3D-Punktwolken haben die Objektvermessung in den letzten 25 Jahren signifikant verändert. Da Einzelpunktmessungen durch flächenhafte Messungen in Form von Punktwolken bei vielen Anwendungen ersetzt wurden, spricht man auch von einem Paradigmenwechsel in der Vermessung. Ermöglicht wurde diese Änderung in der Messmethodik durch die Innovationen im Instrumentenbau und die rasanten Entwicklungen der Computertechnologie. Luftgestützte und terrestrische Laserscanner sowie handgeführte 3D-Scanner liefern heute direkt dichte Punktwolken, während dichte 3D-Punkt-wolken aus Fotos bildbasierter Aufnahmesysteme indirekt abgeleitet werden, die zur detaillierten 3D-Objektrekonstruktion zunehmend eingesetzt werden. In dieser Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, mit denen das geometrische Genauigkeitsverhalten verschiedener scannender Messsysteme evaluiert und geprüft wurde. Während bei den untersuchten terrestrischen Laserscannern in den Untersuchungen die Genauigkeitsangaben (1 Sigma) der technischen Spezifikationen der Systemhersteller von 3-5 mm für den 3D-Punkt und die Distanzmessung eingehalten wurden, zeigten sich dagegen bei vielen untersuchten 3D-Handscannern signifikante Abweichungen gegenüber den technischen Spezifikationen. Diese festgestellten Abweichungen deuten auf eine gewisse geometrische Instabilität des jeweiligen Messsystems hin, die entweder durch die Bauweise und/oder durch eine ungenaue Systemkalibrierung (besonders hinsichtlich der Maßstäblichkeit) verursacht werden. Daher ist davon auszugehen, dass diese handgeführten 3D-Scanner offensichtlich erst am Anfang ihrer Entwicklungsphase stehen und dass noch genügend Optimierungspotential vorhanden ist. Als flexible und effiziente Alternativen zu den scannenden Messsystemen haben sich seit ca. 10 Jahren die bildbasierten Aufnahmesysteme zunehmend im Markt etabliert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen des bildbasierten Aufnahme- und Auswertungsverfahren haben gezeigt, dass diese (mit Farbattributen versehene) 3D-Punktwolken, je nach Bildmaßstab und Oberflächenmaterial des Objektes, durchaus den Genauigkeiten der Laserscanner entsprechen. Gegenüber den Ergebnissen vieler 3D-Handscanner weisen die durch bildbasierte Aufnahmeverfahren generierten Punktwolken qualitativ bessere Resultate auf. Allerdings zeigte der Creaform HandySCAN 700, der auf einem photogrammetrischen Aufnahmeprinzip beruht, als einzige Ausnahme bei der handgeführten 3D-Scannern sehr gute Ergebnisse, die mit Durchschnittswerten besser als 30 Mikrometern sogar in den Bereichen der Referenzsysteme (hier Streifenprojektionssysteme) lagen. Die entwickelten Prüfverfahren und die entsprechenden durchgeführten Untersuchungen haben sich als praxistauglich erwiesen, da man auch unter zur Hilfenahme der VDI/VDE Richtlinie 2634 ver-gleichbare Ergebnisse erzielt, die dem praxisorientierten Anwender Aussagen über die Leistungsfä-higkeit des Messsystems erlauben. Bei den im statischen Modus erfassten Scans kommen noch Fehlereinflüsse durch die Registrierung der Scans hinzu, während bei kinematisch erfassten Scans die Genauigkeiten der verschiedenen (absoluten) Positionierungssensoren auf dem Fehlerhaushalt der Punktwolke addiert werden. Eine sorgfältige Systemkalibrierung der verschiedenen im kinematischen Modus arbeitenden Positionierungs- und Aufnahmesensoren des mobilen Multi-Sensor-Systems ermöglicht eine 3D-Punktgenauigkeit von ca. 3-5 cm, die unter guten Bedingungen mit höherwertigen Sensoren ggf. noch verbessert werden kann. Mit statischen Scans kann eine höhere Genauigkeit von besser als 1 cm für den 3D-Punkt erreicht werden, jedoch sind bei größeren aufzunehmenden Flächen mobile Aufnahmesysteme wesentlich effizienter. Die Anwendung definiert daher das zum Einsatz kommende Messverfahren. 3D-Punktwolken dienen als Grundlage für die Objektrekonstruktion auf verschiedenen Wegen: a) Engineering Modelling als generalisierte CAD-Konstruktion durch geometrische Primitive und b) Mesh Modelling durch Dreiecksvermaschung der Punktwolken zur exakten Oberflächenbeschreibung. Durch die Generalisierung bei der CAD-Konstruktion können sehr schnell Abweichungen vom Sollmaß von bis zu 10 cm (und größer) entstehen, allerdings werden durch die Anpassung auf geometrische Primitive eine signifikante Datenreduktion und eine topologische Strukturierung erreicht. Untersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass die Anzahl der Polygone bei der Dreiecksvermaschung je nach Oberflächenbeschaffenheit des Objektes auf 25% und sogar auf 10% der Originaldatenmenge bei intelligenter Ausdünnung (z.B. krümmungsbasiert) reduziert werden kann, ohne die visuelle und geometrische Qualität des Ergebnisses zu stark zu beeinträchtigen. Je nach Objektgröße können hier Abweichungen von unter einem Millimeter (z.B. bei archäologischen Fundstücken) bis zu 5 cm im Durchschnitt bei größeren Objekten erreicht werden. Heute können Punktwolken eine wichtige Grundlage zur Konstruktion der Umgebung für viele Virtual Reality Anwendungen bilden, bei denen die geometrische Genauigkeit der modellierten Objekte im Einzelfall keine herausragende Rolle spielt.:Erklärung I Kurzfassung II Inhaltsverzeichnis V 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 2 1.2. Punktwolken durch scannende Systeme 4 1.2.1. Technische Spezifikationen terrestrischer Laserscanner 4 1.2.2. Untersuchungen terrestrischer Laserscanner 6 1.2.3. Untersuchungen handgeführter 3D-Scanner 9 1.3. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken statischer Scans 10 1.3.1. Automation in der geometrischen Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken 11 1.3.2. Engineering Modelling – Objektrekonstruktion mithilfe geometrischer Primitive im CAD 12 1.3.3. Mesh Modelling – Objektrekonstruktion durch Dreiecksvermaschung 17 1.4. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken kinematischer Scans 18 1.5. Punktwolken durch photogrammetrische Verfahren 22 2. Genauigkeitsuntersuchungen 25 2.1. Terrestrische Laserscanner 25 2.2. Handgeführte 3D-Scanner 41 3. Objektmodellierung auf Basis statischer Scans 55 3.1. Objektmodellierung durch CAD 55 3.2. Objektmodellierung durch Dreiecksvermaschung 72 4. Objektmodellierung auf Basis kinematischer Scans 85 4.1. Landbasiertes kinematisches Scanning 85 4.2. Wasserbasiertes kinematisches Scanning (Bonus-Artikel) 103 5. Alternative Verfahren für die Generierung von Punktwolken 111 6. Fazit und Ausblick 126 7. Literatur 135 / 3D point clouds have significantly changed the surveying of objects in the last 25 years. Since in many applications, the individual point measurements were replaced through area-based measurements in form of point clouds, a paradigm shift in surveying has been fulfilled. This change in measurement methodology was made possible with the rapid developments in instrument manufacturing and computer technology. Today, airborne and terrestrial laser scanners, as well as hand-held 3D scanners directly generate dense point clouds, while dense point clouds are indirectly derived from photos of image-based recording systems used for detailed 3D object reconstruction in almost any scale. In this work, investigations into the geometric accuracy of some of these scanning systems are pre-sented to document and evaluate their performance. While terrestrial laser scanners mostly met the accuracy specifications in the investigations, 3-5 mm for 3D points and distance measurements as defined in the technical specifications of the system manufacturer, significant differences are shown, however, by many tested hand-held 3D scanners. These observed deviations indicate a certain geometric instability of the measuring system, caused either by the construction/manufacturing and/or insufficient calibration (particularly with regard to the scale). It is apparent that most of the hand-held 3D scanners are at the beginning of the technical development, which still offers potential for optimization. The image-based recording systems have been increasingly accepted by the market as flexible and efficient alternatives to laser scanning systems for about ten years. The research of image-based recording and evaluation methods presented in this work has shown that these coloured 3D point clouds correspond to the accuracy of the laser scanner depending on the image scale and surface material of the object. Compared with the results of most hand-held 3D scanners, point clouds gen-erated by image-based recording techniques exhibit superior quality. However, the Creaform HandySCAN 700, based on a photogrammetric recording principle (stereo photogrammetry), shows as the solitary exception of the hand-held 3D scanners very good results with better than 30 micrometres on average, representing accuracies even in the range of the reference systems (here structured light projection systems). The developed test procedures and the corresponding investigations have been practically proven for both terrestrial and hand-held 3D scanners, since comparable results can be obtained using the VDI/VDE guidelines 2634, which allows statements about the performance of the tested scanning system for practice-oriented users. For object scans comprised of multiple single scan acquired in static mode, errors of the scan registration have to be added, while for scans collected in the kine-matic mode the accuracies of the (absolute) position sensors will be added on the error budget of the point cloud. A careful system calibration of various positioning and recording sensors of the mobile multi-sensor system used in kinematic mode allows a 3D point accuracy of about 3-5 cm, which if necessary can be improved with higher quality sensors under good conditions. With static scans an accuracy of better than 1 cm for 3D points can be achieved surpassing the potential of mobile recording systems, which are economically much more efficient if larger areas have to be scanned. The 3D point clouds are the basis for object reconstruction in two different ways: a) engineering modelling as generalized CAD construction through geometric primitives and b) mesh modelling by triangulation of the point clouds for the exact representation of the surface. Deviations up to 10 cm (and possibly higher) from the nominal value can be created very quickly through the generalization in the CAD construction, but