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Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt.
Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt.
Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden.
Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen.
In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht.
Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind.
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A graph theoretical approach to the analysis, comparison, and enumeration of crystal structures
(2008)
As an alternative approach to lattices and space groups, this work explores graph theory as a means to model crystal structures. The approach uses quotient graphs and nets - the graph theoretical equivalent of cells and lattices - to represent crystal structures. After a short review of related work, new classes of cycles in nets are introduced and their ability to distinguish between non-isomorphic nets and their computational complexity are evaluated. Then, two methods to estimate a structure’s density from the corresponding net are proposed. The first uses coordination sequences to estimate the number of nodes in a sphere, whereas the second method determines the maximal volume of a unit cell. Based on the quotient graph only, methods are proposed to determine whether nets consist of islands, chains, planes, or penetrating, disconnected sub-nets. An algorithm for the enumeration of crystal structures is revised and extended to a search for structures possessing certain properties. Particular attention is given to the exclusion of redundant nets and those, which, by the nature of their connectivity, cannot correspond to a crystal structure. Nets with four four-coordinated nodes, corresponding to sp3 hybridised carbon polymorphs with four atoms per unit cell, are completely enumerated in order to demonstrate the approach. In order to render quotient graphs and nets independent from crystal structures, they are reintroduced in a purely graph-theoretical way. Based on this, the issue of iso- and automorphism of nets is reexamined. It is shown that the topology of a net (that is the bonds in a crystal) constrains severely the symmetry of the embedding (that is the crystal), and in the case of connected nets the space group except for the setting. Several examples are studied and conclusions on phases are drawn (pseudo-cubic FeS2 versus pyrite; α- versus β- quartz; marcasite- versus rutile-like phases). As the automorphisms of certain quotient graphs stipulate a translational symmetry higher than an arbitrary embedding of the corresponding net would show, they are examined in more detail and a method to reduce the size of such quotient graphs is proposed. Besides two instructional examples with 2-dimensional graphs, the halite, calcite, magnesite, barytocalcite, and a strontium feldspar structures are discussed. For some of the structures it is shown that the quotient graph which is equivalent to a centred cell is reduced to a quotient graph equivalent to the primitive cell. For the partially disordered strontium feldspar, it is shown that even if it could be annealed to an ordered structure, the unit cell would likely remain unchanged. For the calcite and barytocalcite structures it is shown that the equivalent nets are not isomorphic.
The Earth’s surface condition we find today is a result of long exposure to metabolism of life forms. Particularly, molecular oxygen in the atmosphere is a feature which developed over time. The first substantial and lasting rise of atmospheric oxygen level happened ≈ 2.5 Ga ago, but localities are reported where transiently elevated oxygen levels appeared before this time-point. To trace the timing and circumstances of the earliest availability of free oxygen in the atmosphere is important to understand the habitats of early microbial life forms on Earth.
This thesis focuses to obtain information of oxygen levels and the related atmospheric cycling of metals in sediments of the 3.5 to 3.2 Ga Barberton Greenstone Belt. First, as iron was a ubiquitous constituent of Archean seawater, I investigated its isotopic composition in minerals of chemical sediments. Hereby, I tried to resolve the changes within the water basin on small scale sedimentary sequence cycles. Second, I focused on the minor constituents of Archean seawater. The Re-Os geochronologic system and the abundance patterns of the platinum-group elements were chosen to integrate information of oxygen promoted weathering of a large source area. To integrate information of a large time interval, the isotopes of uranium were investigated over a large stratigraphic section.
The two key findings of this thesis are:
• Quantitative oxidation of ferrous iron in surface layers of Paleoarchean seawater occurred during the onset and termination of hydrothermal FeIIaq delivery into shallow waters.
• Paleoarchean sedimentary successions of the Barberton Greenstone Belt lack any evidence of transient basin-scale oxygenation.
The Manzimnyama Iron Formation (IF, Fig Tree Group, Barberton Greenstone Belt, South Africa) has been deciphered to exist of cyclic stacks of lithostratigraphic units with varying amounts of iron oxide and carbonate minerals. In-situ femtosecond-Laser-Ablation ICP-MS iron isotope measurements showed that the majority of siderite (γ56Fe ≈ −0.5 ‰) precipitated directly from seawater of γ56Fe ≈ 0 ‰. Ferric iron from the surface layers is preserved in ≤ 1μ m hematite and in magnetite that has been grown within the consolidated sediment. During FeIIaq events, fine-grained hematite (γ56Fe ≈ 2.2 ‰) and magnetite (γ56Fe 0.5 to 0.8 ‰) indicate oxygen levels in surface waters of lower than 0.0002 μM. Upon onset and termination of iron oxide abundance, magnetite with γ56Fe ≈ 0 ‰ indicates that low concentrations of FeIIaq in surface waters were oxidized quantitatively. These observations demonstrate the existence of iron oxidation in Paleoarchean surface waters independent of FeIIaq concentration. This is the first investigation of Paleoarchean IF showing that lithostratigraphic cyclicity can be traced in iron isotopic composition of oxide minerals.
ID-ICP-MS measurement of Re, Ir, Ru, Pt and Pd, trace element (SF-ICP-MS) and ID-MCICP- MS uranium isotope determination have been applied to carbonaceous shale of the Mapepe Fm. (Fig Tree Group) after inverse Aqua Regia leaching and bulk digestion. The sediments reveal a silicified fraction which exhibits a seawater REE signature and a mixture of detrital and meteoritic PGE. Neither enrichment of the redox-sensitive elements Re or Mo nor fractionated uranium isotopes have been found on a stratigraphic interval of several hundred meters. The non-silica fraction shows no depletion of Re which indicates that the detrital material had no contact to oxidizing fluids. ID-TIMS measurements of Re and Os after the CrO3-SO4 Carius Tube method of two sample intervals showed that the Re-Os isotopic systems of the non-silica fractions are identical to two komatiite occurrences. Weltevreden Fm. and Komati Fm. rocks were uplifted, eroded and transported to the deep part of the sedimentary basin without any change to the Re-Os system. Negative fractionated uranium isotopes (γ238U = −0.41 ± 0.01 ‰) associated with detrital Ba-Cr-U occurrences suggest the existence of distal redox-processes that involve uranium species. This study demonstrates that over the time of exposure and deposition of the Mapepe Fm. sedimentation, free oxygen was not available for weathering in the catchment area.
Der 300 km breite Eucla Schelf Südaustraliens gehört zu den weltgrößten modernen nicht-tropischen Ablagerungssystemen. Während des Pleistozäns wurde hier ein etwa 500 m mächtiger pleistozäner Sedimentstapel abgelagert, der sich aus progradierenden Klinoformen zusammensetzt. Die Ocean Drilling Program Sites 1127, 1129 und 1131 bilden ein proximal-distal Profil entlang des Eucla Shelfs-Kontinentalhangs. Die dabei erbohrten pleistozänen Periplattform-Ablagerungen bestehen überwiegend aus bioklastenreichen, fein- bis grobkörnigen, unlithifizierten bis teilweise lithifizierten Pack-, Wacke- und Grainstones. Eine ausgeprägte sedimentäre Zyklizität der analysierten Ablagerungen drückt sich in Fluktuationen der Korngröße und der mineralogischen Zusammensetzung, der natürlichen Radioaktivität, der stabilen Isotope sowie in Veränderungen der Fazies aus. Zur Untersuchung der sedimentären Zyklizität dieser nicht-tropischen Sedimente wurden sechs Sedimentintervalle früh- bis mittelpleistozänen Alters innerhalb der Bohrungen Site 1127, 1129 und 1131 ausgewählt. Die früh- bis mittelpleistozäne Periplattform-Sedimentabfolge des Eucla Schelfs wird durch die Stapelung genetischer Sequenzen gebildet. Diese entstehen als eine Folge hochfrequenter Meeresspiegelschwankungen, die unmittelbare Auswirkungen auf den Grad der Überflutung und damit auf den Sedimentexport vom Eucla Schelf ins angrenzende Becken haben. Eine genetische Sequenz weist eine Mächtigkeit von etwa 25 m unmittelbar beckenwärts der Schelfkante auf. Die maximale Mächtigkeit von ca. 30 m wird in beckenwärtigeren Bereichen erreicht, bevor die genetische Sequenz erneut auskeilt und in den hier untersuchten distalsten Ablagerungsbereichen Mächtigkeiten von 10-15 m aufweist. Die Begrenzungen der genetischen Sequenzen werden durch abrupte Korngrößenwechsel oder durch Umkehrpunkte in Korngrößentrends gebildet. Innerhalb einer genetischen Sequenz werden Hochstands-Ablagerungen durch grobkörnige bioklastenreiche Pack- bis Grainstones charakterisiert, die wiederum große Mengen an Tunikaten Spikulae, braunen hoch-Mg Bioklasten und Bryozoen-Detritus beinhalten. Tiefstands-Ablagerungen andererseits werden durch feinkörnige Packstones mit erhöhten Gehalten an Schwammnadeln und Mikrit charakterisiert. Die metastabilen Karbonatmodifikationen Aragonit und Hoch-Mg Kalzit können jeweils bis zu 34 % der Gesamtprobe ausmachen und sind in Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands angereichert. Hauptaragonitbildner sind dabei Tunikaten Spikulae. Dolomit ist auf Ablagerungen des beginnenden Meeresspiegel-Anstiegs beschränkt. Die primäre Verteilung der metastabilen Karbonatmodifikationen innerhalb der genetischen Sequenzen führt so während späterer Versenkungsstadien möglicherweise zu einer differentiellen Diagenese. Die sedimentäre Zyklizität der Ablagerungen des späten Mittelpleistozäns unterscheidet sich von der Zyklizität des frühen- bis mittleren Pleistozäns durch eine Zunahme der Häufigkeit allochthoner Schelfkomponenten wie Rotalgen-Detritus und brauner Hoch-Mg Kalzit-Bioklasten. Zugleich zeigt sich ein Häufigkeits-Rückgang autochthoner Schwammnadeln. Diese Variationen während des frühen und mittleren Pleistozäns werden als eine Folge der Progradation der Schelfkante und der sich daraus ergebenden verändernden relativen Position zur Schelfkante sowie des sich verändernden Nährstoffeintrags interpretiert. Site 1127 zeigt darüberhinaus eine Verdopplung der Zyklenmächtigkeiten der mittelpleistozänen Ablagerungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Veränderungen der Erdorbitalparameter (Milankovitch-Zyklizität) zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit werden die sedimentären Zyklizitäten dieser nicht-tropischen Periplattform-Karbonate mit pleistozänen tropischen Ablagerungen der westlichen Flanke der Großen Bahama Bank verglichen (ODP Site 1009). Die Gliederung in Coarsening Upward-Zyklen ist dabei ein wesentliches Merkmal sowohl der nicht-tropischen als auch der tropischen Periplattform-Karbonate. Im Gegensatz zu den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten werden jedoch tropische Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands durch feinkörniges, mikritreiches Material. Maxima des Aragonit- bzw. Minima des Hoch-Mg Kalzitgehalts charakterisiert. Die Mächtigkeit einzelner Zyklen von ca. 10 m ist darüberhinaus aufgrund geringfügig niedrigerer Sedimentationsraten geringer als in den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten, in denen die minimalen Zyklenmächtigkeiten 10-15 m betragen.
