Reactive transport modeling is an important approach to understand water dynamics, mass transport and biogeochemical processes from the hillslope to the catchment scale. It has a wide range of applications in the fields of e.g. water resource management, contaminanted site remediation and geotechnical engineering. To simulate reactive transport processes at a hillslope or larger scales is a challenging task, which involves interactions of complex physical and biogeochemical processes, huge computational expenses as well as difficulties in numerical precision and stability. The primary goal of the work is to develop a practical, accurate and efficient tool to facilitate the simulation techniques for reactive transport problems towards hillslope or larger scales. The first part of the work deals with the simulation of water flow in saturated and unsaturated porous media. The capability and accuracy of different numerical approaches were analyzed and compared by using benchmark tests. The second part of the work introduces the coupling of the scientific software packages OpenGeoSys and IPhreeqc by using a character-string-based interface. The accuracy and computational efficiency of the coupled tool were discussed based on three benchmarks. It shows that OGS#IPhreeqc provides sufficient numerical accuracy to simulate reactive transport problems for both equilibrium and kinetic reactions in variably saturated porous media. The third part of the work describes the algorithm of a parallelization scheme using MPI (Message Passing Interface) grouping concept, which enables a flexible allocation of computational resources for calculating geochemical reaction and the physical processes such as groundwater flow and transport. The parallel performance of the approach was tested by three examples. It shows that the new approach has more advantages than the conventional ones for the calculation of geochemically-dominated problems, especially when only limited benefit can be obtained through parallelization for solving flow or solute transport. The comparison between the character-string-based and the file-based coupling shows, that the former approach produces less computational overhead in a distributed-memory system such as a computing cluster. The last part of the work shows the application of OGS#IPhreeqc for the simulation of the water dynamic and denitrification process in the groundwater aquifer of a study site in Northern Germany. It demonstrates that OGS#IPhreeqc is able to simulate heterogeneous reactive transport problems at a hillslope scale within an acceptable time span. The model results shows the importance of functional zones for natural attenuation process. / Modellierung des reaktiven Stofftranports ist ein wichtiger Ansatz um die Wasserströmung, den Stofftransport und die biogeochemischen Prozesse von der Hang- bis zur Einzugsgebietsskala zu verstehen. Es gibt umfangreiche Anwendungsgebiete, z.B. in der Wasserwirtschaft, Umweltsanierung und Geotechnik. Die Simulation der reaktiven Stofftransportprozesse auf der Hangskala oder auf größeren Maßstäbe ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da es sich um die Wechselwirkungen komplexer physikalischer und biogeochemischen Prozesse handelt, die riesigen Berechnungsaufwand sowie numerischen Schwierigkeiten bezogen auf die Genauigkeit und die Stabilität nach sich ziehen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein praktisches, genaues und effizientes Werkzeug zu entwickeln, um die Simulationstechnik für reaktiven Stofftransport auf der Hangskala und auf größeren Skalen zu verbessern. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Simulation der Wasserströmung in gesättigten und ungesättigten porösen Medien. Das Anwendungspotential und die Genauigkeit verschiedener numerischer Ansätze wurden mittels einiger Benchmarks analysiert und miteinander verglichen. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Kopplung der wissenschaftlichen Softwarepakete OpenGeoSys und IPhreeqc mit einer stringbasierten Schnittstelle dar. Die Genauigkeit und die Recheneffizienz des gekoppelten Tools OGS#IPhreeqc wurden basierend auf drei Benchmark-Tests diskutiert. Das Ergebnis zeigt, dass OGS#IPhreeqc die ausreichende numerische Genauigkeit für die Simulation reaktiven Stofftransports liefert, welcher sich sowohl auf die Gleichgewichtsreaktion als auch auf die kinetische Reaktion in variabel gesättigten porösen Medien beziehen. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt zuerst den Algorithmus der Parallelisierung des OGS#IPhreeqc basierend auf dem MPI (Message Passing Interface) Gruppierungskonzept, welcher eine flexible Verteilung der Rechenressourcen für die Berechnung der geochemischen Reaktion und der physikalischen Prozesse wie z.B. Wasserströmung oder Stofftransport ermöglicht. Danach wurde die Leistungsfähigkeit des Algorithmus anhand von drei Beispielen getestet. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz Vorteile gegenüber die konventionellen Ansätzen für die Berechnung von geochemisch dominierten Problemen bringt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nur eingeschränkter Nutzen aus der Parallelisierung für die Berechnung der Wasserströmung oder des Stofftransportes gezogen werden kann. Der Vergleich zwischen der string- und der dateibasierten Kopplung zeigt, dass die erstere weniger Rechenoverhead in einem verteilten Rechnersystem, wie z.B. Cluster erzeugt. Der letzte Teil der Arbeit zeigt die Anwendung von OGS#IPhreeqc für die Simulation der Wasserdynamik und der Denitrifikation im Grundwasserleiter eines Untersuchungsgebietes in NordDeutschland. Es beweist, dass OGS#IPhreeqc in der Lage ist, reaktiven Stofftransport auf der Hangskala innerhalb akzeptabler Zeitspanne zu simulieren. Die Simulationsergebnisse zeigen die Bedeutung der funktionalen Zonen für die natürlichen Selbstreinigungsprozesse.

