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Die Genese der Leptinite und Paragneise zwischen Nordrach und Gengenbach im mittleren Schwarzwald
(1990)
Nachdem die Erforschung der anatektischen Prozesse lange Jahre das Bild des metamorphen Schwarzwalds prägte, wurden durch das Erkennen von Niedrigdruck- und Mitteldruck-Faziesserien (BLÜMEL 1983) und durch die lithologische Gliederung (WIMMENAUER 1984) neue Akzente im metamorphen Grundgebirge gesetzt. Im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) wurde im Raum Nordrach-Gengenbach eine Leptinit-Paragneis-Wechselfolge kartiert. Vier Einheiten konnten unterschieden werden: (1) homogene Areale aus biotitarmen Leptiniten, (2) homogene Areale aus biotitreichen Leptiniten, (3) Areale aus verschiedenen, psammopelitischen Paragneisen und (4) eine Wechsellagerung im Aufschlussbereich zwischen Paragneisen und biotitarmen Leptiniten. Die ganze Wechselfolge stellt einen metamorphen, vulkano-sedimentären Komplex aus mindestens zwei verschiedenen Rhyolithen, rhyolithischen Tuffen, Tonsteinen, Grauwacken/Arkosen und Tuffiten dar. Die Struktur des Arbeitsgebiets wird durch die Wippersbach-Mulde, einen Bereich entlang des Haigerach-Tals mit Tendenz zu einem hochtemperatur-mylonitischen Gefüge und den Nordracher Granit, der parallel zur Foliation der Metamorphite intrudierte, geprägt. Im Mittelbachtal ist in streichender Verlängerung der Zone Diersburg-Berghaupten eine ca. 200 m breite Störungszone aufgeschlossen, die mehrphasig mylonitisch und kataklastisch überprägt wurde. Die biotitarmen Leptinite bestehen im wesentlichen aus 40 % Quarz und 60 % Feldspat. Sie sind nahezu massig, feinkörnig-ungleichkörnig (0,1 - 1 mm) mit amöboiden Kornformen. Mylonitische Gefüge kommen untergeordnet vor. Ihr Mineralbestand lautet: Quarz, Biotit, Granat, Sillimanit, Cordierit, Spinell, Ilmenit, Rutil. Die ehemaligen Hypersolvus-Feldspäte Mesoperthit und Antiperthit zeigen eine Entwicklungsreihe zu diskreten Plagioklas(An10-20)- und Orthoklas-Körnern. Um Granat ist eine Corona aus Cordierit-Quarz-Symplektit oder hellgrünem Biotit entwickelt. Die biotitreichen Leptinite haben durch den erhöhten Biotit-Gehalt (um 3 %) ein flaseriges Gefüge. Ihnen fehlt Mesoperthit, dafür führen sie reichlich Antiperthit (An20). Monazit ist ein charakteristischer akzessorischer Gemengteil. Die chemische Zusammensetzung der Leptinite entspricht der von Rhyolithen und ist über viele km nahezu konstant. Eine Probe ist stark an Uran verarmt. Die untersuchten Leptinite ähneln nach Auftreten, Chemismus und Metamorphose den Leptiniten von Todtmoos im Südschwarzwald. Die Paragneise werden in Quarz-Feldspat-reiche Meta-Grauwacken/Meta-Arkosen und Cordierit-reiche Meta-Pelite gegliedert. Das Gefüge ist feinkörnig, lagig-flaserig, teilweise mittelkörnig-migmatitisch und selten mylonitisch oder metablastisch. Der Mineralbestand lautet: Quarz, Plagioklas(An30), Antiperthit, Orthoklas, Biotit, Cordierit, Granat, Kyanit, Sillimanit (meist pseudomorph nach Kyanit), Andalusit (kontaktmetamorph), Spinell, Diaspor, Rutil, Graphit, Ilmenit und Sulfide. Die chemischen Analysen der Paragneise wurden mit denen von nicht metamorphen Sedimenten verglichen: die cordieritreichen Paragneise konnten als metamorphe Tongesteine bestimmt werden, die Quarz-Feldspat-reichen Paragneise sind metamorphe Grauwacken oder Arkosen, da sich Grauwacken und Arkosen nach ihrer chemischen Analyse nicht eindeutig unterscheiden lassen. Im Arbeitsgebiet gibt es nur ein kleines Amphibolit-Vorkommen. Es handelt sich um einen Cummingtonit-führenden Amphibolit, bei dem sich noch ein früheres Metamorphose-Stadium unter hohen Drücken nachweisen lässt. Der Strukturzustand der Alkalifeldspäte (Or85) ist lithologieabhängig und liegt zwischen Orthoklas und Maximum Mikroklin. Granat ist nur schwach diffusions-zoniert. Die Ca-reichen Zentren und Ca-armen Ränder der Granate zeigen eine Druckentlastung an. Aus den Biotit-Analysen (TiO2 bis 5,3 Gew.-%) wurde abgeleitet, da die Tschermak-Substitution die AlVI-Variation nicht erklären kann, sondern dass der AlVI-Gehalt in den untersuchten Biotiten wahrscheinlich vom Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis des Gesteins abhängt. Cordierit (teilweise Fe-reich) ist meist pinitisiert. Bei einigen Piniten kann nicht ausgeschlossen werden, dass nach NEDELEC & PAQUET (1981) nicht Cordierit sondern eine Schmelze das Edukt war. Grüner und brauner Fe-Mg-Zn-Aluminat-Spinell kommt vorwiegend zusammen mit Cordierit (±Diaspor) als Corona um Kyanit vor. Das ganze Aggregat wird durch eine äußere Plagioklas-Corona vom Rest des Gesteins abgekapselt. Die metamorphe Entwicklung der untersuchten Gesteine beginnt mit einem druckbetonten Stadium (Hochdruck-Granulitfazies bis ?Eklogit-Fazies) und der Paragenese Granat + Kyanit + Hypersolvus-Feldspäte + Quarz ± Biotit. Die Temperatur lässt sich nur recht unsicher zu 700 °C abschätzen. Mit dem jetzt vorliegenden Plagioklas ergibt sich mit dem GPAQ-Thermobarometer, dem GRAIL- und dem GRIPS-Barometer ein Druck um 7-9 kbar, der als gut belegter Mindestdruck interpretiert wird. Falls aber während dieses Stadiums die Ca-reichen Granat-Zentren der biotitarmen Leptinite mit einem Hypersolvus-Alkalifeldspat (3 Mol-% Anorthit-Komponente nach der CIPW-Norm der Gesteinsanalyse) und Kyanit im Gleichgewicht standen, dann ergeben sich deutlich höhere Drücke von 14-19 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium lässt sich mit dem geochronologischen 480 Ma-Ereignis (Ordovizium) korrelieren. Darauf folgt ein Druckentlastungs-Zwischenstadium mit der Umwandlung von Kyanit in Sillimanit und der Bildung der Spinell-Coronen um Al2SiO5-Minerale. Den Abschluss der Metamorphose-Entwicklung bildet ein statisches Cordieritisierungs-Stadium (LP-HT-Metamorphose, Cordierit-Kalifeldspat-Paragenese). Es bewirkte das statische Wachstum von reichlich Cordierit in Biotit-Sillimanit-reichen Teilgefügen und um Granat. Die Temperatur lag dabei nach dem Granat-Biotit-, dem Granat-Cordierit- und dem Granat-Ilmenit-Thermometer bei 650±50 °C. Der Druck betrug dabei nach dem GPAQ-Thermobarometer 3±2 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium ist im NE des Raums Nordrach-Gengenbach stark ausgeprägt, im SW, wo das frühe, druckbetonte Stadium gut erhalten ist, nur schwach. Das statische Cordieritisierungs-Stadium lässt sich in das Karbon einstufen.
Basierend auf der Feststellung, daß selbst die aufwendigsten zur Zeit verfügbaren Klimamodelle (das sind gekoppelte atmosphärisch-ozeanische Zirkulationsmodelle, AOGCM) nicht in der Lage sind, alle bekannten externen Antriebe und internen Wechselwirkungen des Klimas simultan zu erfassen, werden zunächst die Stärken und Schwächen von rein statistischen Ansätzen zur Analyse von Zusammenhängen zwischen beobachteten Zeitreihen diskutiert. Speziell geht es dabei um die Frage, welche natürlichen und anthropogenen Antriebe in welchem Ausmaß zu den beobachteten Variationen der globalen Mitteltemperatur beigetragen haben (Signaltrennung). Es wird gezeigt, daß ein einfacher physikalisch motivierter Ansatz, der einige Schwächen der rein statistischen Ansätze vermeidet, nicht zum Ziel der Signaltrennung führt. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, sich eingehender mit den Eigenschaften des globalen Klimasystems zu beschäftigen. So stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen das Klima überhaupt vorhersagbar ist. Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es möglich, das globale Klima, repräsentiert durch die globale Mitteltemperatur, mit Hilfe von Energie-Bilanz-Modellen (EBM) zu beschreiben. Es folgt, daß ein 3-Boxen-EBM (Atmosphäre, ozeanische Mischungsschicht und tieferer Ozean) ausreicht, um den Verlauf der globalen bodennahen Mitteltemperatur zu untersuchen. Um das Problem einer Überanpassung zu vermeiden, wird das Modell am hemisphärisch gemittelten Jahresgang von Temperatur und Ausstrahlung, am Verlauf der bodennahen Mitteltemperatur eines Zirkulationsmodells im Einschaltexperiment, sowie im Vergleich zu paläoklimatologischen Daten kalibriert. Es wird eine Lösung dieses Modells abgeleitet, die als rekursiver Filter zur Zeitreihenanalyse verwendet werden kann. Um auch den hemisphärischen Temperaturverlauf untersuchen zu können, wird das 3-Boxen-Modell auf fünf Boxen erweitert (hemisphärische Atmosphären- und ozeanische Mischungsschicht-Boxen sowie ein globaler tieferer Ozean). Auch dieses Modell wird im wesentlichen an den Jahresgängen der Temperatur kalibriert und eine Lösung in Form eines rekursiven Filters abgeleitet. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die so abgeleiteten Filter weder in ihrer Struktur, noch in ihren Parameterwerten aus einer Anpassung an die zu untersuchenden Zeitreihen stammen. Bevor die beobachteten Temperaturzeitreihen für den Zeitraum von 1866 bis 1994 mit den zwei Modellversionen rekonstruiert werden können, müssen die berücksichtigten externen Antriebe in Form von Heizratenanomalien vorliegen. Es werden zwei natürliche (solare Schwankungen und explosive Vulkanaktivität) und zwei anthropogene externe Antriebe (Treibhausgas- und Schwefeldioxidemissionen, die zur Bildung von anthropogenem troposphärischen Sulfat führen) untersucht. Die Heizratenanomalien der solaren Schwankungen folgen aus Satellitenmessungen und einer Extrapolation mit Hilfe von Sonnenflecken-Relativzahlen. Für den Einfluß des Vulkanismus wurde eine Parametrisierung erstellt, die sowohl die Ausbreitung von stratosphärischem Vulkanaerosol als auch dessen Einfluß auf den Strahlungshaushalt berücksichtigt. Zur Beschreibung des anthropogenen Zusatztreibhauseffekts wurde auf Ergebnisse von Strahlungs-Konvektions-Modellen (RCM) zurückgegriffen. Der Einfluß des anthropogenen troposphärischen Sulfats wurde entsprechend dem ungenauen Kenntnisstand nur grob parametrisiert. Mit den Modellen lassen sich zu jedem Antrieb Zeitreihen der globalen und hemisphärischen Temperaturanomalien berechnen. Die beobachteten ENSO-korrigierten Temperaturanomalien lassen sich (außer im Fall der Nordhemisphäre) sehr gut als Summe dieser Antriebe und Zufallsrauschen ausdrücken. Dabei hat das Zufallsrauschen mit dem Modell verträgliche Eigenschaften und kann somit als internes Klimarauschen interpretiert werden. Es ist demnach möglich, zusätzlich zur Signaltrennung zu testen, ob sich die Temperaturzeitreihen ohne die anthropogenen Antriebe signifikant anders verhalten hätten. Der Unterschied ist auf der Südhemisphäre und global mit 99 % signifikant, auf der Nordhemisphäre mit 95 %. Das bedeutet, daß der Mensch das Klima mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinflußt. Auf der Basis von Szenarien wird außerdem der anthropogene Einfluß auf das Klima der nächsten Dekaden prognostiziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie groß die Zeitverzögerung zwischen anthropogenen Antrieben und deren Wirkung auf das Klima ist. Auch dieser Frage wird nachgegangen und es ergibt sich, daß diese Verzögerung zur Zeit bei etwa zehn Jahren liegt. Da die Verzögerungszeit aber keine Eigenschaft des Klimasystems ist (wie etwa eine Trägheitsoder Mischungszeit), sondern von der zeitlichen Struktur des Antriebs abhängt, ist sie keine Konstante und kann somit nur eingeschränkt für Prognosen verwendet werden. Andererseits erlaubt die Kenntnis der Verzögerungszeit eine statistische Verifikation mit Hilfe eines multiplen Regressionsmodells. Diese unterstützt die Prognosen des EBM.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum besseren Verständnis des stratosphärischen Transports. Dieser ist ein wichtiger Parameter im komplexen gekoppelten System der Stratosphäre, das neben dem Transport vor allem von Chemie und Strahlungshaushalt geprägt wird. Neben verschiedenen Modelliertechniken bietet die Messung langlebiger Spurengase das effektivste Werkzeug für Untersuchungen von stratosphärischen Transportprozessen. Daher wurde am Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Frankfurt ein Instrument zur in-situ-Messung von Spurengasen entwickelt, das sowohl an Stratosphärenballonen als auch auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" Echtzeitmessungen von Spurengasmischungsverhältnissen durchführen kann. Der "High Altitude Gas Analy- ser" (HAGAR) ist in der Lage, mit einem Zwei-Kanal-Gaschromatographen die Mischungsverhältnisse von N 2 O, F12, F11 und Halon-1211 mit einer Zeitauflösung von 90 s und das von SF 6 alle 45 s zu bestimmen. Ein an die speziellen Gegebenheiten von Stratosphärenmessungen angepasster CO 2 -Sensor der Firma LI-COR erreicht eine Zeitauflösung von ca. 10 s. Im Rahmen dieser Arbeit wurden entscheidende Beiträge zur Entwicklung von HAGAR geleistet. Für die Steuerung des Instruments auf Basis eines Industrie-PCs wurde ein umfangreiches Softwarepaket entwickelt, das die zuverlässige vollautomatische Steuerung des Instruments, sowie eine komfortable Konfigurationsmöglichkeit bietet. Nach einem ersten Ballontestflug am 13.5.1998 wurde das Instrument vollständig neu aufgebaut, um einen Sensor zur Messung von CO 2 zu integrieren. Des Weiteren wurden eine Reihe von Verbesserungen und Anpassungen durchgeführt, die für den Betrieb an Bord der Geophysica notwendig waren. Im Zeitraum von Dezember 1998 bis Oktober 1999 nahm HAGAR an drei Messkampagnen teil. Im Rahmen von APE-ETC ("Airborne Platform for Earth Observation - Extensive Test Campaign") wurde das Instrument erstmals an Bord der Geophysica montiert und eingesetzt. Trotz einer Reihe von kleineren Schwierigkeiten erwies sich das HAGAR-Konzept als gut ge- eignet für den Einsatz an Bord eines Höhenforschungsflugzeugs. So konnten zumindest während drei von sechs Testflügen Daten aufgezeichnet werden. Im Februar/März 1999 war HAGAR Teil der Geophysica-Nutzlast während der Messkampagne APE-THESEO ("Airborne Platform for Earth Observation - The Contribution to the Third European Stratospheric Experiment on Ozone"), die Mahè/Seychellen als Basis nutzte. HAGAR konnte hier während ca. 30 Flugstunden Daten aufnehmen. Dabei konnte ein umfangreicher Datensatz vor allem im Bereich der tropischen Tropopausenregion gewonnen werden. Die Tropen sind von besonderer Bedeutung für den stratosphärischen Transport, unter anderem da hier der Haupteintrag von troposphärischer Luft in die Stratosphäre stattfindet. Der Untersuchung des antarktischen Polarwirbels in der Phase des maximalen Ozonabbaus war die Messkampagne APE-GAIA ("Airborne Polar Experiment - Geophysica Aircraft in Antarctica") gewidmet, die im September und Oktober in Ushuaia/Argentinien stattfand. Als südlichste Stadt der Erde bietet Ushuaia die beste geographische Lage, um den stratosphärischen Polarwirbel mittels Flugzeugmessungen zu untersuchen. HAGAR arbeitete zuverlässig während aller wissenschaftlichen Flüge und einem Testflug in Ushuaia. Zusätzlich konnte während sechs Transferflugetappen zwischen Sevilla und Ushuaia zumindest für einen Teil der Substanzen Daten aufgezeichnet werden. Insgesamt liegen für etwa 60 Flugstunden Daten vor, darunter auch erstmals ein hochaufgelöstes Vertikalprofil im Polarwirbel, dass von über 20 km Höhe bis hinunter zur Tropopausenregion reicht. Für ein neu entwickeltes Messinstrument wie HAGAR ist eine Validierung der Daten sehr wichtig. Da eine direkte Validierung durch parallele Messungen nicht möglich war, musste auf ältere, vergleichbare Datensätze zurückgegriffen werden, die anhand des troposphärischen Trends korrigiert wurden. Als Vergleich dienten Datensätze der in-situ-Gaschromatographen GhOST und ACATS, der kryogenen Luftprobensammler und des CO 2 -Instrumentes der Harvard University. Dabei zeigte sich stets eine gute bis sehr gute quantitative Übereinstimmung der Daten. Auch die Präzision der Messungen, die bereits endgültig ausgewertet wurden, sind sehr zufriedenstellend und zumindest vergleichbar mit denen von "etablierten" Instrumenten. So war die Präzision für N 2 O, F12 und F11 zumeist deutlich besser als 1 %. Für CO 2 konnte die Präzision für APE-GAIA auf 0,15 ppm bzw. 0,05 % verbessert werden. Die Präzision der vorläufigen Daten von Halon-1211 und SF 6 beträgt bisher etwa 5 %. Der im Jahre 1999 von HAGAR aufgenommene Datensatz bietet umfangreiche Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Analyse. Nur exemplarisch sind daher die Punkte zu sehen, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Das mittlere Alter der Luft kann als die Zeit beschrieben werden, die die Bestandteile eines Luftpakets im Mittel benötigten, um von der tropischen Tropopausenregion an seine aktuelle Position in der Stratosphäre zu gelangen. Zur Bestimmung des mittleren Alters der Luft werden Messungen von Spurengasen verwendet, die in der Stratosphäre konservativ sind und deren troposphärisches Hintergrundmischungsverhältnis einen zeitlich linear ansteigenden Trend aufweist ("Alterstracer"). HAGAR ist in der Lage, die Mischungsverhältnisse der beiden gebräuchlichsten Alterstracer CO 2 und SF 6 zu messen. Das Alterskonzept bietet eine einfach zu bestimmende Kenngröße für den stratosphärischen Transport, die im Gegensatz zu Mischungsverhältnissen direkt mit Messungen, die zu anderen Zeitpunkten gewonnen wurden, vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die erreichbare Genauigkeit der Altersbestimmung nicht von der Messgenauigkeit von CO 2 und SF 6 limitiert ist, sondern von der Abweichung der troposphärischen Trends vom (zeitlich linear ansteigenden) Ideal. Insbesondere im Fall von CO 2 wird dies deutlich, wobei die von HAGAR erreichte Messgenauigkeit für eine maximale Unsicherheit in der Altersbestimmung von ca. zwei Monaten ausreichen würde. Neben den saisonalen Schwankungen, die in mittleren Breiten ab ca. 16 km Höhe keine Rolle mehr spielen, sorgen vor allem die jährlichen Schwankungen dafür, dass die Altersbestimmung mit CO 2 momentan kaum besser als mit einem Fehler von etwa 0,7 Jahren durchgeführt werden kann. In den Tropen kann die Messung des CO 2 -Mischungsverhältnisses nicht direkt zur Altersbestimmung herangezogen werden. Durch die starke Vertikalbewegung in den Tropen kann das saisonale CO 2 -Signal im Vertikalprofil beobachtet werden. HAGAR konnte solche Profile während zweier Jahreszeiten (Februar/März bzw. Mitte September) aufzeichnen. Die Tropen sind in der Stratosphäre durch sogenannte Mischbarrieren für den horizontalen Transport gegenüber den mittleren Breiten abgegrenzt. Dies zeigt sich unter anderem in veränderten Tracer-Tracer-Korrelationen. Gealterte Luft aus den mittleren Breiten, die groÿteils bereits einmal die groÿräumige Brewer-Dobson-Zirkulation durchlaufen hat, wird jedoch zu einem geringen Maße erneut in den Bereich der tropischen Aufwärtsströmung eingemischt. Für die Gesamtverweilzeit von langlebigen Spurengasen in der Stratosphäre ist diese Einmischung von besonderer Bedeutung. Während nahezu aller Flüge von APE-THESEO (1° N - 19° S) ergaben die HAGAR- Daten eine kompakte F11-N 2 O-Korrelation; beim letzten Flug, der nur bis 15° S führte, ergaben sich jedoch Datenpunkte, die eher zu einer Korrelation passen, die aus mittleren Breiten bekannt ist. Es ist noch im Detail zu klären, ob hier möglicherweise direkt ein Einmischungsereignis beobachtet wurde. Auch der Polarwirbel ist im Winter von einer effektiven Transportbarriere umgeben. Hier ist eine wichtige Frage, inwieweit Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten vordringen und dort die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändern kann. Dieser Luftmassenaustausch findet häufig in Form von sogenannten Filamenten statt, Luftmassen also, die vom Wirbel abgetrennt wurden und sich nun immer länger gezogen vom Wirbelrand wegbewegen. Hochaufgelöste Tracermessungen, wie sie mit HAGAR durch- geführt werden, stellen eine ideales Werkzeug zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abläufe dar. So konnten zahlreiche Strukturen innerhalb und außerhalb des Wirbels untersucht werden, deren Tracermischungsverhältnis darauf hinwies, dass sie jeweils von der anderen Seite des Wirbelrandes stammten. Dabei konnten keine signifikanten Strukturen beobachtet werden, die eine geringere horizontale Ausdehnung als 50 km hatten. Mit dem Ende der vorliegenden Arbeit ist weder die Entwicklung des Instrumentes noch die Interpretation des 1999 gewonnenen Datensatzes abgeschlossen. So ist neben einer neuen Datenerfassung für Temperaturen auch eine Erweiterung von Kanal 1 des Gaschromatographen in Planung. Neben SF 6 soll in Zukunft auch noch CH 4 mit einer Zeitauflösung von etwa 90 s gemessen werden. Zudem soll mit einer verbesserten Druckregelung für den Kessel die Präzision insbesondere der CO 2 -Messungen optimiert werden. Die Präzision der Daten von Halon-1211 sowie SF 6 sind mit 5 % bisher nicht zufriedenstellend. Grund hierfür ist letzlich die Tatsache, dass das Signal-Rausch-Verhältnis für diese beiden Substanzen aufgrund ihrer geringen Mischungsverhältnisse von nur einigen ppt in der Stratosphäre sehr schlecht ist. Aus diesem Grunde wurde eine neue Auswertemethode entwickelt und innerhalb des Softwarepakets zur Datenauswertung (NOAH-Chrom) realisiert. Bei dieser Methode werden die Peaks durch Gauß-Funktionen angenähert. Erste Tests verliefen vielversprechend, zeigen jedoch, dass der Einsatz der Methode noch eine Menge Detailarbeit erfordert. Aus diesem Grunde steht eine vollständige Auswertung des HAGAR-Datensatzes für diese beide Substanzen noch aus; die Methodik ist jedoch im Anhang erläutert. Die in dieser Arbeit dargestellten Analysen sollten als Wegweiser für weitere Untersuchungen und Diskussionen dienen können. So wird insbesondere die Diskussion um die Altersbestimmung wieder aufgenommen werden müssen, wenn sowohl endgültige SF 6 -Daten von HAGAR als auch neue Daten über den aktuellen troposphärischen Trend von SF 6 aus dem NOAA/CMDL- Netzwerk vorliegen. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Untersuchung der Mischung über den Rand des Polarwirbels hinweg bilden, wobei sich insbesondere die Frage nach der Höhenabhängigkeit der Mischung stellt. Hier sind insbesondere auch Modellstudien möglich, denen mit den HAGAR-Daten eine weit präzisere und vor allem höher aufgelöste Eingangsdatenbasis zur Verfügung steht, als sie etwa aus Satellitendaten gewonnen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei ein Phänomen, das in den HAGAR-Daten, aber auch bereits in einem Datensatz der ER-2 von 1994 zu beobachten ist: So weicht die F11-N 2 O-Korrelation im Bereich des Polarwirbels für F11-Mischungsverhältnisse zwischen 40 ppb und 170 ppb nach unten von der normalen, aus mittleren Breiten bekannten Korrelation ab (vgl. Abbildung 7.5 auf Seite 142). Dies ist möglicherweise auf noch nicht vollständig verstandene Mischungsprozesse zurückzuführen. In jedem Falle ist damit zu rechnen, dass der im Jahre 1999 von HA-GAR an Bord der Geophysica aufgezeichnete umfangreiche Datensatz weitere Schritte hin zu einem differenzierteren Verständnis des stratosphärischen Transportes einleiten wird.
Diese Arbeit beschreibt Entwürfe zur Anwendung einer nicht-interpolierenden Advektionsmethode in numerischen Wettervorhersagemodellen. Es wird an verschiedenen Beispielen dargestellt, in welcher Weise eine solche nicht-interpolierende Methode anstelle von herkömmlichen Differenzen- oder interpolierenden Lagrangeschen Verfahren einsetzbar ist. Die in der meteorologischen Modellierung neuartige nicht-interpolierende Advektionsmethode verwendet das Partikel-Lagrangesche Konzept von Steppeler (1990a), das die Verlagerung von atmosphärischen Größen mittels Partikeln berechnet, wobei die Partikeln als Luftpakete zu verstehen sind, die sich entlang der Trajektorien bewegen und dabei den Wert der prognostischen Größen erhalten. Diese Eigenschaft der Methode kommt vor allem dann zum Tragen, wenn die Verteilung der prognostischen Größen durch Sprungfunktionen beschrieben wird, da Näherungsfehler der bislang verwendeten Methoden, wie Oszillation und Glättung, an solchen Gradienten verstärkt auftreten. Die Untersuchung der Genauigkeit und Anwendbarkeit der nicht-interpolierenden Partikel-Lagrangeschen Methode findet durch Modellstudien statt. Die Methode selbst wird am Beispiel verschiedener Anfangswert-Aufgaben für ein dichtekonstantes barotropes Flachwasser-System beschrieben, gefolgt von der Nachbildung von zwei Ausbreitungsszenarien für chemisch träge Stoffe in einer hydrostatischen Modellatmosphäre, sowie des trocken- und feuchtadiabatischen Aufstiegs einer warmen Luftblase unter nicht- hydrostatischen Bedingungen. Im Hinblick auf numerische Fehler wird gefordert, daß die numerische Lösung monoton bleibt, wobei unter Monotonität ein oszillationsfreier Verlauf der Lösung verstanden wird. Mittels Vergleich zwischen den numerischen Lösungen wird festgestellt, daß die Genauigkeit der nicht-interpolierenden numerischen Lösung mit Ausnahme einer Anfangswert-Aufgabe gleich oder höher ist als bei den mit herkömmlichen Methoden erzielten Resultaten. Eine herausragende Steigerung der Genauigkeit ist dann zu beobachten, wenn die Advektion im Vergleich zu anderen Prozessen eine viel stärkere Rolle spielt, wie z.B. im Falle der Konvektion in trockener Atmosphäre.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der Rolle des RO x bei der troposphärischen Ozonbildung. Troposphärisches Ozon (O 3 ) spielt eine wichtige Rolle bei der Selbstreinigung der Atmosphäre. Andererseits führen erhöhte Ozonkonzentrationen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen beim Menschen und Schäden an Pflanzen und Umwelt. Die Anwesenheit von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) führt zur Bildung von Peroxyradikalen (RO x ), die das normale photochemische Gleichgewicht zwischen Ozon und Stickoxiden zu Gunsten erhöhter OzonKonzentrationen verschieben. Im Rahmen der Arbeit wurde ein chemischer Verstärker zur Messung der GesamtPeroxyradikalkonzentration gebaut. RO x reagiert im Einlass des Gerätes mit hinzugefügtem NO und CO in einer Kettenreaktion und bildet dabei NO 2 . Dieses wird mit einem Luminoldetektor nachgewiesen. Der Detektor wird alle 2 Stunden kalibriert. Die Kettenlänge wird durch eine Kalibrierung des Gerätes mit HO 2 Radikalen bestimmt, die durch die Photolyse von H 2 O gebildet werden. Der Verstärkungsfaktor wurde in Bezug auf eine Querempfindlichkeit gegen Wasserdampf korrigiert. Die Messgenauigkeit ist etwa 70% bei 60% relativer Feuchte. Messungen am Taunus Observatorium auf dem Kleinen Feldberg in den Sommermonaten der beiden Jahre 1998 und 1999 werden vorgestellt. Die Ozon und RO x Konzentrationen sind gut miteinander korreliert. Allerdings ist die Tagestemperatur die für die Ozon und RO x Konzentrationen bei weitem wichtigste Einflussgröße und ist daher der beste Parameter zur statistischen Beschreibung von photochemischen Vorgängen. Auf der Grundlage der Messungen am Kleinen Feldberg wurde ein einfaches statistisches Modell zur Vorhersage des Ozonmaximums erstellt. Mit den Parametern Temperatur und Ozonkonzentration am Vortag konnte das statistische Modell bereits 80% der Variation der Ozonkonzentration erklären. Durch die Berücksichtigung der RO x Messungen am Vormittag konnte lediglich eine Verbesserung der erklärten Varianz um 0.5% erzielt werden. Um einen Hinweis auf den Einfluss anthropogener Emissionen zu bekommen, wurde der Wochengang von Ozon, RO x und NO x ebenfalls untersucht. Die Zunahme des Ozonmischungsverhältnisses am Wochenende bei gleichzeitigem Rückgang des Mischungsverhältnisses der Stickoxide wird damit erklärt, dass am Kleinen Feldberg eine VOClimitierte Situation vorgefunden wurde. Die Ozonbildungsrate auf Basis der Reaktion zwischen RO x und NO wurde für Tage mit einem Maximum der Globalstrahlung über 600 W m tdatensatz niedrig (r = 0,46). Die beobachtete Änderung des Ozonmischungsverhältnisses wurde mit dem berechneten mittleren Tagesgang der Ozonbildungsrate verglichen. Die Ozonbildungsrate lag um die Mittagszeit bei etwa 5 ppbv h Verlustprozesse zu erklären. Am Abend werden etwa 2 ppbv O 3 pro Stunde abgebaut. Im Rahmen einer Messkampagne im Juni/Juli 2000 am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg fanden Messungen der Konzentrationen von RO x , OH, einer Reihe von VOCs, und anderen relevanten Spurengasen statt. Die Messdaten werden mit Hilfe eines auf der Annahme des lokalen photostationären Gleichgewichts der Radikale basierenden Modells interpretiert. Die Modellergebnisse stimmten sehr gut mit den Messungen überein. Die Überschätzung der Konzentration an 2 Tagen wurde durch den Einfluss sauerstoffhaltiger VOCs erklärt. Das '' Recycling" der HO 2 Radikale (die Reaktion zwischen HO 2 und NO) ist die wichtigste Quelle für OH und die wichtigste Senke für RO x . Durch die erhöhte NOKonzentration am Vormittag wird HO 2 sehr schnell in OH umgewandelt, das wiederum für die VOCOxidation und RO x Bildung verantwortlich ist. Die wichtigste OHSenke und RO x Quelle ist die Oxidation von Isopren und den Terpenen. Um die Rolle der photochemischen Ozonbildung auf regionaler Skala zu untersuchen, wurden Ozonmessungen aus ganz Deutschland auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen statistisch untersucht. Die Netto Änderungsrate der Ozonkonzentration war tagsüber an 3 nahe zusammenliegenden Stationen sehr ähnlich. Die OzonMessdaten von 277 deutschen Messstationen wurden mit den an einer Waldmessstelle nahe Königstein gemessenen Ozonwerten korreliert. Die Ozonmessungen in Königstein erklären 50% der Varianz der sommerlichen Ozonmessungen zwischen 11:00 und 16:00 MEZ an Stationen, die in einem Umkreis von etwa 250 km von Königstein liegen. Auf das ganze Jahr bezogen, liegt diese ''charakteristische Entfernung" bei etwa 350 km. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Prozesse, die einen wichtigen Einfluss auf die Ozonkonzentration ausüben, auf regionalen Skalen von einigen hundert Kilometern aktiv sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gemessenen RO x Konzentrationen mit den aufgrund der Oxidation der VOCs durch OH berechneten Konzentrationen konsistent sind. Obwohl die RO x Konzentationen für die chemische Modellierung von Bedeutung sind, tragen RO x Messungen nur wenig zu einer Verbesserung der Qualität von kurzfristigen statistischen Ozonprognosen bei. Keywords: Ozone, Troposphere, Peroxy Radicals, Free Radicals, Photochemistry, Chemical Amplifier
In der hier vorliegenden Arbeit wurde der troposphärische Kreislauf von Carbonylsulfid (COS) untersucht. COS ist ein Quellgas des stratosphärischen SulfatAerosols, das die Strahlungsbilanz beeinflussen und den chemischen Abbau des stratosphärischen Ozons beschleunigen kann. Trotz zahlreicher Studien sind die Quellen und Senken des atmosphärischen COS bisher nur unzulänglich quantifiziert. Insbesondere bestehen große Unsicherheiten in den Abschätzungen der Beiträge des Ozeans und der anthropogenen Quellen, sowie der Senkenstärke der Landvegetation. Schiffs und flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen COS ergaben kein einheitliches interhemisphärisches Verhältnis (IHR=MNH /M SH ). Während die Messungen von Bingemer et al. (1990), StaubesDiederich (1992) und Johnson et al. (1993) ein IHR zwischen 1.10 und 1.25 zeigten, fanden die Messungen von Torres et al. (1980), StaubesDiederich (1992), Weiss et al. (1995) und Thornton et al. (1996) keinen oder nur einen geringfügigen N/SGradienten. Die Untersuchung von Chin und Davis (1993) zeigt ein N/SVerhältnis der COS Quellstärke von 2.3, das hauptsächlich auf die stärkeren anthropogenen Quellen auf der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Es ist unklar, ob der zeitweilige Konzentrationsüberschuß der Nordhemisphäre Zeichen anthropogener Quellen dort oder Teil eines durch die Senkenfunktion der Landpflanzen verursachten saisonalen Signals ist. Die Konsistenz der Breitenverteilung des COSMischungsverhältnisses mit den geographischen bzw. saisonalen Variationen der COSQuellen und Senken muß überprüft werden. Dazu werden genaue Kenntnissen der Quell und Senkenstärken des atmosphärischen COS und ihrer raumzeitlichen Variabilität benötigt. Vor dem obigen Hintergrund ergeben sich als Schwerpunkte dieser Arbeit: (1) der Austausch von COS zwischen Atmosphäre und Ozean sowie (2) zwischen Atmosphäre und terrestrischer Vegetation und (3) die raumzeitliche Variabilität des atmosphärischen COS. Zur Untersuchung des Austausches von COS zwischen Atmosphäre und Ozean wurde das KonzentrationsUngleichgewicht von COS zwischen Ozean und Atmosphäre durch Messungen des COS im Seewasser und in der Meeresluft ermittelt und die resultierenden Austauschflüsse mit einem Modell berechnet. Die Messungen fanden an Bord des Forschungsschiffs Polarstern während der Fahrten ANT/XV1 (15.10.6.11.1997, BremerhavenKapstadt) und ANT /XV5 (26.5.6.20.1998, KapstadtBremerhaven) statt. Die Konzentration des gelösten COS und das Sättigungsverhältnis von COS zwischen Ozean und Atmosphäre zeigen ausgeprägte Tagesgänge und saisonale und geographische Variationen. Die mittlere Konzentration von COS im Seewasser beträgt 14.7 pmol L -1 für die HerbstFahrt bzw. 18.1 pmol L -1 für die SommerFahrt. Höchste COSKonzentrationen werden in der jeweiligen SommerHemisphäre und in Gebieten mit hoher biologischer Produktivität beobachtet, d.h. im BenguelaStrom im November, im NordostAtlantik im Juni und in den Auftriebgebieten vor Westafrika im Oktober bzw. Juni. In den übrigen Gebieten sind die Konzentrationen um eine Größenordnung niedriger. Die Konzentration von COS im Seewasser steigt frühmorgens von ihrem tiefsten Stand an. Um ca. 15 Uhr Ortszeit erreicht sie ihr Maximum, danach nimmt sie ab. Der Tagesgang unterstützt die Theorie, daß COS im Seewasser photochemisch produziert wird. Während der Tagesstunden wird eine Übersättigung des offenen Ozean für COS gefunden. Dagegen ist eine Untersättigung des Ozeans in den späten Nachtstunden zu beobachten. Der Ozean wirkt in den Tagesstunden als COSQuelle, in der späten Nacht als COSSenke. Die Untersättigung tritt sogar im Sommer in produktiven Meeresgebieten regelmäßig auf. Eine Konsequenz dieser Beobachtung ist die weitere Reduzierung der ozeanischen Quelle von COS gegenüber bisher publizierten Abschätzungen. Methylmercaptan (CH 3 SH) ist in allen Seewasserproben zu beobachten. Der Tagesmittelwert der CH 3 SHKonzentration variiert zwischen 29 und 303 pm L -1 und ist 316 fach größer als der der COSKonzentration. Der Tagesgang der CH 3 SHKonzentration zeigt ein Minimum um die Mittagszeit. Die Tagesmittel der CH 3 SH und COSKonzentrationen sind signifikant miteinander korreliert. Diese Daten liefern den Beweis dafür, daß CH 3 SH eine der wichtigen Vorgängersubstanzen von COS ist. Die Regressionslinie der Korrelation zwischen den mittleren COS und CH 3 SHKonzentrationen weist nur einen geringfügigen Achsenabschnitt auf. Somit kann die CH 3 SHKonzentration als ein Indikator der Konzentration von COSVorgängern benutzt werden. Es besteht außerdem eine Korrelation zwischen der CH 3 SHKonzentration und dem Logarithmus der Konzentration des gelösten Chlorophyll a. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß der Gehalt von CH 3 SH im Seewasser eine enge Beziehung zur marinen Primärproduktion hat. COS wird im Seewasser durch Hydrolyse abgebaut. Die Abbaurate hängt von der Temperatur des Seewassers ab. Je wärmer das Seewasser ist, desto schneller wird COS abgebaut, und um so kürzer ist die Lebenszeit von COS im Seewasser. Die Lebenszeit kann einerseits durch das ReaktionsgeschwindigkeitsGesetz von Arrhenius berechnet werden, andererseits läßt sie sich durch exponentielle Anpassung an den nächtlichen Konzentrationsverlauf (d.h. bei Abwesenheit von Photoproduktion) abschätzen. Eine solche Anpassung des exponentiellen Abklingens wurde anhand von dicht gestaffelten Messungen während einiger Nächte vorgenommen. Die gefitteten Lebenszeiten stimmen mit den theoretischen Werten gut überein, obwohl die gefittete Lebenszeit neben Hydrolyse noch von anderen Prozessen (z.B. Transport nach unten, AirSeaAustausch, usw.) beeinflußt wird. Diese gute Übereinstimmung unterstützt die Aussage, daß die Hydrolyse eine bedeutende Rolle beim Abbau von COS im Seewasser spielt. Die berechnete HydrolyseLebenszeit ist mit dem Tagesmittel der COSKonzentration korreliert. Da die Tagesmittelwerte sowohl zeitliche wie auch räumliche Mittelwerte der COSKonzentrationen darstellen, zeigt diese Korrelation, daß Hydrolyse eine bedeutende Rolle in der raumzeitlichen Variabilität der COSKonzentration einnimmt. Da die Konzentration des gelösten COS von mehreren Faktoren abhängig ist, scheint eine multivariable Betrachtung sinnvoll. Hierfür wurde eine "Multiple Linear Regression Analysis'' (MLRA) ausgeführt. Diese Analyse ergibt ein empirisches Modell der folgenden Form für die Berechnung des Tagesmittels der COSKonzentration: [COS] = 1.8# 13log[Chl] - 1.5W s 0.057G - 0.73, mit [COS] = mittlere Konzentration von COS in pmol L -1 # = HydrolyseLebenszeit in Stunde [Chl] = mittlere Konzentration von Chlorophyll a in mg m -3 W s = Windgeschwindigkeit in m s -1 G = Intensität der Globalstrahlung in W m -2 . Die Parameter auf der rechten Seite der Gleichung können direkt oder indirekt von Satelliten aus gemessen werden, deshalb kann dieses Modell für die Abschätzung der Konzentration von COS im Seewasser anhand von Satelliten Daten verwendet werden. Das empirische Modell soll noch durch weitere Messungen bestätigt bzw. verbessert werden. Der Austauschfluß von COS zwischen der Atmosphäre und dem offenen Ozean wurde mit dem AirSeaFlußModell von Liss and Slater (1974) zusammen mit dem Modell von Erickson (1993) f
Die Chemie und der Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre werden durch die nur in relativ geringen Konzentrationen vorhandenen Spurengase und Aerosolpartikel beherrscht. Mit den zunehmenden anthropogenen Emissionen von atmosphärischen Spurengasen, verursacht durch die wachsende Weltbevölkerung und die zunehmende Industrialisierung, wurde in den letzten Dekaden ein globaler Wandel bei der Zusammensetzung der Erdatmosphäre festgestellt: Konzentrationen von atmosphärischen Spurenstoffen verändern sich nicht mehr auf vergleichsweise langsamen geologischen Zeitskalen, sondern mit viel höheren Geschwindigkeiten, in einzelnen Fällen von bis zu einem Prozent pro Jahr. Die wohl bekanntesten Folgen dieser Veränderungen sind die globale Erwärmung durch die ansteigenden Emissionen von Treibhausgasen und der mit dem antarktischen 'Ozonloch" entdeckte drastische Ozonverlust in der Stratosphäre durch anthropogene Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Verteilung der für Ozonchemie und Klima relevanten Spurengase in der Atmosphäre hängt dabei nicht nur von der Verteilung ihrer Quellen und Senken ab, sondern wird maßgeblich durch verschiedene Transportprozesse beeinflußt. Der Austausch zwischen der mit anthropogenen Emissionen belasteten Troposphäre und den höheren Atmosphärenschichten Stratosphäre und Mesosphäre spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Rahmen der Dissertation wurde zum besseren Verständnis von Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen die Verteilung von langlebigen Spurengasen in den beiden atmosphärischen Kompartimenten Troposphäre und Stratosphäre untersucht. Dazu wurde bei einer Meßkampagne im Sommer 1998 im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes STREAM 98 der flugzeuggetragene Gaschromatograph GhOST (Gas chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) an Bord einer Cessna Citation II der TU Delft in Höhen bis 13 km eingesetzt. Dabei konnten bei zwanzig Meß- und Transferflügen über Kanada, dem Atlantik und Westeuropa umfangreiche Messungen der langlebigen Spurengase N20, F11 und F12 in der oberen Troposphäre und der Untersten Stratosphäre durchgeführt werden. Unter Flugbedingungen wurde mit GhOST während der Kampagne eine Reproduzierbarkeit (1 o) von besser als 0,6 % und eine absolute Genauigkeit von besser als 2 % für alle nachgewiesenen Spurengase erreicht. Diese hohe Meßpräzision konnte durch zahlreiche Vergleichsmessungen mit anderen Meßgeräten und Meßverfahren - im Flugbetrieb und im Labor sichergestellt werden; die Linearität des Geräts wurde zudem mit Hilfe einer barometrisch hergestellten Verdünnungsreihe untersucht. Die mit GhOST bei STREAM 98 gewonnenen Meßwerte wurden zusammen mit Messungen und Modelldaten der am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen zur Untersuchung von Spurengasverteilungen und Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen herangezogen. Untersucht wurden dabei unter anderem die Verteilung und Variabilität von N20, F11 und F12 in der Troposphäre und in der Untersten Stratosphäre der mittleren Breiten, Austausch- und Mischungsprozesse in der Tropopausenregion und die Variabilität von Tracer/Tracer-Korrelationen in der Untersten Stratosphäre. Aufbauend auf den Erfahrungen bei STREAM 98 wurde für das vom BMBF geförderte Projekt SPURT im Rahmen dieser Doktorarbeit der in-situ-Gaschromatograph GhOST II entwickelt. Unter Beibehaltung der gaschromatographischen Komponenten von GhOST wurden zur Messung der Spurengase SF6 und CO zwei zusätzliche Detektoren integriert und zahlreiche technische Verbesserungen durchgeführt. Für die vollautomatische rechnergestützte Elektronik zur Steuerung des neuen Gerätes wurden zusammen mit der institutseigenen Elektronikwerkstatt verschiedene Baugruppen zur Signalführung und -verarbeitung, zur Temperaturmessung und zur Ansteuerung von Leistungskomponenten entwickelt. Während einer Testkampagne im April 2001 wurde GhOST II erfolgreich mechanisch und elektrisch auf einem Learjet 35A integriert und kam bei zwei Meßflügen der Meßkampagne SPURT 1 im November 2001 zum Einsatz.
