Ein transversales Störungssystem im Nahen Osten, die Dead Sea Transform (DST), trennt die Arabische Platte von der Sinai-Mikroplatte und erstreckt sich von Süden nach Norden vom Extensionsgebiet im Roten Meer über das Tote Meer bis zur Taurus-Zagros Kollisionszone. Die sinistrale DST bildete sich im Miozän vor etwa 17 Ma und steht mit dem Aufbrechen des Afro-Arabischen Kontinents in Verbindung. Das Untersuchungsgebiet liegt im Arava Tal zwischen Totem und Rotem Meer, mittig über der Arava Störung (Arava Fault, AF), die hier den Hauptast der DST bildet.<br /> <br /> Eine Reihe seismischer Experimente, aufgebaut aus künstlichen Quellen, linearen Profilen über die Störung und entsprechend entworfenen Empfänger-Arrays, zeigt die Untergrundstruktur in der Umgebung der AF und der Verwerfungszone selbst bis in eine Tiefe von 3-4 km. Ein tomographisch bestimmtes Modell der seismischen Geschwindigkeiten von P-Wellen zeigt einen starken Kontrast nahe der AF mit niedrigeren Geschwindigkeiten auf der westlichen Seite als im Osten. Scherwellen lokaler Erdbeben liefern ein mittleres P-zu-S Geschwindigkeitsverhältnis und es gibt Anzeichen für Änderungen über die Störung hinweg. Hoch aufgelöste tomographische Geschwindigkeitsmodelle bestätigen der Verlauf der AF und stimmen gut mit der Oberflächengeologie überein. <br /> <br /> Modelle des elektrischen Widerstands aus magnetotellurischen Messungen im selben Gebiet zeigen eine leitfähige Schicht westlich der AF, schlecht leitendes Material östlich davon und einen starken Kontrast nahe der AF, die den Fluss von Fluiden von einer Seite zur anderen zu verhindern scheint. Die Korrelation seismischer Geschwindigkeiten und elektrischer Widerstände erlaubt eine Charakterisierung verschiedener Lithologien im Untergrund aus deren physikalischen Eigenschaften. Die westliche Seite lässt sich durch eine geschichtete Struktur beschreiben, wogegen die östliche Seite eher einheitlich erscheint. Die senkrechte Grenze zwischen den westlichen Einheiten und der östlichen scheint gegenüber der Oberflächenausprägung der AF nach Osten verschoben zu sein.<br /> <br /> Eine Modellierung von seismischen Reflexionen an einer Störung deutet an, dass die Grenze zwischen niedrigen und hohen Geschwindigkeiten eher scharf ist, sich aber durch eine raue Oberfläche auf der Längenskala einiger hundert Meter auszeichnen kann, was die Streuung seismischer Wellen begünstigte. Das verwendete Abbildungsverfahren (Migrationsverfahren) für seismische Streukörper basiert auf Array Beamforming und der Kohärenzanalyse P-zu-P gestreuter seismischer Phasen. Eine sorgfältige Bestimmung der Auflösung sichert zuverlässige Abbildungsergebnisse.<br /> <br /> Die niedrigen Geschwindigkeiten im Westen entsprechen der jungen sedimentären Füllung im Arava Tal, und die hohen Geschwindigkeiten stehen mit den dortigen präkambrischen Magmatiten in Verbindung. Eine 7 km lange Zone seismischer Streuung (Reflektor) ist gegenüber der an der Oberfläche sichtbaren AF um 1 km nach Osten verschoben und lässt sich im Tiefenbereich von 1 km bis 4 km abbilden. Dieser Reflektor markiert die Grenze zwischen zwei lithologischen Blöcken, die vermutlich wegen des horizontalen Versatzes entlang der DST nebeneinander zu liegen kamen. Diese Interpretation als lithologische Grenze wird durch die gemeinsame Auswertung der seismischen und magnetotellurischen Modelle gestützt. Die Grenze ist möglicherweise ein Ast der AF, der versetzt gegenüber des heutigen, aktiven Asts verläuft. Der Gesamtversatz der DST könnte räumlich und zeitlich auf diese beiden Äste und möglicherweise auch auf andere Störungen in dem Gebiet verteilt sein. / The Dead Sea Transform (DST) is a prominent shear zone in the Middle East. It separates the Arabian plate from the Sinai microplate and stretches from the Red Sea rift in the south via the Dead Sea to the Taurus-Zagros collision zone in the north. Formed in the Miocene about 17 Ma ago and related to the breakup of the Afro-Arabian continent, the DST accommodates the left-lateral movement between the two plates. The study area is located in the Arava Valley between the Dead Sea and the Red Sea, centered across the Arava Fault (AF), which constitutes the major branch of the transform in this region.<br /> <br /> A set of seismic experiments comprising controlled sources, linear profiles across the fault, and specifically designed receiver arrays reveals the subsurface structure in the vicinity of the AF and of the fault zone itself down to about 3-4 km depth. A tomographically determined seismic P velocity model shows a pronounced velocity contrast near the fault with lower velocities on the western side than east of it. Additionally, S waves from local earthquakes provide an average P-to-S velocity ratio in the study area, and there are indications for a variations across the fault. High-resolution tomographic velocity sections and seismic reflection profiles confirm the surface trace of the AF, and observed features correlate well with fault-related geological observations.<br /> <br /> Coincident electrical resistivity sections from magnetotelluric measurements across the AF show a conductive layer west of the fault, resistive regions east of it, and a marked contrast near the trace of the AF, which seems to act as an impermeable barrier for fluid flow. The correlation of seismic velocities and electrical resistivities lead to a characterisation of subsurface lithologies from their physical properties. Whereas the western side of the fault is characterised by a layered structure, the eastern side is rather uniform. The vertical boundary between the western and the eastern units seems to be offset to the east of the AF surface trace.<br /> <br /> A modelling of fault-zone reflected waves indicates that the boundary between low and high velocities is possibly rather sharp but exhibits a rough surface on the length scale a few hundreds of metres. This gives rise to scattering of seismic waves at this boundary. The imaging (migration) method used is based on array beamforming and coherency analysis of P-to-P scattered seismic phases. Careful assessment of the resolution ensures reliable imaging results.<br /> <br /> The western low velocities correspond to the young sedimentary fill in the Arava Valley, and the high velocities in the east reflect mainly Precambrian igneous rocks. A 7 km long subvertical scattering zone reflector is offset about 1 km east of the AF surface trace and can be imaged from 1 km to about 4 km depth. The reflector marks the boundary between two lithological blocks juxtaposed most probably by displacement along the DST. This interpretation as a lithological boundary is supported by the combined seismic and magnetotelluric analysis. The boundary may be a strand of the AF, which is offset from the current, recently active surface trace. The total slip of the DST may be distributed spatially and in time over these two strands and possibly other faults in the area.