The African continent is regularly portrayed as an indolent space with a well-known reputation as a chaotic continent. Viewed as lacking vision, means and capacities, Africa is perceived at best as a place that is marked by a permanent status quo, stagnation, or in worst case scenarios, as a declining continent. Various references to the continent are synonymous with famine, poverty, war, etc. Such portrayals are all the more intriguing given that the continent is known for its abundant natural resources, such as timber, oil, natural gas, minerals, etc., whose reserves are, moreover, not well known both by the African people and their leaders. As a result, there is still much progress to be made in tapping into the resources in order to improve the daily lives of African citizens.
In such a context dominated by infantile carelessness throughout the continent, the interventions of actors from outside the continent are the only hopes of bringing some vitality to this continent which is cloaked in "la grande nuit – the great darkness" (Mbembé 2013). Thus during the main sequences of recent history, representing different forms of Western penetration and activity on the African continent (slavery, imperialism, colonization), all the Western world’s contributions have obviously not sufficed to boost Africa and take it out of its never ending childhood. It has remained just as passive and apathetic today as it was yesterday.
The attraction of Asian actors to the continent is even more recent. And consistent with its abovementioned indolence, Africa is seen as an easy and defenceless prey for the Korean, Japanese, Indian, Malaysian, or Chinese conquerors. In the latter case, the insatiable appetite for natural resources whose reserves are being rapidly depleted is the cornerstone of their foreign aid policy. This led China to colonize the continent, showing a preference for Pariah Regimes which held no appeal for the West, by sending an army of workers to extract those resources (Lum et al. 2009), in defiance of all national and international regulations and based on completely opaque contracts.
Although the concept of African Agency was rapidly developed in several African countries, the aim of this study was more specific to Cameroon’s mining sector in which different entrepreneurs from abroad got involved over time. The thesis investigates whether indigenous citizens took part in any way in the development of mining projects in the country. Thus, the work assesses and analyses actions and reactions initiated and undertaken by local people in the context of China’s presence within Cameroon’s mining sector to promote and advance their interests over those of foreign investors. In addition, the author has no knowledge of any other study investigating African Agency in the mining sector as a whole in Cameroon.
In conducting this study, a multi-method research framework was developed including a series of methods used to collect data and analyse concepts of African Agency associated Political Ecology as they developed within Cameroon’s mining sector. Specifically, those methods comprised quantitative research when it came to collecting data using a positivist and empirical approach constructed by deducing evidence from statistical data collected by means of the 167 questionnaire surveys administered to local inhabitants and workers randomly selected on mining sites and in riparian communities. The questionnaires helped to capture Cameroonians' perceptions of the recent phenomenon of the gradual but significant influx of international actors and precisely Chinese players in the mining sector on the one hand, and on the other hand, observational data was collected across the GVC as developed in the Betare-Oya region. As a complement to the former technique, qualitative methods helped to study and deepen understanding of human behaviour and the social world in a holistic perspective through individual interviews, focus groups, and direct observations on the ground. In addition, the spatial analysis method based on the land use classification technique served to detect changes to land use/land cover that have been brought on by mechanised mining activities undertaken in this region. The sequencing of data collected and their processing from a ground theory perspective led to the formulation and specification of Cameroon’s Ecological Agency theory.
One of the earliest steps of this work consisted in a literature review and in placing the African Agency concept in a broader context. It then led to the state of the art, specifications about research content of the work and the main theories undergirding this thesis. Before examining developments that emerged during the last decade, a historical perspective was provided to the topic in order to show how African societies started mining operations and how they dealt with foreign partners interested in their mining resources. The aim was to show that while Western imperialism presented a challenge for the sector, it did not erase local participation, even despite the constraints associated with such involvement.
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This work describes the development and characterization of two instruments and their data evaluation, which contributes to a better understanding of new particle formation and growth, as well as their interactions with clouds. Both instruments were characterized at the Cosmics Leaving Outdoor Droplets (CLOUD) experiment at the European Center for Nuclear Research (CERN).
The crude oil constituents benzene, toluene, ethylbenzene, and the three xylene isomers (BTEX) are the dominating groundwater contaminants originating from surface spill accidents by oil production facilities and with gasoline and jet fuel. Thereby BTEX posing a threat to the world´s scarce drinking water resources due to their water solubility and toxicity. An active remediation cleanup involving a BTEX event proves not only to be very expensive but almost impossible when it comes to the complete removal of contaminants from the subsurface. A favoured and common practice is combining an active remediation process focussing on the source of contamination coupled together with the monitoring of the residual contamination in the subsurface (monitored natural attenuation; MNA). MNA include all naturally occuring biological, chemical and physical processes in the subsurface. The general goal of this work was to improve the knowledge of biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in groundwater. For this groundwater and soil at the former military underground storage tank (UST) site Schäferhof – Süd near Nienburg/Weser (Niedersachsen, Germany) were sampled and analysed. The investigations were done in collaboration of the Umweltbundesamt, the universitys of Frankfurt and Bremen and the alphacon GmbH Ganderkesee. To investigate the extent of groundwater contamination, the terminal electron acceptor processes (TEAPs) and the metabolites of BTEX degradation in groundwater, six observation wells were sampled at regular intervals between January 2002 and September 2004. The wells were positioned in order to cover the upstream, the source area and the downstream of the presumed contamination source. Additionally, vertical sediment profiles were sampled and investigated with respect to spreading and concentration of BTEX in the subsurface. A large residual contamination involving BTEX is present in soil and groundwater at the studied locality. Maximum BTEX concentration values of 17 mg/kg were recorded in analysing sediment in the unsaturated zone. In the capillary fringe, values of 450 mg/kg were recorded (October 2004) and in the saturated zone maximum values of 6.7 mg/kg BTEX were detected. The groundwater samples indicate increasing BTEX concentrations in the groundwater flow direction (from 532 µg/l up to 3300 µg/l (mean values)). Biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in the sub surface at contaminated sites is characterised by generation of metabolites. From the monoaromatic hydrocarbons BTEX metabolites such as benzoic acid (BA) and the methylated homologs and C1-and C2-benzyl-succinic acids (BSA) are generated as intermediates. A solid-phase extraction method based on octadecyl-bonded silica sorbent has been developed to concentrate such metabolite compounds from water samples followed by derivatization and gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) of the extracts. The recovery rate range between 75 and 97%. The method detection limit was 0.8 µg/l. Organic acids were identified as metabolic by-products of biodegradation. Benzoic acid, C1-, C2- and C3-benzoic acid were determined in all contaminated wells with considerable concentrations. Furthermore, the depletion of the dominant terminal electron acceptors (TEAs) oxygen, nitrate, and sulphate and the production of dissolved ferrous iron and methane in groundwater indicate biological mediated processes in the plume evidently proving the occurrence of NA. A large overlap of different redox zones at the studied part of the plume has been observed. A important finding in this study is the strong influence of groundwater level fluctuations on the BTEX concentration in groundwater. A very dry summer in 2003 was recorded during the monitoring period, resulting on site in a drop of the groundwater level to 1.7 m and a concomitant increase of BTEX concentrations from 240 µg/l to 1300 µg/l. The groundwater level fluctuations, natural degradation and retention processes essentially influence BTEX concentrations in the groundwater. Groundwater level fluctuations have by far a stronger influence than the influence of biological degradation. Increasing BTEX concentrations are hence not a consequence of limited biological degradation. Another part of the study was to observe the isotopic fractionation of the electron acceptor Fe(III), due to biologically mediated reduction of Fe(III) to the watersoluble Fe(II) at the site and first field data are presented. Both groundwater and sediment samples were analysed with respect to their Fe isotopic compositions using high mass resolution Multi Collector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (MC-ICP-MS). The delta56Fe -values of groundwater samples taken from observation wells located downstream of the source area were isotopically lighter than delta56Fe -values obtained from groundwater in the uncontaminated well. The Fe isotopic composition of most parts of the sediment profile was similar to the Fe isotopic composition of uncontaminated groundwater. Thus, a significant iron isotope fractionation can be observed between sediment and groundwater downstream of the BTEX contamination.