on the other side a significant reduction of data and a topological struc-turing can be achieved by fitting the point cloud into geometric primitives. However, investigations have shown that the number of polygons can be reduced to 25% and even 10% of the original data in the mesh triangulation using intelligent polygon decimation algorithms (e.g. curvature based) depending on the surface characteristic of the object, without having too much impact on the visual and geometric quality of the result. Depending on the object size, deviations of less than one milli-metre (e.g. for archaeological finds) up to 5 cm on average for larger objects can be achieved. In the future point clouds can form an important basis for the construction of the environment for many virtual reality applications, where the visual appearance is more important than the perfect geometric accuracy of the modelled objects.:Erklärung I Kurzfassung II Inhaltsverzeichnis V 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 2 1.2. Punktwolken durch scannende Systeme 4 1.2.1. Technische Spezifikationen terrestrischer Laserscanner 4 1.2.2. Untersuchungen terrestrischer Laserscanner 6 1.2.3. Untersuchungen handgeführter 3D-Scanner 9 1.3. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken statischer Scans 10 1.3.1. Automation in der geometrischen Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken 11 1.3.2. Engineering Modelling – Objektrekonstruktion mithilfe geometrischer Primitive im CAD 12 1.3.3. Mesh Modelling – Objektrekonstruktion durch Dreiecksvermaschung 17 1.4. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken kinematischer Scans 18 1.5. Punktwolken durch photogrammetrische Verfahren 22 2. Genauigkeitsuntersuchungen 25 2.1. Terrestrische Laserscanner 25 2.2. Handgeführte 3D-Scanner 41 3. Objektmodellierung auf Basis statischer Scans 55 3.1. Objektmodellierung durch CAD 55 3.2. Objektmodellierung durch Dreiecksvermaschung 72 4. Objektmodellierung auf Basis kinematischer Scans 85 4.1. Landbasiertes kinematisches Scanning 85 4.2. Wasserbasiertes kinematisches Scanning (Bonus-Artikel) 103 5. Alternative Verfahren für die Generierung von Punktwolken 111 6. Fazit und Ausblick 126 7. Literatur 135

Tanzania, like other developing countries in the tropics is severely affected by the degradation of water resources owing to improper land management practices. Such practices affect water supply through soil erosion which does not only cause sedimentation of rivers and water bodies but also leads to a reduction in the rainwater infiltration capacity of soils. This thesis seeks to demonstrate how the implementation of proper land management measures can reduce soil erosion and increase water supply in the Morogoro River catchment (Uluguru Mountains). The proper practices referred to are the soil and water conservation (SWC) approaches which include contour farming, fanya juu terracing and bench terracing. The thesis combines social science and geoscience methods in a synergetic manner to address this research problem. To understand how and to what degree SWC methods affect water fluxes and sediment yields, the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) was applied. Before carrying out the modelling procedures, it was necessary to examine the level of SWC adoption among farmers and factors influencing the process so as to establish the baseline. To this end, biophysical and socio-economic factors assumed to affect farmers’ adoption tendency were examined using a household questionnaire. Modelling results indicate that if correctly implemented contour farming, fanya juu terracing and bench terracing would significantly reduce sediment yield at different rates. The reduction would range approximately between 1% - 85% with the highest percentage change achieved by practicing the three SWC methods simultaneously. However, such SWC measures would not increase water flow annually owing to evapotranspiration losses. Nevertheless, according to modelling results groundwater storage would be increased by about 14% and hence contributing to water supply during the dry season. The household questionnaire survey suggests that the adoption of SWC methods in the study area is very low and complex. While age of the head of household, access to extension (professional) services, household annual income and proximity to the farm significantly influenced farmers’ decision to adopt SWC, gender of the head of household, slope characteristics of the farm, number of adults in the household and farmer’s perception on soil erosion effects had no considerable influence on adoption. Therefore, to successfully realize the SWC benefits demonstrated by the modelling results, smallholder farmers upstream of the catchment should be incentivized to implement proper land management practices. Payment for ecosystem services scheme appears to be a suitable strategy. To make this operational, the Tanzanian government should establish a national water fund which will finance watershed management activities. The methodological approach employed in this thesis is transferrable to other sites with problems comparable to the studied catchment.