Untersuchungen zur internen Architektur von großen Störungszonen beschränken sich üblicherweise auf die, an der Erdoberfläche aufgeschlossene, störungsbezogene Deformation. Eine Methode, die es ermöglicht, Informationen über die Tiefenfortsetzung einer Störung zu erhalten, ist die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes.<br /> <br /> Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der kombinierten strukturgeologischen und magnetotellurischen Untersuchung eines Segmentes der 'West Fault'-Störung in den nordchilenischen Anden. Die West Fault ist ein Abschnitt des über 2000 km langen Präkordilleren-Störungssystem, welches im Zusammenhang mit der Subduktion vor der südamerikanischen Westküste entstanden ist. Die Aktivität dieses Störungssystems reichte vom Eozän bis in das Quartär. Der Verlauf der West Fault ist im Untersuchungsgebiet (22&#176;04'S, 68&#176;53'W) an der Oberfläche klar definiert und weist über viele zehner Kilometer eine konstante Streichrichtung auf. Die Aufschlussbedingungen und die Morphologie des Arbeitsgebietes sind ideal für kombinierte Untersuchungen der störungsbezogenen Deformation und der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes mit Hilfe magnetotellurischer Experimente (MT) und der erdmagnetischen Tiefensondierung (GDS). Ziel der Untersuchungen war es, eine mögliche Korrelation der beiden Meßmethoden herauszuarbeiten, und die interne Störungsarchitektur der West Fault umfassend zu beschreiben.<br /> <br /> Die Interpretation von Sprödbruch-Strukturen (kleinmaßstäbliche Störungen sowie Störungsflächen mit/ohne Bewegungslineationen) im Untersuchungsgebiet weist auf überwiegend seitenverschiebende Deformation entlang von subvertikal orientierten Scherflächen hin. Dextrale und sinistrale Bewegungsrichtungen können innerhalb der Störungszone bestätigt werden, was auf Reaktivierungen des Störungssystems schliessen läßt. Die jüngsten Deformationen im Arbeitsgebiet haben dehnenden Charakter, wobei die kinematische Analyse eine unterschiedliche Orientierung der Extensionsrichtung beiderseits der Störung andeutet. Die Bruchflächendichte nimmt mit Annäherung an die Störung zu und zeichnet einen etwa 1000 m breiten Bereich erhöhter Deformationsintensität um die Störungsspur aus (damage zone). Im Zentrum dieser Zone weist das Gestein eine intensive Alteration und Brekzierung auf, die sich über eine Breite von etwa 400 m erstreckt. Kleine Störungen und Scherflächen in diesem zentralen Abschnitt der Störung fallen überwiegend steil nach Osten ein (70-80&#176;).<br /> <br /> Innerhalb desselben Arbeitsgebietes wurde ein 4 km langes MT/GDS Profil vermessen, welches senkrecht zum Streichen der West Fault verläuft. Für die zentralen 2 km dieses Hauptprofils beträgt der Abstand der Meßstationen jeweils 100 m. Ein weiteres Profil, bestehend aus 9 Stationen mit einem Abstand von 300 m zueinander, quert die Störung einige Kilometer entfernt vom eigentlichen Arbeitsgebiet. Die Aufzeichnung der Daten erfolgte mit vier S.P.A.M MkIII Apparaturen in einem Frequenzbereich von 1000 Hz bis 0.001 Hz.<br /> <br /> In den GDS Daten beider Profile ist die Störung für Frequenzen >1 Hz deutlich abgebildet: Die Induktionspfeile kennzeichnen eine mehrere hundert Meter breite Zone erhöhter Leitfähigkeit, welche sich entlang der West Fault erstreckt. Die Dimensionalitätsanalyse der MT Daten rechtfertigt die Anpassung der gemessenen Daten mit einem zwei-dimensionalen Modell für einen Frequenzbereich von 1000 Hz bis 0.1 Hz. In diesem Frequenzbereich, der eine Auflösung der Leitfähigkeitsstruktur bis mindestens 5 km Tiefe ermöglicht, läßt sich eine regionale geoelektrische Streichrichtung parallel zum Verlauf der West Fault nachweisen.<br /> <br /> Die Modellierung der MT Daten beruht auf einem Inversionsalgorithmus von Mackie et al. (1997). Leitfähigkeitsanomalien, die sich aus der Inversions-Modellierung ergeben, werden anhand von empirischen Sensitivitätsstudien auf ihre Robustheit überprüft. Dabei werden die Eigenschaften (Geometrie, Leitfähigkeit) der Strukturen systematisch variiert und sowohl Vorwärts- als auch Inversionsrechnungen der modifizierten Modelle durchgeführt. Die jeweiligen Modellergebnisse werden auf ihre Konsistenz mit dem Ausgangsdatensatz überprüft. Entlang beider MT Profile wird ein guter elektrischer Leiter im zentralen Abschnitt der West Fault aufgelöst, wobei die Bereiche erhöhter Leitfähigkeit östlich der Störungsspur liegen. Für das dicht vermessene MT Profil ergibt sich eine Breite des Störungsleiters von etwa 300 m sowie ein steiles Einfallen der Anomalie nach Osten (70&#176;). Der Störungsleiter reicht bis in eine Tiefe von mindestens 1100 m, während die Modellierungsstudien auf eine maximale Tiefenerstreckung <2000 m hinweisen. Das Profil zeigt weitere leitfähige Anomalien, deren Geometrie aber weniger genau aufgelöst ist.<br /> <br /> Die Störungsleiter der beiden MT Profile stimmen in ihrer Position mit der Alterationszone überein. Im zentralen Bereich des Hauptprofils korreliert darüber hinaus das Einfallen der Sprödbruch-Strukturen und der Leitfähigkeitsanomalie. Dies weist darauf hin, daß die Erhöhung der Leitfähigkeit im Zusammenhang mit einem Netzwerk von Bruchstrukturen steht, welches mögliche Wegsamkeiten für Fluide bietet. Der miteinander in Verbindung stehende Gesteins-Porenraum, der benötigt wird, um die gemessene Erhöhung der Leitfähigkeit durch Fluide im Gestein zu erklären, kann anhand der Salinität einiger Grundwasserproben abgeschätzt werden (Archies Gesetz). Wasserproben aus größerer Tiefe, weisen aufgrund intensiverer Fluid-Gesteins-Wechselwirkung eine höhere Salinität, und damit eine verbesserte Leitfähigkeit, auf. Für eine Probe aus einer Tiefe von 200 m ergibt sich demnach eine benötigte Porosität im Bereich von 0.8% - 4%. Dies legt nahe, daß Wässer, die von der Oberfläche in die Bruchzone der Störung eindringen, ausreichen, um die beobachtete Leitfähigkeitserhöhung zu erklären. Diese Deutung wird von der geochemischen Signatur von Gesteinsproben aus dem Alterationsbereich bestätigt, wonach die Alteration in einem Regime niedriger Temperatur (<95&#176;C) stattfand. Der Einfluß von aufsteigenden Tiefenwässern wurde hier nicht nachgewiesen. Die geringe Tiefenerstreckung des Störungsleiters geht wahrscheinlich auf Verheilungs- und Zementationsprozesse der Bruchstrukturen zurück, die aufgrund der Lösung und Fällung von Mineralen in größerer Tiefe, und damit bei erhöhter Temperatur, aktiv sind.