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Reliable identification of chondrules, calcium-aluminum-rich inclusions (CAIs), carbonate grains, and Ca-phosphate grains at depth within untouched, unprepared chondritic samples by a nondestructive analytical method, such as synchrotron X-ray fluorescence (SXRF) computed tomography (CT), is an essential first step before intrusive analytical and sample preparation methods are performed. The detection of a local Ca-enrichment could indicate the presence of such a component, all of which contain Ca as major element and/or Ca-bearing minerals, allowing it to be precisely located at depth within a sample. However, the depth limitation from which Ca-K fluorescence can travel through a chondrite sample (e.g., ∼115 µm through material of 1.5 g cm−3) to XRF detectors leaves many Ca-bearing components undetected at deeper depths. In comparison, Sr-K lines travel much greater distances (∼1700 µm) through the same sample density and are, thus, detected from much greater depths. Here, we demonstrate a clear, positive, and preferential correlation between Ca and Sr and conclude that Sr-detection can be used as proxy for the presence of Ca (and, thus, Ca-bearing components) throughout mm-sized samples of carbonaceous chondritic material. This has valuable implications, especially for sample return missions from carbonaceous C-type asteroids, such as Ryugu or Bennu. Reliable localization, identification, and targeted analysis by SXRF of Ca-bearing chondrules, CAIs, and carbonates at depth within untouched, unprepared samples in the initial stages of a multianalysis investigation insures the valuable information they hold of pre- and post-accretion processes in the early solar system is neither corrupted nor destroyed in subsequent processing and analyses.
Chemical ozone loss in winter 1991–1992 is recalculated based on observations of the HALOE satellite instrument, ER-2 aircraft measurements and balloon data. HALOE satellite observations are shown to be reliable in the lower stratosphere below 400 K, at altitudes where profiles are most likely disturbed by the enhanced sulfate aerosols, as a result of the Mt. Pinatubo eruption in June 1991. Very large chemical ozone loss was observed below 400 K from Kiruna balloon observations between December and March 1992. Additionally, for the two winters after the Mt. Pinatubo eruption, HALOE satellite observations show a stronger extent of chemical ozone loss at lower altitudes compared to other Arctic winter between 1991 and 2003. In stipe of already occurring deactivation of chlorine in March 1992, Mipas-B and LPMA balloon observations indicate still chlorine activation at lower altitudes, consistent with observed chemical ozone loss occurring between February and March and April. Enhanced chemical ozone loss in the Arctic winter 1991–1992 as calculated in earlier studies is corroborated here.
Chemical ozone loss in winter 1991–1992 is recalculated based on observations of the HALOE satellite instrument, Version 19, ER-2 aircraft measurements and balloon data. HALOE satellite observations are shown to be reliable in the lower stratosphere below 400 K, at altitudes where the measurements are most likely disturbed by the enhanced sulfate aerosol loading, as a result of the Mt.~Pinatubo eruption in June 1991. Significant chemical ozone loss (13–17 DU) is observed below 380 K from Kiruna balloon observations and HALOE satellite data between December 1991 and March 1992. For the two winters after the Mt. Pinatubo eruption, HALOE satellite observations show a stronger extent of chemical ozone loss towards lower altitudes compared to other Arctic winters between 1991 and 2003. In spite of already occurring deactivation of chlorine in March 1992, MIPAS-B and LPMA balloon observations indicate that chlorine was still activated at lower altitudes, consistent with observed chemical ozone loss occurring between February and March and April. Large chemical ozone loss of more than 70 DU in the Arctic winter 1991–1992 as calculated in earlier studies is corroborated here.
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.
Barriereinseln und Außensände, geformt durch eine Kombination aus Wind, Wellen, Strömung und Küstenlängstransport gelten als morphologisch hoch aktive Küstenbereiche und variieren häufig in Ursprung, Genese und Entwicklung. Sie besitzen durch ihre dissipative Wirkungsweise eine bedeutende Schutzfunktion für rückwärtige Inseln, Halligen und Festlandbereiche und bilden vor der Küste Nordfrieslands die westliche Außengrenze des Wattenmeeres.
