entlang der geneigten Kristallorientierungen der dekagonalen Dipyramiden [0-1-101] und [10-102] beobachtet man die Bildung einer Wachstumsmorphologie, die ebenfalls nicht mehr rotationssymmetrisch ist, aber entsprechend der Symmetrie der Kristallklasse 10/m 2/m 2/m eine Spiegelsymmetrie enthält. An der Dreiphasengrenzlinie v-l-s zeigen die Kristalle eine deutliche Querschnittszunahme in der Orientierung der zehnzähligen Komponente [00001] und sind dort durch das thermische Feld scharf begrenzt. Der übrige Umfang wird von Flächen der Form {10000} begrenzt. Nach dem Trennen des Kristalls von der Schmelze erkennt man für beide Kristallorientierungen eine komplex zusammengesetzte Zweiphasengrenzfläche l-s. Die Komponente der schnellwachsenden, zehnzähligen Orientierung [00001] ist in dekagonale Nadeln zerfallen während die Komponente senkrecht dazu von Flächen des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} gebildet wird, welche wiederum die Wachstumsfläche darstellen. Die einzelnen Flächen {10000} sind dabei um 36° gegeneinander orientiert. Die {10000}-Flächen besitzen keine Komponente parallel zu der ausgedehnten Schmelzenoberfläche und folgen demnach keinem Isothermenverlauf, woraus vor der facettierten Grenzfläche l-s deutliche Unterkühlungen entstehen. Für die Züchtung parallel der Orientierung [10-102] sind die Segmente der {10000}-Flächen um 18° im Vergleich mit der Anordnung für die Orientierung parallel [0-1-101] verdreht angeordnet. Die Substratexperimente stellten einen Ansatz dar, um mit einer an das schnelle Trennen des Kristalls von der Schmelze gekoppelten stark beschleunigten Kristallrotation die an der Wachstumsfront anhaftende Restschmelze vor dem Erstarren abzuschleudern. Dazu wurden massive Keime eingesetzt, die eine großflächige Zweiphasengrenze l-s nach einer nur geringen Wachstumsdistanz bereitstellen. Hier musste erkannt werden, dass es prinzipiell nicht möglich ist, einen Flüssigkeitsfilm, der den Kristall benetzt, restlos von einer Grenzfläche durch Abschleudern zu entfernen. In einigen Fällen konnte die anhaftende Restschmelze aus einigen Bereichen der Zweiphasengrenze l-s vor deren Erstarren entfernt werden, sodass die ehemaligen Wachstumsfront ex situ untersucht werden konnte. Im Fall der Züchtungsrichtung parallel der zehnzählige Achse [00001] konnte so nachgewiesen werden, dass das Wachstum nicht über ebenmäßige Flächen erfolgt. Die Wachstumsfront stellt sich als eine gleichmäßig gekrümmte Fläche dar, die dem Verlauf der Schmelzpunktisothermen folgt. Als Ergebnis kann man den Schluss ziehen, dass das Wachstum entlang der [00001]-Orientierung über eine atomar raue Grenzfläche erfolgt, was unter wachstumskinetischen Gesichtspunkten höhere Ziehgeschwindigkeiten ermöglicht. Die Identifizierung des kinetischen Limits des Wachstums in dieser Orientierung ist durch die einsetzenden Effekte der konstitutionellen Unterkühlung verdeckt. Die Züchtung großer dekagonaler AlCoCu-Quasikristalle gelang im Rahmen dieser Arbeit erstmals. Frühere Experimente unter Nutzung der spontanen Keimbildung blieben erfolglos. Es kann angenommen werden, dass in diesem System eine größere Keimbildungsarbeit zur Bildung der festen Phase aufgewendet werden muss, als in dem ternären System Al-Co-Ni der Fall ist. Mit der Bildung der festen Phase bricht die Unterkühlung zusammen und es resultiert ein polykristallines Wachstum. In den Züchtungsexperimenten unter Verwendung [00001]-orientierter d-AlCoNi-Keime war zu beobachten, dass der zuvor beschriebene Effekt später einsetze und eine zunächst dekaprismatische Wachstumsmorphologie zunehmend an struktureller Perfektion verlor. Erst der Wechsel der Züchtungsrichtung zu den langsamwachsenden, zweizähligen Orientierungen [10000] und [10-100] führte zu einem kontrollierbaren, einkristallinen Wachstum. Auch hier zeigte die dekantierte Wachstumsfront, dass als Wachstumsfläche an der Zweiphasengrenze l-s allein Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} auftreten. Das gemeinsame Ergebnis aller Studien zur Züchtung von dekagonalen Quasikristallen nach dem CZOCHRALSKI-Verfahren ist das Auftreten des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} als Wachstumsfläche an der Zweiphasengrenze l-s. Auch können an der Peripherie der Kristalle außer den beiden bekannten Formen der dekagonalen Dipyramide keine weiteren Flächen geneigter Formen beobachtet werden. Das Kugelwachstumsexperiment bot die Möglichkeit, das Wachstum aller symmetrisch nicht äquivalenten Kristallorientierungen einer Kristallart an einem sphärisch präparierten Individuum zu beobachten. Dieses experimentell aufwändige Experiment wurde erstmals in der beschriebenen Art in einem intermetallischen System realisiert. Nach dem Experiment konnte auf der Kugeloberfläche das Auftreten von Flächen nachgewiesen werden, die den beiden Formen des dekagonalen Prismas {10000} sowie {10-100} zugeordnet werden können. Sie sind das Ergebnis von Wachtumsprozessen an der Zweiphasengrenze l-s und stellen somit Wachstumsflächen dar. Das Auftreten von Flächen genegter Formen konnte nicht beobachtet werden. Da weite Bereiche der Kugeloberfläche von Oxiden bedeckt und somit einer detaillierten Beobachtung