Ziel der Arbeit war es, die Flugzeitmassenspektrometrie als neue Analysemethode für die instrumentelle Analytik halogenierter Spurengase in der Luft zu etablieren. Die grundle-gende Motivation dafür ist, dass anthropogene Emissionen vieler Vertreter dieser Sub-stanzklasse einen negativen Einfluss auf die Umwelt zeigen: in der Atmosphäre agieren die Substanzen bzw. ihre Abbauprodukte als Katalysatoren für den stratosphärischen Ozonab-bau und verstärken den Strahlungsantrieb der Erde durch Absorption elektromagnetischer Strahlung im sogenannten atmosphärischen Fenster. Um diese Effekte und deren Auswir-kung quantifizieren zu können, ist es notwendig, Konzentrationen und Trends der Substan-zen in der Atmosphäre zu überwachen. Nur so können Gegenmaßnahmen wie Produktions-reglementierungen geplant und bewertet werden. In Kombination mit inverser Modellie-rung können zudem Rückschlüsse über tatsächlich emittierten Mengen gezogen werden. Dies stellt den Anspruch an die Analytik, sehr geringe Mengen dieser Gase sehr präzise quantifizieren zu können, um auch schwache Trends zu erkennen. Zudem muss die Analy-semethode die Möglichkeit zu bieten, mit der wachsenden Anzahl bekannter und zu über-wachender Substanzen Schritt zu halten. Besonders für letzteren Aspekt bietet die Flug-zeitmassenspektrometrie einen entscheidenden Vorteil gegenüber der „konventionellen“ Methode, der Quadrupolmassenspektrometrie: sie zeichnet das gesamten Massenspektrum auf ohne dadurch an Empfindlichkeit einzubüßen. Um das atmosphärische Mischungsver-hältnis von Substanzen im Bereich von pmol mol−1 bis fmol mol−1 bestimmen zu können, muss das Quadrupolmassenspektrometer im Single Ion Monitoring Modus betrieben wer-den – so wird zwar eine hohe Sensitivität erreicht, es wird aber auch nur die Intensität eines bestimmten Masse zu Ladungsverhältnisses (kurz: Masse) zu einem Zeitpunkt aufgezeich-net. Ein Flugzeitmassenspektrometer hingegen extrahiert Ionen mit einer Frequenz im Ki-loherzbereich und zeichnet für jede Extraktion das vollständige Flugzeitspektrum und da-mit Massenspektrum auf.
Aufgabe dieser Arbeit war es, ein Flugzeitmassenspektrometer mit vorgeschalteter Pro-benanreicherungseinheit sowie Gaschromatograph zur Trennung des Subtanzgemisches vor der Detektion aufzubauen und Werkzeuge zur Datenauswertung zu entwickeln. Um einen zukünftigen Feldeinsatz vorzubereiten, sollte der Aufbau möglichst kompakt, mobil und vollständig automatisiert sein. Anschließend sollte Empfindlichkeit, Präzision und dynami-scher Messbereich geprüft, optimiert und die Anwendbarkeit zur Analyse halogenierter Spurengase gezeigt werden. Die Ergebnisse aus der in der vorliegenden Arbeit präsentier-ten Geräteentwicklung finden sich in drei Publikationen wieder, welche in thematischer Reihenfolge die Probenanreicherung (Obersteiner et al., 2016b), den Vergleich von Quadrupol- und Flugzeitmassenspektrometrie (Hoker et al., 2015) sowie Eigenschaften und Anwendung des neuen Aufbaus (Obersteiner et al., 2016a) behandeln. Mit den genannten Aufsätzen ist die Arbeitsgruppe Engel weltweit die erste, welche hochpräzise Analytik ha-logenierter Spurengase routinemäßig mittels Flugzeitmassenspektrometrie durchführt. Der nächste Schritt ist der Übergang von der Laboranwendung zur Feldmessung, z.B. in Form von bodenbasierter in situ Analyse troposphärischer Luftmassen am Taunus Observatorium auf dem Kleinen Feldberg. Da es bisher keine Messstation für die hier beschriebene analy-tische Fragestellung in Deutschland gibt, könnte eine deutliche Verbesserung der Überwa-chung halogenierter Treibhausgase und ozonzerstörender Substanzen in Europa erzielt wer-den. Weiterhin wäre eine Flugzeugapplikation in Zukunft denkbar, welche neben der durch das Flugzeitmassenspektrometer abgedeckten Substanzbandbreite auch von dessen hoher möglicher Spektrenrate profitieren könnte. In Kombination mit Hochgeschwindigkeitsgas-chromatographie könnte eine bisher unerreichte Zeitauflösung der Beprobung der Atmo-sphäre mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie erzielt werden.
The East African Rift System (EARS) was initiated in the Eocene epoch between 50 and 21 Ma probably due to the influence of mantle plumes that caused volcanism, flood basalts and rifting extensions in Ethiopa and the Afar region. As a result of magmatic intrusions and adiabatic decompression melting within the lithosphere caused by the impact of the Kenya plume, there was a southward propagation of the EARS of about 30 – 15 Ma from Ethiopia to Kenya, which coincide with the occurrence of volcanism. The EARS developed towards the south along the margins of the Tanzania Craton between 15 and 8 Ma. Previous findings of low-velocity anomalies within the upper mantle and the mantle transition zone indicate an upwelling of hot mantle material in the vicinity of the Afar region and the East African Rift. This study includes the analysis of P- and S-receiver functions in order to determine further impacts on the lithosphere from below. The aim was to determine the topographic undulations of further boundary layers and to identify their variability owing to the rifting processes and the formation of the EARS. The study area included the Tanzania Craton and the surrounding rift branches of the East African Rift System.
The region of the Rwenzori Mountains can be analysed in detail because of the large dataset of the RiftLink project. The use of the P-receiver function technique and the H-K stacking method enabled to determine different vP /vS ratios depending on the tectonic setting in the Rwenzori region: Rift shoulders (vP /vS =1.74), Albert Rift segment (vP /vS =1.80), Edward Rift segment (vP /vS =1.87) and Rwenzori Mountains (vP /vS =1.86). To determine the topography of the Moho, it is necessary to take into account the thickness of the sedimentary layer, the surface topography, the azimuthal variations in crustal thickness and the impact of local anomalies. After correcting these effects on the Moho depths, significant variations in Moho topography could be determined. The Moho depths range from 29 to 39 km beneath the rift shoulders of the Albertine Rift. Within the rift valley, the crustal thickness varies between 25 – 31 km in the Edward Rift segment and 22 – 30 km in the Albert Rift segment. An averaged crustal thickness of about 26 km within the rift valley indicates the lack of the crustal root beneath the Rwenzoris. Similar variations in crustal thickness were determined by using an automatic procedure for analysing S-receiver functions that was developed in this study.
The S-receiver functions are created by applying a rotation criterion in order to rotate the Z, N and E components into the L, Q and T components. It is necessary to perform trial rotations using different incident and azimuth angles to determine the correct rotation angles. The latter are identified by the use of the rotation criterion, including the amplitude ratio of the converted Moho signal to the direct S/SKS-wave signal. The L component is rotated correctly in the direction of the incident shear wave in the case of the maximum amplitude ratio. After analysing the frequency content of the receiver functions in order to sort out harmonic and long-periodic traces, the individual Moho signals are checked for consistency in order to remove atypic signals. To increase the signal-to-noise ratios on the traces, the S-receiver functions are stacked. For this purpose, the signals of the direct shear waves must originate from similar epicenters. On the basis of similar ray paths, the receiver functions show comparable waveforms and converted signals. To perform the stacking procedure, it is necessary to merge the datasets of the adjacent stations in order to obtain a sufficient number of receiver functions. This analysis is based on the assumption that the incident seismic waves arriving at the adjacent stations penetrate to some extent the same underground structures in the case of similar wave propagation paths. This approach accounts for the fact that the converted signals do not result exclusively from the piercing points at the boundary layers. Further signals originate from the conversions at the boundary layer within the Fresnel Zone. The piercing points are derived from the significant signals in the receiver functions. Depending on the order of arrival of the converted phases on the traces, the signals are attributed to the theoretical discontinuities DIS1, DIS2, DIS3 and DIS4. However, partly due to the low signal-to-noise ratios on the traces, it is difficult to identify the real conversions on the traces and to ensure that the converted signals are attributed to the correct boundary layers. For this reason, it is necessary to check the consistency of the conversion depths among each other. In the case of inconsistent conversion depths, the corresponding signals are either adjusted to another seismic boundary layer or removed from the dataset. To verify the functionality of the automatic procedure and to determine the resolvability with respect to two boundary layers, several models are tested including horizontal and dipping discontinuities. To resolve distinct discontinuities, their depths must differ by at least 60 km, otherwise, due to similar depth ranges of the different boundary layers, the converted signals cannot be separated from each other. As a consequence, the converted signals that originate from different discontinuities are attributed to a single one. Further tests including break-off edges of seismic discontinuities are performed to check the attributions of the converted signals to the discontinuities. Owing to the varying number of boundary layers, the converted signals cannot be attributed to the discontinuities according to the order of their arrivals on the traces. It is necessary to correct their attributions to the seismic discontinuities in order to resolve the boundary layers.