<br /> <br /> Der Vergleich der Untersuchungsergebnisse der zur Zeit seismisch inaktiven West Fault mit veröffentlichten Studien zur elektrischen Leitfähigkeitsstruktur der aktiven San Andreas Störung, deutet darauf hin, daß die Tiefenerstreckung und die Leitfähigkeit von Störungsleitern eine Funktion der Störungsaktivität ist. Befindet sich eine Störung in einem Stadium der Deformation, so bleibt das Bruchnetzwerk für Fluide permeabel und verhindert die Versiegelung desselben. / The characterisation of the internal architecture of large-scale fault zones is usually restricted to the outcrop-based investigation of fault-related structural damage on the Earth's surface. A method to obtain information on the downward continuation of a fault is to image the subsurface electrical conductivity structure.<br /> <br /> This work deals with such a combined investigation of a segment of the West Fault, which itself is a part of the more than 2000 km long trench-linked Precordilleran Fault System in the northern Chilean Andes. Activity on the fault system lasted from Eocene to Quaternary times. In the working area (22&#176;04'S, 68&#176;53'W), the West Fault exhibits a clearly defined surface trace with a constant strike over many tens of kilometers. Outcrop condition and morphology of the study area allow ideally for a combination of structural geology investigation and magnetotelluric (MT) / geomagnetic depth sounding (GDS) experiments. The aim was to achieve an understanding of the correlation of the two methods and to obtain a comprehensive view of the West Fault's internal architecture.<br /> <br /> Fault-related brittle damage elements (minor faults and slip-surfaces with or without striation) record prevalent strike-slip deformation on subvertically oriented shear planes. Dextral and sinistral slip events occurred within the fault zone and indicate reactivation of the fault system. Youngest deformation increments mapped in the working area are extensional and the findings suggest a different orientation of the extension axes on either side of the fault. Damage element density increases with approach to the fault trace and marks an approximately 1000 m wide damage zone around the fault. A region of profound alteration and comminution of rocks, about 400 m wide, is centered in the damage zone. Damage elements in this central part are predominantly dipping steeply towards the east (70-80&#176;).<br /> <br /> Within the same study area, the electrical conductivity image of the subsurface was measured along a 4 km long MT/GDS profile. This main profile trends perpendicular to the West Fault trace. The MT stations of the central 2 km were 100 m apart from each other. A second profile with 300 m site spacing and 9 recording sites crosses the fault a few kilometers away from the main study area. Data were recorded in the frequency range from 1000 Hz to 0.001 Hz with four real time instruments S.P.A.M. MkIII.<br /> <br /> The GDS data reveal the fault zone for both profiles at frequencies above 1 Hz. Induction arrows indicate a zone of enhanced conductivity several hundred meters wide, that aligns along the WF strike and lies mainly on the eastern side of the surface trace. A dimensionality analysis of the MT data justifies a two dimensional model approximation of the data for the frequency range from 1000 Hz to 0.1 Hz. For this frequency range a regional geoelectric strike parallel to the West Fault trace could be recovered. The data subset allows for a resolution of the conductivity structure of the uppermost crust down to at least 5 km.<br /> <br /> Modelling of the MT data is based on an inversion algorithm developed by Mackie et al. (1997). The features of the resulting resistivity models are tested for their robustness using empirical sensitivity studies. This involves variation of the properties (geometry, conductivity) of the anomalies, the subsequent calculation of forward or constrained inversion models and check for consistency of the obtained model results with the data. A fault zone conductor is resolved on both MT profiles. The zones of enhanced conductivity are located to the east of the West Fault surface trace. On the dense MT profile, the conductive zone is confined to a width of about 300 m and the anomaly exhibits a steep dip towards the east (about 70&#176;). Modelling implies that the conductivity increase reaches to a depth of at least 1100 m and indicates a depth extent of less than 2000 m. Further conductive features are imaged but their geometry is less well constrained.<br /> <br /> The fault zone conductors of both MT profiles coincide in position with the alteration zone. For the dense profile, the dip of the conductive anomaly and the dip of the damage elements of the central part of the fault zone correlate. This suggests that the electrical conductivity enhancement is causally related to a mesh of minor faults and fractures, which is a likely pathway for fluids. The interconnected rock-porosity that is necessary to explain the observed conductivity enhancement by means of fluids is estimated on the basis of the salinity of several ground water samples (Archie's Law). The deeper the source of the water sample, the more saline it is due to longer exposure to fluid-rock interaction and the lower is the fluid's resistivity. A rock porosity in the range of 0.8% - 4% would be required at a depth of 200 m. That indicates that fluids penetrating the damaged fault zone from close to the surface are sufficient to explain the conductivity anomalies. This is as well supported by the preserved geochemical signature of rock samples in the alteration zone. Late stage alteration processes were active in a low temperature regime (<95&#176;C) and the involvement of ascending brines from greater depth is not indicated. The limited depth extent of the fault zone conductors is a likely result of sealing and cementation of the fault fracture mesh due to dissolution and precipitation of minerals at greater depth and increased temperature.<br /> <br /> Comparison of the results of the apparently inactive West Fault with published studies on the electrical conductivity structure of the currently active San Andreas Fault, suggests that the depth extent and conductivity of the fault zone conductor may be correlated to fault activity. Ongoing deformation will keep the fault/fracture mesh permeable for fluids and impede cementation and sealing of fluid pathways.

