Diss. Naturwiss. Bern (KA). / Mit Zusfassung.

Diss. nat. sc. Zurich, 2006 ; ETH Nr. 16911. / CD-ROM enth.: Diss. (mit dt. Zusammenfassung), PDF-Präsentation.

Diss. ETH Zürich, Nr. 16752, 2006. / CD-ROM enth.: Diss. (mit dt. Zusammenfassung), Geol. Karte Mirbat.

The study examines sediments of the Productive Series from the western South Caspian Basin. The main goal of this work is to reconstract provenance of the sediments and its relation to the climatic variability during the deposition of the Productive Series. The Productive Series is divided into a lower and upper division. The Russian Platform was the main sediment source area for the Lower Division. Three different sediment source areas were determined for the Upper Division: the Russian Platform was sediment source area for the Absheron Peninsula; the Greater Caucasus was the main sediment source area for the South Absheron Offshore Zone and the Lesser Caucasus was the main sediment source area for the Baku Archipelago. The sediments of the Lower Division have variable smectite and illite concentrations which indicate climate change between humid and arid conditions in the Russian Platform. The Upper Division of the Productive Series from the Absheron Peninsula is characterised by high amounts of illite. It suggests physical weathering under arid climatic condition on the Russian Platform at the time of deposition. Variation of the smectite and illite assemblages of the Upper Division from the South Absheron Offshore Zone probably indicate that the climate alternated between humid and arid conditions in the Greater Caucasus. The low amount of the TOC ratios in the Productive Series are associated with arid climatic condition in the Russian Platform and the Greater Caucasus. The much higher TOC/TN ratios (>35) indicate that sediments of the Productive Series were impacted by oil. However the low TOC/TN ratios (<12) in some intervals of the Productive Series suggest an aquatic source for an organic matter.

Diss. Nr. 6841 Naturwiss. ETH Zürich.

Diss. ETH Zürich, No. 15307, 2003. / Zusammenfassung in Deutsch.

Univ., Diss.--Bremen, 2005. / PDF unter: http://hs.pangaea.de/Reports.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Erosionsverhalten von Sedimenten in Mischkanalisationen. Zu diesem Zweck wurde eine Apparatur für in-situ-Untersuchungen entwickelt, gebaut und kalibriert. Damit wurden erstmals Erosionsmessungen an echten, ungestörten Kanalsedimenten im großen Umfang durchgeführt. Hierbei wurde die kritische Sohlschubspannung als Kenngröße für die Sedimentstabilität anhand von etablierten und einer neu entwickelten Methode aus den Messdaten gewonnen. Die Kanalsedimente zeigen ein ausgeprägt kohäsives Erosionsverhalten im untersuchten Kanal und verhalten sich somit wie Sedimente in natürlichen Gewässern. Mit Einschränkungen kann folglich auf die umfangreichen Erfahrungen im Bereich der marinen, ästuarinen und fluvialen Sedimente zurückgegriffen werden. Die auf diesem Gebiet untersuchten Einflussfaktoren wurden auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche hinsichtlich ihrer Relevanz für den Bereich der Kanalsedimente bewertet. Die Vielzahl der in Frage kommenden Einflussfaktoren sowie das sich hieraus abzeichnende Geflecht aus den Wechselwirkungen der Einflussfaktoren untereinander macht diese Thematik sehr komplex und das tatsächliche Erosionsverhalten schwer vorhersagbar. In-situ-Untersuchungen stellen daher einen essentiellen Grundstein für die Entwicklung eines allgemeingültigen Erosionsmodells dar. / The present work studies the sediment erosion in combined sewers. For this purpose, an in-situ instrument was developed, constructed and calibrated. For the first time, such an instrument was used to perform erosion measurements on real, undisturbed sewer sediments on a large scale. In the analysis, the bottom shear stress was used as an indicator for the sediment stability applying established methods and also a newly developed one. The sediments in the investigated sewer show a distinct cohesive erosion behavior. Hence, they behave similar to sediments in natural waters. Therefore, one can with some limitations use the extensive experience in the field of marine, estuarine, and fluvial sediments. The influences studied in that field were evaluated according to their relevance for sewer sediments in a extensive literature research. Due to the large number of influence factors in addition to their interactions, this topic is very complex and the actual erosion behavior difficult to predict. Hence, in-situ studies are a essential foundation for the development of a general model for sediment erosion.