Ziel der nachfolgenden Studie ist es, anhand hochauflösender Georadarmessungen und sedimentologischer Daten aus Bohrungen die Landschaftsgeschichte an der Westküste Amrums sowie die Entstehung und interne sedimentäre Architektur des der Insel westlich angelagerten Kniepsandes zu untersuchen und die Prozesse, die zur Genese geführt haben, durch Datierungen zeitlich einzuordnen. Auf Grundlage der gewonnenen Daten wurden zwei stratigraphische Modelle entwickelt, welche die geologisch-geomorphologischen Prozesse und Sedimentationsbedingungen im Westküstenvorfeld erklären.
Ein Modell zeigt die Landschaftsentwicklung an der Westküste Amrums und beschreibt die Sedimentationsbedingungen, die im Vorfeld der Westküste herrschten, bevor der Kniepsand an die Insel heranwanderte. Auf der Landoberfläche des ertrinkenden saaleeiszeitlichen Geestkerns wurden zu Beginn der Flandrischen Transgression feinkörnige Sedimente eines Mischund Schlickwatts abgelagert. Es ist davon auszugehen, dass der damals noch weit vor der Küste Amrums liegende Kniepsand eine Barriere bildete und so an der heute hochenergetischen Westküste für strömungsberuhigte Sedimentationsbedingungen sorgte. Durch Erosion am Geestkern bildeten sich in unterschiedlichen Höhenpositionen fossile Kliffs, die dem damaligen Meeresspiegelstand entsprechen.
Ein weiteres Modell beschreibt den Andockmechanismus des Kniepsandes an die Insel Amrum. Durch die Anlagerung des ehemaligen Außensandes und den damit einhergehenden Sedimentinput wurden die Bedingungen für eine großflächige Dünenbildung geschaffen.
Barriereinseln und Nehrungshaken, geformt durch eine Kombination aus Wind, Wellen, Strömung und Küstenlängstransport gelten als geologisch junge und morphologisch hoch aktive Küstenbereiche und variieren häufig in Ursprung, Genese und Entwicklung. Bisherige Untersuchungen zur Stratigraphie dieser durch engräumige Fazieswechsel geprägten Sedimentationsräume basieren häufig allein auf Bohrungen. Daher sind die interne sedimentologische Struktur und die Prozesse, die zur Entwicklung von Barriereinseln und Nehrungshaken geführt haben, oftmals unzureichend untersucht.
Ziel der folgenden Studie war es, anhand hochauflösender Georadarmessungen (GPR) und Bohrungen die Entstehung und interne sedimentäre Architektur der Nehrungshaken von Sylt und Amrum zu rekonstruieren. Durch die Korrelation von Sediment- und Radarfazies konnten über den bisherigen Kenntnisstand hinaus wertvolle, sich ergänzende Informationen zur Geologie des oberflächennahen Untergrundes der Inseln Sylt und Amrum gewonnen werden. Auf dieser Grundlage wurden für den Süden Sylts, die Westküste von Amrum und den Norden Amrums stratigraphische Modelle entwickelt, die schematisch den sedimentologischen Aufbau, die geomorphologisch-geologische Genese und die am Aufbau beteiligten Prozesse zusammenfassen. Die Einordnung in einen absoluten Zeitrahmen wurde durch Datierungen (AMS Radiokohlenstoff-Methode, Aminosäure-Racemisierungs-Methode) ermöglicht.
Die Ergebnisse sind als Beispiel für die Heterogenität und Individualität von Nehrungshaken und Barriereinseln zu sehen. Es konnte gezeigt werden, dass Nehrungshaken hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer sedimentären Struktur sowie den Prozessen ihrer Entstehung sehr unterschiedlich sind.
Mit Ausnahme der heutigen Dünen zeigt die Stratigraphie der Ansatzzone des südlichen Nehrungshakens von Sylt an den zentralen Inselgeestkern südlich der Ortschaft Rantum insgesamt eine Vergröberungs-Sequenz von tonigem Mischwatt im Liegenden über Sandwatt bis zu den gröberen washover-Schichten im Hangenden. Eine Besonderheit und regionale Abweichung stellt die Stratigraphie bei Puan Klent/Thörnhörn dar. Dort wurde im Liegenden der Watt-Fazies ein fossiler Strandhaken nachgewiesen.