Die folgende Arbeit ist Teil des multidisziplinären Projektes DESERT (DEad SEa Rift Transect), welches seit dem Jahr 2000 im Nahen Osten durchgeführt wird. Dabei geht es primär um die Struktur der südlichen Dead Sea Transform (DST; Tote-Meer-Transformstörung), Plattengrenze zwischen Afrika (Sinai) und der Arabischen Mikroplatte. Seit dem Miozän beträgt der sinistrale Versatz an dieser bedeutenden aktiven Blattverschiebung mehr als 100 km. Das steilwinkelseismische (NVR) Experiment von DESERT querte die DST im Arava Tal zwischen Rotem Meer und Totem Meer, wo die Hauptstörung auch Arava Fault genannt wird. Das 100 km lange Profil erstreckte sich von Sede Boqer/Israel im Nordwesten nach Ma'an/Jordanien im Südosten und fällt mit dem zentralen Teil einer weitwinkelseismischen Profillinie zusammen. <br><br> Steilwinkelseismische Messungen stellen bei der Bestimmung der Krustenstruktur bis zur Krusten/Mantel-Grenze ein wichtiges Instrument dar. Obwohl es kaum möglich ist, steilstehende Störungszonen direkt abzubilden, geben abrupte Veränderungen des Reflektivitätsmuster oder plötzlich endende Reflektoren indirekte Hinweise auf Transformbewegung. Da bis zum DESERT Experiment keine anderen reflexionsseismischen Messungen über die DST ausgeführt worden waren, waren wichtige Aspekte dieser Transform-Plattengrenze und der damit verbundenen Krustenstruktur nicht bekannt. Mit dem Projekt sollte deshalb untersucht werden, wie sich die DST sowohl in der oberen als auch in der unteren Kruste manifestiert. Zu den Fragestellungen gehörte unter anderem, ob sich die DST bis in den Mantel fortsetzt und ob ein Versatz der Krusten/Mantel-Grenze beobachtet werden kann. So ein Versatz ist von anderen großen Transformstörungen bekannt. <br><br> In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die Methode der Steilwinkelseismik und die Datenverarbeitung kurz erläutert, bevor die Daten geologisch interpretiert werden. Bei der Interpetation werden die Ergebnisse anderer relevanter Studien berücksichtigt. Geologische Geländearbeiten im Gebiet des NVR Profiles ergaben, dass die Arava Fault zum Teil charakterisiert ist durch niedrige Steilstufen in den neogenen Sedimenten, durch kleine Druckrücken oder Rhomb-Gräben. Ein typischer Aufbau der Störungszone mit einem Störungskern, einer störungsbezogenen Deformationszone und einem undeformierten Ausgangsgestein, wie er von anderen großen Störungszonen beschrieben worden ist, konnte nicht gefunden werden. Deshalb wurden zur Ergänzung der Reflexionsseismik, welche vor allem die tieferen Krustenstrukturen abbildet, ASTER (Advanced Spacebourne Thermal Emission and Reflection Radiometer) Satellitendaten herangezogen, um oberflächennahe Deformation und neotektonische Aktivität zu bestimmen. / Following work is embedded in the multidisciplinary study DESERT (DEad SEa Rift Transect) that has been carried out in the Middle East since the beginning of the year 2000. It focuses on the structure of the southern Dead Sea Transform (DST), the transform plate boundary between Africa (Sinai) and the Arabian microplate. The left-lateral displacement along this major active strike-slip fault amounts to more than 100 km since Miocene times. The DESERT near-vertical seismic reflection (NVR) experiment crossed the DST in the Arava Valley between Red Sea and Dead Sea, where its main fault is called Arava Fault. The 100 km long profile extends in a NW&mdash;SE direction from Sede Boqer/Israel to Ma'an/Jordan and coincides with the central part of a wide-angle seismic refraction/reflection line. <br><br> Near-vertical seismic reflection studies are powerful tools to study the crustal architecture down to the crust/mantle boundary. Although they cannot directly image steeply dipping fault zones, they can give indirect evidence for transform motion by offset reflectors or an abrupt change in reflectivity pattern. Since no seismic reflection profile had crossed the DST before DESERT, important aspects of this transform plate boundary and related crustal structures were not known. Thus this study aimed to resolve the DST's manifestation in both the upper and the lower crust. It was to show, whether the DST penetrates into the mantle and whether it is associated with an offset of the crust/mantle boundary, which is observed at other large strike-slip zones. <br><br> In this work a short description of the seismic reflection method and the various processing steps is followed by a geological interpretation of the seismic data, taking into account relevant information from other studies. Geological investigations in the area of the NVR profile showed, that the Arava Fault can partly be recognized in the field by small scarps in the Neogene sediments, small pressure ridges or rhomb-shaped grabens. A typical fault zone architecture with a fault gauge, fault-related damage zone, and undeformed host rock, that has been reported from other large fault zones, could not be found. Therefore, as a complementary part to the NVR experiment, which was designed to resolve deeper crustal structures, ASTER (Advanced Spacebourne Thermal Emission and Reflection Radiometer) satellite images were used to analyze surface deformation and determine neotectonic activity.

