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Non-forest ecosystems, dominated by shrubs, grasses and herbaceous plants, provide ecosystem services including carbon sequestration and forage for grazing, yet are highly sensitive to climatic changes. Yet these ecosystems are poorly represented in remotely-sensed biomass products and are undersampled by in-situ monitoring. Current global change threats emphasise the need for new tools to capture biomass change in non-forest ecosystems at appropriate scales. Here we assess whether canopy height inferred from drone photogrammetry allows the estimation of aboveground biomass (AGB) across low-stature plant species sampled through a global site network. We found mean canopy height is strongly predictive of AGB across species, demonstrating standardised photogrammetric approaches are generalisable across growth forms and environmental settings. Biomass per-unit-of-height was similar within, but different among, plant functional types. We find drone-based photogrammetry allows for monitoring of AGB across large spatial extents and can advance understanding of understudied and vulnerable non-forested ecosystems across the globe.
Extensive black shale deposits formed in the Early Cretaceous South Atlantic, supporting the notion that this emerging ocean basin was a globally important site of organic carbon burial. The magnitude of organic carbon burial in marine basins is known to be controlled by various tectonic, oceanographic, hydrological, and climatic processes acting on different temporal and spatial scales, the nature and relative importance of which are poorly understood for the young South Atlantic. Here we present new bulk and molecular geochemical data from an Aptian–Albian sediment record recovered from the deep Cape Basin at Deep Sea Drilling Project (DSDP) Site 361, which we combine with general circulation model results to identify driving mechanisms of organic carbon burial. A multimillion-year decrease (i.e., Early Aptian–Albian) in organic carbon burial, reflected in a lithological succession of black shale, gray shale, and red beds, was caused by increasing bottom water oxygenation due to abating hydrographic restriction via South Atlantic–Southern Ocean gateways. These results emphasize basin evolution and ocean gateway development as a decisive primary control on enhanced organic carbon preservation in the Cape Basin at geological timescales (> 1 Myr). The Early Aptian black shale sequence comprises alternations of shales with high (> 6 %) and relatively low (∼ 3.5 %) organic carbon content of marine sources, the former being deposited during the global Oceanic Anoxic Event (OAE) 1a, as well as during repetitive intervals before and after OAE 1a. In all cases, these short-term intervals of enhanced organic carbon burial coincided with strong influxes of sediments derived from the proximal African continent, indicating closely coupled climate–land–ocean interactions. Supported by our model results, we show that fluctuations in weathering-derived nutrient input from the southern African continent, linked to changes in orbitally driven humidity and aridity, were the underlying drivers of repetitive episodes of enhanced organic carbon burial in the deep Cape Basin. These results suggest that deep marine environments of emerging ocean basins responded sensitively and directly to short-term fluctuations in riverine nutrient fluxes. We explain this relationship using the lack of wide and mature continental shelf seas that could have acted as a barrier or filter for nutrient transfer from the continent into the deep ocean.
Extensive black shale deposits formed in the Early Cretaceous South Atlantic, supporting the notion that this emerging ocean basin was a globally important site of organic carbon burial. The magnitude of organic carbon burial in marine basins is known to be controlled by various tectonic, oceanographic, hydrological, and climatic processes acting on different temporal and spatial scales, the nature and relative importance of which are poorly understood for the young South Atlantic. Here we present new bulk and molecular geochemical data from an Aptian–Albian sediment record recovered from the deep Cape Basin at Deep Sea Drilling Project (DSDP) Site 361, which we combine with general circulation model results to identify driving mechanisms of organic carbon burial. A multi-million year decrease (i.e. Early Aptian–Albian) in organic carbon burial, reflected in a lithological succession of black shale, gray shale, and red beds, was caused by increasing bottom water oxygenation due to abating tectonic restriction via South Atlantic-Southern Ocean gateways. These results emphasize basin evolution and ocean gateway development as a decisive primary control on enhanced organic carbon preservation in the Cape Basin at geological time scales (>1 Myr). The Early Aptian black shale sequence comprises alternations of shales with high (>5%) and relatively low (~3%) organic carbon content of marine sources, the former being deposited during the global Oceanic Anoxic Event (OAE) 1a, as well as during repetitive events before and after OAE 1a. In all cases, these short-term events of enhanced organic carbon burial coincided with strong influxes of sediments derived from the proximal African continent, indicating closely coupled climate–land–ocean interactions. Supported by our model results, we propose that fluctuations in weathering-derived nutrient input from the southern African continent, linked to fluctuations in pCO2 and/or orbitally driven humidity/aridity, were the underlying drivers of short-term organic carbon burial in the deep Cape Basin. These results suggest that deep marine environments of emerging ocean basins responded sensitively and directly to short term fluctuations in riverine nutrient fluxes. We explain this relationship by the lack of wide and mature continental shelf seas that could have acted as a barrier or filter for nutrient transfer from the continent into the deep ocean.
