Wärmetransfer in geklüfteten porösen Medien ist ein essentieller Prozess im Erdinnern. Er ist Triebkraft für zahlreiche Naturphänomene, wie Geysire, hydrothermische und vulkanische Systeme, als auch für Naturgefahren wie Gesteinsbrüche und Erdbeben. Er bildet die Grundlage für industrielle Anwendungen, etwa im Bereich Geothermie. Die Fließbewegung in Risssystemen kann recht gut beschrieben werden. Es existiert eine breite Auswahl an Ansätzen, u. a. aus der Kontinuumsmechanik, multiple Medien und die explizite Beschreibung von Klüften. Allerdings haben existierende Modelle für den Wärmetransfer zwei große Schwachpunkte: Oft wird ein thermisches Gleichgewicht zwischen Gestein und Fluid vorausgesetzt und die Rolle der Risse vernachlässigt. Beides ist eng miteinander verbunden, da Risse mit hohen Fließgeschwindigkeiten eine Ursache für ein thermisches Ungleichgewicht sind und eine passende Beschreibung des Wärmetransfers in Rissen fehlt. In diesem Projekt wird ein neuartiges Modell entwickelt, um Wärmetransfer in Klüften unter Berücksichtigung mikroskopischer Rissoberflächenmorphologie zu beschreiben. Aktuelle Laborexperimente erlauben eine Analyse dieser Prozesse in bisher unbekannter Genauigkeit und ermöglichen einen tief gehenden Vergleich mit theoretischen Modellen. Oberflächenrauhigkeit, Öffnungsweite und Kontaktfläche beeinflussen Fließfeld wie Wärmetransfer. Gleichzeitig verändert Temperatur die Fluideigenschaften, und Risscharakteristiken hängen vom Spannungsfeld ab, welches wiederum von Temperatur und Fluiddruck abhängt. Ein passendes Wärmemodell muss daher auch hydraulische und mechanische Prozesse berücksichtigen, was in einem vollständig gekoppelten thermisch-hydraulisch-mechanischen Modell resultiert. Die theoretische Modellentwicklung beginnt mit einfachen Geometrien, um gute Vergleichbarkeit mit Laborergebnissen von externen Projektpartnern im Centimeterbereich zu ermöglichen. Daran schließt sich die Erweiterung auf komplexe Kluftnetzwerke an. Um auch für Anwendungen mit hunderten Metern Ausdehnung geeignet zu sein, wird das Modell mit statistischen Methoden skaliert und durch andere Parameter beschrieben, wie der Rissdichte. Anwendung auf Feldskala und Vergleich mit Messungen dienen zur Evaluation. Eine Einbindung des entwickelten Modells in eine Auswahl an wissenschaftlichen Softwareprogrammen ist geplant. Dieser innovative Ansatz kann in unterschiedlichen Modellen unabhängig von der gewählten Rissrepräsentation verwendet werden. Das vorgeschlagene Projekt schließt die lang existierende Lücke einer über die Skalen konsistenten Beschreibung des Wärmetransfers in geklüfteten porösen Medien unter Berücksichtigung statischer wie dynamischer Größen. Erstmals wird es möglich sein den Einfluss und die Interaktion einzelner Bedingungen und Gegebenheiten auf den Wärmetransfer und -transport im Detail zu untersuchen. Die Bestimmung der transferierten Wärme in natürlichen und industriellen Anwendungen wird sich dadurch signifikant verbessern.
The classical point wise Cornell-McGuire probabilistic seismic hazard assessment (PSHA), which is widely used for seismic hazard mapping and development of design codes, does not allow direct estimation of multiple-location hazard for distributed structures and facilities: what is the (annual) probability that specific level of ground motion will be exceeded simultaneously in several sites? It is possible to extent the classical methodology to the multiple sites problem considering also ground-motion correlation. We study multiple-location PSHA, as compared with the classical point wise PSHA, using Monte Carlo simulation. Specific items are:(1) Development of the algorithms for multiple-location PSHA;(2) Analysis of the role of the geometry of multiple sites, correlation of ground motion, and evel of seimicity for multiple-location PSHA;(3) Study of correspondence and differences between multiple-location PSHA and classical point wise PSHA and analysis of possibility of utilization of classical PSHA procedures for simplified multiple-location hazard assessment.The project is innovative because only few attempts have been made so far regarding our research questions.