Am Pilotstandort Ketzin (Deutschland) war die Überwachung der CO2-Injektion und der CO2-Ausbreitung im tiefen Untergrund eines Sandsteinreservoirs erstmalig Gegenstand intensiver geoelektrischer Untersuchungen. Die vorliegende Dissertation liefert geoelektrische Erkenntnisse in einem durchgeführten wissenschaftlichen Praxistest im ersten landgestützten Feldexperiment in Europa. Die Pilotanlage umfasst eine Injektionsbohrung und zwei Beobachtungsbohrungen. Die Messungen dieser Arbeit wurden im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes CO2SINK in Zusammenarbeit des Helmholtz-Zentrum Potsdams (Deutsches GeoForschungs-Zentrum, GFZ) mit der Universität Leipzig durchgeführt. Es ergaben sich folgende konkreten Fragestellungen: Kann die CO2-Speicherung in Ketzin mithilfe geoelektrischer Verfahren überwacht und abgebildet werden? Wie kann ein geoelektrisches Monitoring technisch und wissenschaftlich realisiert werden? Eine Herausforderung dieser Arbeit ist somit auch die technische Realisierung der geoelektrischen Begleitung der Installation, des Einbaus sowie der Zementation der Bohrlochelektroden. Für die wissenschaftliche Umsetzung wurden einerseits geoelektrische Messungen in einer und in mehreren der drei Bohrungen durchgeführt, andererseits kombiniert an der Erdoberfläche und in den Bohrungen. Neben Stabilitätsprüfungen der Messwerte vor dem Beginn der CO2-Injektion fanden umfangreiche geoelektrische Messungen zur zeitlichen und räumlichen Überwachung der Vorinjektionsmaßnahmen und der CO2-Speicherung statt. Die durchgeführten geoelektrischen Bohrlochmessungen bildeten die CO2-Ausbreitung um den Injektionspunkt in einer Tiefe von rund 640 m in den Grenzen ihres Auflösungsvermögens und im Hinblick auf die geologischen Gegebenheiten wie Schichtmächtigkeit und Schichtneigung ab. Die Bereiche zwischen dem CO2-Injektionspunkt und der CO2-Front ließen sich im zeitlichen Injektionsverlauf unter-schiedlich gut auflösen. Je höher die CO2-Injektionsrate war und je kontinuierlicher das CO2 injiziert wuirde, desto besser ließen sich diese Zwischenbereiche geoelektrisch abbilden. Während sich die Form, die Größe und die Lage des injizierten CO2 gut auflösen ließen, konnten dünne Ausbreitungspfade nicht detektiert werden. Das hatte zur Folge, dass nicht alle Bereiche der CO2-Fahne vollständig aufgelöst und abgebildet werden konnten. Darüber hinaus lieferten die kombinierten geoelektrischen Messungen wichtige Erkenntnisse zum allgemeinen CO2-Ausbreitungstrend in nord-westliche Richtung. Die anisotrope Ausbreitung außerhalb des Beobachtungsraumes der Bohrlochmessanordnung konnte somit dennoch nachgewiesen werden. Die in der vorgelegten Dissertation erzielten Ergebnisse sind wegweisend für nachfolgende Projekte zur Speicherung von CO2 und anderer anthropogen verursachter Abfallstoffprodukte. Es wurde ein Beitrag zum Nachweis der prinzipiellen Anwendbarkeit der Geoelektrik als Überwachungsmethode in der CO2-Speicherung geleistet und diese beurteilt.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Theoretische Grundlagen der Gleichstrom-Geoelektrik 2.1.1 Prinzip geoelektrischer Messungen 2.1.2 Der spezifische elektrische Widerstand 2.1.3 Elektrodenkonfigurationen 2.1.4 Signalverarbeitung und 3D-Inversion 2.1.5 Kurze Einführung in die petrophysikalischen Eigenschaften 2.2 Kurze Einführung in die CO2-Speicherung 2.3 Methoden zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.1 Kurze Einführung in die großskalige Tiefengeoelektrik 2.3.2 Weltweite CO2-Speicherprojekte und angewandte Methoden zur Überwachung 2.3.3 Geoelektrische Verfahren zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.3.1 Modellierungen zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.2 Laborexperimente zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.3 CO2-Speicherstandorte mit geoelektrischer CO2-Überwachung 2.3.4 Zusammenfassung der Methodeneignung: Geoelektrik zur Überwachung der CO2-Speicherung 3 Pilotstandort Ketzin 3.1 Forschungsprojekte am CO2-Pilotstandort Ketzin 3.2 Geologie und Lokation des Untersuchungsgebietes 3.2.1 Geologie des Untersuchungsgebietes 3.2.2 Lokation und Standortwahl der drei Bohrungen 3.2.3 Bohrlochverlauf der drei Bohrungen 3.2.4 Lithologie am Pilotstandort 3.2.4.1 Stuttgart-Formation 3.2.4.2 Geologische Deckschichten 3.2.5 Zusammenfassung der Standorteignung: Ketzin als CO2- Speicherstandort 3.3 Bohrkernuntersuchungen und Monitoringmethoden 3.3.1 Gewinnung von Bohrkernen und ihre Gesteinsansprache 3.3.2 Laboruntersuchungen an Bohrkernen 3.3.3 Widerstands-Bohrlochmessungen 3.3.4 Aktives seismisches Monitoring 3.3.5 Temperaturmonitoring 3.3.6 Geochemisches Monitoring 3.3.7 Weitere Monitoringmethoden 4 Geoelektrische Messungen im Bohrloch zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 4.1 Technischer Aufbau des permanenten Vertikalelektrodensystems 4.2 Phase I: Installation, Einbau und Zementation der Bohrlochelektroden 4.2.1 Exakte Elektrodenpositionierung 4.2.2 Kontrolle der isolierten Verrohrung auf Beschädigung 4.2.