Drevermanns Name ist in der Geologie nicht mit bahnbrechenden Ideen und Theorien verknüpft. Er hat nicht seine gesamte Energie auf seine Forschungen gerichtet. Stattdessen seine - manchmal auch schwache - Kraft (vgl. 3.6.) auf die Lehre (bei der Senckenbergischen Naturforschenden Gesellschaft und Universität), die Aufklärung des Volkes (in Vorträgen und „Natur und Museum“) und vor allem auf sein Museumsengagement aufgeteilt. Schon in seinem zweiten Senckenberg-Jahr zeichnete sich das Engagement für die Museumskunde ab. Er arbeitete sicher in der ersten Zeit eher angeleitet, später freier planend und ergänzend für die Vollständigkeit der Sammlung. Und schon 1911 leidet Drevermann daran, daß er zu wenig Zeit für seine eigene Arbeit hat. Er bat am 10. Oktober 1911 den Anfang seiner „Dienststunden auf 9 statt um 8“ festzusetzen, also die „Anzahl reduzieren von 42 auf 36“ Stunden. Als Grund nannte er: „Während der Arbeitszeit im Museum ist es wegen der fortwährenden und vielseitigen Inanspruchnahme meiner Tätigkeit nicht möglich, zu eigener wissenschaftlichen Tätigkeit zu gelangen.“ Er schreibt weiter, daß er dadurch hofft, „länger am Abend arbeiten“ zu können. Schon damals zeigt sich sein offensichtlicher Zeitmangel für seine eigenen Forschungsarbeiten. Dies sollte ihn sein ganzes Leben begleiten. Als fast tragisch ist deswegen zu werten, daß er seine schon 1915 begonnene Arbeit über Placodus trotz großer Anstrengungen in 1930 und 1931 nicht mehr beenden kann. Als ausschlaggebend für den Wandel und für die Abkehr von der eigenen devonischen Forschung und den Beginn des enormen Museumsengagements darf die Schenkung des Diplodocus gewertet werden. Dieses Museumsexponat verlegte Drevermanns Forschungsschwerpunkt zu den fossilen Wirbeltieren, im speziellen den Dinosauriern und Artverwandten, und damit hin zu einem für Drevermann und damit für das Senckenberg-Museum noch heute erfolgreichen Museumsthema. Drevermann ging damit den Weg vom klassischen Devon-Paläontologen hin zum Museumswissenschaftler. In seinen Schaffensjahren zeigt sich sein Werdegang zum Agitator, er setzte die Akzente und arbeitete für seine Museumsvorstellungen. Dazu ein Zitat Drevermanns aus seiner frühen Veröffentlichung über die Meersaurier im Senckenberg-Museum (1914): „Das Streben unseres Museums nach einer möglichst vollständigen Vertretung aller wichtigen Typen des Tierlebens der Vorzeit ist am ersten bei den Meersauriern mit Erfolg gekrönt worden. Durch das wiederholte verständnisvolle Eingreifen mehrerer Gönner des Museums ist es gelungen, in einem Jahrzehnt eine Sammlung zu schaffen, auf die das Museum stolz sein kann.“ Drevermann deutet hier nur versteckt an, daß das angesprochene Jahrzehnt sein erstes im Senckenberg-Museum war. Mit Hilfe von Gönnern, deren Wohlwollen er in der Lage war sich zu verschaffen, gelang es ihm durch Täusche und Käufe diese Sammlung aufzubauen. Er wurde zur prägenden Persönlichkeit. Deswegen machte ihn die Senckenbergischen Naturforschende Gesellschaft zum ersten Geologieprofessor der jungen Frankfurter Universität. Ein Ergebnis seiner intensiven engagierten Arbeit: 1924 wird er zum geschäftsführenden Direktor des Senckenberg-Museums ernannt. Drevermann betrieb als Museumswissenschaftler eine populäre Wissenschaft. Die Beispiele dafür sind mannigfaltig: seine Texte in der Frankfurter Zeitung, das Entwickeln der Zeitschrift „Natur und Museum“ und seine Veröffentlichungen und