unzugänglich waren, ist ihre Nichtexistenz jedoch noch nicht hinreichend bewiesen. Mit den CZOCHRALSKI-Abreißexperimenten wurde die maximale flächenspezifische Kristallisationsgeschwindigkeit von dekagonalen AlCoNi-Quasikristallen bestimmt. Dazu konnte die Grundidee CZOCHRALSKIS verfolgt und an die Besonderheiten inkongruenter Schmelzen in einem Multikomponentensystem angepasst werden. Das Limit für die Kristallisationsgeschwindigkeit parallel der zehnzähligen Achse [00001] ist derart hoch, dass noch vor dem (kinetisch bedingten) Abreißen des Kristalls von der Schmelze die Effekte der konstitutionellen Unterkühlung einsetzen. Es entstehen Störungen an der Wachstumsfront, unter denen unrealistisch hohe Ziehgeschwindigkeiten möglich werden, die jedoch nicht mehr zu einer defektarmen Kristallzüchtung führen. Die maximale Kristallisationsgeschwindigkeit kann in dieser Orientierung nach dieser Methode nicht bestimmt werden, weil die Grenzen der konstitutionellen Unterkühlung überschritten werden, bevor das wachstumskinetische Limit erreicht ist. In den symmetrisch nicht äquivalenten, zweizähligen Kristallorientierungen [10000] und [10-100] wurden für jede Orientierung mehrere Abreißereignisse unter verschiedenen erhöhten Ziehgeschwindigkeiten vz+ durchgeführt und die Zeit t bis zum Abriss des Kristalls von der Schmelze gemessen. Die gewonnenen t(vz)-Werte zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Ziehgeschwindigkeit vz und der reziproken Zeit t bis zum Trennen von Kristall und Schmelze auf, wobei die t(vz)-Werte für die [10000]-Orientierung eine deutlich größere Streuung zeigen als für die [10-100]-Orientierung. Die ermittelten Werte lassen keinen signifikanten Unterschied für die maximale Kristallisationsgeschwindigkeit vkr der beiden Kristallorientierungen [10000] und [10-100] erkennen. Als Ursache für das weniger gut reproduzierbare Abreißverhalten der singulären Grenzfläche (10000) wurde eine mechanische Ursache angenommen, die anhand eines einfachen Modellexperimentes (Benetzungsexperiment) überprüft wurde. Für modellhafte Nachbildungen der singulären Grenzfläche (10000) und der komplexen Grenzfläche {10-100} wurde die Reproduzierbarkeit des Abreißverhaltens bei verschiedenen Fehlorientierungen untersucht. Dazu wurden zylindrische Prüfkörper von gleichem Durchmesser hergestellt, wobei die Grenzfläche l-s im Fall der (10000)-Fläche eine ebene, parallel zur Oberfläche der Testschmelze orientierte Fläche darstellte. Die Grenzfläche l-s im Fall der komplexen (10-100)-Fläche, die aus gegeneinander orientierten Segmenten von Flächen der Form {10000} aufgebaut ist, wurde aus zwei eben Flächen, deren Flächennormalen um +18° bzw. -18° gegen die Oberfläche der Testschmelze geneigt sind, dargestellt. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich das Abreißverhalten der komplexen Grenzfläche {10-100} als invariant gegenüber Fehlorientierungen erwiesen hat. Eine singuläre, parallel zur Schmelzenoberfläche orientierte Grenzfläche {10000} zeigt dagegen eine schlechte Reproduzierbarkeit der einzelnen Abreißereignisse. Mit diesem Ergebnis kann die breite Streuung der Experimente für die (10000)-Grenzfläche erklärt werden. Die Bestimmung der Oberflächenenergie von präparierten (00001)-, (10000)- und (10-100)-Oberflächen dekagonaler AlCoNi-Quasikristalle erfolgte über Kontaktwinkelmessungen. Mit den Testflüssigkeiten Wasser und Dijodmethan konnten die polare und die dispersive Komponente der Oberflächenenergie getrennt voneinander bestimmt werden. Die Kontaktwinkelmessungen mussten unter Umgebungsbedingungen erfolgen, d.h. die Quasikristalloberflächen befanden sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer eigenen Schmelze. Dabei wurden Ergebnisse gewonnen, die die Aussagen aus den Kinetikexperimenten ergänzen. Es wurde für die (10000)-Oberfläche eine geringere Oberflächenenergie als für die (10-100)-Oberfläche gefunden. Nach der klassischen Theorie des Kristallwachstums bedeutet eine geringe Oberflächenenergie, dass das Wachstum über eine atomar glatte Phasengrenze geschieht. Daraus resultiert eine geringe parallele Verschiebungsgeschwindigkeit der betreffenden Fläche, womit für die Flächen des dekagonalen (Haupt-) Prismas eine geringere parallele Verschiebungsgeschwindigkeit als für die Flächen des dekagonalen (Neben-) Prismas {10-100} erklärt werden kann. Diese Annahme wird durch die Beobachtungen bezüglich des Auftretens von Flächen der Form {10-100} in dem Kugelwachstumsexperiment bestätigt. Sie treten im Anfangsstadium des weiteren Wachstums auf der Kugeloberfläche noch auf, wachsen schneller und verschwinden folglich aus der Morphologie. Die in dieser experimentellen Arbeit gewonnenen Ergebnisse können kein theoretisches Modell zum Verständnis des quasikristallinen Wachstum liefern. Vielmehr lassen sich die beobachteten Wachstumsphänomene mit den theoretischen Vorstellungen des Wachstums periodischer Kristalle hinreichend gut erklären. Es bleibt die Frage offen, wie groß der Einfluss der quasiperiodischen Ordnung auf das (Quasi-) Kristallwachstum ist oder ob die beobachteten Phänomene nicht einzig ein Resultat der komplexen Struktur dieser intermetallischen Legierungen sind.