The crust-mantle boundary and further discontinuities within the lithospheric mantle are investigated by applying this automatic procedure. Depending on the tectonic setting, the conversion depths of the Moho range from about 30 – 45 km beneath the western rift shoulder to 20 – 35 km within the rift valley up to 30 – 40 km beneath the eastern rift shoulder. The long wavelengths of the shear waves hamper the correct identification of the converted phases in the S-receiver functions. With respect to the relative differences in conversion depth, the topographic undulations of the crust-mantle boundary are consistent with the Moho depths derived from P-receiver functions. In contrast to the Rwenzori region, it is difficult to resolve completely the trend of the Moho in the remaining area of the East African Rift due to the small dataset provided by IRIS. The results exibit an increase in crustal thickness to up to 45 km in the region of the Cenozoic volcanics such as Virunga, Kivu, Rungwe and Kenya. The greatest Moho depths of more than 50 km are located near Mount Kilimanjaro. In addition to the Moho, the analysis of the S-receiver functions revealed two further boundary layers at depths of 60 – 140 km and 110 – 260 km, which are associated with a mid-lithospheric discontinuity and the lithosphere-asthenosphere boundary, respectively. The shallowest conversion depths of the LAB are focussed to small-scale regions within the rift branches, namely the northern Albertine Rift, the Chyulu Hills and the Mozambique Belt, which are located around the Tanzania Craton. The larger thickness of the lithosphere beneath the cratonic terrain indicates that the Tanzania Craton is not significantly eroded. However, there are indications that the lithosphere beneath the craton and the rift branches is penetrated by ascending asthenospheric melts to depths of up to 140 and 60 km, respectively. The top of the ascending melts is associated with the occurrence of the mid-lithospheric discontinuity. The shallowest conversion depths of this boundary layer (60 – 90 km) are related to the rifted areas of the EARS and the Cenozoic volcanic provinces, which are located along the Albertine Rift, the Kenya Rift and the Rukwa-Malawi rift zones. The deepest conversion depths of up to 140 km are related to the Rwenzori Belt, the Ugandan Basement Complex and the interior of the Tanzania Craton.
In the past sixty years, excessive water consumption and dam construction have significantly influenced natural flow regimes and surface freshwater ecosystems throughout China, and thus resulted in serious environmental problems. In order to balance the competing water demands between human and environment and provide knowledge on sustainable water management, assessments on anthropogenic flow alterations and their impacts on aquatic and riparian ecosystems in China are needed.
In this study, the first evaluation on quantitative relationships between anthropogenic flow alterations and ecological responses in eleven river basins and watersheds in China was performed based on the data that could be obtained from published case studies. Quantitative relationships between changes in average annual discharge, seasonal low flow and seasonal high flow and changes in ecological indicators (fish diversity, fish catch and vegetation cover, etc.) were analyzed. The results showed that changes in riparian vegetation cover as well as changes in fish diversity and fish catch were strongly correlated with the changes in flow magnitude (r = 0.77, 0.66), especially with changes in average annual river discharge. In addition, more than half of the variations in vegetation cover could be explained by changes in average annual river discharge (r² = 0.63) and roughly 50 % changes in fish catch in arid and semi-arid region and 60% changes of fish catch in humid region could be related to alterations in average annual river discharge (r² = 0.53, 0.58).
In a supplementary analysis of this study, the first estimation on quantitative relationships between decreases in native fish species richness and anthropogenic flow alterations in 34 river basins and sub-basins in China was conducted. Linear relationships between losses of native fish species and five ecologically relevant flow indicators were analyzed by single and multiple regression models. For the single regression analysis, significant linear relationships were detected for the indicators of long-term average annual discharge (ILTA) and statistical low flow Q90 (IQ90). For the multiple regressions, no indicator other than ILTA has significant relationships with changes in number of fish species mainly due to collinearity. Two conclusions emerged from the analysis: 1) losses of fish species were positively correlated with changes in ILTA in China and 2) indicator of ILTA was dominant over other flow indicators included in this research for the given dataset. These results provide a guideline for the sustainable water resources management in rivers with high risk of fish extinction in China.
Die Induzierte Polarisation (IP) ist ein geoelektrisches Verfahren und wurde ursprünglich zur Exploration von Erzvorkommen entwickelt. Neben metallischen Leitern, tragen auch Tonminerale, der Porenraum und die chemische Zusammensetzung der Porenlösung zur Polarisierbarkeit eines Unter-grundes bei. Die spektrale Induzierte Polarisation (SIP) untersucht die Polarisierbarkeit in einem Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz und nutzt diese aufgezeichneten Spektren zur Unterscheidung von Materialien. Früher mit einem enormen messtechnischen Aufwand verbunden, führte der gerätetechnische Fort-schritt in den letzten beiden Jahrzehnten dazu, dass die SIP vermehrt in der Umweltgeophysik zum Einsatz kommt. Zu den Fragestellungen gehören die Detektion von Altlasten und der Grundwasser-schutz. In der Archäologie ist die Induzierte Polarisation bislang ein kaum verwendetes Verfahren. Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ der J. W. Goethe- Universität wurde die Entwicklung einer Multielektroden-Apparatur SIP-256 begonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Fortführung dieser Entwicklung. Da sich die wissenschaftliche Fragestellung während dieser Promotion auf die Erkundung archäologischer Objekte beschränkt, galt es zunächst automatisierte Messabläufe zu realisieren, die es erlauben, die komplexe elektrische Leitfähigkeit kleinräumiger 2D- bzw. 3D-Strukturen zu erfassen. Die Verwendung der SIP-256 führte zu einer erheblichen Ver-kürzung der Messzeit und war entscheidend für die Realisierung dieser Arbeit. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Suche nach Anwendungsgebieten für die SIP innerhalb der archäologischen Prospektion. Basierend auf den Ursachen von Polarisationseffekten werden im Rahmen dieser Arbeit drei Anwendungsgebiete vorgestellt. Das erste Anwendungsgebiet nutzt die Vorteile der SIP bei der Prospektion von Erzen. Auf einem mittelalterlicher Verhüttungsplatz bei Seesen am Harz konnten im Vergleich zu einer konventionellen Widerstandsmessung mehr Schlackegruben lokalisiert werden. Während einer deutsch-bulgarischen Grabungskampagne in Pliska (Bulgarien) 1999 gelang es, durch eine flächenhafte Anwendung der IP einen Siedlungshorizont über Lehmablagerungen nachzuweisen. Die Überreste eines Gebäudes erzeugten einen messbaren Polarisationseffekt. Die frühmittelalterlichen Siedlungsreste befinden sich mit 2 bis 3 m in relativ großer Tiefe und konnten bei einer anschließenden Ausgrabung freigelegt werden. Eine Kernfrage war, ob Holzobjekte mit Hilfe der SIP zu detektieren sind. Mit Hilfe von Labormessungen an der TU Clausthal konnte geklärt werden, dass Holz ein polarisierbares Material ist. Zu den untersuchten Proben gehören Hölzer aus einem bronzezeitlichen Bohlenweg, die von Ausgrabungen im Federseemoor (Kreis Biberach) stammen. Durch die Untersuchungen im Labor motiviert, folgte eine Feldmessung über dem Bohlenweg. Es gelang, erstmals ein Holzobjekt mit spektraler Induzierter Polarisation zu detektieren. Holz spielt durch die dendrochronologische Datierung von Fundstellen eine wichtige Rolle, konnte aber bislang noch mit keiner geophysikalischen Methode zufriedenstellend prospektiert werden. Abschließend kann gesagt werden, dass sich die spektrale Induzierte Polarisation als wertvolle Methode in der archäologischen Prospektion etablierte. Strukturen, welche mit einer konventionellen Widerstandsmessung nicht zu erkennen waren, konnten durch die SIP eindeutig identifiziert werden. Natürlich müssen die vorliegenden Ergebnisse noch durch weitere Messungen bestätigt werden, jedoch zeichnet sich ab, dass sich mit der fortschreitenden gerätetechnischen Entwicklung, welche zu schnelleren Messabläufen führt, wichtige Zusatzinformationen durch die spektrale Induzierte Polarisation gewinnen lassen.