Fragenbeantwortung hierin, seine vielen Reden, seine Radio-Aktivitäten. Das außerordentliche Engagement Drevermanns für „sein“ Museums-Periodikum zeigt dabei deutlich, wie er als Museumswissenschaftler agierte und nicht als forschender Naturwissenschaftler. Und er ist als Museumswissenschaftler erfolgreich, weil er besondere Qualitäten als Autor und Redner hat. Er beschreibt anschaulich - auch für den Laien - , aber wissenschaftlich genau. Beschäftigt hat sich Drevermann tatsächlich mit geologisch und paläontologischer Forschung nur sekundär. Er war nicht der Spezialist, sondern der Generalist - er verstand viele geologische und paläontologische Fragestellungen. Denn er war immer auf der Höhe des disziplinären Diskussionen – auch wenn er selbst nur einen geringen Beitrag an Lösungen dazu lieferte. Er selbst liest die Veröffentlichungen über die Forschungsarbeiten anderer, spricht in seinen Vorlesungen und Reden darüber, stellt Bücher vor, greift auch in die fachliche Diskussion ein mit Stellungnahmen und Essays, aber entfacht keine solche. Letzteres war nur einmal der Fall: bei seinen Vorstellungen über das Museum der Zukunft. Dieses Thema ist das eigentliche Vermächtnis Drevermanns.
Since the 1980s, advances in wastewater treatment technology have led to considerably improved surface water quality in the urban areas of many high income countries. However, trace concentrations of organic wastewater-associated contaminants may still pose a key environmental hazard impairing the ecological quality of surface waters. To identify key impact factors, we analyzed the effects of a wide range of anthropogenic and environmental variables on the aquatic macroinvertebrate community. We assessed ecological water quality at 26 sampling sites in four urban German lowland river systems with a 0–100% load of state-of-the-art biological activated sludge treated wastewater. The chemical analysis suite comprised 12 organic contaminants (five phosphor organic flame retardants, two musk fragrances, bisphenol A, nonylphenol, octylphenol, diethyltoluamide, terbutryn), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons, and 12 heavy metals. Non-metric multidimensional scaling identified organic contaminants that are mainly wastewater-associated (i.e., phosphor organic flame retardants, musk fragrances, and diethyltoluamide) as a major impact variable on macroinvertebrate species composition. The structural degradation of streams was also identified as a significant factor. Multiple linear regression models revealed a significant impact of organic contaminants on invertebrate populations, in particular on Ephemeroptera, Plecoptera, and Trichoptera species. Spearman rank correlation analyses confirmed wastewater-associated organic contaminants as the most significant variable negatively impacting the biodiversity of sensitive macroinvertebrate species. In addition to increased aquatic pollution with organic contaminants, a greater wastewater fraction was accompanied by a slight decrease in oxygen concentration and an increase in salinity. This study highlights the importance of reducing the wastewater-associated impact on surface waters. For aquatic ecosystems in urban areas this would lead to: (i) improvement of the ecological integrity, (ii) reduction of biodiversity loss, and (iii) faster achievement of objectives of legislative requirements, e.g., the European Water Framework Directive.
