Diss. no. 15533 sc. SFIT Zurich. / Zusammenfassung in Englisch und Deutsch. Literaturverz.

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.

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The complete consumption of the oceanic domain of a tectonic plate by subduction into the upper mantle results in continent subduction, although continental crust is typically of lower density than the upper mantle. Thus, the sites of former oceanic domains (named suture zones) are generally decorated with stratigraphic sequences deposited along continental passive margins that were metamorphosed under low-grade, high-pressure conditions, i.e., low temperature/depth ratios (< 15°C/km) with respect to geothermal gradients in tectonically stable regions. Throughout the Mesozoic and Cenozoic (i.e., since ca. 250 Ma), the Mediterranean realm was shaped by the closure of the Tethyan Ocean, which likely consisted in numerous oceanic domains and microcontinents. However, the exact number and position of Tethyan oceans and continents (i.e., the Tethyan palaeogeography) remains debated. This is particularly the case of Western and Central Anatolia, where a continental fragment was accreted to the southern composite margin of the Eurasia sometime between the Late Cretaceous and the early Cenozoic. The most frontal part of this microcontinent experienced subduction-related metamorphism around 85-80 Ma, and collision-related metamorphism affected more external parts around 35 Ma. This unsually-long period between subduction- and collision-related metamorphisms (ca. 50 Ma) in units ascribed to the same continental edge constitutes a crucial issue to address in order to unravel how Anatolia was assembled. The Afyon Zone is a tectono-sedimentary unit exposed south and structurally below the front high-pressure belt. It is composed of a Mesozoic sedimentary sequence deposited on top of a Precambrian to Palaeozoic continental substratum, which can be traced from Northwestern to southern Central Anatolia, along a possible Tethyan suture. Whereas the Afyon Zone was defined as a low-pressure metamorphic unit, high-pressure minerals (mainly Fe-Mg-carpholite in metasediments) were recently reported from its central part. These findings shattered previous conceptions on the tectono-metamorphic evolution of the Afyon Zone in particular, and of the entire region in general, and shed light on the necessity to revise the regional extent of subduction-related metamorphism by re-inspecting the petrology of poorly-studied metasediments. In this purpose, I re-evaluated the metamorphic evolution of the entire Afyon Zone starting from field observations. Low-grade, high-pressure mineral assemblages (Fe-Mg-carpholite and glaucophane) are reported throughout the unit. Well-preserved carpholite-chloritoid assemblages are useful to improve our understanding of mineral relations and transitions in the FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O system during rocks’ travel down to depth (prograde metamorphism). Inspection of petrographic textures, minute variations in mineral composition and Mg-Fe distribution among carpholite-chloritoid assemblages documents multistage mineral growth, accompanied by a progressive enrichment in Mg, and strong element partitioning. Using an updated database of mineral thermodynamic properties, I modelled the pressure and temperature conditions that are consistent with textural and chemical observations. Carpholite-bearing assemblages in the Afyon Zone account for a temperature increase from 280 to 380°C between 0.9 and 1.1 GPa (equivalent to a depth of 30-35 km). In order to further constrain regional geodynamics, first radiometric ages were determined in close association with pressure-temperature estimates for the Afyon Zone, as well as two other tectono-sedimentary units from the same continental passive margin (the Ören and Kurudere-Nebiler Units from SW Anatolia). For age determination, I employed 40Ar-39Ar geochronology on white mica in carpholite-bearing rocks. For thermobarometry, a multi-equilibrium approach was used based on quartz-chlorite-mica and quartz-chlorite-chloritoid associations formed at the expense of carpholite-bearing assemblages, i.e., during the exhumation from the subduction zone. This combination allows deciphering the significance of the calculated radiometric ages in terms of metamorphic conditions. Results show that the Afyon Zone and the Ören Unit represent a latest Cretaceous high-pressure metamorphic belt, and the Kurudere-Nebiler Unit was affected by subduction-related metamorphism around 45 Ma and cooled down after collision-related metamorphism around 26 Ma. The results provided in the present thesis and from the literature allow better understanding continental amalgamation in Western Anatolia. It is shown that at least two distinct oceanic branches, whereas only one was previously considered, have closed during continuous north-dipping subduction between 92 and 45 Ma. Between 85-80 and 70-65 Ma, a narrow continental domain (including the Afyon Zone) was buried into a subduction zone within the northern oceanic strand. Parts of the subducted continent crust were exhumed while the upper oceanic plate was transported southwards. Subduction of underlying lithosphere persisted, leading to the closure of the southern oceanic branch and to subduct the front of a second continental domain (including the Kurudere-Nebiler Unit). This followed by a continental collisional stage characterized by the cease of subduction, crustal thicknening and the detachment of the subducting oceanic slab from the accreted continent lithosphere. The present study supports that in the late Mesozoic the East Mediterranean realm had a complex tectonic configuration similar to present Southeast Asia or the Caribbean, with multiple, coexisting oceanic basins, microcontinents and subduction zones. / Kontinentale Subduktion resultiert aus dem Abtauchen des ozenanischen Gebiets einer tektonischen Platte in den Oberen Erdmantel. Dies geschieht obwohl die kontinentale Erdkruste normalerweise eine geringere Dichte besitzt als der Obere Erdmantel. Die Lage ehemaliger ozeanischer Gebiete (auch als Suturzonen bezeichnet) ist dementsprechend durch stratigraphische, sedimentäre Gesteinsabfolgen gekennzeichnet, die entlang des passiven Kontinentalrandes abgelagert wurden. Anschließend wurden diese