The object of this thesis is to apply scanning probemicroscopy (SPM) to the field of advanced powder processing.Measurement of interparticle surface forces at conditionsrelevant to ceramic processing has been performed together withthorough studies of powder friction. Surface force measurements between silicon nitride andsilica surfaces in 1-bromonaphtalene and diiodomethane resultedin an attractive van der Waals force in both media for thesymmetric systems and a repulsive van der Waals force for theasymmetric systems. This agreed well with theoreticalpredictions from Lifshitz theory. Measurements in electrolytesolutions between silicon nitride surfaces with a varyingdegree of oxidation showed that silanol groups dominated theinteractions at a high degree of oxidation, whereas theinfluence of amine species became stronger after surfaceetching. Surface charge, surface potential and density ofsurface groups have been extracted from DLVO computer modellingof the experimental force curves. Surface force measurementshave been carried out using a nitrided silica sphere as acolloidal probe, representative for commercial silicon nitridepowders. Adsorption of poly(acrylic acid) above the isoelectricpoint generated a thin polymer layer of an essentially flatconformation. Friction force measurements were attainable via novelcalibration procedures of both the lateral photodetectorresponse and the cantilever torsional spring constant.Combining the method for detector calibration with evaluationof static friction slopes simplified the choice of appropriatecontact mechanics theory to evaluate the friction measurements.Applying the method on friction measurements between ironsurfaces coated with commercial lubricants showed a substantialsurface deformation not seen from the friction force alone. Thenanorheological properties of silica surfaces coated with twodifferent stearic acids have been evaluated from friction forcemeasurements. Steady sliding motion was replaced by highlyregular stick-slip motion at a critical load and velocity. Thestick-slip motion was successfully described and fitted to aphenomenological model. The contact area evaluated fromMaugis-Dugdale theory revealed the contact diameter to be veryclose to the stick-slip periodicity. Friction measurements were carried out between individualspray-dried ceramic granules as a function of binderconcentration and relative humidity. The hygroscopic nature ofthe binder resulted in a higher adhesion force but lowerfriction coefficient with increasing humidity. This effect wasascribed to softening of the binder and a lowering of the shearstrength of the binder rich surface layer on the granules.Comparison of the friction force between two granules and agranule and a hard metal surface confirmed that resistance toflow during the initial stages of powder pressing is dominatedby granule-wall friction and adhesion. Keywords: Atomic force microscope, AFM, SPM, van der Waalsinteraction, DLVO-theory, surface forces, colloidal probe,force curve, friction, adhesion, stick-slip, cantilever,calibration, spring constant, silicon nitride, iron,silica.

