Identification of active seismogenic faults in low-strain intraplate regions is a major challenge. The understanding of intraplate earthquakes is hampered by the spatiotemporal scattering of large earthquakes and by barely detectable strain accumulation. In populated humid regions, both hillslope and anthropogenic processes are important challenges to the recognition of potentially active faults. The Lower Rhine Graben is the NW segment of the European Cenozoic Rift System. It is a prime example of a seismically active low-strain rift situated in a humid and densely populated region. The approximate location of potentially active fault segments in this region is well known, but knowledge of the recurrence of large earthquakes and of the dominant fault slip mode is still rudimentary. The current debate ranges from slip dominated by repeated large earthquakes to slip dominated by aseismic creep. The purpose of this thesis is to determine whether the Lower Rhine Graben is an exception to the usually observed deformational behaviour of the upper crust, whereby active faults fail by brittle behaviour. The thesis addresses the Holocene, historical and present-day tectonic activity of the Lower Rhine Graben. It examines the signs of coseismic deformation in the geological record, and the surface expression of active fault segments. I analyzed high-resolution LiDAR terrain models of segments of the Erft and Wissersheimer faults, in order to understand the preservation potential of active fault scarps in populated, humid settings. Results of the LiDAR analysis illustrate that the central part of the Lower Rhine Graben is characterized by severe degradation and modification of suspected seismogenic structures. Degradation is due to fluvial erosion, hillslope processes and anthropogenic overprint. This analysis shows, also for the first time, the severity of surface modification of the region resulting from aerial bombing during World War II. A large trench excavation at the Schafberg fault in Holocene sediments yielded a broadly distributed fault zone with a peculiar abundance of fractured clasts. A particular question at this site is whether or not the fault ruptured in the 1756 AD Düren event. The excavation reveals the first evidence of historical seismogenic faulting in the Lower Rhine Graben. Coseismic deformation at this site is expressed by a net vertical displacement of 1 ± 0.2 m and complex gravel fracturing. Analysis of the faulted strata and radiocarbon ages of event horizons reveal evidence of at least one, possibly two coseismic events since the Holocene. The youngest of them overlaps with the 1756 AD Düren earthquake. The complex deformation pattern in the trench included a range of features such as liquefaction, rotated, and fractured clasts in the fault zone. I developed a new analysis technique based on “fractured-clasts”, which allows insight into coseismic rupture and fracture processes in unconsolidated gravel deposits. Results of this paleoseismic study show that faults in the Lower Rhine Graben do not move dominantly by aseismic creep. They further support the observation that faults in low-strain intraplate rifts can produce large surface-breaking earthquakes. The results of this thesis further imply that specific patterns of fractured clasts in fault zones may be a detector of coseismic rupture, and could in principle be used to calculate the energy involved in the rupture process. / In der Erdbebengeologie stellt die Identifizierung und Charakterisierung von seismogenen Strukturen in Intraplattenregionen mit niedrigen Deformationsraten eine große Herausforderung dar. Die stark variable, räumliche und zeitliche Verteilung von großen Erdbeben sowie kaum mit geodätischen Messmethoden erfassbare Verformungsraten erschweren das Verständnis von Intraplattenbeben. In dicht besiedelten, humiden Gebieten sind potenziell aktive Störungen noch schwerer zu erkennen, da diese, durch Hangprozesse und anthropogene Überprägung, intensiven Veränderungen unterworfen