Atmospheric nanoaerosols have extensive effects on the Earth’s climate and human health. This cumulative work focuses on the development and characterization of instrumentation for measuring various parameters of atmospheric nanoaerosols, and its use to understand new particle formation from organic precursors. The principal research question is, how the chemical composition of nanoaerosol particles can be measured and how atmospheric chemistry influences aerosol processes, especially new particle formation and growth. Therefore, nanoaerosols are investigated under various aspects. More specifically, an instrument is developed to analyze nanoparticles, and field as well as chamber studies are conducted.
The main project is the instrument development of the Thermal Desorption Differential Mobility Analyzer (TD-DMA, project 1, Wagner et al. (2018)). This instrument analyzes the chemical composition of small aerosol particles. By characterization and testing in chamber experiments, it is proven to be suitable for the analysis of freshly nucleated particles.
The second project (Wagner et al. (2017)) applies a broad spectrum of aerosol measurement instruments for the characterization of aerosol particles produced by a skyscraper blasting. A comprehensive picture of the particle population emitted by the demolition is obtained.
Project 3 (K¨urten et al. (2016)) is also an ambient aerosol measurement, focusing of new particle formation in a rural area in central Germany, and the ability of a negative nitrate CI-APi-TOF to detect various substances in atmosphere. Project 4 (Heinritzi et al. (2016)) is a characterization of the negative nitrate CI-APi-TOF used in projects 1, 3, 5, 6, 7 and 8. The following projects focus on understanding new particle formation from atmospherically abundant organic precursors. Key instruments comprise the negative nitrate CI-APiTOF for gas-phase measurements of the nucleating species, and various sizing and counting instruments for quantifying the particle formation and growth. Project 5 (Kirkby et al. (2016)) shows that biogenic organic compounds formed from alpha-pinene can nucleate on their own without the influence of e.g. sulfuric acid. Project 6 (Tr¨ostl et al. (2016)) describe the subsequent growth of these particles. Project 7 (Stolzenburg et al. (2018)) covers the temperature dependence of this growth and in project 8 (Heinritzi et al. (2018)), the suppressing influence of isoprene on the new particle formation is assessed.
Zur Erkundung der Depotfunktion von quellfähigen Tonmineralen für organische Umweltchemikalien und der möglichen Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside wurden kinetische Untersuchungen mit Hilfe von Batch-Experimenten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von ausgesuchten Umweltchemikalien an mineralische Festphasen und danach die Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside untersucht. Als Umweltchemikalien dienten in den Experimenten Di-(n-butyl)phthalat (DBP) und Di-(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), die in industriellem Maßstab hauptsächlich als Weichmacher in Kunststoffen verwendet werden und fünf ausgewählte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die bei pyrolytischen Prozessen sowie der unvollständigen Verbrennung organischen Materials entstehen. In den durchgeführten Versuchsreihen dienten ein smektitreicher Bentonit, Quarzsand und Gemische aus diesen beiden Stoffen mit verschiedenen Gewichtsanteilen der Bentonit- und Sandphase sowie Seesand als Adsorbermedium für die Umweltchemikalien. Diese Variationen sollten das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Festphasen bezüglich der drei untersuchten Prozesse (Adsorption, Desorption und Austausch) mit den Chemikalien verdeutlichen. Untersuchungen am verwendeten Bentonit ergaben, daß sein Hauptbestandteil ein Calcium- Montmorillonit war. Der Montmorillonit ist ein quellfähiges, dioktaedrisches Tonmineral aus der Gruppe der Smektite. Die Quellfähigkeit dieses Smektits wurde in Quellversuchen mit Ethylenglykol und Glycerin mittels Röntgendiffraktometrie festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Minerals wurde mit Röntgenfluoreszenzmessungen analysiert. Mit dem Greene-Kelly-Test wurde der Montmorillonit als smektitischer Anteil im Bentonit identifiziert. Im Laufe einer jeden Versuchsreihe sind nacheinander drei Prozesse mit jeder Probe im Labor untersucht worden: 1. Adsorption von Umweltchemikalien (Phthalate und PAK) an Sandproben mit unterschiedlichen Tongehalten und an reinen Tonproben. 2. Desorption der adsorbierten Umweltchemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben in vier Schritten. 3. Austausch dieser Chemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben gegen biogene Tenside. Im ersten Schritt der Batch-Experimente wurden die beiden Phthalate bzw. die PAK (Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen) aus einer wässrigen Lösung an die mineralischen Festphasen adsorbiert. Die Phthalate wurden in einem 1:1 Verhältnis in den Experimenten eingesetzt, die fünf PAK als ein Gemisch oder auch einzeln. Für die PAKAdsorption wurde auch eine Wasser-Aceton-Mischung beim Adsorptionsversuch verwendet, da sich dadurch ihre Löslichkeit erheblich verbessern ließ und die kinetischen Reihenversuche bezüglich der Gleichgewichtseinstellung wesentlich gleichmäßiger verliefen. Die Proben wurden 20 Stunden lang bis zur Einstellung des Gleichgewichts im Überkopfmischer geschüttelt. Die festen Phasen wurden danach von den wässrigen Phasen getrennt und zur Ermittlung der Einstellung des Desorptionsgleichgewichts weiterverwendet. Die wässrigen Phasen wurden mit organischen Lösemitteln extrahiert und der Gehalt an Umweltchemikalien gaschromatographisch quantifiziert. Die verbliebenen Festphasen wurden jeweils viermal mit frischem, destilliertem Wasser 20 Stunden lang zur Ermittlung des Gleichgewichts der Desorption geschüttelt, wobei nach Abtrennung der wässrigen Phasen diese auf ihren Organikgehalt hin wie oben beschrieben untersucht wurden. An diese vier Desorptionsschritte schloß sich das Verdrängungsexperiment einer Versuchsreihe an. Hierbei wurden verseifte, langkettige biogene Tenside (Alkoholate und Carbonsäuresalze mit geradzahliger Anzahl der Kohlenstoffatome) zu jeder Probe hinzugegeben und jede Festphase nochmals mit frischem Wasser im Überkopfmischer geschüttelt. In diesem Schritt sollte überprüft werden, ob die in den Festphasen verbliebenen Phthalate und PAK durch Zugabe von biogenen Tensiden in höherem Maße in der wässrigen Phase wiedergefunden werden als dies aus dem jeweiligen Desorptionsgleichgewicht zu erwarten war. Mit den Ergebnissen konnten Adsorptionsisothermen (nur für Phthalate) aufgenommen und Angaben zur Einstellung des Desorptionsgleichgewichts oder dessen Störung nach Austauschexperimenten gemacht werden. Die Auswertung der Adsorptionsexperimente ergab, daß Festphasen mit Bentonitanteil befähigt sind, einen höheren Anteil an Phthalaten und PAK zu adsorbieren als reine Sandproben. Bei kleinen Phthalatkonzentrationen wurde DEHP aufgrund einer stärkeren Affinität zur Festphase besser adsorbiert als DBP. Stiegen die Phthalatzugaben, so wurde DBP in höherem Maße als DEHP adsorbiert. Dies wurde durch eine bessere Einlagerung der DBP-Moleküle in die innerkristallinen Zwischenschichten des Montmorillonit-Minerals ermöglicht (Interkalation). Röntgenographisch wurde ein deutlich vergrößerter Wert für den Schichtabstand im Montmorillonit nachgewiesen als im ursprünglichem Zustand (bis zu 18 Å gegenüber 15,3 Å). Die Desorptionsisothermen zeigten für Festphasen mit Quarzsandanteilen häufig ein ungleichmäßiges Verhalten. So wurde häufig im zweiten und dritten Desorptionsschritt eine unerwartet hohe Menge an Phthalaten in der wässrigen Lösung gefunden. Reine Bentonitproben zeigten dagegen eine gleichmäßige Konzentrationsabnahme der Phthalate nach jedem Desorptionsschritt. Der eingesetzte Bentonit war in der Lage, Phthalate stärker von der Desorption zurückzuhalten als Quarzsand. Die Einstellung des Desorptionsgleichgewichts erfolgte mit reinem Bentonit schneller als bei Sandproben oder Sand-Bentonit Gemischen. Bei Austauschexperimenten, in denen die ursprünglich eingesetzte Menge an Phthalaten unter 1 mg lag, wurden keine Verdrängungsprozesse festgestellt. Stiegen die Konzentrationen der Phthalate (bis zu ca. 200 mg), so kam es aufgrund der größeren Oberflächenbelegung im Montmorillonit zu Verdrängungsprozessen der Phthalate durch biogene Tenside. Die Extraktion der wässrigen Lösung ergab nach dem Austauschexperiment eine höhere Menge an Phthalaten als es aus dem Desorptionsexperimenten erwartet worden war. Insgesamt wurde mehr DBP als DEHP nach den Austauschexperimenten in der wässrigen Lösung gefunden. Da DBP besser als DEHP in die Zwischenschichten des Montmorillonits eingebaut wurde, konnte auch diese Feststellung damit erklärt werden, daß biogene Tenside die Phthalate aus den innerkristallinen Zwischenschichten verdrängen. Bei PAK wurden Verdrängungsprozesse nur im Falle von Phenanthren festgestellt. Bei anderen in den Experimenten eingesetzten PAK (vorwiegend Naphthalin, Acenaphthen und Fluoren) war offenbar der Dampfdruck so groß, daß vor dem Austauschexperiment nicht mehr genügend organisches Material in der Bodenprobe adsorbiert war. Bei parallel durchgeführten Versuchen mit reinem Quarzsand und mit Seesand als Festphase wurde dagegen weder bei Phthalaten noch PAK eine wesentliche Störung des Desorptionsgleichgewichts in der Größenordnung der bentonithaltigen Proben nach dem Verdrängungsexperiment festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß Verdrängungsprozesse bevorzugt auf Oberflächen von Tonmineralen stattfinden. Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, daß Gleichgewichtseinstellungen von Umweltchemikalien an Tonmineralen durch biogene Tenside gestört werden können. Durch die Einwirkung der biogenen Tenside kommt es zu einer verstärkten Desorption der Umweltchemikalien aus den Tonmineralen.