An earth dam and a dike is one kind of hydraulic construction, which is built with highly compacted earth and can be used for the purpose of containing water in a reservoir to secure the water supply, and in flood control. Earth dam and dike can be a safety issue, as it can experience catastrophic destruction due to the slope failure caused by various factors, such as construction materials, vegetation, atmospheric conditions and so on. The aim of this study is to investigate the influence of the saturation degree (or water content) on the stability of earth dam and dikes under the consideration of precipitation and vegetation with the program PCSiWaPro® (developed at the Technical University of Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment). The preliminary tests on a physical model have shown that the security and stability has been already severely compromised in the partially saturated region, i.e. the area above the seepage line was in great danger and it came quickly to landslides on the air side. Before the stability analysis could be done for those unsaturated zones, water flow processes and water saturation in the saturated and partially saturated soil area were simulated using the simulation program PCSiWaPro® under transient boundary conditions. The integration of a weather generator into PCSiWaPro® allows a transient water flow calculation with respect to atmospheric conditions (precipitation, evaporation, daily mean temperature and sunshine duration) and removal of water by plant roots and leaves. Finally, with the Program PCSiWaPro® and Gmsh, a 2D dynamic model of water content distribution in the earth dam could be built, incorporating information of not only climate parameters and vegetation but also geometry, soil properties, geohydraulic conditions and time-dependent boundary conditions. The simulation results of several scenarios both in the laboratory and in the field of China and Germany clearly demonstrated that the accordance between measured values and calculated values for water content using the simulation program PCSiWaPro® was very good. In addition, two kinds of stability analysis models (the Infinite Slope Model and the BISHOP’S Model, one kind of the limit equilibrium method), which were both developed from the old Mohr-Coulomb Model, have been improved with the additional consideration of root reinforcement in the upper layer of the slope and soil water in the earth slope. The Infinite Slope Model has been proved to be mainly applied for the surficial landslide; while the BISHOP’S Model is more responsible for the deeper slip landslide forecasting. Then based on the PCSiWaPro® simulation result of water content in the unsaturated slope in the earth bodies from two study sites, Fs (safety of factor) calculation for those earth slopes was derived providing a sufficient forecasting system for the slope-failure-flood. The results have been compared with the calculated Fs values from the old models (without consideration of the influence of water content change on the slope stability) to study how significantly water content increased the risk of slope landslides.

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.

The hyporheic interstitial was recognized as an integral zone within the aquatic ecosystem bearing important functions for both adjacent compartments, surface and ground water, about 50 years ago. Since then, rather disciplinary works gained knowledge on the organismic community of this ecotone, its spatial extent, the role of distinct parameters such as hydrology and morphology, temporal characteristics, process dynamics, the role for stream or groundwater quality and restoration measures. However, a systematic study on the risks to the hyporheic functions was missing to date. This thesis combined existing methods in order to gather an integrated set of information allowing for the assessment of the ecotonal status. This approach was applied to investigate the functional behavior towards stressors like increasing nutrient and fine sediment input into a rather pristine environment. An interdisciplinary risk assessment and the establishment of adapted measures was called for as land-use scenarios for the studied catchment area indicated progressive onland erosion. Therefore firstly, an integrated monitoring scheme was drawn up and conducted at three sites along a river that underlay a stressor gradient such as mentioned before. Secondly, the data sets were analysed in order to evaluate the status of the hyporheic funtions at the riffles. Thirdly, a coupled surface-subsurface modelling approach was set up to further study the impact of the stressors on the ecotonal integrity. And fourthly, an interdisciplinary consideration combined with studies on the catchments sediment budget and the rivers ecological status was applied to identify measures for the restoration and protection of the aquatic ecosystem. The analysis of the data gathered with the help of the established monitoring scheme revealed that elevated nutrient or fine sediment input lead to biological or physical clogging, respectively, with consequences for the hyporheic zone functions. The surface - ground water connectivity was either lowered in summer months, when biofilm growth was highest, or permanently, as fine sediment particles infiltrated into the interstices of the riverbed sediment. Scouring did not seem to take place as high amounts of fine particles were found in the matrix after discharge events of snowmelt and summer precipitation. With respect to the biogeochemical regulation function, biofilm material appeared to provide an autochthonous carbon source boosting microbial substance turnover. The sediment underneath the physical clogged layer was cut off from carbon and oxygen rich surface water and thus was not reactive. However, the enhanced surface area provided by the fine sediment within the topmost sediment layer seemed to support microbial processing. The inclusion of the results of a study concerning the ecological status at the investigated reaches lead to the deduction that biological clogging at the present degree was not affecting habitat quality. Whereas the physical clogging had tremendeous and lasting effects on the macroinvertebrate community which carries to the conclusion that sediment management within the studied catchment is of uttermost importance. A scenario analysis reflecting distinct clogging degrees and types with a calibrated model of a studied riffle within a pristine reach proved the observed loss of hydrologic connectivity due to physical and biological clogging. Further, a treshold of oxygen consumption rates above which the reproduction of salmonid fish would be unsuccessful was identified for the settings of the middle reaches. In summer month with low discharge it seemed to be likely that this treshold might be reached. Following, a dynamic discharge may be decisive to protect the ecotonal integrity. The integration with the outcome of an investigation regarding the sediment sources within the catchment allowed for two suggestions. On the one hand, river bank restoration and protection within the middle reaches need to be prioritised, and on the other hand, the conservation of the natural vegetation at the steep slopes within the mountaineous areas need to be undertaken in order to secure the pristine aquatic environment of this area. Hyporheic zone research of the last decade was driven by testing hypotheses on the functional significance of distinct spatial and temporal configurations in the field and by new modelling approaches. However, data on the quantification of the ecological impact of clogging processes were lacking. The thesis contributed to the systemic understanding of the hyporheic zone being affected by physical and biological clogging and new field data within a degrading pristine environment were generated, accessible for further hyporheic research. The interdisciplinarity enabled comprehensive statements for the usage of an Integrated Water Resources Management plan.