sind. Die Niederrheinische Bucht, das nordwestliche Segment des Europäischen Känozoischen Graben Systems, ist ein erstklassiges Beispiel für ein seismisch aktives Intraplattenrift in einem humiden und dicht besiedelten Gebiet. Obwohl die Lokationen potenziell aktiver Störungen bekannt sind, ist die Kenntnis bezüglich der Rekurrenzintervalle von großen Erdbeben sowie der Art der Störungsbewegungen nach wie vor rudimentär. Die derzeitige Debatte reicht von Störungsbewegungen durch starke Erdbeben, bis hin zu aseismischem Kriechen. Ziel dieser Arbeit ist es zu klären, ob der Niederrheingraben eine Ausnahme in Bezug auf das grundsätzlich beobachtete Deformationsverhalten der oberen Kruste darstellt, wo aktive Störungen durch sprödes Bruchverhalten charakterisiert sind. Hierbei befasst sich die Studie mit der Holozänen, historischen und heutigen tektonischen Aktivität des Niederrheingrabens und legt den Fokus auf die Erforschung koseismischer Prägung der Geologie sowie der Oberflächenexpression potenziell aktiver Störungen. Es wurden hochauflösende LiDAR-Geländemodelle an Segmenten der Erft- und Wissersheimer Störung in der zentralen Niederrheinischen Bucht untersucht, um das Erhaltungspotenzial aktiver Störungen in besiedelten, humiden Gebieten zu charakerisieren. Die Ergebnisse der LiDAR-Analyse offenbaren, dass seismogene Strukturen im zentralen Teil des Niederrheingrabens starker Degradation und Modifikation unterworfen sind. Hauptursachen hierfür sind fluviatile Erosion, Hangprozesse, sowie anthropogene Überprägung. In dieser Analyse konnte zudem erstmals die Schwere der Oberflächenveränderung in der Region, ausgelöst durch Fliegerbomben aus dem Zweiten Weltkrieg, dargestellt werden. In einer groß angelegten Schürfgrabenanalyse in Holozänen Sedimenten an der Schafbergstörung, wurde eine breite Deformationszone, die eine auffallend große Anzahl zerbrochener Klasten enthielt, freigelegt. Insbesondere ist es wichtig zu klären, ob diese Störung während des Dürener Bebens von 1756 AD gebrochen ist. Die Ergebnisse der Schürfgrabenanalysen an der Schafbergstörung liefern den ersten Beweis dafür, dass Erdbeben im Niederrheingraben in historischer Zeit die Oberfläche gebrochen haben. An diesem Störungssegment äußert sich die koseismische Deformation durch einen Gesamtversatz von 1 ± 0.2 m und komplexem verbreitetem Brechen von Klasten. Die Analyse mit-verworfener Schichten sowie Radiokarbondatierungen von Ereignishorizonten beweisen mindestens ein, möglicherweise zwei Holozäne koseismische Ereignisse. Das Jüngste der Beiden deckt sich hierbei mit dem Dürener Beben von 1756 AD. In der im Schürfgraben freigelegten Störungszone wurden komplexe Deformationsmuster wie Liquefaktion sowie rotierte und gebrochene Klasten dokumentiert. Basierend auf den gebrochenen Klasten habe ich in meiner Arbeit eine neue Analysetechnik entwickelt, die es ermöglicht, detaillierte Einblicke in koseismische Bruchprozesse in unverfestigten Geröllen zu erhalten. Die Ergebnisse dieser paläoseismologischen Studie weisen darauf hin, dass Störungen im Niederrheingraben nicht aseismisch kriechen. Darüber hinaus festigen sie die Beobachtung, dass Störungen in Intraplattenrifts mit niedrigen Deformationsraten, in der Lage sind, große Erdbeben mit Oberflächenruptur zu erzeugen. Die Daten dieser Studie zeigen des Weiteren, dass spezifische Muster gebrochener Klasten in Störungszonen ein möglicher Detektor koseismischer Rupturen sein können und demzufolge zur Energieberechnung des Rupturprozesses genutzt werden können.

Die Dissertation untersucht die Einsatzmöglichkeiten von Data Mining und Machine Learning in der Entwicklung empirischer Modelle für See-Ökosysteme. Am Beispiel des Ammersees werden hierzu ein Modell zur Berechnung der Wasseroberflächentemperatur aus Lufttemperaturdaten, ein Modell zur Bestimmung der Zirkulationsverhältnisse im Winter sowie ein Modell für den Stoffhaushalt vorgestellt. Anhand dieser Modelle wird unter Verwendung von REMO-UBA-Klimadaten die Entwicklung des Ammersees bis 2050 simuliert.