Flusssysteme im mediterranen Raum reagieren besonders sensitiv auf Veränderungen von Umweltbedingungen, z.B. durch Neotektonik, Klimaänderungen und Landnutzung. Geowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen in diesem Zusammenhang das Einzugsgebiet des Rio Palancia (Spanien), um über die Erstellung einer Sediment-Massenbilanzierung die Entwicklungsgeschichte des Systems zu erforschen. Zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Sediment-Ablagerungstypen wurde das Georadarverfahren (GPR) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel fluvialer Lockersedimente das Zustandekommen von Radargrammen noch besser zu verstehen und möglichst viel Information über den Untergrund aus einem Radargramm zu extrahieren. An 30 Standorten wurden GPR-Messungen durchgeführt und mit Geoelektrik und Rammkernsondierungen kombiniert. Die Einführung einer Bearbeitungs- und Auswertesystematik gewährleistet die Vergleichbarkeit von Radardaten unterschiedlicher Standorte. Als Besonderheit werden die Radargramme jeweils auf zwei verschiedene Arten bearbeitet und dargestellt, um sowohl Strukturen herauszuarbeiten als auch die – zumindest relative – Amplitudencharakteristik zu erhalten. Erst dadurch wird eine Auswertung mithilfe der erweiterten Radarstratigraphie-Methode möglich. Diese setzt sich aus der klassischen Radarstratigraphie und der neu entwickelten Reflexionsanalyse zusammen. Dabei werden systematisch Radar-Schichtflächen, Radareinheiten und Radarfazies ermittelt und anschließend die Amplitudengröße, die Polarität und die Breite der Reflexionen betrachtet. Die Radarstratigraphie liefert objektive Erkenntnisse über Form und Verlauf von Untergrundstrukturen, während mithilfe der Reflexionsanalyse Aussagen zu relativen Änderungen von Wassergehalt, Korngrößenverteilung und elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Mithilfe der Radarstratigraphie wurde die Radarantwort verschiedener Sediment-Ablagerungstypen im Untersuchungsgebiet verglichen. Die Radargramme zeigen unterschiedliche Zusammensetzungen von Radarfazies. Eine Unterscheidung und räumliche Abgrenzung verschiedener Ablagerungstypen mit GPR ist somit durchführbar. Die Dielektrizität des Mediums bestimmt, zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit, die Geschwindigkeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle sowie die Reflexionskoeffizienten. Um das Zustandekommen von Radargrammen im Detail nachvollziehen zu können, ist es notwendig, die Dielektrizitätskoeffizienten (DK) der untersuchten Sedimente zum Zeitpunkt der Messung zu kennen und die Abhängigkeit des DK von petrophysikalischen Parametern zu verstehen. Deshalb wurden Proben aus den Rammkernsondierungen entnommen. Im Labor wurden der Real- und Imaginärteil des DK im Radarfrequenzbereich (mit Schwerpunkt auf 200 MHz) in Abhängigkeit von Wassergehalt, Trockendichte, Korngrößenverteilung und Kalkgehalt mithilfe der Plattenkondensatormethode bestimmt. Der DK ist in erster Linie vom Wassergehalt abhängig. Es konnte eine für die Sedimente im Untersuchungsgebiet charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung ermittelt werden. Die resultierende Kurve ist gegenüber entsprechenden in der Fachliteratur zu findenden Beziehungen verschoben, was vermutlich auf die hohen Kalkgehalte der Proben zurückzuführen ist. Für trockene Sedimente wurde eine Korrelation des DK mit der Trockendichte festgestellt. Bei der Bestimmung der Absorptionskoeffizienten fiel auf, dass Proben mit hohem Tonanteil selbst bei geringen Wassergehalten außerordentlich hohe Dämpfungskoeffizienten aufweisen können. Die charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung wurde für Modellierungen von Radardaten genutzt, die dann mit Messdaten verglichen wurden. Über die Modellierung einer einzelnen Radarspur konnte die spezielle Charakteristik der entsprechenden gemessenen Spur erklärt werden, die durch den Einfluss einer dünnen Schicht zustande kommt, deren Mächtigkeit an der Grenze der theoretischen Auflösung für die verwendete Radarfrequenz liegt. Auf Basis der Erkenntnisse aus der erweiterten Radarstratigraphie an einem Radargramm auf fluvialen Lockersedimenten war es zudem möglich, ein komplettes Radargramm zu simulieren. Es gibt das gemessene Radargramm vereinfacht, aber in guter Übereinstimmung wieder. Die Georadarmethode erwies sich als sehr gut geeignet für die Untersuchung, Identifizierung und Quantifizierung fluvialer Sedimente im Palancia-Einzugsgebiet. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte erweiterte Radarstratigraphie-Methode stellt ein systematisches und weitgehend objektives Verfahren zur Auswertung von Radargrammen dar, das sich auch auf andere Untersuchungsgebiete übertragen lassen sollte. Durch Laboruntersuchungen wurde der Einfluss petrophysikalischer Parameter auf den DK bestimmt. Über die Modellierungen konnten die Ergebnisse großskaliger Geländemessungen mit denen kleinskaliger Labormessungen verknüpft werden. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Radargrammen bei.
Der Dritte Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel (IPCC, 2001a, b) bestätigt den Einfluss des Menschen auf das globale Klima und warnt vor einem Temperaturanstieg und vor Niederschlagsveränderungen in den nächsten 100 Jahren, die gesellschaftlichen Wohlstand und Umwelt nachhaltig beeinträchtigen können. Dabei werden weitreichende Folgen des Klimawandels angenommen, vom Anstieg des Meeresspiegels und einer möglichen Degradation von Landflächen bis hin zum Verlust von Tier- und Pflanzenarten, der Verknappung von Wasserressourcen, einer Zunahme von natürlichen Katastrophen wie Überschwemmungen und Dürren, der Ausbreitung von Krankheiten sowie negativer Auswirkungen auf die Nahrungsversorgung der Bevölkerung. Klimawandel ist dabei nur ein Aspekt des weiter gefassten ‘Globalen Wandels’, der eine Vielzahl von anthropogen verursachten Veränderungen der Umwelt einschließt. So wird zum Beispiel erwartet, dass auch demographische und sozioökonomische Entwicklungen sowie vom Menschen verursachte Landnutzungsänderungen eine erhebliche Auswirkung auf den zukünftigen Zustand der globalen Umwelt haben werden. Zu den gravierendsten Folgen des Globalen Wandels gehört die Veränderung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der lokalen und regionalen Wasserressourcen. Es müssen daher Strategien entwickelt werden, um sowohl die Bevölkerung als auch die Umwelt vor den möglichen negativen Auswirkungen von erhöhten oder erniedrigten Pegelständen in Fließgewässern zu schützen, oder sie auf eine Veränderung der verfügbaren Wassermengen vorzubereiten. Zur Entwicklung dieser Strategien wiederum werden wissenschaftliche Szenarien und Modellberechnungen benötigt, mit deren Hilfe sich zukünftige hydrologische Verhältnisse abschätzen lassen. Zahlreiche derartige Szenarienanalysen wurden bereits durchgeführt, um den Einfluss des Klima- und Globalen Wandels auf das Wasserdargebot und auf das hydrologische Abflussregime zu untersuchen. Da Flusseinzugsgebiete eine natürliche und angemessene Betrachtungseinheit für dieses Problem darstellen, konzentrieren sich die meisten dieser Studien auf mittlere bis große Einzugsgebiete oder auf bestimmte Regionen zusammenhängender Flussgebiete. In Europa gibt es dazu Beispiele aus den frühen neunziger Jahren, als die Resultate der ersten Klimamodelle verfügbar wurden (z.B. Ott et al., 1991: für die Mosel; Kwadijk und van Deursen, 1993: Rhein; Vehviläinen und Huttunen, 1994: Vuoksi; Broadhurst und Naden, 1996: Severn; Bergström, 1996: Einzugsgebiet der Ostsee). Für diese Studien wurden hydrologische Modelle des jeweiligen Einzugsgebiets entwickelt und der Einfluss des Klimawandels auf den Abfluss bestimmt. Krahe und Grabs (1996) haben ein Wasserbilanzmodell mit einer Auflösung von 0.5° x 0.5° für den gesamten mitteleuropäischen Raum entwickelt und es anhandder Abflussdaten des Rheins, der Weser, der Ems, der Elbe und des deutschen Teils der Donau validiert. Arnell (1994, 1999), bzw. Arnell et al. (2000) untersuchten die Auswirkung des Klimawandels auf europäische Wasserressourcen ebenfalls mithilfe rasterbasierter Modellansätze. Schließlich zeigten Stanners und Bourdeau (1995), EEA (1999), Parry (2000), oder auf globaler Ebene WBGU (1999) und IPCC (1992, 2001a, b), in allgemeineren und politisch orientierten Untersuchungen den gegenwärtigen Zustand sowie mögliche zukünftige Entwicklungen der Umwelt in Europa und weltweit auf, einschließlich verschiedener Aspekte der kontinentalen Wasserressourcen und der Hydrologie. Im Vergleich zu den zahlreichen einzugsgebietsorientierten Analysen und ihrem stetig steigenden wissenschaftlichen Anspruch bis hin zu äußerst detaillierten Fragestellungen sind die regionalen oder globalen Ansätze jedoch eher selten und bleiben meist relativ unspezifisch in ihren Schlussfolgerungen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Wassernutzung, die erheblich zur Veränderung der zukünftigen Wasserressourcen und Abflussmengen beitragen kann, in den meisten Fällen aufgrund des Fehlens entsprechender Daten nicht berücksichtigt. In Anbetracht dieser Mängel wurde 1999 am Wissenschaftlichen Zentrum für Umweltsystemforschung an der Universität Kassel das EuroWasser-Projekt initiiert, auf dessen Durchführung die vorliegenden Dissertation beruht. In einem integrierten Modellansatz wurden in EuroWasser die Folgen von Klimawandel und sozioökonomischen Veränderungen auf die natürliche Wasserverfügbarkeit und die Wassernutzung auf gesamteuropäischer Ebene untersucht (siehe Abschlussbericht, Lehner et al., 2001). Das EuroWasser-Projekt versucht dabei drei aus Sicht von Gesellschaft, Ökonomie und Umwelt kritische Fragen zu beantworten: (1) Wie hoch ist der gegenwärtige Wasserstress in verschiedenen Regionen Europas, und welche zukünftigen Veränderungen sind zu erwarten? (2) Wie wird sich der Globale Wandel auf das europäische Wasserkraftpotenzial auswirken? Und (3) In welchen "kritischen Gebieten" Europas muss, basierend auf den Ergebnissen verschiedener Szenarien des Globalen Wandels, damit gerechnet werden, dass die Hochwasser- und Dürregefahr in Zukunft zunimmt, und von welcher Größenordnung sind diese Veränderungen? ...