Aerosolpartikel sind in der Atmosphäre insbesondere für die Strahlungsübertragung und die Wolkenbildung von wichtiger Bedeutung. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer, der Variabilität ihrer Quellen und Senken und ihrer Einbindung in den atmosphärischen Wasserkreislauf sind Partikel in allen ihren Eigenschaften sehr veränderlich. Die Zusammenhänge dieser Variabilität mit den meteorologischen Bedingungen und ihre Auswirkungen in der meteorologischen Anwendung sind bisher nur ungenügend durch Meßdaten belegt, so daß die Ergebnisse von Modellen, in denen die meteorologischen Wirkungen von Partikeln berücksichtigt werden (z.B. Klimamodelle), mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage von Messungen einen Beitrag zur Charakterisierung der bodennahen troposphärischen Aerosolpartikel zu leisten. Im Hinblick auf die meteorologischen Anwendungen wurden die chemische Zusammensetzung und die Masse der Partikel in Abhängigkeit von ihrer Größe gemessen, da sie wesentliche Einflußgrößen für die Strahlungswirkung von Partikeln und die Wasserdampfkondensation in der Atmosphäre sind. Auf der Basis eines Datensatzes der physikalisch-chemischen Partikeleigenschaften und meteorologischer Meßgrößen wurde zunächst die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und ihrer Variabilität von den meteorologischen Umgebungsbedingungen analysiert sowie die Bedeutung der Variabilität der Partikeleigenschaften in der meteorologischen Anwendung untersucht. Dazu wurden Absorptionskoeffizienten der Partikel und Erwärmungsraten durch Absorption solarer Strahlung durch Partikel sowie das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung berechnet. Die Messungen fanden während fünf drei- bis achtwöchiger Meßkampagnen 1991, 1993 und 1994 in Melpitz bei Torgau (Sachsen) und 1993 und 1994 auf dem Hohen Peißenberg (Oberbayern) statt. Mit einem Berner-Impaktor wurden die Partikel gesammelt. Es wurden die Konzentrationen der Gesamtmasse der Partikel sowie der Ionen in Abhängigkeit von ihrer Größe bestimmt. Die Rußkonzentrationen wurden mit einem Aethalometer gemessen. Parallel zu den Partikelmessungen fanden Messungen von Temperatur, relativer Feuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Globalstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung statt. Die Messungen liefern folgende Ergebnisse: Bei allen Messungen waren Nitrat, Sulfat und Ammonium die Hauptkomponenten der kleinen Partikel, und die Massenkonzentrationen der kleinen Partikel (0,04 µm < aed < 1,72 µm) waren wesentlich größer als die der großen Partikel (1,72 µm < aed < 21µm). Die Partikel sind also überwiegend anthropogener Herkunft. Die großen Partikel enthielten zusätzlich Natrium und Kalzium, lediglich bei einzelnen Messungen in Melpitz wurde auch Chlorid als Hinweis auf Seesalzpartikel gefunden. Die Massenkonzentrationen aller Partikelbestandteile waren in Melpitz in der Regel etwas größer als auf dem Hohen Peißenberg, da die Partikelkonzentrationen mit zunehmender Höhe abnehmen und da Melpitz näher an Ballungsräumen liegt als der Hohe Peißenberg. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Meßkampagnen an einem Ort sind jedoch größer als die zwischen den beiden Orten. Die Variabilität sowohl der Massenkonzentrationen der Partikelbestandteile als auch der Gesamtmasse liegt im Bereich von zwei Größenordnungen und ist damit wesentlich größer als die Unterschiede zwischen den Meßkampagnen. Der mittlere Anteil der löslichen Masse an der Gesamtmasse beträgt für die kleinen Partikel 57 %, für die großen 30 %. Dieser Anteil variiert sehr stark (10-100 % bzw. 5-80 %). Ruß hat einen mittleren Anteil von 5 % an der Gesamtmasse (1-18 %). Wesentliche Parameter, die zu Veränderungen der Partikeleigenschaften führen, sind: - Luftmassen unterschiedlicher Herkunft und Geschichte - Veränderungen der Mächtigkeit und Struktur der atmosphärischen Grenzschicht - Emissionen lokaler Quellen - lokale meteorologische Parameter (Temperatur, Windrichtung, -geschwindigkeit) Die unterschiedliche Häufigkeit und Ausprägung dieser Einflußfaktoren führt zu Unterschieden zwischen den Ergebnissen der einzelnen Meßkampagnen. Die einzelnen Faktoren sind nicht voneinander unabhängig, da durch die großräumige Wettersituation und die Luftmassen die Ausprägung der lokalen Parameter bestimmt wird. Um eine Zusammenfassung von Messungen unter vergleichbaren meteorologischen Bedingungen zu erreichen, wurde eine Klassifikation der Daten auf der Basis von Rückwärtstrajektorien vorgenommen. Es wurden fünf Klassen unterschieden: vier Klassen umfassen Richtungssektoren mit jeweils 90 ° um die Haupthimmelsrichtungen (Nord, Ost, Süd, West), einer fünften (X) werden kurze Trajektorien zugeordnet. Dieser Ansatz wurde gewählt, weil ähnliche Luftmassen und damit meteorologische Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte, Stabilität und Luftbeimengungen meistens durch ähnliche Trajektorien gekennzeichnet sind, die eine Aussage über die Herkunft und den Weg der Luft ermöglichen, die wiederum für die Ausprägung der Partikeleigenschaften maßgeblich sind. Eine weitere Unterteilung nach Tageszeiten (morgens, mittags, abends) wurde vorgenommen, da einige Meßgrößen deutliche Tagesgänge zeigten. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Klassifikation der meteorologischen Meßgrößen liefert sowohl im Hinblick auf die Charakterisitika der Trajektorienklassen (Herkunft der Luft) als auch für die Tagesgänge meteorologisch sinnvolle Ergebnisse. Die Lage der Stationen in einer Ebene und auf einem Berg führt zu einer unterschiedlichen Ausprägung von Tagesgängen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit besonders während stabiler Hochdruckwetterlagen. Es zeigt sich, daß bedingt durch die Entwicklung der Grenzschicht auf dem Hohen Peißenberg vor allem bei Hochdruckwetterlagen im Tagesverlauf in zwei verschiedenen Atmosphärenschichten gemessen wird. Die starke Streuung der lokalen Windrichtungen innerhalb einer Trajektorienklasse führt dazu, daß der Einfluß lokaler bzw. regionaler Quellen durch die Klassifikation nur bedingt erfaßt wird, und liefert einen Hinweis auf die lokale Wetterlage. Die Klassifikation der Partikelmeßdaten liefert meteorologisch sinnvolle Ergebnisse, da die Konzentrationsunterschiede zwischen den einzelnen Klassen mit der Wetterlage und dem Einfluß regionaler Quellen zu begründen waren. Die Absolutwerte ließen sich allerdings nicht vergleichen, und es wurden im Detail meßkampagnenspezifische Begründungen gefunden. Es ergab sich jedoch für alle Meßkampagnen die Unterteilung in Klassen mit antizyklonalen Wetterlagen und kontinentaler Luft mit hohen Konzentrationen (Klassen Ost, Süd, West) und zyklonalen Wetterlagen und maritimer Luft mit geringeren Konzentrationen (Klassen Nord, West). Abweichungen von dieser Einteilung waren vor allem mit der geographischen Lage der Meßorte zu begründen. Ausgeprägte Tagesgänge mit Maxima bei den Morgenmessungen ergaben sich nur für Nitrat, bei einigen Messungen auch für Chlorid in den kleinen Partikeln durch temperaturabhängige Gleichgewichtsreaktionen instabiler Partikelkomponenten mit der Gasphase sowie für Ruß durch die Anreicherung von Emissionen lokaler Quellen bei geringer Grenzschichthöhe. Während sich die mittleren absoluten Konzentrationen in den einzelnen Klassen erheblich unterscheiden, ist die mittlere relative chemische Zusammensetzung der Partikel in allen Klassen ähnlich; die Variabilität der Anteile ist aber ebenfalls sehr groß. Mit Ausnahme der Advektion von Seesalzpartikeln sowie der temperaturbedingten Verschiebung der Anteile von Nitrat und Sulfat, lassen sich Unterschiede zwischen den Klassen nicht mit den durch die Klassifikation erfaßten Einflußfaktoren oder geographischen Besonderheiten begründen. Durch die Klassifikation nimmt die Variabilität sowohl der meteorologischen Meßgrößen als auch der Partikeleigenschaften ab. Für die meteorologischen Meßgrößen verringert sich die Variabilität durch die Klassifikation nach Trajektorien weniger als durch die nach Tageszeiten, für die Konzentrationen der Partikelbestandteile und der Masse führt hingegen die Klassifikation nach Trajektorien zu einer größeren Verminderung der Variabilität als die nach Tageszeiten. Die Anwendung beider Klassifikationskriterien führt zu einer Abnahme der Variabilität um im Mittel 55 % für die meteorologischen Meßgrößen und um 50 % bzw. 25 % für die Konzentrationen der Bestandteile und der Masse der kleinen bzw. der großen Partikel. Die Variabilität der Werte in einer Klasse bleibt jedoch auch nach Klassifikation größer als Unterschiede zwischen den Klassen. Sie wird vor allem durch die spezifische meteorologische Situation bedingt. Um die Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften in meteorologischen Anwendungen abschätzen zu können, wurden aus den Meßdaten der Absorptionskoeffizient der Partikel und die daraus resultierenden Erwärmungsraten sowie das Partikelwachstum mit der relativen Feuchte berechnet und wie die Meßdaten klassifiziert. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Für die Absorptionskoeffizienten der trockenen Partikel wurden Werte zwischen 0,1·10-6/m und 97·10-6/m berechnet. Für die beiden Meßkampagnen im Herbst (Melpitz 1993 und 1994) ergaben sich etwa um den Faktor 2 größere mittlere Absorptionskoeffizienten als für die Meßkampagnen im Sommer, die maximalen Absorptionskoeffizienten waren in Melpitz aufgrund der starken lokalen Quellen um den Faktor 2-3 größer als auf dem Hohen Peißenberg. Für die maximalen Erwärmungsraten wurden Werte zwischen 0,003 und 0,128 K/h, für die Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode zwischen 0,02 K und 0,81 K berechnet. Die Partikel liefern in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen selbst während Meßkampagnen an zwei ländlichen Orten in Mitteleuropa einen vernachlässigbar geringen bis deutlichen Beitrag zum Strahlungsantrieb. In Melpitz waren sowohl die maximalen Erwärmungsraten als auch die Gesamterwärmung im Mittel um den Faktor 1,5 geringer als auf dem Hohen Peißenberg, da die maximalen Absorptionskoeffizienten zu einer Zeit bestimmt wurden, als das Strahlungsangebot noch gering war, während auf dem Hohen Peißenberg die Maxima von Absorptionskoeffizient und Strahlungsangebot zeitlich näher zusammenliegen. Die Klassifikation nach Rückwärtstrajektorien ergab deutliche Unterschiede (Faktor 3-5) zwischen den einzelnen Klassen, da in Klassen mit den höchsten Rußkonzentrationen auch das Strahlungsangebot am höchsten war und in Klassen mit niedrigen Rußkonzentrationen meistens starke Bewölkung vorherrschte. Zwischen maximaler Erwärmungsrate und Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode wird ein linearer Zusammenhang gefunden, der sich aber aufgrund der verschiedenen Tagesgänge des Absorptionskoeffizienten für die Meßkampagnen in Melpitz und auf dem Hohen Peißenberg unterscheidet. Sowohl für den exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung als auch für das Partikelwachstum bei fester relativer Feuchte ergeben sich im Mittel nur geringe Unterschiede zwischen kleinen und großen Partikeln sowie einzelnen Klassen durch die chemische Zusammensetzung des wasserlöslichen Anteils der Partikel. Unterschiede sind vielmehr durch den Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse bedingt. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung und dem Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse der Partikel. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen lassen sich nicht auf einzelne meteorologische oder geographische Einflußfaktoren zurückführen. Sowohl für die Absorption solarer Strahlung als auch für das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte ist die Variabilität der abgeleiteten Größen geringer als die der Ausgangsgrößen, sie ist aber immer noch mindestens so groß wie die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß in dieser Arbeit ein Datensatz aus Messungen von meteorologischen Parametern und Partikeleigenschaften zusammengestellt wurde, der zusammen mit der Klassifikationsmethode nach Rückwärtstrajektorien und Tageszeiten eine Untersuchung der Zusammenhänge zwischen der Variabilität der Meßgrößen und den meteorologischen Bedingungen ermöglicht und eine Abschätzung der Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften, insbesondere der chemischen Zusammensetzung, in meteorologischen Anwendungen zuläßt. Der Klassifikationsansatz nach Rückwärtstrajektorien ist prinzipiell geeignet, um die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften von den meteorologischen Bedingungen zu beschreiben. Es ist jedoch nicht möglich, einen Einflußfaktor als den wichtigsten hervorzuheben oder sogar quantitative Beziehungen zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Parametern herzustellen. Die Herkunft der Luft liefert einen Hinweis auf die zu erwartenden meteorologischen Bedingungen und Partikeleigenschaften, die lokale meteorologische Situation bestimmt jedoch die genaue Ausprägung der Meßgrößen. Eine Berücksichtigung des Einflusses der lokalen Wetterlage sowie lokaler bzw. regionaler Quellen könnte durch die Einbeziehung der Windrichtung vorgenommen werden. Auf der Basis längerer Meßreihen sollte überprüft werden, ob die Unterteilung in fünf Trajektorienklassen modifiziert werden muß. Der große Einfluß der spezifischen Wetterlage auf die Meßergebnisse führt dazu, daß die Ergebnisse von Meßkampagnen weder für einen längeren Zeitraum noch für ein größeres Gebiet repräsentativ sein können. Ebenso ist die Verwendung von Mittelwerten über längere Zeiträume ist nicht sinnvoll, da die Variabilität der Meßgrößen während eines Tages sowie von Tag zu Tag sehr groß ist. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Bedingungen erscheint es unbedingt nötig, längere Meßreihen aller wichtigen Aerosoleigenschaften durchzuführen, damit statistisch belastbare Daten über eine hinreichend große Zahl von Messungen unter verschiedensten meteorologischen Bedingungen zu allen Jahreszeiten vorliegen, die Aussagen über Zusammenhänge mit Witterungsbedingungen, Tagesgänge, Jahresgänge aber auch die Vertikalverteilung der Partikeleigenschaften zulassen. Dabei ist es wichtig, alle interessierenden Größen gleichzeitig zu messen, da nur dann eine Untersuchung des Einflusses der Variabilität verschiedener Parameter auf die für die Anwendung wichtigen Größen möglich ist.
Kontinuierlich hohe Stickstofffrachten der Elbe und weiterer Nordseezuflüsse haben die Internationale Nordseeschutzkonferenz (INK) Ende der 80er Jahre dazu veranlasst, eine 50%ige Reduzierung der N-Einträge in die Nordsee innerhalb von 10 Jahren zu beschließen. Diese Reduzierung wurde in diesem Zeitraum nicht erreicht. Für Oberflächengewässer wurde im Jahr 2001 zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie in Bundesdeutsches Recht von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt (UBA 2001d) eine Güteklassifikation für Nährstoffe erstellt, die einen Wert von 3 mg/l N für Oberflächengewässer festgelegt. Am Beispiel der mittleren Mulde, die kontinuierlich hohe Stickstoffkonzentrationen von durchschnittlich 6 mg N /l aufweist, wird deutlich, dass eine Reduzierung der N-Einträge zur Erzielung der geforderten Gewässergüte unabdingbar ist. Sowohl für die Meere als auch für die Oberflächengewässer ist eine Halbierung der N-Einträge eine umweltpolitische Notwendigkeit. Im Rahmen des Projektes „Gebietswasserhaushalt und Stoffhaushalt in der Lößregion des Elbegebietes als Grundlage für die Durchsetzung einer nachhaltigen Landnutzung“ wurden deshalb die Wasser- und Stickstoffflüsse im Einzugsgebiet der mittleren Mulde (2700 km²) flächendifferenziert erfasst, um die N-Eintragpfade zu quantifizieren und Maßnahmen zur Minderung der N-Frachten abzuleiten. ...
Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs
(2002)
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 546 ,,Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser" der Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs untersucht. Ausgewählt wurden verschiedene Vertreter der Stoffklassen Antioxidantien und Phosphorsäureester sowie die beiden Xenoöstrogene Bisphenol A und 4-Nonylphenol, denen eine endokrine (hormonähnliche) Wirkung auf Organismen zugeschrieben wird. Solche Umweltchemikalien werden seit ca. 40 Jahren in großen Mengen für verschiedene Zwecke in Industrie und Privathaushalten eingesetzt oder sie entstehen durch photochemischen oder mikrobiologischen Abbau unter Umweltbedingungen. Die Chemikalien gelangen durch Produktion und Verwendung in die Abwässer und werden durch Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer eingetragen. Durch den Prozess der Uferfiltration werden im Oderbruch organische Verbindungen von der Oder ins Grundwasser des angrenzenden Aquifers transportiert. Viele Umweltkontaminanten sind unter aeroben Bedingungen gut biologisch abbaubar. Wie sie sich aber in einer sauerstofffreien Umgebung verhalten, ist bis heute relativ unerforscht. Es ist notwendig, die Prozesse bei der Uferfiltration zu kennen, da heute zunehmend mehr Trinkwasser aus Uferfiltrat gewonnen wird und Umweltchemikalien somit eine potentielle Gefahr für die Trinkwasserversorgung darstellen. Eine zweite Eintragsquelle stellen die Niederschläge dar. Viele organische Verbindungen besitzen die Fähigkeit, aufgrund ihrer physikalischen Paramter von freien Wasser- und Bodenoberflächen oder aus den Produkten, in denen sie enthalten sind, in die Atmosphäre zu verdampfen. Über den Regen gelangen sie schließlich zurück auf die Erde und können so mit dem Sickerwasser bis in tiefere Zonen des Aquifers transportiert werden. Für Vergleichszwecke wurden auch andere Fließgewässer in Deutschland bezüglich der Belastung durch die ausgewählten Umweltchemikalien untersucht. In Ergänzung und Fortsetzung bisheriger Publikationen wurde mit der vorliegenden Arbeit die Konzentrationsentwicklung dieser Stoffe in den Flüssen Rhein, Main, Elbe, Nidda und Schwarzbach dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Frage nach dem Eintrag dieser Umweltchemikalien in die Flüsse zu beantworten. Dazu wurde Abwasser und Regenwasser auf die Anwesenheit der entsprechenden Verbindungen untersucht. Das Hauptuntersuchungsgebiet stellte die Oder im Grenzbereich Deutschland-Polen sowie der anaerobe Grundwasserleiter des Oderbruchs dar. Dieses Gebiet westlich der Oder im Bundesland Brandenburg wurde ausgewählt, da hier die besondere hydrologische Situation gegeben ist, dass das Flusswasser der Oder mit Geschwindigkeiten von 0,2-5 m/d in den angrenzenden Aquifer infiltriert. Da im Aquifer des Oderbruchs durchweg reduzierende Verhältnisse herrschen, eignet sich dieser in besonderer Weise, das Verhalten organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Hydrogeologisch betrachtet sind im quartären Untergrund des Oderbruchs zwei Hauptgrundwasserleiter ausgebildet. Beide Horizonte werden durch eine undurchlässige Schicht aus Geschiebemergel voneinander getrennt. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war ausschließlich der obere Hauptgrundwasserleiter, in dem durchweg anaerobe Bedingungen herrschen. Bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 20-30 m wird der Aquifer im wesentlichen aus holozänen und pleistozänen Sanden und Kiesen aufgebaut. Charakteristisch für das Oderbruch ist der sogenannte ,,Auelehm". Es handelt sich hierbei um flächenhaft verbreitete bindige Deckschichten mit unterschiedlichen Mächtigkeiten. In einigen Bereichen des Oderbruchs fehlen diese undurchlässigen Deckschichten völlig, weshalb das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer eindringen kann. In anderen Bereichen variiert die Mächtigkeit des Auelehms lokal. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt sie stark ab. In Bereichen ab ca. 3000 m Entfernung vom Fluss sind die Auelehmdeckschichten nicht mehr vorhanden, weshalb hier der Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen in einen Aquifer begünstigt wird. Im Vorfeld dieser Arbeit hat die Auswertung der zur Schadstoffbelastung der Oder vorliegenden Literatur gezeigt, dass sich die wenigen Untersuchungen vor allem mit dem Auftreten sogenannter persistenter organischer Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane und Chlorpestizide beschäftigten. Umweltchemikalien wie Antioxidantien, Phosphorsäureester und Xenoöstrogene, die unter aeroben Bedingungen gut biologisch abgebaut werden, treten oft in den Hintergrund der Betrachtung, da von einer vollständigen Eliminierung dieser Substanzen ausgegangen wird. Diese Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, werden in so hohen Mengen produziert und eingesetzt, dass die Abbaukapazität in Böden und Gewässern häufig überschritten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine empfindliche Messmethode zur Bestimmung von mittelpolaren organischen Umweltkontaminanten aus matrixreichen Wasser- und Abwasserproben im unteren Nanogramm/Liter-Bereich entwickelt. Die Analysenmethode basierte auf der Extraktion der Wasserproben mittels Festphasenextraktion (SPE) sowie dem hochempfindlichen Nachweis der Analyten mittels Kapillargaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MS). Damit konnten zahlreiche Verbindungen mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand im Routinebetrieb mit Wiederfindungsraten von 68 bis 95 % in den Wasserproben identifiziert und quantifiziert werden. Die Bestimmungsgrenzen für die einzelnen Verbindungen lagen zwischen 3-53 ng/l. Insgesamt sind in diesem Projekt von März 1999 bis Juli 2001 sechs Beprobungskampagnen im halbjährlichen Rhythmus durchgeführt worden. Zur Beprobung standen die im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes von Mitarbeitern der FU Berlin sowie des ZALF in Müncheberg im Oderbruch installierten Grundwassermessstellen der Transsekten Bahnbrücke und Nieschen zu Verfügung. Im Bereich der Transsekte Bahnbrücke ist der ,,Auelehm" weit verbreitet, allerdings mit lokal variierenden Mächtigkeiten. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt die Mächtigkeit dieser Deckschicht ab, bis sie in einer Entfernung von ca. 5000 m überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Vereinzelt sind den überwiegend sandig bis kiesigen Sedimentfolgen, die den Aquifer im Bereich der Transsekte Bahnbrücke überwiegend aufbauen, in unmittelbarer Nähe der Oder geringmächtige Tonlagen zwischengeschaltet. Dadurch wird der Aquifer in flussnähe in zwei Teilbereiche gegliedert. Der untere Teilbereich steht im direkten hydraulischen Kontakt zur Oder und wird so maßgeblich durch das Uferfiltrat beeinflusst. Im Hangenden dieses grundwasserleitenden Horizontes folgt ein zweiter Teilbereich, der durch eine stauende Tonschicht an der Basis hydraulisch von der Oder getrennt ist und so überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser sowie vom Oderwasser bei Überschwemmungen geprägt wird. Im Bereich der Transsekte Nieschen besteht der Grundwasserleiter ausschließlich aus sandig-kiesigen Sedimentfolgen. Außerdem fehlt hier der Auelehm und damit eine den Aquifer schützende Deckschicht. Daher ist im Bereich der Transsekte Nieschen der Einfluss von infiltrierendem Niederschlagswasser auf den Grundwasserchemismus besonders stark ausgeprägt, da dieses ungehindert in den Aquifer eindringen kann. Parallel zu jeder Grundwasserprobennahme wurde an ausgewählten Standorten in Deutschland eine Beprobung verschiedener Oberflächengewässer durchgeführt sowie Dachablaufproben gesammelt. Bei der letzten Beprobungskampagne wurden im Oderbruch eine Niederschlagsprobe sowie zwei Dachablaufproben genommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurden Zu- und Abläufe der Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma sowie dreier kommunaler Kläranlagen in der Umgebung des Oderbruchs beprobt. Sämtliche beprobten Kläranlagen leiten ihre geklärten Abwässer in die Oder. Folgende organische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert und in drei Gruppen eingeteilt: Die Gruppe der Antioxidantien mit den Vertretern 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxytoluol (BHT), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzaldehyd (BHT-CHO) und 1,2-Bis(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxy-phenyl)ethan (2-BHT), die Gruppe der Phosphorsäureester mit den Vertretern Tributylphosphat (TBP), Tris(2-chloroethyl)phosphat (TCEP) und Tris(2- butoxyethyl)phosphat (TBEP) sowie die Gruppe der Xenoöstrogene mit den Vertretern 2,2- Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) und 4-Nonylphenol (4-NP). Die organischen Verbindungen BHT, TBP, TCEP, TBEP und BPA sind weltweit eingesetzte, industriell hergestellte Chemikalien. 4-NP ist ein Abbauprodukt nichtionischer Tenside (Nonylphenolpolyethoxylate = NPnEO), die als Detergentien in Waschmitteln eingesetzt werden. Bei der Verbindung BHT-CHO handelt es sich um ein Abbauprodukt des Antioxidationsmittels BHT und bei 2-BHT um ein Dimeres von BHT. Sämtliche organische Umweltchemikalien und Metabolite konnten in kommunalen und industriellen geklärten und ungeklärten Abwässern, im Niederschlag und im Dachablauf, in Oberflächengewässern sowie im Grundwasser nachgewiesen werden. Abwasser: In den kommunalen Zuläufen betrug die mittlere BHT-Konzentration 392 ng/l und in den Abläufen 132 ng/l. Für BHT-CHO lag die mittlere Konzentration in den kommunalen Zuläufen bei 113 ng/l und in den Abläufen bei 70 ng/l. Auch die drei Phosphorsäureester wurden in allen untersuchten kommunalen Zuläufen mit mittleren Konzentrationen von 15404 ng/l für TBP, 986 ng/l für TCEP und 12835 ng/l für TBEP nachgewiesen. Die Durchschnittskonzentration in den Abläufen der drei kommunalen Kläranlagen lag bei 622 ng/l für TBP, 352 ng/l für TCEP und 2955 ng/l für TBEP. Das Xenoöstrogen BPA wurde in den Zuläufen mit durchschnittlich 6579 ng/l und in den Abläufen mit 1656 ng/l bestimmt. Die Verbindung 4-NP trat hingegen nur in den Abläufen der kommunalen Kläranlagen mit durchschnittlich 385 ng/l auf. Die Konzentrationen von BHT, TBP, TCEP und TBEP im Zulauf der betriebseigenen Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma bei Eisenhüttenstadt waren durchweg geringer als die mittleren Konzentrationen dieser Stoffe in den Zulaufproben der kommunalen Kläranlagen. Diese Industriechemikalien finden vor allem in Haushaltsprodukten Verwendung und werden so hauptsächlich durch die Abwassereinleitungen kommunaler Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingetragen. Im Gegensatz dazu wurden im Abwasser der industriellen Kläranlage die höchsten Konzentrationen für die beiden Xenoöstrogene BPA und 4-NP festgestellt, da diese Stoffe bei der Metallverarbeitung als Zusatzstoff bzw. als Reinigungsmittel eingesetzt werden. Sämtliche hier zur Diskussion stehenden Verbindungen, mit Ausnahme von 4-NP, wurden durch den Klärprozess mit Raten von 29,1-96,0 % eliminiert. Die Substanzen TBP und TBEP, die in höheren Konzentrationen von mehreren Mikrogramm/l im ungeklärten Abwasser enthalten waren, wurden effektiver durch den Klärprozess eliminiert, als dies bei Substanzen mit geringeren Konzentrationen wie BHT und TCEP der Fall war. Eine besondere Stellung im Eliminierungsprozess in den Kläranlagen nimmt 4-NP ein. Diese endokrin wirksame Substanz konnte ausschließlich in den Ablaufproben der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass sie erst während des Klärprozesses durch biologischen Abbau von NPnEO gebildet wird. Da allerdings kommunale Kläranlagen neben Abwasser auch einen großen Anteil an Oberflächenabfluss und damit Niederschlagswasser aufnehmen, stellt sich an dieser Stelle die Frage, warum 4-NP in den Zulaufproben nicht oberhalb der Nachweisgrenze nachgewiesen werden konnte. Niederschlag- und Dachablauf enthielten immerhin durchschnittlich 942 ng/l 4-NP. Hier besteht weiterhin Klärungsbedarf. Das Auftreten aller Substanzen in sämtlichen Ablaufproben zeigt, dass die Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Flüsse eindeutig eine Eintragsquelle für das gesamte untersuchte Stoffspektrum in die aquatische Umwelt darstellen. Ein weiterer Schadstoffeintrag ist durch die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Nutzflächen gegeben. Aufgrund der hohen Werte der Octanol/Wasserverteilungskoeffizienten (logPOW) der hier untersuchten Verbindungen muss eine Adsorption der Substanzen an Klärschlamm und ein damit verbundener Eintrag ins Grundwasser durch Remobilisierungserscheinungen ebenfalls als Eintragsquelle in Betracht gezogen werden. Generell gingen in den letzten Jahren die Mengen an BHT, die über die Einleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer gelangen, zurück. Vor fast 30 Jahren gelangte in den USA vereinzelt noch ungefähr die 100fache Menge der Substanz über Abwassereinleitungen in die Vorfluter. Für TBP, TCEP und TBEP war im geklärten Abwasser deutscher Kläranlagen in den letzten 20 Jahren ebenfalls eine Konzentrationsabnahme zu beobachten. Der Grund hierfür liegt in der Ausweitung des Kläranlagennetzes sowie in der Verbesserung vorhandener Abwasserreinigungsanlagen (vor allem in den neuen Bundesländern). Dagegen ist die BPA-Konzentration im geklärten Abwasser in der Bundesrepublik Deutschland in den letzten drei Jahren geringfügig gestiegen, was auf die steigenden Produktionszahlen dieser Massenchemikalie zurückgeführt werden kann. Für 4-NP wurde in der BRD in den letzten fünf Jahren ein leichter Konzentrationsrückgang im geklärten Abwasser beobachtet. Dies kann damit in Zusammenhang gebracht werden, dass die deutsche Wasch- und Reinigungsmittelindustrie im Jahr 1986 eine freiwillige Verzichterklärung bezüglich des Einsatzes von NPnEO abgegeben hat. Durch den geringeren Einsatz dieser nichtionischen Tenside in den Produkten gelangen weniger NPnEO mit dem Abwasser in die Kläranlagen. Folglich wird im Verlauf der Abwasserbehandlung auch weniger 4-NP durch biologischen Abbau gebildet. Trotz dieser Verzichterklärung kann 4-NP dennoch bis heute in deutschen Kläranlagenabläufen nachgewiesen werden. Im internationalen Vergleich mit Österreich, Italien, England, Schottland, Schweiz, Kanada und den USA sind die 4-NP-Konzentrationen im geklärten Abwasser in Deutschland allerdings relativ gering. Niederschlag und Dachablauf Alle ausgewählten Verbindungen konnten sowohl in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch als auch in den Dachablaufproben nachgewiesen werden. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie Dampfdruck und Henry-Konstante ist die Voraussetzung für einen Eintrag in die Atmosphäre für alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Substanzen generell gegeben. BHT und BHT-CHO konnten mit durchschnittlich 510 ng/l bzw. 171 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden (n=5). Der Maximalwert für BHT lag dabei bei 1797 ng/l in einer Dachablaufprobe und für BHT-CHO bei 474 ng/l in der Niederschlagsprobe. Die mittlere Konzentration der Phosphorsäureester in den untersuchten Niederschlags- und Dachablaufproben lag bei 951 ng/l für TBP, bei 151 ng/l für TCEP und bei 338 ng/l für TBEP. Dabei erreichte TBP ein Maximum von 1344 ng/l, TCEP von 327 ng/l und TBEP von 448 ng/l (die Maximalwerte der Phosphorsäureester wurden jeweils in einer Dachablaufprobe bestimmt). 4-NP wurde mit einer mittleren Konzentration von 942 ng/l im Niederschlag- und Dachablauf gemessen. Das 4-NP- Maximum lag bei 1231 ng/l (Dachablauf). BPA konnte mit durchschnittlich 1251 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden. Die maximale BPA-Konzentration lag dabei bei 4085 ng/l in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch. Die hohen Konzentrationen von BPA im Regen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht erklärt werden. Die Verbindung besitzt einen sehr niedrigen Dampfdruck (0,000005 Pa bei 25°C), der nicht ausreicht, um solch hohe Konzentrationen in der Atmosphäre hervorzurufen. Eine Verunreinigung der Regenwasserproben bei der Probennahme ist hier als Grund für die hohen BPA-Konzentrationen in Betracht zu ziehen und durch die Analyse weiterer Niederschlags- und Dachablaufproben zu überprüfen. Die Substanzen BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP waren im Vergleich zum geklärten Abwasser in höheren Konzentrationen in Niederschlag und Dachablauf enthalten. Diese Stoffe werden somit verstärkt über die Atmosphäre mit den Niederschlägen in die Umwelt eingetragen. Hier besteht Klärungsbedarf bezüglich dessen, dass 4-NP zwar im Regenwasser nicht aber in den Zuläufen der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden konnte. Die mittleren Regenwasserkonzentrationen von BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP lagen ebenfalls über den mittleren Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser. Zwei der Dachablaufproben stammten aus dem Rhein-Main Gebiet. In solchen Ballungszentren sind häufig höhere Gehalte an organischen Umweltchemikalien im Regenwasser enthalten als in ländlichen Gebieten, was einen Anstieg der Durchschnittskonzentration in sämtlichen Regenwasserproben zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich Verbindungen wie 4-NP, die einen hohen Dampfdruck aufweisen, relativ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen und so auch in Gebiete gelangen, die nicht durch hohe Schadstoffemissionen gekennzeichnet sind. Dies hat ebenfalls relativ hohe Konzentrationen im Regenwasser zur Folge. Ein dritter Grund für die höheren Konzentrationen im Regenwasser im Vergleich zum Oberflächen- und Grundwasser könnte die Adsorption organischer Umweltchemikalien mit hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten an Sedimentpartikel, Schwebstoffe und/oder organische Substanz in Fluss und Aquifer sein. Die mittleren Konzentrationen der beiden Phosphorsäureester TCEP, TBEP und BPA waren im Vergleich zum geklärten Abwasser der kommunalen Kläranlagen im Regenwasser deutlich niedriger. Der Eintrag über die Atmosphäre ist folglich für diese Verbindungen von geringerer Bedeutung. Am Beispiel des Phosphorsäureester TBEP konnte dennoch demonstriert werden, dass der atmosphärische Eintrag organischer Verbindungen mit relativ geringen Dampfdrücken nicht zu vernachlässigen ist, da solche Substanzen die Tendenz zeigen, an Aerosolpartikel zu adsorbieren und mit dem Aerosol transportiert zu werden. Oberflächenwasser Die untersuchten Umweltchemikalien konnten in fast allen Wasserproben aus den untersuchten Oberflächengewässern mit zum Teil erheblichen Konzentrationsschwankungen nachgewiesen werden. Für BHT lagen die Konzentrationen in den Oberflächengewässern zwischen Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<1 ng/l) und 1594 ng/l. Der Metabolit BHT- CHO wies dagegen mit einem Konzentrationsbereich von Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<5 ng/l) bis 236 ng/l durchweg geringere Konzentrationen in den Oberflächenwasserproben auf. Der Mittelwert lag für BHT bei 233 ng/l und für BHT-CHO bei 89 ng/l (n = 47). Die Konzentrationen der Phosphorsäureester TBP, TCEP und TBEP in den untersuchten Oberflächenwasserproben schwankten zwischen Gehalten unterhalb der Nachweisgrenzen (<7 ng/l für TBP, <5 ng/l für TCEP und <6 ng/l für TBEP) und 1510 ng/l für TBP. Dabei wiesen TBP und TBEP mit Mittelwerten von 481 bzw. 465 ng/l die höchsten Konzentrationen in den untersuchten Oberflächengewässern auf. Der Mittelwert der Substanz TCEP in allen untersuchten Oberflächenwasserproben lag dagegen nur bei 165 ng/l. Die Konzentrationen der Xenoöstrogene BPA und 4-NP reichten bis maximal 1672 bzw. 1220 ng/l. Die Nachweisgrenze für BPA lag bei 10 ng/l und für 4-NP bei 6 ng/l. 4-NP trug mit einem Mittelwert von 464 ng/l am meisten von allen untersuchten Verbindungen zur Gewässerverunreinigung bei. Der Mittelwert für BPA in den Oberflächengewässern lag bei 351 ng/l. In den hier untersuchten Flüssen in der BRD war die maximale BHT-Konzentration (1594 ng/l) um das 10fache geringer als die maximale BHT-Konzentration, die noch vor 30 Jahren in deutschen Oberflächengewässern gemessen wurde (14000 ng/l). Im Vergleich zu BHT- Gehalten in japanischen (1980) und amerikanischen (1975) Oberflächengewässern lagen die aktuellen BHT-Gehalte in deutschen Flüssen deutlich darunter. Die Konzentrationen für TBP und TCEP in deutschen Oberflächengewässern sind in der Vergangenheit ebenfalls deutlich zurückgegangen. Im internationalen Vergleich liegt die BRD in Bezug auf TBP-Gehalte in Oberflächengewässern mit an der Spitze. In der Elbe konnte für die Substanz TBEP in den letzten 15 Jahren ein leichter Konzentrationsanstieg beobachtet werden. Die TBEP- Konzentration in deutschen Oberflächengewässern ist im Vergleich zu Gehalten in japanischen und amerikanischen Flüssen sowie im Trinkwasser aus Kanada gering. Der BPA- Gehalt im Rhein ist in den letzten 10 Jahren geringfügig angestiegen. Im Vergleich mit Japan und Tschechien liegen die BPA-Konzentrationen in deutschen Flüssen innerhalb von Ballungsgebieten auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Konzentrationsentwicklung des Xenoöstrogens 4-NP war seit 1986 in deutschen Oberflächengewässern stark rückläufig, was mit der freiwilligen Verzichterklärung in diesem Jahr zusammenhängt. Trotzdem tritt 4-NP auch heute noch in Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich in deutschen Flüssen auf. Die deutschen Werte lagen allerdings deutlich unterhalb der 4-NP-Konzentrationen in Oberflächengewässern der Schweiz, England, den USA und Taiwan.. Grundwasser Das Antioxidans BHT sowie sein Abbauprodukt BHT-CHO konnten in den meisten Grundwasserproben aus dem Oderbruch mit Gehalten bis zu 2156 bzw. 541 ng/l nachge- wiesen werden. Der Mittelwert für BHT im Grundwasser lag bei 353 ng/l und für BHT-CHO bei 105 ng/l (n=76). Die Verbindung 2-BHT wurde ausschließlich im Grundwasser nachgewiesen. Dies zeigt, dass die anaeroben Bedingungen im Aquifer des Oderbruchs zur Bildung des Dimeren von BHT geführt haben. Ob diese Vermutung stimmt, dass 2-BHT tatsächlich aus dem Antioxidans BHT gebildet wird, soll in naher Zukunft anhand mikrobiologischer Abbauversuche von BHT unter anaeroben Bedingungen geklärt werden. Die Gehalte der Phosphorsäureester im Grundwasser bewegten sich in Konzentrationsbereichen bis zu 1605 ng/l (TBP), bis zu 754 ng/l (TCEP) und bis zu 2010 ng/l (TBEP) mit einem Mittelwert für TBP von 276 ng/l, für TCEP von nur 80 ng/l und für TBEP von 289 ng/l. Der Maximalwert für BPA in den Grundwasserproben betrug 4557 ng/l. Der Mittelwert für diese Verbindung im Grundwasser lag bei 630 ng/l. Betrachtet man die BPA- Konzentration in den Grundwasserproben, fällt auf, dass diese sehr starken Schwankung unterliegt, die an dieser Stelle nicht erklärt werden können. Es besteht der Verdacht einer BPA-Kontamination der Grundwasserproben bei der Probennahme, da die beprobten Messstellen im Oderbruch zur Förderung des Grundwassers mit Kunststofflinern ausgestattet wurden, die eventuell BPA als Antioxidans enthalten. In Zukunft sind daher weitere Grundwasseranalysen mit einer verbesserten Probennahmetechnik notwendig, um eine Kontamination mit BPA auszuschließen. In den Grundwasserproben war das Isomerengemisch 4-NP, ebenso wie in den Oberflächenwasserproben, im Mittel mit der höchsten Konzentration vertreten (724 ng/l). Das 4-NP-Maximum lag dabei bei 2542 ng/l. Alle ausgewählten organischen Industriechemikalien konnten in den odernahen Bereichen innerhalb der Transsekte Bahnbrücke sowohl im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der nur durch infiltrierendes Oderwasser gespeist wird, als auch im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser beeinflusst wird, nachgewiesen werden. Die anthropogenen Stoffe gelangen also im Bereich der Transsekte Bahnbrücke sowohl über das Uferfiltrat als auch durch Niederschlagsinfiltration ins Grundwasser. Durch die Uferfiltration spiegelten sich die Konzentrationen der vor wenigen Tagen infiltrierten organischen Verbindungen aus dem Oderwasser direkt im Grundwasser aus odernahen Bereichen wieder. Auch weiter vom Fluss entfernt liegende Aquiferbereiche innerhalb der Transsekte Bahnbrücke wurden noch von infiltriertem Oderwasser beeinflusst. Die jahreszeitlichen Konzentrationsschwankungen demonstrieren hier jedoch die Flusskonzentrationen vor einigen Jahren, da das Oderwasser mehrere Jahre braucht, um in diese Bereiche zu gelangen. Weiterhin ist auch ein Stoffeintrag ins Grundwasser mit dem Oderwasser bei Hochwasserereignissen zu berücksichtigen. Generell nahmen die Konzentrationen der organischen Umweltchemikalien mit zunehmender Entfernung von der Oder ab, was den fehlenden Niederschlagseinfluss im Aquiferbereich der Transsekte Bahnbrücke bedingt durch die schützenden undurchlässigen Deckschichten demonstriert. Im Grundwasser, das aus dem Aquiferbereich in unmittelbarer Nähe der Entwässerungsgräben stammte, war häufig eine Konzentrationsabnahme der organischen Umweltchemikalien zu beobachten. Dies beweist den hydraulischen Zusammenhang zwischen Fluss und Entwässerungsgräben. Das infiltrierte Flusswasser steigt nach der Aquiferpassage in Grabennähe auf, was zu Verdünnungseffekten im Grundwasser verbunden mit einer Konzentrationsabnahme führt. Weiterhin wurden die ausgewählten Stoffe auch in den Grundwasserproben aus dem Aquiferbereich der Transsekte Nieschen nachgewiesen, der durch das Fehlen undurchlässiger Deckschichten gekennzeichnet ist. Da hier aufgrund der Entfernung dieser Transsekte von der Oder der hydraulische Kontakt zum Fluss stark eingeschränkt ist, sind die im Grundwasser auftretenden organischen Umweltchemikalien auf einen Eintrag mit dem infiltrierenden Niederschlagswasser zurückzuführen. Für einen Eintrag der Substanzen mit dem Niederschlagswasser spricht auch die Tatsache, dass die mittleren Konzentrationen der organischen Verbindungen in den Grundwasserproben aus der Transsekte Nieschen im Gegensatz zu denen aus der Transsekte Bahnbrücke trotz eines fehlenden hydraulischen Kontakts zur Oder erhöht waren. Die starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen können zum einen auf einen Eintrag dieser Substanzen mit dem Niederschlag zurückgeführt werden. Der Aquifer im Oderbruch ist heterogen ausgebildet, was den Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen ins Grundwasser lokal fördert oder hemmt und es dadurch zu unterschiedlichen Konzentrationen kommt. Zum anderen kann angenommen werden, dass die Konzentrationsschwankungen in diesem Aquiferbereich Folge einer Aufkonzentrierung der gelösten organischen Stoffe durch Verdunstung des oberflächennahen Grundwassers waren. Diese Annahme bestätigen die erhöhten Konzentrationen der Stoffe im Grundwasser im November 2000 und im März 2001 im Vergleich zum März 2000. Zu beiden Zeitpunkten waren die Niederschläge gering, was sich im Niedrigwasserstand der Oder wiederspiegelte. Vor allem in niederschlagsarmen Gebieten wie das Oderbruch, kann dieser Prozess der Aufkonzentrierung organischer Stoffe im Grundwasser durch Evaporation von Bedeutung sein. Die Frage, ob letztendlich der Niederschlagseintrag oder der umgekehrte Prozess, die Evaporation des Grundwassers, zu den starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen geführt hat, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Sicher ist, dass bei fehlenden undurchlässigen Deckschichten ein atmosphärische Eintrag organischer Umweltchemikalien in den Aquifer stattfindet. Auch in den Messstellen, die außerhalb der beiden Transsekten Nieschen und Bahnbrücke ca. 3000 bzw. 5000 m entfernt von der Oder liegen, konnten die organischen Verbindungen zum Teil in erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies ist zum einen wiederum mit einem Eintrag durch Niederschlagswasser und dem Transport der organischen Umweltchemikalien in größere Tiefen des Aquifers mit dem Sickerwasser zu erklären. Die undurchlässige Auelehmschicht ist in diesem Bereich nicht mehr vorhanden, so dass das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer infiltrieren kann. Ein Einfluss des Oderfiltrats in dieser Entfernung vom Fluss kann ausgeschlossen werden, da in den mittleren Bereichen des Oderbruchs 50-100 Jahre für einen vollständigen Grundwasseraustausch realistisch sind und die Produktion sämtlicher Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, zu diesen Zeiten ohne Bedeutung war. Eine Remobilisierung der organischen Umweltchemikalien aus Klärschlamm, der im Land Brandenburg noch häufig auf Agrarflächen aufgebracht wird, muss als Eintragsquelle hier ebenfalls in Betracht gezogen werden, da Stoffe mit einem hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten häufig die Tendenz zeigen, an Klärschlamm zu akkumulieren. Der photochemische Abbau des Antioxidationsmittels BHT zu seinem Metabolit BHT-CHO in der Atmosphäre war im Sommer höher als im Herbst und im Frühjahr, wobei der Metabolit selbst ebenfalls Abbauprozessen unterlag. Im Gegensatz dazu spielte der photochemische Abbau von TBP, TCEP, TBEP und 4-NP zu keinen Zeitpunkt eine große Rolle. Solange keine nennenswerten Direkteinleitungen in die Oder zu verzeichnen waren, konnte flussabwärts eine Konzentrationsabnahme für alle organischen Verbindungen festgestellt werden, welche auf aeroben Abbau der Substanzen zurückgeführt werden kann. Im Frühjahr war der Sauerstoffgehalt im Fluss mit 12,05 mg/l aufgrund der geringen Wassertemperatur (6,9 °C) und des Hochwasserereignisses am höchsten. Dies hatte höhere aerobe Abbauraten von BHT zu BHT-CHO zu diesem Zeitpunkt zur Folge. Ob es sich tatsächlich um einen biologischen Abbau der organischen Substanzen handelt oder ob Adsorptionseffekte an Schwebstoffe und Sedimente bei der Eliminierung dieser Stoffe ebenfalls eine Rolle spielen, muss anhand zukünftiger Analysen von Odersedimenten- und Schwebstoffen auf solche Substanzen geklärt werden. Der Abbau unter anaeroben Bedingungen, wie sie im Grundwasserleiter des Oderbruchs durchweg herrschen, spielte dagegen im Bezug auf alle untersuchten Verbindungen keine große Rolle, da diese in allen Tiefen des Aquifers (bis 21 m) noch nachgewiesen werden konnten. Sind sie einmal in das Grundwasser gelangt, werden sie aufgrund ihrer relativ guten Wasserlöslichkeit also leicht mit diesem in tiefere Bereiche transportiert. Sie sind damit relativ mobil. Die organischen Umweltchemikalien werden auch nicht wesentlich durch Adsorption an Sediment und/oder organischer Substanz zurückgehalten und dadurch aus dem Grundwasser eliminiert. Solche Faktoren wie ein schlechter anaerober Abbau, eine gute Wasserlöslichkeit und eine geringe Adsorption an Boden und Sediment einiger Schadstoffe müssen bei der Trinkwasserförderung aus tieferen Aquiferbereichen berücksichtigt werden. Chemikalien mit guten Wasserlöslichkeiten, wie beispielsweise die beiden Phosphorsäureester TCEP und TBEP, zeigten sogar die Tendenz sich besonders in den tieferen Aquiferbereichen anzureichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass es selbst in Gebieten wie dem Oderbruch, in denen die Grundwasserneubildung durch Niederschlag eine eher geringe Rolle spielt, durchaus zu einen nicht zu vernachlässigenden Eintrag von Stoffen durch Niederschlagswasser kommt und eine hohe Verdunstungsrate zu einer Aufkonzentrierung führt. Dies bedeutet, dass bei einer Betrachtung von hydrochemischen Prozessen in einem Grundwasserleiter, der hauptsächlich durch Uferfiltrat gespeist wird, keine einfache räumliche Struktur zugrunde gelegt werden kann. Zum lateralem Zustrom des infiltrierenden Flusswassers kommt der vertikale Einfluss des Sickerwassers. Dies muss neben Faktoren wie anaerober Abbau, Adsorption und Verdünnungseffekte bei der Interpretation des Schadstoffeintrags- und Transports im Grundwasser berücksichtigt werden.
Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
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.
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.
Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde der Einfluss der anthropogen verursachten Erhöhung der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen auf beobachtete Klimaelemente für die letzten 100 bis 120 Jahre untersucht. Die bodennahe Lufttemperatur wurde in unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Abdeckung analysiert: Globales und hemisphärische Mittel, 84 flächengleiche Gebietsmittel globaler Abdeckung und 5°x5°-Gitterpunkte für die europäische Region, für die außerdem der auf Meeresniveau reduzierte Luftdruck und der Niederschlag untersucht wurden. Es wurde ein empirisch-statistischer Ansatz verwendet, der die Datenfelder zunächst in ihre räumlichen und zeitlichen Hauptstrukturen zerlegt (EOF-Zerlegung) und nachfolgend Regressionsbeziehungen zwischen den zeitlichen Hauptstrukturen (Zielgrößen) und den potenziellen Einflussgrößen mittels einer Selektionsstrategie (schrittweise Regression) findet, was zu einer Signaltrennung bezüglich der unterschiedlichen anthropogenen sowie natürlichen Einflüsse führt. Durch eine Abschätzung der Überzufälligkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse wurden die Signifikanzen der einzelnen Signale berechnet. Als anthropogene Einflussgrößen wurden neben der logarithmierten Treibhausgaskonzentration (GHG) noch die Konzentration von troposphärischem Sulfat (SUL) aus anthropogenen Quellen verwendet. Die natürlichen Einflussgrößen umfassen Schwankungen der Solarkonstanten (SOL), Strahlungsantrieb explosiver Vulkanausbrüche (VUL), den Southern Oscillation Index (SOI, als Maß für das El-Nino-Phänomen) und den Nord-Atlantik-Oszillations-Index (NAO). In der globalen und den hemisphärischen Mitteltemperaturen dominiert das GHG-Signal. Es unterscheidet sich dabei hochsignifikant vom Zufall und von der natürlichen Variabilität und weist eine mittlere Signalamplitude von etwa 0,5 K auf. Das SUL-Signal ist hier, wie auch in den anderen Datensätzen, unplausibel, was an den fragwürdigen verwendeten Einflüssen liegt, welche die zugrundeliegenden Prozesse nicht hinreichend erfassen. In den räumlich differenzierten Datensätzen ist der zufallsartige Anteil in den Zeitreihen generell höher als in den gemittelten, was die Signifikanzen der GHG-Signale herabsetzt. In Europa ist vor allem im Winter die NAO dominant, was dort zusätzlich den Nachweis des GHG-Signals erschwert. Im europäischen Luftdruck und Niederschlag werden zwar ebenfalls GHG-Signale gefunden, die jedoch aufgrund der hohen Rauschkomponente nur sehr schwach signifikant sind. Des Weiteren ist die Wirkung der anthropogenen Erhöhung der Treibhausgase auf diese Klimaelemente indirekter als bei der Temperatur, wodurch die statistische Ähnlichkeitsbetrachtung hier eventuell auch natürlich verursachte Trendkomponenten irrtümlich als anthropogen selektiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Witterungseinflüsse auf Ernteerträge in der BRD (West) von 1950-1998 untersucht. Die Ertragsdaten der 21 untersuchten Fruchtarten sind mit ausgeprägten Trends behaftet, die wahrscheinlich zum weitaus überwiegenden Teil durch gewollte Ertragssteigerungen verursacht worden sind. Diese sog. Züchtungsvarianz wurde daher mittels eines Gaußschen Tiefpassfilters von der interannulären Variabilität getrennt, welche Umwelteinflüssen zugeordnet wird. Hierdurch können keine Wirkungen langfristiger Klimatrends auf die Erträge untersucht werden. Als meteorologische Parameter wurden Bundeslandmittel der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlages in monatlicher Auflösung verwendet. Die quadrierten Klima- Zeitreihen sind ein Maß für extreme Anomalien. Durch Bildung von Produkten bzw. Quotienten aus Temperatur und Niederschlag erhält man Zeitreihen, welche die kombinierte Wirkung beider Klimaelemente beschreiben. Die Witterungsabhängigkeiten der Erträge wurden durch Korrelation und Regression (schrittweise Regression) mit den meteorologischen Parametern quantifiziert. Hierbei zeigte sich unter anderem ein negativer Einfluss feucht-warmer April-Anomalien auf Getreide-Erträge. Des Weiteren konnten Ernteeinbrüche verschiedener Fruchtarten mit extrem trocken-heißen Witterungsperioden im Sommer in Verbindung gebracht werden. Korrelationen und Regressionskoeffizienten von quadratischen Einflussreihen sind fast ausschließlich negativ. Somit wirken sich vor allem extreme Anomalien der meteorologischen Parameter ertragsmindernd aus. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation konnte die Überzufälligkeit der durch die meteorologischen Parameter erklärten Varianzen an den Erträgen qualitativ bewertet werden. In etwa 40% der untersuchten Beziehungen ist ein Witterungsein deutlich sichtbar. Des Weiteren ist eine Untersuchung der Veränderungen (Intensität und Häufung) extremer Witterungen, vor allem sommerlicher Hitzeperioden, nötig, um den Klima-Impakt auf deutsche Ernteerträge besser abzuschätzen. Auch ist die Frage noch offen, ob langfristige anthropogene Klimaänderungen, wie sie hier detektiert worden sind, mit Änderungen des Extremwertverhaltens verknüpft sind.
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.
Obwohl Böden unzweifelhaft ein signifikanter Pool von organischem Kohlenstoff sind, ist ihre Bedeutung als potenzielle langfristige Senke für atmosphärischen Kohlenstoff keineswegs klar. Trotz bedeutender wissenschaftlicher Forschritte aus den letzten Jahren zur Klärung der Kohlenstoffdynamik in Böden gibt es nach wie vor offene Fragen insbesondere hinsichtlich der spezifischen geochemischen Mechanismen, die für die Stabilisierung organischen Kohlenstoffs in Böden verantwortlich sind. Vor diesem Hintergrund besteht ein wesentliches Ziel der vorliegenden Dissertation darin, in unterschiedlichen Bodentypen die Konzentration von organischem Kohlenstoff und Stickstoff sowie die mineralogische Zusammensetzung zu untersuchen, um Hinweise auf einen möglichen Einfluss der Tonmineralogie, der spezifischen Oberfläche und der Oxidkonzentration auf die Stabilisierung organischen Materials zu ermitteln. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag dazu liefern, die Mechanismen der Fixierung organischer Substanz in Böden besser zu verstehen und das vorhandene Wissen hierüber zu erweitern. Hierzu wurden fünf verschiedene Bodenprofile aus Hessen mit unterschiedlicher mineralogischer Zusammensetzung untersucht. Um die Auswirkungen verschiedener physikalischer und geochemischer Faktoren auf den Gehalt organischer Substanz in den untersuchten Böden festzustellen, wurden folgende Parameter untersucht: -Tonmineralogie, -organische Kohlenstoff- und Stickstoff-Konzentrationen, -%-Kationensättigung, -spezifische Oberfläche, -dithionit- und oxalatlösliche Gehalte an Fe, Al und Mn. Anhand dieser Parameter wurden weiterführende statistische Analysen unter Verwendung der Statistiksoftware SPSS für Windows durchgeführt, um mögliche statistische Zusammenhänge aufzudecken, die für die Stabilisierung von organischem Kohlenstoff in den betrachteten Böden verantwortlich sind. Die im Rahmen der vorliegenden Dissertation ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der Tonanteil und die Tonmineralogie der untersuchten Böden nur einen begrenzten Einfluss auf die Stabilisierung organischer Substanz haben. Weiterhin wird gezeigt, dass die in der Literatur propagierte Beziehung zwischen spezifischer Oberfläche und der Konzentration organischen Kohlenstoffs nicht auf alle Böden anwendbar ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Präsenz von amorphen Eisen- und Aluminiumoxiden der wichtigste Einflussfaktor für die Fixierung von organischem Material in den untersuchten Böden ist. Die größeren Konzentrationen von organischem Kohlenstoff in den kleinsten Fraktionen (Feinschluff und Ton) der Profile sind vor allem darauf zurückzuführen, dass Oxide ebenfalls in diesen Fraktionen aufzufinden sind. Tonminerale haben demnach eine sekundäre Bedeutung, indem sie Komplexe mit den Oxiden bilden, die zur Stabilisierung von organischer Substanz führen können. Insgesamt deuten die Ergebnisse daraufhin, dass Böden keine geeignete Senke für die langfristige Speicherung von organischem Kohlenstoff sind. Obwohl Mechanismen wie die Adsorption von organischer Substanz an Oxide die Stabilisierung organischen Materials unterstützen, scheinen diese nicht stark genug zu sein, um eine permanente Speicherung von organischem Kohlenstoff zu bewirken.
The focus of this study were Celtic gold coins excavated from the Martberg, a Celtic oppidium and sanctuary, occupied in the first century B.C. by a Celtic tribe known as the Treveri. These coins and a number of associated coinages, were characterised in terms of their alloy compositions and their geochemical and isotopic signatures so as to answer archaeological and numismatic questions of coinage development and metal sources. This required the development of analytical methods involving; Electron Microprobe (EPMA), Laser Ablation-ICP-MS, solution Multicollector-ICPMS and LA-MC-ICP-MS. The alloy compositions (Au-Ag-Cu-Sn) were determined by EPMA on a small polished area on the edge of the coins. A large beam size, 50µm (diameter), was used to overcome the extreme heterogeneity of these alloys. These analyses were shown to be representative of the bulk composition of the coins. The metallurgical development of the coinages was defined and showed that the earlier coinages followed a debasement trend, which was superceded by a trend of increasing copper at the expense of sliver while gold compositions remained stable. This change occurred with the appearance of the inscribed "POTTINA" coinage, Scheers 30/V. Two typologically different coinages, Scheers 16 and 18 ("Armorican Types") were found to have markedly different compositions which do not fit into the trends described above. A Flan for a gold coin, which may indicate the presence of a mint at the Martberg, was found to have an identicle weight and composition as the Scheers 30/I coins, which preceeded the majority of the coins found at the Martberg in the coin development chronology. The trace element anaylses were made by Laser Ablation-ICPMS using an AridusTM desolvating nebuliser to introduce matrix matched solution standards to calibrate the measurements, which were then normalised to 100%. Quantitative results were obtained for the following elements: Sc, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Ru, Rh, Pd, Ag, Sb, Te, W, Ir, Pt, Pb, Bi. The remaining elements remain problematic as they produced incorrect standardisations mainly due to chemical effects in solution such as adsorption onto the beaker walls or oxidation : V, Fe, Ga, Ge, As, Mo, Sn, Re, Os, Hg. Changes in the sources of Au, Ag and Cu were observed during the development of the coinages through the variation of trace elements, which correlate positively with the major components of the coin alloys. Changes in the Pt/Au ratios show that the Scheers 23 coins contain distinctly different gold from the later coinages and that the Scheers 18 gold source was also different. Te/Ag was used to show that the Sch.23 coins also contained different silver and some subgroups were observed in the Sch. 30/V coins. A major change in copper source is indicated by the sudden increase of Sb and Ni with the introduction of the Sch. 30/V coins (POTTINA), which can be linked to a similar change in copper observed in the contemporary silver coinage, Sch. 55 (with a ring). Lead isotopic analyses were made by solution- and Laser Ablation - MC-ICP-MS, The laser technique proved to be in good agreement with the solution analyses with precisions between 1 and 0.1%o (per mil). The development of the laser method opens the way for easy and virtually non-destructive Pb isotopic determinations of ancient gold coins. The results showed that Sch. 23 is very different from the following coinages, Sch. 16 and 18 are also different, forming their own group, and all the later "Eye" staters (Sch. 30/I-VI) lie on a mixing line controlled by the addition of copper from a Mediterranean source, probably Sardinia or Spain. An indication of gold and silver sources should be possible with further analyses of the Sch. 23 and Rainbow Cup gold coins and the Sch. 54 and 55 silver coinages. Copper Isotopic analyses were made by solution- and Laser Ablation - MC-ICP-MS. Both techniques require further development to produce more reproducible results. The results show that there appears to be a trend to more positive d Cu65 values for the later coinages and that the link between the copper used in the Sch. 30/V (POTTINA) coins and the silver Sch. 55 (with a ring) coins is also shown by similarly postive d Cu65 values. The full suite of analyses were also made on samples of gold from the region. They were mostly composed of "placer gold", alluvial gold found in rivers. It was found that when a study is restricted to a limited number of deposits or areas then it is possible to distinguish between deposits based on the concentration of those elements which are least affected by transport related alteration processes. These elements include; the PGE's, due to their refractory nature, and those elements which are usually present in high enough concentrations to remain relatively unaffected, eg: Cu, Pb and Sb. Due to the nature of the coin alloy it is not possible to link the gold used in the coins studied here with gold deposits, as the large amounts of Ag and Cu, added to the coin alloys, have masked the Au signature. However, further Pb isotopic analyses of gold deposits should prove useful in determining from which regions Celtic gold was derived.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein Vorschlag für eine Direktive zur Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) an Grundwasserschadensfällen durch Mineralölprodukte unter Berücksichtigung der in Deutschland geltenden Vorgaben für eine konkrete technische Durchführung erarbeitet. Das darin enthaltene Untersuchungs- und Auswertungsprogramm zum Nachweis von Natural Attenuation (NA) berücksichtigt die gesetzlichen Regelungen des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) und der BundesBodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Das entwickelte Untersuchungs- und Auswertungsprogramm wurde in einem weiteren Schritt an einer laufenden MNA-Maßnahme aus der Praxis überprüft. Hierfür wurde ein Kerosin-kontaminierter Teilbereich am Standort des ehemaligen Militärflughafens Wegberg-Wildenrath in Nordrhein-Westfalen ausgewählt. Im Grundwasser liegt eine Kontamination überwiegend aus aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX und weitere alkylierte Aromaten) sowie MKW (H18) vor. Anhand des Praxisbeispiels wurde die generelle Verwendbarkeit von bereits im Rahmen der bisherigen Altlastenbearbeitung erhobenen Daten im Sinne des erarbeiteten Untersuchungsprogramms aufgezeigt. Hydrogeologische Untersuchungen belegten eine Abhängigkeit der Konzentration von Schadstoffen im Wasser von einem bis zu /- 1,7 m schwankenden Grundwasserstand, wodurch ein instationäres Fahnenverhalten vorlag. Aufbauend auf den Erkenntnissen der hydrogeologischen Erkundung und der Auswertung von hydrochemischen Daten wurden für den Standort zwei sich ergänzende konzeptionelle Modellvorstellungen (ein hydrochemisches Modell sowie ein hydrodynamisches Modell) bezüglich der Prozesse, die das Fahnenverhalten steuern, entwickelt. Beim hydrochemischen Modell erfolgt durch schwankende Grundwasserstände ein Recycling der Elektronenakzeptoren S042- und Fe3 für den Schadstoffabbau im herdnahen Bereich. Bei hohem Grundwasserstand werden reduzierte Eisenspezies als unlösliche Eisenmonosulfide ausgefällt. Bei niedrigem Grundwasserstand werden diese Eisenmonosulfide in Folge von Belüftung zu löslichen Fe3 /SO42-haltigen Mischkristallen oxidiert. Bei einem erneuten Anstieg des Grundwassers steht dieser Elektronenakzeptorpool für einen weiteren Schadstoffabbau zur Verfügung, was wiederum zur Ausfällung der reduzierten Eisenspezies führt. Beim hydrodynamischen Modell werden die beobachteten Konzentrationsänderungen im Grundwasser hauptsächlich durch Schadstoff-Phasenübergänge und der Größe der dabei zur Verfügung stehenden Grenzflächen hervorgerufen. Der Austausch von Schadstoffen aus der NAPL (non-aqueous phase liquids)-Phase in die Bodenluft bei niedrigen Grundwasserständen ist erheblich größer im Vergleich zum Austausch der NAPL-Phase in die (Grund)wasserphase bei hohen Grundwasserständen. Daraus resultieren höhere Schadstoffgehalte im Schadenszentrum bei niedrigen Grundwasserständen und geringere Gehalte bei hohen Grundwasserständen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit war die Herausarbeitung der Art des Einflusses schwankender Grundwasserstände auf die Fahnendynamik. Anhand der Untersuchung auf aromatische Säuren (Metabolite), die im (my)g/l-Bereich nachzuweisen waren, konnte der direkte Beweis für einen aktiven Bioabbau am Standort erbracht werden. Durch einen Vergleich des Aromatenspektrums mit dem vorgefundenen Metabolitenspektrum wurden Aussagen zum Abbauverhalten von einzelnen aromatischen Schadstoffgruppen ermöglicht. Die Abbauprognose ist aufgrund des instationären Fahnenverhaltens mit größeren Unsicherheiten behaftet. Attenuations- bzw. Abbauraten zwischen 0,0003 * 1/d und 0,001 * 1/d wurden anhand von zwei unterschiedlichen Verfahren ermittelt.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
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.
Für eine möglichst vollständige analytische Beschreibung werden in der statistischen Klimatologie beobachtete Klimazeitreihen als Realisation eines stochastischen Prozesses, das heißt als eine Folge von Zufallsvariablen verstanden. Die Zeitreihe soll im wesentlichen durch eine analytische Funktion der Zeit beschrieben werden können und die Beobachtung nur durch Zufallseinflüsse von dieser Funktion abweichen. Diese analytische Funktion setzt sich aus der Summe zeitlich strukturierter Komponenten zusammen, welche aus klimatologischem Blickwinkel interpretierbar erscheinen. Es werden Funktionen zugelassen, die den Jahresgang, Trends, episodische Komponenten und deren Änderung beschreiben. Die Extremereignisse sind als eine besondere weitere Komponente in die Zeitreihenanalyse aufgenommen und als von Änderungen in den Parametern der Verteilung unabhängige, extreme Werte definiert. Die Zufallseinflüsse sollen zunächst als Realisierungen unabhängiger normalverteilter Zufallsvariablen mit dem Erwartungswert Null und im Zeitablauf konstanter Varianz interpretiert werden können. In diesem Fall beschreibt die analytische Funktion der Zeit, die Summe detektierter strukturierter Komponenten, den zeitlichen Verlauf des Mittels. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich beobachteter Wert kann dann als eine mögliche Realisation einer Zufallsvariablen interpretiert werden, die der Gaußverteilung mit dem Mittelwert µ(t) zur Zeit t und konstanter Varianz genügt. Da die zugrundeliegenden Annahmen, unter Verwendung klimatologisch interpretierbarer Basisfunktionen, in der Analyse von Klimazeitreihen, die nicht die Temperatur betreffen, zumeist nicht erfüllt sind, wird in eine Verallgemeinerung des Konzepts der Zeitreihenzerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil eingeführt. Zeitlich strukturierte Änderungen werden nun in verschiedenen Verteilungsparametern frei wählbarer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen gesucht. Die gängige Beschränkung auf die Schätzung einer zeitlich veränderlichen Lokation wird aufgehoben. Skalenschätzer sowie Schätzer fär den Formparameter spielen ebenso relevante Rollen fär die Beschreibung beobachteter Klimavariabilität. Die Klimazeitreihen werden wieder als Realisation eines Zufallprozesses verstanden, jedoch genügen die Zufallsvariablen nun einer frei wählbaren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Die zeitlich strukturierten Änderungen in den Verteilungsparametern werden auf Basis der gesamten Zeitreihe für jeden Zeitpunkt geschätzt. Die aus der Analyse resultierende analytische Beschreibung in Form einer zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ermöglicht weiterhin die Schätzung von Über- und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten beliebig wählbarer Schwellenwerte für jeden Zeitpunkt des Beobachtungszeitraums. Diese Methode erlaubt insbesondere eine statistische Modellierung monatlicher Niederschlagsreihen durch die Zerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil. In dem speziellen Fall von 132 Reihen monatlicher Niederschlagssummen deutscher Stationen 1901-2000 gelingt eine vollständige analytische Beschreibung der Reihen durch ihre Interpretation als Realisation einer Gumbel-verteilten Zufallsvariablen mit variablem Lage- und Streuparameter. Auf Basis der gewonnenen analytischen Beschreibung der Reihen kann beispielsweise im Westen Deutschlands auf Verschiebungen der jährlichen Überschreitungsmaxima des 95%-Perzentils von den Sommer- in die Wintermonate geschlossen werden. Sie werden durch relativ starke Anstiege in der Überschreitungswahrscheinlichkeit (bis 10%) in den Wintermonaten und nur geringe Zunahmen oder aber Abnahmen in den Sommermonaten hervorgerufen. Dies geht mit einer Zunahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit in den Winter- und einer Abnahme in den Sommermonaten einher. Monte-Carlo-Simulationen zeigen, daß jahreszeitlich differenzierte Schätzungen von Änderungen im Erwartungswert, also gebräuchliche Trends, auf Basis der Kleinst-Quadrate-Methode systematischen Bias und hohe Varianz aufweisen. Eine Schätzung der Trends im Mittel auf Basis der statistischen Modellierung ist somit ebenso den Kleinst-Quadrate-Schätzern vorzuziehen. Hinsichtlich der Niederschlagsanalysen stellen jedoch aride Gebiete, mit sehr seltenen Niederschlägen zu bestimmten Jahreszeiten, die Grenze der Methode dar, denn zu diesen Zeitpunkten ist eine vertrauenswürdige Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht möglich. In solchen Fällen ist eine grundsätzlich andere Herangehensweise zur Modellierung der Reihen erforderlich.
In dieser Arbeit wurden zwei Idealkristallsysteme und drei Systeme, die im weitesten Sinne als Domänenkristalle zu bezeichnen sind, mit quantenmechanischen Methoden untersucht, die auf Dichte-Funktional-Theorie basieren. Dabei wurden je nach System unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Kristalle betrachtet. Zusätzlich wurden die berechneten Domänenkristalle jeweils mit entsprechenden Idealkristallen bezüglich ihrer Stabilität verglichen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die hier verwendeten Rechenmethoden sehr gut zur Untersuchung von Grundzuständen und Strukturen unter hydrostatischem Druck sowie von Bindungseigenschaften eignen. Desweiteren lieferten die Ergebnisse starke Hinweise darauf, dass Kristalle mit Strukturgradienten nur dann existieren können, wenn sie sich vom Idealkristall um sehr geringe Energien unterscheiden, die unter der Fehlergrenze der hier angewendeten Methode (2-3 kJ/Mol) liegen.
In der Stratosphäre finden eine Reihe von dynamischen und chemischen Prozessen statt, die u.a. den Abbau von Ozon beeinflussen. Um die langfristigen Veränderungen in der Stratosphäre untersuchen zu können müssen die Abhängigkeit dieser Prozesse von Raum und Zeit bekannt sein. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zur Variabilität der Stratosphäre auf der Grundlage der Varianz von Tracern, die in Form der „Equivalent Displacement Height“, kurz: EDH, dargestellt wird, vorgestellt. Die EDH ist tue mit Hilfe des lokalen vertikalen Gradienten normierte lokale Standardabweichung des Mischungsverhältnisses eines Tracers und besitzt die Dimension einer Länge. Durch die Normierung kann die Varianz verschiedener Tracer miteinander verglichen werden. Mit dem Konzept ist allerdings nur die Diagnose der Variabilität möglich und keine Quantifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse. Für die Fragestellung werden drei Datensätze ausgewertet. Ein Datensatz ist mit Hilfe eines kryogenen Luftprobensammlers entstanden. Die Berechnungen iii dieser Arbeit zeigen, dass die zeitliche und räumliche Abdeckung dieses Datensatzes zu niedrig ist, um mit ihm eine repräsentative Aussage über die Varianz von Spurengasen in der Stratosphäre treffen zu können. Eine bessere zeitliche und räumliche Abdeckung besitzt der Datensatz des Satellitenexperimentes HA-LOE. Dieser wird dazu verwendet die monatlichen Verteilungen der mittleren EDH von CH4 und O3 in einem Höhenbereich zwischen 19 und 50 km für einen Zeitraum von 1993 bis 2000 zu berechnen. Die mittlere EDH von OH4 besitzt über den Hemisphären jeweils einen unterschiedlichen Jahresgang. Die Diskussion zeigt, dass dieser hemisphärische Unterschied auf die verschiedenen dynamischen Bedingung in der Stratosphäre über den Hemisphären zurückgeführt werden kann, vor allem auf die Existenz eines stabileren und langlebigeren Polarwirbels in der Südhemisphäre. Im Gegensatz dazu zeigt die mittlere EDH von O3 über beiden Hemisphären einen vergleichbaren Jahresgang, mit minimalen Werten der Varianz während der Sommermonate, wenn die Ausbreitung planetarer Wellen in die Stratosphäre durch die vorherrschende Ostwindzirkulation behindert wird. Dieser Jahresgang steht in Verbindung mit den chemischen und dynamischen Prozessen bzw. der Kombination, welche die Verteilung und Varianz von O3 in der Stratosphäre kontrollieren. Eine eindeutige Trennung der einzelnen Effekte ist dabei allerdings nicht möglich. Der Datensatz des Simulationsmodell KASIMA enthält die Verteilung von CH4 und O3 mit der höchsten zeitlichen und räumliche Abdeckung aller drei Datensätze. Ein Vergleich zwischen den daraus berechneten Verteilungen der mittleren EDH beider Spurengase mit den HALOE-Daten soll helfen, die Varianz welche durch das Modell simuliert wird, mit der gemessenen zu vergleichen. Für das O3 wird eine gute Übereinstimmung zwischen der modellierten und gemessenen Varianz gefunden. Diese guten Übereinstimmungen ergeben sich für CH4 nicht. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der beiden Tracer wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass das Modell die chemischen Prozesse besser simuliert als den atmosphärischen Transport. Mit Hilfe von drei Fallstudien werden weitere Möglichkeiten aufgezeigt. die mit dem Konzept und den Datensätze von HALOE und KASIMA noch bestehen. In der ersten Fallstudie werden anhand der Verteilungen der EDH von CH4 aus dem März 1996 und 1997 die Auswirkungen vorm zwei unterschiedlichen meteorologischen Situation diskutiert, wobei ein eindeutiger Zusammenhang festgestellt wird. In einer zweiten Fallstudie wird der Frage nachgegangen, ob die Normierung auf den vertikalen Gradienten bei der Berechnung der EDH sinnvoll ist, da horizontale Transportprozesse in der Stratosphäre dominieren. Es wird daher zum Vergleich die „Equivalent Displacement Length (EDL)“ von CH4 berechnet, bei der eine Normierung der Varianz auf den horizontalen Gradienten erfolgt. In der dritten Fallstudie wird die Verteilung der mittleren EDH von N20, welche ebenfalls mit dem Datensatz von KASIMA berechnet worden ist, mit der von CH4 verglichen.
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? ...
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.
Partial melting of crustal and mantle rocks under pressure from impedance spectroscopy measurements
(2004)
The purpose of this work is to achieve a better understanding of the physical properties of rocks during partial melting processes. The electrical conductivity of some crustal and upper mantle rocks was measured prior and above the melting under pressure. The variations of the electrical conductivity were compared with the distribution of melt in partially molten rock samples. The electrical conductivity was estimated from the impedance spectroscopy at temperatures between 800 and 1450˚C and at pressures between 0.3 and 2 GPa. These measurements were performed in a piston cylinder apparatus. At temperatures above the melting, samples were equilibrated during a long time and subsequently quenched. Thin sections were prepared and topology, volume fraction and chemical composition of melt was analyzed by using a microprobe. Above the solidus temperature, the electrical conductivity increases for about 1 to 2 orders of magnitude in comparison with non-melted rocks. The "melt effect" seems to reflect the formation of an interconnected network of melt. When a complete melt connectivity is established, the charge transport follows the network of the formed melt films at grain boundaries. Usually, it takes a long time in order to reach a steady state of the electrical resistance in partially molten rocks. Only when a steady state of the electrical resistance is achieved, the bulk conductivity of a sample can be measured properly. The time-independent electrical conductivity were found only after 200 h of annealing time at a desired temperature.
Usually, the measurements of a dihedral angle on grain-liquid interfaces in rocks show that the wetting of grain faces start to develop at temperatures slightly above the solidus temperature. The development of these faces should lead to a continuous melt network even at small melt fractions of few wt.%. This result is not confirmed by our electrical conductivity measurements. The complete interconnection of the melt phase, which was mark by an increase of the electrical conductivity, corresponds to a temperature significantly above the solidus temperature, for at least 30-50˚C. The development of these faces stimulate a significant increase of the electrical conductivity, and corresponds to the occurence of at least 5 wt.% of a melt fraction. This result could be explained by deviations from the textural equilibrium of a melt phase topology in partially molten samples due to heterogeneous grain size distribution, misorientation of grains and anisotropy of the superficial energy of adjacent grain boundaries.
Some mixing models that allow to calculate the electrical conductivity of a composite as a function of a melt fraction were examined and the results of these calculations are discussed.
The experimental results were compared to the conductivity data obtained from magnetotelluric and electromagnetic measurements in the Northern part of mid-Atlantic ridge where a series of magma chambers are presumably located. There is a good agreement between our conductivity values for a melt fraction of 10-13 the conductivity estimated in the Reykjanes ridge zone.
In dieser Arbeit wird die erstmals von Stevenson et al. (89, GRL) beschriebene spannungsangetriebene Schmelzsegregation, die Kanalisierungsinstabilität, numerisch mit Hilfe des 2D Finite-Differenzen-Codes FDCON (Schmeling, 00, Kluwer) untersucht. Diese Untersuchung stellt eine Weiterführung der numerischen Experimente von Richardson et al. (96, JGR) und Hall et al. (00, GRL) dar, so dass die Erforschung der Kanalisierungsinstabilität erweitert wird um den Aspekt ihres Verhaltens bezüglich eines äußeren Spannungsfeldes bei verschiedenen initialen Porositätsverteilungen, der Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität bei großen Dehnungen und der damit verbundenen Analyse der entstehenden Strukturen, des Einflusses des Auftriebs auf die Ausbildung von Kanalnetzwerken und um die abschließende Prüfung, ob durch ein durch die Kanalisierungsinstabilität ausgebildetes Kanalnetzwerk die Möglichkeit besteht, Schmelze zu einem MOR zu fokussieren. Die Kanalbildung wird derzeit von Holtzman et al. (03, G3) (Hochdruckexperimente an synthetischem Olivin+MORB), Spiegelman et al. (03, G3) (theoretische Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität) und Rabinowicz et al. (04, JGR) (numerische Simulation und theoretische Betrachtung der Kanalisierungsinstabilität) intensiv untersucht, die Fokussierung der Schmelze behandeln Sparks et al. (94, Academic Press), Hall et al. (03, G3) sowie Kühn (05, in-press). Viskositätsunterschiede in einer schmelzgefüllten porösen Matrix verursachen bei deren Deformation einen Druckgradienten, welcher die Schmelze in Richtung der maximalen Hauptspannung anreichert und zur Ausbildung von Kanälen, welche eine inhomogene Schmelzverteilung aufweisen, führt. Die Wachstumsrate Alpha dieser Kanäle weist zur Wellenzahl k eine Proportionalität von Alpha ~ ak^2/(1+bk^2) auf. Dieser Zusammenhang hat zur Folge, dass sich ab einer bestimmten Wellenzahl alle Schmelzverteilungen größerer Wellenzahl gleich verstärken. Bei anhaltender Dehnung kann beobachtet werden, dass die ausgebildeten Kanäle an den verarmten Kanalstellen auseinander gerissen werden. Nachfolgend verbinden sich die hierdurch entstandenen Schmelzlinsen unter der Bildung von en-echelon arrays wieder, wodurch sich wiederum ein langer, in etwa um 45° ausgelenkter (linksdrehendes Koordinatensystem, mit 0° gleich der Vertikalen) Kanal bildet. Diese Beobachtungen fanden unter der Bedingung, dass kein Auftrieb zwischen Schmelze und Matrix existiert, statt. Wird dieser Auftrieb hinzugefügt, so ist erkennbar, dass eine Kombination zwischen den die Kanalisierungsinstabilität und den Auftrieb bestimmenden Parametern existiert, bei der sich Solitonen ausbilden. Diese Solitonen folgen bei ihrem schnelleren Aufstieg dem Verlauf der schmelzgefüllten Kanäle und passieren dabei, ohne ihre Form zu verändern, andere kleine Solitonen, die ihren Weg kreuzen. Die durchschnittliche Aufstiegsgeschwindigkeit der Solitonen entspricht einem Vielfachen der Aufstiegsgeschwindigkeit der Schmelze aufgrund von Segregation. Weiterhin deckt sich die Solitonaufstiegsgeschwindigkeit mit der von Schmeling angegebenen. Bisher konnte in die Theorie für trockene (wasserfreie) Medien kein frühzeitiger Abfall der Wachstumsrate bei großen Wellenzahlen implementiert werden. Lediglich unter dem Gesichtspunkt der Diffusion von Wasser zwischen der Matrix und der Schmelze und des erweichenden Effekts von Wasser konnte bei einer spezifischen Wellenzahl eine maximale Wachstumsrate gefunden werden (Hall et al., 2000, GRL). Der Versuch der Anwendung der bisher erzielten Ergebnisse auf die Interaktion eines aufsteigenden Plumes mit einer spreizenden Kruste erbrachte keine direkte Fokussierung der Schmelze zum MOR hin. Die Spannungsverteilung dieser Experimente zeigt, dass der Plumestamm aufgrund eines defokussierenden Kanalnetzwerks im Stamm sowie eines nahezu vertikal verlaufenden Kanalnetzwerks am Rand des Plumestammes von einer Zone erhöhter Schmelzkonzentration ummantelt sein könnte. In dieser Ummantelung steigt die Schmelze dann in vertikal verlaufenden Kanälen auf, wobei sie in den hier vorgestellten Experimenten (Plumekopfausdehnung ~150 km) in einer Entfernung von ~100 km zum MOR auf die Lithosphärenunterseite (Tiefe ~50 km) treffen würde. Aufgrund der Lithosphärenstruktur (Wurzel-t-Gesetz) könnte die Schmelze an der schrägen Lithosphärenunterseite zum MOR hin strömen (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03 G3). Diese Prozesse (Kanalisierungsinstabilität (Stevenson et al., 89, GRL), Entlangströmen der Schmelze an der Lithosphärenunterseite (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03, G3) und der Recyclingprozess der Schmelze) stellen das Erklärungsmodell dieser Arbeit dar, wie eine Fokussierung von Schmelze zum MOR bei einer Interaktion von diesem mit einem Plume aussehen könnte.
Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten wurde am Mineralogischen Institut in Frankfurt eine Hochdruckpresse mit einer Multi-Anvil-Apparatur vom Walker-Typ aufgebaut und kalibriert. Diese Arbeiten nahmen einen beträchtlichen Teil der Promotionszeit ein. In einer Reihe von Hochdruck-Experimenten wurde dann die maximale Löslichkeit von Aluminium und den Seltenerd-Elementen Lanthan, Gadolinium und Lutetium in den Phasen des CaSiO3-Systems im Druckbereich zwischen 2.0 und 13.0 GPa untersucht. Unsere Experimente ergaben eine Zunahme der maximalen Löslichkeit mit steigendem Druck, von Wollastonit über Ca-Walstromit, Larnit + Si-Titanit bis Ca-Perowskit. Ca-Perowskit zeigt extrem hohe SEE-Konzentrationen mit einem Maximum bei den mittleren SEE. In den anderen Phasen nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Kompatibilität der SEE zu. Innerhalb der Stabilitätsfelder zeigte sich keine signifikante Druck- oder Temperatur-Abhängigkeit der maximalen Löslichkeit. Anhand der Mikrosonden-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Einbau von Al und SEE in Ca-Walstromit nicht über eine gekoppelte Substitution erfolgt, sondern wahrscheinlich über eine Defektstruktur. Dies deckt sich mit unseren TEM-Untersuchungen an diesen synthetischen Produkten, die eine hohe Dichte an planaren Baufehlern mit leicht erhöhten SEE-Konzentrationen ergaben. In allen Ca-Silikat-Phasen lag die maximale Löslichkeit der Seltenen Erden höher als die Konzentration in natürlichen Proben. Damit steht fest, dass die in Einschlüssen gemessenen SEE-Gehalte „primär“ sind und sich nicht durch etwaige Entmischungen im Zuge einer Anpassung der Kristallstruktur an die veränderten P,T-Bedingungen verändert haben. Entmischungen in Form einer SEE-reichen Phase würden eine an LSEE extrem angereicherte Quelle voraussetzen. Ein Vergleich unserer Subsolidus-Experimente mit CaSiO3-Einschlüssen in Diamanten aus Guinea zeigt, dass einige mit bis zu 0.13 Gew.% Al2O3 an Aluminium gesättigt sind. Diese Tatsache ist besonders interessant bei der Interpretation Alhaltiger Einschlussphasen. Neben absoluten Spurenelement-Konzentrationen sind Verteilungskoeffizienten äußerst wertvolle Hilfsmittel bei der Bewertung natürlicher Proben. Die in der Literatur bestehenden Datensätze wurden mit unseren Kristall/Schmelz-Verteilungskoeffizienten bzw. Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Silikatphasen erweitert. Verteilungskoeffizienten der Seltenerd-Elemente zwischen Ca-Walstromit und Karbonat sind um eine Größenordnung höher als Ca-Walstromit/Schmelz-Verteilungskoeffizienten und zeigen eine größere Steigung zwischen den MSEE und den SSEE (Lu/Gd). Die Seltenen Erden verhalten sich sowohl in Larnit als auch in Si-Titanit inkompatibel, wobei DX/L La für Larnit etwa 0.1 und für CaSi2O5 etwa 0.002 ist, d.h. auch, dass die LSEE im Vergleich zu Si-Titanit bevorzugt in Larnit eingebaut werden. Al verhält sich in Si-Titanit Zusammenfassung 147 kompatibel (DX/LAl=4) und in Larnit leicht inkompatibel. Diese Ergebnisse decken sich mit Analysen an natürlichen Proben. Die SEE-Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Perowskit und Schmelze liegen mit Ausnahme von La über eins und zeigen in Übereinstimmung mit Literaturdaten ein Maximum bei Gd. Für Granat konnte gezeigt werden, dass der Einbau der SEE und Si in MgO-haltigen Kristallen in Abhängigkeit von Druck und Startzusammensetzung über eine Ca SEE2 Mg2 Si3O12- Komponente bzw. über eine Ca3 MgSi Si3O12-Komponente mit 6-fach koordiniertem Silizium erfolgt. In zahlreichen Experimenten kristallisierte eine neue Ca-SEE-Silikat-Phase mit Feldspat-Stöchiometrie. Dabei handelt es sich offenbar um ein Mischkristallsystem mit einem Endglied, in das vorwiegend die leichten SEE eingebaut werden und in einem zweiten mit vorwiegend schweren SEE. Ab einem Druck von etwa 10.0 GPa trennt ein Solvus die beiden Endglieder voneinander. In der Literatur ist bisher nur ein CaLa2Si2O8-Endglied beschrieben worden. In einigen Experimenten mit P und Li wurde zusätzlich untersucht, ob diese Elemente zur Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von Diamanten verwendet werden können. Dabei zeigte sich, dass die max. Löslichkeit von Li in CaSiO3 näher an den natürlichen Probenzusammensetzungen liegt und damit möglicherweise Potential für die Rekonstruktion von Bildungsbedingungen hat. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik retrograder Reaktionen im CaSiO3-System untersucht. Die für die In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung notwendigen Versuchsaufbauten wurden von uns entwickelt und die entsprechenden Entwicklungsschritte und technischen Probleme ausführlich beschrieben. Anhand von Entlastungsexperimenten wurden die Disproportionierung von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit und die Rekombination zu Ca-Walstromit bei unterschiedlichen Temperaturen und unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Aufgrund der wenigen verwertbaren Daten, die uns vorliegen, konnten zwar keine Aktivierungsenergien berechnet werden, es sind aber aufgrund unser Beobachtungen folgende Feststellungen zu treffen: Die Reaktion von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit erfolgt bei gleicher Temperatur offenbar um Größenordnungen schneller als die sich bei niedrigen Drucken anschließende Rekombination zu Ca-Walstromit. Dies deckt sich mit Beobachtungen an natürlichen Proben, bei denen Larnit und Si-Titanit teilweise unvollständig zu Ca-Walstromit reagierten. Dadurch erscheint es eher unwahrscheinlich, dass amorphes CaSiO3 in Diamanten ein direktes Umwandlungsprodukt von Ca-Perowskit ist. Aber auch für die in der Literatur beschriebene Amorphisierung von Ca-Walstromit-Einschlüssen (Stachel 2000) noch innerhalb des umgebenden Diamanten ließ sich durch unsere In-Situ-Entlastungsexperimente nicht stützen. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit beobachteten wir nur bei einer Untersuchung am TEM, wo die Phase sehr instabil war und selbst in einem Kryohalter rasch unter dem Einfluss der Elektronenstrahls amorphisierte. Die Beugungs-Spektren, die nach einer Druckentlastung im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld aufgenommen wurden, unterschieden sich trotz der CaSiO3-Chemie der neu gebildeten Phase deutlich von unseren Ca-Walstromit-Referenz-Spektren, so dass die Umwandlung möglicherweise über eine metastabile Zwischenstufe erfolgt. Vor dem Hintergrund von unterschiedlichen, in der Literatur beschriebenen Strukturtypen von Ca-Walstromit wäre eine systematische Untersuchung der Struktur innerhalb des gesamten Stabilitätsfeldes wichtig.
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
One possible approach to study systematically the influence of the deformation regime on the geometry of geological structures like folds and boudins is analogue modelling. For a complete understanding of the resulting structures, consideration of the third dimension is required. This PhD study deals with scaled analogue modelling under constriction and plane-strain conditions to improve our knowledge of folding and boudinage of lower crustal rocks in space and time. Plasticine is an appropriate analogue material for rocks in the lower crust. Therefore, this material was used for the experiments. The macroscopic behaviour of most types of plasticine is quite similar to rocks undergoing strain-rate softening and strain hardening regardless of the different microscopic aspects of deformation. Therefore, if one is aware that the stress exponent and viscosity increase with increasing strain, the original plasticine types used with stress exponents ranging from 5.8 to 8.0 are adequate for modelling geologic structures. The same holds for plasticine/oil mixtures. Thus, plasticine and plasticine/oil mixtures can be used to model the viscous flow of different rock types in the lower crust. If climb-accommodated dislocation creep and associated steady-state flow is assumed for the natural rocks, the plasticine/oil mixtures should be used, which flow under steady-state conditions. Three different experimental studies of plane-strain coaxial deformation of stiff layers, with viscosity η2 and stress exponent n2, embedded in a weak matrix, with viscosity η1 and stress exponent n1, have been carried out. The undeformed samples (matrix plus layer) were cubes with an edge length of 12 cm. All experimental runs have been carried out at T = 25 ± 1°C and varying strain rates ė, ranging from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1, until a finite longitudinal strain of 30% – 40% was achieved. The first experimental study improved the understanding about the evolution of folds and boudins when the layer is oriented perpendicular to the Y-axis of the finite strain ellipsoid. The rock analogues used were Beck’s green plasticine (matrix) and Beck’s black plasticine (competent layer), both of which are strain-rate softening modelling materials with stress exponent n = ca. 8. The effective viscosity η of the matrix plasticine was changed by adding different amounts of oil to the original plasticine. At a strain rate ė of 10 high -3 s high -1 and a finite strain e of 10%, the effective viscosity of the matrix ranges from 1.2 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s. The effective viscosity of the competent layer has been determined as 4.2 x 10 high 7 Pa s. If the viscosity ratio is large (> ca. 20) and the initial thickness of the competent layer is small, both folds and boudins develop simultaneously. Although the growth rate of the folds seems to be higher than the growth rate of the boudins, the wavelength of both structures is approximately the same as is suggested by analytical solutions. A further unexpected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is a significant increase in thickness, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. In the second experimental study, the impact of varying strain rates on growing folds and boudins under plane strain have been investigated. The strain rates used range from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb grey and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials with power law exponents (n) and apparent viscosities (η) ranging from 6.5 to 7.9 and 8.5 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s, respectively. The effective viscosity (η) of the matrix plasticine was partly modified by adding oil to the original plasticine. At the strain rates used in the experiments the viscosity ratio between layer and matrix ranges between 3 and 10. Different runs have been carried out where the layer was oriented perpendicular to the principal strain axes (X>Y>Z). The results suggest a considerable influence of the strain rate on the geometry of the deformed stiff layer including its thickness. This holds for every type of layer orientation (S ┴ X, S ┴ Y, S ┴ Z). If the stiff layer is oriented perpendicular to the short axis Z of the finite strain ellipsoid, the number of the resulting boudins and the thickness of the stiff layer increase, whereas the length of boudins decreases with increasing strain rate. If the stiff layer is oriented perpendicular to the long axis, X, of the finite strain ellipsoid, enlargement of the strain rate results in increasing wavelength of folds, whereas the number of folds and the degree of thickening of the stiff layer decreased. If the stiff layer is oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid enlargement of the strain rate results in a decreasing number of boudins and folds associated with increasing wavelengths of both structures. The wavelength of folds is approximately half of the boudins wavelength. This is true for the case where folds and boudins develop simultaneously (S ┴ Y) and for cases where both structures develop independently (folds at S ┴ X and boudins at S ┴ Z). In the third experimental study, scaled analogue experiments have been carried out to demonstrate the growth of plane-strain folds and boudins through space and time. Previous 3D-studies are based only on finite deformation structures. Their results can therefore not be used to prove if both structures grew simultaneously or in sequence. Plane strain acted on a single stiff layer that was embedded in a weak matrix, with the layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. Two different experimental runs have been carried out using computer tomography (CT) to analyse the results. The first run was carried out without interruption. During the second run, the deformation was stopped in each case at longitudinal strain increments of 10%. Every experiment was carried out at a temperature T of 25°C and a strain rate, ė, of ca. 4 x 10 high -3 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 18.6 between the non-linear viscous layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine with 150 ml oil kg high -1). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 1.2 x 10 high 6 Pa s and 10.5. These new data that result from incremental analogue modelling corroborate previous suggestions that folds and boudins are coeval structures in cases of plane-strain coaxial deformation with the stiff layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. They will be of interest for all workers who are dealing with plane-strain boudins and folds, where the fold axes are parallel to the major axis (X) of the finite strain ellipsoid. As has been demonstrated by the first experimental study, coeval folding and boudinage under plane strain, with S ┴ Y, are associated with a significant increase in the thickness of the competent layer. The latter phenomenon does not occur in other cases of simultaneous folding and boudinage, such as bulk pure constriction. To study the impact of layer thickness on the geometry of folds and boudins under pure constriction, we carried out additional experiments using different types of plasticine for a stiff layer and a weaker matrix to model folding and boudinaging under pure constriction, with the initially planar layer oriented parallel to the Xaxis of the finite strain ellipsoid. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb brown and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials. Six runs have been carried out using thicknesses of the stiff layer of 1, 2, 4, 6, 8 and 10 ± 0.2 mm. All experimental runs were carried out at a temperature T of 30 ± 2°C and a strain rate, ė, of ca. 1.1 x 10 high -4 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 3.1 between the stiff layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 7.2 x 10 high 6 Pa s and 7.9. Our results suggest a considerable influence of the initial thickness of the stiff layer on the geometry of the deformed stiff layer. There is no evidence for folding in XY=XZ-sections if the initial thickness of the competent layer is larger than ca. 8 mm. If the initial thickness of the competent layer is set at ca. 10 ± 0.2 mm, both folds and boudins develop simultaneously. However, the growth rate of the boudins seems to be higher than the growth rate of the folds. A further expected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is no change in thickness of the competent layer, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. The model results are important for the analysis and interpretation of deformation structures in rheologically stratified rocks undergoing dislocation creep under bulk constriction. Tectonic settings where constrictional folds and boudins may develop simultaneously are stems of salt diapirs, subduction zones or thermal plumes. To make (paleo) viscosimetric statements possible, the rheological data of the different plasticine types were related to the geometrical data. When comparing the normalized dominant wavelength Wd obtained from the deformed layer of the models with the theoretical dominant wavelength (Ld) calculated using the Smith equation (1977, 1979), the latter probably also holds when folding and boudinage develop simultaneously (S ┴ Y) and when boudins develop independently (S ┴ Z), but can obviously not be applied at very low viscosity ratios as is indicated by the low-strain-rate experiments.
