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Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine 8,40 m lange Sedimentsequenz untersucht, die 2001 mittels Rammkernsonde im zentralen Beckenbereich des ehemaligen Salzigen Sees, Mansfelder Land, erbohrt wurde. Die Region des Mansfelder Landes bildet ein Bindeglied zwischen den paläolimnologisch bereits gut untersuchten Bereichen Ost- und Mitteleuropa. Ziel der Arbeit ist eine detaillierte und kontinuierliche Rekonstruktion der spätquartären Umweltgeschichte. Dabei lag der Schwerpunkt neben klimatischen Aspekten insbesondere auf Seespiegelschwankungen, Subrosionsprozessen und anthropogenen Einflüssen. Zur Rekonstruktion der Umweltgeschichte wurde ein multidiziplinärer Ansatz gewählt, der chronologische, sedimentologische, paläontologische sowie geo-, biogeo- und isotopengeochemische Methoden beinhaltete. Radiokohlenstoffdatierungen an terrestrischen und aquatischen Fossilresten sowie das Vorhandensein der Laacher See Tephra (LST) in der Sedimentsequenz belegen, dass die limnische Sedimentation im Becken des Salzigen Sees bereits vor mindestens 13800 cal. yr BP, d.h. während des Spätweichsels einsetzte. Somit begann die Seebildung fast 6000 Jahre früher als bisher angenommen. In der Frühphase der Seeentwicklung prägten klimatische Schwankungen die Sedimentation. Dabei kam es in den wärmeren Interstadialen (Bølling, Allerød) zu einer stärkeren Ausbreitung der Ostrakoden- und Molluskenfauna im See sowie zu einem Anstieg der Bioproduktion im See und seinem Einzugsgebiet. Dagegen waren die kälteren Stadiale (Älteste, Ältere, Jüngere Dryas) durch eine nur geringe Bioproduktion gekennzeichnet. Die Ausbreitung borealer Wälder und eine intensive Karbonatfällung im See während des Frühholozäns weisen auf eine generelle Klimaverbesserung hin. Gleichzeitig deutet eine Umstellung der limnischen Fauna auf einen sehr starken Anstieg des Salzgehaltes im See und damit auf verstärkte Auslaugungstätigkeit in der Region. Eine starke Zunahme der Organikgehaltes, der Rückgang des Karbonatgehaltes aufgrund von Rücklösung, sowie das Auftreten von laminierten Sedimenten während des Mittelholozäns zeigt eine weitere Klimaverbesserung, aber auch das Einstellen ein stabilen Schichtung im See an. Die aus palynologischen Untersuchungen bekannte Zunahme der Feuchtigkeit ab dem Mittelholozän bewirkte eine erneut verstärkte Auslaugung in der Region, aber auch eine erhöhte Aktivität der Zuflüsse. Dies führte zu einer mehrfachen Ausweitung der Wasserfläche des Salzigen Sees. Ein Rückgang der Organikgehalte im Sediment und die Isotopengehalte der Schnecken belegen, dass sich die Klimabedingungen zu Beginn des Spätholozäns verschlechterten. Das Auftreten meso- und oligohalophiler Ostrakoden und Veränderungen in der Biogechemie der Sedimente weisen auf insgesamt feuchtere Bedingungen hin. Der Anstieg der Korngrößen und ein verstärkter siliziklastischer Eintrag sowie die Erhöhung der Schwermetallgehalte ab dem frühen Mittelalter ist auf eine sehr starke Zunahme der Besiedlung in der Region und erhöhten anthropogenen Einfluss im Untersuchungsgebiet zurückzuführen.