The development of benthic foraminiferal assemblages during the past 6,000 yrs was investigated in Holocene sediment cores from three carbonate platforms (Turneffe Islands, Lighthouse Reef, and Glovers Reef) of Belize, Central America. Foraminiferal assemblages and their diversity were determined in different time periods to identify their dependence on environmental factors, such as lagoonal age, lagoonal depth, water circulation, substrate, bottom-water temperature, and salinity. Geochemical proxies (δ18O and δ13C), obtained from the common larger foraminifer Archaias angulatus were used to estimate Holocene seasonal BW-temperatures and climate variabilities. A total of 51 samples were taken from 12 vibracores for taxonomic determination and 10 to 15 subsamples of 32 tests of Archaias angulatus were used for stable oxygen and carbon isotope analyses. Based on cluster analyses, seven benthic foraminiferal assemblages are distinguished during the Holocene. The three platforms exhibit characteristic differences in benthic foraminiferal fauna and diversity, which are controlled by their respective environments during the last 6,000 yrs. Turneffe Islands has four benthic foraminiferal assemblages, which are typical for restricted lagoons with fluctuating salinity. Lighthouse Reef is inhabited by two benthic foraminifera associations, which are characteristic of high water exchange with the surrounding ocean and clear waters. Glovers Reef is characterized by two benthic foraminiferal assemblages, which occur in deeper lagoons with slow water circulation. In general, during the Holocene, the highest mean diversity, evenness, and richness of benthic foraminifera were found in the Turneffe Islands and the lowest occurred at Glovers Reef. The foraminiferal faunas of the Lighthouse and Glovers Reefs had been in a “Diversification Stage” since 6,000 yrs, whereas the foraminiferal fauna of the Turneffe Islands reflects the development from a “Colonisation” (~4,000 yrs BP) to a “Diversification Stage” (~2,000 yrs to present time). Lagoonal depth, water circulation, substrate, and BW-temperature have higher influence on foraminiferal diversity as compared to lagoonal size and age. The negative correlation between diversity and lagoonal depth is based on differences in light intensity and substrate. In contrast to Lighthouse Reef, the Turneffe Islands and Glovers Reef show decreasing diversity of benthic foraminifera with increasing lagoon depth, due to finer sediment, turbid waters and/or dense mangrove growth, which reduce the light intensity and the number of species. Water Circulation also affected the benthic foraminifera modes of living and their diversity during the last 6,000 yrs. Increasing abundances of infaunal taxa refer to restricted circulation and/or lower oxygen conditions, as assumed for the Turneffe Islands and Glovers Reef. Increasing abundances of epifaunal foraminifera, as observed in the Lighthouse Reef indicate better circulation and/or higher oxygen conditions. Holocene BW-temperature reconstructions based on δ18O of single Archaias angulatus tests do not correspond to typical Holocene climate models of the Caribbean. In the Belize area, mean BW-temperature trends indicate local climate variations. A decrease of δ13C values during the last 1,000 yrs could be related to the “Suess Effect”. The seasonal BW-temperature variations within single large benthic foraminifera tests correspond to present-day temperature fluctuations in the lagoons, and indicate higher temperatures in Summer and Autumn and lower temperatures in Winter and Spring.
Diurnal valley winds frequently form over complex topography, particularly under fair weather conditions, and have a significant impact on the local weather and climate. Since diurnal valley winds result from complex and multi-scale interactions, their representation in numerical weather prediction models is challenging. Better understanding of these local winds based on observations is crucial to improve the accuracy of the forecasts. This study investigates the diurnal evolution of the three-dimensional mean wind structure in a deep Alpine valley, the Rhone valley at Sion, using data from a radar wind profiler and a surface weather station operated continuously from 1 September 2016 to 17 July 2017. In particular, the wind profiler data was analyzed for a subset of days on which fair weather conditions allowed for the full development of thermally driven winds. A pronounced diurnal cycle of the wind speed, as well as a reversal of the wind direction twice per day is documented for altitudes up to about 2 km above ground level (AGL) in the warm season and less than 1 km AGL in winter. The diurnal pattern undergoes significant changes during the course of the year. Particularly during the warm-weather months of May through to September, a low-level wind maximum occurs, where mean maximum up-valley velocities of 8–10 m s−1 are found between 15–16 UTC at altitudes around 200 m AGL. In addition, during nighttime, a down-valley jet with maximum wind speeds of 4–8 m s−1 around 1 km AGL is found. A case study of a three-day period in September 2016 illustrates the occurrence of an elevated layer of cross-valley flow around 1–1.5 km AGL.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest concentrations and flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 μg.m−2 s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 μg.m−2 s−1), toluene (4.40 μg.m−2 −1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 μg.m−2 s−1), i-pentane (3.61 μg.m−2 s−1) and n-butane (3.23 μg.m−2 s−1). The measured concentrations and fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, which is defined as difference between the initial and final concentration/flux values of compounds before and after wet deposition. The removal efficiency was calculated at −24°C (−13.7°C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coefficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 µg m−2s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 µg m−2s−1), toluene (4.40 µg m−2s−1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 µg m−2s−1), i-pentane (3.61 µg m−2s−1) and n-butane (3.23 µg m−2s−1). The fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, and the effect of temperature on removal efficiency. The removal efficiency was calculated at – 24◦C (−13.7◦C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coef- ficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Spatial interpolation of rain gauge data is important in forcing of hydrological simulations or evaluation of weather predictions, for example. The spatial density of available data sites is often changing with time. This paper investigates the application of statistical distance, like one minus common variance of time series, between data sites instead of geographical distance in interpolation. Here, as a typical representative of interpolation methods the inverse distance weighting interpolation is applied and the test data is daily precipitation observed in Austria. Choosing statistical distance instead of geographical distance in interpolation of an actually available coarse observation network yields more robust interpolation results at sites of a denser network with actually lacking observations. The performance enhancement is in or close to mountainous terrain. This has the potential to parsimoniously densify the currently available observation network. Additionally, the success further motivates search for conceptual rain-orography interaction models as components of spatial rain interpolation algorithms in mountainous terrain.