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.2.2 Ergebnisse 4.2.2.3 Interpretation und Diskussion 4.2.3 Überprüfung der Verbindung zwischen installierter Elektrode und Messkabel 4.2.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.3.2 Ergebnisse 4.2.3.3 Interpretation und Diskussion 4.2.4 Überwachung der Zementation der Elektroden im Bohrlochringraum 4.2.4.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.4.2 Ergebnisse 4.2.4.3 Interpretation und Diskussion 4.2.5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase I 4.3 CO2-Injektion 4.3.1 Vorinjektionsmaßnahmen und CO2-Injektionsverlauf 4.3.2 Technische Umsetzung der CO2-Injektion 4.4 Phase II: Geoelektrische Messungen im Bohrloch vor dem Start der CO2-Injektion 4.4.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.1.2 Ergebnisse 4.4.1.3 Interpretation und Diskussion 4.4.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.4.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.2.2 Ergebnisse 4.4.2.3 Interpretation und Diskussion 4.4.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.3.2 Ergebnisse 4.4.3.3 Interpretation und Diskussion 4.4.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase II 4.5 Phase III: Geoelektrische Messungen im Bohrloch während der CO2-Injektion 4.5.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.1.2 Ergebnisüberblick 4.5.1.3 Zeitlicher Verlauf der Ankopplungsmessungen in der Injektionsbohrung und Interpretation der Ergebnisse 4.5.1.4 Übersicht der Ankopplungsmessungen in den beiden Beobachtungsbohrungen und Interpretation der Ergebnisse 4.5.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.5.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.2.2 Ergebnisse 4.5.2.3 Interpretation und Diskussion 4.5.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.3.2 Ergebnisse 4.5.3.3 Interpretation und Diskussion 4.5.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase III 4.6 Diskussion zur Eignung der Bohrlochmessanordnung 4.7 Diskussion zur Funktionsfähigkeit der Bohrlochelektroden 5 Geoelektrische Oberflächen-Bohrloch- und Oberflächen-Oberflächen-Messungen zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 5.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 5.1.1 Oberflächenmessanordnung 5.1.2 Bohrlochmessanordnung 5.1.3 Zeitliche Einordnung 5.2 Auswertung der Messdaten im Frequenzbereich 5.2.1 Zeitreihen und Amplitudenspektren 5.2.2 Verteilung der scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände 5.3 Inversionsergebnisse 5.4 Interpretation und Diskussion 5.5 Diskussion zum Ergebnisvergleich zwischen geoelektrischen und anderen Überwachungsmethoden in Ketzin Zusammenfassung und Diskussion Literaturverzeichnis Anhang A.1 Tiefenangaben: verwendete Bezugssysteme in dieser Arbeit A.2 Tabellen A.3 Abbildungen Abkürzungsverzeichnis

Das Mahanadi-Rift liegt am Ostrand von Indien und wird innerhalb von Gondwana mit dem Lambert-Rift (Ostantarktika) korreliert. Es war Zielstellung der Arbeit, auf Grundlage einer Satellitenbildauswertung eine Analyse der strukturgeologischen Entwicklung im Umfeld des Riftes vorzunehmen. Ausgehend von der Satellitenbildinterpretation wurden neben strukturgeologischen Feldarbeiten, geochemische bzw. geochronologische Untersuchungen von basischen Gängen und Pseudotachyliten durchgeführt. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass die während der Grenville-Orogenese angelegten Hauptstrukturelemente um 700 – 750 Ma in einem Extensionsfeld mit Intrusionen von Basiten reaktiviert wurden. Datierungen von Pseudotachyliten belegen semiduktile, panafrikanische Deformationen von 540 – 510 Ma, die vorrangig an WNW streichende Lineamente gebunden sind. Die Beckenanlage beginnt im Unteren Perm mit sinistraler Reaktivierung der North Orissa Boundary Fault. Die nachfolgende Beckenentwicklung bis zum Gondwanazerfall wird durch mehrphasige Extensions- und Kompressionsvorgänge mit variabler Orientierung des Spannungsfeldes bestimmt.

Neben der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Absorption elektromagnetischer Wellen der wichtigste Parameter für die Bearbeitung und Interpretation von Georadar-Daten. Für die realitätsnahe Beschreibung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Gesteinen eignet sich das Modell mit konstantem Q und einem Dispersionsansatz der Phasengeschwindigkeit nach Futterman (1982). Anhand von Modellrechnungen wird die Wirkung dieser Parameter auf Wavelets untersucht. Die Ermittlung des absorptionscharakterisierenden Gütefaktors Q aus GPR-Transmissionsdaten erfolgt auf der Basis einer Erweiterung der Q-Definition. Die dazu benutzte Referenzfrequenz fR ist eine Potenzfunktion von zu vergleichenden Amplitudendichten der entsprechenden Äquivalenzspektren. Die Anwendbarkeit der danach benannten Methode der Äquivalenten Bandbreite wird sowohl an synthetischen Daten als auch an Messergebnissen nachgewiesen, die an einem Sandsteinblock sowie an anstehendem Gneis erhalten worden sind. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, Querbeziehungen zwischen Q-Werten und petrophysikalischen Parametern herzustellen.