Ca-Silikate als natürliche Einschlüsse in Diamanten sind so extrem selten und bislang wenig untersucht, daß der Weg, sie synthetisch herzustellen, um entsprechende Analysen durchführen zu können, gerechtfertigt wird. Um die Veränderungen über einen großen Druckbereich bis zu Bedingungen, die dem Unteren Erdmantel entsprechen, durchführen zu können, wurde ein neues Hochdrucklabor mit einer Multi-Anvil-Presse aufgebaut. In dieses Labor sind viele Erfahrungen aus eigenen Experimenten und aus anderen Arbeitsgruppen eingeflossen, sodaß eine leistungsfähige Hochdruckanlage zur Verfügung steht. Kernstück dieses Hochdrucksystems ist der innere Hochdruckaufbau, wobei nicht ein bereits etablierter Hochdruckaufbau kopiert, sondern - durch das Integrieren der Vorzüge von unterschiedlichen Systemen - ein eigenständiger Hochdruckaufbau entwickelt wurde. Das System ist für weitere Ausbaumöglichkeiten vorbereitet, sodaß z. B. großvolumige Kapseln zusammen mit den Ceramcast-Oktaedern bis 80 kbar eingesetzt werden können, bzw. der maximale Druckbereich mit einem 10/4 mm Aufbau bis über 200 kbar ausgeweitet werden kann. Die Untersuchung der Reaktionskinetik an den Ca-Silikatphasen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus vorangegangenen Experimenten und Untersuchungen ist die "nicht Quenchbarkeit" von Ca-Perovskit und die Amorphisierung von Ca-Walstromit bekannt, sodaß sich die Untersuchungen mittels der herkömmlichen Hochdruckmethoden für diese Fragestellung als nachteilig erweisen. Dank der Zusammenarbeit mit dem "Material Science Laboratory" am Synchrotron in Daresbury bot sich die Möglichkeit, in situ Hochdruckexperimente an den Ca-Silikatphasen durchzuführen. Es stand nur eine begrenzte Entwicklungszeit zur Verfügung, um die neuartige "fine-to-fine" Geometrie zu entwickeln und zu erproben. Mit diesem Hochdruckaufbau ist es gelungen, in situ Hochdruckexperimente bei bis zu 150 kbar und 1400°C durchzuführen und dabei Ca-Perovskit zu kristallisieren. Mit den kleineren 10mm MgO-Oktaedern und 5 bzw. 4 mm Truncation an den Wolframcarbid-Würfeln sind sogar bei gleicher Geometrie noch höhere Drücke realisierbar. Die Beobachtungen an den durchgeführten Experimente ermöglicht eine Aussage zur Reaktionskinetik der Phasenumwandlung bei Ca-Silikaten. Die Disproportionsreaktion von Ca-Perovskit zu den zwei Phasen Larnit und Si-Titanit läuft sehr rasch ab, wo hingegen die Rekombinationsreaktion dieser beiden Phasen zu Ca-Walstromit kinetisch gehemmt und innerhalb von Stunden keine Umwandlung beobachtet werden konnte. Darüber hinaus bestätigen die eigenen Experimente ein Einsetzen der Amorphisierung von Ca-Perovskit bei Drücken unterhalb von 10 kbar. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit wurde auch nach vollständiger Druckentlastung nicht beobachtet. Werden die Beobachtungen der kinetischen Experimente der Phasenumwandlung an Ca-Silikaten auf die natürlichen Bedingungen bei der Diamantentstehung und deren Aufstiegspfad übertragen, spricht dies für ein Modell des raschen Aufstiegs aus dem Unteren Mantel bzw. der Übergangszone und einem Steckenbleiben im Oberen Mantel bei moderaten Drücken. Der Weg an die Erdoberfläche findet dann zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls mit schnellen Aufstiegsgeschwindigkeiten statt. Die Ergebnisse der Löslichkeits-Hochdruckexperimente von Kalium und Phosphor bestätigen die Beobachtungen, die an den natürlichen Ca-Silikateinschlüssen gemacht wurden. In dem Zweiphasenfeld, in dem Larnit zusammen mit Si-Titanit koexsistiert, hebt sich vor allem die sehr hohe Löslichkeit von Kalium und Phosphor hervor. Zwar wurde bereits in den natürlichen Einschlüssen ein auffallend hoher Gehalt dieser Elemente beobacht, die Experimente zur maximalen Löslichkeit zeigen jedoch, daß sich weitaus höhere Gehalte im Larnit lösen können. Für diese Phase trifft die gekoppelte Substitution von Kalium und Phosphor gegen Calcium und Silicium im Verhältnis 1 : 1 zu. Interessant ist zudem die offenbare Druckhabhängigkeit der Löslichkeit in Larnit. Für eine geobarometrische Anwendung dieses Druckeffekts ist das Stabilitätsfeld mit nur 20 kbar relativ schmal, so daß der Druckgradient gering ist. Die Titanit-Struktur erweist sich im Gegensatz dazu als nicht kompatibel für diese Elemente. In Si-Titanit werden nur extrem geringe Gehalte an Kalium und Phosphor eingebaut. In den natürlichen Einschlüssen wurden gleichermaßen geringe Gehalte nachgewiesen. Damit kann vom Erreichen der maximalen Löslichkeit in den natürlichen Proben ausgegangen werden. Als potentieller Träger von Kalium und Phosphor in der Übergangszone ist die Phase Larnit. Sie kann sehr hohe Gehalte dieser Elemente aufnehmen, mit steigendem Druck nimmt die Löslichkeit jedoch ab. Direkte Messungen der Löslichkeit an Ca-Perovskit liegen bislang nicht vor. Die Experimente an der unteren Stabilitätsgrenze zeigen sehr geringe Gehalte an Kalium und Phosphor. Eine Substitution in dieser sehr dichten Struktur findet nicht statt. Die geringe Löslichkeit in Ca-Perovskit entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Diese Phase galt bislang als möglicher Träger von Kalium und Phosphor im Unteren Mantel. Wenn davon ausgegangen wird, daß Einschlüsse, in denen Larnit und Si-Titanit nachgewiesen werden, möglicherweise ehemals Ca-Perovskit gewesen sind und damit eine Herkunft aus dem Unteren Mantel haben, so sprechen die hohen Gehalte an Kalium und Phosphor in Larnit gegen diese Annahme. Ein Einschluß, der als Ca-Perovskit im Unteren Mantel kristallisiert ist, kann nicht die großen Mengen an Kalium und Phosphor einbauen, wie sie dann im Larnit als direkte Umwandlungsphase nachgewiesen werden. Möglicherweise sind Einschlüsse, die hohe Gehalte an Kalium und Phosphor zeigen, in dem Zweiphasenstabilitätsfeld Larnit/Si-Titanit kristallisiert, und ein Hinweis darauf, daß sie kein Disproportionsprodukt aus vormaligem Ca-Perovskit sind. Bislang ungeklärt bleibt die Frage, ob mit höherem Druck die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Perovskit zunimmt. Wenn eine Druckabhängigkeit der Löslichkeit vorliegt, würde dies dafür sprechen, daß die Diamanten mit Ca-Perovskit-Einschlüssen aus dem Unteren Mantel stammen und nicht aus der Übergangszone. Die Annahme der Herkunft dieser speziellen Diamantparagenese aus dem Unteren Mantel wird auch durch das Auftreten von Ferro-Periklas und Stichovit zusammen mit Ca-Perovskit im gleichen Diamantkristall bekräftigt. Zukünftige Experimente bei höheren Drücken könnten die Frage klären, ob bei einer Druckerhöhung eine Zunahme der Löslichkeit in Ca-Perovskit beobachtet wird. Eine beachtliche Zunahme der Löslichkeit mit dem Druck würde das Modell der Herkunft der Ca-Silikateinschlüsse aus dem Unteren Mantel stützen. Die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Walstromit zeigt sowohl in den natürlichen Einschlüssen als auch in den Experimenten mittlere Gehalte dieser Elemente an. Abweichend von den Beobachtungen in den Einschlüssen ist jedoch der erhöhte Kaliumgehalt, der nicht den erwarteten stöchiometrischen Austausch von 1 : 1 wiedergibt. Untersuchungen an natürlichen Ca-Walstromit als Einschlüsse in Diamanten werden zukünftig von besonderem Interesse sein, da diese Einschlüsse entsprechend häufiger auftreten und als Probenmaterial vorliegen. Weitere Experimente im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld mit unterschiedlichen Gehalten an Spurenelementen und entsprechenden Strukturuntersuchungen können die Frage der Stabilität bzw. der Amorphisierung klären. Ein unmittelbares Amorphisieren von Ca-Walstromit nach der Druckentlastung wird nicht beobachtet und auch die energiereiche Strahlung der Mikrosonde bzw. des Synchrotrons hat keine Amorphisierung zur Folge. Beim Bestrahlen mit der sehr energiereichen Strahlung bei den TEM-Untersuchungen zeigt sich jedoch, daß Ca-Walstromit nicht sehr stabil ist und innerhalb weniger Minuten amorphisiert. Die TEM-Untersuchungen weisen auf mögliche Polymorphe von Ca-Walstromit hin. Wenn sich unterschiedliche Polymorphe nachweisen lassen, ist von abweichenden Löslichkeiten und unter Umständen anderen Einbaumechanismen in den Phasen auszugehen.
The present work was devised to address the systematic analysis of samples from a range of Roman non-ferrous metal artefacts from different archaeological contexts and sites in the Roman provinces of Germania Superior. One of the focal points of this study is the provenancing of different lead objects from five important Roman settlements between 15 BC and the beginning of fourth century AD. For this purpose, measurements were made on lead and copper ore samples from the Siegerland, Eifel, Hunsrück and Lahn-Dill area in Germany and supplemented with data from the literature to create a data bank of lead isotope ratios of European deposits. Compositional analysis of lead objects by Electron Microprobe analysis showed that Romans were able to purify lead from ore up to 99%. Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry was used to determine the source of lead, which played an important role in nearly all aspects of Roman life. Lead isotope ratios were measured for ore samples from German deposits from the eastern side of the Rhine (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) and the western side of the Rhine (Eifel, Hunsrück), which contained enough ore reserves to answer the increasing local demand and are believed to have been mined during the Roman period. This data together with those from Mediterranean ore deposits from the literature was used to establish a data bank. The Mediterranean ore deposits range from Cambrian (high 207Pb/206Pb) to tertiary (lower 207Pb/206Pb) values. In particular, the Cypriot deposits are younger, while the Spanish deposits fall either with the younger Sardic ores or close to the older Cypriot ores. The lead isotope ratios of most German ore deposits fall in between the 208Pb/206Pb vs. 207Pb/206Pb ratios of Sardinia and Cyprus, where the lead isotope signature of ore deposits from France and Britain are also found. Over 240 lead objects were measured from Wallendorf (second century BC to first century AD) Dangstetten (15-8 BC), Waldgirmes (AD 1-10), Mainz (AD 1-300), Martberg (first to fourth centuries AD) & Trier (third to fourth centuries AD). Comparing the lead isotope ratios of lead objects and those from German ores shows that the source of over 85 percent of objects are Eifel ore deposits, but the Roman’s had also imported lead from the Southern Massif Central and from Great Britain. A further topic of this work was the systematic study of the variation of copper isotope ratios in different copper minerals and the mechanisms, which controls copper isotope fractionation in ores deposits. For this purpose, copper isotope analyses were made by Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry from a series of hydrothermal copper sulphides and their alteration products. Copper and lead isotope ratios were measured in coexisting phases of chalcopyrite and malachite and also coexisting malachite and azurite. No significant fractionation was observed in malachite-azurite phases, but in chalcopyrite-malachite coexisting phases, malachite always shows a positive fractionation to heavier isotope values. Zhu et al. and Larson et al. showed that isotopic variations in copper principally reflect mass fractionation in response to low temperature processes rather than source heterogeneity. The low temperature ore formation processes are mostly represented by weathering of primary sulphide ores to produce secondary carbonate phases and therefore are usually observed on the surface of ore deposits, which were probably removed during the early Bronze Age. Using this concept, copper isotope ratios were measured in some Early Bronze Age copper alloys and Roman copper alloys. However, no large copper isotope fractionation has been observed. Lead and copper isotope ratios were measured on samples from the Kupferschiefer. Two profiles were investigated; 1) Sangerhausen, which was not directly influenced by the oxidizing brines of Rote Fäule and 2) Oberkatz, where both Rote Fäule-controlled and structure-controlled mineralization were observed. Results from maturation studies of organic matter suggest the maximum temperature affecting the Kupferschiefer did not exceed 130°C. delta-65-Cu ranges between -0.78-+0.58‰, shows a positive correlation with copper concentration. Maximum temperature in the Kupferschiefer profile from Oberkatz is supposed to be around 150°C. delta-65Cu in this profile ranges between -0.71-+0.68‰. The pattern of copper isotope fractionation and copper concentration is same as the for profile of Sangerhausen. Origina lead isotope ratios are strongly overprinted by high concentrations of uranium in bottom of both profiles causing more radiogenic lead.
In Ostkreta tritt innerhalb der Phyllit-Quarzit-Serie ein in vier Einheiten untergliederbares präalpidisches Altkristallin auf. Das basale Kalavros-Kristallin (KCC) wurde während der permischen (Monazitalter) Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) überprägt. Unter amphibolitfaziellen Metamorphosebedingungen bildeten sich liegende Isoklinalfalten sowie eine mylonitische Foliation. Die Verteilung der -c-Achsen von Quarzen belegt non-koaxiale Deformation durch Rhomben<a>- und Prismen<a>Gleitung, die sich in einer hochtemperierten Grenzflächenwanderung (GBM) äußerte. Zudem wuchsen vierphasige Granate, in denen die äußerste Zone auf einen nochmaligen Druckanstieg hindeutet. Die Granate wurden wiederum von Muskoviten, die aus einer Deformation mit Top-E- bis Top-NE-Scherung resultierten, überwachsen. Das überlagernde Myrsini-Kristallin (MCC) besteht aus Glimmerschiefern, Gneisen, Quarziten und Marmoren. Die Liefergebiete der Paragesteine (Zirkonaltersspektrum eines Paragneises) weisen Einflüsse der amazonischen- (2,8 Ga), eburnischen- (1,9 Ga), kibaran/sunsasischen- (0,9 - 1,1 Ga) und panafrikanischen- (0,9 - 0,5 Ga) Orogenese auf. Im Mittelkambrium intrudierten Granite in die sedimentären/kristallinen Gesteine (514 ±14 Ma zrn & 507 ±189 Ma mnz). Während des Unterkarbons (Monazitalter) fand eine Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) mit non-koaxialer Top-N-Scherung statt. Hierbei bildeten sich geschlossene, liegende Falten sowie eine mylonitische Foliation. Die Quarz-c-Achsen belegen non-koaxiale Rhomben<a>- bis Prismen<a>Gleitung, die sich in Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) und hochtemperierter Korngrenzwanderungs-Rekristallisation (GBM) äußerte. Im Gegensatz zu den Granaten des KCC bildeten sich nur dreiphasige Granate. Während des retrograden variszischen Deformationspfades entstanden Top-NE-Scherzonen. Der bis in die Unterkreide anhaltende Aufstieg der Gesteine wird von Zirkon-Spaltspurenaltern (150 ±14 Ma) dokumentiert. Das hangende Chamezí-Kristallin (CCC) besteht aus Gneisen und Glimmerschiefern. Auch hier intrudierten im Mittelkambrium (S-Typ-)Granite (511 ±16 Ma zrn & 521 ±28 Ma mnz). Relikte einer prävariszischen Orogenese stellen die Granatkerne und Margarite in den Glimmerschiefern dar. Das Alter der Barrow-Metamorphose (Granat-Zone) mit Top-N-Scherung konnte mangels geeigneter Minerale nicht bestimmt werden. Die Verteilung der Quarz-c-Achsen resultiert aus einer non-koaxialen Deformation bei der überwiegend Basis<a>- und Rhomben<a>Gleitung mit Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) auftrat. Es bildete sich eine protomylonitische Foliation sowie liegende offene N-S Falten, die anschließend mehrphasig überprägt wurden. Für einen langsamen Aufstieg der Gesteine sprechen die semiduktilen Top-NE-Scherzonen und jurassischen Zirkon-Spaltspurenalter (158 ±16 Ma). Eine unbekannte Position innerhalb des Altkristallins nimmt das Vaí-Kristallin (VCC) ein. Während der Trias intrudierten hier granitoide Gesteine (223 ±11Ma zrn). Eine spätere amphibolitfazielle Überprägung zeigt Top-NW-Scherung. Der schnelle Aufstieg der Gesteine wird durch jurassische Zirkon-Spaltspurenalter dokumentiert (184 ±11 Ma). Die Kristallingerölle der hangenden skythischen Metakalkkonglomerate können auf Grund der permischen bis triassischen Metamorphose der kretischen Altkristalline, der triassischen Intrusion der Granite des Vaí-Kristallins sowie den jurassischen Zirkon-Spaltspurenaltern nicht aus der unterlagernden Altkristallin-Einheit stammen. Der Kontakt zwischen dem Altkristallin und dem Metakalkkonglomerat ist somit das Ergebnis der alpidischen Orogenese. Auch die Zirkone, Monazite und Rutile wurden von der Niedertemperatur/Hochdruck-Metamorphose der alpidischen Orogenese beeinflusst. Vor allem die Zirkone des Chamezí-Orthogneises zeigen einen Pb- und vermutlich auch einen U-Verlust sowie einen Austausch von radiogenem Pb durch rezentes Pb. Dieser niedergradige Fluidtransport äußerte sich zudem in einem Lösen der Zirkone sowie einer zerstörten Zirkonstruktur. Gleichzeitig fand ein Einbau von Ca2+, Mn2+ und Mg2+ statt, der von den Ca-reichen Fluiden, die auf Grund der Karbonat-reichen Deckenstapel auftraten, forciert wurde. Keinen Einfluss auf den Blei-Verlust der Zirkone zeigt dagegen die amphibolit- bis grünschieferfazielle präalpidische Überprägung. Auf Grund der Altersspektren der Zirkone sowie der tektonischen Transportrichtungen werden die Kristallinkomplexe als Fragmente von Gondwana interpretiert. Im Rahmen der spät-panafrikanischen Metamorphose und Deformation erfolgte der Aufstieg der Plutonite, an die sich eine Riftingphase anschließt, während der sich die Fragmente abspalteten. Im Karbon bis Perm kollidierten unter Top-N-Kinematik das MCC, CCC und KCC mit Gondwana. In der Trias erfolgte letztlich der Aufstieg der Plutonite des VCC und dessen anschließende Überprägung. Die Heraushebung der Gesteine erfolgte im Jura.
Die drei Atolle Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands vor der belizischen Küste im Karibischen Meer unterscheiden sich in Geomorphologie, Lagunentiefe, Sedimentbeschaffenheit, Mangroven- und Seegrasbewuchs, Wellen- und Strömungseinfluss sowie in ihren Sedimentationsraten und ihrem Entstehungsalter. Um herauszufinden, ob die Bivalven-Vergesellschaftungen verschiedener Lagunenzonen diese Unterschiede widerspiegeln, wurden 32 bis 44 rezente Sedimentproben auf jedem Atoll entnommen (Gesamtprobenzahl: 111). Deren Datensatz von insgesamt 32 122 Bivalvenschalen wurde anschließend Q-Mode-Cluster-Analysen unterzogen. Neben der Verteilung charakteristischer Arten wurde auch die Verteilung von Bivalven unterschiedlicher Lebens- und Ernährungsweise untersucht. Chione cancellata, ein flach grabender Suspensionsfresser, besiedelt bevorzugt (1) flache, wellen- und strömungsbeeinflusste Lagunenzonen. Die Sedimente (2) sehr hoch energetischer Flachwasserbereiche enthalten zudem hohe Anteile tiefer grabender Suspensionsfresser der Gattung Ervilia. Im (3) Rückriffbereich und am Atollrand sind tief grabende, Detritus fressende Telliniden häufig. Gouldia cerina, wie Chione ein flach grabender Suspensionsfresser, ist typisch für (4) geschlossene Flachwasserbereiche, während die Chemosymbionten-tragende, ebenfalls flach grabende Parvilucina sp. A. vorwiegend in (5) geschlossenen, tiefen Lagunenzonen vorkommt. Charakteristisch für (6) Mangrovengebiete ist Crassinella lunulata, ein sehr flach grabender Suspensionsfresser. Die Anteile taphonomischer Signaturen auf den Schalen, wie Bohrspuren, Inkrustationen, Fragmentierung und Abrasion sowie Diversität, Evenness und Richness sind auf Glovers Reef am höchsten und nehmen über Lighthouse Reef nach Turneffe Islands ab. Da in die gleiche Richtung zunehmende Sedimentationsraten auf den drei Atollen zu verzeichnen sind (GISCHLER 2003), ist vermutlich der abnehmende Effekt des Time-averaging für diesen Trend verantwortlich. Neben der rezenten Fauna wurden auch die Bivalven aus Vibrationsbohrkernen (ein Kern von jedem Atoll) untersucht. Die fossilen Bivalven-Vergesellschaftungen der inneren Lagunen von Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands zeigen seit deren Entstehung eine für das jeweilige Atoll typische Fauna, die sich seit ~7000 YBP weiter entwickelte. Sie reflektieren damit die bereits im Anfangsstadium charakteristischen Unterschiede der drei Atolle.
Since the discovery of the ozone hole [Farman et al., 1985], the dynamics of the stratosphere and the transport of anthropogenic trace gases from the surface to the higher atmosphere has come into the focus of interest. In the tropics, air rises high into the stratosphere and is transported poleward. Trace gases like the CFCs1, photochemically stable in the troposphere, are thus transported into regions where they are photolyzed. The products of the photolysis reactions (eg. Cl, Br) interact in the catalytic ozone cycles and lead to enhanced ozone depletion. Regarding the transport of trace gases, the so-called lowermost stratosphere (LMS) is a very interesting region, where the troposphere and the stratosphere directly interact and air masses out of both regions are mixed. It is the lowest part of the stratosphere between the tropopause and the 380 K isentrope. Tropospheric air can enter this region directly via isentropic transport across the extra-tropical tropopause whereas stratospheric air descends across the 380 K isentrope via the mean meridional circulation. Stratosphere-troposphere exchange (STE) controls the chemical composition of the LMS as well as of the tropopause region and thus has an important effect on the radiative and chemical balance of these regions and the climate system. STE exhibits a strong seasonality [Holton et al., 1995]. While downwelling of stratospheric air across the 380 K isentrope is the dominant process in winter, troposphere-to-stratosphere transport (TST) gains importance in summer, when the downwelling from the stratosphere is only weak. Isentropic transport across the extra-tropical tropopause occurs in regions where the tropopause is strongly disturbed and is connected to tropopause folds, streamer events, frontal zones, polar and subtropical jets, warm conveyor belts and cut-off low systems. A short introduction into STE, the LMS region, and methods to study atmospheric transport is given in Chapter 1. One useful tool to analyse the motions of air and transport processes are longlived trace gases. Since the lifetimes of these tracers are longer than the time scale of the transport processes they are involved in, the distribution of tracers in the atmosphere is mostly determined by dynamics. In the context of this thesis, measurements of such long-lived tracers were performed and used to study transport into the LMS region in the northern hemisphere. During the Vintersol/EuPLEx and ENVISAT validation campaigns in winter 2003, long-lived tracers such as N2O, CH4, CFC-12, CFC-11, H-1211, H2, SF6 and CO2 were measured with the High Altitude Gas Analyser (HAGAR), a two channel in-situ gas chromatograph combined with a CO2 instrument, based on nondispersive infrared absorption. Combined with measurements taken during campaigns in Forli/Italy (ENVISAT validation) in July and October 2002, tracer data were gathered from the tropopause up to altitudes around 20 km during 25 flights on board the Russian high-altitude aircraft M55 Geophysica. Thus, a substantial set of high quality tracer data has been obtained covering the polar vortex region as well as the mid latitudes of the northern hemisphere. Chapter 2 gives an overview of the HAGAR instrument and necessary improvements of the instrumental set up (implementing a CH4 channel) that were performed in the context of this thesis, and review data processing, the measurement campaigns. In order to study transport into the LMS it is assumed that air basically enters the LMS via three different pathways: a) quasi-isentropic transport from the troposphere, b) downward advection from the middle stratosphere through the 380 K surface and c) in the polar vortex region subsidence of air from of the polar vortex. Fractions of air originating in each of these source regions are determined with a simple mass balance calculation by using observations of a subset of the above species with distinct lifetimes (N2O, CH4, CFC-11, H-1211, H2 and O3) yielding complementary constraints on transport from each region. Details of the mass balance calculation and the results are presented in Chapter 3. During the mid-latitude measurement campaigns in Forlí the passing of a cut-off low system associated with an elongated streamer over Europe was observed. The impacts of this event on the trace gas mixing ratios in the LMS are examined in Chapter 4. Finally, a summary is given in Chapter 5.
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.
Der neoproterozoische Faltengürtel Kameruns (NFBC) ist durch Zahlreiche Pan- Afrikanische Plutone charakterisiert, die von krustalen Scherzonen durchsetzt werden. Der NFBC resultiert aus der Konvergenz des Westafrikanischen und des Kongo/Saõ-Francisco Kratons. Die Borborema Provinz (BOP) in NE-Brasilien wird als Äquivalent des NFBC angesehen. Bisher vorliegende Daten legen nahe dass die Borborema Scherzonen in kontinentaler Kruste durch dextrale Extrusion der BOP enstanden sind. Letztere wurde durch differentielle Bewegungen (Rotation induziert durch Subduktion und Kollision) des Kongo/Saõ- Francisco und des Westafrika-Kratons ausgelöst. Die Aktivität der Scherzonen fällt mit einer Hochtemperatur-Mittel- bis Niederdruckmetamorphose zusammen, welche mit partieller Aufschmelzung und Intrusion krustaler sowie Mantelschmelzen einhergeht. Die Bewegungen entlang dieser Scherzonen begannen zwischen 590 und 570 Ma und hielten bei abnehmender Temperatur bis etwa 500 Ma an. Ob die Scherzonen der BOP tatsächlich in den NFBC hineinreichen, war bisher nicht eindeutig geklärt. Die tektonometamorphe und magmatische Entwicklung des NFBC ist aufgrund fehlender struktureller, petrologischer und geochronologischer Daten kaum verstanden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Platznahme und Deformation der Plutone im Bereich des westlichen NFBC in der Region von Bafoussam-Batcha. Es wurden strukturelle Untersuchungen sowie U-(Th)-Pb Datierungen von Zirkon und Monazit durchgeführt. Die gewonnenen Daten werden mit bisher vorliegenden Daten aus den benachbarten Arealen des NFBC und aus äquivalenten Arealen Brasiliens verglichen. Innerhalb des NFBC lassen sich drei wesentliche proterozoische Gesteinseinheiten unterscheiden: (1) hoch-gradige metamorphe Komplexe mit palaeoproterozoischem Alter (Eburnium), bestehend aus Metasedimenten und Metaplutoniten, welche im Pan-Afrikanischen Granit-Batholith von Zentral-Kamerun vorkommen (in der Region von Bafia und Adamaoua); (2) einen Schiefer-Gürtel neoproterozoischen Alters, der die Becken von Poli, Lom und Yaoundé beinhaltet, und (3) Pan-Afrikanische (Meta-)Granitoide. Untersuchungen im nördlichen (Region von Poli), südlichen (Region von Yaoundé) und östlichen (Region von Lom-Ngaoundere) zeigen, dass die geodynamische Entwicklung durch Überschiebungs und Blatterverschiebungstektonik charakterisiert ist. Im nördlichen NFBC existieren E-W streichende, flach einfallende Foliationen, welche während der Überschiebung des NFBC auf den Kongo-Kraton entstanden. Im westlichen NFBC existieren vor allem geochemische und petrologische Daten. Die regionale Geologie wird hier durch Pan-Afrikanisches grundgebirge bestimmt, welches aus Graniten und Metamorphiten besteht, die wiederum von känozoischen Magmatiten (Granite, Vulkanite) durchsetzt bzw. überlagert werden. Vorhandene Daten zu Pan-Afrikanischen Plutonen des Untersuchungsgebiets und angrenzenden Regionen zeigen, dass in vielen Regionen ein große Variabilität hinsichtlich des Gesteinschemismus vorliegt, welche von basischen bis hin zu granitischen Gesteinen reicht, wobei der geochemische Charakter i.d.R. kalkalkalin bis alkalin ist. Das initiale Strontium-Verhältnis und Sm-Nd Daten einiger Granite indizieren eine Aufschmelzung im Mantel bei anschließender Kontamination durch kontinentale Kruste. Aufgrund der Anfälligkeit der Rb-Sr Methode existieren kaum verlässliche Alter von Granitoiden des NFBC. Durch die großen Fehler der Rb-Sr Alter sind neben den Platznahmealtern auch die Zeitpunkte der vorhandenen Wiederaufschmelzung weit gehend unbekannt. Durch detaillierte Geländearbeit gelang eine Gliederung des Areals in verschiedene Teilkomplexe. Diese sind der Migmatit-Komplex von Foumbot (MCF), der Bangwa-Komplex (BC), der Komplex von Chepang (CC) und der jüngeren Batié-Pluton (BP), welcher die übrigen Komplexe diskordant durchschlägt. Der BP selbst wird vom känozoischen Batcha Pluton durchsetzt. Innerhalb des MCF existiert eine bedeutende ENE-WSW streichende Scherzone. Im zentralen und südlichen Arbeitsgebiet reichen NE-SW streichende Scherzonen in den BP sowie in den CC und den BC hinein. Der MCF besteht aus Diatexit, Metatexit und Amphibolit. Merkmale wie Scherfaltung älterer Gefüge entlang ENE-WSW streichender Scherflächen und progressive Leukosombildung im Bereich der Faltenscharniere machen deutlich, dass partielle Aufschmelzung mit zunehmender Deformation einhergeht. Bereiche mit hoher Strain-magnitude zeigen koaxiale Plättung an. Die ENE-WSW verlaufende Scherzone weist dextrale Kinematik auf, wobei ältere sinistrale Bewegungen nicht ausgeschlossen werden können. Einzelzirkone von Diatexiten der MCF wurden mittels LA-ICPMS datiert. Mindestens drei Altersdomänen wurden dabei identifiziert: (a) elongierte bis gerundete Zirkon-Kerne mit Altern um 671 ±6 Ma; (b) oszillierend zonierte Zirkon-Mäntel, wahrscheinlich magmatischen Ursprungs, mit einem Alter von 639 ±5 Ma, interpretiert als das Intrusionsalter des Diatexits; (c) rekristallisierte Zirkon-Ränder mit einem Alter von 597 ±6 Ma, welches vermutlich die Metamorphose und Anatexis datiert. Der BC setzt sich aus unterschiedlich stark deformiertem Quarz-Diorit, Granodiorit, Syenogranit, Leucogranit und Monzonit zusammen. Quarz-Diorit und Granodiorit erscheinen in Form von cm- bis m-mächtigen foliierten Körpern. Die Foliation ist im Osten subhorizontal, gen Westen aber fällt sie zunehmend steil nach NE ein. Syenogranit und Leukogranit bilden größere Körper und weisen eine steile, nach NE einfallende, submagmatische Foliation auf. Innerhalb der (Syeno)granite weisen kristallplastische Verformung und Rekristallisation von Feldspat sowie vorhandene S-C Gefüge auf eine Deformation im Subsolidusbereich, d.h. während der Abkühlung, hin. Die aus den Mikrogefügen abgeleiteten Deformationsmechanismen charakteristischer Minerale der Quarz-Diorite und Granodiorite deuten hingegen auf Verformung unter Bedingungen einer hoch- und niedriggradigen Metamorphose hin. Innerhalb NE-SW verlaufender Mylonite am Kontakt BC/BP wird ein dextraler Schersinn durch S-C Gefüge angezeigt. In den zentralen Bereichen des BC sind Überprägungen sinistraler durch dextrale Scherzonen hingegen nur lokal sichtbar. Die Phengit-Zusammensetzung deformierter Gesteine deutet auf Scherung bei einem Maximaldruck von ca. 4.5 kbar bei T = ca. 500 °C hin. Die östlichen Nebengesteine des BC in der Region von Maham sind Migmatite, deren subhorizontale Foliation in zunehmendem Maße in wenige cm bis einige m mächtige ENE-WSW streichende Scherzonen übergeht. Die Gefüge der Migmatite der Region von Maham und (grano)dioritischer Gesteine des BC deuten auf eine regionale Überschiebungstektonik mit SSE gerichtetem Deckentransport hin. Die Zirkon- und Monazitalter deuten auf zwei Altersgruppen innerhalb des BC hin mit jeweils unterschiedlichen Platznahmealtern. Die ältere Gruppe besteht aus Quarzdiorit (643 ±5 Ma und 641 ±4 Ma, LA-ICPMS Daten, U-Pb Zirkonalter) und Granodiorit (638 ±2 Ma, IDTIMS Daten; 641 ±8 Ma und 641 ±2 Ma, LA-ICPMS Daten; U-Pb Zirkonalter), die jüngere Gruppe umfasst Syenogranit (598 ±21 Ma, 605 ±11 Ma, EMP Daten, U-Th-Pb Monazitalter) und Leukogranit (607 ±3 Ma und 603 ±4 Ma, LA-ICPMS Daten; U-Pb Zirkonalter). 206Pb/238U Alter zwischen 656 ±9 Ma und 718 ±13 Ma wurden an Zirkonkernen des Granodiorits bestimmt. Eine Regressionsgerade durch alle analysierten Kerne ergibt ein oberes Schnittpunktalter von 672 ±8 Ma. Der CC wird von im m-Maßstab wechselnden Lagen dioritischer und granitischer Zusammensetzung aufgebaut. Eine mylonitische Foliation streicht NE-SW. S-L-gefüge und Quarz-[c]-Achsen Verteilungen weisen auf Plättung unter hochgradigen Bedingungen (T = 650 °C) hin. Phengit-Barometrie mylonitisierter Granite ergibt einen Maximaldruck von 6 kbar bei T = ca. 500°C. Radiometrische Untersuchungen des mylonitischen Granits des CC wurden mittels LAICPMS an Zirkon und Monazit sowie mit Elektronenstrahlmikrosonde (EMP) an Monazit durchgeführt. Das EMP Monazit Alter (621 ±33 Ma) und LA-ICPMS Alter (622 ±13, oberes Schnittpunktalter; 611 ±4 und 608 ±6 Ma, gewichtete Mittelwerte der 208Pb/232Th und 207Pb/238U Alter) stehen im Einklang mit dem konkordanten LA-ICPMS Zirkonalter (611 ±5 Ma). Letzteres wird als Intrusionsalter des Granits interpretiert. Der BP wird im Wesentlichen von mittel- bis grobkörnigem Syenogranit aufgebaut. Speziell im Randbereich werden magmatische Gefüge (Fließgefüge, Aggregate von xenomorphem Quarz) durch submagmatische Gefüge überprägt und schließlich ersetzt (kristallplastische Deformation und Rekristallisation von Quarz und Feldspat, Bildung von Myrmekiten und S-C Gefügen). Sowohl die vom magmatischen bis in das Subsolidus-Stadium anhaltende Deformation, als auch die Parallelität der steil einfallenden postmagmatischen Foliation im Randbereich des BP und den angrenzenden BC, CC und MCF weisen auf eine synkinematische Platznahme des BP entlang krustaler Blattverschiebungen hin. Ein Konkordiaalter von 602 ±1.4 Ma wurde mit der ID-TIMS Methode erhalten. Mittels LAICPMS wurde ein Alter von 599 ±13 Ma (oberes Schnittpunktalter) bestimmt, welches im Fehler dem ID-TIMS Konkordia-Alter gleicht. Letzteres wird als Platznahmealter interpretiert. Die Kombination geochronologischer und struktureller Daten erlaubt die Unterscheidung von insgesamt drei tektono-magmatischen Abschnitten: Phase I ist durch die Platznahme dioritischer und granodioritischer Gesteine des BC sowie der Protolithe der Migmatite des MCF bei etwa 640 Ma charakterisiert. Während Phase II bei ca. 607 Ma intrudierten Syenogranit und Leukogranite in den BC und der Granits des CC. Gleichzeitig unterlagen die 640 Ma alten Granite einer hochgradigen Metamorphose. Die Intrusion der 607 Ma alten Plutonite geht einher mit einem Wechsel von Überschiebungstektonik hin zu sinistraler Blatterverschiebungstektonik. Die Platznahme des porphyritischen Syenogranits von Batié vor ca. 600 Ma, welche dextrale Bewegungen im Randbereich des BP und unmittelbar angrenzender Nebengesteine auslöste, stellt die dritte tektono-magmatische Phase dar. Alter von 700 bis 660 Ma, bestimmt an Zirkonkernen der Migmatite des MCF und der Granodiorite des BC, indizieren eine Platznahme der ältesten Granite in Pan-Afrikanischem Basement. Einige ererbte Zirkonkerne paläoproterozoischen Alters innerhalb des Leukogranits des BC deuten auf die Beteiligung Eburnischer Kruste in der Entwicklung der Pan-Afrikanischen Granite hin. Die neuen Daten bestätigen bisherige Vermutungen, dass der westliche NFBC ein afrikanisches Äquivalent zur Borborema Provinz Brasiliens darstellt. Auffällig sind geochronologische Übereinstimmungen bei den (Meta)granitoiden und den prä- bis synkinematischen Brasiliano Granitoiden der Borborema Provinz. Auf der anderen Seite ist speziell in der späten Entwicklung ab ca. 600 Ma die Kinematik blattverschiebender Bewegungen teilweise unterschiedlich. Eine mögliche Ursache sind lokale Variationen im Stressfeld, bedingt durch die Platznahme der syn- bis spät-tektonischen Magmatite.
The thesis is devoted to the study of the Antarctic polar vortex, mainly by analyzing data collected during APE-GAIA (1999) and ASHOE (1994) campaigns and recorded by the ADEOS satellite (1996-1997), and to improvement of the chromato-graphic processing schemes. A general introduction and overview of the campaigns and instruments relevant to the present work are given in Chapters 1 and 2. A relatively large part of the thesis (Chapters 3-5) is on improvement of the analysis of raw chromatographic data recorded during in-flight measurements of the trace gases. A Gaussian non-straight-base-line method, i.e. the Gaussian processing scheme (Chapter 3), is developed for better evaluation of the chromatographic peak size. Furthermore, a statistical cross-correlation method (Chapter 5) based on statistical behaviour of the whole chromatogram series fNchrg recorded, e.g., during a research flight or laboratory calibration, is developed and applied to measure the low-concentration trace gases. As demonstrated for HAGAR's chromatograms (HAGAR - High Altitude Gas Analyzer), the combination of the Gaussian fitting scheme for individual chromatograms and the statistical cross-correlation method for a series of subsequent chromatograms considerably improves and stabilizes quantitative analysis of in-flight chromatographic data. In this case, the detection accuracy of weak and noisy chromatographic signals can be improved by up to 40 %. A particular attention is paid to the in-flight two-standard calibration method. For this method, a special procedure, that allows to evaluate and effectively remove a weak background chromatographic signal associated with residual molecules in the carrier gas N2, is proposed and coded (Chapter 4). The developed approaches and methods are completely automized and, therefore, can be used for processing of in-flight chromatograms of recent and future field campaigns. The main part of the thesis (Chapters 6-8) deals with a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system ... , based on a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use for i = N2O in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex, linearization and compactization of the tracer-tracer correlations in the polar vortex core (i.e. the stratospheric dynamics in this area), and the differential ozone losses in the Antarctic polar vortex area. In the coordinate system ... (...-method, Chapter 6), which refers to a well-developed polar vortex, the mixing ratio Âi is the vertical coordinate and ... = .... i is the reference profile in the vortex core) is the meridional coordinate. The quasi-Lagrangian coordinates ... are much more long-lived comparing with the standard quasi-isentropic coordinates, potential temperature ... and equivalent latitude ..e, do not require explicit reference to geographic space, and therefore well-suited for studying the dynamics of the Antarctic polar vortex and the relevant ozone loss processes. By using the introduced coordinate system ... to analyze the well-developed Antarctic vortex investigated in the APE-GAIA campaign, it is shown, in concurrence with the conclusion of A. M. Lee et al. (2001), that the Antarctic vortex area can be described in terms of the well-mixed and well-isolated vortex core, relatively wide vortex boundary region and adjoining surf zone. In this case, the reference profile ... i , which is compact in a well-developed and isolated polar vortex core [J. B. Greenblatt et al. (2002)], can be found by combining airborne (and/or balloon) data with high-altitude satellite measurements. A criterion, which uses the local in-situ measurements of Âi = Âi(£) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (±-step) in the meridional pro¯le of the mixing ratio..., is developed in Chapter 6 to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex is proposed to attribute to the position of a local maximum of ...H2O in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the ...-parametrization of tracer-tracer correlations allows to distinguish the tracer-tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone (Chapter 7). This is clearly illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships Âi ¡ ÂN2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFCl3 (CFC-11), CF2Cl2 (CFC-12), CBrClF2 (H-1211) and SF6. The solitary anomalous points in the ...CFC11 ¡ ÂN2O correlation, observed in the Antarctic vortex core during the APE-GAIA and ASHOE campaigns, are interpreted in terms of small-scale localized differential descent. As detailed in Chapter 8, the quasi-Lagrangian coordinate system fÂN2O; ¢ÂN2Og is an effective tool for evaluation of the differential ozone losses in the polar vortex area. With this purpose, a two-parametric reference function ...O3 = F(...), which characterizes the unperturbed O3 distribution in the early winter polar vortex area, is introduced to separate and quantify in terms of the meridional coordinate ...2O the differential ozone losses in the vortex core and vortex boundary region. The method is applied to analyze the ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the austral spring 1999 (APE-GAIA campaign). In Chapter 9, the main results of the thesis are summarized.