Problem. More than ever, some of the biggest challenges to society involve governance of natural resources. From large-scale resource systems such as the rain forest and oceans to small-scale systems such as lakes or alpine pastures, cooperative efforts are required to ensure sustainable and yet productive use of natural resources. In Switzerland, the management of alpine pastures has for centuries been predominantly organized by local governance institutions, avoiding an overuse of the scarce resources. During the past decade, the use and maintenance of common property pastures (CPP) is declining, leading to land abandonment and forest regrowth. However, CPP provide significant services to the mountain regions, such as additional grazing grounds, assets for the tourism industry, protection from soil erosion, water run-off and landslides, and high biodiversity. These services are currently threatened by reduced use and maintenance of the CPP. Research Aims. The research presented herein aims for a better understanding of social-ecological interactions driving the use of CPP to provide policy recommendations for the sustainable governance of CPP. Methods. To generate a holistic understanding of the variables driving CPP use, this research used multiple methods to investigate CPP use in Grindelwald, Switzerland as a social-ecological system (SES). The research was structured in 4 modules. First, qualitative methods were applied to analyze institutional change in the governance of CPP. Second, regression models were built from survey data to better understand farmers’ land-use decision. Third, an analysis of the ecological system was conducted bases on land-cover statistics. Forth, a systems dynamics model of the local SES was built and combined with formative scenario analysis to investigate potential future developments of CPP use. Results. The outcomes of the different modules suggest that: First, local governance systems originally designed to prevent overuse of CPP are able to adapt to problems of declining use and maintenance of CPP by altering a set of rules. Second, farmers’ use of CPP depend on personal attributes, including farm size, norms, and dependence on the resource. Furthermore, the analysis suggests that high local demand and prices for alpine cheese are a central factor in the sustainable use of CPP. Third, the land-cover analysis showed that afforestation occurs in Grindelwald at a relatively moderate pace and defines the area most prone to afforestation and bush encroachment. Fourth, the simulation model allows for the display of complex social-ecological interactions, showing that afforestation tendencies are likely to continue, although at different pace depending on the scenario setting. Conclusion. This research provides a better understanding of CPP use through the analysis of the subsystem characterizing the SES. It showed how the general framework for analyzing social-ecological systems can be operationalized using a broad set of methods. It thereby contributed and advanced central themes within the study of the commons such as institutional analysis, users’ behavior in cooperative dilemmas, and modeling of SES. The integration of the findings from different modules into a simulation provided insights about the effects of different policies on the sustainability of the SES, and thereby demonstrated why particular policy blueprints will rather accelerate than counteract the problem of CPP abandonment.

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Biological carbonate hard tissues, such as the shell of the bivalve Mytilus edulis, are composites of biopolymers and minerals. M. edulis has two distinct layers, the outer layer consists of fibrous calcite and the inner layer is composed of nacreous aragonite. Close to the interface between nacreous aragonite and fibrous calcite, a 1-2 micrometer wide zone exists that consists of granular aragonite. Aragonite granules and tablets as well as calcite fibrous are embedded into matrix biopolymers. In order to understand the composite nature of these hard tissues, biomimetic experiments using hydrogels were carried out. Hydrogels are able to model biogenic matrix environments due to their ability to confine space and to determine diffusion rates, local concentrations and supersaturation of the solutes. Hydrogels have local crystallization microenvironment that is distinguished from that in solution by confinement of solutes in the hydrogel pores. However, hydorgels only mimic biological extracellular matrices to some extent as the hydrogel fiber organization lacks any order, unlike it is in the case of the cholesteric liquid phase, e. g. chitin. The hydrogel strength is adjustable by changing its solid content. It further increases local hydrogel fiber co-aligments that to some extent will mimic organic matrices in biological hard tissues. Different kinds of hydrogels were used to study calcite crystallization (silica, agarose, gelatin). As each