The two main subjects of this thesis are the realization of supramolecular self-assembled monolayers at surfaces and the formation of surface-supported two-dimensional covalent organic frameworks. Both topics, albeit different, yield long-range ordered open-pore networks with quite different stabilities, depending on the strength and type of bonds holding them together. The surface of choice is mainly graphite, which is considered an inert substrate. Graphite yields pristine clean, very large and flat surfaces when cleaved, facilitating the observation in real space of the molecular networks adsorbed on these surfaces by means of the Scanning Tunneling Microscope (STM). STM is the main experimental technique used here. It was used to image mostly at the liquid-solid interface under ambient conditions. Using a large tricarboxylic acid adsorbate, long-range order supramolecular self-assembled monolayers were obtained. These monolayers are formed via a delicate interaction balance between adsorbates, substrate, and solvent molecules. Weak van der Waal forces mediate the adsorbate-substrate interaction; hydrogen bonds, the adsorbate-adsorbate interaction. Also, depending on the solvent used and the concentration of adsorbates dissolved in it, different polymorphs are found on the substrate. To understand the nucleation and growth mechanism that give rise to the different self-assembled monolayers, thermodynamical considerations are used. Enthalpic and entropic contributions are evaluated for several of the polymorphs found, explaining their occurance on the basis of the Gibbs free energy per unit area. However, even if this work sheds some light on supramolecular self-assembly, adding also that much research has been done in this field, it is still very difficult to know a priori how adsorbates will behave on a substrate. Thus predictions of which patterns will ultimately arise are hampered. To realize structures that are more stable than those formed via supramolecular self-assembly, several strategies have been proposed. Covalent bond formation is one of them, yielding strong and lightweight structures by using organic molecules composed primarily of light elements. The strength of covalent bonds ranges from strong to very strong, when compared to van der Waals and hydrogen bonds. This characteristic makes correction of possible structural errors difficult to almost impossible. However, when molecules with suitable functional groups are allowed to react under reversible conditions, error correction of covalent bonds becomes feasible, yielding regular structures with the energetically most favorable configurations. In this thesis, this is exemplified with the small 1,4-benzenediboronic acid molecules, yielding monolayers composed of very regular, long-range ordered covalent organic frameworks on graphite. Thermal stability is probed by exposing the structures to relatively high temperatures for prolonged times under atmospheric conditions. Further experiments with larger para-diboronic acids, under similar reversible conditions, yield the expected isotopological regular frameworks with larger unit cell parameters. This demonstrates the proof of principle for the formation of two-dimensional covalent organic frameworks. These two main topics, supramolecular self-assembly and covalent bond formation on surfaces, constitute the basis of this thesis. It is organized as follows: A first part deals with the theoretical background of the main analytical instruments used in this work. Then, the thermodynamics of supramolecular self-assembly is presented, along with the studies of the different polymorphs found using a large tricarboxylic acid as building block. The final part deals with the formation of two-dimensional, long-range ordered covalent organic frameworks, made from organic molecules composed only of light elements. This work show that these last mentioned networks exhibit higher thermal stabilities when compared to self-assembled monolayers held together mainly by strong hydrogen bonds. The viability of larger heteromeric isotopological networks is also explored.