    A new seismological network for Bavaria and its application to the study of meteorologically triggered earthquake swarms

    A new seismological network for Bavaria and its application to the study of meteorologically triggered earthquake swarms
    This thesis addresses to self-contained topics and is therefore structured in tow parts. The first part describes the installation of a new seismological network for Bavaria, whereas the second part focuses on the investigation of rainfall induced seismicity near Bad Reichenhall in southeastern Bavaria. Part 1 Because of the focus of the existing seismological stations on teleseismic and regional events, the capability of locating local earthquakes in various regions of Bavaria was quite limited. To overcome this situation 15 new stations were installed in the country. Additionally, six existing stations were updated to state-of-the-art technology in a second stage. The network geometry closely oriented on the seismicity of Bavaria, with densly spaced stations in areas were activity is high and promising scientific problems could be addressed. The software concept was, as far as possible, adopted from the GEOFON Project of th GeoFoschungsZentrum Potsdam (GFZ), which is already used for the German Regional Seismic Network (GRSN) and other European networks. This assures an easy data transfer with other services and allows the future incorporation of real-time data of the Bavarian network in an European and global seismological networks. Part 2 In the second part of this thesis, the focus will be laid on one of the dense sub-networks in southeastern Bavaria. Here, near the town of Bad Reichenhall, a connection between rainfall and seismicity is suggested since the early 1970ties. However, because of the lack of continuous high-quality data such a correlation could never be tested by means of a physical model. In three papers the observation of above average rainfall in 2002 and associated earthquake swarms are studied in detail. Starting with an overview paper with first location results and interpretation in Chapter 3, the discussion of cluster analysis, high-precision relocation and focal-mechanism analysis in Chapter 4, and finally by statistical modeling of the relocated seismicity by means of point process modeling and pore-pressure diffusion assuming a rate-state earthquake friction model in Chapter 5. Although, seasonal variability of seismicity related to ground water recharge and precipitation has been previously observed on regional scales, a statistically significant causal relationship between rainfall and earthquake activity for an isolated region can be shown here for the first time. The analysis of the high quality meteorological and seismic data in the Mt. Hochstaufen region yields clear evidence that tiny pore pressure changes induced by rainfall are able to trigger earthquake activity even at 4 km depth via the mechanism of fluid diffusion. Stress changes of the order of 5-13 mbar are found to trigger earthquakes. This is much less than usually produced in fluid injection experiments (several 100 bars and more), indicating an extreme sensitivity of the crust with regard to tiny changes. This might be an universal feature which can, however, only be seen in the rare occasion of an isolated but critical system, like the study area. Although, the derived focal mechanisms indicate an influence of the Saalach Fault Zone on the stress regime of the study area, the reason for the criticality of the seismogenic volume in the Mt. Hochstaufen region is not yet finally resolved. However, the high correlation between rainfall-induced pressure changes at depth and seismicity opens the possibility of forecasting future earthquake rates on the basis of rainfall data in this region. Regarding the small volume in which the earthquakes take place, the almost yearly occurring earthquake swarms and the permanent, seismo-meteorological monitoring network, Mt. Hochstaufen provides nearly controlled experimental conditions to study fluid-induced seismicity and the physics of earthquake swarms.

    The Seismic Signature of Mantle Plumes

    The Seismic Signature of Mantle Plumes
    Diese Arbeit behandelt den Effekt von Plumes im Erdmantel auf teleseismische Wellenfelder, also auf Wellen, die in größerer Entfernung von Erdbeben zu beobachten sind. Mantel-Plumes sind der geläufigen Vorstellung nach säulen- bzw. pilzförmige Gebilde in denen heißeres Mantelmaterial wegen des Dichteunterschieds zum umgebenden Mantel aufsteigt und nahe der Erdoberfläche Intraplattenvulkanismus erzeugt, mit Hawaii als klassischem Beispiel. Solche Plumes wurden vor langer Zeit postuliert und sind weithin in den Geowissenschaften akzeptiert. Dennoch tat sich die Seismologie, als die Disziplin, die die hochauflösendsten Bilder des Erdinnern liefert, schwer, eindeutige Abbildungen von Plumes zu liefern, welche die Existenz der in den letzten Jahren vermehrt kontrovers diskutierten Plumes beweisen könnten. Dies liegt in erster Linie am geringen Durchmesser der Plumes bzw. dessen Verhältnis zu den Wellenlängen, die typischerweise in der globalen Seismologie betrachtet werden. Da nämlich die erwartete Größe der Plumes in der Größenordnung der Wellenlängen liegt, versagt die weithin verwendete Strahlentheorie. Deshalb wurden in der jüngsten Vergangenheit tomographische Methoden entwickelt, die der Wellennatur der Erdbebenwellen gerecht wird. Mit einer solchen tomographischen Studie konnten die Strukturen im Erdinnern unter Bereichen, wo man Plumes erwartet, bereits deutlicher und schärfer abgebildet werden, und eine Interpretation der Bilder im Sinne von Plumes wurde plausibler. Dennoch herrschen bei Seismologen - insbesondere bei der Planung von Experimenten zur Untersuchung von Plumes - immer noch strahlentheoretische Vorstellungen vor. Systematische Untersuchungen des Wellenfeldeffektes von Plumes gab es bislang nicht. Diese Arbeit macht sich daran, diese Lücke zu schließen. In ihr werden 3D-Computermodellierungen von globaler Wellenausbreitung durch einfache Modelle von Plumes, die sich in größeren Entfernungen des Erdbebenherdes befinden, durchgeführt. Die Ergebnisse werden dargestellt in Form von Karten, die die Laufzeitunterschiede zwischen den Ankunftszeiten von Wellen die durch ein "ungestörtes" 1D-Erdmodell und denen, die durch Modelle mit Plume-Strukturen liefen, zeigen. Genau diese Laufzeitinformation wird von üblichen Tomographiestudien verwertet. Die so gewonnen "Laufzeitschatten" der Plumes unterscheiden sich - abhängig von dem Frequenzbereich der betrachteten Wellen - z.T. deutlich von den Laufzeiten, die die Strahlentheorie vorhersagt. So kommt es zum Beispiel durch Plumes, die Niedriggeschwindigkeitskörper darstellen, zu verfrühten Ankunftszeiten. Diese völlig unintuitive Beobachtung ist aber konsistent mit der Wellentheorie. Auch die Lage der Bereiche, in denen die Laufzeiteffekte auftreten, sowie die Stärke der Effekte unterscheiden sich deutlich von strahlentheoretischen Erwartungen. Diese Information kann in Zukunft dazu genutzt werden, Experimente zur Untersuchung von Plumes zu optimieren, was wünschenswert ist, da diese in der Regel sehr aufwändig sind. In der Arbeit werden auch Amplitudeneffekte der modellierten Plumes auf die Wellenfelder frequenzabhängig untersucht, allerdings ist hier eine unmittelbare Ausnutzung für Beobachtungen nicht gegeben, da die Effekte klein sind und Amplituden in der globalen Seismologie schlechter bestimmt bzw. mit solchen aus Referenzmodellen verglichen werden können. Signifikante Wellenformeffekte waren bei den verwendeten isotropen Plume-Modellen nicht zu beobachten. Die Untersuchungen sind eingebettet in eine umfassende Betrachtung des Problems der seismischen Abbildung von Plumes. Die Ergebnisse - obwohl durch die Verwendung eines nur von der Tiefe abhängigen Erdmodelle nicht plume-spezifisch – werden anhand des Island-Plumes dargestellt und in Zusammenhang mit den für diesen Plume offenen Fragestellungen diskutiert.

