Geotektonische Hypothesen

Schon frühzeitig tauchte die Frage auf, wie sich die Erde im Laufe der Zeiten entwickelt hat, wie sie in früheren Epochen ausgesehen hat, insbesondere, ob immer die Meere und Ozeane etwa die gleiche Lage besaßen ("Permanenz der Kontinente und Ozeane"), wie und warum sich Gebirge bildeten, welche Bewegungsvorgänge stattfanden und warum sie stattfanden

Spätkänozoische Reliefentwicklung der Schweizer Alpen

Die Reliefstruktur der Schweizer Alpen ist das Resultat einer über Jahrmillionen andauernden Wechselwirkung zwischen tektonischen Hebungsprozessen und erosiven Oberflächenprozessen. Letztere werden maßgeblich durch das Klima, die lithologischen Materialeigenschaften sowie die morphometrischen Charakteristika des Reliefs beeinflußt. Eine Bilanzierung der Lithosphärenhebungsraten und der Erosionsraten deutet darauf hin, daß sich das Schweizer Alpenrelief seit ca. 5 Mio. Jahren im dynamischen Gleichgewicht befindet. Die Erosionsraten wurden über Apatit-Fission-Track-Thermochronologie bestimmt und spiegeln damit die langzeitige Abtragungsgeschichte des Gebirges wider. Die verwendeten Hebungsraten stellen zwar nur die rezente Lithosphärenkinematik dar, weisen jedoch ausgeprägte Korrelationen mit dem tektonischen Spannungsfeld und dynamischen Modellen der Lithosphäre auf, so daß eine Extrapolation in die geologische Vergangenheit vorgenommen werden kann. Multiple Regressionsanalysen zeigen, daß die morphometrischen Reliefparameter im randalpinen Bereich signifikante positive Korrelationen mit der Erosionsresistenz der Gesteinsformationen und der tektonischen Hebungsrate aufweisen, während das Relief der zentralalpinen Region lediglich durch die Erosionsresistenz kontrolliert wird. Dieser Zusammenhang wird dadurch erklärt, daß die Hänge in der Zentralregion infolge intensiver tektonischer Hebung und Taleintiefung bereits ihre gesteinsabhängigen maximalen Neigungswinkel erreicht haben. Die anhaltende Tiefenerosion führt daher zum mechanischen Versagen der Hänge. Nach diesem Modell befindet sich das Relief in einem stationären Zustand, in dem die endogene Materialzufuhr vollständig durch gravitativ bedingte Massenbewegungen an der Oberfläche kompensiert wird. Damit wird das Höhenwachstum der Schweizer Alpen durch die mechanischen Gesteinseigenschaften begrenzt. Korrelationen zwischen den Reliefparametern und der mittleren Schneegrenze des Quartärs liefern ein alternatives Erklärungsmodell für den dynamischen Gleichgewichtszustand der Schweizer Alpen. Danach wird die endogene Materialzufuhr oberhalb der Schneegrenze vollständig durch die sehr hohen Erosionsraten der glazialen Prozesse kompensiert, so daß die maximale Gebirgshöhe durch das langzeitige Höhenniveau der Schneegrenze bestimmt wird. Zur Prüfung der erstgenannten Hypothese wurden theoretische Modellrechnungen durchgeführt. Dazu wurde anhand eines physikalisch basierten Reliefentwicklungsmodells das fluviale Gleichgewichtsrelief der Schweizer Alpen modelliert. Die Modellresultate zeigen, daß die theoretischen Hangneigungen innerhalb der Zentralregion signifikant größer sind als die realen Hangneigungen. Dies bedeutet, daß die realen Neigungswinkel durch gesteinsabhängige Schwellwerte begrenzt werden, so daß die o.g. Hypothese des gravitativen Hangversagens quantitativ verifiziert werden konnte.Late Cenozoic Landform Evolution of the Swiss Alps The landform structure of the Swiss Alps is the result of an interaction between tectonic uplift processes and erosive surface processes persisting over a period of millions of years. The latter are primarily controlled by the climate, the material properties of the lithology and the morphometric characteristics of the landform. A balance of the uplift rates of the lithosphere and the erosion rates suggests that the Swiss Alps are in a dynamic equilibrium for about 5 million years. The erosion rates were determined by apatit-fission-track thermochronology, thus reflecting the long-term denudation history of the mountain range. Though the uplift rates merely constitute the recent kinematics of the lithosphere they show distinctive correlations with the tectonic stress field and dynamic models of the lithosphere, hence an extrapolation into the geologic past can be performed. Multiple regression analyses show that the morphometric landform parameters exhibit significantly positive correlations with the erosivity of the rock formations and the tectonic uplift rate in the marginal region of the Alps, while the landform in the central region is solely controlled by the erosivity. This relation is explained by the slopes in the central region having approached their rock-dependent maximum gradients due to pronounced tectonic uplift and river incision. Therefore ongoing river incision leads to mechanical failure of the slopes. According to this model the landform exhibits a steady state at which endogenetic material supply is completely compensated by gravitational mass movements at the surface. Consequently the height growth of the Swiss Alps is limited by the mechanical rock properties. Correlations between landform parameters and the mean Quartenary snowline provide an alternative model to explain the state of dynamic equilibrium in the Swiss Alps. In this regard endogenetic material supply is compensated completely by the very high erosion rates of the glacial processes above the snowline, therefore the maximum height of the mountain range is controlled by the long-term altitude level of the snowline. In order to test the former hypothesis theoretical model calculations were carried out. For this purpose the fluvial equilibrium landform of the Swiss Alps were modelled by a physically based landform evolution model. The model results show that the theoretically derived slopes within the central region are significanty higher than the real slopes. Thus it appears that real slope angles are limited by thresholds depending on the rock type; consequently, the above-mentioned hypothesis of gravitational slope failure could be verified quantitatively