Die transgressive Sequenz der Ansatzzone des südlichen Nehrungshakens von Sylt bei Rantum auf Sylt ist kennzeichnend für eine landwärts gerichtete Wanderungsbewegung der Inselbarriere unter steigendem Meeresspiegel. Das Resultat des als „barrier rollover“ bezeichneten morphologischen Prozesses ist die allmähliche Erosion der westlichen Barrierefront. Das erodierte Sediment der Westküste wurde entweder durch overwash-Prozesse im rückwärtigen Inselbereich als washover fan abgelagert oder gelangte in den Küstenlängstransport, wurde zur Inselspitze transportiert und dort akkumuliert. Diese führte allmählich zum Wachstum und zur Progradation der südlichen Inselspitze (Hörnum Odde) in die sich südlich anschließende Tiderinne des Hörnum-Tiefs. Zahlreiche Erosionsdiskordanzen unterhalb des heutigen Meeresspiegels markieren ursprüngliche Inselspitzenendpositionen (time lines) und sind auf hochenergetische Sturmflutereignisse zurückzuführen. Die time lines werden nach Süden hin jünger und zeichnen unterschiedliche Stadien der Progradation nach, die ein episodisches Wachstum der Inselspitze in Abhängigkeit von der Sedimentverfügbarkeit und der Sturmflutintensität belegen. Alte Erosionsdiskordanzen belegen die frühe submarine Genese der Hörnum Odde. Ein starkes Wachstum der südlichen Inselspitze Sylts lässt sich im Mittelalter nachweisen.
Sturmfluten führten zudem immer wieder zu overwash-Prozessen und Überschwemmungen der noch jungen Inselspitze. Dies belegen ältere washover-Ablagerungen, die in unterschiedlichen Phasen der Nehrungshakenentwicklung nachgewiesen werden konnten. Rezente overwash-Prozesse sind auf die heutigen Dünen beschränkt und wurden in dieser Arbeit mit der Fragestellung untersucht, ob und inwieweit das Georadar als Methode zur Prospektion von washover-Sedimenten herangezogen werden kann.
Die unmittelbare Nachbarschaft der beiden Nehrungshaken von Sylt und Amrum lässt einen ähnlichen sedimentären Aufbau, eine analoge Genese in einem einheitlichen Prozess-System sowie ein vergleichbares Alter vermuten. Durch die Untersuchungen im Norden von Amrum sollte festgestellt werden, in wie weit das für die Hörnum Odde nachgewiesene Zusammenspiel von Küstenlängstransport, Progradation, sturmflutbedingten overwash-Prozessen und die zeitliche Unterbrechung des Längenwachstums durch Sturmfluterosion auch für Amrum zutrifft. Entgegen der Erwartungen unterscheidet sich der nördliche Nehrungshaken der Insel Amrum signifikant vom südlichen Nehrungshaken der Nachbarinsel Sylt.
Studien zur Landschaftsentwicklung an der Westküste Amrums wurden in einem Modell zusammengefasst, dass die Sedimentationsbedingungen, die im Westküstenvorfeld herrschten bevor der Kniepsand an die Insel heranwanderte, beschreibt. Auf der Landoberfläche des ertrinkenden saaleeiszeitlichen Geestkerns wurden zu Beginn der Flandrischen Transgression feinkörnige Sedimente eines Misch- und Schlickwatts abgelagert. Es ist davon auszugehen, dass der damals noch weit vor der Küste Amrums liegende Kniepsand eine Barriere bildete und so an der heute hochenergetischen Westküste für strömungsberuhigte Sedimentationsbedingungen sorgte. Ein weiteres Modell beschreibt den Andockmechanismus des Kniepsandes an die Insel Amrum. Durch die Anlagerung des ehemaligen Außensandes und den damit einhergehenden Sedimentinput wurden die Bedingungen für eine großflächige Dünenbildung geschaffen.
Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz zur Systematisierung der Konzeption und Entwicklung webbasierter multimedialer Lehr-/Lernobjekte (mmL-Objekte) in der Physischen Geographie, im Wesentlichen in der Teildisziplin Geomorphologie, vor. Auf allgemeine Ausführungen zu mediendidaktischen Grundlagen und Begrifflichkeiten im Zusammenhang internetgestützter Lehr-/Lernszenarien folgt die Darstellung von Strategien der Wissensstrukturierung, Wissensaneignung und fachwissenschaftlicher Methodik im Lehr-/Lernkontext geomorphologischer Prozesse und ihrer Modellierung im Internet. Die Aufbereitung des Prozesskomplexes Bodenerosion seht im Mittelpunkt. Ein Überblick über Potentiale computergestützter Modellierung und Visualisierung zur Entwicklung webbasierter multimedialer Lehr-/Lernmaterialien in der Geographie leitet über zur Erarbeitung eines präskriptiven Ansatzes zur Konzeption interaktiver Lernaufgaben. Sie setzen sich zusammen aus einer Visualisierungskomponente, den Möglichkeiten zur Interaktion mit der Visualisierung und mindestens einer Aufgabenstellung. Vor allem in computerunterstützten Lehr-/Lernprozessen, die selbständiges Lernen erfordern, erweisen sie sich als wesentliches didaktisches Element, um sicherzustellen, dass sich Lernende aktiv und nicht nur rezeptiv mit Inhalten und Medien in der für erfolgreiche Lernprozesse erforderlichen Intensität auseinander setzen. Ausgehend von der Funktion des zu entwickelnden Lehr-/Lernangebotes und dem jeweiligen angestrebten Zielhorizont eines Lehr-/Lernelements werden Empfehlungen zur Konstruktion aufgabenorientierter mmL-Objekte vorgeschlagen. Exemplarisch wird die praktische Anwendung theoretisch begründeter Empfehlungen anhand von aufgabenorientierten mmL-Objekten (interaktiven Lernaufgaben) aufgezeigt und diskutiert, die im Rahmen des BMBF-Projektes „WEBGEO – Webbing von Geoprozessen für die Grundausbildung Physische Geographie“ und im Rahmen der Lehrveranstaltung „Erstellung von E-Learning-Modulen durch Studierende“ entwickelt wurden.
This study presents a comprehensive and critical assessment of the meteorological conditions and atmospheric flow during the Lagrangian-type "Hill Cap Cloud Thuringia 2010" experiment (HCCT-2010). HCCT-2010 was performed in September and October 2010 at Mt. Schmücke in the Thuringian forest, Germany, applying three measurements sites (upwind, in-cloud, downwind) to study physical and chemical aerosol-cloud-interactions. A Lagrangian-type hill cap cloud experiment requires suitable cloud and particularly connected airflow conditions, i.e. representative air masses at the different measurement sites. Therefore, the present study aimed at the identification of time periods during the 6-weeks duration of the campaign, where such conditions were fulfilled and which can be used in further data examinations.
The following topics were studied in detail: (i) the general synoptic weather situations including the mesoscale flow conditions by means of a classification of advected air masses and calculation of non-dimensional flow parameters (e.g. Froude number), (ii) local meteorological conditions, including synoptic front passages, the presence of orographic or frontal cloudiness, cloud base heights and vertical stratification, and (iii) local flow conditions by means of statistical analyses using the quasi-inert trace gas ozone and selected size bins of particle number size distributions as well as SF6 tracer experiments in the campaign area. A comprehensive analyses using statistical measures such as the COD (Coefficient Of Divergence) and cross-correlation have been carried out for the first time in the context of a Lagrangian-type hill cap cloud experiment. Suitable criteria for the aimed statistical analyses were thus developed and applied in the present study to characterise the local flow connectivity in detail.