Die Ergebnisse zur Sedimentologie, Taphonomie und Paläoökologie der Dinotheriensande des Urrheins in Rheinhessen geben weiteren Aufschluß über die tektonosedimentäre und paläoökologische Entwicklung des Urrheins. Die als Dinotheriensande bekannten Ablagerungen des Urrheins, deren Bildung nach biostratigraphischen Kleinsäugerfunden ins Obermiozän (Vallesium, MN 9, ca. 10,5 - 11 Ma.) gestellt werden, zeichnen sich durch fossile Wirbeltierfragmente teils großer Säugetiere sowie grober Gerölle überwiegend an der Basis, in einigen Bereichen auch aus Grobsand sowie größtenteils aus Fein- bis Mittelsand bestehenden fluviatilen Sedimenten aus. Der im heutigen Raum von Eppelsheim unter einer Ca. 3 m mächtigen Lössschicht liegende ehemalige Flusslauf des Urrheins floß von Worms und Westhofen aus dem Süden kommend entlang einer tektonisch bedingten Schwächezone in Eppelsheim nach Norden über Bermersheim Richtung Wißberg und Sprendlingen weiter nach Bingen. Dabei räumte die anfänglich sehr starke Strömung die durch tektonische Bewegung und eventuelle Verkarstung geschwächten Kalke der Inflata-Schichten (Aquitanium, Unter Miozän) und den Oberen Cerithienschichten (Chattium, oberstes Ober Oligozän bis Aquitanium, Unter Miozän) zu einem Flussbett aus. Die dabei durch die starke Strömung mitgeführten gut gerundeten, max. 170 mm großen Gerölle und Wirbeltierfragmente wurden an der Basis der Dinotheriensande über den abdichtenden Tonen der oligozänen Süßwasserschichten, in Verbindung mit glimmerfreien Grobsanden, abgelagert. Neben den Grobsanden (0,63 - 2 mm) an der Basis zwischen den großen Geröllen bestehen die Dinotheriensande überwiegend aus Feinsand (0,06 - 0,2 mm) und Mittelsand (0,2 - 0,63 mm), teils in gradierter Schichtung. In einigen Bereichen kommen immer wieder auch Grobsande und kleine bis mittelgroße Gerölle bis zum Top vor. Dabei erreichen die aus mehreren Schichtkörpern bestehenden Ablagerungen der Dinotheriensande bei Eppelsheim eine Gesamtmächtigkeit von 6,96 m. Die einzelnen Schichtkörper dieser Ablagerungen zeigen überwiegend Schrägschichtung, wobei die einzelnen Schichtungsblätter tangentiale Schrägschichtung erkennen lassen. Die Auswertung der Vorschüttungsrichtung aus Schrägschichtungsmessungen ergeben für die Hauptrichtung der Paläoströmung über der Basis eine Strömung aus SSE kommend, wobei die Strömung im weiteren Verlauf der Ablagerungen im Grabungsbereich von Eppelsheim von SE bis hin zum Top der Dinotheriensande von SSW kommend wechselt. Dabei lassen sich in den Ablagerungen der Dinotheriensande mit einer Gesamtmächtigkeit von 6,96 m schwerpunktmäßig von der Basis bis zum Top drei Fossilhorizonte erkennen. Hierbei variiert die Höhe des 2. Fossilhorizontes, von der Basis des 1. Fossilhorizontes in den Dinotherie~sandenü ber dem Ton der Süßwasserschichten gemessen, bei Ca. 140 - 150 Cm, sowie die Höhe des 3. Fossilhorizontes bei Ca. 400 - 410 cm. Neben der Anreicherung von fossilen Wirbeltierresten und den großen Geröllen an der Basis befinden sich in den Dinotheriensanden auch bis zu 50 mm große Gerölle, die überwiegend in dem 2. und 3. Fossilhorizont abgelagert wurden. Die Analyse von 10000 unterschiedlichen Geröllen ergab eine Zusammensetzung von gut gerundeten Quarzarten, Quarzite, Sandsteine, Kieselschiefer, Hornsteine, unterschiedliche Variationen von Chalzedon sowie Karneol, Rhyolith und Granit von der Basis bis zum Top der Dinotheriensande. Zwischen den Sanden eingeschaltete große Tonlinsen machen den Eindruck ehemaliger abgebrochener Uferbruchstücke, zumal sie teilweise mit großen Geröllen sedimentiert wurden. Die eigentlichen Sande bestehen aus überwiegend gut bis kantengerundetem Quarzsand, mit einem Glimmer-Anteil von Muskovit, etwas Biotit und im geringem Maße Phlogopit. Das Schwermineralspektrum setzt sich aus Granat, Apatit, Amphibol, Staurolith, Turmalin, Zirkon, Alterit, Hypersthen, Spinell, Siderit, Rutil, Topas, Gips und Augit sowie einem hohen Gehalt an opaken Mineralen zusammen. Die fossilen Wirbeltierfragmente, von Proboscidae, Rhinocerotidae, Equidae, Suidae, Cervidae, Bovidae, Tragulidae, Anthracotheriidae, Tapiroidae, Castoridae, unterschiedliche Arten von Carnivora sowie von Primaten und Insectivora stammend, bestehen zum größten Teil aus deren Zahnen und Zahnfragmenten. Weitere craniale und postcraniale Fragmente kommen gegenüber den Zähnen in geringerem Umfang vor. Fast alle Fragmente sind leicht bis stark abgerollt (Abrollungsgrad). Der größte Teil der Knochenfragmente zeigt ein einheitliches Bruchmuster, welches sich durch eine sägezahnförmige Fraktur mit scharfen Bruchkanten kennzeichnet. Einige Spuren in Form von Oberflächenmarken an den fossilen Knochen und Zähnen zeigen neben Bißspuren von Carnivora auch postmortale Spuren von Insekten und Nagern. Trockenrisse deuten auf eine mehr oder weniger längere Liegezeit der Kadaver bzw. der Skelette, Teilskelette oder vereinzelter Knochen an der Erdoberfläche vor der eigentlichen Sedimentation in den Dinotheriensanden hin. Auffallend finden sich die fossilen Wirbeltierreste in den Dinotheriensanden fast immer in unartikulierter und vereinzelter Fundlage, ausgenommen im Strömungsschatten größerer Objekte, wie zum Beispiel der große Kalkklotz im Grabungsbereich von Eppelsheim. Dabei handelt es sich um eine durchmischte Ansammlung von unartikulierten Wirbeltier-Fragmenten (Voorhies-Gruppen). Seit Beginn des 19. Jahrhunderts kamen die durch Zufall ausgegrabenen fossilen Wirbeltierreste aus den sogenannten Sandkauten Rheinhessens durch Ankauf ins Hessische Landesmuseum von Darmstadt (HLMD) und, neben anderen Instituten im In- und Ausland sowie einigen Privatsammlungen, ins Naturhistorische Museum von Mainz (NHMM). Die seit 1996 jährlich laufenden wissenschaftlichen Grabungen des Forschungsinstituts Senkenberg / Frankfurt a. Main (FIS) und im Anschluss des NHMM in Eppelsheim lieferten zu diesen historischen Sammlungen weitere Funde. Derzeit sind im HLMD 3217, im NHMM 5432 und im FIS 2278 fossile Funde aus den Dinotheriensanden von Rheinhessen inventarisiert (Stand: Frühjahr 2006). Die bei der Auswertung gewonnenen Daten der bestimmbaren, teilbestimmbaren und unbestimmbaren Funde aller drei Museen (HLMD, NHMM U. FIS) lieferten neben den schon erwahnten Daten über Abrollungsgrad, Bruchmuster, Oberflächenmarken und Voorhies- Gruppen, auch die über die orientierten Zähne ermittelbaren Werte der Mindestanzahl von Individuen aus den bekannten Fundorten in Rheinhessen. Über den Abkauungsgrad der Zähne, in Verbindung mit ihrer natürlichen Position, ließ sich das Altersspektrum dieser Individuen erstellen. Daneben wurde die Fossilienfarbe erfasst, mit deren Hilfe man die Funde in den historischen Sammlungen zur nachträglich Bestimmung des Fundhorizontes benutzen kann, da durch postsedimentäre Ausfällungen die Dinotheriensande, inklusive der darin befindlichen Fossilien, von der Basis bis zum Top unterschiedlich gefärbt sind. Schließlich wurde über die durchschnittlichen Gewichtsdaten der rezenten Vertreter der hier zu behandelten Tierarten eine Verteilungsübersicht in den drei bekannten Museen (HLMD, NHMM u. FIS) erstellt.
This work analyses several granitic bodies of the Variscan Orogen of Central and Western Europe in order to improve our knowledge about different aspects of their evolution, regarding their ascent and emplacement mechanisms, as well as their deformation history. In the Iberian Massif two granitoid bodies, namely the La Bazana pluton and the Nisa-Alburquerque batholith, were studied in order to decipher their ascent and emplacement history. The La Bazana pluton is a small, sub-circular body in map view that intruded into rocks of the Ossa-Morena Zone in the core of a late upright antiform. Its three-dimensional drop-pipe shape, its internal dome foliation pattern and the structure of the host rock suggest that the magma ascended and emplaced diapirically. The Nisa-Alburquerque batholith is a large body that intruded into rocks of the Central Iberian Zone, the Central Unit, and the Ossa-Morena Zone. Its cartographic shape is elongate and parallel to the NW—SE to WNW—ESE Variscan structures. In the light of the available structural data and the gravimetric models, the intrusion is viewed as a continuous lateral magma flow from the eastern root guided towards the west through the southern limb of a kilometre-scale antiform. As mass-transfer mechanisms, a combination of rigid translation of the country rocks, stoping, and possibly ballooning is proposed. In the Bohemian Massif several small granitoid bodies showing a strong solid-state deformation were studied in order to integrate their tectonometamorphic history in the geotectonic framework of the south-western Bohemian Massif, focusing principally on the deformation phase referred to as D3. Four ductile deformation phases are proposed for the study area. D1 produced high-temperature fabrics under upper amphibolite to granulite facies conditions. Its kinematics is unknown. D2 occurred under amphibolite to upper greenschist facies conditions under N—S to NNW—SSE compression. It is responsible for a subvertical NW—SE striking foliation in migmatites developed under dextral simple shear and for the deformation at the Bayerischer Pfahl shear-zone system at its earlier stages. Many granitoid dykes and stocks were found to be affected by sinistral shear along subvertical planes trending ENE to ESE. Since this deformation, which is called D3 in the present work, is not compatible with a N—S to NNW—SSE compression, it is proposed that these sinistral shear zones in granites do not belong to the Bayerischer Pfahl shear-zone system and constitute themselves a separated one, which is called “D3 shear-zone system”. D3 took place under upper greenschist to lower amphibolite facies conditions (~480-550°C). Both the intrusion and the deformation of the granites affected by D3 occurred at deep to intermediate levels of the crust, whereas the deformation took place under NE—SW compression. Datings on two of the deformed granites yielded 324.4 ± 0.8 Ma and 315.0 ± 1.0 Ma: Thus, the age of D3 is most probably ~315 Ma. The intrusion of most of the sheared granitoids was pre-kinematic with respect to D3. After D3 the N—S to NNW—SSE compression which governed D2 was restored, giving way to the next deformation phase D4, which was linked to further deformation at and next to the principal shears of the Bayerischer Pfahl shear-zone system under greenschist facies conditions. The causes for the change of the stress field leading to a NE—SW compression during D3 might be related to (1) global changes in the dynamics of the tectonic plates in late Variscan times, (2) orogenic collapse leading to the sinking of the Teplá-Barrandian and lateral extrusion of the surrounding Moldanubian rocks, (3) distortion of the regional stress field by local intrusion of large stocks, such as the Saldenburg granite of the Fürstenstein Massif, or (4) distortion of the regional stress field due to the existence of ephemeral releasing bends in the Bayerischer Pfahl shear zone during its early evolution.
Für die Analyse klimagesteuerter terrestrischer und mariner Ökosystemdynamik im Spätglazial und Holozän des Ägäisraums wurden terrestrische (Pollen und Sporen) und marine Palynomorphe (organischwandige Dinoflagellatenzysten) aus einem marinen Kern des Berg-Athos-Beckens hochauflösend (d.h. in einer zeitlichen Auflösung zwischen ~30 und ~200 Jahren) untersucht. Darüber hinaus wurden Pollen und Sporen eines terrestrischen Kerns aus dem Drama-Becken (nördliches Hinterland der Ägäis) analysiert. Neben der qualitativen Analyse wurden mit Hilfe der Technik der modernen Analoge quantitative Rekonstruktionen der Paläotemperaturen und -niederschläge im terrestrischen Raum vorgenommen. Für den marinen Kern wurden außerdem Sedimenthelligkeit, Sauerstoffisotopie und magnetische Suszeptibilität untersucht. Über die Entwicklung eines konsistenten Altersmodells für beide Kerne konnten Aussagen über eine regionale, klimagesteuerte Differenzierung zwischen der Vegetationsentwicklung im Küstenbereich und der Vegetationsentwicklung in intramontanen Ökosystemen getroffen werden. Während des Pleniglazials (~21 ka bis ~14,7 ka BP) herrschten im nördlichen Ägäisraum kühle und vor allem trockene Bedingungen vor. Offen liegende Schelfflächen wurden von einer Pinus-dominierten Vegetation besiedelt, bis der Schelf während des anschließenden Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes (~14,7 ka bis ~12,7 ka BP) durch den Schmelzwasserpuls MWP-1A überflutet wurde. Während des Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes herrschten im nördlichen Ägäisraum etwas humidere Bedingungen als während des Pleniglazials. In der anschließenden Jüngeren Dryas (~12,7 ka bis ~11,7 ka BP) war das Klima hingegen mindestens ebenso arid und die Oberflächenwassertemperaturen in der Nordägäis fast ebenso gering wie während des Pleniglazials. Das lokale Klima im Drama Becken war von ~21 ka BP bis zum Ende der Jüngeren Dryas generell trockener als die allgemeinen Klimabedingungen im nördlichen Ägäisraum. Die Vegetationsentwicklung im nördlichen Ägäisraum wurde während des Spätquartärs vor allem durch die zur Verfügung stehende Feuchtigkeit gesteuert. Auch nach der Jüngeren Dryas war die Humidität im Ägäisraum zu gering, um eine Wiederbewaldung zu ermöglichen, wie sie in Mitteleuropa und dem westlichen Mittelmeergebiet bereits ab ~11,6 ka BP stattfand. Ein Vegetationsrückschlag um ~11,0 ka BP korreliert mit der aus Mitteleuropa bekannten präborealen Oszillation bzw. dem 11,2-ka-Klimaereignis. Die holozäne Wiederbewaldung setzte im östlichen Ägäisraum erst ab 10,2 ka BP ein; sie wurde durch einen sukzessiven Anstieg der Winterniederschläge von ~225 auf über ~300 mm/Jahr ermöglicht. Sowohl dieser Anstieg der Winterniederschläge als auch ihr Rückgang nach 7,0 ka BP sind eng mit der Ablagerung des Sapropels S1 (zwischen ~9,6 ka und ~7,0 ka BP) verknüpft. Die relativ humiden und milden Winterbedingungen während der Ablagerung des S1 wurden von durch Vegetationsrückschläge dokumentierten, kurzfristigen Klimaereignissen bei ~9,3 ka, ~8,7 ka, ~8,2 ka und ~7,6 ka BP unterbrochen. Diese kurzfristigen Klimaereignisse gehen mit Unterbrechungen bzw. Abschwächungen der S1-Bildung einher. Besonders ausgeprägt ist der regionale Ausdruck des 8,2-ka-Ereignisses, welches für die am stärksten ausgeprägte und auch aus anderen Bereichen des östlichen Mittelmeers überlieferte Unterbrechung des S1 zwischen ~8,4 ka und ~8,0 ka verantwortlich zeichnet. Während der Bildung des S1 wurde die Klimaentwicklung im Ägäisraum generell weniger vom Klimasystem der hohen Breiten beeinflusst als vielmehr vom Monsunsystem der niederen Breiten. Allerdings war die Intensität des Sibirischen Hochs während des frühen Holozäns und nach dem S1-Intervall ein wichtiger Faktor für das Winterklima. Auch während des Holozäns wurden Klimaschwankungen im Drama-Becken deutlicher von der lokalen Vegetation reflektiert als von der Vegetation des nördlichen Ägäisraums im Allgemeinen. So wirkte sich z.B. das 8,2-ka-Ereignis sehr stark auf die Vegetationsentwicklung im Drama Becken aus; es verursachte einen Rückgang der Sommer- und Wintertemperaturen um mehr als 3° C. Dieser starke Temperatureinbruch ist auf lokale mesoklimatische Effekte zurückzuführen. Die Vegetation in den Randbereichen der Ägäis erfuhr weitere Rückschläge bei ~6,5 ka, ~5,6 ka und ~4,3 ka BP. Die Einbrüche bei ~5,6 ka und ~4,3 ka BP sind mit rapiden Klimaänderungen in großen Teilen der Nordhemisphäre korrelierbar, die ebenso wie die Jüngere Dryas und das 8,2-ka-Klimaereignis Einfluss auf Hochkulturen in Nordostafrika und im Mittleren Osten hatten. Die aus dem Holozän überlieferten Klimadaten machen deutlich, dass dieser Zeitraum von einer weitaus stärkeren Klimavariabilität geprägt wurde als noch bis vor kurzem angenommen.
Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to affect geophysical measurements. However, these variations are not considered in most cases. The challenging task is to quantify the influence of soil heterogeneities on geophysical data. This question is analysed for DC resistivity and GPR measurements which are frequently used for near-surface explorations. To determine the pattern of electric soil properties in situ with the required high spatial resolution, geophysical measuring techniques are methodically enhanced. High-resolution dipole-dipole resistivity measurements are used to determine the electric conductivity distribution of the topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry has to be considered and an analytic expression for geometric factors is derived instead of assuming point electrodes. Two methods are used to determine soil permittivity with GPR:(i) the coefficient of reflection at the interface air-soil is measured with an air-launched horn antenna, (ii) the velocity of the groundwave is measured with a new setup using two receiver antennas enhancing the lateral resolution from in the best case 0.5 m for standard techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the optimised measuring techniques, the electric properties of sandy soils are determined in the field. Conductivity and permittivity show high spatial variability with correlation lengths of a few decimetres. Geostatistical simulation techniques are used to generate synthetic random media featuring the same statistical properties as in the field. FD calculations are carried out with this media to provide realistic synthetic data of resistivity and GPR measurements. Conductivity variations as determined in the field generate significant variations of simulated Schlumberger sounding curves resulting in uncertainties of the inverted models. Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and resulting permittivity variations cause strong GPR diffractions as demonstated by FD calculations. This influences the detectability of small objects such as e.g. landmines or of large reflectors as e.g. the groundwater table. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor effect on GPR measurements than variations of permittivity. In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to simulate geophysical measurements under field conditions including soil heterogeneity which can be used to quantify the uncertainty of field measurements by geologic noise.
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.
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.
In vorliegender Studie wurde lebend und tot gesammeltes Schalenmaterial der Europäischen Flussperlmuschel Margaritifera margaritifera verschiedener Lokalitäten in Schweden, Finnland und Deutschland (bzw. Frankreich) sklerochronologisch und isotopengeochemisch untersucht. Sauerstoffisotopen-Zeitreihen, trendbereinigte und standardisierte stabile Kohlenstoffisotopen-Zeitreihen (SSCI) sowie jährliche Zuwachsraten (SGI-Zeitreihen) jeder der acht Populationen sind zu Compound-Chronologien zusammengefasst und auf Zusammenhänge mit Temperatur, Sonnenflecken-Zyklen und Niederschlag untersucht sowie auf Korrelationen mit verschiedenen Klimaindizes (z.B. dem Dipol der Meeres-Oberflächenwasser Temperatur-Anomalien im Nordatlantik, NADP-SST, und der Nordatlantischen Oszillation, NAO) getestet worden. Im Vergleich ergaben sich für die geglätteten Zeitreihen (25-Jahresfilter) Korrelationskoeffizienten von r = 0,57 (SGI Master-Chronologie und NAO) bzw. r = 0,59 (Master-Chronologie) und NADP-SST. Obwohl weder Isotopendaten noch Zuwachschronologien der Muscheln auf hochfrequenten Signalen hohe Korrelationen mit instrumentellen Messdaten aufweisen, sind dekadische Klimaoszillationen deutlich repräsentiert. Mit zunehmendem Lebensalter nimmt der Schalenzuwachs exponentiell ab. Gleichzeitig nähern sich die d13C-Werte der Schale dem d13CDIC-Wert des Wassers, der bei den hier untersuchten Lokalitäten zwischen -9,3 ‰ und -12,7 ‰ lag. Erst im hohen Lebensalter findet also die Schalenbildung nahezu im kohlenstoffisotopischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium statt. In der Jugend der Tiere hingegen wirken sich lokalitätsspezifische Trends aus. Extrinsische Faktoren führen zu drei Mustern: 1) Trends hin zu stärker negativen d13C-Werten (um etwa -4,5 ‰) in den Bächen Nuortejaurbäcken (NJB) und Grundträsktjärnbäcken (GTB), 2) Trends hin zu weniger stark negativen d13C-Werten (um etwa +4,5 ‰) in den großen Flüssen (GJ: Görjeån, NWS: Tarn/Frankreich) und 3) Schwankungen um etwa ±1,5 ‰ um einen Mittelwert (RG: Regnitz). Der Einfluss auf die d13C-Trends könnte möglicherweise in Veränderungen der Bioproduktivität begründet sein, da sich diese unmittelbar auf den DIC-Pool des umgebenden Milieus und des Habitats auswirkt. In den Sauerstoffisotopen spiegelte sich die geographische Herkunft des untersuchten Materials wider. Die Chronologien der am nördlichsten gelegenen Populationen wiesen d18OMittelwerte von -11,5 ‰ (GJ), bzw. -9,5 ‰ (NJB, GTB) auf, die RG-Chronologie von -7,9 ‰ und die Zeitreihe der NWS von -5,3 ‰. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten zeigten die untersuchten Individuen jedoch keinen statistischen Zusammenhang mit annuellen Temperaturdaten. Als beeinflussende Faktoren kommen die Schneeschmelze und die isotopengeochemische Ausprägung des Habitats (See, Fluss, Bach) in Frage. Eine sehr hohe Korrelation von r = -0,74 (25-Jahresfilter) wurde zwischen der Görjeån-Chronologie (d18OAragonit) und Niederschlagsraten für das in der Nähe des Flusses gelegene Jokkmokk festgestellt.
The present study was elaborated within the scope of the INTAFERE (Integrated Analysis of Mobile Organic Foreign Substances in Rivers) project which investigates the occurrence of xenobiotics in small freshwater streams with particular consideration of social impact factors. The aim of this study is to investigate the seasonal and spatial variance of organic micropollutants in small fresh water streams and to identify possible sources and sinks. Therefore four small freshwater river systems in Hesse, Germany, have been investigated with respect to common organic pollutants such as: the organophosphates tri-n-butyl phosphate (TBP), tris(2-butoxyethyl)phosphate (TBEP), tris(2-chloroethyl)phosphate (TCEP), tris(1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate (TDCPP), the synthetic musk fragrances 1,3,4,6,7,8-hexahydro-4,6,6,7,8,8-hexa-methylcyclopenta-[g]-2-benzopyran (HHCB) and 7-acetyl-1,1,3,4,4,6-hexamethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (AHTN), the endocrine disruptors bisphenol A (BPA), 4-tert-octylphenol (OP) and the technical isomer mixture of 4-nonylphenol (NP), the herbicide terbutryn [2-(t-butylamino)-4-(ethylamino)-6-(methylthio)-s-triazine] as well as the insect repellent N,N-diethyl-m-toluamide (DEET). Water samples were collected in the time span from September 2003 to September 2006 at 26 sampling locations. The samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and analyzed by coupled gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). For quantification the internal standard method was used. The results of the study showed an ubiquitous occurrence of organic pollutants in the fresh water streams of the study area. The organophosphates have been detected in 90 % of the water samples with mean concentrations of 502 ng/l (TCPP), 276 ng/l (TBP), 183 ng/l (TBEP), 118 ng/l (TCEP) and 117 ng/l (TDCPP). Sewage treatment plant (STP) effluents were identified as the dominating source for the chlorinated organophosphates as well as for the synthetic musk fragrances and the insect repellent DEET in the river systems. Consequently the highest concentrations were observed in the Schwarzbach system characterized by the highest proportion of waste water compared to the other river systems. Mean concentration levels of the synthetic musk fragrances HHCB and ATHN were 141 ng/l and 46 ng/l, respectively and 124 ng/l in case of DEET. The synthetic musk fragrances showed a clear seasonal trend with significantly lower concentrations in summer times compared to winter times, which is ascribed to stronger photodegradation and volatization during summer times. In contrast, mean DEET concentrations and loads were significantly higher in summer than in autumn, winter and spring, in parallel with the main insect season. The concentrations of the endocrine disruptors BPA, NP and OP in the river water samples ranged from <20 ng/l to 1927 ng/l, <10 ng/l to 770 ng/l, and <10 ng/l to 420 ng/l, respectively. Whereas OP was present in about 2/3 of the samples, NP and BPA could only be detected in 56% and 13% of the water samples, respectively. BPA levels exceeded in two samples the predicted no-effect concentration (PNEC) for water organisms. In case of NP, highest concentrations and loads were found in September 2003 and decreased significantly since then. In contrast, concentrations and loads of OP which serves in a similar application field remained nearly constant during the sampling period. The decrease of NP can be attributed to the implementation of the European Directive 2003/53/EG, which restricts the use of nonylphenols and nonylphenol ethoxylates since January 2005. However, at the end of the sampling period in September 2006, NP could still be detected at mean concentrations of 18 ng/l in the river waters of the sampling area. Furthermore, absence of NP in several samples from associated STP effluents indicate that the STPs cannot be the only sources for NP found in the river water. The herbicide terbutryn was present in the rivers during the whole sampling period from September 2003 to September 2006 despite a ban on its use as a herbicide from January 2004 on. Terbutryn levels ranged from < 4 ng/l to 5600 ng/l, showing a clear spatial pattern with high terbutryn concentrations in the Weschnitz and Modau river systems and significantly lower terbutryn levels in Schwarzbach and Winkelbach. Results from the analysis of two STP effluents discharging into the Weschnitz and the Modau, respectively, indicate that terbutryn enters the rivers from this source. Furthermore, terbutryn concentrations and loads showed a clear seasonal trend with significantly higher levels in summer and autumn. Obviously, the ban on agricultural use of terbutryn at the end of 2003 had no discernable influence on terbutryn concentration in the rivers because there was no trend of decreasing.
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.
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.
The purpose of this study was to reconstruct the depositional environment, the genesis and the composition of Miocene coals in the Kutai Basin, East Kalimantan, Indonesia and to improve our understanding of the factors controlling the organic and inorganic composition, variation of biomarkers, and the peat forming vegetation of the coals. To achieve the aim methods belonging to three different disciplines were applied: 1. Coal petrology (chapter 3) 2. Inorganic geochemistry: sulfur, pyrite and mineral matter distributions (chapter 4) 3. Organic geochemistry of saturated, aromatic hydrocarbon fractions and stable carbon isotopic composition (chapter 5 and 6) Coal petrology Coal developes from peat deposited in mires, mainly in swamps and raised bogs. It is therefore necessary to consider how peat was formed in the past. Coal contains a variety of plant tissues in different degrees of preservation. Tissues of distinct origin are microscopically identifiable and can frequently be related to certain parts of the plant, such as cuticles, woody structures, spores, algal, resin, etc. Together with the particles of less certain origin they are termed macerals which are the petrographic components of coal. During and after deposition of plant remains in sedimentary basins, the organic matter will undergo a sequence of physical, biochemical and chemical changes, which finally results in the formation of coals of increasing rank depending mainly on the temperature influence. The process of coalification begins with practically unaltered plant material and peat, and continues with increasing rank through brown coal, bituminous coal, and finally to anthracite as well as graphite. Coal petrography provides valuable of data of maceral and mineral percentages with reflectance values, which can be used to reconstruct the depositional environment and the coalification processes. In lower rank coals, the material is represented by a group of macerals called huminite, and in bituminous and anthracite coals by a group of macerals called vitrinite. Coal petrography analyses have been carried out on samples from some Miocene coal seams from Kutai Basin. The study has shown that huminite reflectance values of coal samples from ...
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geochemischen und isotopischen Analyse detritischer Zirkonminerale aus rezenten Sedimenten des weit verzweigten Orange- und Vaal River Flusssystems in Südafrika. Zirkone kristallisieren überwiegend aus krustalen Schmelzen und sind äußerst resistent gegenüber jeglicher Zerstörung und damit ein idealer Kandidat zur Rekonstruktion früherer Krustenbildungsprozesse der geologischen Erdgeschichte. Der kombinierte Ansatz der U-Pb Altersdatierung, der Hf Isotopie und der Spurenelementgeochemie mittels Laserablation und des Einsatzes induktiv-gekoppelter Sektorfeld- und Multikollektormassenspektrometer ermöglicht es die krustale Wachstums- und Entwicklungsgeschichte des südafrikanischen Kratons zu erfassen. Die mehr als 1200 U-Pb Analysen der Zirkone weisen 4 tektonische Hauptphasen des südafrikanischen Kontinents nach: 1. die Panafrikanische Orogenese (0.5-0.7 Ga), 2. das Namaqua-Natal Faltengürtelorogen (1.0-1.3 Ga), 3. die Kheis Orogenese (1.8-2.0 Ga) und 4. die westliche Kaapvaal-Kratonisierung (2.9-3.2 Ga). Allerdings zeigt sich, dass die 13 Probenlokationen überwiegend lokale bzw. regionale U-Pb Altersdaten ihrer umgebenden Herkunftsgebiete liefern. Die Hf Isotopie der Zirkone der verschiedenen tektonischen Hauptphasen Südafrikas stellen ihre differenzierte Akkretions- und Aufschmelzungsgeschichte dar. Die panafrikanischen Zirkone zeigen eine ausgeprägte Durchmischung von juvenilem und recyceltem Material. Die mesoproterozoischen (Namaquan) Zirkone entstanden aus juvenilem Magma während eines Inselbogen-Kontinent-Kollisionsereignisses. Die paläoproterozoischen und archaischen Zirkone sind Produkte von aufgeschmolzener prä-existierender kontinentaler Kruste oder vom Mantel abstammende Schmelzen, die durch kontinentale Kruste kontaminiert wurden. Die berechneten Hf Modellalter, so genannte „Mantelextraktionsalter" ergeben zwei Maxima, die zwei Stadien juvenilem Krustenwachstums einschließen, einmal vor 1.4 und 3.2 Ga. Dieses krustale Wachstum zeigt eine Übereinstimmung mit den progressiv episodischen Modellen von Nagler & Kramers (1998) sowie Condie (2000) mit Höhepunkten zwischen 3.0 und 2.0 Ga sowie den Studien von Wang et al. (2008) mit krustalen Wachstumsperioden von 1.6 bis 2.2 und 2.9 bis 3.4 Ga auf dem Nordamerikanischen Kontinent und auf dem Gondwana-Kontinent (Australien) von Hawkesworth & Kemp 2006) und implizieren wohl ein globales kontinentales Krustenwachstum. Die Abgrenzung und Wiedererkennung der Zirkone anhand der chemischen Zusammensetzung zu möglichen Muttergesteinen zeigen noch keine viel versprechenden Ergebnisse. Generell weisen die Zirkone eine magmatische granitoide Zusammensetzung kontinentalen Ursprungs auf. Eine Auffälligkeit stellen die erhöhten Spuren- und leichten Seltenenerdelemente in Zirkonen jeglicher Altersklassen dar. Nachfolgende Arbeiten müssen zeigen, wie und ob diese Anreicherungen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung, die U-Pb Datierung und vor allem die Hf-Isotopie der Zirkone haben.
This thesis deals with the analysis of “presolar” silicates and oxides by high resolution mass spectrometry and electron microscopy techniques. This “stardust” was identified by its extreme oxygen isotopic anomalies, which point to nucleosynthetic reactions in stellar interiors, in the carbonaceous chondrite Acfer 094. Isotopic, chemical and mineralogical studies on these stardust grains therefore allow the testing of astrophysical questions on Earth, which are otherwise only accessible by spectroscopy and theoretical models. The class of presolar silicates has been identified only six years ago in 2002, although it was known already from spectroscopic observations that silicates represent the most abundant type of dust in the galaxy. The development of the “NanoSIMS” was a crucial step in this respect, because this ion probe with its superior spatial resolution of only 50 nm allowed the detection of the typically 300 nm sized presolar silicates. A total of 142 presolar silicates and 20 presolar oxides were identified within Acfer 094, whose matrix therefore contains 163 ± 14 ppm presolar silicates and 26 ± 6 ppm presolar oxides. This is among the highest amounts reported so far for any primitive solar system material. The majority of detected stardust grains derive from asymptotic giant branch stars of 1 – 2.5 Msun and close-to-solar or slightly lower-than-solar metallicity. However, by measuring the Si isotopic compositions of some enigmatic grains, it could be shown that there is a sub-class of presolar silicates characterized by an extreme enrichment of 17O and a moderate enhancement of 30Si relative to solar, whose origins might be explained by formation in binary stellar systems. About 10% of all grains exhibit an enrichment in 18O and some of them also of 28Si relative to solar, which most likely point to an origin in type II supernova explosions. The Si isotopic measurements also allowed to quantify the effect of the s-process on the Si isotopes in low-mass asymptotic giant branch stars. The results agree well with theoretical predictions. The grains were furthermore characterized by SEM and the chemistries of about half of the grains were determined by Auger electron spectroscopy. The majority of grain morphologies are consistent with what is expected from condensation experiments. However, a lot of grains are altered by Fe-rich minerals, which are either of primary condensation or of secondary ISM or solar nebula origin. Furthermore, complex presolar grains consisting of refractory Al-rich grains attached to silicate material could be identified, which have been predicted by condensation theory and observational evidence. Nine presolar silicates were analyzed by combined NanoSIMS/TEM studies. The majority of grains are Mg-rich and amorphous, which is in contrast to astrophysical evidence, which mainly postulate crystalline Mg-rich and amorphous Fe-rich circumstellar condensates. However, the grains might have been rendered amorphous by secondary processes in the ISM or could have condensed under non-equilibrium, low-temperature conditions in the circumstellar outflow. The grains are more likely characterized by a variable, pyroxene-like chemistry, which could be a result of sputtering in the ISM, which preferentially removes Mg. The detected crystalline presolar silicates in this study and in other work are all olivines, whereas grains with a pyroxene stoichiometry are all amorphous except one. This supports astrophysical models which point to different formation pathways for these two types of grains and therefore different crystallinity. However, the relatively high Fe content of three detected presolar olivines in this study and in other work is in contrast to astrophysical evidence and theoretical considerations, which predict essentially Fe-free crystalline grains. It is therefore possible that the infrared spectra might also be compatible with less Mg-rich olivines. The only crystalline presolar silicate with a pyroxene-like stoichiometry is the unusual grain 1_07: although it is chemically enstatite, the electron diffraction pattern could only be indexed to silicate perovskite, which is stable above ~23 GPa. The discovery of a high-pressure phase of presolar origin shows that dust grains encountering interstellar shocks might not necessarily be completely destroyed. In astrophysical models it is in principle also possible that a fraction of larger grains might survive such a shock wave encounter as a high-pressure modification, which is supported by this discovery.
High field strength element systematics and Lu-Hf & Sm-Nd garnet geochronology of orogenic eclogites
(2008)
Concerning the Bulk Silicate Earth (BSE), the depleted mantle and the continental crust are thought to balance the budget of refractory and lithophile elements, resulting in complementary trace element patterns. However, the two high field strength elements (HFSE) Niob and Tantal appear to contradict this mass balance. All reservoirs of the silicate Earth exhibit subchondritic Nb/Ta ratios, possibly as a result of Nb depletion. The two HFSE Zr and Hf on the other hand seem not to be fractionated between the silicate reservoirs. They show more or less chondritic Zr/Hf ratios. In this study a series of orogenic eclogites from different localities was analyzed to determine their HFSE concentrations and to contribute to the question if eclogites could form a hidden reservoir to account for the mass imbalance of the BSE. The results show that the orogenic eclogites have subchondritic Nb/Ta ratios and near chondritic Zr/Hf ratios. The investigated eclogites show no fractionation of Nb/Ta ratios and no enrichment of Nb compared to e.g. MOR-basalts, the likely precursor of these rocks. With an average Nb/Ta ratio of 14.9 these eclogites could not balance the differences between BSE and chondrite. Additionally, with an average Nb/Ta ≈ MORB they also cannot balance the small differences in the Nb/Ta of the crust and the mantle. LA-ICPMS analyses of rutiles in these eclogites reveal a zonation of Nb/Ta ratios in this mineral, with rutile cores having higher Nb/Ta than rutile rims. As a consequence, Laser Ablation data of rutiles have to be evaluated carefully and cannot necessarily reflect a bulk rock Nb and Ta composition, although over 90% of these elements reside in rutile.
The present PhD-thesis was prepared within subproject B8 of the DFG-Sonderforschungsbereich (SFB) 641 “The Tropospheric Ice Phase”. The subproject B8 was entitled “Interactions of volatile organic compounds with airborne ice crystals”. Results of previous studies have shown that various volatile organic compounds (VOC) and semivolatile organic compounds (SVOC) are incorporated into the atmospheric ice phase and several uptake mechanisms are discussed in the literature. The aim of this study was to identify the dominating VOC and SVOC in airborne snow collected at Jungfraujoch in the Swiss Alps (3580 m asl) and to study in laboratory experiments the uptake mechanism of organic compounds into snow and ice. For this purpose an analytical method to analyse freshly fallen snow samples was developed and evaluated in a first step. The method consists of headspace (HS) solid phase dynamic extraction (SPDE) followed by gas chromatography combined with mass spectrometry (GC/MS). During the extraction process a new cooling device was successfully integrated into the HS-SPDE-GC/MS method to enhance the extraction yield. Extraction and desorption parameters such as the number of extraction cycles, extraction temperature, desorption volume and desorption flow rate have been optimized. Detection limits for benzene, toluene, ethylbenzene, m-, p-, o- xylene (BTEX) ranged from 19 ng L-1 (benzene) to 30 ng L-1 (m/p-xylene), while those for C6-C10 n-aldehydes ranged from 21 ng L-1 (n-heptanal) to 63 ng L-1 (n-hexanal). Furthermore, freshly fallen snow samples were collected at the High Altitude Research Station Jungfraujoch (3580 m asl, Switzerland) during the field campaigns “Cloud and aerosol characterization experiment” (CLACE) 4 and 5 in February and March 2005 and 2006, respectively. Freshly fallen snow samples collected directly in-cloud on a high altitude remote location were used as approximation of airborne ice crystals since sampling of airborne ice crystals in quantities sufficient for analysis of individual organic compounds is not yet possible. In the collected snow samples a wide range of organic compounds were identified, namely BTEX, n-aldehydes (C6-C10), terpenes, chlorinated hydrocarbons and alkylated monoaromatics. The most abundant organic compounds in snow samples from Jungfaujoch during CLACE 4 and 5 were n-hexanal with a median concentration of 1.324 μg L-1 (CLACE 5) followed by n-nonanal (CLACE 5) with a median concentration of 1.239 μg L-1. High concentration variations of the analytes in snow samples collected at the same time at the same place argue for a heterogeneous composition of snow and ice. Several indicators were found that the origin of the n-aldehydes in the snow can be attributed to direct biogenic emissions from vegetation and indirect biogenic emissions through photochemical oxidation of fatty acids and alkenes. In a second step laboratory experiments were carried out to clarify the uptake mechanism of volatile and semivolatile organic compounds into snow/ice. Organic compounds can be incorporated into the atmospheric ice phase either by the process of gas scavenging, liquid scavenging (riming) or particle scavenging. Gas scavenging (incorporation of the organic compounds from the gas phase during growing of ice crystals) revealed to be ineffective based on previous laboratory experiments in which ice crystals were growing in the presence of aromatic hydrocarbons (BTEX) in the gas phase. In the present study the process of liquid scavenging (riming) was investigated in the laboratory using aqueous standard solutions containing BTEX, naldehydes (C6-C10), methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethyl tert-butyl ether (ETBE). The headspace above the standard solution was sampled after adjusting the aqueous solutions to definite temperatures by use of a thermostat. Measurement were carried out at 25°C, 15°C and 5°C (water), -5°C and -15°C (supercooled water) and -25°C (ice). Results have shown that the known trend of lower gas phase concentrations over water concomitant with lower temperatures (Henry’s Law) is only valid for temperatures above 0°C. At temperature below 0°C, increasing concentrations of the analytes (BTEX, MTBE, ETBE and n-aldehydes) were determined in the gas phase together with decreasing temperatures. Dimensionless Henry’s law coefficients (KAW) were calculated from the concentrations of the organic compounds in the headspace above the standard solutions at temperatures between 25°C and -25°C. The observed inversion of Henry’s law coefficients of volatile and semivolatile organic compounds at a water temperature of approximately 0°C is explained by the formation of ordered zones of H2O molecules in supercooled water called “ice-like-clusters”. Together with decreasing temperatures the degree of formation of ordered zones increases which results in the removal of the organic molecules from the liquid phase and transfer into the gas phase. At a temperature of -25°C the supercooled water is converted into ice and a further significant increase of the gas phase concentrations of hydrophobic compounds such as BTEX is observed. In comparison, less hydrophobic compounds such as MTBE, ETBE and n-aldehydes are detected in lower amounts in the gas phase above the water/ice phase due to the higher water solubility and lower Henry coefficients compared to BTEX. The results show that in the absence of particles the uptake of BTEX MTBE, ETBE and C6-C10-naldehydes into ice not enhanced during freezing of a supercooled liquid, since at -25°C for these analytes the concentrations in the gas phase are higher at -25°C (ice) compared with -15°C (supercooled liquid). The heterogeneous distribution of BTEX and n-aldehydes concentrations in snow samples collected during the CLACE field campaigns suggests that adsorption of the organic compounds to particles followed by incorporation of the particles into the snow and ice might play a major role in the uptake process of organic compounds into snow and ice. To increase the knowledge about uptake processes of organic compounds into snow and ice further experiments are required with should include aerosol particles in the experimental setup to evaluate the influence of particle scavenging in the uptake processes.
New industries are recognized as new impetus to national wealth. At the same time, they are increasingly becoming geographically concentrated in some well defined areas. But current studies on the emergence of industrial clusters tend to analyze favorable driving factors. This dissertation takes the example of a Chinese endogenous industrial cluster, the traditional Chinese medicine (TCM) cluster at Tonghua, a small peripheral city in Northeastern China, to contribute to the theoretical understanding of the emergence of industrial cluster as a co-evolutionary process of organizations, institutions and firms, or, to put it more broadly, as economic evolution embedded in complex socio-economic contexts. The recent advance in evolutionary and co-evolutionary economics which considers the economy and economic landscape as dynamic process instead of equilibrium can be regarded as a part of broader and more intellectual turn of quest for history in social sciences. Although the principle of "history matters" is widely acknowledged, it tends to be reduced to a quite simple concept of "path dependence". However, path dependence cannot offer space for new path creation, except from an external shock. Accordingly, the role of human conscious action or Schumpeterian innovation should be added to path analysis through the concept of path creation. Furthermore, and more importantly, history should be understood as context, and historical context can be explored through the understanding of multi-paths and interaction among them over time. So path inter-dependence (co-evolution between paths) would be useful to better understand the complexity of real history. Since the industrial cluster is composed of interconnected firms and is also subject to changes in institution and technology, I will focus on the multi-way causal relationship between firm, institution and technology. The theorizing is not entirely new, but most of the theoretical and empirical discussions are at the national or industrial level, not regional or local one. A competitive cluster can be regarded as a co-evolutionary hotspot in which multiple populations actively interact and are interconnected. Co-evolution itself is a dynamic and evolutionary process. So I will adopt a dynamic and evolutionary view to examine co-evolutionary degree or co-evolutionary effects in the Tonghua pharmaceutical cluster through time. After a brief introduction which deals with the national institutional changes that are highly associated with new venture creation, entrepreneurship, and innovation, with registrations on drug and healthcare system, and with changes in market demand of China’s pharmaceutical industry and geographical distribution, I will collect evidences from three aspects based upon field survey and second hand data, i.e., the history of the enterprises, the origin of entrepreneurship, and the knowledge of evolution, linking their respective generative relationships through the genealogical method. In this volume, the evolution of the Tonghua pharmaceutical firm organization, the formation of local entrepreneurship, historical accumulation of knowledge, and particular knowledge of transfer among generations of firms will be discussed, then I will probe into co-adaption and co-evolution between local formal and informal institutions and organizations in Tonghua’s TCM industry. In addition, I will try to understand the co-evolutionary process at different geographical levels (namely, national and local). In summary, my main findings include the following several points. Firstly, in the course of the emergence of Tonghua’s pharmaceutical industry, local social networks and the traditional alliance between enterprises and government have played important roles. Secondly, the most important factor that influences the evolution of endogenous industrial clusters such as the Tonghua pharmaceutical industry in transitional countries is not the change in technology, but the change in fundamental national institutions. Thirdly, the success of the Tonghua pharmaceutical industry can be ascribed to the creation of multiple paths largely based on initial conditions, which implies that economic policy should have historical consciousness, namely, new economic innovation should make full use of both historical legacies and existing assets. Finally, it is co-adaption and co-selection of firm organization, institution, and technology that have jointly made Tonghua’s pharmaceutical industry become highly competitive, which means that whether one region can grasp new opportunities partially depends on its capabilities to coordinate a varity of development agents.
Trace elemental concentrations of bivalve shells content a wealthy of environmental and climatic information of the past, and therefore the studies of trace elemental distributions in bivalve shells gained increasing interest lately. However, after more than half century of research, most of the trace elemental variations are still not well understood and trace elemental proxies are far from being routinely applicable. This dissertation focuses on a better understanding of the trace elemental chemistry of Arctica islandica shells from Iceland, and paving the way for the application of the trace elemental proxies to reconstruct the environmental and climatic changes. Traits of trace elemental concentrations on A. islandica shells were explored and evaluated. Then based the geochemical traits of the shells, four non-environmental/climatic controlling is indentified. (1) Trace elemental concentrations of bivalve shells are effected by early diagenesis by the leach or exchange of elemental ions, especially in shell tip part, even with the protection of periostrucum; (2) The analytical methods also affect the results of trace elemental concentrations, especially for the element, such as Mg, which is highly enriched in organic matrices; (3) Shell organic matrices are found play a dominating role on the concentration of trace elements on A. islandica shells. Most trace elements only occurred in insoluble organic matrices (IOM), although others are only found in the carbonate fraction. IOM of A. islandica shells is significantly enriched in Mg, while Li and Na are more deplete in IOM, but enriched in shell carbonate. Ba is more or less even contented in IOM and shell carbonate. The concentrations of certain elements vary between primary layer and secondary layer; (4) The vital /physiological controlling on trace elemental distributions of bivalve shells is also confirmed. Six elemental (B, Na, Mg, Mn, Sr, and Ba) concentrations show significant correlation (exponential functions) with ontogenetic age and shell grow rates (logarithmic equations). It is worthy to remark that B, Mg, Sr and Ba concentrations are negatively correlated with shell growth rate, positive with ontogenetic age, while the concentrations of Na and Mn show the opposite trends. At last, all the controlling described above can be taken into account and corrected to extract the environmental and climatic signal by a kind of standardization. The derived six exponential functions of the high correlations between six trace elemental concentrations and ontogenetic year are applied to make the standardization of these element-Ca ratios. The gotten standardized indices are compared with the variations of environmental and climatic parameters in this region, and many correlations are found. Standardized indices of Sr/Ca ratios are strongly related to the sun spot number, autumn NAO, autumn Europe surface air temperature (SAT) and Arctic sea surface temperature anomaly (TA), and those of Mg/Ca ratios are strongly associated with Arctic TA, Europe SAT and Solar variation (irradiance). The variations of autumn Europe SAT demonstrated more similarity with standardized indices of B/Ca than other parameters. Except for the SAT index of Arctic, the standardized indices of Na/Ca showed no distinct relation to temperature. European precipitation and the Arctic sea level pressure index compared well the Na/Ca ratios of the shells, and so did the autumn NAO. Standardized indices of Mn/Ca were correlated with the number of hurricanes in the North Atlantic, Northern Europe SAT and sun spot number.
An eclogite barometer has profound importance in the study of upper mantle processes and potential application to diamond prospecting. Studies on the partitioning of Li between clinopyroxene (cpx) and garnet (grt) in natural samples have shown that this particular element is very sensitive to changes in pressure and could be calibrated as the barometer demanded for bimineralic eclogites. Experiments were performed from 4 to 13 GPa and 1100 to 1400°C in the CMAS (CaO, MgO, Al2O3, SiO2) system with Li added as Li3PO4 to quantify this pressure dependence into a barometer expressed in the following equation: P= (0.00255*T-lnKd)/0.2351 where P is in GPa, T is in °C and Kd is defined as the partition coefficient of Li (in ppm) between clinopyroxene and garnet. The experimental pressures are reproduced to ± 0.38 GPa (1σ) by this equation. This barometer is strictly applicable only to CMAS. Experiments at 1300°C, 8-12 GPa showed that Henry’s Law is fulfilled for Li partitioning between cpx and grt in the concentration range of approximately 0.01 – 1 wt% Li. Direct application of the equation to experiments in natural systems performed at 1300°C from 4 GPa to 13 GPa consistently overestimates pressures by approximately 2 GPa. Our previous experiments in the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2 + Li3PO4 showed that the partitioning of Li between garnet and clinopyroxene is pressure dependent in eclogitic bulk compositions. This supports experimentally the hypothesis of Seitz et al. (2003), based on the analysis of Li in eclogitic xenoliths and inclusions in diamond, that the partitioning of this particular element between clinopyroxene and garnet is very sensitive to changes in pressure and could be calibrated as a barometer for bimineralic eclogites. In order to calibrate this pressure dependence into a barometer, experiments were performed in natural systems using starting materials sourced from a well preserved eclogitic xenolith from the Roberts Victor kimberlite pipe (South Africa) to extrapolate our findings in CMAS to natural systems. Sixteen multianvil experiments were performed from 4-13 GPa and 1100-1500°C. Our findings reinforced the general trend we observed in the CMAS system, that KdLi cpx-grt for Li decreases with increasing P, and that at P ≥ 12 GPa, garnet is able to incorporate more Li than clinopyroxene. Multiple linear regression was applied to our experimental results to create the barometer: P = (0.000963*T – ln KdLi cpx-grt + 1.581) / 0.252 Where P is pressure in GPa, T is temperature in °C and KdLi cpx-grt is defined as the partitioning coefficient of Li obtained by dividing the concentration of Li in cpx by the concentration of Li in garnet. This barometer reproduces the experimental conditions to ± 0.2 GPa. It is applicable to eclogitic xenoliths, to garnet pyroxenites and to peridotitic and eclogitic inclusions in diamond. Application of the barometer to diamond bearing xenoliths results in pressures in the diamond stability field. Clinopyroxene is easily corrupted in xenoliths and also preferentially takes in Li during short lived metasomatic processes. Care must be taken therefore to analyse primary, unaltered clinopyroxene. Our preliminary application to natural samples shows that the barometer can be applied beyond the experimental range to pressures down to 3 GPa. Seventeen eclogitic xenoliths were chosen from a sample set of greater than 200 for their fresh microscopic and macroscopic appearance and were analyzed for Li content in coexisting garnet (grt) and clinopyroxene (cpx). These samples can be subdivided into two groups on the basis of Mg in cpx (cpfu: cations per formula unit, based on 6 oxygens): Group 1 with Mg > 0.75, and Group 2 with Mg < 0.75. Group 1 xenoliths show lower Li contents in both grt and cpx compared to Group 2. The Li barom ter calibrated in Hanrahan et al. (2009b)/Chapter 3 was applied to these samples as well as available literature data to obtain pressures of provenance - Group 2 xenoliths often provide pressures that appear unrealistic for eclogitic xenoliths. In light of observed crystal chemical relations in the natural samples, a new fitting procedure was applied to the experimental data presented in Chapter 3. This new fit appears to be more realistic than the previous fit, although a strong relationship with Mg# remains present, suggesting that Li-barometry is, at present, only applicable to Mg-rich eclogites. Inclusions in diamond, with the exception of eclogitic inclusions of coexisting majorite and cpx, often yield pressures that are inconsistent with the pressures required for diamond formation. Although an interesting observation when comparing all of the data is that inclusions in diamond have significantly higher average Li concentrations compared to xenoliths, which suggests that Li is highly present in the fluids from which diamonds form in the mantle, an observation which was previously made for the deep mantle as a result of high Li in ferropericlase inclusions in diamond (Seitz et al. 2003).