Spatial interpolation of rain gauge data is important in forcing of hydrological simulations or evaluation of weather predictions, for example. This paper investigates the application of statistical distance, like one minus common variance of observation time series, between data sites instead of geographical distance in interpolation. Here, as a typical representative of interpolation methods the inverse distance weighting interpolation is applied and the test data is daily precipitation observed in Austria. Choosing statistical distance instead of geographical distance in interpolation of available coarse network observations to sites of a denser network, which is not reporting for the interpolation date, yields more robust interpolation results. The most distinct performance enhancement is in or close to mountainous terrain. Therefore, application of statistical distance in the inverse distance weighting interpolation or in similar methods can parsimoniously densify the currently available observation network. Additionally, the success further motivates search for conceptual rain-orography interaction models as components of spatial rain interpolation algorithms in mountainous terrain.
Cloud microphysical processes involving the ice phase in tropospheric clouds are among the major uncertainties in cloud formation, weather and General Circulation Models (GCMs). The simultaneous detection of aerosol particles, liquid droplets, and ice crystals, especially in the small cloud-particle size range below 50 µm, remains challenging in mixed phase, often unstable ice-water phase environments. The Cloud Aerosol Spectrometer with Polarisation (CASPOL) is an airborne instrument that has the ability to detect such small cloud particles and measure their effects on the backscatter polarisation state. Here we operate the versatile Cosmics-Leaving- OUtdoor-Droplets (CLOUD) chamber facility at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) to produce controlled mixed phase and other clouds by adiabatic expansions in an ultraclean environment, and use the CASPOL to discriminate between different aerosols, water and ice particles. In this paper, optical property measurements of mixed phase clouds and viscous Secondary Organic Aerosol (SOA) are presented. We report observations of significant liquid – viscous SOA particle polarisation transitions under dry conditions using CASPOL. Cluster analysis techniques were subsequently used to classify different types of particles according to their polarisation ratios during phase transition. A classification map is presented for water droplets, organic aerosol (e.g., SOA and oxalic acid), crystalline substances such as ammonium sulphate, and volcanic ash. Finally, we discuss the benefits and limitations of this classi- fication approach for atmospherically relevant concentration and mixtures with respect to the CLOUD 8–9 campaigns and its potential contribution to Tropical Troposphere Layer (TTL) analysis.
New geochemical data from the Malawi Rift (Chiwondo Beds, Karonga Basin) fill a major spatial gap in our knowledge of hominin adaptations on a continental scale. Oxygen (δ18O), carbon (δ13C), and clumped (Δ47) isotope data on paleosols, hominins, and selected fauna elucidate an unexpected diversity in the Pleistocene hominin diet in the various habitats of the East African Rift System (EARS). Food sources of early Homo and Paranthropus thriving in relatively cool and wet wooded savanna ecosystems along the western shore of paleolake Malawi contained a large fraction of C3 plant material. Complementary water consumption reconstructions suggest that ca. 2.4 Ma, early Homo (Homo rudolfensis) and Paranthropus (Paranthropus boisei) remained rather stationary near freshwater sources along the lake margins. Time-equivalent Paranthropus aethiopicus from the Eastern Rift further north in the EARS consumed a higher fraction of C4 resources, an adaptation that grew more pronounced with increasing openness of the savanna setting after 2 Ma, while Homo maintained a high versatility. However, southern African Paranthropus robustus had, similar to the Malawi Rift individuals, C3-dominated feeding strategies throughout the Early Pleistocene. Collectively, the stable isotope and faunal data presented here document that early Homo and Paranthropus were dietary opportunists and able to cope with a wide range of paleohabitats, which clearly demonstrates their high behavioral flexibility in the African Early Pleistocene.