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In recent years, high-resolution topographic images from Mars’ surface as well as mineralogical and chemical data, have rapidly become more accessible. Martian volcanic landforms are characterized by giant low slope shield volcanoes, abundant lava flood plains and long lava flows. In-situ rock analysis and remote sensing spectroscopy reveal mainly basaltic compositions with particularly high iron concentrations, distinct from terrestrial basalts. As yet, very little is known about the rheological properties of such iron-rich Martian magmas that are essential to understand magmatic processes. Understanding the chemical and physical contributions to lava rheology is fundamental to provide constraints on magma ascent and lava flow emplacement that shaped the volcanic landforms on Mars. This study provides an experimental investigation of the rheological properties of Martian lavas and discusses the diversity of compositions in terms of lava viscosity / flow morphology relationship. The effect of iron, and its redox state on silicate melt viscosity is experimentally investigated and the viscosities of five synthetic silicate liquids having compositions representative of the diversity of Martian volcanic rocks were measured under controlled ambient oxygen fugacity. The results highlight the low viscosity of the iron-rich Martian melts that is consistent with viscosity values derived from morphological observations. A solidified lava flow on Earth was studied by combining analyses of remote sensing images (as commonly done on Mars), as well as experimental investigations of the rheological properties of the sampled rocks, in order to describe the viscous behavior of lava as emplacement, cooling, and crystallization occur. We show that a cooling-limited basaltic flow seemingly stop flowing when it reaches a critical viscosity value that is function of crystals content and shapes. As a result, the lava apparent viscosity appears to be largely influenced by the details of the crystallization sequence and is not uniquely and simply related to the bulk chemical composition of the erupted material. Variation of the chemical evolution of Martian primary mantle melts through the volcanic history is not large to produce an significant shift of the viscosity range that could be observed them from their morphologies. Low apparent viscosities inferred from lava flow morphology on Mars may in turn be attributed to lavas with primary mantle melt composition crystallizing high proportion of olivine and possibly forming spinifex textures. Higher viscosity values derived from the morphology are compatible with mildly alkaline or trachybasalts and do not necessarily imply the occurrence of silica-rich lavas. / Über die letzten Jahre sind hochauflösende topographische Bilder der Oberfläche des Mars, sowie chemische und mineralogische Daten der Marsgesteine zunehmend verfüg- bar geworden. Die vulkanischen Formationen des Mars beinhalten gigantische Schild- vulkane flacher Ausprägung, grosse Flutbasaltebenen und weitfliessende Lavaströme. In- situ Analysen der Mars Gesteine und “Remote Sensing Spectroscopy“ zeigen grösstenteils basaltische Zusammensetzungen, jedoch mit besonders hohem Eisengehalt, der Mars- gesteine von terrestrischen Proben unterscheidet. Bis dato sind die rheologischen Eigen- schaften dieser eisen-reichen Mars Magmen wenig erforscht. Das Verständnis der physiko- chemischen Parameter, die die Lava Rheologie beeinflussen, ist jedoch fundamental, um Magmaaufstieg und die Ablagerung von Lavaströmen auf dem Mars zu verstehen. In dieser Studie wurden die rheologischen Eigenschaften marsianischer Laven experi- mentell untersucht und die Variabilität der natürlich vorkommenden Zusammensetzungen in Beziehung zu Lava-Viskosität und Lava-Morphologie gesetzt. Der Effekt von Eisen und seines Redox Zustandes auf die Viskosität von Silikatschmelzen wurde experimentell untersucht. Unter kontrollierten Sauerstofffugazitäten wurden die Viskositäten von fünf synthetischen Silikatschmelzen untersucht, deren Zusammensetzun- gen repräsentativ für die Spannbreite der Zusammensetzungen der vulkanischen Gesteine des Mars ist. Die niedrige Viskosität der eisenreichen, marsähnlichen Schmelzen ist kon- sistent mit den Viskositätswerten, die durch morphologische Analysen bestimmt wurden. Als terrestrisches