Geotektonische Hypothesen

Schon frühzeitig tauchte die Frage auf, wie sich die Erde im Laufe der Zeiten entwickelt hat, wie sie in früheren Epochen ausgesehen hat, insbesondere, ob immer die Meere und Ozeane etwa die gleiche Lage besaßen ("Permanenz der Kontinente und Ozeane"), wie und warum sich Gebirge bildeten, welche Bewegungsvorgänge stattfanden und warum sie stattfanden

Auswertung von ICESat-Laseraltimeterdaten zur Untersuchung glaziologischer Fragestellungen in polaren Gebieten

Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde.The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field

Der holozäne Meeresspiegelanstieg südlich der ostfriesischen Insel Langeoog, südliche Nordsee : hochfrequente Meeresspiegelbewegungen während der letzten 6000 Jahre

In der vorliegenden Studie wird eine spätholozäne Meersspiegelanstiegskurve für das Gebiet der ostfriesischen Insel Langeoog in der südlichen Nordsee vorgestellt. Die Datenbasis besteht aus et-wa 600 Bohrungen, die freundlicherweise vom Niedersächsischen Landesamt für Bodenforschung in Hannover (NLfB) zur Verfügung gestellt wurden, etwa 68 km Boomer-Flachseismik, insgesamt 108 Pollen- und Radiokohlenstoff-Datierungen aus den Archivbohrungen des NLfB und 10 optischen Datierungen. Die Daten wurden mit der Methodik der Sequenzstratigraphie ausgewertet. Entlang der ostfriesischen Küste ist während des holozänen Meeresspiegelanstiegs ein keilförmiger Sedimentkörper akkumuliert. Er ist durch mehrere eingeschaltete Torfhorizonte im klastischen Sediment charakterisiert, die als Marker für Meeresspiegelbewegungen gelten. Eine Korrelation der Bohrkerndaten ist aufgrund der extrem kleinräumigen Fazieswechsel im Watt meist nur sehr unzureichend zu realisieren. Wie sich in den seismischen Messungen zeigte, bilden die eingeschalteten Torfe markante seismische Horizonte. Die Torfhorizonte konnten so zwischen den nur punktuell Information liefernden Bohrkernen verfolgt und in Bezug auf ihre sequenzstratigraphische Bedeutung ausgewertet werden. Es wurden nur die Torfe und die Datierungen derselben, die im Hinblick auf Meeresspiegelbewegungen als aussagekräftig herausgefiltert werden konnten, für die weitere Interpretation verwendet. Überlegungen zu den Genesebedingungen der Torfe und zum geometrischen Verlauf von Meeresspiegelbewegungen im Sinne von Niedrigstand-, Transgressivem und Hochstand-Systemtrakt (LST, TST und HST) haben ergeben, dass die Torfe für einen HST kennzeichnend sind. Die Meeresspiegelkurve bis etwa AD 800 verläuft somit stufenförmig und ist nicht durch Absenkungen gekennzeichnet. Für den letzten Abschnitt der Meeresspiegelkurve ab etwa 400 BC wurden neue Bohrungen abgeteuft. In diesem Zeitraum sind keine weit verbreiteten Torfe mehr in den Küstensedimenten zu finden. Die klastischen Sedimente konnten dennoch im Sinne der base-level Sequenzstratigraphie in transgressive und regressive Phasen untergliedert werden. Sie wurden für die optisch stimuliert Lumineszenz (OSL) beprobt. Der Abtrag der Datierungen in ein Zeit-Tiefen Diagramm zeigt für den Zeitraum von etwa AD 750-1000 eine Absenkung des Meeresspiegels. Der Vergleich sowohl des hauptsächlich auf sequenzstratigraphischen Überlegungen beruhenden Abschnitts der Meeresspiegelkurve, als auch des jüngsten auf den OSL Datierungen basierenden Abschnitts mit Kurven von benachbarten Küstenregionen zeigt ein gute Übereinstimmung