hydrogel has different characteristics, hydrogels can act differently in promoting or inhibiting crystallization. Hydrogels have an ability to mechanically impede the growth of a crystal depending on the strength of the hydrogel. Gelatin hydrogel is a poly-peptide material derived from natural collagen through hydrolytic degradation. The hyrolitic degradation breaks the triple-helix structure of collagen into single-strand molecules. Gelatin contains both acidic and basic amino acids with isoelectric point values near ∼5 and with predominance of acidic moieties. Agarose hydrogel is a linear polysaccharide extracted from marine red algae. It consists of beta-1,3 linked D-galactose and alpha-1,4 linked 3,6-anhydro-alpha-L-galactose residues. Gelatin and agarose hydrogels are composed of a fibrous structure that have varying mesh void dimensions depending on the hydrogel solid content. Hydrogel with 2.5 wt % gelatin solid content exerts less pressure against the growing calcite crystal aggregate than a hydrogel with 10 wt % gelatin solid content. Silica hydrogel does not exert strong pressure against the growing calcite crystal aggregate due to its nature as it is composed of minute (less than 20 nm) sized spherical particles that do not appear to form a network. The hydrogel strength together with the growth rate of the crystal defines the amount of incorporated hydrogel into the growing calcite crystal aggregate such that a strong hydrogel will incorporate more gel into the calcite crystal than a weak hydrogel. Calcite grown in Mg-free silica hydrogels has a rhombohedral shape and is elongated on the c-axis. It grows as dumbbell-shaped aggregates in the presence of Mg. Silica hydrogel either Mg-free or Mg-bearing does not give a major influence on the co-orientation of the obtained crystal aggregate. Calcite grown in Mg-free agarose has two morphologies: rhombohedron-shaped calcite crystals and calcite radial aggregates. Calcite grown in Mg-bearing agarose has sheaf-like and peanut like morphologies. The presence of Mg in agarose influences the co-orientation of calcite crystals within calcite Mg-bearing agarose composites. The calcite/Mg-free agarose composite has several large crystal subunits while the calcite/Mg-bearing agarose composite shows a spherulitic microstructure. In the case of gelatin hydrogel, the precipitate consists of calcite aggregates that have a variety of features i.e. the formation of mosaic crystals and mesocrystal-like subunits in one aggregate, the formation of aggregates with a fan-like distribution of the c-axis orientation and the formation of spherulitic aggregates. The formation of aggregates with different characteristic in the subunits can be explained as a result of a combination between local differences in gelatin matrix arrangement and physicochemical conditions such as the change in Mg/Ca ratio, pH, saturation, etc. The development of a fan-like distribution of the c-axes orientation in the calcite aggregate subunits can be explained as a result of Mg intrasectorial zoning. A different degree of Mg incorporation in different growth steps will accumulate misfit strain in the lattice. This misfit strain could be released through the formation of dislocations at regular intervals, such that small-angle boundaries develop. This growth further leads to the extreme split growth and the formation of fan-like and spherulitic crystal aggregates. The etching experiments of calcite/hydrogel composites reveal the structure of the incorporated hydrogel within the calcite crystals and aggregates. In the case of Mg-bearing silica hydrogel more silica hydrogel is incorporated into the calcite crystal than in the case of Mg-free silica hydrogel. Thick hydrogel membranes are observed when Mg-free gelatin and agarose hydrogels are used. These membranes do not occur when Mg is present. The formation of these membranes in Mg-free gelatin and agarose hydrogels is a result of an accumulation of the hydrogel fibers that are driven back by growing crystals or aggregates. The stiffness of the gelatin and agarose hydrogel fibers increase as Mg is added into the hydrogel. The hydrogel becomes stiffer and exerts more pressure against the growing aggregates. No hydrogel membranes are observed in aggregates grown in Mg-bearing gelatin and in agarose hydrogels. On the basis of biopolymer and mineral composites, gypsum (CaSO4)/cellulose fiber composites were prepared. The purpose of the addition of cellulose fiber to gypsum was to create a composite with a high ecological value and interesting mechanical properties such as high Young’s modulus, high bending strength and high compression strength. The cellulose fiber affects the mechanical property of the composites depending on the fiber characteristics, e.g. the nature of the cellulose (natural or synthetic), water retention value, degree of swelling, etc. Lyocell fiber, a synthetic fiber, is found to be able to increase the Young’s modulus of the final composite.