Der Yangtze Vorland Falten- und Überschiebungsgürtel befindet sich östlich und südlich des Qinling-Dabie Orogens. Die Faltenachsen dieses Falten- und Überschiebungsgürtels biegen von W nach E von ca. ESE-WNW in eine SW-NE Richtung um. Regionale Faltung entwickelte sich ab der Mitteltrias während der Frühphase der Exhumierung der Ultrahochdruck(UHP)-Gesteine des Qinling-Dabie Orogens. Paläospannungsanalyse zeigt faltungsbezogene NW-SE-Kontraktion an, die zwischen Mitteltrias und Mitteljura in eine (N)NE-(S)SW Transpression rotiert. Aufgrund der im wesentlichen zeitgleichen und gleichsinnigen Änderung der duktilen Streckungslineation im Orogen wird vorgeschlagen, dass die Exhumierung der UHP-Gesteine die triassisch-jurassische Vorlanddeformation maßgeblich bestimmt hat. Die Untersuchung der Sedimente im Gelände und mit dem Punktzählverfahren an Dünnschliffen, die Mikrosondenuntersuchungen an detritischen Hellglimmern sowie die Datierung detritischer Hellglimmer, Kalifeldspäte, Apatite und Zirkone mit der 40Ar/39Ar-Laserdatierungsmethode, der Spaltspurenmethode und der 207Pb/206Pb-Evaporationsmethode lieferte die folgenden Resultate: (1) Das Punktzählverfahren ergab, dass es sich bei den beprobten Sandsteinen überwiegend um Quarzarenite und Grauwacken handelt. (2) Die Provenanz-Analyse nach dem Punktzählverfahren ergab, dass überwiegend Wiederaufarbeitung orogenen Materials stattgefunden hat. (3) Triassisch-jurassische Hellglimmer dominieren in den meisten Proben und belegen das Dabie-Orogen als Hauptliefergebiet. (4) Einige Zirkon- und Hellglimmeralter deuten andererseits daraufhin, dass Liefergebiete südlich des Vorlandes (Cathaysia, Südchinesischer Faltengürtel) existiert haben. (5) Hellglimmeralter und Apatit-Spaltspurenalter belegen, dass die Sedimente in der frühen Kreide (120-130 Ma) bis ins stratigraphische Niveau der Mitteltrias auf über 400°C aufgeheizt wurden; das jurassische stratigraphische Niveau ist hingegen weniger stark aufgeheizt worden und verblieb zwischen 100° C und 400° C. Deshalb führt die Spaltspurendatierung von Apatiten, Zirkonen und Titaniten zu keinem Informationsgewinn hinsichtlich ihrer Provenanz. (6) Hohe Si-Gehalte (3,3-3,64 Si Atome pro Formeleinheit) und retrograde Zonierungen in den Hellglimmern belegen, dass HP- und UHP-Gesteine im Jura an der Oberfläche aufgeschlossen waren und erodiert wurden. Die 207Pb/206Pb Datierung von Einzelzirkonen des Yangtze Basements ergab drei Altersgruppen: 2.3-2.38 Ga, 2.03-1.96 Ga und 800-690 Ma. Während die zwei jüngeren Altersgruppen bekannten Ereignissen im Yangtze Kraton zuordbar sind, sind die ältesten Zirkone entweder diskordant-verjüngt oder belegen ein bis dato noch nicht bekanntes thermisch-tektonisches Ereignis im Yangtze Kraton. Ab dem oberen Jura lassen sich mehrere intraplattentektonische Reaktivierungen des Orogens und des Vorlandes nachweisen: In der frühen Kreide – und möglicherweise bereits im Oberjura – etablierte sich im Qinling-Dabie Orogen und im Vorland ein NW-SE orientiertes transtensionales Spannungsfeld. In diesem Spannungsfeld intrudierten kretazische Granitoide sowohl nördlich als auch südlich der triassischen Sutur ins Qinling-Dabie Basement und in die Vorlandsedimente. Diese magmatisch-vulkanische Aktivität ist deshalb wahrscheinlich nicht exhumierungsbezogen, sondern auf eine intraplattentektonische Reaktivierung des Orogens zurückzuführen. Diese thermisch-tektonische Reaktivierung, die das Dabie Basement auf über 300° C aufheizte, führte auch zur advektiven Aufheizung der triassisch-jurassischen Vorlandsedimente. Dieses Spannungsfeld war von ca. 145 Ma bis ca. 127 Ma aktiv. Die NW-SE Transtension wurde abgelöst durch NE-SW Transtension, die begleitet war von NW-SE Kontraktion, die zu offener Faltung der jurassischen Sedimente und Vulkanite führte. Im Qinling-Dabie Orogen hingegen lassen sich ausschließlich WNW streichende dextral-transtensive Blattverschiebungen mit assoziierten Pull-apart-Becken beobachten. Dieses Spannungsfeld war ab ca. 127 Ma aktiv und wird auf die Kollision des `West-Philippinen-Blocks´ in SE China zurückgeführt. Die meisten NNE streichenden Störungen in SE China waren zu dieser Zeit als sinistrale Blattverschiebungen aktiv. Das südlichste Segment der Tan-Lu Störung war erst nach der mittelkretazischen Wiederaufheizung des Dabie Basements seit ca. 90 Ma als Schrägabschiebung aktiv. Wahrscheinlich war aber das nördlich anschließende Segment in der frühen Kreide (ca. 140-120 Ma) kinematisch gekoppelt mit der Xiaotian-Mozitang-Störung am Nordrand des Dabie Orogens. Die Konturierung der Apatit-Spaltspurenalter aus dem Dabie und dem Vorland zeigt einen charakteristischen Wechsel des Abkühlungstrends um 75 +/- 5 Ma an, der mit einem Wechsel im Spannungsfeld korrelierbar ist: Die NE-SW Transtension wurde um ca. 75 Ma abgelöst durch NW-SE Transtension mit assoziierter NE-SW Kontraktion. Dieses Spannungsfeld war bis ins Eozän aktiv und korreliert mit der Ablagerung mächtiger Rotsedimente und der Bildung von Riftbecken in Ostchina. Tektonische Reaktivierung des Dabie Orogens aufgrund der Indien-Asien Kollision wird insbesondere aufgrund der zeitlichen Übereinstimmung mit den eozänen (55-40 Ma) Apatit-Spaltspurenaltern vorgeschlagen. Oligozäne Riftinversion wurde abgelöst durch miozäne NE-SW Extension und pliozäne bis rezente NW-SE Extension.