In this study, I investigate the crustal and upper mantle velocity structure beneath the Rwenzori Mountains in western Uganda. This mountain range is situated within the western branch of the East African Rift and reaches altitudes of more than 5000 m. I use four different approaches that belong to the travel-time tomography method. The first approach is based on the isotropic tomographic inversion of local data, which contain information about 2053 earthquakes recorded by a network of up to 35 stations covering an area of 140×90 km2. The LOTOS-09 algorithm described here is used to realize this approach. The second approach is based on the anisotropic tomographic inversion of the same local dataset. This method employs the tomographic code ANITA, developed with my participation, which provides 3D anisotropic P and isotropic S velocity distributions based on P and S travel-times from local seismicity. For the P anisotropic model, four parameters for each parameterization cell are determined. This represents an orthorhombic anisotropy with one vertically-oriented predefined direction. Three of the parameters describe slowness variations along three horizontal orientations with azimuths of 0°, 60° and 120°, and one is a perturbation along the vertical axis. The third approach is based on tomographic inversion of the teleseismic data, which contain information about the traveltimes of P-waves coming from 284 teleseismic events recorded by the seismic network stations. The TELELOTOS code, which is my own modification of the LOTOS-09 algorithm, is used in this approach. The TELELOTOS code is designed to iteratively invert the local and/or teleseismic datasets. Finally, I present the results of the new tomographic approach, which is based on the simultaneous inversion of the joint local and teleseismic data. The simultaneous use of these datasets for the tomographic inversion has several advantages. In this case, the velocity structure in the study area can be resolved as deep as in the teleseismic approach. At the same time, in the upper part of the study volume, the resolution of the obtained models is as good as in the local tomography. The TELELOTOS algorithm is used to perform the joint tomographic inversion. Special attention is paid in this work to synthetic testing. A number of different synthetic and real data tests are performed to estimate the resolution ability and robustness of the obtained models. In particular, synthetic tests have shown that the results of the anisotropic tomographic inversion of the local data have to be considered as unsatisfactory. For all approaches used in this study, I present synthetic models that reproduce the same pattern of anomalies as that obtained by inverting the real data. These models are used to interpret the results and estimate the real amplitudes of the obtained anomalies. The obtained models exhibit a relatively strong negative P anomaly (up to -10%) beneath the Rwenzori Mountains. Low velocities are found in the northeastern part of the array at shallower depths and are most likely related to sedimentary deposits, while higher velocities are found beneath the eastern rift shoulder and are thought to be related to old cratonic crust. The presence of low velocities in the northwestern part of the array may be caused by a magmatic intrusion beneath the Buranga hot springs. Relatively low velocities were observed within the lower crust and upper mantle in the western and southern parts of the study area (beneath the rift valley and the entire length of the Rwenzori range). The higher amplitude of the low-velocity anomaly in the south can be related to the thinner lithosphere in the southern part of the Albertine rift. In the center of the study area, a small negative anomaly is observed, with the intensity increasing with depth. This anomaly is presumably related to a fluids rising up from a plume branch in the deeper part of the mantle. According to the interpretation of the local earthquake distribution, the Rwenzori Mountains are located between two rift valleys with flanks marked by normal faults. The Rwenzori block is bounded by thrust faults that are probably due to compression.
Delthyridoid spiriferids are characterized by a global abundance and fast evolution during Silurian and Devonian, and, therefore, are used as important biostratigraphical and palaeobiogeographical tools. In this work, delthyridoid brachiopod faunas from different regions of today’s world, resp., of different palaeobiogeographical units, are compared side-by-side to investigate their phylogenetic relationships and to improve, in a second step, the palaeobiogeography from Late Silurian to Early Eifelian time. A new systematics of Delthyridoidae is established which is more complicated than hitherto assumed. The results of this study are mainly based on direct comparison of articulated and isolated brachiopod shells, external and internal moulds, as well as latex casts and serial sections. The computer supported cladistic analyses have turned out not to be useful due to different kinds of preservation resulting in an incomplete matrix which is insufficient for reliable cladograms. A further problem in terms of cladistical analyses are various convergences during the evolution of spiriferids. Many characters evolved independently from each other at different times in each lineage so that autapomorphies are hardly or not at all recognizable. As a result, families and genera are only definable by a combination of characters rather than by a single or a few autapomorphies. As a new method, 3D reconstruction from serial sections is introduced which made it possible for the first time to compare directly mouldic and shelly material. Preliminary results are presented herein. Statistical analyses of measurements taken from new taxa are made but regarded as a descriptive argument rather than a deciding factor for taxonmy due to incomplete preservation and/or tectonic deformation. Brachiopods, especially type material, from collections of different institutions and museums are studied as well as personal material, whenever possible collected from topotype outcrops. Emended diagnoses, if necessary, from family to species level are given. During this work several new taxa have been erected: 7 new families: Australospiriferidae, Murchisonispiriferidae, Orientospiriferidae, Otospiriferidae, Patriaspiriferidae, Rostrospiriferidae, and Trigonospiriferidae; 6 new genera, 1 of these in open nomenclature: Cyclopterospirifer, Hallispirifer, Parlinispirifer, Murchisonispirifer, Shujiapingensispirifer, and gen. nov. B; and 3 new species: Patriaspirifer merriami, Patriaspirifer johnsoni, and Murchisonispirifer feldmani; 1 taxon is defined as nomen novum: Orientospirifer nakaolingensis wani. In the framework of this project, 2 families: Filispiriferidae and Multispiriferidae; 1 subfamily: Multiplicatispiriferinae, 6 genera, 1 of them in open nomenclature: Frequentispirifer, Leonispirifer, Multiplicatispirifer, Ovetensispirifer, Turcispirifer, and Gen. A; and 9 new species, 3 of them in open nomenclature: Filispirifer hamadae, Leonispirifer leonensis, Multiplicatispirifer foumzguidensis, Oventensispirifer novascotianus, Quiringites arensentiae, Turcispirifer turciae, Multiplicatispirifer cf. foumzguidensis, Quiringites cf. arensentiae, and ?Turcispirifer sp. A which have already been established are also described in this work. The brachiopod faunas studied consist of externally very similar spiriferids which have been identified as same genera, species, or even subspecies in earlier times. These forms are considered as 6 distinct morphotypes Howellella-, Arduspirifer-, Acrospirifer-, Euryspirifer-, Paraspirifer-, and Multiplicatispirifer-like morphotypes, which are briefly introduced. The new systematics is characterized by different clades, the European/North African delthyridoid spiriferid clade, the North American delthyridoid spiriferid clade, the Asian delthyridoid spiriferid clade, the Malvinokaffric delthyridoid spiriferid clade, and the delthyridoid multiplicated spiriferid clade. Each of them is described in a cladistic and in a phylogenetic way. Their phylogenetic relationship sheds new light on palaeobiogeographical interpretations for the different stages from Late Silurian to early Middle Devonian time. A tendency for increasing endemicity is seen until the end of the Early Emsian, which is interrupted by short term regional faunal exchange within a province or within a realm, followed by a loss of endemicity resulting in global distribution of brachiopod genera until the end of Givetian time. The Old World Realm is re-defined due to the lack of phylogenetic relationship between its faunas and subdivided into the European Realm, consisting of the Gondwanan and Avalonian provinces, and the Asian Realm, consisting of the Siberian, Sino, and Mongolian provinces. A reconstruction of Lower Devonian palaeobiographical map is introduced.
NASAs Stardust Mission ist die erste Mission, die - nach den Apollo Missionen zum Mond - Material von einem extraterrestrischen Körper erfolgreich für die Untersuchung auf der Erde, zurückgebracht hat. Desweiteren konnten erfolgreich Proben von einem Interstellaren Partikelstrom aufgesammelt werden, der das Sonnensystem derzeit passiert. Die Mission erlaubt einen Einblick in die Beschaffenheit der Kometenpartikel, die Rolle von Kometen im Sonnensystem sowie den Eintrag von Staub in die Zodiakalwolke. Desweiteren erlaubt die Analyse der Kometenpartikel den direkten Vergleich zu bereits untersuchten Meteoriten und Interplanetaren Staub Partikeln (IDPs) die auf der Erde bzw. deren Stratosphäre gesammelt wurden. Stardust ist die vierte ”Discovery” Mission und wurde am 7. Februar 1999 gestartet. Während des Fluges zum Kometen 81P/Wild 2 wurde ein interstellarer Partikelstrom beprobt und der Asteroid Annefrank passiert. Nach fünf Jahren kam es zum Zusammentreffen mit dem Kometen 81P/Wild 2 und über fünf Minuten, wurden Proben mit einer Auffangvorrichtung eingesammelt. Es dauerte weitere zwei Jahre bis die Stardust Sonde die Proben erfolgreich zur Erde zurückgebracht hat und zur Untersuchung freigegeben wurden. Interstellare und kometare Partikel wurden mit einer tennisschlägerartigen Auffangvorrichtung eingefangen, die aus einer Vielzahl von Aerogel Zellen aufgebaut ist. Das für die Stardust Mission verwendete Aerogel besteht aus SiO2 dessen dendritische Struktur zu 99,8 % aus Luft (Poren) besteht. Dadurch erscheint es nahezu transparent, was die optische Suche mit Mikroskopen nach den Einschlagsspuren der Körner vereinfacht. Die jeweiligen Partikel wurden auf unterschiedlichen Seiten der Vorrichtung eingefangen, da unterschiedliche Eigenschaften des Aerogels notwendig waren und um sie später voneinander unterscheiden zu können. Die Seite, in der die Kometenpartikel eingefangen wurde, musste Körner mit unterschiedlichen Grössen, Morphologien und niedrigeren Geschwindigkeiten abbremsen, während auf der interstellaren Seite die Körner von wesentlich höheren Geschwindigkeiten abgebremst werden mussten. Die Aerogelzellen haben ein variierendes Dichteprofil: an der Oberfläche ist die Dichte geringer (5 mg/ml) und erhöht sich mit der Tiefe auf 30-50 mg/ml. Dieses Dichteprofil ist notwendig, da beim Einschlag der Körner auf das Auffangmedium ein hoher Druck entsteht, der umso geringer ist, je niedriger die Dichte im Moment des Auftreffens ist. Die Aerogelzellen für die Kometenpartikel haben drei Lagen mit unterschiedlichen Dichten, die Zellen für die interstellaren Körner haben zwei unterschiedliche Dichten (Tsou et al., 2003)....
Das Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeiten und Grenzen von hochauflösenden Klimaprojektionen in orographisch beeinflussten Gebieten an den Beispielen der europäischen Alpen und des Himalajas zu prüfen. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, ob beobachtete regionale Muster in den höher aufgelösten Daten besser wiedergegeben werden als in den antreibenden großskaligen Daten. Dazu werden regionale Klimasimulationen des COSMO-CLM Modells und Daten von zwei statistischen Regionalisierungsmethoden mit ERA40 Reanalysen sowie Daten des globalen Atmosphäre-Ozean Modells ECHAM5/MPIOM für verschiedene Parameter des Klimasystems verglichen. Ein Vergleich mit den Reanalysen anhand täglicher Niederschlagsstatistiken ergibt, dass die COSMO-CLM Niederschlagsdaten auf der 0.5° Skala vergleichbar sind mit ERA40 Niederschlägen und mit statistisch regionalisierten ERA40 Niederschlägen. Eine zusätzliche Fehlerkorrektur der COSMO-CLM Niederschläge liefert gute Ergebnisse. Dabei sind jedoch etwa 500 Regentage notwendig, um eine robuste Fehlerabschätzung zu gewährleisten. Für das südasiatische Gebiet ist eine realistische Wiedergabe des indischen Sommermonsuns (ISM) in den Modellen von hoher Relevanz. Betrachtet man nur die Mittelwerte und zeitlichen Variabilitäten von verschiedenen Indizes des ISM, so liefert das COSMO-CLM keinen Mehrwert im Vergleich zu den antreibenden Daten. Allerdings werden die räumlichen Strukturen von Niederschlag und vertikaler Windscherung, sowie die zeitliche Korrelation der modellierten Indizes gegenüber dem ECHAM5/MPIOM Modell verbessert. Die durchgeführten COSMO-CLM Projektionen für die Jahre 1960 bis 2100 zeigen negative Trends des ISM für die SRES Szenarien A2, A1B und B1. Die negativsten Trends sind dabei im Szenario A2 zu finden, gefolgt von A1B und B1. Fast keine Trends zeigen sich im commitment Szenario. Trotz großen zeitlichen Variabilitäten sind die Abnahmen in Niederschlagsmengen, ausgehender langwelliger Strahlung und Windscherung statistisch signifikant in großen Regionen des Simulationsgebietes. Für Nordwest-Indien weisen die Projektionen teilweise einen Rückgang der Monsunniederschläge von über 70% in 100 Jahren auf. Der Rückgang der Windscherung ist hauptsächlich auf Veränderungen in der oberen Troposphäre bei 200 hPa zurück zu führen. Während in den COSMO-CLM Projektionen alle Indizes des ISM synchrone Negativtrends aufweisen, sind die Trends für den Monsunregen über Indien im globalen ECHAM5/MPIOM Model positiv. Gemäß den Definitionen der verschiedenen Indizes, sind jedoch synchrone Trends wahrscheinlicher und das COSMO-CLM liefert zu den globalen ISM Projektionen ebenfalls einen Mehrwert. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das COSMO-CLM wertvolle regionale Zusatzinformationen zu den globalen Modellen in den beiden untersuchten Regionen liefert. Für die Einzugsgebiete der oberen Donau und des oberen Brahmaputra liefern die COSMO-CLM Projektionen einen signifikanten Anstieg der Temperatur für alle Jahreszeiten der Jahre 1960 bis 2100. Die Werte sind generell höher im Brahmaputragebiet, mit den größten Trends in der Region des tibetanischen Plateaus. Im Niederschlag zeigen die saisonalen Anteile ebenfalls klare Trends, beispielsweise eine Zunahme des Frühjahrsniederschlags im Einzugsgebiet der oberen Donau. Die größten Trends werden wiederum in der Region des tibetanischen Plateaus projiziert mit einem Anstieg von bis zu 50% in der Länge der Trockenperioden zwischen Juni und September und einem gleichzeitigen Anstieg von etwa 10% für die maximale Niederschlagsmenge an fünf aufeinander folgenden Tagen. Für die Region Assam in Indien, zeigen die Projektionen zudem eine Zunahme von 25% in der Anzahl der aufeinander folgenden trockenen Tage während der Monsunzeit
The TTL is the transition layer between the tropical troposphere and stratosphere, and is the main region where tropospheric air enters the stratosphere. In this thesis different transport processes are studied by using in situ measurements of tracers. Long-lived tracers were measured with the High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) on board the M55 Geophysica aircraft. The instrument was developed by the University of Frankfurt and measures the long-lived tracers CO2, N2O, CFC-12, CFC-11, H-1211, SF6, CH4 and H2 with two gas chromatographic channels and a CO2 sensor (LICOR). The measurements are supported by CO and O3 measurements of other instruments. Two campaigns were conducted to obtain measurements in the TTL: SCOUT-O3 (November/December 2005 in Darwin, Australia) and AMMA-SCOUT-O3 (August 2006 in Ouagadougou, Burkina Faso). After a general introduction of the thesis in chapters one and two, the third chapter describes the findings during this last campaign. Five local flights are analyzed to study the different transport processes that occur in the tropical tropopause layer above West-Africa: deep convection up to the level of main convective outflow, vertical mixing after overshooting of air in deep convection, horizontal inmixing from the extratropical lower stratosphere, and horizontal transport across the subtropical barrier. Main findings are that the TTL over West-Africa is mostly influenced by remote convection. The subtropical barrier is not a strong barrier but more a region of transition between the extratropical and the tropical stratosphere. Chapter 4 presents the results obtained during the SCOUT-O3 campaign. From the eight local flights the last four flights (051129, 051130a, 051130b, 051205) show enhanced values of ozone, CO and CO2 between 355 and 380 K potential temperature in comparison with the first four flights (051116, 051119, 051123, 051125). Horizontal inmixing from the extra-tropical stratosphere and influence of the local convective system Hector cannot explain the enhanced values of the two flights on 30 November Therefore, other possible explanations for these enhanced CO, CO2 and ozone levels are proposed. The first explanation is vertical mixing in the vicinity of the jet stream. However, the jet cannot explain the differences between the flights on 30 November and the flights on 29 November and 5 December. Another possible explanation is influence of polluted boundary layer air masses from the Indonesian region. Especially air sampled during the flights on November 30 crossed large parts of northern Indonesia between 8 and 10 days before the measurements. Convective uplift of biomass burning and other pollution plumes can transport CO and ozone precursors into the upper troposphere, where they can significantly enhance the ozone production. The last chapter deals with the vertical ascent rate in the TTL and uses measurements of both the SCOUT-O3 and AMMA-SCOUT-O3 campaign as well as data from previous aircraft campaigns (TROCCINOX and APE-THESEO). Time scales and residence times for mean vertical transport in the background TTL are estimated for different seasons and over different geographic regions using in situ observations of CO2 and long-lived tracers. The vertical transport time scales are constrained using the seasonal variation of CO2 in the tropical troposphere as a “tracer clock” for vertical ascent. Two methods are applied to calculate the residence time in the layer between 360 and 390 K potential temperature. The first method uses the slope of the CO2 index, the second method fits the CO2 index directly to the measurements assuming a constant ascent rate. The first method yields residence times for Australia,West Africa, and Brazil of the same order, 35-45 days to 380 K and 50 days to 390 K (where no value can be derived for Australia as the slope is changing approximately one month before the campaign). For APE-THESEO, the method does not yield reasonable results. The best estimates using the second method show moderate residence times between 360 and 390 K of 60±25 days SCOUT-O3 (NH autumn) and 43±8 days for AMMA/SCOUT-O3 (NH summer). These results agree well with the results calculated using the first method. For APE-THESEO and TROCCINOX the best fits yield shorter residence times of 23±7 and 40±10 days, respectively, both during winter. These results correspond well to the expectations based on the seasonal variation of the Brewer-Dobson circulation.
Within the present study the occurrence and fate of the organophosphorus flame retardants and plasticizers tris(2-chloroethyl) phosphate (TCEP), tris(2-chloro-1-methylethyl) phosphate (TCPP), tris(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate (TDCP), tris(2-butoxyethyl) phosphate (TBEP), tri-iso-butyl phosphate (TiBP), and tri-n-butyl phosphate (TnBP) in precipitation, lake water, surface runoff and groundwater from urban and remote areas in Germany was investigated between June 2007 and October 2009. 255 samples of precipitation, 210 samples of lentic surface water and 72 samples of groundwater were analyzed for the six organophosphates (OPs) by solid phase extraction followed by gas chromatography-mass spectrometry. The research focused on aspects concerning (1) the atmospheric washout of OPs by precipitation, (2) the temporal variation of OP concentrations in precipitation and in lentic surface waters as well as (3) the pollution of groundwater by OPs. The results of the study emphasize the importance of precipitation as an all-season entry-pathway for OPs in the aquatic environment, particularly in densely populated urban environments with high traffic volume and abundant usage of flame-protected products. No seasonal trends were observed for all analytes in precipitation at the urban sampling site. TCPP dominated in all precipitation and storm water holding tank (SWHT) water samples with maximum levels exceeding 1 µg/L. An accumulation of OPs deposited in SWHTs was observed with concentrations often exceeding those observed in wet precipitation. Median concentrations of TCPP (880 ng/L), TDCP (13 ng/L), and TBEP (77 ng/L) at the urban SWHT were more than twice as high as those measured at the urban precipitation sampling site (403 ng/L, 5 ng/L, 21 ng/L) located close to the SWHT. OP levels in more remote lakes were often below or close to the limits of quantitation (LOQ). Nevertheless, TCPP was the substance with the highest median concentration in rural volcanic lakes (7–18 ng/L) indicating an atmospheric transport of the compound. At urban lakes the median OP concentrations were in the range of 23–61 ng/L (TCEP), 85–126 ng/L (TCPP), <LOQ–53 ng/L (TBEP), 8–10 ng/L (TiBP), and 17–32 ng/L (TnBP). In laboratory experiments, TBEP, TiBP, and TnBP were photochemically degraded in spiked lake water samples upon exposure to sunlight. In the SWHT a seasonal trend with decreasing concentrations in summer/autumn was evident for TiBP and TnBP but not for the chlorinated OPs. The decreasing concentrations can be explained by in-lake photodegradation. Results have also shown that the occurrence of OPs in groundwater is depending on the anthropogenic impact during groundwater recharge/natural replenishment. Infiltration of precipitation was found to be no important entry-pathway for OPs into aquifers at rural sites. Highest OP concentrations (>0.1 µg/L) were determined in groundwater polluted by percolating leachate from contaminated sites or groundwater recharged via bank filtration of OP-loaded recipients. Concentrations of TCEP, TCPP, TiBP and TnBP in groundwater decreased rapidly (89–97%) during bank filtration with increasing distance from the recipient due to adsorption processes and/or biotransformation. Although TCEP and TCPP are stable within the aquifer, they are not suitable as conservative organic tracers in groundwater.
The Alborz Mountains are forming a ~100 km wide, E-W trending mountain chain where individual summits are up to 5000 m in elevation. The Alborz Mountains range are part of the Alpine orogen and are straddling a 2000 km wide area S of the Caspian Sea. The rocks of the Alborz Mountains consist of Neogen sediments, which are affected by folding and faulting. In the western part of the Alborz Mountains the folds and faults are trending NW-SE, whereas in the eastern part they are trending NE-SW. GPS data confirm N-S shortening including dextral strike-slip along ESE-WNW trending faults, and sinistral strike-slip along ENE-WSW trending faults. The present thesis is focusing on the active Garmsar salt nappe, the fragmented roof of which is pierced by rock salt which extruded near the front of the Alborz Mountains Range. During the past 5 m.y. the front of the Alborz chain migrated towards SSW on top of the salt of the Garmsar basin. The salt was squeezed towards SSW and took place at the Great Kavir. The extruded salt is forming the Eyvanekey plateau between the cities of Eyvanekey and Garmsar. Both the Garmsar salt nappe and the Eyvanekey plateau are dextrally displaced for ca. 9 km along the Zirab-Garmsar fault. Structural analyses of the Garmsar salt nappe indicate three different groups of joints which are trending perpendicular and parallel to the local mechanical anisotropy. The folds of the study area are congruent (type 2 and 3 after Ramsay) resulting from viscose inhomogeneous flow. InSAR-Investigations suggest the Alborz Mountains to be lifted up by ca. 1 cm/a, while horizontal shortening is active at a rate of 8 ±2 mm/a. These values are consistent with GPS data. Based on nine „Advanced Synthetic Aperture Radar“ (ASAR) scenarios, produced by the ENVISAT satellite of the European space agency between 2003 and 2006, we used interferograms to map the displacement via 22 increments during 2 – 18 months. The results suggest that the topographic height of the surface of the salt is changing at a rate which is controlled by the season. The displacement ranges from subsidence at -40 to -50 mm/a to uplift of 20 mm/a. In order to investigate the time-dependent deformation with high spatial resolution, we used algorithms which are based on data of small base lines (SBAS). The resulting interferometric SAR time series analyses also suggest that the study area is largely subsiding at a rate that is controlled by the seasons. The map with the averaged LOS deformation velocities, on the other hand, suggests the subsidence to increase from the upper part of the salt nappe towards deeper topographic 5 levels of the agricultural lowlands. The major part of subsidence is probably caused by the annual rainfall which results in subrosion of salt. The spatial changes in the subsidence rate are probably controlled by the distribution of fountains, mining activity at the margin of the salt glacier, and faults and fractures inside the salt. Striking seasonal imprints are obvious along the agricultural areas which are surrounding the Garmsar salt nappe. These areas are rapidly subsiding in summer and spring when groundwater is used for irrigations. The maximum rate of subsidence (40-50 mm/a) is located E and W of the Eyvanekey plateau, where large areas are irrigated. The maximum displacement is 20 mm/a in the farmland and 5 mm/a in the center of the salt nappe. Depth estimates using Euler deconvolution method for gravimetric and magnetic data suggest the salt to extrude from a depth less than ca. 2000 m. The gravity field of the study area is characterized by strong anomalies in the SW and weak anomalies in the NE. A considerable negative anomaly in the N indicates that the northern part subsided, whereas the southern part was lifted up. The seismic data show three major horizons inside the Miocene sediments: the Lower Red Formation, the Qom Formation, and the Upper Red Formation. The western part of the study area seems to be free from salt domes. The layers of the upper part of the Qom Formation show thinning along the NE and NW trending faults. In some areas the seismic reflectors indicate steep faults close the saddle of the folds. NE-SW-, NW-SE and E-Wtrending faults prevail. Analogue experiments have been carried out to extend our knowledge about the evolution of the Garmsar salt dome. We used a scaled model (34 cm * 25 cm * 2.5 cm) that was shortened perpendicular to its long side. The wedge shape of the Alborz Mountains was simulated by a wedge consisting of Styrofoam. Rock salt was simulated using Polydimethylsiloxan (PDMS), a linear viscous material with a viscosity of 2.3*104 Pa s and a density of 0.96 g/cm3 at room temperature. Other sediments were modeled using dry quartz sand. The experimental results can be used to simulate the structural evolution of the study area: The Alborz deformation front was emplaced on top of the salt rocks in the Garmsar area while migrating towards SSW. A salt basin and a salt extrusion have also been produced in the model. Cross sections through the wedge shaped analogue model indicate N- and S-dipping reverse faults, which are in line with the wedge shape of the Alborz chain. Moreover, ENE-WSW trending sinistral and ESE-WNW trending dextral strike-slip faults led to N-S shortening during the Miocene. Structural marker horizons, 6 which have been turned into Z-folds on the western fold limbs and to S-folds on the eastern fold limbs, are comparable with the folds of the study area. Solving the problem of waste is one of the central tasks of environmental protection. It is becoming increasingly difficult to find suitable sites that are acceptable to the public. Salt and salt formations have relevant properties to be utilizing as a repository for each kind of waste. The favorable properties make rock salt highly suitable as a host rock, in particular for nonradioactive and radioactive wastes. The Qom and Garmsar basins are the nearest salt diapirs to the Tehran province, and there are suitable repositories for waste disposal. Based on surface and subsurface data, the Garmsar salt diapir has been investigated as a case example for its suitability as a host and repository for various types of waste. The data used are based on field studies, interferometry, and geophysical investigations. The results of this study suggest the deep bedded salt of the Garmsar Salt Basin to be an appropriate host for the deposition of industrial waste. Rock salt of surficial layers or domes, on the other hand, is not regarded as an appropriate candidate for waste disposal.
Until now, the NW Indian Ocean was sparsely covered with coral proxy records, and records from the Maldives Archipelago do not exist. The first such coral proxy record from the central Maldives is presented in this study. It originates from a massive Porites lutea (Quoy and Gaimard, 1833) colony that was sampled March 2007 in the lagoon of Rasdhoo Atoll (4°N/ 73°W), which is located in the central Maldives. The record spans a period of 90 yrs and reaches back to 1917 AD with monthly to bimonthly resolution. This study investigates temporal variations of the skeletal stable oxygen (delta18O) and carbon (delta13C) isotopes, the strontium-to-calcium (Sr/Ca), and the annual extension-rates, and their relationship to historical climate variations 1917-2007. Annual extension-rates show an increase over the 20th century, and are correlated with instrumental sea surface temperatures (SST). The interannual variation of the extension-rates within 2.5-4 years is driven by the El Niño-Southern Oscillation (ENSO). The amount of skeletal extension during the summer months is triggered by variations in the strength of the SW monsoon. Interannual and decadal variability in monsoon current activity (18-19 yrs) and rainfall over India are an expression of the summer monsoon strength. This is the reason why a statistical link between coral extension-rates and precipitation over India can be established. This implies that annual extension-rates in corals can be used as a new proxy for Indian monsoon variability on decadal resolution. The delta18O record exhibits the 20th century warming trend that is influenced by the effect of monsoon-induced cooling. delta18O also reveals interannual ENSO triggered variability, which is due to ENSO-forced variations in SST and sea surface salinity (SSS). A decadal variation at 12-14 yrs cannot be linked to SST variations in the NW Indian Ocean, but with decadal variations of SSS. They could be caused by ENSO- forced variations of the monsoon currents during the mature phase of ENSO teleconnections in the Indian Ocean in boreal winter. The Sr/Ca record does not indicate a significant warming, in spite of the observed SST rise at the sampling site. Changes in seawater Sr/Ca cannot be excluded. Nevertheless, interannual ENSO forcing is still evident. Evidence for the Pacific Decadal Oscillation (PDO) is found during 1917-1955. Afterwards, the Sr/Ca data indicate the disappearance of PDO forcing. By the combination of Sr/Ca and delta18O it is possible to detect ~80% of historical El Niño and La Niña events at the sample site. This study confirms the notion that interannual to multi-decadal climate fluctuations in the Pacific play a crucial role for climate variability in the Indian Ocean.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Die kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der atmosphärischen Konzentration von Eiskeimen, einer Unterklasse des atmosphärischen Aerosols, die bei der Eisbildung in Wolken eine zentrale Bedeutung besitzt. Messungen der Eiskeimkonzentration am Taunusobservatorium (Kleiner Feldberg) (nahe Frankfurt am Main) wurden mit dem Verfahren einer Vakuum-Diffusionskammer durchgeführt. Die Arbeit umfasst die Darstellung des angewandten Messverfahrens und die Analyse und Bewertung der Messergebnisse für den Raum Zentraleuropa, anhand von u.a. Rückwärtstrajektorien und Korrelationen zu aerosolphysikalischen Parametern. Ein signifikanter Einfluss von Mineralstaub-Ferntransport aus Wüstengebieten auf die Eiskeimkonzentration in Zentral-Europa wurde ermittelt.
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.
Östlich des Rwenzori Gebirges im Westen Ugandas wurden magnetotellurische Messungen durchgeführt. An 23 Stationen wurden Übertragungsfunktionen und Phasen Tensor Elemente zwischen den gemessenen magnetischen- und tellurischen Feldern im Periodenbereich von 10s bis 10000s geschätzt. Die Übertragungsfunktionen deuten eine komplexe drei dimensionale Leitfähigkeitsstruktur innerhalb der Kruste an, insbesondere in der Verbindungszone zwischen dem Rwenzori Gebirge und der östlichen Riftschulter. In dieser Arbeit wird eine alternative Darstellung der Phasen Tensor Ellipsen als Balken eingeführt. Für Perioden größer 100s zeigen die maximalen Phasen der Phasen Tensor Balken aller Stationen einheitlich in SSW-NNE und die Phasen Tensor Invarianten f min und f max weisen eine Differenz von mindestens 20° auf. Dieses auffällige Verhalten und die kleinen vertikalen magnetischen Feldr im gleich Periodenbereich kann mit einer anisotropen Leitfähigkeit in einer Tiefenbereich zwischen 30-50km mit der gut leitenden Richtung senkrecht zur Riftachse erklärt werden. Die Anisotropie könnte ihren Ursprung in orientierten Olivien Kristallen im oberen Mantel haben, wobei die Orientierungsrichtung mit der Delamination der Unterkruste unter den Rwenzoris zusammen hängen kann. Eine gut leitende Zone süd-östlich der Rwenzoris wurde in 15km Tiefe gefunden, die mit einer seismischen low velocity zone übereinstimmt und partielle Schmelzen innerhalb der Kruste andeutet. An allen Stationen steigt die minimale Phase bei der Periode 200s über 45° und zeigt einen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit unterhalb der Lithosphäre an.
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.
The aim of this study is a better understanding of radiation processes in regional climate models (RCMs) in order to quantify their impact and to reduce possible errors. A first important task in finding an answer to this question was to examine the accuracy of the components of the radiation budget in regional climate simulations. To this end, the simulated radiation budgets of two regional climate simulations for Europe were compared with a satellite-based reference. In the simulations with the RCM COSMO-CLM there were some serious under- and overestimations of short- and long-wave net radiation in Europe. However, taking into account the differences in the reference datasets, the results of the COSMO-CLM were quite satisfactory.
Using statistical methods, the influence of potential sources of uncertainties was estimated. Uncertainties in the cloud cover and surface albedo had a significant impact on uncertainties in short-wave net radiation, the explained variance of uncertainties in cloud cover was two to three times higher than that of uncertainties in surface albedo. Uncertainties in the cloud cover resulted in significant errors in the net long-wave radiation. However, the influence of uncertainties in soil temperature on errors in the long-wave radiation budget was low or even negligible. These results were confirmed in a comparison with simulations of the REMO and ALADIN regional climate models. It is reasonable to expect that a better parameterization of relatively simple parameters such as cloud cover and surface albedo is a means of significantly improving the simulation of radiation budget components in the COSMO-CLM.
An important question for the application of RCMs is to examine whether the results of radiation uncertainties and their impact factors are comparable if the model is applied in a region that is not the one for which it was originally created. Comparisons of the simulated radiation budgets of different RCMs for West Africa showed that problems in the simulation of short- and long-wave radiation fluxes were a widespread problem. Most of the tested models showed some considerable under- or overestimation of the short- and long-wave radiation fluxes.
Similar to Europe uncertainties in cloud cover were also in the simulations for Africa a significant factor affecting uncertainties in the simulated radiation fluxes. However, for the African simulations uncertainties in the parameterization of surface albedo were much more important than in Europe. On average, overland uncertainties in the cloud cover and surface albedo were of similar importance. Uncertainties in soil temperature simulations were of higher importance in Africa, and reached overland similar values of the mean explained variance (R2 ≈ 0.2) such as uncertainties in the cloud cover. This indicates a geographical dependence of the model error. This study confirmed the assumption that an improved parameterization of relatively simple parameters such as the surface albedo in RCMs leads to a significant improvement in the modeled radiation budget, particularly in Africa.
The influence of errors in the simulated radiation budget components on the simulation of climate processes, such as the West-African monsoon (WAM), was investigated in a next step. The evaluation of ERA-Interim and ECHAM5 driven COSMO-CLM simulations for Africa showed that the main features of the WAM were well reproduced by the model, but there were only slight improvements compared to the driving data. The index of convective activity in the model simulations was much too high and precipitation was underestimated in large parts of tropical Africa. The partly considerable differences between the ERA-Interim and ECHAM5 driven simulations demonstrated the sensitivity of the RCM to the boundary conditions and in particular to the sea surface temperature. An excessive northwards shift of the monsoon in the model was influenced by the land-sea temperature gradient and the strength of the Saharan heat low. Consequently, a part of the error was due to the driving data and the model itself produced another part.
By modifying the parameterization of the bare soil albedo the errors in the radiation budget and 2 m temperature in the Sahara region were significantly reduced. Similarly, the overesti-mation of precipitation and convection has been reduced in the Sahel. The effect of this modifi-cation on the examined WAM area was low. This confirmed that especially in desert regions, errors in the surface albedo were a driving factor for errors in the radiation budget. However, there are other important factors not yet sufficiently understood that have a strong influence on the quality of the simulation of the WAM.
The analysis of the actual state, the quantification of error sources and the highlighting of connections made it possible to find means to reduce uncertainties in the simulated radiation in RCMs and to have a better understanding of radiation processes. However, the magnitude of the errors found, the number of possible influencing factors, and the complexity of interactions, indicate that there is still a need for further research in this area.
Owing to long-term similarities with regard to orbital climate forcing (i.e., low eccentricity and a dampened influence of precession), Marine Isotope Stage (MIS) 11 represents one of the closest astronomical analogues for present and future climate. Hence, insights into the climate variability of MIS 11 can contribute to a better understanding of the climatic evolution of the present (Holocene) interglacial as it would occur without human interference. In order to elucidate the natural climate variability during MIS 11, this study examines predominantly annually laminated lake sediments of Holsteinian age from Dethlingen, northern Germany. The Holsteinian interglacial is widely accepted to be the terrestrial equivalent of MIS 11c in central Europe and can be biostratigraphically correlated with the Hoxnian, Mazovian and Praclaux interglacials on the British Isles, in Poland and in France, respectively. These correlations yield the potential to cross-check the results from individual sites on a regional scale. This study is based on a multi-proxy approach including palynological, micropaleontological, sedimentological, geochemical and time series analyses within a wellconstrained chronological framework that has been established through varve counting and regional bio-stratigraphic correlations with other annually laminated archives of Holsteinian age. In particular, the here-presented study aims at (i) fingerprinting the long-term (centennial- to millennial-scale) and short-term (sub-decadal- to decadal-scale) climate variability during the Holsteinian interglacial, (ii) deciphering the nature, tempo and trigger mechanisms of abrupt climate change under interglacial boundary conditions, and (iii) assessing its impact on terrestrial ecosystems. With regard to long-term climate variability, the vegetation succession at Dethlingen as inferred from pollen data provides insights into the mesocratic to telocratic forest phases of a glacial-interglacial cycle spanning ~11500 (± 1000) years of the 15-16-ka-long Holsteinian interglacial. The development of temperate mixed forests suggests a general prevalence of mild climatic conditions during the Holsteinian. The older parts of the interglacial are characterised by the strong presence of boreal tree taxa (e.g., Picea), whereas the younger parts of the interglacial are marked by the expansion of sub-Atlantic to Atlantic forest elements (e.g., Abies, Buxus, Ilex, Quercus) and the decline of boreal tree taxa. This vegetation succession suggests a general warming trend and decreasing seasonality over the course of the Holsteinian interglacial. Based on the maximum pollen abundances of indicator tree taxa (e.g., Buxus and Quercus), peak warmth was reached during the later stages of the interglacial; it was accompanied by high humidity. The forest succession of the Holsteinian interglacial was punctuated by abrupt and gradual changes in the abundances of temperate plant taxa. These vegetation changes indicate considerable intra-interglacial climate variability. In particular, two marked declines of temperate taxa leading to the transient development of boreal and sub-boreal forests were triggered by centennial-scale climate oscillations, here termed Older and Younger Holsteinian Oscillations (OHO and YHO). These oscillations occurred ~6000 and ~9000 years after the onset of the interglacial pioneer forestation in central Europe, respectively. To assess the impact of abrupt climate change on terrestrial ecosystems during the Holsteinian and to investigate the underlying driving mechanisms, the intervals spanning the OHO and the YHO at Dethlingen were subjected to decadal-scale palynological and sedimentological analyses. Based on these data, the OHO comprises a 90-year-long decline of temperate taxa associated with expansion of Pinus and non-arboreal pollen, and a subsequent 130-year-long recovery of temperate taxa marked by the pioneer expansion of Betula and Alnus. Owing to its highly characteristic imprint on vegetation dynamics, the OHO can be identified in pollen records from the central European lowlands north of 50º latitude, from the British Isles to Poland. A close inspection of individual pollen records from that region reveals the prevalence of colder winters during the OHO, with a gradient of decreasing temperature and moisture availability, and increased continentality towards eastern Europe. This climate pattern points to a weakened influence of the westerlies and/or stronger influence of the Siberian High connected to the OHO. The vegetation dynamics during the YHO are characterised by a decline of temperate taxa (particularly of Carpinus) and the expansion of pioneer trees (mainly Betula). In contrast to the OHO, frost-sensitive taxa (e.g., Ilex, Buxus and Hedera) continued to thrive. This suggests that mean winter temperatures remained relatively high (>0 ºC) during the YHO pointing to a decrease of summer warmth related to the climatic deterioration. The YHO, which has a duration on the order of 300 years, is centered within a long-term (~1500-year) decline and subsequent, millennial-scale recovery of temperate taxa. Because the impact of the OHO and the YHO on the vegetation at Dethlingen was markedly different, both short-term climate oscillations may have been caused by different trigger mechanisms. For the OHO, the inferred regional-scale winter cooling over central Europe lasting for several decades points to a decrease in ocean heat transport, most likely related to a transient slowdown in North Atlantic Deep Water formation. This view is supported by the strong resemblance of the OHO to the 8.2 ka event of the Holocene with regard to the duration, imprint on terrestrial ecosystems, spatial pattern of the climatic impact, timing within the respective interglacial, and prevailing interglacial boundary conditions. In contrast, the presence of frost-sensitive taxa during the YHO appears to exclude a reduction in oceanic heat transport as postulated for the OHO. Instead, the long-lasting, gradual changes in the abundances of temperate taxa suggest a connection to orbital forcing, with the triggering mechanism causing the centennial-scale vegetation setback itself remaining unclear. The characteristics of short-term climate variability were investigated based on microfacies and time series analyses of a ~3200-year-long, annually laminated window of the Dethlingen record. The annual laminations at Dethlingen comprise biogenic varves consisting of two discrete sub-layers. The light layers, which are controlled by the intensity of diatoms blooms during spring/summer, reflect changes in the productivity of the Dethlingen palaeolake. In contrast, the dark layers, which consist predominantly of amorphous organic matter and fragmented diatom frustules, represent sediment deposition during autumn/winter. Spectral analyses of the thicknesses of the light and dark layers have revealed several peaks exceeding the 95% and 99% confidence levels that are near-identical to those known from modern instrumental data and Holocene records. Decadal-scale signals at periods of 90, 25, and 10.5 years are likely associated with the 88-, 22- and 11-year solar cycles; hence, solar activity appears to have been a forcing agent in productivity changes of the Dethlingen palaeolake. Sub-decadal-scale signals at periods between 3 and 5 years and ~6 years may reflect an influence of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) on varve formation during winter.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorph is present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of organic matter (δ13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Relatively less saline environments are observed in the middle part profile. Fungal remains are generally present only in middle part of the profile with distinct peak of abundances. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to the epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted δ13C and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during deposition of the middle part of the profile according to the higher abundance of isorenieratene derivatives of green sulfur bacteria origin. The warmer climate affected also to increase of water supply and thus less saline environments.
Tectonic subsidence is also thought to be a significant factor for the development of the Kiliran lake. The Zr/Rb ratio, an indicator for grain size, ranges from 0.4 to 1.3 and generally increases upwards along the profile. Three sudden decreases of the ratio are observed, indicating rapid change to finer grain size. These decreases are interpreted to indicate rapid deepening events of the lake due to mainly periodic subsidence. During deposition of lower part of the profile, the subsidence rates might have been relatively higher than sediment and water supply rates, resulting in a higher autochtonous fraction in the oil shale. During deposition of middle part of the profile, the sediment and water supply rates were relatively higher promoting distinct progradational sedimentation. Subsequently, the lake became more shallow and smaller during deposition of the upper part of the profile, leading to a relatively higher terrigenous input to the oil shale.
Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The δ13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone.
4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in uppermost and lower parts of the profile. Ca accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane homologues along the profile. This suggests that the 4-methylsteranes were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom.
The 4-methylsterane homologues are considered to originate from Dinoflagellates. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in Paleogene lake systems due to water chemistry changes are known from previous studies. Moreover, freshwater Dinoflagellates have been frequently reported to occur in the basin depocenters. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane homologues along the studied oil shale profile suggest that the 4-methylsterane homologues were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. The oil shale core represents the deposition time of about 240.000 years. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorphs are present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in the middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of bulk organic matter (13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in the middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Slightly less saline environments are observed in the middle part of the profile. Fungal remains are generally present only in this part with a distinct peak of abundance. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of the middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted 13C values and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during the deposition according to the higher abundance of total isorenieratane and its derivatives originated from green sulfur bacteria dwelling in the photic zone euxinia. The warmer climate is also thought to influence the slightly decrease of water salinity during deposition of the middle part of the profile. The occurrence of B. braunii in Kiliran lake is also recognized from organic geochemical data. The distribution of n-alkanes is characterized by the unusual high amount of C27 n-alkane relative to the other long-chain n-alkanes. The concentrations of C27 n-alkane vary from 30.1 to 393.7 μg/g TOC and are generally in parallel with the abundances of B. braunii palynomorphs along the profile. The 13C values of this compound are about -31‰ and up to 2‰ enriched relative to those of the adjacent long-chain n-alkanes. B. braunii race A can thus be regarded as the significant biological source of the C27 n-alkane. Lower amounts of lycopane are observed in many oil shale samples (0 to 54.7 μg/g TOC). The 13C value of this compound is 17.2‰. This strong enrichment of 13C suggests that the lycopane was derived from B. braunii race L. The concentrations of lycopane develop generally in opposite with those of C27 μalkane. It is likely that both B. braunii races bloomed in alternation in the lake, probably due to changes on specific water chemistry. Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The 13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone. 4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in the uppermost and lower parts of the profile. Calcium (Ca) accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the profile. This suggests that these compounds were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in the middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in ancient lacustrine environments due to water chemistry changes have been known from previous studies. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the studied oil shale profile suggest a hypothesis that these compounds were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.