Gesteine unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck umgewandelt, auch niedrig-gradige Hochdruckmetamorphose genannt. Während der gesamten Zeitspanne des Mesozoikums und Känozoikums (seit etwa 250 Millionen Jahren bis heute) wurde der mediterrane Raum durch die kontinuierliche Schließung des Tethyschen Ozeans (dem heutigen Mittelmeer) geprägt, der vermutlich in zahlreichen kleineren Ozeanen und Mikrokontinenten aufgeteilt war. Dennoch bleiben die genaue Anzahl und Lage der tethyschen Ozeane und Kontinente (die Paläogeographie der Tethys) bis heute umstritten. Das ist insbesondere der Fall in West- und Zentral-Anatolien, wo im Zeitraum zwischen der Oberen Kreide (vor 98 bis 65 Mio. J.) und dem unteren Känozoikum (vor 65 bis 40 Mio. J.) ein kontinentales Fragment am südlichen Kontinentalrand der Eurasischen Platte angelagert wurde (auch als Akkretion bezeichnet). Der vorderste Bereich von diesem Fragment erfuhr vor etwa 85-80 Millionen Jahren eine metamorphe Umwandlung, die mit den Prozessen der fortschreitenden Subduktion assoziiert werden können. Hingegen wurden die hinteren Bereiche erst später vor ca. 40-30 Mio. J. durch die Kollison der zwei Platten metamorph überprägt. Die ungewöhnlich lange Zeitspanne von etwa 40-50 Mio. J. zwischen den metamorphen Prozessen der Subduktion und der Kollision, stellt eine entscheidende Frage zum Verständnis der Entstehung von Anatolien dar. Die Afyon Zone repräsentiert hierbei eine tektonisch-beanspruchte sedimentäre Gesteinseinheit, die in einer strukturell tieferen Position bezüglich des frontalen metamorphen Hochdruckgürtels liegt und südlich von ihm anzutreffen ist. Die Afyon Zone besteht aus mesozoischen sedimentären Einheiten (250 bis 65 Mio. J. alt), die auf präkambrischem (älter als 545 Mio. J.) bis paläozoischem Untergrund (bis vor 250 Mio J.) abgelagert wurden, und vom nordwestlichen bis zentralen Anatolien, entlang der vermutlichen Tethys-Suturzone, verfolgt werden können. Obwohl die Afyon-Zone als eine niedrig-temperierte metamorphe Gesteinseinheit bezeichnet wird, wurde in letzter Zeit von Vorkommen von Hochdruckmineralen (v.a. Eisen(Fe)-Magnesium(Mg)-Karpholith in metamorphen Sedimenten) im zentralen Bereich berichtet. Diese neuen Erkenntnisse stellen die bisherigen Interpretationen zur tektonisch-metamorphen Entstehung der gesamten Region in Frage, insbesondere der der Afyon-Zone. Deshalb war eine erneute gründliche Überarbeitung und Untersuchung der wenig studierten metamorph-überprägten Sedimentgesteine in diesem Gebiet notwendig. Deshalb, überarbeitete ich die metamorphe Entwicklung der gesamten Afyon Zone, beginnend mit intensiver Geländearbeit und -beobachtungen. Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Glaukophan, die unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck entstanden sind, wurden in der gesamten Gesteinseinheit gefunden. Guterhaltene Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Chloritoid sind nützlich für das Verständnis unter welchen Temperatur- und Druck-Bedingungen die Gesteine in die Tiefe gelangen (prograde Metamorphose). Durch die Untersuchungen von Gesteinsgefügen und der Eisen-Magnesium-Verteilung zwischen den Mineralien Karpholith und Chloritoid lassen sich Aussagen zu der Bildungstemperatur und dem Druck dieser Minerale machen. Dafür benutzte ich eine verbesserte Datenbank mit Mineraleigenschaften, die mir die Modellierung von Temperatur und Druck erlaubte und im Einklang mit den chemischen und mikroskopischen Beobachtungen steht. Es ergab sich, dass die Karpholith-haltigen Gesteine in der Afyon-Zone einen Temperaturanstieg von 280 zu 380°C (bei einer Tiefe von 30-35 km) erfahren haben. Um noch bessere Aussagen über die Entstehung zu treffen, wurden auch radiometrische Datierungen an Proben aus der Afyon-Zone, sowie an zwei weiteren Sedimentgesteinseinheiten (Ören- und Kurudere-Nebiler-Einheit aus SW Anatolien) gemacht. Für die Altersbestimmung benutzte ich die weitverbreitete 40Ar-39Ar Datierungsmethode an Hellglimmer-Mineralien in den Karpholith-haltigen Gesteinen. Temperatur und Druck können auch bestimmt werden, wenn man den Übergang von einer Mineralvergesellschaftung zu einer anderen Vergesellschaftung beobachtet. Dies gilt zum Beispiel für den Übergang von einer Karpholith-haltigen Zusammensetzung zu einer Quartz-Chlorit-Glimmer und Quartz-Chlorit-Chloritoid Mineralvergesellschaftung wenn tief subduzierte Gesteine wieder nach oben gelangen (Exhumation). Damit lassen sich die radiometrischen Alter den metamorphen Prozessen zu bestimmten Temperaturen und Drücken zuordnen. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich die Afyon-Zone und die Ören-Einheit einem Hochdruck-Gebirgsgürtel in der späten Kreidezeit zuordnen, während die Kurudere-Nebiler Einheit durch die mit der Subduktion in Verbindung stehende Metamorphose vor ca. 45 Mio. J. beeinflusst wurde. Später wurde diese Einheit durch die Metamorphose, resultierend aus der Kollision vor 26 Mio. J., abgekühlt. Die Ergebnisse dieser und anderer Arbeiten erlauben es die Anlagerung von Kontinenten in West-Anatolien besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass mindestens zwei (im Gegensatz zu vorher einem) voneinander unabhängige Ozeanarme während der Subduktion von 92 bis 45 Millionen Jahren geschlossen wurden. Zwischen 85-80 und 70-65 Millionen Jahren, wurde ein schmales kontinentales Gebiet (welches die Afyon-Zone beinhaltet) in die Subduktionszone hineingzogen. Teile der subduzierten kontientalen Kruste kamen wieder an die Oberfläche (Exhumation), während die obere ozeanische Platte südwärts transportiert wurde. Die anhaltende Subduktion im oberen Bereich des Erdmantels (Lithosphäre) führte zu der Schließung des südlichen Ozeanarms und zu der Subduktion des zweiten kontinentalen Gebietes (welches die Kurudere-Nebiler-Einheit beinhaltete). Darauf folgte die kontinentale Kollisionsphase unter dem Ausklingen der Prozesse der Subduktion, der Krustenverdickung und der Abtrennung der subduzierten ozeanischen Platte von der akkretionierten kontientalen Lithosphäre (auch als Delamination bezeichnet). Die hier präsentierte Arbeit unterstüzt die Annahme das während der Oberen Kreidezeit das Ost-Mediterrane Gebiet tektonsich komplex angeordnet war, vergleichbar mit dem heutigen Südost-Asien oder der Karibik, mit ihren vielen gleichzeitig existierenden ozeanischen Becken, Mikrokontinenten und Subduktionszonen.