Dieser Beitrag befasst sich mit der experimentellen und analytischen Bestimmung der Verankerungslängen textiler Bewehrungsstrukturen einer Textilbetonverstärkungsschicht. Die experimentelle Untersuchung des Verbundverhaltens erfolgte anhand von Pull-Out-Versuchen. Die analytische Betrachtung des Verbundproblems geschieht aufbauend auf multilinearen Lösungen der Verbunddifferentialgleichung anhand der experimentell ermittelten Kraft- Rissöffnungs-Beziehungen. Mit Hilfe eines separaten Modells wird aus der so ermittelten Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung (VSB) die zur Verankerung einer entsprechenden Kraft F erforderliche Verankerungslänge lE bestimmt. Die Überprüfung der Berechnung erfolgt anhand von unabhängig in experimentellen Versuchen zur Bestimmung der Verankerungslänge ermittelten Werten. Es konnte eine gute Übereinstimmung der berechneten mit den versuchstechnisch bestimmten Verankerungslängen festgestellt werden.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von mechanischen, elektronenmikroskopischen und rasterkraft-mikroskopischen Untersuchungen an mittelorientierten Nickeleinkristallen dargestellt, die bei 77 K bis in den Bereich der Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften zyklisch verformt worden sind. Im Zentrum des Interesses steht neben der Analyse der stabilisierten Versetzungsstruktur auf makroskopischer, mesoskopischer und mikroskopischer Maßstabsskala das Studium der Gleitlokalisationsphänomene bei tiefen Temperaturen. Nach Verformung bei 77 K ergibt sich sowohl hinsichtlich des mechanischen Verhaltens und der Oberflächengleiterscheinungen als auch bezüglich der Versetzungsanordnungen auf mesoskopischem Strukturniveau (Strukturlängen in der Größenordnung 1 µm) prinzipiell ein ähnliches Erscheinungsbild wie bei höheren Verformungstemperaturen: Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ist in drei Bereiche gegliedert, sie weist ein Plateaugebiet auf; es treten Grobgleitspuren auf der Probenoberfläche auf, die eine Lokalisation der Gleitung anzeigen; es kommt zur Ausbildung einer mesoskopisch heterogenen Versetzungsstruktur. Die Tendenz, daß mit sinkender Verformungstemperatur die Strukturlängen auf den unterschiedlichen Maßstabsniveaus kleiner werden, setzt sich bei der Wechselplastizierung bei 77 K fort. Die detaillierten quantitativen Untersuchungen zur Gleitlokalisation bei 77 K haben zu neuen Erkenntnissen geführt, deren Konsequenzen nicht nur die zyklische Plastizität bei tiefen Temperaturen betreffen. Die Ergebnisse lassen sich in folgenden Punkten zusammenfassen: Nach Halbzyklusverformung existiert ein weites Spektrum von lokalen Abgleitamplituden, das von 0,5 % bis 30 % reicht; die mittlere plastische Dehnung der Gleitbänder ist intrinsisch; das aktive Gleitvolumen im Halbzyklus beträgt nur 30 % des Volumens, in dem Gleitlokalisation nach einer hinreichend großen Zyklenzahl beobachtet wird; die Abgleitung in den aktiven Gleitbändern liegt um ungefähr einen Faktor drei über der oberen Plateaugrenzdehnung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Meßergebnisse zum aktiven Gleitvolumen führen zu dem Schluß, daß in den Gleitbändern zeitlich gestaffelt Phasen hoher und niedriger Gleitaktivität auftreten. Die Diskussion der experimentellen Befunde zeigt, daß die Kerngedanken des WINTER-Modells bezüglich der Eigenschaften der Gleitbänder gültig bleiben, wenn man die Aussagen des Modells auf das mittlere räumliche und mittlere zeitliche Verhalten der Gleitbänder bezieht. Anhaltspunkte für die physikalischen Ursachen der Existenz eines Abgleitungsspektrums ergeben sich zum einen aus einer Modifikation des phänomenologischen WINTER-Modells nach ZAISER und zum anderen durch die Annahme von Spektren des Verfestigungskoeffizienten und/oder der effektiven Spannung.

<p>The object of this thesis is to apply scanning probemicroscopy (SPM) to the field of advanced powder processing.Measurement of interparticle surface forces at conditionsrelevant to ceramic processing has been performed together withthorough studies of powder friction.</p><p>Surface force measurements between silicon nitride andsilica surfaces in 1-bromonaphtalene and diiodomethane resultedin an attractive van der Waals force in both media for thesymmetric systems and a repulsive van der Waals force for theasymmetric systems. This agreed well with theoreticalpredictions from Lifshitz theory. Measurements in electrolytesolutions between silicon nitride surfaces with a varyingdegree of oxidation showed that silanol groups dominated theinteractions at a high degree of oxidation, whereas theinfluence of amine species became stronger after surfaceetching. Surface charge, surface potential and density ofsurface groups have been extracted from DLVO computer modellingof the experimental force curves. Surface force measurementshave been carried out using a nitrided silica sphere as acolloidal probe, representative for commercial silicon nitridepowders. Adsorption of poly(acrylic acid) above the isoelectricpoint generated a thin polymer layer of an essentially flatconformation.</p><p>Friction force measurements were attainable via novelcalibration procedures of both the lateral photodetectorresponse and the cantilever torsional spring constant.Combining the method for detector calibration with evaluationof static friction slopes simplified the choice of appropriatecontact mechanics theory to evaluate the friction measurements.Applying the method on friction measurements between ironsurfaces coated with commercial lubricants showed a substantialsurface deformation not seen from the friction force alone. Thenanorheological properties of silica surfaces coated with twodifferent stearic acids have been evaluated from friction forcemeasurements. Steady sliding motion was replaced by highlyregular stick-slip motion at a critical load and velocity. Thestick-slip motion was successfully described and fitted to aphenomenological model. The contact area evaluated fromMaugis-Dugdale theory revealed the contact diameter to be veryclose to the stick-slip periodicity.</p><p>Friction measurements were carried out between individualspray-dried ceramic granules as a function of binderconcentration and relative humidity. The hygroscopic nature ofthe binder resulted in a higher adhesion force but lowerfriction coefficient with increasing humidity. This effect wasascribed to softening of the binder and a lowering of the shearstrength of the binder rich surface layer on the granules.Comparison of the friction force between two granules and agranule and a hard metal surface confirmed that resistance toflow during the initial stages of powder pressing is dominatedby granule-wall friction and adhesion.</p><p>Keywords: Atomic force microscope, AFM, SPM, van der Waalsinteraction, DLVO-theory, surface forces, colloidal probe,force curve, friction, adhesion, stick-slip, cantilever,calibration, spring constant, silicon nitride, iron,silica.</p>