Hauptaufgabe der Vulkanseismologie ist die qualitative and quantitative Beschreibung einer oder mehrerer unbekannter seismischer Quellen, die sich in einer unbekannten Tiefe unter dem Vulkan befinden. Auch wenn viele Vulkane der Erde ähnliche Signalcharakteristiken aufweisen, war es bis heute nicht möglich, für Vulkane ein seismisches Standard-Quellmodell zu finden, analog dem Double- Couple in der Erdbebenseismologie. Kontinuierlich tätige Vulkane, wie z.B. Stromboli (Italien), stellen für den Vulkanseismologen ein ideales natürliches Feldlabor dar, diese Fragestellung zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit untersucht auf Stromboli registrierte Explosionsbeben und vulkanischen Tremor in einem breiten Frequenzband und behandelt die Frage nach der Lage und dem Mechanismus der seismischen Quelle(n). Seismische und Infraschallmessungen von strombolischen Explosionsbeben zeigen, dass sich eine Hochfrequenz-Phase mit einer Geschwindigkeit von etwa 330 m/s fortbewegt. Die seismische Quelle kann durch eine Explosion am oberen Ende der Magmasäule erklärt werden, die durch aufsteigende Gasblasen verursacht wird. Sowohl die seismische P-Welle, als auch die Luftwelle werden zum gleichen Zeitpunkt an ein und demselben Ort generiert. Die verschiedenen Laufwege und Geschwindigkeiten der seismischen und der Luftwelle resultieren in einem Laufzeitunterschied dt, der zur Bestimmung des Magmenstandes und der Schallgeschwindigkeit in der Eruptionss¨aule im Schlotinnern genutzt werden kann. In Kraternähe installierte Stationen zeigen, dass Infraschall- und seismische Messungen des kurzperiodischen Tremors (> 1 Hz) den gleichen Frequenzgehalt und ähnliche Fluktuationen der seismischen Energie aufweisen. Daher wird der kurzperiodische vulkanische Tremor auf Stromboli durch das kontinuierliche Aufsteigen und Platzen kleiner Gasblasen im oberen Teil der Magmasäule verursacht. Das Spektrum des auf Stromboli registrierten langperiodischen Tremors besteht hauptsächlich aus drei Maxima bei 4.8 s, 6 s und 10 s, deren Spektralamplitude mit der jeweiligen Wettersituation variieren. Sie werden daher nicht von einer lokalen vulkanischen Quelle erzeugt, sondern durch Meeresmikroseismik (MMS). Der Durchzug eines lokalen Tiefdruckgebietes scheint die Ursache für Spektralenergie bei 4.8 s and 10 s, die jeweils die Doppelte bzw. die Primäre Frequenz der MMS darstellen. Als Ursache des spektralen Maximums bei 6 s könnte ein Tief nahe der Britischen Inseln in Frage kommen. Seismische Daten, die von dem ersten auf Stromboli installierten Breitband- Array registriert wurden, zeigten überraschend einfache Wellenformen, die einen anfänglich kontraktierenden Quellmechanismus anzeigen. Die Analyse der Partikelbewegung und die Anwendung seismischer Arraytechniken ermöglichten eine Lokalisierung der seismischen Quelle in Oberflächennähe. Die Anwendung verschiedener Inversionsmethoden gestattete es, Eruptionsparameter und Charakteristiken der seismischen Quelle während der Strombolieruption am 5. April 2003 abzuschätzen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass der paroxystische Ausbruch durch eine langsame Überschiebungsdislokation mit einer Momentenmagnitude von Mw = 3.0 verursacht wurde, ausgelöst durch einen vorher durch Dike-Intrusion verursachten Bruch. Während des Paroxysmus konnte in den seismischen Signalen mindestens eine Blow-out Phase mit einer Momentenmagnitude von Mw = 3.7 identifiziert werden. Diese kann durch einen vertikalen linearen Vektordipol, zwei schwächere horizontale lineare Dipole in entgegengesetzter Richtung, zuzüglich einer Vertikalkraft repräsentiert werden. Seismische Messungen, die während kontrollierter und reproduzierbarer Blowout Experimente unter Verwendung von einem in einer Basaltschmelze eingeschlossenen Gasvolumen durchgeführt wurden, ergaben folgende Ergebnisse: Monochromatische Signale sind Anzeiger für einen Blow-out in einem duktilen Regime, wohingegen ein breitbandigerer Frequenzgehalt auf einen Sprödbruch hinweist. Je grösser die Länge des Schmelztiegels ist, desto schwächer sind die seismischen Signale. Ein grösser Gasdruck bewirkt eine stärkere Fragmentation des Magmas, aber keine höhere Austrittsgeschwindigkeit des Magmapropfens und auch keine grössere seismische Amplitude. Auch wenn die langperiodischen Signale, wie beispielsweise Tilt, im Labor nicht simuliert werden konnten, sind die Blow-out Experimente überraschend gut in der Lage, die am Vulkan Stromboli registrierten kurzperiodischen seismischen Signale zu reproduzieren. / The main purpose of volcano-seismology concerns the qualitative and quantitative description of one or more unknown seismic source(s) located at some unknown depth beneath a volcano. Even if many different volcanoes show similar seismic signal characteristics, up to now it was not possible to find a standard seismic source model for volcanoes, as the double-couple in earthquake seismology. Volcanoes with a continuous activity, like Stromboli (Italy), represent for the volcano seismologist a perfect natural laboratory to address this question. This thesis treats the study of explosion-quakes and volcanic tremor recorded on Stromboli in a broadband frequency range, and discusses the location and the possible mechanisms of the seismic source(s). Seismic and infrasonic recordings of explosion-quake from Stromboli showed that the high-frequency phase propagates with a velocity of approximately 330 m/s. The seismic source can be explained as an explosion at the top of the magma column generated by rising gas bubbles. The seismic P-wave and the air-wave are both generated in the same point at the same time. The different path lengths and velocities for the seismic wave and the air-wave result in a difference in arrival times dt, that could be used to deduce the magma level and sound speed in the eruption column inside the conduit. Stations installed near the active crater reveal that infrasonic and seismic recordings of the short-period tremor (> 1 Hz) share the same spectral content and show similar energy fluctuations. Therefore, the short-period volcanic tremor at Stromboli originates from the continuous out-bursting of small gas bubbles in the upper part of the magmatic column. The spectrum of the long-period tremor recorded at Stromboli consists of three main peaks with periods at 4.8 s, 6 s and 10 s, and amplitudes varying with the regional meteorological situation. Hence, they are not generated by a close volcanic source but rather by ocean microseisms (OMS). The passage of a local cyclone seems to be the seismic source for spectral energy at 4.8 s and 10 s, which represent the Double Frequency and the Primary Frequency of the OMS, respectively. Concerning the 6 s peak, a cyclone near the British Isles could act as a seismic source. Seismic data from the first broadband array deployed on Stromboli showed surprisingly simple waveforms, indicating an initially contracting source mechanism. The analysis of particle motion and the application of seismic array techniques allowed the location of a seismic source in the shallow part of the volcano. Eruption parameters and seismic source characteristics of the April 5, 2003 Stromboli eruption have been estimated using different inversion approaches. The paroxysm was triggered by a shallow slow thrust-faulting dislocation event with a moment magnitude of Mw = 3.0 and possibly associated with a crack that formed previously by dike extrusion. At least one blow-out phase during the paroxysmal explosion could be identified from seismic signals with an equivalent moment magnitude of Mw = 3.7. It can be represented by a vertical linear vector dipole and two weaker horizontal linear dipoles in opposite direction, plus a vertical force. Seismic measurements performed during controlled and reproducible blow-out experiments with a gas volume entrapped in basaltic melt revealed the following: Monochromatic seismic signals suggest a blow-out in a more ductile regime, whereas broader frequency content indicates rupture in a more brittle environment. The longer the crucible, the weaker the seismic signals. An increase in pressure results in a stronger fragmentation, but not in a higher ejection velocity of the plug neither in a higher seismic amplitude. Even if the very long period observations like the tilt signal could not be simulated in the laboratory, the blow-out experiments simulate very well the short-period seismic signals recorded at Stromboli volcano.

Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert neue petrologische Untersuchungen an hochgradig metamorphen Gesteinen des Beit Bridge, Mahalapye und Phikwe Komplexes, welche gemeinsam die Central Zone des Limpopo Belt im südlichen Afrika bilden. Die Ergebnisse liefern detaillierte Informationen über die pro- und retrograde Druck-Temperatur-(P-T)-Entwicklung der drei Komplexe und bilden, in Einklang mit geochronologischen Daten, die Grundlage für die Erstellung eines einheitlichen geodynamischen Modells der Bildung der Central Zone des Limpopo Belt. Die abgeleiteten P-T Pfade wurden anhand detaillierter Untersuchungen an quartzgesättigten und - untersättigten Metapeliten bis Metabasiten erstellt, wobei sechs Sillimanit-Granat-Cordierit Gneisse, vier (Granat)- Biotit-Plagioklas Gneisse, zwei Granat-Orthopyroxen-Biotit- Kalifeldspat-Plagioklas Gneisse, ein Granat-Cordierit-Orthoamphibol Fels, ein Granat-Biotit Amphibolit und ein Granat-Klinopyroxen Amphibolit untersucht wurden. PT Punkte und P-T Entwicklungen wurden mit Hilfe von konventionellen Geothermobarometern und quantitativen Phasendiagrammen in den Systemen Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O - TiO2 - O(NCKFMASHTiO) und MnO - TiO2 - Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O (MnTiNCKFMASH) berechnet und abgeleitet. Die Phasendiagramme wurden mit den Programmen THERMOCALC und THERIAK-DOMINO berechnet. Petrologische Informationen, speziell solche, die durch den Vergleich von beobeachteten/gemessenen mit thermodynamisch berechneten Mineralparagenesen, -zonierungen, -zusammensetzungen und Modalgehalten erhalten wurden zeigen, in Kombination mit neuen und bereits existierenden geochronologischen Daten, dass Gesteine der drei untersuchten Komplexe geringfügig unterschiedliche P-T Entwicklungen zu verschiedenen Zeiten durchliefen. Proben aus der Gegend des Bulai Plutons (Beit Bridge Komplex) belegen ein hochgradig metamorphes Ereignis im Neoarchaikum um ~2.64 Ga (M2), mit peak-metamorphen Bedingungen von ~850°C/8-9 kbar und einer retrograden Dekompression mit gleichzeitiger Abkühlung zu ~750°C/5-6 kbar. Diese metamorphe Entwicklung erfolgte vermutlich im geodynamischen Umfeld eines Magmatischen Bogens. Im Gegensatz hierzu dokumentieren Proben des Mahalapye und Phikwe Komplexes metamorphe Entwicklungen im Paläoproterozoikum um ~2.03-2.05 Ga (M3), die sich zudem im prograden Verlauf der Metamorphose voneinander unterscheiden. Metamorphe Gesteine des Mahalapye Komplexes kennzeichnet eine Hochtemperatur- Niedrigdruck-(HT-LP)- Metamorphose mit schwacher prograder Dekompression von ~650°C/7 kbar nach ~800°C/5.5 kbar, die mit der Platznahme von ausgedehnten granitischen Intrusionen um ~2.06-2.02 Ga einherging. Metamorphe Gesteine des Phikwe Komplexes hingegen zeigen eine gleichzeitige Druck- und Temperaturzunahme von ~600°C/6 kbar nach ~750°C/8 kbar, die nicht mit Magmatismus im Paläoproterozoikum assoziiert war. Es wird gefolgert, dass die HT-LP metamorphe Entwicklung des Mahalapye Komplexes ihre Ursache in dem magmatischen „Underplating“ heisser mafischer Schmelzen, als Ergebnis südost- erichteter Subduktion während der Kheis-Magondy Orogenese, und/oder der zeitgleichen Aktivität von Mantel Plumes, in Zusammenhang mit der Bildung des Bushveld Komplexes, hat. Im Gegensatz hierzu belegen die Gesteine des Phikwe Komplexes eine prograde Druck- und Temperaturzunahme, hervorgerufen durch eine fortschreitende Krustenstapelung um ~2.03 Ga. Diese Stapelung ist bereits für zahlreiche andere geologischen Einheiten des Limpopo Belt belegt. Sie wird als eine Folge der endenden Annäherung/Kollision zwischen dem Kaapvaal und Zimbabwe Kraton interpretiert, welche durch südost-gerichtete Kompression im Zuge der Kheis-Magondy Orogenese zw. ~2.06 und 1.90 Ga hervorgerufen wurde. / This study presents new petrological results obtained from high-grade metamorphic rocks of the Beit Bridge, Mahalapye and Phikwe Complexes, which constitute the Central Zone of the Limpopo Belt in southern Africa. These results provide detailed information about the prograde and retrograde pressure-temperature (P-T) evolution of the three investigated complexes and, in concert with geochronological data, form the basis for the development of a coherent geodynamic model for the evolution of the Limpopo’s Central Zone. The P-T paths were inferred by the thorough investigation of silica-saturated and silica- undersaturated metapelitic and metabasic rocks, comprising six sillimanite-garnet-cordierite gneisses, four (garnet)-biotite-plagioclase gneisses, two garnet-orthopyroxene-biotite-Kfeldspar-plagioclase gneisses, one