The comprehensive examination resulted in a total of 14 so-called "Full Cloud Events" (FCE), which are shown to conform to the Lagrange-type experimental philosophy of HCCT-2010. In addition, 15 so-called "Non-Cloud Events" (NCEs) could be established, which can be used as reference cases as they provide similarly suitable flow conditions but no cloud at the summit site. Orographic cloudiness was identified for approx. one third of the FCE periods, while about two thirds were associated to synoptic fronts. The statistical flow analyses indicate the existence of a strong link between the sites during the events, particularly under constant south-westerly flow conditions, high wind speeds and slightly stable stratification. The COD analyses using continuously measured concentrations of ozone and the 49 nm diameter particle bin revealed particularly for COD values below 0.1 very consistent time series, i.e. closely linked air masses between the different sites. The cross-correlation analysis revealed under connected flow conditions typical overflow times of about 15 to 30 min between the two valley sites. Additionally, the performed SF6 tracer experiments during the campaign clearly demonstrate that under appropriate meteorological conditions a Lagrangian-type approach is valid and that the connected flow validation procedure developed in this work is suitable for identifying such conditions. Finally, an overall evaluation of the identified FCEs is presented, which provides the basis for subsequent investigations of the measured chemical and physical data during HCCT-2010.
The Altenberg–Teplice Volcanic Complex (ATVC) is a large ~ NNW–SSE trending volcano-plutonic system in the southern part of the Eastern Erzgebirge (northern Bohemian Massif, south-eastern Germany and northern Czech Republic). This study presents high precision U–Pb CA-ID-TIMS zircon ages for the pre-caldera volcano-sedimentary Schönfeld–Altenberg Complex and various rocks of the caldera stage: the Teplice rhyolite, the microgranite ring dyke, and the Sayda-Berggießhübel dyke swarm. These data revealed a prolonged time gap of ca. 7–8 Myr between the pre-caldera stage (Schönfeld–Altenberg Complex) and the climactic caldera stage. The volcanic rocks of the Schönfeld–Altenberg Complex represent the earliest volcanic activity in the Erzgebirge and central Europe at ca. 322 Ma. The subsequent Teplice rhyolite was formed during a relatively short time interval of only 1–2 Myr (314–313 Ma). During the same time interval (314–313 Ma), the microgranite ring dyke intruded at the rim of the caldera structure. In addition, one dyke of the Sayda-Berggiesshübel dyke swarm was dated at ca. 314 Ma, while another yielded a younger age (ca. 311 Ma). These data confirm the close genetic and temporal relationship of the Teplice rhyolite, the microgranite ring dyke, and (at least part of) the Sayda-Berggießhübel dyke swarm. Remarkably, the caldera formation in the south of the Eastern Erzgebirge (caldera stage of ATVC: 314–313 Ma) and that in the north (Tharandt Forest caldera: 314–312 Ma) occurred during the same time. These data document a large ~ 60 km NNW–SSE trending magmatic system in the whole Eastern Erzgebirge. For the first time, Hf-O-isotope zircon data was acquired on the ring dyke from the ATVC rocks to better characterize its possible sources. The homogeneous Hf-O-isotope zircon data from the microgranite ring dyke require preceding homogenization of basement rocks. Some small-scale melts that were produced during Variscan amphibolite-facies metamorphism show similar Hf-O-isotope characteristics and can therefore be considered as the most probable source for the microgranite ring dyke melt. In addition, a second source with low oxygen isotope ratios (e.g. basic rocks) probably contributed to the melt and possibly triggered the climactic eruption of the Teplice rhyolite as well as the crystal-rich intrusion of the ring dyke.