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Alfred Wegener seine allgemein bekannte Rekonstruktion der Kontinente, indem er die Fragmente kontinentaler Kruste durch Schließung der großen Ozeane entlang ihrer heutigen Küstenlinien zusammenfügte, so dass alle Kontinente zu einer Landmasse vereint waren. Den resultierenden Superkontinent nannte er "Pangäa" (Wegener, 1920). In dieser Rekonstruktion liegen sich Nord- und Südamerika gegenüber und Nordwestafrika grenzt an die Südostküste Nordamerikas. Lange Zeit nahm man an, dass die Paläogeographie dieses Superkontinents sich im Laufe seiner Existenz nicht bedeutend verändert hat, sondern dass die Kontinente sich im Jura im Wesentlichen aus der gleichen Konfiguration heraus voneinander gelöst haben, zu der sie sich ursprünglich im Paläozoikum zusammengefunden hatten. In der Tat gibt es vielfältige geologische, paläontologische und geophysikalische Hinweise dafür, dass Wegeners Pangäa-Konfiguration von der späten Trias bis in den frühen Jura Bestand hatte. In den späten Fünfzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelte sich mit der Paläomagnetik eine Methode, die es ermöglicht, die Bewegungen der Kontinente über das Alter des ältesten bekannten Ozeanbodens hinaus zu rekonstruieren. Aufgrund des Dipolcharakters des Erdmagnetfeldes gilt das jedoch nur für die Rekonstruktion von paläogeographischen Breitenlagen, die Lage bezüglich der Längengrade kann mit Hilfe des Erdmagnetfeldes nicht eindeutig bestimmt werden. Eine nicht unerhebliche Anzahl paläomagnetischer Studien hat gezeigt, dass Wegeners Pangäarekonstruktion, auch Pangäa A genannt, mit globalen paläomagnetischen Daten in prä-triassischer Zeit nicht kompatibel ist. Zwingt man die Nord- und Südkontinente Pangäas, Laurasia und Gondwana für diese Zeit in die Pangäa A Konfiguration, so ergibt die auf paläomagnetischen Daten basierende paläogeographische Rekonstruktion ein signifikantes Überlappen kontinentaler Krustenanteile (siehe z. B. Van der Voo (1993); Muttoni et al. (1996, 2003) und darin zitierte Werke). Ein solches Überlappen lässt sich jedoch mit grundlegenden geologischen Prinzipien nicht vereinen. Im Lauf der Jahrzehnte wurden vielfältige alternative prä-triassische paläogeographische Pangäarekonstruktionen erstellt, die im Einklang mit den paläomagnetischen Daten sind. Der Hauptunterschied im Vergleich dieser Rekonstruktionen zur klassischen Pangäa A Konfiguration liegt in der Lage der Südkontinente relativ zu den Nordkontinenten. Um den kontinentalen Überlapp zu vermeiden, werden die Südkontinente unter Beibehaltung ihrer Breitenlage um ca. 30 Längengrade relativ zu den Nordkontinenten weiter im Osten platziert, so dass Nordwestafrika gegenüber Europa zu liegen kommt (Pangäa B, Irving (1977)). Da - wie erwähnt - der Dipolcharakter des Erdmagnetfeldes keine Aussagen über die Position der Kontinente bezüglich der Längengrade zulässt, ist dies mit den paläomagnetischen Daten vereinbar. Die alternativen Konfigurationen müssen jedoch alle vor dem Auseinanderbrechen Pangäas im Jura wieder in die für diesen Zeitraum allgemein akzeptierte Wegener-Konfiguration zurückgeführt werden. Dies geschieht - wiederum im Einklang mit den paläomagnetischen Daten - unter Beibehaltung der Breitenlage der Kontinente entlang einer postulierten kontinentalen dextralen Scherzone. Der Versatz von 2000 bis 3000 km fand laut Muttoni et al. (2003) in einem Zeitraum von ca. 20 Ma im frühen Perm statt. Dadurch ergibt sich eine entsprechend hohe Versatzrate von 10 bis 15 cm/a. Diese Arbeit befasst sich im Rahmen mehrerer paläomagnetischer Studien mit der Suche nach dieser großen Scherzone, deren Existenz seit Jahrzehnten umstritten ist. Der große Versatz wurde vermutlich von mehreren Störungssegmenten aufgenommen, die eine mehrere hundert Kilometer breite diffuse und