garnet- cordierite-orthoamphibole fels, one garnet-biotite amphibolite, and one garnet-clinopyroxene amphibolite. P-T points and P-T evolutions were derived by the application of conventional geothermobarometers, and quantitative phase diagrams in the systems Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O - TiO2 - O (NCKFMASHTiO), and MnO - TiO2 - Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O (MnTiNCKFMASH) - using the computer software THERMOCALC and THERIAK-DOMINO. The petrological information, in particular those obtained by comparison between observed and thermodynamically calculated mineral assemblages, zonations and modes, in combination with new and existing geochronological data provide evidence that rocks from the three investigated complexes underwent slightly different P-T evolutions at different times. The samples from the Bulai Pluton area (Beit Bridge Complex) provide evidence for a Neoarchean high-grade metamorphic event at ~2.64 Ga (M2), with peak P-T conditions of ~850°C at 8-9 kbar, and a decompression-cooling path to ~750°C at 5-6 kbar. This metamorphic evolution perhaps took place in a magmatic arc setting. In contrast, samples from the Mahalapye and Phikwe Complex document a Palaeoproterozoic event at ~2.03-2.05 Ga (M3), and were subject to different styles of prograde metamorphism. Metamorphic rocks from the Mahalapye Complex experienced a high-temperature low-pressure (HT-LP) metamorphic overprint, accompanied by the emplacement of voluminous granite bodies between 2.06 and 2.02 Ga, and provide evidence for a slightly prograde decompression from ~650°C/7 kbar to ~800°C/5.5 kbar. In contrast, the metamorphic rocks from the Phikwe Complex provide evidence for a simultaneous pressure and temperature increase from ~600°C/6 kbar to ~750°C/8 kbar, in the absence of significant Palaeoproterozoic magmatism. The HT-LP metamorphic evolution of the Mahalapye Complex is interpreted to be initiated by the underplating of hot mafic melts, either formed in response to SE-subduction during the Kheis-Magondi orogeny, and/or by contemporaneous mantle plume activities related to the formation of the Bushveld Complex. In contrast, the prograde pressure and temperature increase reflected by the rocks from the Phikwe Complex rather reflects successive crustal stacking at ~2.03 Ga. This stacking, which is also reported from many other units throughout the Limpopo Belt, is interpreted to result from the final convergence between the Kaapvaal and Zimbabwe Cratons, perhaps caused by SE-directed compression in response to the Kheis-Magondi orogeny between ~2.06 and 1.90 Ga.

The present study concerned mainly on the source, facies, and sedimentary environments of the Middle to Upper Jurassic strata in the Kerman and Tabas areas, east-central Iran. The composition of sandstones, and heavy mineral analysis point to pre-existing sedimentary, low, middle to upper rank metamorphic, and plutonic rocks of the Kalmard, Posht-e-Badam, Bayazeh, and Zarand-Kerman areas as the source rocks. According to the diagram of WELTJE et al. (1998), most samples from the Middle-Upper Jurassic rocks suggest a moderate to high elevation of the source area, and indicate a semi-arid and mediterranean to sub-humid climate. In the Qt-F-L ternary diagrams of DICKINSON et al. (1983), most point counting data from the Lower Siliciclastic Member and the top of the Hojedk Formation plot in the recycled orogen (Quartzose recycled) area of the diagram. The sandstones in this area can be interpreted as being derived from the Mid-Cimmerian Movements. Sixteen different types of siliciclastic-carbonate, and evaporatic sedimentary environments have been recognized. Thirty-nine macroinvertebrate taxa have been identified. Ten ichnotaxa have been taxonomically described from the Middle to Upper Jurassic rocks. Quite likely, before rotation of CEIM which were associated with counterclockwise block-rotation, equivalent rocks of the Bidou Formation occurred along the tectonic zone between the Yazd and the Tabas blocks (probably during the Middle Jurassic to Lower Cretaceous). However, from the Cretaceous onwards, most of the Bidou Formation has been removed by a combination of strike-slip and reverse movements of the Kashmar-Kerman tectonic zone. Roughly, these block-rotation movements occurred after the Cretaceous. During the Middle to Upper Jurassic, the tectonic activities were vertical movements producing the sedimentary pattern in the CEIM. / Die Arbeit behandelt die Herkunft, Fazies und das Ablagerungsmilieu des mittleren bis oberen Jura der Kerman- und Tabas-Regionen, östlicher Zentraliran.

