Land use change and climate variability are the main drivers of watershed hydrological processes. The main objective of this study was to assess the impact of land use change and climate variability on hydrology of the Mara River Basin in East Africa. Land use maps generated from satellite images were analyzed using the intensity analysis approach to determine the patterns, dynamics and intensity of land use change. Changes in measured streamflow caused separately by land use change and climate variability were separated using the catchment water-energy budget based approach of Budyko framework. The information on past impact of climate variability on streamflow was used to develop a runoff sensitivity equation which was then used to predict the future impact of climate change on streamflow. Finally, the impact of agroforestry on watershed water balance was predicted using SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. Deforestation and expansion of agriculture were found to be dominant and intensive land use changes in the watershed. The deforestation was attributed to illegal encroachment and excision of the forest reserve. The deforested land was mainly converted to small scale agriculture particularly in the headwaters of the watershed. There was intensive conversion of rangeland to largescale mechanized agriculture which accelerated with change of land tenure (privatization). The watershed has a very dynamic land use change as depicted by swap change (simultaneous equal loss and gains of a particular land use/cover) which accounted for more than half of the overall change. This implies that reporting only net change in land use (of MRB) underestimates the total land use change. The results show that streamflow of Nyangores River (a headwater tributary of the Mara River) significantly increased over the last 50 years. Land use change (particularly deforestation) contributed 97.5% of change in streamflow while the rest of the change (2.5%) was caused by climate variability. It was predicted that climate change would cause a moderate 15% increase in streamflow in the next 50 years. SWAT model simulations suggested that implementation of agroforestry in the watershed would reduce surface runoff, mainly due expected improvement of soil infiltration. Baseflow and total water yield would also decrease while evapotranspiration would increase. The changes in baseflow (reduction) and evapotranspiration (increase) were attributed to increased water extraction from the soil and groundwater by trees in agroforestry systems. The impact of agroforestry on water balance (surface runoff, baseflow, water yield and evapotranspiration) was proportional to increase in size of the watershed simulated with agroforestry. Modelling results also suggested that climate variability within the watershed has a profound effect on the change of water balance caused by implementation of agroforestry. It is recommended that authorities should pay more attention to land use change as the main driver of change in watershed hydrology of the basin. More effort should be focused on prevention of further deforestation and agroforestry may be considered as a practical management strategy to reverse/reduce degradation on the deforested parts of the watershed currently under intensive cultivation.

Anlässlich des Festkolloquiums zum 65. Geburtstag von Manfred Buchroithner publiziert das Institut für Kartographie die vorliegende Festschrift. Die wissenschaftlichen Beiträge reflektieren ausgewählte Forschungsthemen zu Grundsatzfragen der raum-zeitlichen kartographischen Visualisierung, Gestaltungsoptionen in digitalen 3D-Landschaftsmodellen, weiteren Problemen der 3D-Kartographie über Analysen und Wertungen der Hochschulausbildung Kartographie in Deutschland, dem Gletschermonitoring in Hochasien, der Höhlenvermessung auf Borneo bis hin zur Modellierung des landwirtschaftlichen Flächenpotentials im Sudan.:Zum Wirken von Manfred Buchroithner, Dirk Burghardt 5 Knowledge about Glacier Mass Changes in High Asia Significantly Improved due to TUD-IfK Research, Tobias Bolch, Tino Pieczonka, Nicolai Holzer, Juliane Peters, Kriti Mukherjee, Atanu Bhattacharya 13 Kartographie: Visualisierung von Objekten und Phänomenen in Raum und Zeit – Ein Essay in zehn Aspekten, Lorenz Hurni 25 Autostereoskopie am Institut für Kartographie der TU Dresden, Claudia Knust 49 Speleology of the Gomantong Karst Systems beyond the Edible Birds’ Nest, Mohammed Oludare Idrees, Biswajeet Pradhan 59 Anmerkungen zu Gestaltungsoptionen in digitalen 3D-Landschaftsmodellen, Nikolas Prechtel 75 Studienangebote im Umfeld Kartographie und Geomatik an den traditionellen Stätten grundständiger Kartographie-Lehre in Deutschland – ein Vergleich, Gertrud Schaab 97 Modelling the Restoration Potential of Abandoned Agricultural Land in Gadarif Region, Sudan, Hussein M. Sulieman 117 Verzeichnis der Habilitationen 127 Verzeichnis der Promotionen 129 Verzeichnis der Publikationen Manfred F. Buchroithner 135