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.

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In bergmännisch geschaffenen Hohlräumen in Sulfiderzlagerstätten findet durch den Kontakt sauerstoffhaltiger Wässer mit den künstlich vergrößerten Reaktionsoberflächen resterzhaltigen Materials eine permanente, intensive Sulfidoxidation statt, die zu einer hohen Löslichkeit von Elementen führt. Beispielhaft wurde die polysulfidische Gangerz-Lagerstätte Freiberg untersucht. Geochemische Bedeutung besitzen hier die Elemente Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn, Al und As. An wichtigen primären Mineralen wurde die Elementfreisetzung untersucht. Die Auswirkung der Elementmobilisation auf die Grundwasserqualität wurde verfolgt. Dabei konnte auf Besonderheiten der Grubenwässer stillgelegter Abbaue, der Stollnwässer und des Flutungswassers eingegangen werden. Die Aufnahme der Stofffrachten führt ebenso wie ihre selektive, partielle Präzipitation zu typischen, sulfatischen Grubenwässern. Die Fällungssedimente wurden mineralogisch und geochemisch charakterisiert. Die stillgelegte Sulfiderzgrube wurde als Quelle und Senke für direkt oder indirekt umweltrelevante Elemente beschrieben, deren im Wasser transportierte Stofffrachten insbesondere für Cd, Pb und As ökotoxikologisch von Bedeutung sind.