This work presents the analysis, 3D modeling and interpretation of gravity and aeromagnetic data of Jordan and Middle East. The potential field data delineate the location of the major faults, basins, swells, anticlines, synclines and domes in Jordan. The surface geology of Jordan and the immediate area east of the Rift is dominated by two large basins, the Al-Jafr basin in the south and the Al-Azraq-Wadi as Sirhan basin to the northeast. These two basins strike southeast-northwest and are separated by an anticlinal axis, the Kilwah-Bayir swell. The Karak Wadi El Fayha fault system occurs along the western flank of the swell. The Swaqa fault occurs on the southwest hinge of Al-Azraq basin and the Fuluq fault occurs on its northeast hinge. In the south west of Jordan, Wadi Utm-Quwaira and Disi-Mudawara fault zones are shown clearly in the aeromagnetic and gravity maps. The previous major faults are well correlated with the structural map of Jordan published by Bender (1968). 3D modeling of gravity data in the Dead Sea basin (DSB) was used together with existing geological and geophysical information to give a complete structural picture of the basin. The 3D models of the DSB show that the internal structure of the Dead Sea basin (DSB) is controlled by longitudinal faults and the basin is developed as a full graben bounded by sub-vertical faults along its long sides. In the northern planes of the 3D model, the accumulation of Quaternary (salt and marl) and Mesozoic (pre-rift) sediments are thinner than in the central and southern planes of the model. In the northern planes, the thickness of the Quaternary sediments is about 4 km, 5 km in the southern planes and it exceeds 8 km in the central planes of the DSR. The thickness of the pre-rift sediments reaches 10-12 km in the northern and southern planes and exceeds 15 km in the central planes of the DSR. The planes of the 3D models show that the depth to the crystalline basement under the eastern shoulders of the DSR is shallower than those beneath the western shoulders. It is about 3-5 km beneath the eastern shoulders and 7-9 km under the western shoulder of the DSR. The gravity anomaly maps of residual and first derivative gravity delineate the subsurface basins of widely varying size, shape, and depth along the Rift Valley. The basins are created by the combination of the lateral motion along a right-tending step over and normal faulting along the opposite sides. Al Bakura basin occupies the upper Jordanian River valley and extends into the southern Tiberias Lake. Bet Shean basin to the south of Al Bakura basin plunges asymmetrically toward the east. The Damia basin, comprising the central Jordan Valley and Jericho areas to the north of the Dead Sea is shallow basin (~600-800m deep). The Lisan basin is the deepest basin in the Rift. The 3D gravity models indicate a maximum of ~12 km of basin fill. Three basins are found in Wadi Araba area, Gharandal, Timna (Qa'-Taba) and Aqaba (Elat) basin. The three basins become successively wider and deeper to the south. The three regional gravity long E-W profiles (225 km) from the Mediterranean Sea crossing the Rift Valley to the east to the Saudi Arabia borders, show the positive correlation between topography and free air anomaly and strong negative Bouguer anomaly under the central part of the Dead Sea Basin (DSB) and normal regional Bouguer anomaly outside of the DSB in the transform valley. Depth to the top of the bedrock in the under ground of Jordan was calculated from potential field data. The basement crops out in the south west of Jordan and becomes deeper to northwards and eastwards to be about ~ 8 km below ground surface in the Risha area. / In der vorliegenden Arbeit wird die Analyse gravimetrischer und aeromagnetischer Daten aus dem Gebiet Jordaniens und des umgebenden Teils des mittleren Ostens mittels 3D Modellierung vorgestellt. Die Variationen der Potentialfelder folgen systematisch den Hauptstörungen, Becken, Schwellen, Faltenstrukturen und Dome in Jordanien. Die Oberflächengeologie Jordaniens und der Gebiete unmittelbar östlich der Riftzone werden von zwei großen Beckenstrukturen dominiert: Das Al-Jafr Becken im Süden und das Al-Azraq-Wadi (auch Sirhan Becken) im Nordosten. Diese Becken streichen SE-NW und sind durch eine Antiklinalstruktur, die Kilwah-Bayir Schwelle separiert. Das Karak Wadi El Fayha Störungssystem liegt im Bereich der westlichen Flanke der Schwelle. Im Südwesten grenzt die Swaqa Störung, im Nordosten die Fuluq Störung das Al al-Azraq Becken ab. Im Südwesten Jordaniens können auf den erstellten aeromagnetischen und gravimetrischen Plänen klar die prominenten Stö- rungszonen Wadi Utm-Quwaira und Disi-Mudwara nachgewiesen werden. Alle diese geophysikalisch indizierten tektonischen Elemente korrelieren gut mit den geologischen Aufnahmen von Bender (1968). 3D Modellierung der gravimetrischen Anomalie des Toten Meer Beckens (DSB) im GIS mit geologischer, seismischer und (Bohrloch) geophysikalischer Information wurde eingesetzt, um eine komplette Darstellung der Strukturen des Beckens zu erzielen. Die 3D-Modelle des DSB zeigen, dass die interne Beckenstruktur von Längsstörungen kontrolliert werden und das Becken als Vollgraben ausgebildet ist. Beide Grabenflanken werden von subvertikalen Randbrüchen begrenzt. In den Nord- Schnitten des Modells ergeben sich für die Akkumulation der Quartären Grabenfüllung (Salz und Mergel) mit etwa 4 km ebenso wie der der Mesozoischen (prä-Rift) Sedimente mit etwa 10 km geringere Mächtigkeiten als in den südlichen Schnitten. Hier liegen die Mächtigkeiten der Quartären Grabenfüllung bei etwa 5 km und die des Mesozoikums bei über 12 km. Die maximale Mächtigkeiten werden allerdings in zentralen Schnittlagen des Modells errechnet, wo das Quartär mit über 8 km und das mesozoikum mit über 15 km modelliert wurde. Im Modell des DSB liegt das kristalline Basement in der östlichen Grabenschulter mit 3-5 km deutlich flacher als mit 7-9 km unter der westlichen Grabenschulter. Die Anomaliepläne der Schwere, sowie die der ersten Ableitung weisen auf viele, oberflächlich nicht erkennbare Teilbeckenstrukturen im Verlauf des Riftes hin. Diese Becken werden durch die Kombination der Blattverschiebung mit dextralem "Stepp over" und Abschiebungen erklärt. Das Al Bakura Becken nimmt den oberen Bereich des Jordan Tales ein und dehnt sich bis in den Bereich des Tiberias See aus. Das südlich anschließende Bet Shean Becken taucht assymetrisch nach Ost ab. Das Damia Becken, im zentralen Jordan Tal und im Gebiet von Jericho, oberhalb des Toten Meeres gelegen, ist mit einer Tiefe von 600-800m eine sehr flache Struktur. Im nach Süden anschließenden Lisan Becken kann nach der Modellierung eine Sedimentfüllung von etwa 12 km angenommen werden. Im Bereich des Wadi Araba konnten drei weitere Becken wurden aus der Modellierung abgeleitet werden (Gharandal, Timna (Qa-Taba) und Aqaba (Elat), die alle zum Süden hin weiter und tiefer werden. Die drei regionalen E-W Schwereprofile (225 km Gesamtlänge) vom Mittelmeer über das Tote Meer bis zur Grenze von Saudi Arabien zeigen eine positive Korrelation zwischen der Topographie und der Freiluftanomalie sowie eine starker negative Bougueranomalie im Bereich des zentralen DSB. Außerhalb des DSB im Rifttal ist die Bouguerschwere normal. Die Tiefenlage der Kristallinbasis im Untergrund von Jordanien wurde aus den Daten der Aeromagnetik berechnet. Das Basement ist im Südwesten Jordanien aufgeschlossen und seine Tiefenlage nimmt sukzessive nach Norden und Osten auf etwa 8 km im Raum von Risha zu.