    Physico-Chemical Properties of Silicate Melts

    Physico-Chemical Properties of Silicate Melts
    Abstract The shear viscosity, density, thermal expansivity and specific heat capacity are important factors controlling the morphology, rheology, and texture of volcanic flows and deposits. These physical properties of silicate melts largely depend on chemical composition, water content, crystal content, bubble content and stress applied to the melt. Recently, it has been recognized that the applied stress plays an important role in the so called “glass transition” area of silicate melts. This kinetic boundary between brittle and ductile behavior affects the eruptive style. Thorough knowledge of the physical processes that occur at this brittle/ductile transition can affect the decision making of governments during volcanic crises and help to reduce and/or avoid loss of life and assets. Scientific knowledge from this research can be directly applied to the geomaterial industry. In addition, natural magmatic rocks are the major raw material in the production of microfibres and continuous fibres. Compared to normal glass fibres, rock fibres have a remarkable high temperature endurance, acid and alkali resistance and anti-heat impact. Rock products can be used as substitutes for metal and timber. They are likely to become more widely used in the near future. Further use for natural magmatic rocks include crushed stone, concrete aggregate, railroad ballast, production of high quality textile fibres, floor tiles, acid-resistant equipment for heavy industrial use, rockwool, basalt pipers, basalt reinforcement bars, basalt fibre roofing felt (ruberoid), basalt laminate (used as a protective coating), heat-insulating basalt fibre materials and glass wool (fibre glass). Since Bottinga and Weill (1970) first suggested that the density of melts in two or three component systems could be used to determine partial molar volumes of oxide components in silicate liquids, several models based upon this approach have been proposed in the Earth sciences literature. Considering that knowledge the densities of 8 Zn-bearing silicate melts have been determined, in equilibrium with air, in the temperature range of 1363 to 1850 K. The compositional joins investigated [sodium disilicate (NS2)- ZnO; anorthite-diopside 1 atm eutectic (AnDi)-ZnO; and diopside-petedunnite] were chosen based on the pre-existing experimental density data set, on their petrological relevance, and in order to provide a test for significant compositionally induced variations in the structural role of ZnO. The ZnO concentrations investigated range up to 25 mol% for sodium disilicate, 20 mol% for the anorthite-diopside 1 atm eutectic, and 25 mol% for petedunnite. Molar volumes and expansivities have been derived for all melts. The molar volumes of the liquids decrease with increasing ZnO content. The partial molar volume of ZnO derived from the volumetric measurements for each binary system is the same within error. A multicomponent fit to the volumetric data for all compositions yields a value of 13.59(0.55) cm3/mol at 1500 K. I find, no volumetric evidence for compositionally induced coordination number variations for ZnO in alkali-bearing vs. alkali-free silicate melts nor for Al-free vs. Al-bearing silicate melts. The partial molar volume of ZnO determined here may be incorporated into existing multicomponent models for the prediction of silicate melt volume. High temperature density determinations on ZnO-bearing silicate melts indicate that a single value for the partial molar volume of ZnO is sufficient to describe the volumetric properties of this component in silicate melts. The presence of alkalies and Al does not appear to influence the partial molar volume of ZnO within the temperature range investigated here. There is no volumetric evidence across this temperature range presented for composition to influence the coordination polyhedron of ZnO in silicate melts. The next physical property to be studied was thermal expansivity. Ten compositions from within the anorthite-wollastonite-gehlenite (An-Wo-Geh) compatibility triangle were investigated. Due to the lack of information about the thermal expansivities at supercooled liquid temperatures this study focused on the measurement of thermal expansivity using a combination of calorimetric and dilatometric methods. The volumes at room temperature were derived from densities measured using the Archimedean buoyancy method. For each sample density was measured at 298 K using glass that had a cooling-heating history of 10-10 K min-1. The thermal expansion coefficient of the glass from 298 K to the glass transition interval was measured by a dilatometer and the heat capacity was measured using a differential scanning calorimeter from 298 to 1135 K. The thermal expansion coefficient and the heat flow were determined at a heating rate of 10 K min-1 on glasses that were previously cooled at 10 K min-1. Supercooled liquid density, molar volume and molar thermal expansivities were indirectly determined by combining differential scanning calorimetric and dilatometric measurements assuming that the kinetics of enthalpy and shear relaxation are equivalent. The data obtained on the supercooled liquids were compared to high-temperature predictions from the models of Lange and Carmichael (1987), Courtial and Dingwell (1995) and Lange (1997). The best linear fit combines the supercooled liquid data presented in this study and the high temperature data calculated using the Courtial and Dingwell (1995) model. This dilatometric/calorimetric method of determining supercooled liquid molar thermal expansivity greatly increases the temperature range accessible for thermal expansion. It represents a substantial increase in precision and understanding of the thermodynamics of calcium aluminosilicate melts. This enhanced precision demonstrates clearly the temperature independence of the melt expansions in the An-Wo-Geh system. This contrasts strongly with observations for neighboring system such as Anorthite-Diopside and raises the question of the compositional/structural origins of the temperature dependence of thermal expansivity in multicomponent silicate melts. In addition, the partial molar volumes and the thermal expansivities of 10 samples from within the An-Wo-Geh compatibility triangle have been determined. They have been incorporated into existing multicomponent models in order to predict silicate melt volume. The resulting supercooled liquid volumes near glass transition temperatures (1135 - 1200 K) and at superliquidus temperature were combined to yield temperature independent thermal expansivities over the entire temperature range. In light of results presented in this study, together with the published data, it seems that binary and ternary systems have temperature independent thermal expansivities from the supercooled liquid to the superliquidus temperature at 1 atmosphere. By combining the high temperature densitometry data (i.e., above liquidus) from the literature with volume and expansivity data obtained at Tsc, a wide temperature range is covered. There is no volumetric evidence across this temperature range for temperature independent thermal expansivities in the An-Wo-Geh compatibility triangle. Furthemore, the thermal expansivities of three multicomponent glasses and liquids have been obtained over a large temperature interval (298 - 1803 K) which involved combining the results of low and high temperature measurements. The sample compositions investigated