An important aspect of modeling water quality in water distribution system (WDS) is to predict the temporal and spatial distribution of disinfectant, and the formation of disinfection byproducts (DBP). Consistent efforts have been made to investigate the kinetics of chlorine decay and trihalomethanes (THM) formation in WDS, which are caused by the reaction of chlorine with natural organic matter (NOM). NOM is a heterogeneous mixture of complex compounds. Each specific compound shows individual reactivity with chlorine. Therefore, to better understand and predict the kinetics of chlorine decay and THM formation, the core assumption of this study was established. That is, the variable reactivity of NOM should be involved into the second order kinetics model. Specifically, each single reactive site provided by NOM shows its individual reactivity towards chlorine decay and THM formation, which can be expressed by its individual reaction rate constant, while the mixture compounds of NOM shows the overall reactivity with respect to chlorine decay and THM formation, which should be expressed by an overall reaction rate coefficient. With the reaction progress, the overall reaction rate coefficient was assumed to be continuously decreasing with the reaction time due to the decreased concentration and reactivity of NOM. The decreased overall reaction rate coefficient was referred as a variable reaction rate coefficient (VRRC) in this dissertation. The VRRC was calculated as an exponential function with limited model parameters, which was only related to the characteristics of NOM but independent of chlorine concentration. By introducing the VRRC, the required model parameters were reduced, calibration was simplified and therefore the models showed abilities for a wider application. Consequently, a systematic work has been carried out to develop VRRC models of chlorine decay and THM formation based on the above mentioned assumption, and further extend and validate the models under different chlorination conditions. The following specific topics were addressed. • A VRRC model of chlorine decay was developed and validated under different conditions, including different initial chlorine dosages, different temperature, rechlorination and water mixing conditions. • Based on the identical assumption applied in the chlorine decay model, a VRRC model of THM formation was also developed and also validated under different chlorination conditions, such as, different initial chlorine dosages, changeable temperature condition and rechlorination. • The model application was extended from bulk reaction to wall reaction by considering the presence of pipe deposits in the WDS. Both the chlroine decay and THM formation models were advanced and validated when pipe deposits were present in water. • To further validate the core assumption proposed in this dissertation and also validate the proposed models have a wide application, the residual chlorine and THM concentrations in chlorinated swimming pools were predicted. Both the model accuracy and model adequacy were evaluated through statistical analysis. The results showed that the proposed models were well suited for application in water quality modeling for distribution systems.

The use of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time series over the last decades has increased our understanding of vegetation change dynamics from global to regional scale through quantitative analysis of inter-annual trends in NDVI and climatological parameters (rainfall and temperature). Change in land cover induced by human activities such as livestock grazing and deforestation for large-scale farming (subsistence and mechanized) has influenced the ecological pattern of the Guinea savannah region (GSR) of Nigeria, thereby resulting in loss of biodiversity and changes in vegetation cover. In the context of the GSR of Nigeria where agriculture still plays a major role in people’s economy, it is important to identify the relationship between climatic variables, vegetation productivity and human activities which can be used to understand the on-going transition processes. This study, therefore, examines the spatial and temporal relationship between NDVI and climate parameters, land use land cover change (LULCC) and the perspective of local people on vegetation change dynamics in the study region. In order to do this, bi-monthly NDVI3g time series datasets from Global Inventory Modeling and Mapping Studies (GIMMS), monthly rainfall datasets from Tropical Applications of Meteorology Satellite (TAMSAT), monthly temperature datasets from Climate Research Unit (CRU), national land use land cover (LULC) data of Nigeria from Forestry Management Evaluation & Coordination Unit (FORMECU), global land cover datasets from European Space Agency, Landsat imagery and socio-economic field data collection were used in order to understand vegetation change dynamics across the Guinea savannah regions of Nigeria. Time series analysis (TSA) was applied to both NDVI and climate data used in order to examine the temporal dynamics of vegetation cover change and to detect NDVI-climate relationship during the period from 1983 through 2011. Both parametric and non-parametric statistical models were employed for the assessment of long-term inter-annual trend on the decomposed time series datasets for the whole region (Guinea savannah region) and selected locations. In addition to the TSA, harmonic regression analysis was performed on NDVI and rainfall datasets in order to examine change in seasonality and phyto-phenological characteristics of vegetation. Detection of change in land use and land cover was done by extracting information from existing land cover datasets (ancillary datasets). CLASlite was used for the assessment of the extent of deforestation, while linkage between remotely sensed data and social science was carried out via field surveys based on questionnaires in order to understand the drivers of vegetation change. The study reveals that about 90 % of the Guinea savannah region show positive NDVI trends which indicate greening over time, while about 10 % of the region shows negative trends. This greening trends are closely related to regions where intensive agriculture is being practiced (also along inland valleys) while regions with negative trends show significant loss in woodlands (forest and shrublands) as well as herbaceous vegetation cover due to over-grazing by agro-pastoralism. The result confirms that there is a good relationship (statistically significant positive correlation) between rainfall and NDVI both on intra-annual and inter annual time scale for some selected locations in the study region (> 65 %), while negative statistical correlation exists between NDVI and temperature in the selected locations. This implies that vegetation growth (productivity) in the region is highly dependent on rainfall. The result of the harmonic regression analysis reveals a shift in the seasonal NDVI pattern, indicating an earlier start and a more prolonged growing season in 2011 than in 1983. This study proves significant change in LULC with evidence of an increase in the spatial extent of agricultural land (+ 30 %) and loss of woodlands (- 55 %) between 2000 and 2009 for Kogi State. The results of the socio-economic analysis (people’s perception) highlight that vegetation change dynamics in the study region are the resultant effects of increased anthropogenic activities rather than climatic variability. This study couples data from remote sensing and ground survey (socio-economics) for a better understanding of greening trend phenomena across the Guinea savannah region of Nigeria, thus filling the gap of inadequate information on environmental condition and human perturbation which is essential for proper land use management and vegetation monitoring.

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.