segmentierte Scherzone bildeten. Paläogeographische Rekonstruktionen legen nahe, dass die Scherzone unter Anderem den Bereich des heutigen Mittelmeerraumes umfasst hat (Arthaud and Matte, 1977). Die Tizi-N'-Test-Verwerfung und ihre westliche Fortsetzung, die Süd-Atlas-Störung, sowie Verwerfungen entlang der nördlichen Pyrenäen und innerhalb des Armorikanischen Massivs (Bretagne) bilden demnach die Hauptblattverschiebungssysteme, die die Scherzone begrenzen. Krustenblöcke, die in entsprechend großen Störungssystemen liegen, können um vertikale Achsen rotieren (Nelson and Jones (1987) und darin zitierte Werke). Diese Rotationen können mit Hilfe der Paläomagnetik quantifiziert werden. Kapitel 1 leitet in die vorstehend beschriebene Problematik ausführlich ein und beleuchtet insbesondere die einzelnen Abschnitte dieser Arbeit. Somit wird deutlich, wie die Ergebnisse der Studien, aus denen sich die vorliegende Arbeit zusammensetzt, aufeinander aufbauen und einen konsistenten Lösungsansatz für die eingangs beschriebene Diskrepanz zwischen den Polwanderkurven Laurasias und Gondwanas entwickeln. Kapitel 2 beschreibt eine paläomagnetische Studie, die im Toulon-Cuers Becken, Südfrankreich durchgeführt wurde. Das Toulon-Cuers Becken entstand während einer Phase der Extension im südlichen variszischen Gürtel Europas, und ist sukzessive mit Sedimenten verfüllt worden. Außer mächtigen permo-triassischen Sedimentpaketen finden sich hier auch Laven und Pyroklastika als Produkte eines extensionsgetriggerten Vulkanismus, die ebenfalls Gegenstand der hier durchgeführten Studie sind. Die Ergebnisse der Untersuchungen können sehr gut mit bereits vorhandenen Literaturdaten in Einklang gebracht werden und zeigen, dass es zur fraglichen Zeit durchaus Bewegungen zwischen klar definierten Krustenblöcken gab, die Zeugen einer generellen Mobilität der Kruste in diesem Bereich sind. Es handelt sich hierbei um Blockrotationen um vertikale Achsen, so wie sie im Spannungsfeld einer kontinentalen Transformstörung zu erwarten sind. Dabei werden Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn dokumentiert, woraus eine komplexe Geometrie und Anordnung der Krustenblöcke abgeleitet werden kann. Hieraus wird ein tektonisches Modell entwickelt, welches mit gängigen Modellen (siehe McKenzie and Jackson (1983) in Nelson and Jones (1987)) in Einklang gebracht wird. Die triassischen paläomagnetischen Daten aus dem Gebiet belegen im Gegensatz dazu keine Rotationen und legen daher den Schluss nahe, dass die Krustenmobilität in dem Bereich zu Beginn des Mesozoikums zum Erliegen gekommen war. Somit belegt diese Studie deutlich, dass es im von Muttoni et al. (2003) postulierten zeitlichen Rahmen Hinweise für eine generelle Mobilität innerhalb Pangäas gibt. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde die folgende Studie an magmatischen Ganggesteinen ("Dykes") in Sardinien (Italien) durchgeführt, um die laterale räumliche Dimension der Scherzone besser abschätzen zu können. Kapitel 3 stellt die Ergebnisse dieser Studie vor. Die Dykes treten schwarmförmig auf und sind in einem Zeitraum zwischen 298 ± 5Ma und 270 ± 10Ma in den Korsika-Sardinien-Batholith intrudiert (Atzori and Traversa, 1986; Vaccaro et al., 1991; Atzori et al., 2000). Zusätzlich zu den Rotationen, die auch hier mittels paläomagnetischer Daten nachgewiesen werden konnten, gibt die Orientierung der einzelnen Dykeschwärme Aufschluss über das tektonische Spannungsfeld, das während der Platznahme der Dykes vorherrschte. Diese kombinierten Ergebnisse bestätigen und ergänzen die Ergebnisse der vorhergehenden Studie in Südfrankreich. Ergänzend zu den Untersuchungen an den Ganggesteinen Sardiniens werden Daten von permischen Sedimenten und Vulkaniten präsentiert, die in verschiedenen Regionen Sardiniens beprobt wurden (Kapitel 4). Die