were derived from three natural lavas; Vesuvius 1631 eruption, Etna 1992 eruption and an Oligocene-Miocene lava flow from Slapany in the Bohemian massif. The original rocks are tephri-phonolite, trachybasalt and basanite, respectively. This is the first time this calorimetric/dilatometric method has ever been applied to natural magmatic melts. The low temperature volumes were derived from measurements of the glass density of each sample after cooling at 5 K.min-1 at 298 K, followed by measurements of the glass thermal expansion coefficient from 298 K to the samples´ respective glass transition interval. Supercooled liquid volumes and molar thermal expansivities were determined by combining scanning calorimetric and dilatometric measurements, assuming that the kinetics of enthalpy and shear relaxation are equivalent (Webb, 1992). High temperature densities were measured using Pt double bob Archimedean densitometry. In addition, the oxidation state of iron was analyzed using a wet chemistry method. Small amounts of samples were taken from the liquids using a “dip” technique at regular temperature steps during high temperature densitometry. The measured high temperature densities have been compared with predicted densities across the same temperature interval calculated using the multicomponent density models of Lange and Carmichael (1987) and Lange (1997). The resulting data for liquid volumes near glass transition temperatures (993 - 1010 K) and at super-liquidus temperatures (1512 - 1803 K) are combined to yield temperature dependant thermal expansivities over the entire supercooled and stable liquid range. These results confirm the observation of Knoche et al. (1992a); Knoche et al. (1992b); Toplis and Richet (2000); Liu and Lange (2001); Gottsmann and Dingwell (2002) of the temperature dependence of thermal expansivity. The molar volumes indicate, in general, a significant negative temperature dependence of the expansivity. The thermal molar expansivity of the glasses increase from SiO2-poor (basalt-basanite composition) to relatively SiO2-rich melts (tephri-phonolite composition). The thermal molar expansivity at supercooled liquid temperatures increases in the same manner as the glasses. In contrast, the thermal molar expansivity of the superliquidus liquid decrease from SiO2-poor to relatively SiO2-rich melts. Non-linear dependency of molar volume has been observed for all studied samples above the glass transition area. Molar volume from just above the glass transition area to about 1873 K can be predicted by a non-linear logarithmic curve. This study examined the expansivities and molar volumes of relatively basic compositions. Extending such a study to more SiO2-rich, but still geologically relevant, compositions remains a challenge, because the high viscosities of such melts preclude the use of immersion techniques. This problem can be solved using a high temperature densitometry where the volume is measured on levitated sample. I would like to urge studies of this sort in the future. Results from such studies should provide important information regarding a number of geological processes, which occur in such extremely high viscous liquids. A new viscosity measurement for melts spanning a wide range of anhydrous compositions including: rhyolite, trachyte, moldavite, andesite, latite, pantellerite, basalt and basanite are discussed in the last chapters. Micropenetration and concentric cylinder viscometry measurements cover a viscosity range of 10-1 to 1012 Pas and a temperature range from 973 to 1923 K. These new measurements, combined with other published data, provide a high-quality database comprising ~800 experimental data on 44 well -characterized melt compositions. This database is used to recalibrate the model proposed by Giordano and Dingwell [Giordano, D., Dingwell, D. B., 2003a. Non-Arrhenian multicomponent melt viscosity: a model. Earth Planet. Sci. Lett. 208, 337–349] for predicting the viscosity of natural silicate melts. The recalibration shows that: a) the viscosity (η)–temperature relationship of natural silicate liquids is very well represented by the VFT equation [log η=A+B/ (T−C)] over the full range of viscosity considered here, b) the use of a constant high-T limiting value of melt viscosity (e.g., A) is fully consistent with the experimental data. There are 3 different compositional suites (peralkaline, metaluminous and peraluminous) that exhibit different patterns in viscosity, the viscosity of metaluminous liquids is well described by a simple mathematical expression involving the compositional parameter (SM) but the compositional dependence of viscosity for peralkaline and peraluminous melts is not fully controlled by SM. For these extreme compositions we refitted the model using a temperature-dependent parameter based on the excess of alkalies relative to alumina (e.g., AE/SM). The recalibrated model reproduces the entire database to within 5% relative error. On the basis of this extended database the T-variation of the viscous response of strong and fragile liquids within a wide range of compositions shows three clearly contrasting compositional suites (peralkaline, metaluminous and peraluminous). As a result, I present an extended model to calculate the viscosity of silicate melts over a wide range of temperatures and compositions. This model constitutes a significant improvement with respect to the Giordano and Dingwell (2003a) study in that: 1) The number of experimental determinations over which the model is calibrated is larger. 2) The range of investigated compositions is larger. 3) The investigated temperature range is larger. 4) The assumption is made that at infinite temperature, the viscosity of silicate melts converges to a common, but unknown value of the pre-exponential factor (A=−4.07, Equation (7.1)). In particular the compositional range involves a large number of viscosity determinations for peralkaline and peraluminous compositions in a temperature interval between 949 and 2653 K. Furthermore, it is shown that the assumption of a common value of the pre-exponential parameter A produces an equally good representation of the experimental data as that produced by each melt having its own specific A-value. This optimization also induces a strong coupling between data sets that stabilizes the range of solutions and allows the different rheological behaviour of extreme compositions (peralkaline and peraluminous vs. metaluminous) to be discriminated. It was demonstrated that, although the parameter SM (Giordano and Dingwell, 2003a) can be used to model compositional controls on the viscosities of metaluminous liquids, it does not capture the viscosity of peralkaline and peraluminous liquids. The differences in the rheological behaviour of these extreme compositions reflect important differences in the structural configuration of metaluminous, peralkaline and peraluminous melts. Subsequently, a second regression of the experimental data was performed involving a second compositional parameter (AE) that accounts for the excess of alkali oxides over the alumina. Incorporating this temperature-dependent compositional parameter (i.e., AE) into the SM-based model (Equation 7.7) appears to account for the anomalous rheological behaviour of peralkaline and peraluminous liquids. The resulting model reproduces the entire experimental database to within an average RMSE of 0.45 log units. The model presented here is recommended for the estimation of the viscosity of anhydrous multicomponent silicate melts of volcanic interest.