The sources and critical enrichment processes for granite related tin ores are still not well understood. The Erzgebirge represents one of the classical regions for tin mineralization. We investigated the four largest plutons from the Western Erzgebirge (Germany) for the geochemistry of bulk rocks and autocrystic zircons and relate this information to their intrusion ages. The source rocks of the Variscan granites were identified as high-grade metamorphic rocks based on the comparison of Hf-O isotope data on zircons, the abundance of xenocrystic zircon ages as well as Nd and Hf model ages. Among these rocks, restite is the most likely candidate for later Variscan melts. Based on the evolution with time, we could reconstruct enrichment factors for tin and tungsten starting from the protoliths (575 Ma) that were later converted to high-grade metamorphic rocks (340 Ma) and served as sources for the older biotite granites (323–318 Ma) and the tin granites (315–314 Ma). This evolution involved a continuous enrichment of both tin and tungsten with an enrichment factor of ~15 for tin and ~7 for tungsten compared to the upper continental crust (UCC). Ore level concentrations (>10–100 times enrichment) were achieved only in the greisen bodies and dykes by subsequent hydrothermal processes.
Es werden einige Aufschlüsse auf dem Sonnenkamp in der Gemeinde Beim, 5 km östlich Osnabrück, beschrieben. Sie lassen erkennen, daß der drenthestadiale Vorstoß des Osnabrücker Gletschers hier eine lokale West-Ost-Richtung hatte. Zugleich lassen sie das Oszillieren einer Eisrandlage vermuten, die mit der Geschiebe-Akkumulation am Gattberg in Verbindung steht.
Toward parametrization of precipitating shallow cumulus cloud organization via moisture variance
(2021)
The influence of the initial vertical moisture profile on precipitating shallow cumulus cloud organization in terms of the column-averaged moisture variance is investigated using large-eddy simulations. Five idealized simulations based on the Rain in Cumulus over the Ocean field experiment with different initial moisture profiles are investigated. All cases simulate precipitating shallow cumulus convection in a marine sub-tropical region under large-scale subsidence. The results show that the moisture variance is mainly generated through the interaction of the moisture flux and the moisture gradient in the gradient production term at the top of the boundary layer. The development is characterized by three regimes: initial, transition, and quasi-steady regime. During the initial regime, the moisture gradient is built up by moisture accumulation until precipitating convection starts. Within the transition regime, precipitation enables mesoscale cloud organization with enhanced convective activity and moisture fluxes. The moisture variance increases from the moist to the dry initial moisture profiles. In a following quasi-steady regime, the moisture variance is approximately preserved. Thereby, the initial moisture gradient between the average sub-cloud layer and the free atmosphere is found to be an important factor for the generation of the quasi-steady column-averaged moisture variance. The result suggests that a resolved-scale variable like the moisture gradient can be used to estimate the quasi-steady state conditions resulting from cloud organization. This finding may serve as a starting point for the parametrization of the subgrid scale cloud organization caused by precipitating shallow convection.
Upper mantle shear zones are complex systems where deformation is commonly closely interacting with metamorphic (solid-solid) and/or melt/fluid-rock reactions. Here, feedback processes between deformation, reactions, grain size reduction and phase mixing result in strain weakening and the localization of deformation. The expression of these interlinked processes is portrayed by the microfabrics of strained peridotites and pyroxenites. The present thesis is focusing on these processes and their impact on the deformation in three upper mantle shear zones situated in the peridotite massifs of Lanzo (Italian Alps), Erro-Tobbio (Italian Alps) and Ronda (Betic Cordillera, Spain). In all three shear zones, the presence of melt led to phase mixing either by interstitial crystallization of pyroxenes from a Si-saturated and partially also highly evolved melt or by melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts with a Si-undersaturated melt. The effect of melt on the localization of strain is twofold and variable. Enhanced deformation by melt-wetted boundaries is assumed for all shear zones. Additionally, phase mixing by crystallization of interstitial pyroxenes or melt-rock reactions reduce or maintain the grain size by the formation of fine grained neoblasts and secondary phase boundary pinning. In this regard, pre- to early syn-kinematic, map-scale percolation of OH-bearing, evolved melts in the NW Ronda peridotite massif and the associated crystallization of interstitial pyroxenes result in the activation of grain size sensitive deformation mechanisms in the entire melt-effected area. In the rocks collected at Erro-Tobbio, syn-kinematic melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts and Si-undersaturated melt led to the formation of ultramylonitic neoblast tails (grain size ~10 μm). Compared to the adjacent coarser-grained olivine-dominated matrix, the activation of diffusion creep led to an increase in the strain rate by an order of magnitude within interconnected ultramylonitic layers. Strain localization and softening in ultramylonitic layers are also documented in the Lanzo samples. Neoblast tails of pyroxene porphyroclasts were likewise identified as their precursor. The phase assemblage of the tails, including ortho- and clinopyroxene, olivine, plagioclase, and spinel (± amphibole), and their geochemical trends suggest, unlike in Erro-Tobbio, a formation by continuous net-transfer reactions enhanced by the spinel lherzolite to plagioclase lherzolite transition.