During the Mesoproterozoic large volumes of magma were repeatedly emplaced within the basement of NW Namibia. Magmatic activity started with the intrusion of the anorthositic rocks of the Kunene Intrusive Complex (KIC) at 1,385-1,347 Ma. At its south-eastern margin the KIC was invaded by syenite dykes (1,380-1,340 Ma) and younger carbonatites (1,140-1,120 Ma) along ENE and SE trending faults. Older ferrocarbonatite intrusions, the ‘carbonatitic breccia’, frequently contain wallrock fragments, whereas subordinate ferrocarbonatite veins are almost xenolith-free. Metasomatic interaction between carbonatite-derived fluids and the neighbouring and incorporated anorthosites led to the formation of economically important sodalite deposits. Investigated anorthosite samples display the magmatic mineral assemblage of Pl (An37-75) ± Ol ± Opx ± Cpx + Ilm + Mag + Ap ± Zrn. Ilmenite and pyroxene are surrounded by narrow reaction rims of biotite and pargasite. During the subsolidus stage sporadic coronitic garnet-orthopyroxene-quartz assemblages were produced. Thermobarometry studies on amphiboles yield temperatures of 985-950°C whereas the chemical composition of coronitic garnet and orthopyroxene indicate a subsolidus re-equilibration of the KIC at conditions of 760 ± 100°C and 7.3 ± 1 kbar. In the syenites Kfs, Pl, Hbl and/or Cpx crystallized first, followed by a second generation of Kfs, Hbl, Fe-Ti oxides and Ttn. Crystallization of potassium feldspar occurred under temperatures of 890-790°C. For the crystallization of hastingsite pressures of 6.5 ± 0.6 kbar are obtained. In order to constrain the source rocks of the two suites, oxygen isotope analyses of feldspar as well as geochemical bulk rock analyses were carried out. In case of the anorthosites, the general geochemical characteristics are in excellent agreement with their derivation from fractionated basaltic liquids, with the d18O values (5.88 ± 0.19 ‰) proving their derivation from mantle-derived magmas. The results obtained for the felsic suite, provide evidence against consanguinity of the anorthosites and the syenites, i.e. (1) compositional gaps between the geochemical data of the two suites, (2) trace element data of the felsic suite points to a mixed crustal-mantle source, (3) syenites do not exhibit ubiquitous negative Eu-anomalies in their REE patterns, which would be expected from fractionation products of melts that previously formed plagioclase cumulates and (4) feldspar d18O values from the syenites fall in a range of 7.20-7.92 ‰, which, however, is about 1.6 ‰ higher than the average d18O of the anorthosites. Conformably, the crustal-derived felsic and the mantle-derived anorthositic suite are suggested to be coeval but not consanguineous. Their spatial and temporal association can be accounted for, if the heat necessary for crustal melting is provided by the upwelling and emplacement of mantle-derived melts, parental to the anorthosites. In order to constrain the source of the 1,140-1,120 Ma carbonatites and to elucidate the fenitizing processes, which led to the formation of the sodalite, detailed mineralogical and geochemical investigations, stable isotope (C,O,S) analyses and fluid inclusion measurements (microthermometrical studies and synchrotron-micro-XRF analyses) have been combined. There is striking evidence that carbonatites of both generations are magmatic in origin. They occur as dykes with cross-cutting relationships and margins disturbed by fenitic aureoles, and contain abundant flow-oriented xenoliths. The mineral assemblage of both carbonatite generations of Ank + Cal + Ilm + Mag + Bt ± Ap ± pyrochlore ± sulphides in the main carbonatite body and Ank + Cal + Mag ± pyrochlore ± rutile in the ferrocarbonatite veins, their geochemical characteristics and the O and C isotope values of ankerite (8.91 to 9.73 and –6.73 to –6.98, respectively) again indicate igneous derivation, with the 18O values suggesting minor subsolidus alteration. NaCl-rich fluids, released from the carbonatite melt mainly caused the fenitization of both, the incorporated and the bordering anorthosite. This process is characterized by the progressive transformation of Ca-rich plagioclase into albite and sodalite. Applying conventional geothermobarometry combined with fluid-inclusion isochore data, it was possible to reconstruct the P-T conditions for the carbonatite emplacement and crystallization (1200-630°C, 4-5 kbar) and for several mineral-forming processes during metasomatism (e.g. formation of sodalite: 800-530°C). The composition and evolutionary trends of the fenitizing solution were estimated from both the sequence of metasomatic reactions within wallrock xenoliths in the carbonatitic breccia and fluid inclusion data. The fenitizing solutions responsible for the transformation of albite into sodalite can be characterised as of NaCl-rich aqueous brines (19-30 wt.