    Holistic correlation of physical and mechanical properties of selected natural stones for assessing durability and weathering in the natural environment.

    Holistic correlation of physical and mechanical properties of selected natural stones for assessing durability and weathering in the natural environment.
    The main purpose of this study is to understand influences of bulk structure of materials on strength behavior as well as water storage and transfer in order to assess durability and weathering. Therefore, a selection of different methods are applied and compared to optimize the understanding of material structure and physico-mechanical behavior. Optical microscopy (Digital Image Analysis) and scanning electron microscopy as well as water vapor permeability, biaxial flexural strength and ultrasonic velocity are measured on different natural materials: sandstones with clayey, silicious or calcareous binder, oolithic and micritic magnesian limestones and a thermally aged Proconnesian marble. Microstructurales and macrostructurales properties of these materials are studied before and after artificial weathering (freeze-thaw cycles). First, and in order to validate the efficiency of the digital image analysis to characterize porosity and structure, traditional porosity measurements as water ad- and absorption and mercury porosimetry are crosschecked with the result obtained from digital image analysis. Limits of each methods are also defined. Then, validations of non-destructive and semi-destructive methods are also pursued to evaluate their potential value to replace and complement standardized methods. By analysis of linear correlations, some essential mechanisms should be underlined, which may connect the macrostructure to the microstructure of the material. A systematic method of analysis should clearly appear and emphasize the role of the structure (grain size, grain contact and pore shape) on physical and mechanical behavior. The main parameters leading to weathering should then be identified and models of correlations drawn. Correlations between the various physico-mechanical properties could ameliorate the possibilities to assess durability and weathering in the natural environment.

    Numerical Simulations of Earthquake Scenarios in the Lower Rhine Embayment Area

    Numerical Simulations of Earthquake Scenarios in the Lower Rhine Embayment Area
    The choice of the Lower Rhine Embayment as study area for strong ground motion modeling may be puzzling at first glance. This region in the northwest of the European continent is characterized by active tectonics on a complex system of fault-zones with relatively low deformation rates. Consequently, the area has shown low to moderate seismicity in the time frame covered by observational seismology. However, historical and geological evidence proves that the fault systems of the Lower Rhine Embayment have the potential of producing large earthquakes with magnitudes 6 and above accompanied by surface rupture. The presence of large sediment deposits in this region leads to local amplification of ground motion with large lateral variations. Dense population and an agglomeration of industry results in an elevated seismic risk. Assessment of seismic hazard in regions characterized by low recent seismicity is afflicted with large uncertainties. This is mainly due to the dearth of observational data on strong ground motions associated with large earthquakes. Numerical simulations of earthquake scenarios can account for estimates on peak ground motion and waveforms and therefore help closing this gap. Naturally the first step consists in accurate reproduction of the few observed events. An additional crucial quantity is the range of variations of the simulation results within the uncertainty margins associated with input parameters. Knowledge about this behavior enlarges the significance of numerical simulation results. Four historical and recent earthquake scenarios are modeled using a finite difference approach. Results are analyzed with special emphasis given to their intrinsic variability with model complexity and simulation settings. The choice of investigated parameters is adopted to the differing scope of observational data available for the individual events. In general encouraging similarity between synthetic and observed ground motions is found, even when a simplified model is used. However, detailed investigation carried out for the most recent earthquake scenario - the magnitude 4.9 July 22 2002 Alsdorf event - strongly suggests the significance of an appropriate source description and the modeling of anelastic behavior on simulation results. Finally a web-based application for storage and visualization of synthetic ground motion data is presented.