Die sichere Einleitung und Übertragung der wirkenden Kräfte ist Bedingung für die Funktionsfähigkeit und die vollständige Ausnutzung der Tragfähigkeit von Textilbetonbauteilen und -verstärkungsschichten. So kann es bei ungünstiger Konfiguration und Anordnung der Einzelkomponenten des Verbundbaustoffes zur Ausbildung einer Vielzahl verschiedener Verbundversagensformen kommen. Diese umfassen neben der Bildung von verbundschädigenden Delaminations- und Spaltrissen lokale Abplatzungen der Betondeckung oder einen vorzeitigen Auszug der Garne aus dem Beton. Besonders beansprucht sind in diesem Zusammenhang die bei einer Anwendung von Textilbeton erforderlichen Endverankerungs- und Stoßbereiche der textilen Bewehrungen. Zur sicheren Ausbildung und Bemessung dieser wichtigen Detailpunkte liegen jedoch momentan noch keine umfassenden und zusammenhängenden Untersuchungen vor. Hauptziel der vorliegenden Dissertation war daher eine systematische Erforschung und Beschreibung des Tragverhaltens von Textilbeton in Endverankerungs- und Übergreifungsbereichen. Eine funktionierende und schädigungsfreie Verbundkraftübertragung bildet die Grundlage für die sichere Lasteinleitung und -übertragung. Daher wurden im ersten Teil der Arbeit ausführliche Untersuchungen zur Charakterisierung der zwischen Bewehrungstextil und Feinbetonmatrix wirkenden Kräfte und -mechanismen durchgeführt. Nach der Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus erfolgten umfangreiche Parametervariationen zur experimentellen Überprüfung des textilspezifischen Verbundverhaltens. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Identifikation und Bewertung der aus verschiedenen Verarbeitungsparametern der textilen Bewehrungen resultierenden Verbundeinflüsse. Die Versuchsergebnisse ermöglichen die Bestimmung der zugehörigen Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen (VSB) mithilfe eines erarbeiteten Modellierungsverfahrens. Die so ermittelten Verbundkennwerte bilden die Grundlage für die weiteren rechnerischen Untersuchungen. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgten Forschungen zum Tragverhalten von Endverankerungsbereichen. Hierbei stand der im Regelfall bemessungsrelevante Grenzzustand eines vorzeitigen Auszuges der Textilien aus der Betonmatrix im Mittelpunkt. Die Arbeiten umfassten experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Beschreibung der Kraftübertragung. Aufbauend auf die ermittelten Verbundkennwerte wird ein unabhängiger analytischer Auswertealgorithmus zur Beschreibung des Verbundtragverhaltens in Endverankerungsbereichen dargestellt. Dieser ermöglicht eine detaillierte rechnerische Bestimmung der erforderlichen Endverankerungslängen von Textilbeton in Abhängigkeit konkreter bzw. untersuchter Bewehrungstextilien. Den dritten Forschungsschwerpunkt bildeten Untersuchungen zum Tragverhalten von Übergreifungsstößen in Textilbetonbauteilen. Mithilfe von umfassenden experimentellen und theoretischen Analysen an unterschiedlich konfigurierten und bewehrten Textilbetonen konnten die maßgebenden Versagensmechanismen untersucht und grundlegende Vorgaben für die Bemessung und Ausführung der Übergreifungsbereiche abgeleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anhand von großformatigen Bauteilversuchen mit entsprechend konstruierten Übergreifungsstößen bestätigt. Zum Abschluss wird ein vereinfachtes Ingenieurmodell vorgestellt. Dieses erlaubt eine allgemeingültige und hinreichend genaue Bemessung der untersuchten Detailpunkte unter Beachtung der maßgebenden Grenzzustände. / The safe introduction and transmission of forces is a requirement for the workability as well as the possibility to make full use of the load bearing capacities of components and strengthening layers made of textile reinforced concrete. Accordingly, an unfavourable configuration and arrangement of the composite material’s individual components can lead to various modes of bond failure. These can result from the formation of bond damaging delamination cracks and longitudinal matrix splitting, local spalling of the concrete layer in the outer reinforcement layers or early yarn pull-out from the concrete. In this context, the areas of end anchorage and lap joints of the textile reinforcement, which cannot be avoided when using textile reinforced concrete, are particularly prone to failure. However, no comprehensive and coherent investigations regarding the safe configuration and dimensioning of these essential details are available yet. Consequently, systematic research into textile reinforced concrete’s load-bearing behaviour in the areas of end anchorage and lap joints and the subsequent description was the main goal of this dissertation. A working and damage-free transmission of bond force is the basis for a faultless load transmission and introduction. As a result, extensive tests concerning the characterization of the mechanisms and forces acting between reinforcing textile and fine grained concrete matrix were carried out as the first part of the investigations. After an appropriate test setup had been developed, a great variety of parameters was applied to experimentally examine the bond behaviour specific to the textile. The determination of the influencing factors resulting from various parameters in the textile reinforcement’s processing was a focus in the research. Based on a specifically developed modelling technique, the test results could be used to calculate the corresponding bond stress-slip-relation. The bond parameters, which were determined like this, served as the basis for the following calculations. The second part of the investigations was concerned with the load-bearing behaviour in end anchorage areas. In this case, the limit state of a yarn pull-out from the concrete matrix, which is usually essential for the dimensioning, was at the centre of attention. The investigations encompassed experimental and theoretical tests regarding the description