In dieser Arbeit wird die Richtungsabhängigkeit seismischer Geschwindigkeiten im Erdmantel unterhalb Deutschlands und angrenzender Gebiete durch die Analyse der teleseismischen Kernphase SKS auf Doppelbrechung untersucht (Scherwellen-Splitting). Die Anisotropie wird durch die Splittingparameter Φ und δt beschrieben und erlaubt Rückschlüsse auf geodynamische Prozesse.
Untersucht werden Aufzeichnungen des Deutschen Seismologischen Regionalnetzes (GRSN) und assoziierter Stationen aus dem Zeitraum von 1993 bis 2009. Für drei Stationen des Gräfenberg-Arrays (GRF-Array) sind Wellenformen ab 1976 verfügbar, welche damit einen weltweit einmaligen Datensatz liefern.
Auf Grund des stetigen Ausbaus der seismologischen Netze und des langen Beobachtungszeitraumes können über 3.000 Seismogramme ausgewertet werden. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer automatischen Methodik zur Analyse von SKS-Splitting: ADORE ("Automatische Bestimmung von DOppelbrechnungsparametern in REgionalseismischen Netzwerken"). Für regionale Netze wie das GRSN gewährleistet ADORE eine objektive Bestimmung der Splittingparameter. Zunächst wird das seismologische Netzwerk als seismisches Array aufgefasst, um durch eine Frequenz-Wellenzahl-Analyse den Einsatz der SKS-Phase ohne manuellen Eingriff zu bestimmen. Die Berechnung der Splittingparameter erfolgt durch eine Inversion nach der Methode der Minimierung des transversalen Energieanteils. Automatisch wird das optimale Fenster um den SKS-Einsatz positioniert, für jede Beben-Stations-Kombination werden dazu 3.600 Einzelinversionen durchgeführt.
Um diese Vielzahl von Auswertungen in akzeptabler Zeit zu berechnen, nutzt ADORE moderne Rechnerarchitekturen aus, verteilt die Berechnungen auf mehrere Computer im lokalen Netzwerk und erzielt damit eine Beschleunigung um einen Faktor 60.
Die Analyse des gesamten Datensatzes ergibt folgende Ergebnisse: An allen analysierten Stationen wurde ein Scherwellen-Splitting festgestellt, der Stationsuntergrund weist somit überall Anisotropie auf. Für 240 Erdbeben können insgesamt 494 Wertepaare mit höchster Qualität bestimmt werden.
Unter der Annahme einer homogenen ungeneigten anisotropen Schicht unterhalb der jeweiligen Station können die Einzelmessungen pro Station gemittelt werden. Damit sind Regionen mit ähnlichen Merkmalen gut zu identifizieren: Im Norden Deutschlands herrschen NW-SO-, in der Mitte W-O-Richtungen und im Süden SW-NO-Richtungen vor.
Die Verzögerungszeiten liegen im Bereich zwischen 1.0 (Station Taunus) und 2.2 Sekunden (Tannenbergsthal, TANN). Auf Grund des hohen Wertes sind die Ursachen für die hier beobachteten Zeiten dem Erdmantel und nicht der Kruste zuzuordnen. Die bevorzugte Ausrichtung von anisotropen Kristallen auf Grund von Fließprozessen von Mantelmaterial ist Quelle der beobachteten Anisotropie. Rezente Fließprozesse von Mantelmaterial sind vor allem an der Unterkante der Lithosphäre wahrscheinlich. Durch Gebirgsbildungsprozesse, vorhandene Gebirgswurzeln oder regionale Veränderungen in der Mächtigkeit der Lithosphäre entstehen Barrieren für viskoses Mantelmaterial.
Als tektonische Ursachen für die hier gemessenen Orientierungen ist im Norden die Tornquist-Teisseyre-Linie (TTZ), in der Mitte die Variszische Gebirgsbildung und im Süden Einflüsse des Alpenbogens anzusehen. Ausnahmen bilden die Stationen Clausthal-Zellerfeld (CLZ), Rügen und Black-Forest-Observatory (BFO). Während bei letzterer ein Einfluss der Spreizungszone des Oberrheingrabens zu vermuten ist, scheint die Intrusion des Brockengranits die Beobachtungen an CLZ zu prägen. Rügen liegt in einer Übergangszone zwischen Sorgenfrei-Tornquist-Zone und TTZ.
Durch die Vielzahl von vorhandenen Einzelmessungen lassen sich an manchen Stationen komplexe Modelle untersuchen. Dazu zählen neben Gradientmodellen auch die geneigte Schicht und Zwei-Schicht-Modelle. Für sechs Stationen kann ein Zwei-Schicht-Modell erstellt werden: BFO, Gräfenberg A1, Fürstenfeldbruck (FUR), Rüdersdorf (RUE), TANN und Unterbreitzbach (UBBA). Die Interpretation der Richtungen von oberer und unterer Schicht gelingt für einen Teil der genannten Stationen: An BFO liegt die Orientierung der unteren Schicht parallel zur Vorzugsrichtung der variszischen Gebirgsbildung, jene der obere Schicht antiparallel zur Spreizungsrichtung des Rheingrabens. Für die Station FUR ist eine Überlagerung mit der Streichrichtung des Alpenmassivs zu beobachten. An GRA1 wird die untere Schicht offenbar durch rezente oder eingefrorene Anisotropie des Böhmischen Massivs bzw. des Eger-Riftsystems beeinflusst. Eine vergleichbare Wirkung ist durch die TTZ an der Station RUE zu erkennen.
ADORE wurde weiterhin auf einen Datensatz des temporären RIFTLINK-Projektes angewandt.
Groundwater is the largest source of accessible freshwater with its dynamics having significantly changed due to human withdrawals, and being projected to continue to as a result of climate change. The pumping of groundwater has led to lowered water tables, decreased base flow, and depletion.
Global hydrological models (GHMs) are used to simulate the global freshwater cycle, assessing impacts of changes in climate and human freshwater use. Currently, groundwater is commonly represented by a bucket-like linear storage component in these models. Bucket models, however, cannot provide information on the location of the groundwater table. Due to this limitation, they can only simulate groundwater discharge to surface water bodies but not recharge from surface water to groundwater and calculate no lateral and vertical groundwater flow whatsoever among grid cells. For instance this may lead to an underestimation of groundwater resources in semiarid areas, where groundwater is often replenished by surface water. In order to overcome these limitations it is necessary to replace the linear groundwater model in GHMs with a hydraulic head gradient-based groundwater flow model
This thesis presents the newly developed global groundwater model G3M and its coupling to the GHM WaterGAP spanning over 70,000 lines of newly developed code. Development and validation of the modeling software are discussed along with numerical challenges. Based on the newly developed software, a global natural equilibrium groundwater model is presented showing better agreements with observations than previous models. Groundwater discharge to rivers is found to be the most dominant flow component globally, compared to flows to other surface water bodies and lateral flows. Furthermore, first global maps of the distribution of gaining and losing surface water bodies are displayed.