Occurrence and sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) in the aquatic environment
(2011)
The aim of the present study was to identify the sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) into the aquatic environment and to investigate its occurrence in rivers and wastewater treatment plants (WWTPs). Therefore, TMDD was analyzed in 441 wastewater samples from influents and effluents of 27 municipal WWTPs, in 6 sludge samples, in 52 wastewater samples from 3 sewage systems of municipal WWTPs, in 489 surface samples from 24 rivers, in 9 wastewater samples of 3 paper-recycling industries and in 65 groundwater samples. TMDD was also analyzed in household paper products, in 23 samples of toilet
papers, in 5 types of paper towels and in 12 types of paper tissues. The samples were collected between 2007 and 2011. The water samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and the household paper samples with Soxhlet extraction. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used for quantification purposes. Between November 2007 and January 2008, TMDD was detected in the river Rhine at Worms with permanent high concentrations (up to 1330 ng/L). The results showed that TMDD is uniformly distributed across the river at Worms. An increase of the mean TMDD concentration from approximately 500 ng/L to 1000 ng/L was registered in January 2008. Due to the minor fluctuations of the TMDD concentration during the sampling period it is expected that the input of TMDD into the river is continuous. Therefore, TMDD might rather originate from effluents of municipal WWTPs than from temporal sources. The mean TMDD load based on the analysis of 147 water samples collected in the River Rhine was 62.8 kg/d which is equivalent to 23 t/a suggesting that TMDD must be used and/or produced in high quantities in order to be found in those high concentrations. To determine if TMDD is discharged by effluents of municipal WWTPs into the rivers, 24 hours influent and effluent samples of four municipal WWTPs in the Frankfurt/Rhine-Main metropolitan region were collected during November 2008 and February 2010 and analyzed for TMDD. The TMDD influent concentrations varied between 134 ng/L and 5846 ng/L and the effluent concentrations between <LOQ (limit of quantitation) and 3539 ng/L. The TMDD elimination rates in the four WWTPs varied between 33% and 68%. The results showed that effluents of municipal WWTPs are an important source of TMDD in the aquatic environment because TMDD is not completely removed from the sewage during the wastewater treatment. Weekly and daily variations of the TMDD concentration in the influents of two municipal WWTPs indicated that both private households and indirect industrial dischargers contribute to the introduction of TMDD into the municipal sewage systems. A more detailed study of the TMDD elimination rate in the different wastewater treatment stages was carried out in the WWTP Niederrad/Griesheim in Frankfurt am Main. The results showed that the removal of TMDD is mainly carried out during the aerobic biological treatments, where the elimination rate was 46%. In contrast, during the anoxic treatment the removal efficiency was only 1.4% and during the mechanical treatment the elimination rate was 19%. To determine the sources of TMDD in the sewage, household paper products (paper tissues, toilet papers and paper towels) were analyzed for TMDD using Soxhlet extraction. TMDD was detected in 83% of the samples (n=40). The highest mean TMDD concentrations were found in recycled toilet paper (0.20 μg/g) and in paper towels (0.11 μg/g). In paper tissues and non-recycled toilet paper the mean TMDD concentrations were lower 0.080 μg/g and 0.025 μg/g respectively. According to these results the high TMDD influent concentrations found previously in municipal WWTPs (mean 1.20 μg/L) cannot be explained due to migration of TMDD from the household paper products into the sewage. Thus indirect industrial dischargers are the cause of the high influent TMDD concentrations. Effluents of municipal WWTPs with different indirect industrial dischargers (textile-, metal processing-, food processing-, electroplating-, paper-recycling- and printing ink factories) were analyzed. The highest mean TMDD concentrations were found in the effluents of municipal WWTPs that have paper-recycling (71.3 μg/L) and printing ink factories (138 μg/L) as indirect industrial dischargers. These results were confirmed by analyzing process wastewater of three paper-recycling factories located in Germany. High TMDD concentrations were detected and fluctuated between 1.83 μg/L and 113 μg/L. TMDD was also analyzed in the wastewater of a non-recycling-paper factory but its concentration was much lower (0.066 μg/L) indicating that TMDD is introduced into the processing water during the papermaking process due to the use of waste paper. Analyses of wastewater samples from different parts of the sewage pipes of a municipal WWTP in Hesse, which receives the wastewater from a printing ink factory, were carried out. The TMDD concentration in the wastewater sample from the sewage pipe of the printing ink factory was much higher (3,300 μg/L) than the TMDD concentration detected in the other wastewater samples from the sewage system (0.030 μg/L – 0.89 g/L). These results confirm the printing ink production as one of the principal sources of TMDD in the sewage. Analysis of surface water samples of the River Modau downstream from the effluent of the WWTP Nieder-Ramstadt showed TMDD concentrations of up to 28.0 μg/L. These high TMDD concentrations might be caused by the indirect wastewater discharges of a paint factory connected to the municipal sewage system. These results indicate that TMDD is introduced into the municipal WWTPs principally by indirect industrial dischargers and they are mainly paint and printing ink factories. The paper-recycling factories also represent an important source of TMDD in municipal WWTPs but indirectly. According to statements given by the representatives of two paper recycling factories neither TMDD or any other TMDD containing product is used or added during the papermaking process. Therefore, TMDD is washed out from the printing inks of the coloured waste paper and concentrated in the process wastewater in the closed water circuits of paper-recycling factories reaching rivers and municipal WWTPs. The occurrence and distribution of TMDD in surface waters in Germany was also studied. The results showed that TMDD is widely distributed across different rivers systems in the federal states of Hesse, North-Rhine-Westphalia, Bavaria, Baden-Wuerttemberg and Rhineland-Palatinate. In Hesse, TMDD was detected in the some of main rivers with mean concentrations of 812 ng/L (Schwarzbach, Hessian Ried), 374 ng/L (Kinzig), 393 ng/L (Main, at Frankfurt), 539 ng/L (Werra), 326 ng/L (Fulda), 151 ng/L (Emsbach) and 161 ng/L (Nidda). In small rivers (creeks) the mean TMDD concentrations varied between <LOQ (Diemel, Urselbach) and 1890 ng/L (Darmbach). The results showed that the TMDD concentrations in creeks are highly influenced by both effluents of WWTPs and by the distance between the sampling point and the nearest WWTP. Surface samples from sampling locations downstream from WWTPs dischargers showed higher TMDD concentrations (mean 518 ng/L) than sampling locations upstream from WWTPs dischargers (mean 35.1 ng/L). The behavior of TMDD during bank filtration was investigated at two locations, at a water utility company at the Lower River Rhine (urban area) and at the Oderbruch polder (rural area). The results indicated that TMDD is removed from the surface water by bank filtration at both sampling locations. The removal process is probably carried out in the first meters of the aquifer (hyporheic zone) by biodegradation processes, since TMDD does not tend to be absorbed by sediments and it was not found in the groundwater of monitoring wells. In groundwater samples from the Hessian Ried (n=23) TMDD was found only in five samples and the highest TMDD concentration was 135 ng/L. According to these results, TMDD does not represent a concern for drinking water in Germany, since it does not reach the groundwater with high concentrations and it has a low toxicity potential. The input of TMDD into the North Sea was estimated to be 60.7 t/a by considering the mean transported loads of TMDD by the River Rhine at Wesel (58.3 t/a) and Meuse in the Netherlands (2.40 t/a). The estimated discharge of TMDD by German municipal WWTPs (8.19 t/a) and paper-recycling factories (9.24 t/a) into rivers seems to be too low considering that the mean TMDD load in the River Rhine downstream from Wesel is 58.3 t/a. However, due to the high density of population and industries at the Lower Rhine it is expected that more relevant sources of TMDD are located along the Rhine River increasing the transported load. According to the results of this PhD project TMDD is a non-ionic surfactant contained in products, which are applied on surfaces (printing inks and paints) and has the potential to reach the aquatic environment. Therefore, TMDD should fulfill the requirement of a biodegradability of 80% established by the “Law on the Environmental Impact of Detergents and Cleaning Products” in Germany. However, due to the partial elimination rates of TMDD obtained in municipal WWTPs (between 33% and 68%) and to the absence of information about the execution of the biodegradation test on TMDD, it is unknown if TMDD is in accordance with this law. Otherwise, its use as surfactant in such products is questionable.
The mantle xenoliths collected by kimberlites indicate that the subcratonic mantle underneath the Archean crust is mostly a residue of high degrees of partial melting which was subsequently reenriched. The majority of the xenoliths show cryptic metasomatism and only few modal metasomatism.
Much effort has been put into deciphering different kinds of enrichment processes within the mantle. Here, we take the approach to look into the inventory of subcalcic garnets which stem from cpx-free harzburgites and dunites. These subcalcic garnets, commonly with sinusoidal REE patterns, carry the major budget of the trace elements of their host rock. Thus, they are promising objects to study both depletion and enrichment. Most importantly, the analysis of a single grain subcalcic garnetwill provide almost all important information of the bulk rock. Our aim is to gain detailed information mainly on metasomatism on a craton wide scale by combining major, trace elements and Lu-Hf and Sm-Nd isotopic signatures from subcalcic garnets. Eventually, we will summarize the metasomatic agent(s) and processes and possibly the timing of the enrichment within the lithospheric mantle underneath the Kaapvaal craton.
In dieser Arbeit werden Schmelz- und Anreicherungsprozesse des Erdmantels, sowie Kristallisationsereignisse der Erdkruste zweier ausgewählter Gebiete in Namibia und Spanien mithilfe geochemischer Methoden rekonstruiert und in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht. Ein Vergleich der gewonnenen Ergebnisse beider Kompartimente soll dabei weitere Informationen liefern inwieweit Prozesse des Erdmantels und der Erdkruste miteinander verknüpft waren. Insbesondere soll ein weitere Beitrag zur aktuellen Diskussion geliefert werden, bei der sich das sogenannte „pulsed growth“ und „steady accumulation“ Modell gegenüberstehen (siehe Zusammenstellung Pearson et al., 2007). Zudem tragen die neu gewonnenen Daten dazu bei, die regionalen geologischen Gegebenheiten im besonderen Hinblick auf die geotektonische Geschichte besser zu verstehen.
Das Gibeon Kimberlit Feld befindet sich in der tektonischen Einheit des Rehoboth Terranes in Namibia und ist gekennzeichnet von Vulkanismus vor etwa 72.5 Ma (Davies et al., 2001), der Granat Peridotite und krustale Xenolithe mit an die Oberfläche beförderte. Eine klare Einordnung des Rehoboth Terranes in die Gesamtheit des Süd Afrikanischen Plattenverbunds ist noch nicht vollständig geklärt.
Die Südöstliche vulkanische Provinz in Spanien (SEVP) mit besonderem Hinblick auf die Region um Casas de Tallante stellt das zweite Probengebiet für diese Arbeit dar. Vor etwa 2.6 Ma (Bellon et al., 1983) kam es zur Extrusion von alkali-basaltischen Schmelzen, die zahlreiche Spinell / Plagioklas Peridotite mit sich brachten. Tufflagen, sowie die Matrix der Basalte ermöglichen einen Einblick in die untere Kruste der Region.
Untersuchungen der Erdmantelproben aus Namibia auf ihre Haupt- und Spurenelementchemie, sowie Lu-Hf und Sm-Nd Isotopie zeigten, dass zwei verschiedene Manteltypen vorliegen („N“ und „σ“ Typ), die zu einem Zeitpunkt um etwa 850 Ma („N“) und 1.9 Ga („σ“) angereichert wurden. Eine letzte Anreicherung beider Typen fand vermutlich während der Pan–Afrikanischen Orogenese um etwa 450 Ma statt. Die Reinterpretation eines zuvor publizierten Datensatzes (Pearson et al., 2004), suggeriert, dass es zu einer ersten Verarmung der σ Peridotite um etwa 2.9 Ga kam.
Untersuchungen der U-Pb und Hf Isotopie an Zirkonen aus der unteren Kruste des Probengebiets in Namibia ergaben, dass es zur Bildung von juvenilem Krustenmaterial vermutlich bereits im Archaikum kam (wie bereits vorgeschlagen durch z.B. Hoal et al., 1995; Franz et al., 1996), sowie in den Zeiträumen von 2.3 bis 2.7 und 1.5 bis 1.6 Ga, mit jeweils anschließendem krustalem Recycling und Krustenmischung. Eine Übereinstimmung von Mantel- und Krustenevents konnte für die Zeiträume von etwa 1.8, 0.8 - 0.9 Ga und 0.4 – 0.5 Ga gefunden werden. Eine mögliche erste Verarmung des σ Mantels wird bestätigt durch Zirkonalter im Bereich von 2.7 bis 2.9 Ga.
Die Analyse ausgewählter Spinell / Plagioklas Peridotite aus der SEVP, ergaben, dass ein heterogener Mantel mit mindestens 3 verschiedenen Typen vorliegt. Eine Korrelation der Lu-Hf Isotopie von 3 Proben dieses Probensatzes, sowie den Hf Isotopien einer weiteren Probe von Bianchini et al. (2011) suggerieren, dass es eventuell zu einem Verarmungsereignis zu einem Zeitpunkt von etwa 550 Ma kam. Sr Isotopien von Klinopyroxenen und Plagioklasen im Vergleich ergaben, dass die Sr Isotopie der Plagioklase, im Gegensatz zu den Klinopyroxenen, von denen der Alkali Basalte überprägt wurden.
Zirkonanalysen aus Lokalitäten innerhalb der SEVP (U-Pb, Hf) ergaben ein weitreichendes Altersspektrum, beginnend bei etwa 2-3 Ma bis hin ins Archaikum (2.7 bis 2.9 Ga) mit Provenance Ursprung aus Gondwana und dem Arabisch-Nubischen Schild. Die Kombination der U-Pb Altersinformationen mit den entsprechenden Hf Isotopien, zeigten, dass es vermutlich bereits im Archaikum zu juveniler Krustenbildung kam. Zirkone > 100 µm datieren den Zeitpunkt der Eruption der Alkali Basalte mit Altern um etwa 2.6 Ma und Hf Isotopien, die einem leicht verarmten Mantel entsprechen. Ein mögliches Verarmungsereignis im Erdmantel zu einem Zeitpunkt von etwa 550 Ma, ist im Einklang mit Krustenrecycling zu selbigem Zeitpunkt.
Die neugewonnenen Daten dieser Arbeit unterstützten das „pulsed growth“ Modell.
Literatur
Bellon, H., Bordet, P. and Montenat, C., 1983. Chronology of the Neogene Magmatism from Betic Ranges (Southern Spain). Bulletin De La Societe Geologique De France, 25(2): 205-217.
Bianchini, G., Beccaluva, L., Nowell, G.M., Pearson, D.G. and Siena, F., 2011. Mantle xenoliths from Tallante (Betic Cordillera): Insights into the multi-stage evolution of the south Iberian lithosphere. Lithos, 124(3-4): 308-318.
Davies, G.R., Spriggs, A.J. and Nixon, P.H., 2001. A non-cognate origin for the Gibeon kimberlite megacryst suite, Namibia: Implications for the origin of Namibian kimberlites. Journal of Petrology, 42(1): 159-172.
Franz, L., Brey, G.P. and Okrusch, M., 1996b. Steady state geotherm, thermal disturbances, and tectonic development of the lower lithosphere underneath the Gibeon Kimberlite Province, Namibia. Contributions to Mineralogy and Petrology, 126(1-2): 181-198.
Hoal, B.G., Hoal, K.E.O., Boyd, F.R. and Pearson, D.G., 1995. Age constraints on crustal and mantle lithosphere beneath the Gibeon kimberlite field, Namibia. South African Journal of Geology, 98(2): 112-118.
Pearson, D.G., Irvine, G.J., Ionov, D.A., Boyd, F.R. and Dreibus, G.E., 2004. Re-Os isotope systematics and platinum group element fractionation during mantle melt extraction: a study of massif and xenolith peridotite suites. Chemical Geology, 208(1-4): 29-59.
Pearson, D.G., Parman, S.W. and Nowell, G.M., 2007. A link between large mantle melting events and continent growth seen in osmium isotopes. Nature, 449(7159): 202-205.
Die Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenartigen Wellenphänomenen in einer Höhe von ca. 10 bis 100 km, der mittleren Atmosphäre, ist das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit. Schwerewellen entstehen durch Oszillationen der Luft in einer stabil geschichteten Atmosphäre. Durch die Vielzahl von Schwerewellen-Paketen, die in der Troposphäre durch Gebirge, Gewitter, Fronten und andere dynamische Prozesse angeregt werden, wird Energie und Impuls in die mittleren Atmosphäre transportiert. Durch den turbulenten Zerfall von brechenden Schwerewellen wird auf die mittlere Strömung eine Kraft ausgeübt, welche im Bereich der Mesopause bei ca. 90 km maximal wird. Daraus resultiert die sogenannte interhemispherische residuelle Zirkulation, die in der Mesosphäre den Sommer- mit dem Winterpol verbindet und die beeindruckend kalte Sommer-Mesopause mit Temperaturen von unter −140°C verursacht. Thermische Gezeiten sind ein weiterer wichtiger Teil in der Dynamik der mittleren Atmosphäre. Sie werden durch die Erwärmung der Tagseite der Erde angeregt und sind globale Schwingungen mit Perioden von 24 Stunden und harmonischen Vielfachen. Mit Wind- und Temperatur-Amplituden von bis zu 50 m/s und 30 K dominieren sie die Tagesvariabilität im Mesopausen-Bereich.
In der Mesosphäre wird die Wechselwirkung zwischen Schwerewellen und thermischen Gezeiten wichtig. Dort wird durch die Gezeitenwinde das Brechen von Schwerewellen zeitlich moduliert und eine periodische Kraft erzeugt, welche auf die Gezeiten rückwirkt. Doch selbst unter Zuhilfenahme modernster Hochleistungsrechner kann in komplexen Zirkulationsmodellen nur ein Bruchteil des turbulenten sowie des Wellen-Spektrums aufgelöst werden. Der Effekt der nichtaufgelösten Skalen, wie Turbulenz und Schwerewellen, muss somit in effizienter Weise parametrisiert werden. Üblicherweise wird in Schwerewellen-Parametrisierungen die horizontale und zeitliche Variation des Hintergrundmediums vernachlässigt. Es entsteht eine vertikale Säule, in der sich stationäre Schwerewellen-Züge instantan nach oben ausbreiten. Es ist jedoch äußerst fraglich, inwieweit eine solche Beschreibung, auf der ein Großteil früherer Untersuchungen basiert, für das Ergründen der Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkung hinreicht. Für diese Arbeit wurde deswegen das Ziel gesetzt, die Defizite der konventionellen Beschreibung der Schwerewellen-Ausbreitung in realistischen Gezeiten zu quantifizieren.
Die "Ray Tracing"-Methode wird auf die Problemstellung der Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkung angewendet. In der "Ray Tracing"-Methode werden Schwerewellen-Pakete entlang ihrer Ausbreitungspfade explizit verfolgt und Veränderungen der Schwerewellen-Eigenschaften durch den Einfluss der Hintergrundströmung berücksichtigt. Vom Autor wurde das globale "Ray Tracing"-Modell RAPAGI (RAy PArameterization of Gravity-wave Impacts) entwickelt und mit realistischen Gezeitenfeldern aus dem Zirkulationsmodell HAMMONIA (HAmburg MOdel of the Neutral and Ionized Atmosphere) betrieben. In verschiedenen "Ray Tracing"-Experimenten wird für ein einfaches Schwerewellen-Ensemble gezeigt, wie horizontale Gradienten des Hintergrundmediums sowie dessen Zeitabhängigkeit wesentlichen Einfluss auf die Ausbreitung und Dissipation von Schwerewellen nehmen. Zum einen führt die durch Gezeitenwellen hervorgerufene Transienz zu einer tageszeitlichen Modulation der absoluten Schwerewellen-Frequenz.
Die dadurch induzierten Variationen der horizontalen Phasengeschwindigkeit der Schwerewellen können die anfängliche Phasengeschwindigkeit um bis zu eine Größenordnung übertreffen und folgen dem Verlauf des Hintergrundwindes. Die kritische Filterung von Schwerewellen wird durch diese Modulation abgeschwächt, was im Vergleich zu konventionellen Schwerewellen-Parametrisierungen zu einer im Mittel um 30 % geringeren Kraftwirkung auf die Gezeiten führt. Zum anderen werden durch horizontale Gradienten in der gesamten Hintergrundströmung Schwerewellen-Pakete horizontal abgelenkt. Wellen, die gegen die Hintergrundströmung laufen, werden in der Stratosphäre in die Maxima der Wind-Jets hineingeführt. Durch dieses Verhalten wird analog zum Fermatschen Prinzip der geometrischen Optik die Laufzeit der Schwerewellen in der mittleren Atmosphäre minimiert. Es entsteht eine Fokussierung von Schwerewellen-Feldern, bei gleichzeitiger Zunahme der horizontalen Wellenzahl in den Experimenten im Mittel um ca. 10 %. Dadurch reduziert sich der Schwerewellen-Impulsfluss und die mittlere und ebenfalls die periodische Kraft auf die Hintergrundströmung im Mittel um weitere 20 % bis 30 %. Konventionelle Schwerewellen-Parametrisierungen scheinen somit die Kraftwirkung von brechenden Schwerewellen zu uberschätzen. Aus den Ergebnissen der Arbeit wird klar, dass Schwerewellen-Parametrisierungen nicht "blind" für jede Untersuchung genutzt werden können. Alle Annahmen und Näherungen in Parametrisierungen müssen je nach Zielstellung neu getestet werden.
This research was conducted in the Rwenzori Region of the Western Branch, East African Rift System (EARS). The EARS is a tectonic structure extending over a length of more than 3000 km from the Afar Triple Junction, in Ethiopia, to Lake Malawi in the south. The Western Rift System is a roughly NE to ENE trending sector of the EARS, which runs along the western boundary of Uganda and the neighboring Democratic Republic of Congo (D.R.C). It stretches 2100 km from Nimule, NW on Uganda-Sudan border, extending to Lake Malawi in the SE of Africa. The unusual uplift of the Rwenzori Mountains within an extensional regime and the mechanisms associated with the high frequency of seismic activity in the region was hardly understood and therefore, had remained a subject of contention that needed to be critically addressed in detail. To my knowledge, this was probably the first study to be performed and documented in great depth within the domains of seismic noise variation, seismic anisotropy and b value analyses beneath the Rwenzori Region. After about six years of operation (2006-2012), the seismology group of the RIFTLINK Research Project (www.riftlink.org) acquired a vast amount of high-quality, digital data that were collected using a seismic network of well calibrated seismic equipment. The project was divided into two phases. Phase I, that operated between February 2006 - September 2007, consisted of thirty-two temporary seismic stations, which were selectively spread out in the Rwenzori Region on the Ugandan side, to detect and record extremely weak as well as strong naturally occurring earthquakes. The seismic equipment used included EDL and REFTEK digitizers, which were coupled with Güralp and MARK sensors respectively (REFTEKS: only short-period MARK sensors, EDLs: short-period MARK plus few broadband Güralp Sensors). Exactly 22375 earthquakes were recorded. The data were processed using the SEISAN software package. About 14413 earthquakes were carefully localized using the velocity model of Bram (1975) that implements a Vp=Vs ratio fixed at 1.74. Phase II, that extended between 2009-2012 consisted of thirty-two seismic stations, which were spread out around the Rwenzori Mountains, both on the Ugandan side and the neighboring D.R.C. Only Taurus digitizers that were coupled with Trillium sensors were used in the D.R.C. On the Ugandan side however, both EDL and Taurus digitizers, which were coupled with Trillium and Güralp sensors were used. ...
Mantle convection is the process by which heat from the Earth’s core is transferred upwards to the surface and it is accepted to explain the dynamics of the Earth’s interior. On geological time-scales, mantle material flows like a viscous fluid as a consequence of the buoyancy forces arising from thermal expansion. Indeed, mantel convection provides a framework which links together the major disciplines, such as seismology, mineral physics, geochemistry tectonic and geology. The numerical model has been applied to understand the dynamic, structure and evaluation of the Earth, and other terrestrial planets and the investigations continue to explore, different aspects of the mantle convection.
In fact, to model this phenomenon, two complementary approaches are possible. On the one hand, one can solve self-consistently the equations of thermal convection, including parameters and employing physical relationships derived from mineral physics. Our understanding of mantle convection depends ultimately upon the success of such fully self-consistent dynamic models in explaining observable features of the flow. Although, these models presently unable to predict the actual convection pattern of the Earth, they are extremely useful to investigate general characteristics of given physical systems. On the other hand, to permit comparison with specific observables associated with the flow, one can consider a more restricted problem. Instead of focusing on the time evolution of mantle flow, if we know a priori the temperature - and hence presumably the density - anomalies that drive the convection, we can try to build a snapshot of the present-day flow pattern, consistent with those anomalies, that can successfully predict the observables. As matter of fact, the aim of this study is to investigate both approaches in comparison with the main geophysical constraints on mantle structure. These constraints include the geoid anomalies, the dynamic surface and core-mantle boundary topography and tectonic plate motions.
The most appropriate mathematical basis functions for describing a bounded and continuous function on a spherical surface are spherical harmonics. We may therefore expand the geodynamic observables in terms of spherical harmonics. We have investigated two methods of the global spherical harmonic analysis by specific attention to the dynamic geoid computation of the geodynamic models. The first method is the quadrature method in which the loss of the orthogonality of the Legendre functions in transition from continues to discrete case is the major drawback to the method. Particularly, we showed that in the absence of the tesseral harmonics, quadrature formulation leads to obtain inaccurate results. The second method is the least-squares which can be considered as the best linear unbiased estimator that provides the exact results. We showed that even with a low resolution grid data it is possible to reconstruct the data and achieve an accurate result by using this method, which is extremely remarkable in three-dimensional global convection studies. However, special care has to be taken since there is some source of errors that might influence the efficiency of this method.
In general, to better understanding of the properties of the mantle, it is useful to assess observable characteristics of plumes in the mantle, including geoid, topography and heat flow anomalies. However, only few studies exist on geoid and topography for axi-symmetric convection and their models were restricted to isoviscous (or stratified) mantle and low Rayleigh numbers. We studied fully coupled depth and temperature dependent Arrhenius type of viscosity in axi-symmetric spherical shell geometry in order to investigate the shape of geoid anomalies and dynamic topography above a plume. Indeed, the topography and geoid anomalies produced from plumes are sensitive to rheology of the mantle and rheology of the plume; both have effects on shape and amplitude of the geoid anomalies. As results we are able to define different classes of plumes by their geoid signals.
Mainly depth-dependent viscosity models show a geoid with negative sign above the plume which can turn to the positive sign by decrease the viscosity contrast. This can be considered as a transition between the strongly depth dependent and the constant viscosity case. Our results basically support the idea by Morgan [1965] and McKenzie [1977]. They have shown the magnitude and even the sign of the total gravity anomaly depend on the spatial variation in effective viscosity. In addition, Hager [1984] has concluded that the total gravity field is depend on the radial distribution of effective viscosity, and a small change in viscosity contrast leads to varying sign of the response function.
In the case of temperature-dependent viscosity, the formation of an immobile lithosphere is a natural result, and the flow as well as the total geoid becomes strongly time dependent. When we increase the activation energy, all geoids associated with the first arriving plumes look like bell shaped whereas for typical plumes, after reaching a statistical steady state, bell-shaped geoids with decreasing amplitude as well as linear flank shaped geoids are observed. It is surprising that in spite of large differences in lateral and depth varying viscosities, the shapes of the geoid anomalies remained rather similar. We also identified different behaviors in the combined model with temperature-and pressure-dependent viscosity. In fact, in spite of the strongly different rheology, the geoid anomalies in all cases were surprisingly similar. Furthermore, we proposed a scaling law for the geoid which makes our results directly applicable to other planets. Moreover, we can apply the results of our calculation to find relations between different rheology and sub-lid temperature, since we know that the mantle temperature can change significantly with variation in pressure-temperature dependent viscosity. It is also possible to define a range of stagnant lid thickness related to the amplitude of the geoid which can be reasonable for study of the lid thickness in Venus or Mars.
Nevertheless, in these series of models, we simplified a number of complexities within the Earth. One of the most important of such simplification is the Boussinesq approximation. This approximation is valid if the temperature scale height (i.e. the depth over which temperature increases by a factor of “ ” due to adiabatic compression) is much greater than the convection depth. However, a temperature scale height in the Earth’s mantle is at best only slightly greater than the mantle depth. Hence, the Boussinesq approximation could mask some very important stratification and compressibility effects that influence both the spatial and temporal structure of the convection. Therefore, in more advance models we considered compressibility in our mantle convection models, assuming that density vary both radially and laterally, being determined as a function of pressure and temperature through an appropriate equation of the state. Moreover, thermodynamic properties assumed to be a function of depth.
We examined the details of the structure of the spherical axi-symmetric Anelastic Liquid Approximation model (ALA) with special attention to the Arrhenius rheology, and compare it to the cases of compressible convection without depth dependent thermodynamical properties, and to cases of the extended Boussinesq approximation. At the same time, the effects of the interaction between temperature and pressure-dependent viscosity and thermodynamic parameters in the compressible mantle convection on the geoid and topography have been studied. We showed that assuming compressible convection with depth-dependent thermodynamic properties strongly influence the geoid undulations. Using compressible convection with constant thermodynamic properties is physically inconsistent and may lead to spurious results for the geoid and convection pattern. Indeed, by a systematic study of different approaches of compressibility in the spherical shell convection for different Arrhenius viscosity laws we proved that only in the unrealistic case of zero activation energy the different compressibility modes result in comparable convection and geoid patterns. In all other rheological cases, large differences have been obtained, that stressing the important role of consistent compressible thermodynamic properties for mantle convection.
In addition, we examine the impact of compressibility as well as different rheologies on the power law relation that connects the Nusselt number to the Rayleigh number. We have discovered that the power law index of the relationship is controlled by the rheology, independent of which approximation is used. Instead, the bound of this relation is controlled by a combination of different approximation and rheology.
Next, instead of focusing on the time evolution of mantle flow, we have carried out three-dimensional spherical shell models of mantle circulation to investigate the effects of joint radial and lateral viscosity variations on the Earth’s non-hydrostatic geoid, surface and core-mantle boundary topographies. These models include realistic lateral viscosity variations (LVV) in the lithosphere, upper mantle and lower mantle in combination with different stratified viscosity structures. We have demonstrated that the contradictory results concerning the effects of LVV can be clarified by the most straight-forward problem in geoid modeling; namely, rather poorly known stratified viscosity structure. We explored three classes of dynamic geoid models due to lateral viscosity variations. In the first class, the LVV strongly improved the fit to the observed geoid. Indeed, when the viscosity contrast between lower and upper mantles is not large enough to produce a good fit to geoid the LVVs are able to perform this action by adjusting amplitudes, so that it becomes comparable with observation. In the second class, inducing the LVV moderately improved the fit. Actually, when the geoid induced by a stratified viscosity structure already has a good correlation with observation, then the LVV causes its amplitude to further improve. In the last class, if the viscosity contrast between upper and lower mantle would be high enough, inducing LVV deteriorate the fit to the observed geoid.. Indeed, depending on the stratified viscosity, inducing the LVV may take place in one of these categories.
We also quantified the effects of LVV in the mantle and lithosphere individually. We found that the presence of LVV in the mantle (upper and lower) improves the fit to the observed geoid regardless of stratified viscosity. While LVV in the lithosphere is a crucial parameter, and dependent of the stratified viscosity, may increase or decrease the geoid fit. In fact, when the lower mantle considers being viscous enough, it would support the negative buoyancy of subducting slabs. Thus, it transmits some of the stress back to the top boundary and causes a weak coupling between slab and surface. Therefore, by including the low viscous plate boundaries in this model, the slabs and overriding plates decouples and the fit to the observed geoid degrades. In contrast, when the lower mantle viscosity is not sufficiently stiff, the presence of the low viscous plate boundaries assists to weaken the strong mechanical coupling between slab and surface. Hence, a better fit achieved.
Das Thema dieser Arbeit war die Untersuchung der natürlichen Variationen von den zwei primordialen Uranisotopen (238U und 235U) mit einem Schwerpunkt auf Proben, die (1) die kontinentale Kruste und ihre Verwitterungsprodukte (d.h. Granite, Shales und Flusswasser) repräsentieren, (2) Produkte der hydrothermalen Alteration vom mittelozeanischen Rücken widerspiegeln (d.h. alterierte Basalte, Karbonatgänge und hydrothermales Wasser) und (3) aus abgegrenzten euxinischen Becken (d.h. Proben aus der Wassersäule und den dazugehörigen Sedimenten) stammen. Das allgemeine Ziel war das Verständnis, unter welchen Bedingungen und Mechanismen eine Fraktionierung der zwei häufigsten Uranisotope (238U und 235U) in der Natur erfolgt, zu verbessern.
Die untersuchten Haupt- und Nebenflüsse unterscheiden sich sowohl in Ihrer Urankonzentration (c(U)) als auch in Ihrer Uranisotopenzusammensetzung (δ238U), wobei die Nebenflüsse eine geringere Urankonzentration (0.87 nmol/kg bis 3.08 nmol/kg) und eine schwerere Uranisotopenzusammensetzung aufweisen (-0.29 ‰ bis +0.01 ‰ im δ238U) im Vergleich zu den Hauptflüssen (c(U) = 5.19 nmol/kg bis 11.69 nmol/kg und d238U = -0.31 ‰ bis +0.13 ‰) aufweisen. Die untersuchten Gesteinsproben fallen alle in einen recht schmalen Bereich von δ238U, zwischen -0.45 ‰ und -0.21 ‰, mit einem Durchschnittswert von -0.30 ‰ ± 0.04 ‰ (doppelte Standardabweichung). Deren Uranisotopenvariationen sind unabhängig von der Urankonzentration (11.8 µg/g bis 1.3 µg/g), dem Alter (3.80 Ga bis 328 Ma), der Probenlokalität und Grad der Differenzierung. Basierend auf den Ergebnissen der Hauptflüsse, die die Uranhauptquelle für den Ozean darstellen, schlagen wir für zukünftige Berechnungen in der Massenbilanz des Urans einen neuen Wert als beste Abschätzung für die Quelle des Urans im Ozean vor, δ238U = -0.23 ‰.
Die Produkte der hydrothermalen Alteration, alterierte Basalte und Kalziumkarbonatgänge, zeigten etwas stärkere Isotopenvariationen (δ238U zwischen -0.63 ‰ und +0.27 ‰) als erwartet und die hydrothermalen Fluide wiesen eine etwas leichtere Uranisotopenzusammensetzung als Meerwasser ((-0.43 ± 0.25) ‰ vs. (-0.37 ± 0.03) ‰) auf. Diese Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit einem Modell, dass annimmt, dass die beobachtete Isotopenfraktionierung hauptsächlich ein Ergebnis von Redoxprozessen ist, z.B. die partielle Reduktion von löslichem UVI aus dem Meerwasser während der hydrothermalen Alteration, was zu einer Anreicherung der schweren Uranisotope in der reduzierten Uranspezies (UIV) führt und 2) das bevorzugte Entfernen von UIV aus den hydrothermalen Fluid und der Einbau in die alterierte ozeanische Kruste. Durch diesen Prozess wird das hydrothermale Fluid an schweren Uranisotopen verarmt und somit würden auch die alterierten Basalte und Karbonate ein niedriges δ238U aufweisen, wenn sie mit dem isotopisch leichten hydrothermalen Fluid in Kontakt gekommen sind.
Die Untersuchung von Wasser- und Sedimentproben aus der Ostsee und dem anoxischen Kyllaren Fjord (Norwegen) auf deren Uran- und Mo-Isotopenzusammensetzung zeigte, dass die Uranisotopenzusammensetzung der Sedimente abhängt von (1) dem Ausmaß des Uranaustrags aus der Wassersäule (in einer ähnlichen Art und Weise wie bei den Molybdänisotopen) und (2) der Sedimentationsrate, d.h. der Fraktion von authigenem- relativ zum dedritischen Uran in den Sedimenten. Aufgrund der hohen Sedimentationsrate zeigen die Sedimente aus dem Kyllaren Fjord nur eine moderate authigene Urananreicherung und eine leichtere Uranisotopenzusammensetzung als Sedimente aus dem Schwarzen Meer. In den anoxischen Becken der Ostsee erfolgt dagegen eine starke Mo- und schwache U-Isotopenfraktionierung zwischen Wasser und Sediment. Durch die regelmäßigen auftretenden Spülereignisse mit sauerstoffreichem Wasser wurden vermutlich die ursprünglichen anoxischen Mo- und U-Isotopensignaturen der Sedimente verändert. Demzufolge müssen die Sedimente durchgehend anoxischen Bedingungen ausgesetzt sein, um eine Mo- und U-Isotopensignatur von den Redoxbedingungen während der Ablagerungen zu speichern.
Der Vergleich zwischen Molybdän- und Uranisotopen in der Ostsee und dem anoxischen Kyllaren Fjord zeigte, dass sich Uran- und Molybdänisotope in stark euxinischen Wassersäulen (c(H2S) > 11 µmol/L) entgegengesetzt verhalten. Dementsprechend ergänzen sich die beiden Isotopensysteme und können genutzt werden, um die Ablagerungsbedingungen in abgeschlossenen Becken und die Redoxentwicklung des Paläoozeans zu untersuchen.
Gridded maps of meteorological variables are needed for the evaluation of weather and climate models and for climate change monitoring. In order to produce them, values at locations where no observing stations are available need to be estimated from point-wise observations. For the interpolation of meteorological observations deterministic and stochastic methods are often combined. Deterministic methods can account for ancillary information such as elevation, continentality or satellite observations. Stochastic methods such as kriging reproduce observed values at the station locations and also account for spatial variability. In the first two studies of this thesis, a flexible interpolation method for the gridding of locally observed daily extreme temperatures is developed that also provides an optimal estimate of the interpolation ncertainty. In the third study, an observational dataset is created using this interpolation method and then applied to evaluate a climate simulation for Africa.
In the first study, the Regression-Kriging-Kriging (RKK) method is tested for the interpolation of daily minimum and maximum temperatures (Tmin and Tmax) in different regions in Europe. RKK accounts for elevation, continentality index and zonal mean temperature and is applicable in regions of differing station density and climate. The accuracy of RKK is compared to Inverse Distance Weighting, a common deterministic interpolation method, and to Ordinary Kriging, a common stochastic interpolation method. The first step in RKK is to use regression kriging, in which multiple linear regression accounts for topographical effects on the temperature field and kriging minimizes the regression error, to interpolate climatological means. In the second step daily deviations from the monthly climatology are interpolated using simple kriging. Owing to the large climatological differences across the investigation area the interpolation is performed in homogeneous subregions defined according to the Köppen-Geiger climate classification. Cross validation demonstrates the superiority of RKK over the simpler algorithms in terms of accuracy and preservation of spatial variability. The interpolation performance however strongly varies across Europe, being considerably higher over Central Europe (highest station density) than over Greenland (few stations along the coast line). This illustrates the strong impact of the station density on the accuracy of the interpolation result. Satellites provide comprehensive observations of climate variables such as land surface temperature (LST) and cloud cover (CC). However, LST is associated with high uncertainty (standard error ~ 1-2°C), preventing its direct application in meteorology and climatology. The second study investigates the usefulness of LST and CC as predictors for the gridding of daily Tmin and Tmax. The RKK algorithm is compared with similar interpolation methods that apply LST and CC in addition to the predictors used with the RKK algorithm. The investigation is conducted in two regions, Central Europe and the Iberian Peninsula, which differ strongly in average cloud cover (Central Europe is approximately 30% cloud free and the Iberian Peninsula approximately 60 % cloud free). RKKLST (in which monthly mean LST is used as an additional predictor) yields for Central Europe no clear improvement over RKK, yet it reduces the interpolation error over the Iberian Peninsula. This finding can be explained by the higher percentage of cloud free pixels over that region in summer which enables a more robust determination of monthly mean LST. Adding a regression step for daily anomalies (using the predictor CC) yields the RKRK method and improves the preservation of spatial variability over the Iberian Peninsula. Moreover, a successive reduction of the station number (from 140 to 10 stations) reveals an increasing superiority of RKKLST and RKRK over RKK in both regions.
The application of a gridded observational dataset for climate monitoring or climate model validation requires knowledge of the uncertainties associated with the dataset. The estimation of the interpolation uncertainty, here the inter quartile range is the used uncertainty measure, is therefore an important issue within the frame of this thesis. By means of cross validation it is shown that the largest uncertainties occur in regions of low station density (e.g. Greenland), in mountainous regions and along coastlines (in these regions model evaluation results should be interpreted carefully). The magnitude of the interpolation error mainly depends on the station density, while the complexity of terrain has substantially less influence. On average over all regions and investigation days the target precision of the uncertainty estimate is reached. However, on local scales and for single days it can be clearly over- or underestimated. The application of satellite-derived predictors (LST and CC) yields no noteworthy improvement of the uncertainty estimate.
In the last study two regional climate simulations for Africa using the ERA-Interim driven COSMO-CLM (CCLM) model at two different horizontal resolutions (0.22° and 0.44°) are validated. It is assessed whether observed patterns and statistical properties of daily Tmin and Tmax are correctly represented in the model. The ERA-Interim reanalysis and a specially created observational dataset are used as reference. The observational dataset is generated by applying the RKRK algorithm (developed within the second study). The investigations show an occasionally large bias in Tmin and Tmax. The hemispheric summers are generally too warm and the temporal variability in temperature is too high, particularly over extra tropical Africa. The diurnal temperature range is overestimated by about 2°C in the northern subtropics but underestimated by about 2°C over large parts of the African tropics. CCLM reproduces the observed frequency distribution of daily Tmin and Tmax in all African climate regions, and the extreme values in the lower percentiles (5, 10, 20%) for Tmin are well simulated. The higher percentiles (80, 90, 95%) for Tmax are however overestimated by 2-5°C. For both Tmin and Tmax the 0.22° simulation is on average 0.5°C warmer than the 0.44° simulation. Additionally, the higher percentiles are about 1°C warmer for both Tmin and Tmax in the higher resolution run, while the lower percentiles in both runs match very well. Although the temperature pattern is represented in more detail along the coastlines and in topographically complex regions, the higher resolution simulation yields no qualitative improvement.
To summarize, the choice of the appropriate algorithm mainly depends on the interpolation conditions. In cases where the station density is high across the target region and the predictor space is adequately covered by observing stations, the computationally less demanding RK algorithm should be preferred. In regions where the station density is low the more robust RKRK algorithm should be the first choice. Due to the strong physical relation of both CC and LST to Tmin and Tmax the missing information is at least partially compensated for. The estimation of the interpolation uncertainty could be improved by applying a normal score transformation to the data prior to a kriging step. This is because the kriging assumption that the increments of the variable of interest are second order stationary can be approximately met by a normal score transformation.
To reconstruct ocean circulation changes during specific periods of Earth history, benthic and planktic foraminifera were used as proxies in the different parts of this thesis. Both studied time periods, the Late Cretaceous and the early Pleistocene, are characterized by long-term climate cooling and major changes in ocean circulation. The first part of this thesis concentrated in the Late Cretaceous. During the Late Cretaceous long-term cooling phase, benthic foraminiferal δ18O values show a positive shift lasting about 1.5 Myr (71.5–70 Ma). This shift can be observed on a global scale and has become known as the Campanian-Maastrichtian Boundary Event (CMBE). It is proposed that this δ18O excursion is influenced either by changing intermediate- to deep-water circulation or by temporal build-up of Antarctic ice sheets. Benthic foraminiferal assemblage counts from a southern high-latitudinal site near Antarctica (ODP Site 690) are analyzed to test if the influence of the CMBE on the benthic species composition. One of the two discussed hypotheses for the causation of the δ18O transition is a change in intermediate- to deep-water circulation from low-latitude to high-latitude water masses. This change would result in cooler temperatures, higher oxygen concentration, and possibly lower organic-matter flux at the seafloor, causing a major benthic foraminiferal assemblage change. Another possible explanation of the δ18O transition of the CMBE is significant ice formation on Antarctica. However no major benthic foraminiferal assemblage change would be expected in this case. The benthic foraminiferal assemblage of Site 690 shows a separation of the studied succession into two parts with significantly different species composition. The older part (73.0–70.5 Ma) is dominated by species, which are typical for lower bottom water oxygen concentration and more common in low-latitude assemblages. Species dominating the younger part (70.0–68.0 Ma) are indicators for well-oxygenated bottom waters and more common in high-latitude assemblages. This change in the benthic foraminiferal assemblages is interpreted to represent a shift of low-latitude toward high-latitude dominated intermediateto deep-water sources. A change in oceanic circulation was therefore at least a major component of the CMBE. The Pacific Ocean contributed significantly to the climatic development during the Late Cretaceous cooling period. The contribution of ocean circulation changes in the Pacific Ocean to the Late Cretaceous climatic development in general and the CMBE and Mid-Maastrichtian Event (MME) in particular, however, is poorly understood. Previously measured high resolution planktic and benthic stable isotope data and a neodymium (Nd) isotope record from the Pacific ODP Site 1210 (Shatsky Rise, tropical Pacific Ocean) for the Campanian to Maastrichtian (69.5 to 72.5 Ma) are used to reconstruct changes in surface- and bottom water temperatures as well as changes in the source region of deep- to intermediate waters [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. The results of the benthic foraminiferal δ18O and Nd isotope records in combination with Nd isotope records from other studies indicate changes in the intensity of intermediate- to deep ocean circulation in the tropical Pacific across the Campanian-Maastrichtian interval [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. During the early Maastrichtian (72.5 to 69.5 Ma), a three-million-year-long period of cooler conditions and a simultaneous change towards less radiogenic Nd isotope signatures is interpreted to represent a period of increased admixture and northward flow of deep waters from the Southern Ocean (Southern Component Water, SCW). This change was probably caused by an intensified formation of deep waters in the Southern Ocean. This was reduced again during the MME (69.5 to 68.5 Ma). This early Maastrichtian cold interval is similar to the CMBEδ13C fall and succeeding δ13C rise towards the MME and is therefore also interpreted to represent tectonically forced, long-term changes in the global carbon cycle and thus a tectonic forcing of the early Maastrichtian climate cooling. Overall, the Campanian-Maastrichtian Nd and stable isotope records of Shatsky Rise indicate changes in ocean circulation that are paralleled by global warming and cooling periods. The fluctuating strength of SCW contribution in the tropical Pacific points towards an increased respectively weakened ocean circulation, which is probably related to the strength of deep-water formation in the Southern Ocean [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. For this study, the analysis of benthic foraminiferal assemblages of Site 1210 is carried out for the same time interval (69.5 to 72.5 Ma) as Nd and stable isotopes to evaluate the influence of intermediate- to deep ocean circulation changes on the benthic foraminiferal community. The possible reaction of benthic foraminiferal assemblages is compared to the results of stable isotope and neodymium isotopes. The observed changes in species abundances only partly reflect the circulation changes reconstructed with Nd and stable oxygen istopes. For example, Stensioina spp., Aragonia spp. and Lenticulina spp., cold-water preferring species, start to be increasingly abundant at the beginning of enhanced influence of SCW. However, their abundance pattern does not follow the varying strength of the cold SCW influence at Shatsky Rise. Other species prefer lesser oxygen concentrations and warmer bottom water, e.g. Paralabamina spp. and Globorotalites spp. Paralabamina spp. has its highest relativ abundance at the beginning of the studied succession, where the influence of SCW is small. However, this taxa occurs throughout the record, even though the influence of SCW increases. Globorotalites spp. is even most abundance after the CMBE, where bottom waters are till cold and influenced by SCW. This leads to the conclusion that the varying strength of SCW in the tropical Pacific at Shatsky Rise through the studied interval is not facilitating a significant faunal turnover as has been observed at the South Atlantic Site 690 (Chapter 3). These results of the benthic foraminiferal assemblage analysis suggest a rather minor influence of the SCW on the major environmental factors that are generally influencing benthic foraminiferal communities (e.g., oxygen concentration, organic matter flux to the sea floor, bottom-water temperature). The second major part of this thesis focused on the late Pliocene-earliest Pleistocene. The late Pliocene is characterized by a long-term global cooling trend resulting in a major increase of Arctic ice sheets from around 3 Ma onwards, culminating in the Plio-Pleistocene intensification of the Northern Hemisphere glaciation. At around 2.7 Ma, large amplitude glacial-interglacial excursions (~1‰ δ18O in benthic foraminiferal calcite) in benthic oxygen isotopes can be observed. Marine isotope stage (MIS) 100 at around 2.55 Ma is the first glacial, when widespread ice rafted debris has been found in sediments in the North Atlantic Ocean. To gain a deeper understanding of the climatic evolution of the latest Pliocene-early Pleistocene, it is necessary to improve the reconstructions of North Atlantic paleohydrography, as the North Atlantic provides a key region for global climate. The consequences of the intensification of Northern Hemisphere on the early Pleistocene North Atlantic thermocline stratification and intermediate waters are still poorly understood. However, surface hydrography, the history of the thermocline and development of North Atlantic intermediate waters are well-studied for the Last Glacial Maximum (LGM). These well-known mechanisms responsible for the LGM in comparison with the present-day interglacial North Atlantic are used as an analogue for te early Pleistocene glacialinterglacials cycles. In this study, suborbitally resolved stable oxygen and carbon isotope and Mg/Ca records are measured from a deep-dwelling planktic foraminifera (Globorotaliacrassaformis) from Integrated Ocean Drilling Program Site U1313 (North Atlantic, 41°N) covering marine oxygen isotope stages MIS 103 to 95 (early Pleistocene, 2.6 to 2.4 Ma). The results are interpreted to represent a change in intermediate-water masses on glacialinterglacial timescales. During glacials geochemical records in G. crassaformis (~500–1000 m) bear the imprint of Glacial North Atlantic Intermediate Water (GNAIW), while during interglacials this species reflects the signature of the influence of Mediterranean Outflow Water (MOW) in combination with the subtropical gyre. The comparison of this data with the published records from G. ruber from the same samples facilitates the reconstruction of glacial-interglacial stratification changes of the upper water column at Site U1313. The results show that larger gradients of temperature, salinity and δ13C prevailed during glacials, suggesting a stronger stratification of the upper water column. This can be seen to indicate glacial-interglacial changes in ntermediate water masses in the North Atlantic similar to those reconstructed for the latest Pleistocene. As an additional proxy, the clumped isotope paleothermometer is applied for the Late Cretaceous study as well as for the early Pleistocene. This proxy is commonly assumed to be independent of other factors than temperature. Clumped isotopes are measured for the Late Cretaceous Site 690 on the planktic foraminiferal species Archaeoglobigerina australis and compared to already existing stable oxygen isotopes of this species. This is assumed to enable the reconstruction of paleotemperature independent of ice volume and therefore contribute to the long-lasting discussion whether there was a temporal ice build-up on Antarctic during the Campanian-Maastrichtian cooling period. For the early Pleistocene, the planktic foraminiferal species G. crassaformis is used from Site U1313 from MIS 99 (interglacial) and MIS 98 (glacial). This provides the opportunity to separate ice volume, salinity and temperature effects on the measured δ18O record of G. crassaformis. The results of the clumped isotope measurements reveal comparatively large standard errors. For the Late Cretaceous the standard error of the clumped isotope measurements proved too large to allow any conclusions on the temperature component on the δ18O record of A. australis. For the early Pleistocene, the temperature difference is also too small to be reconstructed with the standard error of the clumped isotope measurements in this study. Measuring many replicates of one sample would minimize the standard error considerably. However, the amount necessary to measure replicates cannot be gained for either time period, as almost all foraminifera were picked from the respective samples. It is concluded that the respective questions may be solved with a different method of clumped isotope analysis requiring less sample material. This method is, for example, available at the ETH Zurich.