    Paleozoic Geography and Paleomagnetism of Kazakhstan

    Paleozoic Geography and Paleomagnetism of Kazakhstan
    Der Norden Eurasiens besteht aus einer Vielzahl kontinentaler Blöcke (Baltika, Europa, Sibirien, Kasachstan, Turan und Tarim), die während des Karbons und Perms kollidierten. Der paläozoische Kontinent Kasachstan befindet sich im Zentrum dieses Agglomerats. Erkenntnisse zur tektonischen Entwicklung dieses Gebiets sind von großer Bedeutung für die Interpretation der geologischen Geschichte Eurasiens. Bei der Interpretation der paläozoischen Geschichte Kasachstans treten jedoch Komplikationen auf und regionale geodynamische Modelle stehen oft schon bei grundlegenden Annahmen im Widerspruch zueinander [Zaitsev, 1984; Zonenshain, et al., 1990; Mossakovskiy et al. 1993; Sengör et al. 1993]. Prinzipielle Streitpunkte treten vor allem bei folgenden Punkten auf: (a) Der Eingrenzung und Identifikation eigenständiger Terranes, die heute in Kasachstan integriert sind; (b) Der Rekonstruktion von Driftbewegungen der einzelnen Terranes, bzw. des gesamten kasachischen Kontinents; (c) der nach der primären Geometrie des paläozoischen gefalteten Gürtels, der heute als riesige gebogene Struktur (Orokline) die Tektonik Kasachstans dominiert. Eine Klärung existierender Ungereimtheiten ist hauptsächlich durch die geringe Anzahl qualitativ hochwertiger paläomagnetischer Daten aus Kasachstan erschwert. Entsprechend wurden paläomagnetische Untersuchungen, basierend auf oben genannten offenen Fragen, in Südkasachstan durchgeführt. Gesteine des Unteren Ordoviziums bis Karbons mit ausgezeichneten Faltenstrukturen und guter biostratigraphischer Alterskontrolle wurden beprobt. Insgesamt 16 Lokalitäten (187 Aufschlüsse. 1100 Proben) unterschiedlichen Alters und Lithologie wurden untersucht. Magnetische Komponenten, die vor der Faltung erworben wurden, wurden im unteren Ordovizium (unteres Arenigian), Silur, unteren bis mittleren Devon und im unteren Karbon nachgewiesen. Die paläomagnetische Daten für Redbeds des unteren Arenigian (D= 9.2°, I=-16.9°, k=26.9, a95=15.0°) sind erste und bisher einzige Richtungen, die überhaupt für die Zeit, als die allochthonen Terranes noch getrennt voneinander existierten, ermittelt wurden. Richtungen des „South-Chu-Yili“ Gebirges (Silur bis unteres Devon, D = 346.9°, I=23.8°) zeigen nördliche Deklinationen und positive Inklinationen. Daraus resultiert bei angenommener normaler Polarität eine nördliche Paläobreite von etwa 12.4° ± 7.7°. Das erstaunlichste Ergebnis dieser Studie liefert die Koktas Formation (unteres Devon, D= 357.3°, I=+75.8°), bei welcher die paläomagnetischen Richtungen signifikant von den Referenzrichtungen für Baltika und Sibirien abweichen. Die ermittelte nördliche Paläobreite von 64° übersteigt alle für das Paläozoikum erwarteten Werte. Die Remanenzkomponente aus Redbeds des Kendyktas Rückens (oberes Devon – unteres Karbon, D=069.5°, I=+43.7°, k=26.7, a95=9.5°) resultiert in einer Paläobreite von etwa 21.8° ± 5.9° N. Die Daten dieser Studie sowie Veröffentlichungen vergangener Jahre lassen keine Rückschlüsse auf bedeutende Unterschiede bei den Paläobreiten Nord- und Südkasachstans seit dem mittleren Ordovizium zu. Allerdings weisen die Mehrzahl der paläomagnetischen Daten darauf hin, dass sowohl Süd- als auch Nordkasachstan während des Paläozoikums wahrscheinlich etwas weiter im Norden, bzw. etwas weiter im Süden positioniert waren als erwartungsgemäß als Teil Baltikas, bzw. Sibiriens. Während des Ordoviziums bis Perms driftete Kasachstan mit einer zur Bewegung Baltikas und Sibiriens vergleichbaren Geschwindigkeit Richtung Norden. Die Verteilung kasachischer Richtungen deutet mehrere Phasen magnetischer Überprägung mit signifikanter regionaler Ausbreitung an. Eine in Baltika sehr verbreitet auftretende permische Überprägung spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle. Die in Südkasachstan nachgewiesenen Rotationen können nicht mit dem tektonischen Modell zur Entwicklung des Kipchak Bogens von Sengör et al. [1993] und Sengör and Natal'in [1996] in Übereinstimmung gebracht werden, nach dem Rotationen von rund 90° im Uhrzeigersinn relativ zu Baltika, bzw. rund 30° relativ zu Sibirien seit dem unteren Devon zu erwarten wären. Die paläomagnetischen Ergebnisse [diese Studie, Bazhenov, et al, 2003] zeigen im Gegensatz Rotationen gegen den Uhrzeigersinn. Es wird eine modifizierte Polwanderkurve für Kasachstan vorgestellt, die auf jüngeren, qualitativ hochwertigeren paläomagnetischen Daten basiert. Die Hypothese von Sengör and Natal'in [1996] (oroclinal bending) wird abgelehnt, stattdessen wird ein Modell entwickelt, mit dem die gekrümmten Strukturen Kasachstans mit Plattentektonik im klassischen Sinne erklärt werden können.

    Aktuelle stadt- und landschaftsökologische Probleme in Havanna und Lösungsansätze durch staatliche Raumordnung, Umweltpolitik bzw. kommunale Partizipation

    Aktuelle stadt- und landschaftsökologische Probleme in Havanna und Lösungsansätze durch staatliche Raumordnung, Umweltpolitik bzw. kommunale Partizipation
    Since the collapse of the Soviet Union and since the start of the economic crisis in Cuba (Periodo Especial), an increase in the variety of ecological problems has been registered concentrating primarily nowadays on the Cuban capital Havana. In conjunction with the aforementioned political and economical situation, Havana became the most important migration centre in Cuba since the beginning of the 90´s. This particular thesis will focus on the analysis of current urban-ecological and landscape-ecological problems in Havana (urban development, water supply and sewage disposal, waste disposal and waste sites, green spaces, agriculture). Solutions proposed by the relevant participants from the sectors planning, environmental politics and local municipality (IPF, DPFF, CITMA, GDIC, TTIB) will be complemented in each case with feasible realistic oriented recommendations made by the author. The primary focus of this thesis addresses the relationship between physical-geographical and social-geographical interacting complexes in the examination area whereby the author has chosen an integrative interdisciplinary approach. Several years of field work research in Havana has served as basis for this research. Within the scope of characterising the physical geographical environment (climate, geology, geomorphology, soil, hydrology, vegetation), the fundamentals associated with ecological degradation were first identified. Havana’s historical urban development and the decisive phases in its historical development (colonialism, republican phase, socialism) were genetically analysed in order to understand the historical background and association with existing problems. In order to understand the approach i.e. possibilities of interventional activities and dealings of Cuban planning authorities in Havana, the author presents new structures respective stakeholders of reorganised urban development, environmental policy and municipal participation. In addressing the issue of urban renewal and problem analysis (infrastructure, foundation of buildings etc.) constructional deficits will be identified focussing on colonial, republican and socialist districts in Havana. A main focus of attention in this thesis is the analysis of Cuban standards (Accesoria, Barrio Insalubre, Bohio, Ciudadela, Cuarteria, Pasaje, Solar) in which an exemplary situation of urban squatters will be depicted (Barrios Insalubres). The negative consequences evolving from the Periodo Especial will be addressed, similarly opportunities resulting from economical transformation (real estate investment, renovation model Habana Vieja etc.). In connection with this, the author assesses the difficulties facing the drinking water supply and waste water disposal in Havana (problems relating to infrastructural supply, water supply, effects on private households, on state owned public waters, on the Gulf of Mexico, surface water and ground water contamination, flooding etc). In respect of waste disposal i.e. waste deposition the main difficulties arise with the safekeeping, treatment and disposal of household waste. These problems pose major health and hygiene risks for the concerned population. With respect to Havana’s “green spaces” problem, characteristically features respective in residential areas, industrial areas and areas at degraded river banks and state initiated (forestation) programmes will be presented. Similarly, the author will propose recommendations aimed at substantial development respective “green spaces planning” (improvement of micro climatic aspects, increase in standard of living, occupational political effects etc.). The conclusion of the problem analysis focuses on the ecological difficulties of the agricultural sector in Havana (sugarcane, pastoral grazing i.e. urban agricultural programmes). Based on representative examples of the most important organisational structures (UBPC, CCS, CPA, Organoponicos, private farmers) these problems will be highlighted (site selection, drainage of contaminated water, soil quality, soil erosion). Programmes of action proposed by the author proposing periphery urban agriculture in Havana mark the conclusion of this chapter wrapping up the complex themes relevant to agriculture (institutions, ecology, economy, social aspects). The conclusion of the thesis focuses on the renaturation of an illegal waste site situated in the west of the Havana city province in which the author and his fellow Cuban colleagues not only developed a renaturation concept for this project but were also involved in all measures associated with it. The ecological problems identified on site mainly concern the inhabitants of the surrounding Barrios Insalubres, whereby the extension of the inner urban protected areas has contributed to an improved social, cultural and economical situation for the population. The author’s intense and close cooperation with relevant Cuban stakeholders from the fields of science, politics, administration, the service sector, planning authorities and local population proved indispensable for the success of the applied oriented approach taken here.