The study examines sediments of the Productive Series from the western South Caspian Basin. The main goal of this work is to reconstract provenance of the sediments and its relation to the climatic variability during the deposition of the Productive Series. The Productive Series is divided into a lower and upper division. The Russian Platform was the main sediment source area for the Lower Division. Three different sediment source areas were determined for the Upper Division: the Russian Platform was sediment source area for the Absheron Peninsula; the Greater Caucasus was the main sediment source area for the South Absheron Offshore Zone and the Lesser Caucasus was the main sediment source area for the Baku Archipelago. The sediments of the Lower Division have variable smectite and illite concentrations which indicate climate change between humid and arid conditions in the Russian Platform. The Upper Division of the Productive Series from the Absheron Peninsula is characterised by high amounts of illite. It suggests physical weathering under arid climatic condition on the Russian Platform at the time of deposition. Variation of the smectite and illite assemblages of the Upper Division from the South Absheron Offshore Zone probably indicate that the climate alternated between humid and arid conditions in the Greater Caucasus. The low amount of the TOC ratios in the Productive Series are associated with arid climatic condition in the Russian Platform and the Greater Caucasus. The much higher TOC/TN ratios (>35) indicate that sediments of the Productive Series were impacted by oil. However the low TOC/TN ratios (<12) in some intervals of the Productive Series suggest an aquatic source for an organic matter.