Analog wurde ein erkalteter Lavastrom mit Hilfe von fernerkundlichen Bildern, die in der gleichen Weise für Mars angewendet werden, sowie Messungen der Rheologie an Gesteinsproben dieser Lava untersucht, um Änderungen in der Viskosität während der Ablagerung, des Abkühlens und der Kristallisation zu charakterisieren. Laut unserer Ergebnisse wird ein durch Abkühlen limitierter basaltischer Lavastrom aufgrund von erhöhtem Kristallgehalt und als Funktion von Kristallhabitus gestoppt. Die appar- ente Viskosität scheint daher grösstenteils von der Kinetik der Kristallisatiosnsequenz beeinflusst und weniger von der Gesamtzusammensetzung des eruptierten Materials. Als Folge hätte die Variabilität in der Zusammensetzung der primären, marsianischen Man- telschmelzen über die vulkanische Historie keinen signifikanten Effekt auf die apparente Viskosität, die durch Lava-Morphologie-Analysen bestimmt wird. Niedrige apparente Viskositäten aus diesen Morphologie-Analysen erklären sich dadurch hauptsächlich als Folge von primären Mantelschmelzen, die einen hohen Anteil von Olivin kristallisieren und möglicherweise Spinifex Texturen ausbilden. Wenn Morphologieanalysen höhere Viskositäten ausgeben ist dies kompatibel mit schwach alkalinen Basalten oder Trachy- basalten, bedeutet jedoch nicht notwendigerweise das Vorkommen felsischer Laven. / Ces dernières années, des nouvelles données satellites de la surface de Mars de haute résolution (topographiques ainsi que minéralogiques et chimiques), sont devenues accessi- bles à la communauté scientifique. Sur Mars, les paysages volcaniques sont caractérisés par des volcans boucliers géants à pentes faibles, des plaines de lave et des longues coulées de lave. L’analyse des roches in situ et par spectroscopie orbitale révèlent que la composition des roches est essentiellement basaltique contenant une quantité de Fer particulièrement élevée, clairement distincte des basaltes terrestres. À ce jour, les propriétés rhéologiques des magmas martiens riches en Fer, qui sont essentielles pour comprendre les processus magmatiques, n’ont pas été étudiées en détails. Définir comment la teneur en Fer con- trôle la rhéologie des laves est fondamental pour comprendre l’ascension des magmas et interpréter la mise en place des coulées de lave qui façonnent les paysages volcaniques sur Mars. Cette thèse fournit une étude expérimentale des propriétés rhéologiques des laves martiennes et discute de la diversité des compositions en termes de relation entre viscosité et morphologie des coulées. L’effet du Fer et son état d’oxydo-réduction sur la viscosité des liquides silicatés sont étudiés expérimentalement et les viscosités de cinq laves ayant des compositions représen- tatives de la diversité des roches volcaniques martiennes ont été mesurées en fonction de la température. Les résultats mettent en évidence la faible viscosité de ces liquides martiens riches en fer, ce qui est compatible avec la viscosité déduite des observations morphologiques. Afin de décrire le comportement visqueux d’une coulée de lave pendant sa mise en place (refroidissement et cristallisation), une coulée terrestre a été étudiée, en combinant l’analyse des images de télédétection (comme on le fait sur Mars) et l’étude expérimentale des propriétés rhéologiques des roches échantillonnées. Nous montrons que la forme des coulées basaltiques qui ont cessé d’avancer à cause de leur refroidissement, atteignent une limite rhéologique qui dépend des détails de la séquence de cristallisation et de la forme des cristaux. Leur viscosité apparente n’est pas uniquement et simplement liée à la composition chimique de la lave. Ainsi, l’évolution chimique des liquides pri- maires issus de la fonte partielle du manteau martien à travers l’histoire volcanique de Mars n’a pas d’effet significatif sur la viscosité apparente déterminée par la morphologie des coulées. Les faibles viscosités apparentes déduites de la morphologie des laves sur Mars peuvent être attribuées à des compositions de liquides primaires qui cristallisent des olivines en forte proportion et pouvant former une texture spinifex. Les viscosité plus élevées dérivées de la morphologie sont elles compatibles avec des basaltes légèrement alcalins ou trachytique et n’impliquent pas nécessairement la présence de laves riches en silice de type andésitique.

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