    Krankenhausplanung unter Bedingungen der German-Diagnosis Related Groups

    Krankenhausplanung unter Bedingungen der German-Diagnosis Related Groups
    Mit der Einführung eines fallpauschalierten Vergütungssystems für die Finanzierung von Krankenhausleistungen, den German-Diagnosis Related Groups (G-DRGs), sollen Wirtschaftlichkeitsreserven sowie Qualitätsverbesserungen erreicht werden. Im Gegensatz zum bisherigen Finanzierungssystem, bei dem die Höhe der Vergütung nach der Anzahl der Behandlungstage berechnet wurde und bei dem die individuellen Kostenstrukturen der einzelnen Krankenhäuser zum Tragen kamen, beruhen die G-DRGs auf der medizinisch orientierten Gruppierung von Fallgruppen mit einem ähnlichen Ressourcenverbrauch. Diese Durchschnittspreise bewirken eine Umverteilung der Geldströme von den vergleichsweise ineffizienten zu den besonders effizienten Krankenhäusern. Das Funktionieren des G-DRG-Systems hängt entscheidend von der Gestaltungsfreiheit ab, die den Krankenhäusern und den Krankenkassen bei der zukünftigen Gestaltung und Verteilung der notwendigen Krankenhausleistungen zugestanden wird. Dem steht derzeit die Krankenhausplanung der Bundesländer diametral entgegen, weil diese üblicherweise als angebotsorientierte Kapazitätsplanung ausgestaltet ist, bei der für festgelegte Standorte der Umfang und die Fachrichtung der vorzuhaltenden Betten vorgegeben wird. Ein Festhalten an dieser Kapazitätsplanung würde die Ziele der G-DRGs unterlaufen. Trotzdem verbleibt bei den Bundesländern die Aufgabe, für eine flächendeckende und wohnortnahe Versorgung der Bevölkerung mit Krankenhausleistungen zu sorgen. Als zentrales Instrument dafür ist vorgesehen, dass die Bundesländer abweichend von den Vereinbarungen zwischen Krankenhäusern und Krankenkassen bei Gefährdung der Versorgung einzelnen Krankenhäuser einen Sicherstellungszuschlag zugestehen können. Für die Sicherstellung der stationären Notfallversorgung ist ein entgegengesetzter Anreizmechanismus vorgesehen. Hier müssen diejenigen Krankenhäuser eine finanzielle Einbuße hinnehmen, die aus dieser Versorgung ausscheiden. Damit wird die Aufrechterhaltung der stationären Notfallversorgung auch eine betriebswirtschaftliche Abwägung, ob die Vorhaltung bestimmter Einrichtungen teurer ist als die Inkaufnahme eines Abschlages pro erbrachter Leistung. Schließlich kann die Vorgabe von Mindestmengen, von der die weitere Erbringung der entsprechende Leistungen abhängig gemacht wird, deutliche Einschränkungen für die regionale Verfügbarkeit stationärer Leistungen bewirken. Derzeit stehen den Bundesländern keine geeigneten Instrumente zur Verfügung, um die aktuelle Versorgungssituation zu erheben und zu bewerten und ggf. abzuwägen, ob Planungseingriffe notwendig sind. Im Rahmen dieser Untersuchung werden mit sog. Angebots- und Nachfrageprofilen GIS-basierte Instrumente vorgestellt, mit denen zentrale Planungsparameter abgebildet werden können: Entfernung zur Bevölkerung, Kapazitäten sowie Umfang der potentiell zu versorgenden Bevölkerung. Durch die exemplarische Umsetzung im Untersuchungsgebiet konnte die grundsätzliche Eignung dieser Instrumente bei der Bearbeitung der zukünftigen Planungsfragen gezeigt werden. Gleichzeitig bilden diese Instrumente einen Ausgangspunkt für die Entwicklung eines umfassenden GIS-basierten Monitoringkonzeptes für die Krankenhausplanung, mit dem über die Integration und Verknüpfung unterschiedlicher und voneinander unabhängiger Daten sowohl kurzfristige Analysen von Versorgungssituationen als auch mittelfristige Bedarfsprognosen sowie Simulationsmodelle umgesetzt werden können.
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