Südostbrasilien war während des Spätpleistozäns und des Holozäns beachtlichen Klimaschwankungen unterworfen, die vielfältige geoökologische Konsequenzen zur Folge hatten. Mit der europäischen Kolonialisierung setzte überdies ab dem frühen 16. Jahrhundert eine anthropogen verursachte Degradation ein, welche zu massiven Veränderungen des Landschaftssystems führte. Trotz einer längeren geowissenschaftlichen Forschungstradition in der Region ist der Kenntnisstand über die Auswirkungen der natürlichen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik bis heute vergleichsweise gering. Bereits existierende Vorstellungen zu dieser Thematik erscheinen darüber hinaus zumindest ergänzungswürdig und müssen entsprechend des aktuellen Forschungsstandes erweitert werden. Um einen Beitrag zur Schließung dieser Forschungslücken zu leisten, wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit bodengeographische und fluvialmorphologische Untersuchungen im südostbrasilianischen Guapi-Macacu Flusseinzugsgebiet durchgeführt. Im konkreten soll der Frage nachgegangen werden, ob und wie sich klimatische und anthropogene Veränderungen auf die geomorphodynamische Stabilität der Region ausgewirkt haben. Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn können daraus gesellschaftlich relevante Informationen über zukünftige Umweltveränderungen abgeleitet werden. Zur Beantwortung solcher Fragestellungen werden in den Geowissenschaften Paläoumweltarchive genutzt. Wegen seiner naturräumlichen Gegebenheiten kommen in der Region dabei lediglich Böden oder fluviale Sedimente als Geoarchive in Frage. Folglich widmet sich der erste Teil der vorliegenden Dissertation der Bodenverbreitung und -genese im Vorland der Serra dos Órgãos-Gebirgskette. Neben der feldmethodischen Aufnahme ausgewählter Bodenprofile wurde dafür auch auf klassische physikochemische Labormethoden zurückgegriffen. Die sich daraus ergebenden bodengeographischen Befunde lassen große Übereinstimmungen mit bekannten Arbeiten aus anderen tropischen Regionen der Welt erkennen. So ist der erdoberflächennahe Untergrund an erosionsgeschützten Standorten aus stark verwitterten, (gelb)braunen Böden oder Bodensedimenten aufgebaut, welche fossile rote Bodenhorizonte und/oder einen farblich heterogenen Kristallinzersatz überlagern. An vielen Unterhängen konnten darüber hinaus teils mehrgliedrige, junge Kolluvien beschrieben werden. Um geomorphodynamische Aktivitätsperioden ausweisen zu können war v.a. die zeitliche Stellung der Hangverlagerungsprozesse von Bedeutung. Feo/Fed- und Mno/Mnd-Verhältnisse sowie geomorphologische Feldbefunde erlauben zusammen die Unterscheidung zwischen älteren und jüngeren Hangsedimenten. Die jüngsten Unterhangkolluvien konnten aufgrund eingebetteter moderner Keramik und Holzkohlen sicher in die neuzeitliche Landnutzungsperiode gestellt werden. Insgesamt ist das Archivpotenzial der Böden und Bodensedimente im Untersuchungs-gebiet jedoch gering. Die formulierten Forschungsfragen zu den Folgen von klimatischen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik können damit nur unzureichend beantwortet werden. Einen Fortschritt könnten zukünftig evtl. Lumineszenzdatierungen bringen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die an fluvialen Sedimentsequenzen in der Region durchgeführt wurden. Diese sind über weite Strecken aufgeschlossen und können daher vergleichsweise einfach studiert werden. Arbeiten zum Aufbau fluvialer Sedimente und Ableitungen über Paläoumweltbedingungen sind in Süd- und Südostbrasilien bisher äußerst selten und darüber hinaus ist die chronologische Auflösung meist nur unzureichend. In der vorliegenden Dissertation wurde zunächst aus 13 chronostratigraphisch bearbeiteten Einzelprofilen ein spätpleistozänes und holozänes, fluviales Standardprofil für das Guapi-Macacu Einzugsgebiet abgeleitet, welches sich aus vier deutlich zu unterscheidenden Fazieseinheiten aufbaut. 44 14C-Datierungen liefern hierfür ein solides Zeitgerüst, so dass gesicherte Aussagen über das Verhalten des Guapi-Macacu-Systems während der letzten etwa 13.000 Jahre möglich sind. Zwar stellt auch das fluviale Standardprofil kein hochauflösendes Paläoumweltarchiv dar, jedoch kann daraus ein wissenschaftlich wertvoller Erkenntnisfortschritt über die Geomorphodynamik im Untersuchungsgebiet abgeleitet werden. So weisen die Ergebnisse auf mehrfache Wechsel in der Fluvial- und Hangdynamik hin, die mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit durch großklimatische Veränderungen hervorgerufen wurden. Störungen der thermohalinen Nordatlantikzirkulation lösten an der Grenze zwischen Pleistozän und Holozän sowie am Übergang vom Mittel- zum Spätholozän eine Südwärtsverlagerung der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) aus, wodurch sich die Südatlantische Konvergenzzone (SACZ) während der Sommermonate mit dem Südamerikanischen Monsunsystem (SAMS) verbinden konnte. Im Untersuchungsgebiet wurden dadurch feuchtere Bedingungen und gehäuft Starkregen ausgelöst, welche zu geomorphodynamisch aktiven Phasen führten. Vor allem in steilen Hanglagen und unterhalb größerer abflusswirksamer Felsflächen fanden phasenweise erhebliche Bodenabträge statt und ältere Hillwashsedimente wurden an den Unterhängen akkumuliert. In den Talböden sind die natürlichen Instabilitätsphasen durch grobklastische Schotter (Fazieseinheit I, ca. 12.800 cal. BP) sowie mächtige sandig bis kiesige Sedimente (Fazieseinheit III, ab ca. 4.700 cal. BP) dokumentiert. Bei einer vergleichsweise nördlichen Position der ITCZ, während des Früh- und Mittelholozäns, herrschten im Untersuchungsgebiet hingegen trockenere Klimabedingungen, welche zu geomorphodynamischer Stabilität führten. Diese Stabilitätsphase ist durch einen Hiatus bzw. feinkörnige fluviale Ablagerungen (Fazieseinheit II,zwischen 6.600 und 4.300 cal. BP) in den Flusstälern belegt. An den Hängen wurden zeitgleich sehr wahrscheinlich Cambisole gebildet. Mit der europäischen Kolonisation setzte zu Beginn des 16. Jahrhundert in Südostbrasilien die sukzessive Zerstörung des Atlantischen Küstenregenwaldes ein. Zuckerrohr- und Kaffeeplantagen etablierten sich und es wurde großflächig Brandrodungsfeldbau praktiziert. Dadurch wurden die Böden zeitweise entblößt, was in Verbindung mit den ergiebigen Niederschlägen erneut verstärkte Abträge zur Folge hatte. Die korrelaten Sedimente der nutzungsinduzierten Bodenerosion sind in Form von holzkohlehaltigen Unterhangkolluvien und Auenlehmen (Fazieseinheit IV) erhalten geblieben. Die 14C-Datierungen aus den Flusssedimenten belegen einen verstärkten anthropogenen Einfluss in der Region seit maximal 250 Jahren. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass Klima- und Nutzungsbedingungen das geomorphodynamische Prozessgeschehen in der Vergangenheit steuerten. Für die Zukunft sind eine Häufung von Starkniederschlägen und ein wachsender Nutzungsdruck in der Region prognostiziert. Die Ergebnisse aus der jüngeren Erdgeschichte lassen vermuten, dass es dadurch zur Landschaftsdestabilisierung verbunden mit großflächigen Hangrutschungen kommen wird. Diese werden v.a. in besiedelten Regionen sehr ernstzunehmende Naturgefahren für die Bevölkerung darstellen. / A growing number of publications from southeastern Brazil points to significant climatic and subsequently substantial geo-ecological changes during the latest Pleistocene and Holocene. Additionally, the European colonization led to anthropogenically triggered landscape degradation since the early 16th century. Even though there has been a long-term geoscientific research tradition in that region, the impacts of these changes on geomorphodynamic processes are not well understood so far. Existing concepts dealing with these topics need to be improved according to the current state of research. Hence, this doctoral thesis attempts to partly close this gap of knowledge. Therefore, pedological and sedimentological investigations were carried out at several outcrops within the Guapi-Macau river basin, SE-Brazil. Especially, this work aims to answer the research question if and how climate changes and increased human impact affected geomorphodynamic stability of this region. In addition to its scientific importance, this topic is of high relevance for the prediction of future environmental changes as well. Geoarchives are used in geosciences for the reconstruction of Quaternary palaeoenvironments. Due to local geographic conditions, only soils and fluvial sediments can be used as palaeoenvironmental archives in the study area. Consequently, the first part of this thesis deals with soil distribution and soil development in the foreland of the Serra dos Órgãos Mountains. Standard field descriptions and physicochemical laboratory methods were applied to characterize the regional soils. The results show that these soils have great similarities with other tropical regions of the world. In the study area a standard soil profile contains of a strongly weathered, (yellowish)brown soil horizon or hillwash sediment, covering a fossil reddish soil horizon and/or a heterogeneous weathering mantel. Additionally, relatively young colluvial soils can be observed in many footslope positions. To identify phases of geomorphic activity, the temporal evolution of hillslope deposition is of great importance. A combination of Feo/Fed- and Mno/Mnd-ratios as well as the assessment of the geomorphic position of the sites allowed a relative distinction of older from younger hillslope deposits in the region. In detail, whereas youngest colluvial layers developed during the modern period of land use intensification, could be identified by embedded modern pottery as well as high amounts of charcoal, a further distinction of older hillslope deposits was not possible with the applied methods. Furthermore, often their preservation state is not sufficient so that their potential as archives for palaeoenvironmental research is very limited. However, future luminescence dating would be an option to establish a late Quaternary chronology of hillslope deposits. In the second part of this thesis, investigations of fluvial sediments of the region will be presented. They are exposed over longer distances of the river courses in the Guapi-Macau catchment so that they could easily be studied. Comparable works on the architecture of fluvial sediments are very rare in SE-Brazil, and furthermore their palaeoenvironmental interpretation often remains doubtful due to insufficient age control. Based on chronostratigraphical investigations of 13 fluvial exposures a latest Pleistocene and Holocene standard profile for the Guapi-Macau catchment were developed. The investigations revealed four different facies units that are clearly distinguishable from each other. 44 14C-datings provide a reliable time frame for the reconstruction of the Guapi-Macacu river system during the last approx. 13.000 cal. years BP. Although the fluvial sediments are discontinuous and thus do not offer high resolution proxy data, important findings concerning geomorphodynamic processes could be extracted from them. The results point on multiple changes of the overall geomorphodynamic conditions, very likely triggered by large-scale climate changes. Disturbances in the thermohaline circulation of the northern Atlantic caused a southwards shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) at the Pleistocene/Holocene boundary as well as at the transition from the Mid- to the Late Holocene. Consequently, the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) was connected with the South American Monsoon System (SAMS) during summer, producing periods of intense precipitation over large parts of southeastern South America where the study area is located. Especially at steep slopes and below larger areas of bare bedrock phases of geomorphic activity periodically appeared. Significant amount of soil were eroded, and older hillwash sediments were deposited on the footslopes. In the floodplains, coarse grained gravels (Unit I, approx. 12.800 cal. BP) and several meters of planar or cross-bedded sands to fine gravels (Unit III, after approx. 4.700 cal. BP) document periods of natural geomorphodynamic instability. Due to a more northerly position of the ITCZ, the study area was obviously drier and geomorphologically more stable during the Early and Mid-Holocene. This is documented by a hiatus or fine-grained deposits (Unit II, from approx. 6.600 to 4.300 cal. BP), respectively. On the slopes probably (yellowish)brown cambisols developed simultaneously. Since the European colonization starting from the early 16th century large areas of valuable Atlantic rainforest were destroyed. Instead, sugar cane and coffee plantations were established, and slash-and-burn agriculture became a common land use practice. Soils were exposed and prevailing strong rains led to high rates of soil erosion again. Correlate sediments of this man-made soil erosion are preserved as charcoal-containing hillslope colluvium and fine-grained floodplain sediments (Unit IV). Radiocarbon ages from the fluvial loams point on increased human impact for the last max. 250 years. The present doctoral thesis demonstrates that climatic changes and human impact strongly affected geomorphodynamic processes of SE-Brazil during the past. There are predictions of a larger frequency of intense rainfall events and increased land use pressure for the future. The presented results from the geological history suggest that landscape destabilization and large-scale landslides could be direct consequences of such changes. As seen already today, especially in highly populated regions this could be serious natural hazards which can affect human health.