Das Hauptziel der Arbeit war, zu überprüfen, inwieweit tiefe Grundwässer sich in ihrer Beschaffenheit über längere Zeiträume verändern und somit als Indikatoren für anthropogene Umwelteinflüsse geeignet sind. Als Beispiel eines tiefen Grundwassers wurde die Wettinquelle (früher auch Radonquelle), ein Mineralwasser in Bad Brambach (Südwestsachsen), ausgewählt. Durch die Nutzung von Zeitreihenanalysen, hydrochemischen Modellierungen mit der Software PhreeqC; und statistischer Auswertungen für die Gehalte einzelner Ionen konnte für einige Parameter wie beispielsweise den Sulfatgehalt eine längerfristige Änderung festgestellt werden. Die Unterscheidung in geogen und anthropogen verursachte Stoffeinträge in tiefen Grundwässern ist dabei ein sehr wichtiger Aspekt. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit eine Erklärung für die erhöhten Chloridkonzentrationen in südwestvogtländischen Mineralwässern gegeben.

This study investigates the depositional environment, source area, sandstone composition, diagenetic properties, reservoir quality and palaeogeography of the Middle–Upper Cretaceous strata at the Unity and Heglig Fields in the SE Muglad Rift Basin, Sudan. In this study, the subsurface Cretaceous sediments were investigated essentially by seven sedimentological techniques. These included subsurface facies analysis, which was based on 1500 cutting samples and seven conventional cores description as well as on wire line logs and three seismic section analyses, petrographic analyses that included heavy mineral analysis, thin sections and scanning electron microscopic investigations, clay mineral as well as geochemical analyses. The facies description and the analysis of conventional cores from the Bentiu, Aradeiba, and Zarga Formations in the Unity and Heglig Field revealed the presence of nine major lithofacies types, all of them are siliciclastic sediments. They can be interpreted as deposits of fluvial, deltaic and lacustrine environments. Moreover, based on wire line logs, cores and cutting sample descriptions and analyses and also on seismic section analyses, the Middle–Upper Cretaceous strata in Unity and Heglig Fields can be classified into three different units of first-order sequences, i.e. fluvial-dominated unit, lacustrine-dominated unit and deltaic-dominated unit. These depositional units most probably testify to environmental change in response to main tectonic pulses during the Turonian – Late Senonian second rifting phase. The seismic analysis revealed that the maximum thickness of the Cretaceous sediments in the study area reaches about 6000 m in the NW part of the Heglig Field. Moreover, the seismic interpretation has revealed three seismic facies reflection patterns: parallel and subparallel reflection patterns (uniform rates of deposition), divergent reflection pattern (differential subsidence rates) and hummocky clinoform pattern (clinoform lobes of delta). The thin section investigations of the core samples revealed that feldspar accounts for 13.5 – 22 %, that of the quartz and the lithic fragments are ranging between 75.7 – 85.2 % and 0.0 7.3 % respectively. Consequently, the sandstones of the study area are classified as subarkoses. Moreover, the modal analysis of the sandstones revealed, that they stem generally from a continental provenance, transitional between the stable interior of a craton and a basement uplift, which is a basement area of relatively high relief along rifts. This allows the detrital components to be recycled and transported for rather long distances and to be deposited in extensional and pull-apart basins. The reservoir quality of the Bentiu and Aradeiba Formations in general is better than that of the Zarga Formation. The porosity of the Bentiu and Aradeiba Formations ranges between 16.7 – 30.0 % and 18.6 – 25.3 %, respectively, whereas the porosity of the Zarga Formation ranges between 16.3 – 23.7 %. Moreover, the thin section investigations and the scanning electron microscope (SEM) analysis for the sandstones of the study area revealed that their reservoir quality was affected positively and negatively by several diagenetic processes. These processes include: mechanical compaction factors (grain slippage and crushing of the ductile grains), quartz overgrowths, precipitation of siderite and calcite, feldspar and clay mineral authigenesis, dissolution of carbonate and of the labile detrital grains and clay infiltration. Furthermore, the reservoir quality of the study intervals was not only affected by the above mentioned diagenetic processes, but also in a large-scale by the type of depositional environment. The study of the heavy minerals revealed that the amounts of the heavy minerals kyanite and garnet supersede those of zircon, tourmaline and rutile. This indicates a metamorphic source rock of originally granitic and/or granodioritic composition for the sediments of the study area. Three heavy mineral assemblage zones with obvious lateral and vertical continuity were identified: a zircon-rutile zone (ZR), a sillimanite-epidote-hornblende zone (SEH) and a kyanite-staurolite-andalusite-garnet zone (KStAnG). On the basis of the ZTR (zircon-tourmaline-rutile) index as well as on the SEH (sillimanite-epidote-hornblende) index, four major maturation levels were constructed: immature, moderately mature, mature and overmature. The clay mineral analysis allowed the subdivision of the Middle–Upper Cretaceous strata into three to two clay mineral zones, which reflect mainly different environmental and diagenetic conditions. The lower clay mineral zone consists of kaolinite, illite/smectite mixed layer, illite, smectite and chlorite. Whereas, the middle zone consists of kaolinite, smectite, illite/smectite mixed layer, illite and chlorite. The upper zone comprises kaolinite, illite, illite/smectite mixed layer, chlorite and smectite. The lower and the upper clay mineral zones contain higher values of kaolinite in comparison to the middle clay mineral zone, whereas the middle zone contains a higher value of smectite in comparison to the lower and the upper clay mineral zones. The higher amount of the kaolinite in the lower and in the upper zones suggest most probably the intensity of chemical weathering and leaching processes under warm humid climate. The marked presence of smectite in the middle zone suggest that the warm humid climate was interrupted by dry seasons. Moreover, the lower clay mineral zone, which shows an increase of illite, chlorite, mixed layer illite/smectite and a higher illite crystallinity, indicates mixed and transitional influences from environmental/tectonic to burial diagenetic controls. Geochemical investigations revealed preferential enrichment and depletion of certain chemical elements in the lacustrine/fluvial/deltaic environments. For instance, the less mobile elements Ti, Ga, Cr and Zr remained in higher amounts in the proximal facies (i.e. in the fluvial channel bar deposits and in the deltaic mouth bar deposits). In contrast, the more mobile elements Mg, Ca, K and Rb occur in higher concentrations in the distal facies (i.e. in the lacustrine deposits, deltaic distal bar deposits and floodplain sediment).

Die Granit-Gneis-Komplexe der Osturalzone stellen juvenile kontinentale Kruste dar, die sich durch Aufschmelzung von Inselbogengesteinen bildete. Voraussetzung dafür war die extreme Verdickung von Inselbogenkruste durch die Stapelung von mehreren Inselbögen bei der Uralorogenese. Die Magmen wurden im postkollisionalen Stadium der Uralorogenese generiert. Bei Aufstieg und Platznahme der Schmelzen wurden Randbereiche der Plutone deformiert. So entstanden Hochtemperatur-Niedrigdruck metamorphe Gneise, die die Granitkörper im Zentrum der Kristallinkomplexe ummanteln und deren Foliation konkordant zum Rand der Granit-Gneis-Komplexe verläuft. Der Intrusionsrahmen wird von ozeanischer Lithosphäre und marinen Sedimenten gebildet. Damit ergibt sich für die Osturalzone ein bisher nicht diskutiertes Szenario: die großvolumige Intrusion stark differenzierter Schmelzen in ozeanische Kruste.

Two-dimensional geographical information systems are extensively used in the geosciences to create and analyse maps. However, these systems are unable to represent the Earth's subsurface in three spatial dimensions. The objective of this thesis is to overcome this deficiency, to provide a general framework for a 3d geoscience information system (GIS), and to contribute to the public discussion about the development of an infrastructure for geological observation data, geomodels, and geoservices. Following the objective, the requirements for a 3d GIS are analysed. According to the requirements, new geologically sensible query functionality for geometrical, topological and geological properties has been developed and the integration of 3d geological modeling and data management system components in a generic framework has been accomplished. The 3d geoscience information system framework presented here is characterized by the following features: - Storage of geological observation data and geomodels in a XML-database server. According to a new data model, geological observation data can be referenced by a set of geomodels. - Functionality for querying observation data and 3d geomodels based on their 3d geometrical, topological, material, and geological properties were developed and implemented as plug-in for a 3d geomodeling user application. - For database queries, the standard XML query language has been extended with 3d spatial operators. The spatial database query operations are computed using a XML application server which has been developed for this specific purpose. This technology allows sophisticated 3d spatial and geological database queries. Using the developed methods, queries can be answered like: "Select all sandstone horizons which are intersected by the set of faults F". This request contains a topological and a geological material parameter. The combination of queries with other GIS methods, like visual and statistical analysis, allows geoscience investigations in a novel 3d GIS environment. More generally, a 3d GIS enables geologists to read and understand a 3d digital geomodel analogously as they read a conventional 2d geological map.