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.
This thesis aims to analyse in a first step the physical and chemical properties of soil profiles along pedomorphological transects in different land used conditions (protected, partly protected as well as cultivated and pastured areas) in North West Benin and in South East Burkina Faso. The information about soils, which are carried out in consideration of the pedogenesis processes like weathering types, saprolitisation, formation of laterite crusts and denudation within the planation surfaces are therefore correlated in a second step with the structure and dynamic of woody plant around individual soil profiles. The relationship soil properties and woody plant is investigated in order to assess the reciprocal influence between the diversity of woody plants and soil characteristics within a small scale study and under different land use conditions.
A common vertical and lateral differentiation of physical and chemical properties regardless of the partly protected, protected and cultivated status of the sites can be noticed. Thus, in the cultivated site of Kikideni and in the partly protected zone of Natiabouani (South East Burkina Faso) sandy loam and sandy clay loam soil surfaces are widespread because of the occurrence of similar erosion processes like sheet wash, rill and gully erosion while in the central part of the Pendjari National Park loamy soil textures are prevailing. In fact, the steepness of the relief and the length of the slopes in the Pendjari Park seem to limit the development of some erosion forms as gully. Furthermore, the classification of soils reflects the variation of pedological processes along the transects and thus the occurrence of different soil types. The status of the sites may play an insignificant role in the differentiation of soil properties within the scale of small pedomorphological transects. A direct comparison of the vegetation type in the land use respectively partly protected and in the total protected sites (National Park of Pendjari) reveals a transition from the shrub savanna to the tree savanna. In conclusion it is important to insist on the fact that the variations of soil parameters within small slopes and the different sites are more conditioned by varying erosion processes and drainage conditions than the status protected or land use sites while the composition and diversity of plants is influenced by the status of the sites, the prevailing management tools, the pedogenetic conditions as well as the presence of wild animals like elephants. The ordination diagram shows that the organic matter is better correlated to the subgroup representing principally the sites of the hunting zone of the Pendjari Park and might be an explaining factor to the distribution of these sample sites groups. CEC ratios in the partly protected site of Natiabouani represent the highest measured in all sites. Nevertheless, statistical analysis of the CCA (canonical correspondence analysis) indicates generally a low correlation. This tendency is consolidated by the Monte Carlo test (p=0.14) which is a good indicator of species and environmental conditions. The detailed analysis of soil properties and the vegetation dynamic as well as their relationship within small pedomorphological transects represent an important pedological and botanical data collection involving different compartments. This thesis contributes to the better understanding of the savanna landscapes of West Africa and may provide essential scientific background for each development project directed towards interdisciplinary and integrative researches.
During this study clumped isotope analysis of carbonates was established at the Goethe University of Frankfurt, Germany. Therefore, preparation protocols and analytical parameters were elaborated to obtain precise and accurate Δ47 data. Briefly, analyte CO2 was cleaned cryogenically using glass extraction lines to remove traces of water that enable re-equilibration of C–O bonds in the gases. Furthermore, analyte CO2 was passed through a gas chromatograph (GC) to clean it from contaminants that produce isobaric interferences with m/z 47. Initially, phosphoric acid digestions of carbonates was conducted at 25 °C in McCrea-type reaction vessels. Afterwards samples were reacted at 90 °C using a common acid bath. Mass spectrometric analyses were performed using a MAT 253 equipped with a dual inlet system. Δ47 values were directly projected to the absolute scale using CO2 gases equilibrated at distinct temperatures.
In cooperation with Stefano Bernasconi and his research group at ETH Zurich we studied the non-linearity that occurs for the measurement of m/z 47. This effect results from secondary electrons created by the m/z 44 beam. These electrons cause a negative background on the m/z 47 collector. A correction procedure was proposed that relies on the determination of the negative background on the m/z 47 Faraday cup. This approach might reduce time-consuming analyses of heated gases which were used so far to account for the observed non-linearity. However, the suggested correction of the negative background on the m/z 47 cup is only applicable if the slit width of the m/z 44 beam is significantly wider than that of the m/z 47 beam.
This thesis, furthermore, presents a comparison of the different phosphoric acid digestion techniques which are commonly used for carbonate clumped isotope analysis. For calcitic and aragonitic material digested at 25 °C in McCrea-type vessels we observed that the sample size has an effect on Δ47 data: higher mean Δ47 values and a larger scatter of data were received for samples <7 mg than for larger aliquots. For carbonate samples digested at 90 °C in a common acid bath no sample size effect was determined. We assume that secondary re-equilibration of CO2 with water preferentially occurs at 25 °C producing the observed differences. However, a sample size effect can be avoided if reaction temperature is increased to 90 °C.
In order to make carbonate Δ47 data obtained from acid digestions at 90 °C comparable to Δ47 data received from reactions at 25 °C the difference of the acid fractionation factores (Δ47*25-90) between both temperatures has to be known. For the determination of the Δ47*25-90 value we have considered Δ47 data made at 25 °C from samples >7 mg only. For calicte and aragonite we obtained differences in fractionation factores of 0.075‰ and 0.066‰, respectively. These Δ47*25-90 values are coincident with the theoretical prediction of 0.069‰ proposed for calcite (Guo et al., 2009).
Moreover, this dissertation comprises a calibration study of the clumped isotope thermometer based on various natural calcites that grew between 9 and 38 °C. The samples include a brachiopod shell, a bivalve shell, an eggshell of an ostrich and foraminifera tests which formed from distinct biomineralizing processes. Furthermore we included an authigenic carbonate crystallized from biological-induced precipitation. The following linear relationship between 1/T2 and Δ47 was determined (with Δ47 in ‰ and T in K):
Δ47 = 0.0327 (± 0.0026) x 106 / T2 + 0.3030 (± 0.0308) (R2 = 0.9915)
This equation differs from the pioneering Ghosh et al. (2006a) calibration. However, our regression line is statistically indistinguishable from that of Henkes et al. (2013) which is based on aragonitic mollusks and calcitic brachiopod shells. Both studies have in common that calibration data were, at first, directly referenced to the absolute scale. In addition, both datasets rely on similar digestion techniques. Furthermore, the two calibrations are conform with the theoretical prediction of Guo et al. (2009).
The calcite calibration of the clumped isotope paleothermometer received in this study was applied to Δ47 data measured for Silurian brachiopods shells from Gotland/Sweden. Prior to isotopic analysis the fossils were intensively investigated for their preservation state (CL, SEM, trace elements). The lowest T(Δ47) values of ca. 28 to 33 °C were estimated from ultrastructurally well-preserved regions of some shells. For these samples also the lowest δ18Ow values of Silurian seawater were determined. These estimates of ca. −1‰ confirm the assumption that the δ18O value of the Silurian ocean was buffered to (0 ± 1)‰.
Nevertheless, most studied shells were characterized by a patchwork of pristine and altered shell portions resulting in elevated T(Δ47) values which plot mostly between 40 and 60 °C. Our results indicate that the clumped isotopic composition of the shells were altered at low water-rock ratios, not affecting the δ18O values. Δ47 and δ18O data of associated diagenetic phases (sparitic and micritic phases of the inner fillings of the fossils) provide evidence that the sparitic cements grew during several diagenetic events which occurred at different temperatures in fluid-buffered systems. We, furthermore, conclude that the micritic phases lithified at a very early diagenetic stage with the δ18O values being most probably close to a Silurian seawater composition
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.
This study describes the Holocene sedimentary lagoonal deposition history, including event sedimentation and benthic foraminiferal analyzes, from about 10 kyrs BP until today. This is the first study describing the sedimentation of a Maldivian atoll lagoon in such detail. Thirty-nine sediment cores have been recovered from the deep Rasdhoo Atoll lagoon of the Maldives (4°N/73°W). Seventeen sediment cores were opened, described, and 296 sediment samples have been collected and analyzed. Different methods have been used to evaluate the coarse- and fine-grained carbonate components and a total of fifty-eight samples have been dated radiometrically by Beta Analytic Inc., Miami, Florida. In general, the Rasdhoo Atoll lagoon sediments can be divided into (1) a Late Pleistocene soil, (2) an early Holocene peat layer composed of mangrove deposits which mark the beginning inundation of the atoll lagoon by the rising Holocene sea-level at 10,320 ± 100 yrs BP, and (3) carbonate sediments starting to fill up the lagoon 7850 ± 140 yrs BP until today. The transition from peat to carbonate is characterized by a considerable hiatus. Six different carbonate sediment facies are classified by statistical analyses, listed in decreasing abundance:
(1) mollusk-coral-algal floatstone to rudstone (30%)
(2) mollusk-coral-red algae rudstone (23%)
(3) mollusk-coral-algal wackestone to floatstone (23%)
(4) mollusk-coral wackestone (13%)
(5) mollusk-coral mudstone to wackestone (9%)
(6) mollusk mudstone (2%)
Based on grain-sizes in combination with coral identification, the facies represent both lagoonal background sedimentation (mostly fine-grained sediments (matrix >50%)) and event sedimentation (coarse-grained sediment layers composing reefal components).
Six coarser grained layers in muddy background sediments of the Rasdhoo Atoll lagoon were interpreted as Holocene tsunami events, based on the increase of allochthonous skeletal material with shallow-water reef affinity such as fragments of shallow-water coral species, coralline red algae, and reef-dwelling foraminifera in these layers, as well as AMS dating:
• Event 1: 420 - 890 yrs BP (655 yrs BP)
• Event 2: 890 - 1560 yrs BP (1225 yrs BP)
• Event 3: 2040 - 2340 yrs BP (2190 yrs BP)
• Event 4: 2420 - 3380 yrs BP (2900 yrs BP)
• Event 5: 3890 - 4330 yrs BP (4110 yrs BP)
• Event 6: 5480 - 5760 yrs BP (5620 yrs BP)
Five of the six layers may be correlated to previously published tsunami events at adjacent coastal research sites. The mid-late Holocene atoll lagoon archive is incomplete though based on the assumption that major earthquakes at the Indonesian subduction zone generated more than six major tsunamis during the past 6.5 kyrs.
According to Gischler (2006), the sediments of the Rasdhoo Atoll lagoon can be divided into two areas: (1) a central to marginal deep lagoon with a lateral west-to-east gradient of sediment facies distribution, visible in sections <4 kyrs BP with sedimentary facies of mudstone to wackestone in the western part (e.g., cores 16, 18, and 34) and coarse-grained coral and algal-rich sediments in the eastern part of the lagoon (e.g., cores 30 and 31). (2) A northern enclosed and shallow area between the sand apron and the sand spit accumulating “sandy” sediments of wackestone facies (cores 2, 19, 25, and 26).
Comparing the sediment accumulation data of the lagoon with two reconstructed local sea-level curves, three different sequence-stratigraphical systems tracts are visible: (1) a lowstand systems tract (LST) >10 kyrs BP. Pleistocene brownish soil superposing subaerially exposed Pleistocene reef limestone. (2) A transgressive systems tract (TST) 10-6.5 kyrs BP. A peat layer marks the beginning of the inundation, and the carbonate sedimentation starts with very low sedimentation rates of 0.02 m/kyr. (3) A highstand systems tract (HST) 6.5-0 kyrs BP, further divided into three stages (6.5-3, 3-1, 1-0 kyrs BP). The sea-level rise slowed down, sedimentation rates are increasing continuously up to a maximum of 1.4 m/kyr, the sand spit developed some 4 kyrs BP, the lagoonal circulation got restricted, and the lateral west-to-east gradient of grain-size accumulation started. From 1-0 kyrs BP the sedimentation rates slowed down to modern mean sedimentation rates of 0.6 m/kyr.
Two cores, one core from the center of the lagoon (core 16) and one core from the northern margin of the lagoon (core 19), have been analyzed on diversity and assemblages of benthic foraminifera in high-resolution. The transitions of Ammonia spp. to a more even and diverse fauna marks a significant environmental change at 7.0 kyrs BP in core 16 (onset of a stable environment in the deep lagoon after the sea-level rise slowed down at HST stage 1) and at 4.0 kyrs BP in core 19. A continuing environmental change after 1.4 kyrs BP in core 16 caused the fauna to become more even, a recovery of diversity and a permanent decline of foraminiferal accumulation rate. The changes in the faunas at 4.0 kyrs BP and at 1.4 kyrs BP could be explained with the sand spit formation in the northwestern and western lagoon. The sand spit has apparently acted as an obstacle in lagoonal circulation and might have caused unstable environmental conditions due to a more rapid circulation at the shallow marine site of core 19 and a slowdown of bottom water circulation in the main lagoon (core 16) leading to higher residence times and to lower oxygen and higher nutrient concentrations.
The objective of the present doctoral thesis was to investigate the occurrence, distribution, and behaviour of six hydrophilic ethers: ethyl tert-butyl ether (ETBE), 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), and tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme) in surface-, waste-, ground- and drinking water samples. Solid phase extraction and gas chromatography/mass spectrometry were used to analyze the six hydrophilic ethers. Altogether more than 150 surface water samples, almost 100 of each groundwater and wastewater samples, and 10 raw and drinking water samples were analyzed during the research project.
Initially, the method was validated in order to simultaneously determine the analytes of interest in various aquatic environments. A solid phase extraction method that uses coconut charcoal (Resprep® activated coconut charcoal, Restek) or carbon molecular sieve material (SupelcleanTM Envi-CarbTM Plus, Supelco) for analyte absorption were found suitable for determination of ETBE, 1,4-dioxane, and glymes in surface-, drinking-, ground- and wastewater samples. Precision and accuracy of both methods was demonstrated for all analytes of interest. The recovery of target compounds from the ultrapure water spiked at 1.0 µg L−1 was between 86.8 % and 98.2 %, with relative standard deviation below 6 %. The samples spiked at 10.0 µg L−1 gave slightly higher recovery of 90.6 % to 112.2 % with a relative standard deviation below 3.4 % for each analyte. Detection and quantification limits in ultrapure water and surface waters were furthermore established. The limit of quantitation (LOQ) in ultrapure water ranged between 0.024 µg L−1 to 0.057 µg L−1 using Restek cartridges, and 0.030 µg L−1 to 0.069 µg L−1 using Supelco cartridges. In the surface water samples the calculated LOQ was 0.032 µg L−1 to 0.067µg L−1 using coconut charcoal material and 0.032 µg L−1 to 0.052 µg L−1 using the carbon molecular sieve material. Moreover, stability of the unpreserved and preserved water samples as well as the extracts was determined. Preservation of samples with sodium bisulfate (at 1 gram per Liter) resulted in much better stability of the ethers in water samples. Subsequently, 27 samples obtained from seven surface water bodies in Germany (Rivers Rhine, Lippe, Main, Oder, Rur, Schwarzbach and Wesel-Datteln Canal) were analyzed for the six hydrophilic ethers. ETBE was present in only two surface waters (Rhine River and Wesel-Datteln Canal) with concentrations close to the LOQ (up to 0.065 µg L−1). 1,4-Dioxane was detected in all of the water samples at concentrations reaching 1.93 µg L–1. Monoglyme was identified only in the Main and Rhine Rivers at the maximum concentration of 0.114 µg L–1 and 0.427 µg L–1, respectively. Very high concentrations (up to 1.73 µg L−1) of diglyme, triglyme, and tetraglyme were detected in the samples from the Oder River. These glymes were also detected in the Rhine River; however the concentrations did not exceed 0.200 µg L–1. Furthermore, tetraglyme was detected in the Main River at an average concentration of 0.409 µg L–1 (n = 6) and in one sample from the Rur River at 0.192 µg L–1.
Four sampling campaigns were conducted at the Oderbruch polder between October 2009 and May 2012, in order to study the behavior of the hydrophilic ethers and organophosphates during riverbank filtration and in the anoxic aquifer. Moreover the suitability of these target compounds was assessed for their use as groundwater organic tracers. At the time of each sampling campaign, concentrations of triglyme and tetraglyme in the Oder River were between 20–185 ng L–1 (n = 4) and 273¬–1576 ng L–1 (n = 4). Monoglyme, diglyme, and 1,4-dioxane were analyzed only during the two last sampling campaigns. At that time, the concentration of diglyme in Oder River was 65¬–94 ng L-1 (n = 2) and 1,4-dioxane 1610¬–3290 ng L–1 (n = 2). In the drainage ditch, following bank filtration, concentrations of ethers ranged between 1090 ng L–1 and 1467 ng L–1 for 1,4-dioxane, 23¬ng L–1 and 41 ng L–1 for diglyme, 37 ng L–1 and 149 ng L–1 for triglyme, and 496 ng L–1 and 1403 ng L–1 for tetraglyme. In the anoxic aquifer, 1,4-dioxane showed the greatest persistence during the groundwater passage. At the distance of 1150 m from the river and an estimated groundwater age of 41.9 years, a concentration above 200 ng L−1 was detected. A positive correlation was found for the inorganic tracer chloride (Cl−) with 1,4-dioxane and tetraglyme. Similarities in the behavior of Cl− and the organic compound suggested that 1,4-dioxane and tetraglyme are controlled by the same hydraulic process and therefore can be used as additional tracers to study the dynamics of the groundwater system. These results show that high concentrations of ethers are present in the surface water and are not removed during bank filtration processes. Moreover, the hydrophilic ethers persist in the anoxic aquifer and little or no degradation is expected, supporting, their possible application as organic tracers.
A separate sampling project was conducted for 1,4-dioxane that focused primarily on its fate in the aquatic environment. This study provided missing information on the extent of water pollution with 1,4-dioxane is Germany. Numerous waste-, surface-, ground- and drinking water samples were collected in order to determine the persistence of 1,4-dioxane in the aquatic environment. The occurrence of 1,4-dioxane was determined in wastewater samples from four municipal sewage treatment plants (STP). The influent and effluent samples were collected during weekly campaigns. The average influent concentrations in all four plants ranged from 262 ± 32 ng L−1 to 834 ± 480 ng L−1, whereas the average effluents concentrations were between 267 ± 35 ng L−1 and 62,260 ± 36,000 ng L−1. The source of increased 1,4-dioxane concentrations in one of the effluents was identified to originate from impurities in the methanol used in the postanoxic denitrification process. Spatial and temporal distribution of 1,4-dioxane in the river Main, Rhine, and Oder was also examined. Concentrations reaching 2,200 ng L−1 in the Oder River, and 860 ng L−1 in both Main and Rhine River were detected. The average load during the sampling was estimated to be 6.5 kg d−1 in the Main, 34.1 kg d−1 in the Oder, and 134.5 kg d−1 in the Rhine River. In all of the sampled rivers, concentrations of 1,4-dioxane increased with distance from the mouth of the river and were found to negatively correlate with the discharge of the river. In order to determine if 1,4-dioxane can reach drinking water supplies, samples from a Rhine River bank filtration site and potable water from two drinking water production facilities were analyzed for the presence of 1,4-dioxane in the raw water and finished potable water. The raw water (following bank filtration) contained 650 ng L−1 to 670 ng L−1 of 1,4-dioxane, whereas the concentration in the finished drinking water fell only to 600 ng L−1 and 490 ng L−1, respectively.
During the final project, investigations of the source identification of high glyme concentrations in the Oder River were carried out. During four sampling campaigns between January, 2012 and April, 2013, 50 samples from the Oder River in the Oderbruch region and Poland were collected. During the first two samplings in the Oderbruch polder, glymes were detected at concentration reaching 0.07 µg L-1 (diglyme), 0.54 µg L−1 (triglyme) and 1.73 µg L−1 (tetraglyme) in the Oder River. The extensive sampling campaign of the Oder River (about 500 km) in Poland helped to identify the area of possible glyme entry into the river. During that sampling the maximum concentrations of triglyme and tetraglyme were 0.46 µg L−1 and 2.21 µg L−1, respectively. A closer investigation of the identified area of pollution, helped to determine the possible sources of glymes in the Oder River. Hence, the final sampling focused on the Kaczawa River, a left tributary of the Oder River and Czarna Woda, a left tributary of Kaczawa River. Moreover, samples from an industrial wastewater treatment plant were collected. Samples from Czarna Woda stream and Kaczawa River contained even higher concentrations of diglyme, triglyme, and tetraglyme, reaching 5.18 µg L−1, 12.87 µg L−1 and 80.81 µg L−1, respectively. Finally, three water samples from a wastewater treatment plant receiving influents from a copper smelter were analyzed. Diglyme, triglyme, and tetraglyme were present at an average concentration of 569 µg L−1, 4300 µg L−1, and 65900 µg L−1, respectively in the wastewater. Further research helped to identify the source of the glymes in the wastewater. The gas desulfurization process – Solinox implemented in the nearby copper smelter uses glymes as physical absorption medium for sulfur dioxide.
Results of this doctoral research provide important information about the occurrence, distribution, and behavior of hydrophilic ethers: 1,4-dioxane, monoglyme, diglyme, triglyme, and tetraglyme in the aquatic environment. A method capable of analyzing a wide range of ether compounds: from a volatile ETBE to a high molecular weight tetraglyme was validated. 1,4-Dioxane and tetraglyme were found to be applicable as organic tracers, since they are not easily attenuated during bank filtration and the anoxic groundwater passage. The extent of water pollution with 1,4-dioxane was shown in waste-, surface-, ground-, and drinking waters. One source of extremely high concentrations of 1,4-dioxane in a municipal sewage treatment plant applying postanoxic denitrification was identified, however more information is needed on the entry of 1,4-dioxane into surface waters. Moreover, 1,4-dioxane was present in drinking water samples from river bank filtration, which demonstrates its persistence in the aquatic environment and its low degradation potential during bank filtration and subsequent water treatment. Furthermore, this was the first study that focused primarily on identifying sources of glymes in surface waters. Glymes find a widespread use in industrial sectors, hence establishing their origin in the surface water is difficult (as with 1,4-dioxane). In this work, a gas desulphurization process was identified to be a dominating source of glyme pollution in the Oder River.
Interpretation magnetotellurischer Messungen auf Island und 3D-Modellierungen des Island-Plumes
(2014)
Die Lage und der geologische Aufbau Islands sind eine einmalige geologische und geophysikalische Besonderheit - nur hier liegt der Mittelatlantische Rücken deutlich oberhalb des Meeresspiegels. Eine Theorie ist, dass unter Island ein sogenannter Hotspot existiert - ein aufsteigender Mantelplume (oder eine andere Temperatur- und Schmelzanomalie). Das bedeutet, dass die Tektonik, die Petrologie und die (geo)physikalischen Parameter von der Wechselwirkung der Meeresbodenspreizung mit dem aufsteigenden Mantelplume bestimmt werden. Die magnetotellurischen Untersuchungen auf Island und die magnetotellurischen Modelle der vorliegenden Arbeit lassen sich nach Zieltiefen unterteilen. Im ersten Teil steht vor allem die Untersuchung der Leitfähigkeitsstruktur des oberen Erdmantels im Vordergrund, wobei der Schwerpunkt auf Modellstudien liegt. Hier wird die Theorie des aufsteigenden Mantelplumes aufgegriffen und hinsichtlich der Möglichkeiten der Magnetotellurik (MT) diesen zu detektieren, untersucht. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene synthetische 3D-Modelle untersucht. Diese sollen klären, unter welchen Bedingungen, d.h. bei welcher Tiefenlage, Ausdehnung und Leitfähigkeit, ein Mantelplume in der Magnetotellurik messbare Signale liefert. Da Temperatur und Schmelzanteil hierbei eine entscheidende Rolle spielen, werden auch Ergebnisse von geodynamischen Modellierungen verwendet. Die verschiedenen Modellierungen machen deutlich, dass der Plume in Modellen mit maximal 1% Schmelzanteil nur sehr schlecht mit der MT aufgelöst werden kann. Ein weiteres Problem ist die relativ geringe laterale Ausdehnung des Bereichs hoher Leitfähigkeit. Insbesondere bei Berücksichtigung des Krustenleiters liegen die Effekte des Plumes im Bereich der Messfehler bei realen Daten. Erst bei 3% Schmelzanteil im Plume ergeben sich Charakteristiken in den Sondierungskurven, die eindeutig dem Plume zugeordnet werden können. Im zweiten Teil liegt das Augenmerk auf der Leitfähigkeitsstruktur der isländischen Kruste, für deren Untersuchung ca. 200 Datensätze aus zahlreichen deutsch-isländischen Messkampagnen zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit werden sie ganzheitlich ausgewertet und interpretiert. Hier steht im Speziellen der in verschiedenen früheren Untersuchungen gefundene gute Leiter in ca. 10 km Tiefe im Vordergrund. Seine Ausdehnung, Tiefenlage und Leitfähigkeit sowie laterale Änderungen werden genauer untersucht. Dazu werden aus den gemessenen Daten und den daraus ermittelten magnetotellurischen Impedanztensoren nicht nur die Sondierungskurven, sondern weitere Parameter wie Phasentensoren und Rotationsinvarianten abgeleitet und diskutiert. Um einen Überblick über die räumliche Verteilung der Untergrundstrukturen zu erhalten, werden die einzelnen Messpunkte charakterisiert und Stationen mit ähnlichem Verhalten in Gruppen zusammengefasst. 1D- und 2D- Inversionsmodelle liefern einen direkten Hinweis auf die Leitfähigkeitsverteilung. Diese zeigt ausgeprägte laterale Änderungen. Aus den 2D-Modellen ergeben sich Hinweise, die darauf schließen lassen, dass diese Zone niedrigen Widerstands nicht durchgängig oder geschlossen sein muss, um die gemessenen Daten zu erklären. Der gute Leiter scheint weniger mit der Aufwölbung durch den vermuteten Mantelplume oder eine andere tiefer liegende Schmelzanomalie korreliert zu sein. Die lateralen und vertikalen Variationen lassen auf einen Zusammenhang mit den Vulkansystemen auf Island schließen. Darauf deuten auch die Induktionsvektoren hin, die lateral betrachtet stark variieren. Ein weiteres Ergebnis ist das Fehlen dieses Krustenleiters in einem mindestens 20km breiten Streifen entlang der Südküste.
The Late Cretaceous is known to be mostly affected by warm periods interrupted temporarily by a number of cooling events. The reconstruction of the paleoclimatic conditions during a period of high concentration of CO2 in the atmosphere is of great importance for the creation of future climate models. We applied the recently developed method reconstructing the SST from the TEX86 (TetraEther indeX of tetraethers consisting of 86 carbon atoms).
The sample material used for the present study was obtained from the tropical Late Cretaceous southern Tethys upwelling system (Negev/Israel), lasting from the Late Santonian to the Early Maastrichtian (~ 85 to 68 Ma). On the core samples from the Shefela basin, representing the outer belt of the upwelling system and the outcrop profile from the open mine Mishor Rotem (Efe Syncline), representing the inner belt, various bulk geochemical and biomarker studies were performed in this thesis.
Derived from TEX86 data, a significant long-term SST cooling trend from 36.0 to 29.3 °C is recognized during the Late Santonian and the Early Campanian in the southern Tethys margin. This is consistent with the opening and deepening of the Equatorial Atlantic Gateway (EAG) and the intrusion of cooler deep water from the southern Atlantic Ocean influencing the global SSTs and also the Tethys Ocean. Furthermore, the cooler near shore SST usually found in modern upwelling systems could be verified in case of the ancient upwelling system investigated in the present study. The calculated mean SST in the inner belt (27.7 °C) represented in the Efe Syncline was 1.5 °C cooler in comparison to the more seaward located outer belt (Shefela basin).
Moreover, geochemical and biomarker analyses were used to identify both the accumulation of high amounts of phosphate in the PM and good preservation of organic matter (OM) in the lower part of the OSM section. Total organic carbon (TOC) contents are highly variable over the whole profile reaching from 0.6 % in the MM, to 24.5 % in the OSM. Total iron (TFe) varies from 0.1 % in the PM to 3.3 % in the OSM and total sulfur (TS) varies between 0.1 % in the MM and 3.4 % in the OSM. Different correlations of TS, TOC and TFe were used to identify the conditions during the deposition of the different facies types. Natural sulfurization was found to play a key role in the preservation of the OM particularly in the lower part of the OSM. Samples from the OSM and the PM were deposited under dysoxic to anoxic conditions and iron limitation lasted during the deposition of the OSM and the PM, which effected the incorporation of sulfur into OM.
Phosphorus is highly accumulated in the sediments of the PM with a mean proportion of 11.5 % total phosphorus (TP), which is drastically reduced to a mean value of 0.9 % in the OSM and the MM. From the correlation of the bulk geochemical parameters TOC/TOCOR ratio and TP a major contribution of sulfate reducing bacteria to the phosphate deposition is concluded. This interrelation has previously been investigated in recent coastal upwelling systems off Peru, Chile, California and Namibia. This was further supported by the analysis of branched and monounsaturated fatty acids indicating the occurrence of sulfate reducing and sulfide oxidizing bacteria during the deposition.
According to the results from the analysis of n-alkanes and C27- to C29-steranes up to 95 % of the OM was of marine origin.
Organic sulfur compounds (OSC) were a major compound class in the aromatic hydrocarbon fraction and n-Alkyl and isoprenoid thiophenes were the most abundant, with highest amounts found for 2-methyl-5-tridecyl-thiophene (28 µg/g TOC). The relatively high abundance of ββ-C35 hopanoid thiophenes and epithiosteranes is equivalent to an incorporation of sulfur during the early stages of diagenesis.
Moreover, the geochemical parameters δ13Corg, δ15Norg, C/N and the pristane/phytane (Pr/Ph) ratio, were studied for reconstruction of seafloor and water column depositional environments. The high C/N ratio along with relatively low values of δ15Norg (4 ‰ to 6 ‰) and δ13Corg (-29 ‰ to -28 ‰) are consistent with a significant preferential loss of nitrogen-rich organic compounds during diagenesis. Oxygen-depleted conditions lasted during the deposition of the PM and the bottom of the OSM, reflected by the low Pr/Ph ratio of 0.11–0.7. In the upper part of the OSM and the MM the conditions changed from anoxic to dysoxic or oxic conditions. This environmental trend is consistent with co-occurring foraminiferal assemblages in the studied succession and implies that the benthic species in the Negev sequence were adapted to persistent minimum oxygen conditions by performing complete denitrification as recently found in many modern benthic foraminifera.
Furthermore, the anammox process could have influenced the nitrogen composition of the sediments. In this anaerobically process nitrite and ammonia are converted to molecular nitrogen.
Die Anwendung der WKB-Theorie zur Simulation der schwach nichtlinearen Dynamik von Schwerewellen
(2014)
Es ist schon seit Längerem bekannt, dass Schwerewellen die Zirkulation der mittleren Atmosphäre beeinflussen. Sie werden fast ausschließlich in der Troposphäre durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektionen, Frontogenese etc. erzeugt. Sie propagieren von ihrem Entstehungsort in der Troposphäre in die höheren Schichten der Atmosphäre und transportieren dabei ihre Energie und ihren Impuls. Unter der Voraussetzung, dass die Energie von Schwerewellen erhalten bleibt und die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe exponentiell abnimmt, wächst die Amplitude der Schwerewellen so stark an, dass sie brechen und ihren Impuls in Stratosphäre und Mesosphäre deponieren. Als Folge davon beeinflussen Schwerewellen die großräumige Zirkulation der Atmosphäre und sind damit ein wichtiges Bindeglied, welches die Troposphäre mit anderen Atmosphärenbereichen verbindet. Folglich ist es wichtig, dass die Klima- und Wettermodelle in der Lage sind, die Schwerewellendynamik zu beschreiben. Bedauerlicherweise können diese Modelle nicht das komplette Schwerewellenspektrum auflösen. Somit müssen Schwerewellen in den Modellen parametrisiert werden. Viele Parametrisierungsschemen basieren auf Wentzel-Kramer-Brillouin(WKB)-Theorie. Die WKB-Gleichungen, die sogenannten Strahlengleichungen, beschreiben die räumliche und zeitliche Variation der Welleneigenschaften wie Wellenzahl, Wellenamplitude und Wellenfrequenz entlang der Charakteristiken, welche durch die lokale Gruppengeschwindigkeit vorgegeben sind. Die numerische Modelle, die auf den Strahlengleichungen basieren, werden als Strahlenmodelle bezeichnet. In Strahlenmodellen werden Schwerewellen durch Wellenteilchen dargestellt. Zur Zeit verwenden die Strahlenmodelle stationäre Strahlengleichungen, da die Wechselwirkung eines zeitabhängigen Schwerewellenfeldes mit einem zeit- und ortsabhängigen Hintergrund zu Problemen in Strahlenmodellen führen kann. Die Strahlengleichungen basieren auf der Annahme, dass sich nie zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Welleneigenschaften an einer Position befinden können. Wenn an einer Position zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Wellenzahlen befinden, entsteht sogenannte Kaustik: ein Punkt im Raum, an dem sich mehrere Charakteristiken kreuzen. Wenn eine Kaustik entsteht, kann die Wellenamplitude nicht mehr bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es mithilfe der WKB-Theorie die Ausbreitung von Schwerewellenpaketen in einer raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung zu beschreiben und ein numerisches Modell zu entwickeln, welches die Schwerewellen parametrisieren und ihre Wechselwirkung mit der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung beschreiben kann.
Einfachheitshalber wird in dieser Arbeit nur die Wechselwirkung zwischen horizontal periodischen, vertikal lokalisierten Schwerewellenpaketen und der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung betrachtet.
Terrestrial climate and ecosystem evolution during ‘Greenhouse Earth’ phases of the early Paleogene remain incompletely known. Particularly, paleobotanical records from high southern latitudes are giving only limited insights into the Paleocene and early Eocene vegetation of the region. Hence, data from continuous well-calibrated sequences are required to make progress with the reconstruction of terrestrial climate and ecosystem dynamics from the southern latitudes during the early Paleogene.
In order to elucidate the terrestrial conditions from the high southern latitudes during the early Paleogene, terrestrial palynology was applied in the present study to two well-dated deep-marine sediment cores located at the Australo-Antarctic region: (i) IODP Site U1356 (Wilkes Land margin, East Antarctica) and (ii) ODP Site 1172 (East Tasman Plateau, southwest Pacific Ocean). The studied sequence from IODP Site U1356 comprises mid-shelfal sediments from the early to middle Eocene (53.9 – 46 million years ago [Ma]). For the ODP Site 1172, the studied succession is characterized by sediments deposited in shallow marine environments of the middle Paleocene to the early Eocene (60.7 – 54.2 Ma).
Based on the obtained pollen and spores (sporomorphs) results from the studied sequences of Site U1356 and Site 1172, this study aims to: (1) decipher the terrestrial climate conditions along the Australo-Antarctic region from the middle Paleocene to the middle Eocene; (2) evaluate the structure, diversity and compositional patterns of forests that throve in the Australo-Antarctic region during the early Paleogene; (3) understand the response of forests from the high southern latitudes to the climate dynamics from the early Paleogene; (4) establish a connection between the generated terrestrial palynomorph data and published Sea Surface Temperatures (SSTs) from the same cores.
To decipher the terrestrial climatic conditions on the Australo-Antarctic region, this study relies on the nearest living relative (NLR) concept that assumes that fossil taxa have similar climate requirements as their modern counterparts. This approach was applied to the sporomorph results of Site U1356 and Site 1172, following mainly the bioclimatic analysis. With regard to the structure and diversity patterns of the vegetation from the same region, the present study presents combined qualitative (i.e., reconstruction of the vegetation based mainly on the habitats of the known living relatives) and quantitative (i.e., application of ordination techniques, rarefaction and diversity indices) analyses of the fossil sporomorphs results.
The overall results from the paleoclimatic and vegetation reconstruction approaches applied in the present study, indicate that temperate and paratropical forests during the early Paleogene throve under different climatic conditions on the Wilkes Land margin and on Tasmania, at paleolatitudes of ∼70°S and ∼65°S, respectively.
Specifically, the sporomorph results from Site U1356, suggest that a highly diverse forest similar to present-day forests from New Caledonia was thriving on Antarctica during the early Eocene (53.9 – 51.9 Ma). These forests were characterized by the presence of termophilous taxa that are restricted today to tropical and subtropical settings, notably Bombacoideae, Strasburgeria, Beauprea, Spathiphyllum, Anacolosa and Lygodium. In combination with MBT/CBT paleotemperature results, they provide strong evidence for near-tropical warmth at least in the coastal lowlands along the Wilkes Land margin. The coeval presence of frost tolerant taxa such as Nothofagus, Araucariaceae and Podocarpaceae during the early Eocene on the same record suggests that paratropical forests were thriving along the Wilkes Land margin. Due to the presence of this kind of vegetation, it is possible to suggest that forests in this region were subject to a climatic gradient related to differences in elevation and/or the proximity to the coastline.
By the middle Eocene, the paratropical forests that characterized the vegetation of the early Eocene on the Wilkes Land margin were replaced by low diversity temperate forests dominated by Nothofagus, and similar to present-day cool-temperate forests from New Zealand. The dominance of these forests and the absence of thermophilous elements together with the lower temperatures suggested by the MBT/CBT and the sporomorph-based temperatures indicate consistently cooler conditions during this time interval.
With regard to the sporomorph results of Site 1172, this study suggests that three vegetation types were thriving on Tasmania from the middle Paleocene to the early Eocene under different climatic conditions. During the middle to late Paleocene, warm-temperate forests dominated by Podocarpaceae and Araucariaceae were the prevailing vegetation on Tasmania. The dominance of these forests was interrupted by the transient predominance of cool-temperate forests dominated by Nothofagus and Araucariaceae across the middle/late Paleocene transition interval (~59.5 to ~59.0 Ma). This cool-temperate forest was characterized by a lack of frost-sensitive elements (i.e., palms and cycads) indicating cooler conditions with harsher winters on Tasmania during this time interval. By the early Eocene, and linked with the Paleocene Eocene Thermal Maximum (PETM), Paleocene temperate forests dominated by gymnosperms were replaced by paratropical rainforests with the remarkable presence of the tropical mangrove palm Nypa during the PETM and the earliest Eocene. The overall results from Site U1356 and Site 1172, provide a new assessment of the terrestrial climatic conditions in the Australo-Antarctic region for validating climate models and understanding the response of high-latitude terrestrial ecosystems to the climate dynamics of the early Paleogene on southern latitudes.
The climatic conditions in the higher latitudes during the early Paleogene were further unravelled by comparing the obtained terrestrial and marine results. The integration of the obtained sporomorph data with previously published TEX86-based SSTs from Site 1172 documents that the vegetation dynamics were closely linked with the temperature evolution from the Australo-Antarctic region. Moreover, the comparison of TEX86-based SSTs and sporomorph-based climatic estimations from Site 1172 suggests a warm-season bias of both calibrations of TEX86 (i.e., TEX86Hand TEX86H), when this proxy is applied to high southern latitudes records of the early Paleogene.
Die Seismizität des nördlichen Oberrheingrabens (ORG) ist aufgrund seines Potentials für die geothermische Nutzung und der damit möglicherweise verbundenen seismischen Risiken von allgemeinem Interesse. Detaillierte Kenntnisse der natürlichen Seismizität erlauben Rückschlüsse auf aktive Störungszonen und Spannungsverhältnisse im Untergrund. Sie liefert außerdem wichtige Hintergrundinformationen für die Abschätzung einer möglichen induzierten Seismizität. Untersuchungen zur Charakterisierung der natürlichen Seismizität, des Spannungsfeldes und der seismischen Gefährdung des nördlichen ORG sind Hauptbestandteil dieser Arbeit, die innerhalb des BMU/BMWi-Projektes SiMoN (Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Nördlichen Oberrheingrabens) entstanden ist. Aufzeichnungen eines Netzwerkes aus 13 seismischen Stationen dienen als Datengrundlage zur Charakterisierung der Seismizität innerhalb eines etwa 50 x 60 km2 großen Areals im dichtbesiedelten Rhein-Main Gebiet. Untersuchungen der Rauschbedingungen zur Bewertung der Eignung der Stationsorte für das Aufzeichnen der natürlichen Seismizität lieferten bei den Stationen auf felsigem Untergrund sehr gute spektrale Eigenschaften, während alle Stationen im Sediment des ORG deutlich höhere Rauschanteile aufzeigten. Anhand systematischer Messungen in flachen Bohrlöchern konnten laterale und vertikale Variationen des seismischen Rauschens beschrieben werden und dadurch eine Verbesserung der Detektionsschwelle beobachtet werden.
Es werden die Ergebnisse des seismischen Monitorings für den Zeitraum November 2010 bis Dezember 2014 dargestellt. Die Detektionsschwelle für das Netzwerk liegt bei einer Lokalmagnitude von etwa 0,5, die Vollständigkeitsmagnitude beträgt Mc = 1,2. Seit Beginn der Datenaufzeichnung konnten 243 Erdbeben im unmittelbaren Bereich des Stations-netzwerkes mit Magnituden im Bereich zwischen ML = -0,5 und ML = 4,2 lokalisiert werden. Die Epizentren liegen hauptsächlich entlang der östlichen Grabenschulter und im Graben; entlang der westlichen Grabenschulter ist die seismische Aktivität deutlich geringer. Eine weitere aktive Region konnte entlang der südlichen Ausläufer des Taunus im Nordwesten des Untersuchungsgebietes identifiziert werden. Die Seismizität erstreckt sich bis in eine Tiefe von 24 km mit einem Maximum der hypozentralen Tiefenverteilung im Bereich von 12-18 km. Im Graben ist die Seismizität dabei auf die tiefere Kruste im Bereich von 9-24 km beschränkt. Das Fehlen von seismischer Aktivität in der oberen Kruste bis ca. 9 km Tiefe im Graben könnte auf eine aseismische Deformation in diesem Tiefenbereich hindeuten. Seit Mai 2014 konnte südöstlich von Darmstadt bei der Ortschaft Ober-Ramstadt zum ersten Mal seit fast 150 Jahren eine Schwarmbebenaktivität im Bereich des nördlichen ORG registriert werden. Die Hypozentren sind in zwei Cluster unterteilt, die räumlich voneinander getrennt sind und unterschiedliche Aktivitätsraten aufweisen. Die Herdtiefen liegen im Bereich von 1-8 km.
Zusätzlich zu den Daten des SiMoN Netzwerkes wurden Aufzeichnungen der regionalen Erdbebendienste in Herdflächenanalysen für insgesamt 58 Erdbeben einbezogen. Die Herdflächenlösungen weisen überwiegend Blattverschiebungen (Strike-slip-Mechanismen) auf. Auf- und Abschiebungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die berechneten Herdmechanismen bestätigen, dass sich das Spannungsfeld des nördlichen ORG transtensional verhält, im Vergleich zu früheren Studien konnte jedoch eine deutlich ausgeprägte Blattverschiebungskomponente identifiziert werden. Zur Bestimmung der Hauptspannungsachsen wurde eine Inversion der Herdflächenlösungen durchgeführt und die Richtung der maximalen horizontalen Spannung, welche hauptsächlich in N135°E orientiert ist, bestimmt.
Aufbauend auf den neu gewonnen Erkenntnissen zur natürlichen Seismizität und zum Spannungsfeld des nördlichen ORG wurde eine probabilistische seismische Gefährdungsanalyse durchgeführt. Um Unsicherheiten in den seismischen Quellregion-modellen zu berücksichtigen, wurden sechs unterschiedliche Modelle entwickelt. Für jede Quellregion wurden spezifische Parameter bestimmt. Ihre Unsicherheiten werden in einem logischen Baum behandelt. Auf der Grundlage eines neu zusammengestellten Momentmagnituden-basierten Erdbebenkatalogs wurden die Magnitudenhäufigkeits-parameter bestimmt. Unter Berücksichtigung des tektonischen Regimes in jeder Quelle wurden unterschiedliche Dämpfungsrelationen der Bodenbeschleunigung verwendet. Zur Quantifizierung der maximal zu erwartenden Magnitude in jeder Quelle wurden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berechnet. Die Resultate der Gefährdungsanalyse werden in Form von Karten der Spektralbodenbeschleunigungen und Spitzenboden-beschleunigungen für Wiederkehrperioden von 475 und 2475 Jahren und Antwortbeschleunigungsspektren dargestellt. Im Vergleich zu früheren Studien konnte eine erhöhte seismische Gefährdung für den nördlichen ORG festgestellt werden.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.