In bergmännisch geschaffenen Hohlräumen in Sulfiderzlagerstätten findet durch den Kontakt sauerstoffhaltiger Wässer mit den künstlich vergrößerten Reaktionsoberflächen resterzhaltigen Materials eine permanente, intensive Sulfidoxidation statt, die zu einer hohen Löslichkeit von Elementen führt. Beispielhaft wurde die polysulfidische Gangerz-Lagerstätte Freiberg untersucht. Geochemische Bedeutung besitzen hier die Elemente Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn, Al und As. An wichtigen primären Mineralen wurde die Elementfreisetzung untersucht. Die Auswirkung der Elementmobilisation auf die Grundwasserqualität wurde verfolgt. Dabei konnte auf Besonderheiten der Grubenwässer stillgelegter Abbaue, der Stollnwässer und des Flutungswassers eingegangen werden. Die Aufnahme der Stofffrachten führt ebenso wie ihre selektive, partielle Präzipitation zu typischen, sulfatischen Grubenwässern. Die Fällungssedimente wurden mineralogisch und geochemisch charakterisiert. Die stillgelegte Sulfiderzgrube wurde als Quelle und Senke für direkt oder indirekt umweltrelevante Elemente beschrieben, deren im Wasser transportierte Stofffrachten insbesondere für Cd, Pb und As ökotoxikologisch von Bedeutung sind.

Im Abstrom von Uranbergbauobjekten (Sachsen, Deutschland) wurden Uran, Radium-226 und Arsen in unterschiedlichen Feuchtgebieten untersucht. Dabei wurden Wasser (vor¬wiegend neutrale bis leicht basische pH-Werte), Sedimente und im Wasser befindlicher Bestandesabfall (CPOM) beprobt. Zur Klärung der Genese der Urangehalte im Sediment erfolgten Untersuchungen an Pb-Isotopen. Sie zeigen u. a., dass das Uran in den obersten Zentimetern des Sediments (organische Auflage) aus der wässrigen Phase und nicht von ca. 300 Millionen Jahre alten Erzteilchen stammt. Für die Verlagerung von Radionukliden und Arsen aus dem Wasserkörper in das Sediment wird ein neuer Weg aufgezeigt. Eine Fixierung dieser Stoffe an Bestandesabfällen (plant litter) ist möglich. Allochthoner Bestandesabfall (Blätter, Früchte, Zweige von Alnus spec. und Quercus spec.) weist nach Kontakt mit kontaminiertem Wasser (ca. 100 - 300 µgU L-1) Urangehalte von 50 - 2.000 µgU g-1 auf. Im Vergleich zu Uran sind Ra-226 und Arsen labiler am Bestandesabfall gebunden. Für die Genese der Gehalte in den subhydrischen Auflagen sind die Herkunft des (autochthonen bzw. allochthonen) Bestandesabfalls und der Abbau eine entscheidende Rolle. Sedimente aus leicht abbaubaren Bestandesabfällen (z.B. Lemna spec., Algen) weisen im Vergleich mit allochthonen Bestandesabfällen (von Bäumen) deutlich geringere Urangehalte auf. Exemplarisch wurde für einen aus allochthonen Bestandesabfällen bestehenden Sedimentkern mittels Cs-137-Bestimmung eine maximale Uranfestlegung von 1 – 2 g m-² a-1 ermittelt. Neben allochthonem Bestandesabfall führen Eisen- und Manganhydroxide, die unmittelbar an den Sickerwasseraustrittstellen ausfallen, bei relativ geringen Arsen- und Radiumkon¬zentrationen im Wasser zu hohen Arsen- bzw. Radiumgehalten im Sediment (As ≤ 5 mg g-1; Ra-226 ≤ 25 Bq g-1). Unter reduktiven Bedingungen werden Ra-226 und Arsen jedoch leicht freigesetzt. Ausgehend von den Untersuchungsergebnissen wird eine mögliche Anordnung für eine naturnahe passive Sickerwasserbehandlung vorgeschlagen.

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