The new results obtained from the three studied shear zones underscore the importance of reactions for the interlinked processes of grain size reduction, phase mixing, strain localization and strain softening in upper mantle shear zones. Concerning strain localization, the nature of the reaction (solid-solid, melt/fluid-rock) seems to play a subordinate role compared to its timing. Pre- to early syn-kinematic melt-triggered reactions result in strain localization along map-scale shear zones. Late stage syn-kinematic melt-rock or metamorphic reactions under high stress conditions are capable of localizing the deformation along discrete, sub-centimeter thick ultramylonites.
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.
Bei Damme, Gehrde und Rieste, 30 km nordöstlich von Osnabrück, kommt ein marin-sedimentäres, stratiformes Eisenerzlager vor, das aus Brauneisenerz-Geröllen und mergelig-glaukonitischer Matrix besteht und meist 2-7 m mächtig ist. Dieses Erzlager tritt in fünf unterschiedlich großen, linsenförmigen Zonen auf, die in 70-400 m Tiefe unter Gelände auf den flach einfallenden Flügeln einer 35 km langen und 10km breiten Oberkreide-Mulde liegen. Es gehört stratigraphisch dem Oberen Unter-Campan an und transgrediert auf tonige Gesteine der Unterkreide. In seinem Hangenden liegen Sedimentgesteine des Ober-Campan, Tertiär und Quartär. Das Erzlager entstand als marine Seife durch Abtragung, Umlagerung und Oxidation von Siderit-Konkretionen aus den tonigen Gesteinen der Unterkreide im Liegenden und in der Umgebung des Erzvorkommens. Von 1944-1967 ist das Erzlager in der jetzt auflässigen Grube Damme abgebaut worden. Dort erzeugte man aus Roherz mit 30-32 % Fe und 0,6-0,7% P durch naßmechanische Aufbereitung ein Konzentrat (versandfertiges Produkt) mit 46-47 % Fe und 0,8% P, das im Ruhrgebiet verhüttet wurde. Insgesamt wurden rund 9,2 Mio. t Roherz gefördert und 5,1 Mio. t Konzentrat erzeugt. Die Grube Damme ist aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt worden. Das Erz ist gegenwärtig nicht abbauwürdig. Deshalb sind die Erzvorräte noch nicht vollständig erkundet.
This thesis presents microstructural investigations of rock salt from the central part of the Gorleben salt dome (Northern Germany). The main emphasis was to characterize the rock salt microfabrics, to identify operating deformation mechanisms in halite and anhydrite and to decipher the macro- and microstructural distribution of hydrocarbons, which have been encountered during the underground exploration of the salt dome. The microfabrics of the Knäuel- and the Streifensalz formation indicate that strain-induced grain boundary migration has been active during deformation of halite. Crystal plastic deformation of halite is further documented by lattice bending, subgrain formation and minor subgrain rotation. Evidence for pressure solution of halite has not been found, but cannot be excluded because of the small grain size, the lack of LPO and the low differential stress (1.1 - 1.3 MPa) as deduced from subgrain-size piezometry. Solution precipitation creep was proven for intercalated anhydrite layers and clusters, which have been deformed in the brittle-ductile regime. Brittle deformation of anhydrite in terms of boudinage and fracturing was counteracted by viscous creep of halite which caused a re-sealing of fractures and a reestablishing of the characteristic sealing capacity of rock salt. Hydrocarbons are mainly located along cross cut 1 West of the Gorleben exploration mine and are heterogeneously distributed in the rock salt. They are incorporated in the rock salt foliation in the form of streaks, dispersed clouds, clusters and isolated patches. On the micro-scale, hydrocarbons are trapped along grain boundaries of halite and/or anhydrite, in micro-capillary tubes of anhydrite and in pore space of the rare rock salt with elevated porosity (< 1.26 vol.-%). Such elevated porosities correlate with elevated hydrocarbon concentrations of several hundred ppm. The overall concentrations of hydrocarbons, however, are very low (< 0.05 wt.