Die Welt im Wasserstress
(2024)
Wie haben sich die Wasserresourcen in den letzten 120 Jahren verändert? Und was passiert, wenn es bis Ende des 21. Jahrhunderts noch einmal zwei Grad wärmer wird als heute? Fragen wie diese beantwortet das globale Wasser-Modell WaterGAP, das maßgeblich vom Institut für Physische Geographie der Goethe-Universität und von der Ruhr-Universität Bochum entwickelt wird. Bislang ließen sich die damit erzeugten Daten nur von Expertinnen und Experten nutzen. Eine neue Web-App ändert das nun. Entwickelt wurde sie von dem französischen Geodaten-Unternehmen Ageoce, das dafür mit der Goethe-Universität kooperierte.
Die folgende Arbeit ist eine von drei Dissertationen des interdisziplinären Forschungsvorhabens „Landschaftsarchäologie im Hessischen Ried“, das im Rahmen des Frankfurter Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ stattfand. Das Projekt bestand aus einer archäologisch-historischen (MAURER 2003), einer bodenkundlichen (KANNENGIEßER Diss. in Arbeit) sowie dieser palynologischen Dissertation. Gemeinsam beschäftigen sich diese Arbeiten mit der Landschaftsrekonstruktion des nördlichen Hessischen Rieds. Die palynologischen Untersuchungen hatten das Ziel, die bisher weitgehend unbekannte ‚jüngere’ Vegetationsgeschichte von der vorrömischen Eisenzeit bis etwa zum 5. Jh. n. Chr. zu rekonstruieren. Zwischen der Eisenzeit und dem Frühmittelalter gab es im Hessischen Ried mehrere kulturelle Umbrüche. In der Spätlatènezeit siedelte eine keltische Bevölkerungsgruppe im nördlichen Hessischen Ried. Deren Spur verliert sich aber im 1. Jh. v. Chr. Erst nach einer ‚Fundlücke’ von etwa 50 Jahren findet man schließlich Überreste eine elbgermanische Population (LENZ-BERNHARD & BERNHARD 1991). Über Lebensweise und Anzahl dieser germanischen Bevölkerung wissen wir fast nichts. Zumindest ein Teil von ihnen aber diente im römischen Heer. Etwa ab dem Jahr 13/12 v. Chr. in augusteischer Zeit stand das Ried unter dem Einfluss des seitdem am Rhein stationierten römischen Militärs (MAURER 2003). Im Zuge der Okkupation kamen römische Soldaten mitsamt ihrem Tross von Angehörigen und Marketendern an den Rhein. Da sehr wenig über die zuvor ansässige Bevölkerung bekannt ist, ist es unklar, wie sich die Bevölkerungsstärke und damit der Bedarf an landwirtschaftlicher Nutzfläche während dieser Zeit veränderte. In der mittleren Kaiserzeit (ca. 70–260 n. Chr.) bildete das Hessische Ried das südöstliche Vorfeld der Provinzhauptstadt Mogontiacum (Mainz) bzw. das Umland des Auxiliarkastells/Zivilvicus Groß-Gerau-„Auf Esch“. In die sog. „agri decumates“ rechts des Rheins (Tacitus, GERMANIA 29, 3) gesellten sich nach und nach noch gallische Siedler zur römischen Bevölkerung. Es ist zu erwarten, dass sich die kulturellen Umbrüche dieser Zeit auch im Landschaftsbild widerspiegelten. Beispielsweise werden vielerorts den Römern die ersten großflächigen Waldrodungen und Raubbau an der Landschaft zugeschrieben (BEHRE 1988, CÜPPERS 1990, DUMAYNE 1993). In den letzten Jahren mehren sich allerdings die Indizien dafür, dass zumindest in einigen Gebieten einschneidende Landschaftseingriffe bereits in der Eisenzeit stattgefunden haben und die Landschaft bei Ankunft der Römer schon weitgehend entwaldet und anthropogen geprägt war (BUNNIK et al. 1995, STOBBE 1996, 2000, STOBBE & KALIS 2001, 2002, DÖRFLER et al. 2000, KOOISTRA 1996, DUMAYNE 1993, DUMAYNE-PEATY 1998). Auch für das nördliche Hessische Ried bestätigt die vorliegende Arbeit dieses Bild. Schon in der Eisenzeit entstand im Hessischen Ried eine weitgehend geöffnete Landschaft mit Grünlandflächen und Äckern. Die Vegetationsveränderungen beim Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit (um 800 BC) sind dabei weit deutlicher als beim Übergang von der Eisenzeit zur Römischen Kaiserzeit. In der Römerzeit wurde zwar der Ackerbau intensiviert und einige typische Kulturpflanzen wurden eingeführt, doch das restliche Pollenspektrum verändert sich kaum. Beim Rückzug der römischen Armee vom Odenwaldlimes kam es zu einer leichten Regeneration der Buche im Umland. Während der Völkerwanderungszeit sieht man in den Profilen keine deutliche Waldregeneration, sondern nur einen leichten Rückgang der Bewirtschaftung.