For the purpose of determining the uncertainty in model outcomes a sensitivity study is conducted with an innovative approach through applying a global sensitivity analysis for a computationally complex model. First global maps of spatially distributed parameter sensitivities are presented. The results at hand indicate that globally simulated hydraulic heads are equally sensitive to hydraulic conductivity, groundwater recharge and surface water body elevation, even though parameter sensitivities do vary regionally.
A high resolution model of New Zealand is developed to further understand the involved uncertainties connected to the spatial resolution of the global model. This thesis finds that a new understanding is necessary how these models can be evaluated and that a simple increase in spatial resolution is not improving the model performance when compared to observations.
Alongside the assessment of the natural equilibrium, the concept of a fully coupled transient model as integrated storage component replacing the former model in the hydrological model WaterGAP is discussed. First results reveal that the model shows reasonable response to seasonal variability although it contains persistent head trends leading to global overestimates of water table depth due to an incomplete coupling. Nonetheless, WaterGAP-G3M is already able to show plausible long term storage trends for areas that are known to be affected by groundwater depletion. In comparison with two established regional models in the Central Valley the coupled model shows a highly promising simulation of storage declines.
The biomarker record in two different lakes in central Europe, Lake Albano and Lake Constance, is used to reflect environmental changes and lake system response during the Late Glacial and Holocene. Extractable organic compounds in lake sediments, which can be assigned to their biological source (biomarkers) function as fingerprints of past aquatic or land plant organisms. Using gas chromatography coupled with mass spectrometry, 21 different biomarkers (predominantly steroids and triterpenoids) as well as a variety of n-alkanes, nalkanols, and n-alkanoic acids could be identified in the sediment records of Lake Albano and Lake Constance. In the Holocene sediments of Lake Albano, the distribution of biomarkers such as dinosterol (dinoflagellates), isoarborinol, and diplopterol (aquatic organisms) indicate three biomarker zones: The period between 0-3,800 years BP (zone 3) is characterized by high concentrations of these biomarkers and others such as tetrahymanol and diploptene. Conversely, zone 2 (3,800-6,500 years BP) shows very low concentrations of all autochthonous biomarkers. In zone 1 (6,500–11,480 years BP), dinosterol, isoarborinol, and diplopterol range on a relatively high level, whereas diploptene and tetrahymanol display comparatively low concentrations. The results suggest at least two distinct changes in the predominance of primary producers during the Holocene, which are related to changes in the lake system such as lake mixing and water column stratification. This interpretation is consistent with previous investigations of Lake Albano sediments including pigment and hydrogen index data (Ariztegui et al., 1996b; Guilizzoni et al., 2002). Allochthonous biomarkers such as long-chain n-alkanes, amyrenones and friedelin indicate a development from forest to a more open landscape from 6,000 and 5.000 years BP, respectively. After a period of high concentrations during the first half of the Holocene, all biomarkers derived from deciduous trees exhibit relatively low values until around 1,000 years BP. Again, this is consistent with results from previous pollen investigations (Ariztegui et al., 2000). The sediment core from Upper Lake Constance comprises the Late Glacial and Holocene. It was analysed for biomarkers and inorganic tracers in order to compare the biomarker results with other proxy data from the same core. Magnetic susceptibility (MS) was measured to get a high-resolution stratigraphic framework of the core and to obtain further information about changes of the proportions of allochthonous and autochthonous input. Enhanced concentrations and accumulation rates of dinosterol (biomarker for dinoflagellates) and biogenic calcite give evidence of increasing lake productivity at the beginning of the Holocene followed by a decrease in bioproductivity after around 7,000 years BP. Younger Dryas sediments are characterized by low amounts of both dinosterol and biogenic calcite indicating a low productivity. The comparison of the concentrations and accumulation rates of b-sitosterol and stigmastanol with parameters reflecting lake productivity suggests that both steroids in Lake Constance sediments are mainly derived from terrigenous sources. Biomarkers as well as concentrations and accumulation rates of allochthonous inorganic compounds such as titanium, magnesium and strontium indicate a slightly enhanced allochthonous input after 8,500 years BP. Significant increase of erosive matter input from enhanced soil erosion is not observed before 4,000 years BP. This can be attributed to the combined effects of precipitation increase as a result of climatic deterioration and anthropogenic deforestation which is consistent with observations from other lakes in Central Europe. The MS record of Lake Constance confirms these results by tracing the climatically induced shifts of more intense bioproduction (low MS caused by increased calcite deposition) during the ‘climatic optimum’. This is followed by increasing input of terrigenous sediment compounds during colder and wetter periods which lead to higher MS values in the lake sediments. The occurrence of tetrahymanol in Lake Constance sediments questions the unambiguous use of tetrahymanol as an indicator for water column stratification. Anaerobic organic macroaggregates within the oxygenated, photic zone of the water column have to be considered as a possible living space for anaerobic microorganisms containing tetrahymanol. The direct comparison of two very different lakes Albano and Constance with respect to biomarkers indicating climate or environmental change provides a contribution to the recent biomarker research for a better understanding of biomarkers in lacustrine sediments.
In this thesis, laboratory investigations have been conducted to investigate several processes occurring during the melt segregation (crystal settling and compaction processes), as well as during emplacement of plutons. With the help of three different sets of centrifuge experiments rates of these three magmatic processes have been evaluated. In the first series of the centrifuge experiments, the diapiric ascent of buoyant material from two source layers at different depths was studied. Through five models, the hypothesis of ascending diapirs was tested and it was demonstrated whether a rising diapir ascends straight upward or if its ascent might be deviated by another buoyant, softer – and consequently easier to travel through – layer which is located within the overburden strata. We were interested under which conditions they can be formed. For this purpose we placed perturbations on top of both the buoyant layers; either with a set-off of both the protrusions (for three of these experiments), or with both protrusion sitting directly on top of each other (for one of the experiments). In the first experiment, we omitted the perturbations, to test which pathways diapirs take which grow from natural Rayleigh-Taylor instabilities. Three others experiments differed in the viscosity contrast between the overburden and the buoyant material. Through the experimental runs, the effects of different overburden viscosities and perturbation positions on the number of the diapirs were observed. The modeling results show that two diapirs rising from the offset perturbations do not take the same pathway through the overburden layer. Rather, each diapir takes a different pathway, with the deeper diapir piercing through its overburden while rising, regardless if it was a buoyant layer or denser overburden layers. However, when the two perturbations were situated directly above each other in the different PDMS layers, this resulted in the formation of one big diapir rather than several smaller ones, and the overburden layer was less deformed than with offset perturbations. Diapiric structures as those derived from the models without perturbation and where the perturbation are offset occur within Great Kavir Basin (Iran), where numerous salt diapirs grew from several salt horizons, which show a similar spatial distribution. The resulting structure observed in the model where the two perturbations situated directly above each other, is close to what is observed in composite batholiths such as the Flasergranitoid Zone within the Bergsträßer Odenwald Crystalline Complex (Germany). The second series of models were aimed to study crystal settling within a magma. For this purpose experiments with an artificial magma of 30 vol% olivine in 70 vol% basaltic melt were conducted to elucidate the formation mechanisms and time scales of gravitational cumulates. Through the experiments, two physical processes have been observed: (i) purely mechanical compaction, and (ii) chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals. The results reveals that the mechanical settling of the dense olivine suspension occurs at about 1/6 the speed of simple Stokes settling, and a sedimentation exponent n of 4.1 is found. Evidences of chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals have been highlighted by a detailed analysis of the fine structure of olivine grain boundaries. This last has revealed (1) the presence of Ca, which is characteristic only for MORB-melt, at the interface of two adjacent Ol-grains even when no melt is present; (2) a not fully crystallized boundary layer between two adjacent olivine grains. The crystal size distribution curves and the grain size growth exponent n ~3.6 indicate that diffusion controlled Ostwald ripening is the dominant crystal growth mechanism in concentrated magmatic suspensions. Finally, the formation times in natural olivine adcumulates have been calculated. The last series of centrifuge experiments deals with the crystal-melt settling-floating mechanism in a system composed of natural two pyroxene gabbro. The results have revealed a vertical evolution of the major and trace elements in the melt phase. Then, a numerical modelling of the sedimentation process of the crystals has been made in order to describe the compaction evolution with time. In comparing the numerical simulation with the centrifuge modelling, the stratification of the compacted layer in the runs is reproduced in numerical models. Moreover, on the base of the numerical and centrifuge modelling, a sedimentation exponent describing a deviation of settling in concentrated suspensions from Stokes sedimentation has been evaluated. Finally, the numerical simulation is applied to the Muskox intrusion to estimate the formation time and the melt fraction evolution in using the hindered sedimentation model calculations.