-%). Elevated porosity is depicted to be a remnant originating from an early stage of salt uplift when fluid and hydrocarbons have migrated and spread from the Staßfurt Karbonat (z2SK) into the superjacent Gorleben Hauptsalz. During halokinesis and the strong reworking of the salt body hydrocarbons have been redistributed and dismembered resulting in the isolated present-day occurrences. The distribution of hydrocarbons shows no relation to local variations in the rock salt fabric. The microstructures of hydrocarbon-bearing and hydrocarbon-free Gorleben rock salt are not distinguishable from each other. Likewise, the presence of hydrocarbons should not have influenced the mechanical behavior or the rock salt as indicated by the microfabrics studied and by geomechanical data. The pure amounts of hydrocarbons are too low for any detectable impact on the barrier properties of this part of rock salt. Although hydrocarbons have migrated into the Gorleben Hauptsalz during an early stage of salt uplift when the sealing capacity of rock salt was diminished, the major implication of their isolated distribution patterns is that the Gorleben rock salt was able to regain its sealing capacity during subsequent deformation and re-equilibration. Former migration pathways for fluid and hydrocarbons have been healed and do not exist anymore. The application of X-ray computed tomography (CT) allows the 3D visualization and quantification of anhydrite, pore space and fluid phases located along grain-boundaries or trapped as intracrystalline inclusions. The 3D reconstruction of anhydrite clusters and pore space for the same sample reveals different spatial distribution patterns. This fact implies that anhydrite is not responsible for such elevated pore space in the rock salt studied, which has been largely closed during the polyphase deformation history of the Gorleben salt dome. High-resolution nanoCT scans (≤ 1 μm voxel size) of single intra- and intercrystalline fluid inclusions in rock salt enable a characterization of gaseous, solid and liquid phases inside single fluid inclusions and give exact information on morphology and shape. The 3D reconstruction of grain boundary fluid inclusions allows the amount, volumes, surface areas or diameters of various types to be determined. Non-destructive X-ray CT imaging is presented as very useful tool to characterize the structural inventory of rock salt. This non-destructive technique offers new perspectives for microstructural studies and for a wide range of research in structural geology, in general.
[Nachruf] Arno Semmel
(2010)
Non-technical summary: There has been a long history of conflicts, studies, and debate over how to both protect rivers and develop them sustainably. With a pause in new developments caused by the global pandemic, anticipated further implementation of the Paris Agreement and high-level global climate and biodiversity meetings in 2021, now is an opportune moment to consider the current trajectory of development and policy options for reconciling dams with freshwater system health. Technical summary: We calculate potential loss of free-flowing rivers (FFRs) if proposed hydropower projects are built globally. Over 260,000 km of rivers, including Amazon, Congo, Irrawaddy, and Salween mainstem rivers, would lose free-flowing status if all dams were built. We propose a set of tested and proven solutions to navigate trade-offs associated with river conservation and dam development. These solution pathways are framed within the mitigation hierarchy and include (1) avoidance through either formal river protection or through exploration of alternative development options; (2) minimization of impacts through strategic or system-scale planning or re-regulation of downstream flows; (3) restoration of rivers through dam removal; and (4) mitigation of dam impacts through biodiversity offsets that include restoration and protection of FFRs. A series of examples illustrate how avoiding or reducing impacts on rivers is possible – particularly when implemented at a system scale – and can be achieved while maintaining or expanding benefits for climate resilience, water, food, and energy security. Social media summary: Policy solutions and development pathways exist to navigate trade-offs to meet climate resilience, water, food, and energy security goals while safeguarding FFRs.