of the force transmission. Based on the determined compound parameters, an independent analytic evaluation algorithm, which served to describe the load carrying behaviour of the bond in the end anchorage area, was presented. Through this algorithm, the detailed calculation of the required end anchorage lengths of textile reinforced concrete depending on the specific reinforcement textile was possible. The third research focus was on tests regarding the load-bearing behaviour of lap joints in textile reinforced concrete components. With the help of comprehensive experimental and theoretical analyses of variously configured and reinforced textile reinforced concretes, the decisive failure mechanisms were examined. Furthermore, fundamental demands for the dimensioning and execution of the lap joint areas could be derived. The findings were confirmed through tests on large-sized building components with corresponding lap joints. At the end of the investigations, a simplified engineering model is presented. This model makes a universally valid and exact dimensioning of the examined details possible while also paying attention to the decisive limit states.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη χρονικά μεταβαλλόμενων και ασταθών υπό συνθήκες ροών ιξωδοπλαστικών και ιξωδο-ελαστικών ρευστών λόγω της σημασίας που παρουσιάζουν τα υλικά αυτά σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής μελετήθηκε αρχικά το πρόβλημα της συμπίεσης ιξωδοπλαστικού ρευστού μεταξύ δύο δίσκων το οποίο είναι ένα βασικό πείραμα ρεολογικού χαρακτηρισμού μη Νευτωνικών υλικών. Η χρονικά μεταβαλλόμενη προσομοίωση επέτρεψε τον προσδιορισμό των σημαντικών διαφορών μεταξύ των δύο εκδοχών του συγκεκριμένου ρεολογικού πειράματος (δίσκοι κινούμενοι υπό σταθερή ταχύτητα ή υπό σταθερή δύναμη) που ήταν αδύνατος με τα προηγούμενα μοντέλα, ενώ παρουσιάζεται και πλήρης παραμετρική μελέτη της διεργασίας αυτής. Το υπόλοιπο μέρος της παρούσας εργασίας αφιερώθηκε στη μελέτη της διεργασίας εκβολής ιξωδοελαστικών υλικών η οποία συναντάται ευρέως στη βιομηχανία μορφοποίησης πολυμερών. Παρουσιάζεται μια πλήρης παραμετρική ανάλυση για την εκβολή ενός ιξωδοελαστικού ρευστού Phan-Tien & Tanner (PTT) από ένα δακτυλιοειδή αγωγό προκειμένου να εξετάσουμε την επίδραση της γεωμετρίας του αγωγού, και των ρεολογικών ιδιοτήτων του ρευστού. Επιπλέον ένα σημαντικό πρόβλημα που εμφανίζεται κατά την εκβολή από ένα κυλινδρικό, επίπεδο ή δακτυλιοειδή αγωγό είναι η εμφάνιση ασταθειών οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός που προκαλεί την εμφάνιση αυτών των ασταθειών πραγματοποιήθηκε γραμμική ανάλυση ευστάθειας για τη αξονοσυμμετρική και καρτεσιανή δισδιάστατη ροή επικόλλησης-ολίσθησης (stick-slip flow) ενός ρευστού PTT. Γύρω από τη λύση μόνιμης κατάστασης πραγματοποιείται γραμμική ανάλυση ευστάθειας, και υπολογίζονται οι ιδιοτιμές του γενικευμένου προβλήματος με τη βοήθεια της μεθόδου Arnoldi. Έτσι προσδιορίζεται η επίδραση των ιδιοτήτων του υλικού στην ευστάθεια ή μη της ροής. / The purpose of this dissertation is to perform a study on time-dependent and conditionally unstable flows of viscoplastic and viscoelastic fluids because of their importance in various industrial processes. A typical experiment which is used widely for the rheological characterization of non-Newtonian fluids is squeeze flow which is the subject of the first chapter of this dissertation. The time-dependent simulation permitted the determination of the distinct differences between the two versions of this rheological experiment (disks moving with constant velocity or under constant force) which was impossible with the models used up to now, while a complete parametric analysis of this process is presented. The rest of this work focuses in the important problem of the extrusion process of a viscoelastic fluid, which is frequently encountered in the polymer industry. A complete parametric analysis is presented for the extrusion of a Phan-Thien Tanner (PTT) fluid from an annular die in order to examine the effect of the die geometry and the rheological properties of the fluid on this process. Moreover, it is widely known that during the extrusion from a cylindrical, planar or an annular die various flow instabilities may arise affecting significantly the quality of the final product. In order to investigate the mechanism, which causes the appearance of these instabilities, a linear stability analysis is performed for the cylindrical or planar stick-slip flow of a PTT fluid. The stability analysis is performed around the steady state solution and the eigenvalues of the generalized problem are calculated using the Arnoldi algorithm. With this method the effect of the various rheological properties of the fluid on the stability of the flow is determined.

Understanding spatial and temporal variations in strain accumulation and release along plate boundaries is a fundamental problem in tectonics. Short-term and long-term slip rates are expected to be equal if the regional stress field remains unchanged over time, yet discrepancies between modern geodetic (decadal time scale) slip rates and long-term geologic (10^3 to 10^6 years) slip rates have been observed on parts of the Pacific-North American plate boundary system. Contemporary geodetic slip rates are observed to be ~2 times greater than late Pleistocene geologic slip rates across the southern Walker Lane. I use a combination of GPS geodesy, detailed field geologic mapping, high-resolution LiDAR geodetic imaging, and terrestrial cosmogenic nuclide geochronology to investigate the observed discrepancy between long- and short-term slip rates. I find that the present day slip rate derived from GPS geodesy across the Walker Lane at ~37.5°N is 10.6 ± 0.5 mm/yr. GPS data suggest that much of the observed discrepancy occurs west of the White Mountains fault zone. New dextral slip rates on the White Mountains fault zone of 1.1 ± 0.1 mm/yr since 755 ka, 1.9 +0.5/-0.4 mm/yr since 75-115 ka, 1.9 +0.5/-0.4 mm/yr since 38.4 ± 9.0 ka, and 1.8 +2.8/-0.7 mm/yr since 6.2 ± 3.8 ka are significantly faster than previous estimates and suggest that slip rates there have remained constant since the middle Pleistocene. On the Lone Mountain fault I calculate slip rates of 0.8 ± 0.1 mm/yr since 14.6 ± 1.0 ka and 0.7 ± 0.1 mm/yr since 8.0 ± 0.5 ka, which suggest that extension in the Silver Peak-Lone Mountain extensional complex has increased dramatically since the late Pleistocene.