Die Montagne Noire am Südrand des französischen Zentralmassivs gehört in das Vorland der französischen Varisziden. Es handelt sich um einen metamorphen Kemkomplex mit einem Kern ("Axialzone") aus Graniten sowie teilweise migmatisierten Ortho- und Paragesteinen. Die Axialzone wird im Norden ("Nordflügel") und Süden ("Südflügel") von paläozoischen Sedimenten umrahmt. Der Nordflügel wird in die "westlichen Monts de Lacaune" (im Westen) und die "Nördliche Schuppenzone" (im Osten) unterteilt und besteht aus Gesteinen mit kambrischem bis silurischem Alter. Der Südflügel wird von einem Stapel aus mehreren Deckeneinheiten aufgebaut, deren stratigraphisches Alter vom Kambrium bis ins Karbon reicht. Die Deckeneinheiten heißen (von oben nach unten im Stapel): Pardailhan-Decke, Minervois-Decke, Mont Peyroux-Decke, Faugeres-Decke und Parautochthon. Die Montagne Noire repräsentiert den seltenen Fall eines "heißen" metamorphen Kernkomplexes, ist aber auch ein ideales Gebiet für vergleichende methodische Studien der sehr niedriggradigen Metamorphose: unterschiedliche Gesteinstypen (Sand- und Siltsteine, Tonschiefer, verschiedene Karbonate) lassen sich quer zur Metamorphosezonierung vom Bereich der Diagenese bis in die Grünschieferfazies verfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde die tektono-metamorphe Entwicklung der niedriggradigen paläozoischen Sedimente untersucht. Dazu wurde eine flächenhafte Studie der Schichtsilikatentwicklung in den Peliten durchgeführt. Es wurden folgende Methoden angewandt: Kubier Index ("Illitkristallinität"), Arkai-Index ("Chloritkristallinität"), "bo-Index" (zur Bestimmung des geothermischen Gradienten), Polytypie-Untersuchungen, sowie an ausgesuchten Proben Mikrosondenanalytik und Röntgenfluoreszenzanalyse. Femer wurden von K. Wemmer (Göttingen) an einigen Proben K-Ar-Datierungen der Feinfraktionen (<2 mikro m und <0,2 mikro m) durchgeführt, um die Entwicklung auch zeitlich zu erfassen. Die petrologischen und geochronologische Daten wurden zur Deformation in Bezug gesetzt. Dabei wurden sowohl Literaturdaten als auch eigene strukturgeologische Befunde verwendet. Es konnten drei tektono-metamorphe Hauptphasen nachgewiesen werden: Die erste Phase (D1 entspricht dem variszischen Deckenbau. Dabei wurde eine M1-Metamorphose angelegt, die durch den bo-Index als Mitteldruck-Metamorphose charakterisiert werden kann. Das Strukturinventar belegt einen etwa südgerichteten tektonischen Transport während D1. Diese Phase ist in der Nördlichen Schuppenzone sowie im W-Teil der Pardailhan-Decke erhalten. Das Alter dieser Phase konnte in kambro-ordovizischen Gesteinen mit der K-Ar-Methode auf 340 bis 330 Ma datiert werden. Diese Alter zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ar/Ar-Datierungen aus den im N angrenzenden grünschieferfaziellen Decken des Albigeois. In den tieferen Decken des Südflügels, die ursprünglich weiter im Süden gelegen haben, kann die D1-Deformation erst nach Ende der Flyschsedimentation an der Grenze Vise/Namur (<320 Ma) stattgefunden haben. Die zweite Phase (D2) entspricht dem Aufstieg des metamorphen Kemkomplexes. Im Kontakt mit dem aufsteigenden, heißen Kern ist der größere Teil der paläozoischen Hüllschichten kinematisch und thermisch geprägt wurden. Dabei sind Strukturen und Mineralbestand von D1 und M1 ganz oder teilweise gelöscht worden. Die Extensions-bedingte penetrative S2-Schieferung ist im größten Teil des Südflügels das dominante Flächensystem: dies gilt für das Parautochthon, die gesamte