paläomagnetischen Daten belegen, dass Sardinien in mindestens zwei Krustensegmente zerlegt war, welche relativ zueinander und auch relativ zur europäischen Polwanderkurve rotiert sind. Auch hier wiederholt sich das Muster von Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn. In dieser Studie werden die Ergebnisse aus den vorangehenden Kapiteln sowie aus der weiterführenden Literatur zusammengefasst, so dass ein zeitlich und räumlich verfeinertes Bild der Krustenblöcke im westlichen Mittelmeerraum zur Zeit des frühen Perm entsteht. Durch die verbesserte Definition der Geometrie der einzelnen Blöcke kann das in Kapitel 2 beschriebene tektonische Modell bestätigt werden. Kapitel 5 befasst sich abschließend mit dem zeitlichen Rahmen der Aktivität entlang der fraglichen Scherzone. Ausgehend von der Annahme, dass sich die Kontinente im Jura bereits in einer Pangäa A Konfiguration befunden haben, sollten die paläomagnetischen Daten von jurassischen Gesteinen keine Hinweise auf Scherbewegungen geben. Hierzu wird eine Studie an jurassischen Sedimenten Sardiniens vorgestellt. Die paläomagnetischen Daten der untersuchten Krustensegmente belegen, dass es in post-jurassischer Zeit in Sardinien keine Blockrotationen der einzelnen Segmente relativ zueinander gab und Sardinien somit ab jener Zeit als tektonisch einheitlicher Block behandelt werden muss. Des Weiteren zeigen die paläomagnetischen Pole, die aus den paläomagnetischen Richtungen für eine Referenzlokalität berechnet wurden, keine signifikante Abweichung von der Polwanderkurve des europäischen Kontinents nach Besse and Courtillot (2002). Diese Kohärenz der paläomagnetischen Daten bestätigt die weithin akzeptierte Beobachtung, dass sich Pangäa zur Zeit des Jura bereits in der Wegener Konfiguration (Pangäa A) befunden hat und untermauert die Aussagekraft paläomagnetischer Studien in diesem Zusammenhang. Zugleich kann anhand dieser Daten ausgeschlossen werden, dass die alpidische Orogenese die Ursache für bedeutende Krustenblockrotationen in dieser Region gebildet hat. Die Ergebnisse der oben genannten Studien werden in dieser Arbeit zusammengeführt. Im Verbund mit Daten aus der Literatur untermauern sie, dass es zwischen dem frühen Perm und der frühen Trias entlang eines ausgedehnten Gürtels, der mindestens vom französischen Zentralmassiv über Südfrankreich bis nach Korsika- Sardinien reichte, bedeutende Krustenbewegungen in Form von Blockrotationen innerhalb Pangäas gab. Die vorliegende Synthese schafft somit ein konsistentes Bild der generellen Krustenmobilität zwischen den nördlichen Teilen Pangäas (Laurasia) und den Südkontinenten (Gondwana). Der durch die präsentierten Studien abgesteckte zeitliche Rahmen korreliert mit den Abschätzungen von Muttoni et al. (2003) zur Transformation zwischen verschiedenen Pangäakonfigurationen. Diese Arbeit bestätigt außerdem, dass das mittlere Perm eine Zeit großräumiger Reorganisation der kontinentalen Platten war, die von anhaltender magmatischer Aktivität begleitet war (Deroin and Bonin, 2003; Isozaki, 2009). Anhand der hier vorgestellten neuen Daten in Kombination mit bereits bekannten paläomagnetischen Daten aus der Region ergibt sich ein klares Muster von Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn von einzelnen störungsbegrenzten Krustenblöcken. Diese Arbeit belegt, dass die Paläomagnetik ein hervorragendes Instrument zur Quantifizierung jener Krustenblockrotationen ist, die oftmals die einzigen verbleibenden Indizien für ehemals großräumige Scherzonen bieten, nachdem die Störungen selbst aufgrund vielfältiger Prozesse nicht mehr aufgeschlossen sind (Umhoefer, 2000). Die tektonischen Modelle von McKenzie and Jackson (1983) in der Interpretation nach Nelson and Jones (1987) werden als Erklärungsgrundlage für die beobachteten Rotationen herangezogen und erweitert.