% NaCl eq.), that contained only minor amounts of Sr, Ba, Fe, Nb, and LREE. / Die mesoproterozoische Entwicklung Namibias ist durch wiederholte magmatische Aktivität gekennzeichnet. Zunächst erfolgte vor 1385-1347 Ma die Platznahme von Anorthositen des Kunene-Intrusiv-Komplexes (KIK) innerhalb von hochgradig metamorphen Gesteinen des Epupa-Komplexes. Der KIK wurde nahe seiner südöstlichen Begrenzung von zahlreichen Störungen durchschlagen. In diese SE-NW und ENE-WSW streichenden Schwächezonen intrudierten Syenite (ca. 1380-1340 Ma) sowie jüngere Karbonatite (ca. 1140-1120 Ma). Hierbei erfolgte zunächst die Platznahme einer ersten Ferrokarbonatit-Generation, die in hohem Maße durch Anorthosit-Xenolithe kontaminiert ist („karbonatitische Brekzie“). Diese wird von jüngeren und annähernd Xenolith-freien Ferrokarbonatit-Adern durchschlagen. Metasomatische Wechselwirkungen den Karbonatit-Magmen und angrenzenden Anorthositen und Anorthosit-Xenolithen führten zur Bildung ökonomisch bedeutsamer Sodalith-Vorkommen. Die typische primär-magmatische Mineralogie in den Gesteinen des KIK umfasst: Pl (An37-75) ± Ol ± Opx ± Cpx + Fe-Ti-Oxide + Ap ± Zrn. Säume von Amphibol und Biotit umgeben Pyroxen und Ilmenit. Geothermometrische Untersuchungen ergaben Temperaturen von 985-950°C für die Kristallisation von Amphibol. Eine Reequilibrierung der Anorthosite unter granulit- bis amphibolitfaziellen Bedingungen (760 ± 100°C; 7.3 ± 1 kbar) wurde für Orthopyroxen-Granat-Quarz-Koronen um Olivin festgestellt. In den Syeniten kristallisierten zunächst Kfs, Pl, Cpx und Hbl, gefolgt von einer zweiten Generation von Kfs, Hbl, Fe-Ti-Oxiden und Ttn. Die Kristallisation von K-Feldspat fand unter Temperaturbedingungen von 890-790°C statt. Für die Kristallisation von Hastingsit wurden Drucke von 6.5 ± 0.6 kbar ermittelt. Mit dem Ziel, die Natur der Magmenquelle der Anorthosite und Syenite zu charakterisieren wurden geochemische Untersuchungen durchgeführt, sowie die Sauerstoff-Isotopie von Feldspat-Separaten bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass es sich bei den Stamm-Magmen der Anorthosite um fraktionierte basaltische Magmen handelt. Die d18O-Daten (5.61-6.13 ‰) legen nahe, dass diese Schmelzen durch partielle Aufschmelzung des Erdmantels entstanden sind. Die für die Syenite ermittelten Ergebnisse belegen, dass es sich bei Anorthositen und Syeniten um chemisch unabhängige Systeme handelt, da (1) keine chemische Kontinuität zwischen Anorthositen und Syeniten vorliegt, (2) die Spurenelementgehalte der Syenite auf eine gemischte Kruste-Mantel-Quelle hindeuten, (3) Chondrit-normierte Seltenerd-Element-Muster der Syenite keine negative Eu-Anomalie aufweisen, und (4) die d18O-Werte von Feldspat der Syenite mit 7.20-7.92 ‰ etwa 1.6 ‰ höher liegen als die der Anorthosite. Dementsprechend liegt die enge räumliche und zeitliche Assoziation von Anorthosite und Syeniten vermutlich darin begründet, dass der Aufstieg und die Platznahme der Stamm-Magmen der Anorthosite zum partiellen Aufschmelzen der Unterkruste und somit zur Bildung potentieller Stamm-Magmen der Syenite führten. Um eine umfassende Vorstellung über die genetische und zeitliche Stellung der Karbonatite und über die Sodalith-bildenden Vorgänge zu gewinnen, wurden verschiedene Untersuchungsmethoden angewendet (petrographische und Mikrosonden-analytische Bearbeitung von Dünnschliffen, Bestimmung der Gesamtgesteins-Geochemie, mikrothermometrische Untersuchungen sowie Synchrotron-XRF(SRXRF)-Untersuchungen von Fluid-Einschlüssen, Laser-ICPMS und SRXRF-Analysen der Spurenelement-Gehalte ausgesuchter Minerale sowie O-, C- und S-Isotopenanalytik). Die für die Karbonatite gewonnenen Ergebnisse belegen eindeutig, dass es sich hierbei um magmatische Kristallisationsprodukte fraktionierter Mantelschmelzen darstellen: Die Karbonatite treten als Gänge auf, welche ältere Gesteinseinheiten durchschlagen. Gesteine im Kontakt zu den Karbonatiten haben eine metasomatische Überprägung erfahren; Nebengesteinsklasten werden von Karbonat-reichen Lagen umflossen. Die Mineralogie beider Karbonatit-Generationen, i.e. (1) Ank + Cal + Mag + Bt ± Ilm ± Ap ± Pyrochlor ± Sulfide in der karbonatitischen Brekzie und (2) Ank + Cal + Mag ± Pyrochlor ± Rutil der Ferrokarbonatit-Adern, ihre geochemischen Signaturen sowie die O- und C-Isotopie von Ankerit (8.91-9.73 ‰ d18O und –6.73 bis –6.98 ‰ d13C) bestätigen diese Interpretation, wobei die O-Isotopendaten eine schwache hydrothermale Alteration der Karbonatite nahe legen. Die Ergebnisse von konventioneller Geothermometrie in Kombination mit den für Fluid-Einschlüsse kalkulierten Isochoren belegen, dass die Platznahme der Karbonatite unter P-T-Bedingungen von 4-5 kbar und 1200-630°C erfolgte. Unter Temperaturen von 800-530°C bewirkte die Zirkulation NaCl-reicher wässriger Fluide (19-30 Gew.% NaCl äquivalent) die Umwandlung von Albit der eingeschlossenen Anorthosit-Bruchstücke in Sodalith. Wie SRXRF-Analysen belegen, enthielten die fenitisierenden Fluide zudem geringe Konzentrationen an Sr, Ba, Fe, Nb und SEE.

Die Dissertation "Methoden der Künstlichen Intelligenz in Radarmeteorologie und Bodenerosionsforschung" beschäftigt sich mit der Erfassung des Parameters der potentiellen Erosivität vor dem Hintergrund der Bodenerosionsproblematik Südafrikas. Basierend auf der Betrachtung der Erosivität einzelner Niederschlagsereignisse wird demonstriert, wie durch wissensbasierte Ansätze aus Wetterradardatensätzen flächendeckende Niederschlagsinformationen gewonnen werden können. Diese dienen als Eingangsdaten für ein Erosivitätsmodell, das aus Zellulären Automaten aufgebaut wird. Die Ergebnisse des Erosivitätsmodells werden vorgestellt und diskutiert. / The dissertation "Artificial Intelligence Methods in Radarmeteorology and Soil Erosion Research" discusses the assessment of potential rainfall erodibility in regard to soil erosion processes in South Africa. Knowledge-based approaches are used to derive rainfall information from weather radar data for the recording of erosivity pulses from individual rainfall events. This precipitation data is used as input for a erosivity modell consisting built out of cellular automata. The results generated by the modell are presented and discussed.