Faugeres-Decke. den westlichen Teil der Mont Peyroux-Decke, den östlichen Teil der Pardailhan- Decke und wahrscheinlich auch die Minervois-Decke. Der Grad der Mz-Metamorphose, die auch in den westlichen Monts de Lacaune (Nordflügel) die prägende Metamorphose ist, nimmt generell mit zunehmender Entfernung von der Axialzone ab. Der bo-Index belegt Niederdruck-metamorphe Bedingungen. K-Ar-Datierungen aus verschiedenen Decken des Südflügels ergeben für D2/M2 Werte zwischen 310 und 300 Ma. Dieses Altersspektrum entspricht Ar/Ar-Datierungen (etwa 311 bis 303 Ma; synkinematischer Biotit und Muskovit; Maluski et al.1991) aus Scherzonen am S-Rand der Axialzone, die während der Exhumierung angelegt wurden. Die K-Ar-Alter der paläozoischen Decken passen auch sehr gut zu U/Pb-Altem aus Paragneisen (308 Ma, Monazit; Gebauer et al. 1988), Graniten (308 Ma, Monazit) und migmatischen Gneisen (313 Ma; beide Krause et al. 2004) der Axialzone, die eine starke thermische Aktivität zu dieser Zeit belegen. Das dritte metamorphe Ereignis (M3) ist unter Anderem im Stephanbecken von Graissessac, nachgewiesen, das im Zuge der Extensionstektonik (D2) am ENE-Ende der Axialzone entstanden ist. Nach dem bisherigen Kenntnisstand ist diese Metamorphose statisch. Der bo-Index belegt - wie auch bei M2 - eine LP-Metamorphose. Sie wurde vermutlich durch magmatische Instrusionen hervorgerufen. M3 muss jünger sein als das U-Pb-Alter eines Tuffes im tiefen Teil der Stefan-Abfolge (c. 295 Ma). Dazu passen Rb-Sr Mineralisochronen von 292 bis 277 Ma aus zwei benachbarten Granitplutonen. Ähnliche Alter treten auch in Pegmatiten der Axialzone auf. Nicht alle der untersuchten Bereiche können eindeutig einer der drei tektono-metamorphen Hauptphasen zugeordnet werden (St. Gervais-Einheit im NE der Axialzone, östlicher Teil der Mont Peyroux-Decke). Dies liegt vielfach an einer unzureichenden strukturgeologischen Datenlage. Teilweise haben aber auch Alterationsprozesse stattgefunden, welche die K-Ar-Alter verjüngt haben, oder der regionale Metamorphosegrad ist sehr niedrig. Schließlich ist in schwach anchimetamorphen oder nur diagenetisch beeinflussten Gesteinen die bo-Index-Methode nicht anwendbar. Insgesamt bestätigen die regionalen Untersuchungen das Bild eines heißen Gneiskerns, der während seines Extensions-bedingten Aufstieges seine Hüllschichten syntektonisch aufheizt. Zusätzlich zur geodynamischen Fragestellung wurden in dieser Arbeit auch methodische Aspekte verfolgt. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der K-Na-Verteilung in den Illiten bzw. Muskoviten. Es hat sich gezeigt, dass einige Proben Paragonit und/oder K/Na-Illit rührten. Diese Minerale stören die Bestimmung der Illitkristallinität im Röntgendiffraktogramm, da sich ihre Peaks mit denen des Illit überlagern. Es wurden daher verschiedene "Peak-Fittings" durchgeführt, bei denen sich zum einen zeigte, dass der 10 A-Peak besser für das Fitting von Illit und diskretem Paragonit geeignet ist als der 5 A-Peak. Es wurde zudem festgestellt, dass es nur schwer oder gar nicht möglich ist, Illit und eine K/Na-Phase mit einer zufriedenstellenden Qualität zu fitten. da die Peakmaxima zu nahe beieinander liegen. Eine Mikrosondenanalyse (teilweise auch Mikrosonden- Mapping) der betreffenden Proben zeigte, wie unterschiedlich die K-Na-Verteilung in den Illiten im anchimetamorphen Bereich sein kann. Es wurden diskrete Mineralphasen, eine domänenartige Verteilung und auch relativ homogene Mischkristalle beobachtet.
Die Steinauer Höhle
(1914)