Ziel dieser Studie ist die Erforschung der Grundwasserbewegung im New Jersey Shelf (NJS). Ende der 1970er Jahre wurde Grundwasser mit deutlich geringerem Salzgehalt als Meerwasser in zahlreichen Bohrungen entlang der U.S. Ostküste nachgewiesen - teilweise mehr als 100 km vom Festland entfernt. Besonders detaillierte Daten zur Porenwassersalinität wurden im Rahmen von IODP Leg 313 am NJS gewonnen: Sie zeigen abrupte vertikale Salinitätskontraste an allen drei Bohrlokationen. Verschiedene Autoren erklären die Entstehung von küstenfernem Süßwasser im NJS durch rezenten meerwärts gerichteten Grundwasserfluss oder führen sie auf ein erhöhtes hydraulisches Potential während der letzten Eiszeit zurück. Zur Klärung welcher dieser Prozesse zur Entstehung von küstenfernem Süßwasser geführt hat, soll im Rahmen dieser Studie, auf der Basis eines detaillierten 3D hydrogeologischen Modells, die Grundwasserströmung im NJS numerisch simuliert werden. Es werden folgende Arbeitshypothesen aufgestellt: 1. Küstenfernes Süßwasser im NJS entstand während der letzten Eiszeit. 2. Ablandige Grundwasserströmung reicht gegenwärtig nicht bis zu 100 km von der Küste. 3. Küstenferne Süßwasservorkommen sind auf Sedimentschichten mit niedriger Permeabilität beschränkt. Die verfügbare Datengrundlage ist exzellent und besteht neben petrophysikalischen Messungen und Bohrlochdaten vergangener ODP/IODP Expeditionen aus zahlreichen 2D seismischen Profilen. Das gleichnamige Projekt wird seit Mitte 2015 an der TU Freiberg und seit Ende 2016 an der RWTH Aachen durch die DFG gefördert. Eine Tiefenmigration reflexionsseismischer Profile ist nahezu abgeschlossen und bildet die Grundlage zur Erstellung eines hydrogeologischen Modells. Auf Basis einer sequenz-stratigraphischen Interpretation der seismischen Daten und unter Berücksichtigung der aus Bohrlochdaten abgeleiteten Korngrößenverteilung am NJS, wurde mittels geostatistischer Verfahren ein komplexes, über 30 Millionen Gitterpunkte umfassendes und geologisch plausibles 2D Faziesmodell erstellt. Dabei ist jeder Faziestyp durch bohrloch- und literaturgestützte petrophysikalische Eigenschaften charakterisiert. Nach sorgfältiger Definition von Anfangs- und Randbedingungen, bildet dieses Modell die Grundlage für vorläufige numerischer Simulationen. Die Simulationsergebnisse sind vielversprechend und deuten auf eine Bestätigung der oben genannten Hypothesen hin. Zukünftig geplante Arbeiten umfassen eine Erweiterung des hydrogeologischen Modells in 3D unter Einbeziehung multiple-point-geostatistischer Methoden. Dabei sollen auch die durch eine AVO-Analyse der Seismik abgeleiteten petrophysikalischen Parameter berücksichtigt werden. Die Überprüfung der oben genannten Hypothesen wird durch numerische Simulationsrechnung auf Basis des finalen 3D Modells erfolgen. Die Ergebnisse dieser Studie können zu einem verbesserten Verständnis von meerwärts gerichtetem Grundwassertransport im Allgemeinen beitragen.
Wolkenbeobachtungen werden mit Aerosolmessungen auf dem Forschungsschiff (FS) Polarstern und einer Eisstation synchronisiert um den direkten und indirekten Aerosoleffekt zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese werden mit dem Zustand der Atmosphäre in Zusammenhang mit deren Strahlungsflüssen am Boden in Verbindung gebracht. Strahlungsschließungsstudien werden durchgeführt um die fernerkundeten Aerosol- und Wolkeneigenschaften mit den in-situ Messungen der Bodenstrahlungsflüsse zu verbinden
Vor etwa 400 Millionen Jahren, in den geologischen Zeitaltern Silur und frühes Devon, hat im heutigen Skandinavien eine Kollision zweier Kontinente stattgefunden. Der Urkontintent Baltica hat sich von Osten unter Laurentia geschoben und ein Gebirge gebildet, die skandinavischen Kaledoniden. Die Gebirgsbildungsprozesse sind unter anderem deshalb für die Geowissenschaft von Interesse, weil sie den Vorgängen, die sich derzeit im Himalaya abspielen, sehr ähnlich sind. Um die Gebirgsbildungsprozesse näher zu untersuchen, werden im Rahmen des COSC (Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides) Projektes zwei ca.je 2,5 km tiefe Bohrungen an der Schnittstelle der beiden Urkontinente abgeteuft. COSC-1 wurde bereits 2014 gebohrt, COSC-2 ist im Sommer 2020 geplant. Die Bohrung COSC-2 wird durch mehrere Einheiten des unteren Allochthons bis in das autochthone fennoskandinavische Grundgebirge verlaufen. Eins der Hauptziele des COSC-2 Projektes ist die Charakterisierung und Altersbestimmung der Deformationsstrukturen der Überschiebungsdecken, des kaledonischen Décollements und des prekambrischen Grundgebirges.Im Rahmen dieser Studie werden wir in der COSC-2 Bohrung dreikomponentige Bohrlochmagnetikmessungen durchführen und interpretieren. Die Messdaten werden zunächst in das geographische Referenzkoordinatensystem überführt und anschließend unter Zuhilfenahme von aeromagnetischen und Seismik-Daten in Form eines 3D Modells interpretiert. Diese Ergebnisse werden in die bestehenden Modelle eingearbeitet und somit die Eindeutigkeit des regionalen Strukturmodells erhöhen.Unser Hauptaugenmerk bei der Interpretation wird auf dem Bereich des kaledonischen Décollements und dem darunterliegenden fennoskandinavische Grundgebirge liegen. Unter Verwendung des Vektors der remanenten Magnetisierung, berechnet aus der magnetischen Anomalie, können wir hier verschiedene Hypothesen bezüglich der Geologie im Bohrungsumfeld (bis ca. 200 m) untersuchen. In Bereichen mit starker remanenter Magnetisierung, zum Beispiel in den sogenannten Rätan Graniten des Grundgebirges, werden wir die Richtungsinformation der natürlichen, remanenten Magnetisierung dazu verwenden, die tektonische Entwicklung der skandinavischen Kaledoniden nachzuvollziehen. Somit werden wir einen substanziellen Beitrag zur Verbesserung des Verständnisses der zugehörigen gebirgsbildenen Prozesse liefern, welches eins der Hauptziele des COSC Projektes ist.
Eine Gruppe internationaler Wissenschaftler hat im Frühjahr 2015 an dem pazifischen Tropensee Towuti (Sulawesi, Indonesien) ein umfangreiches Forschungsprojekt begonnen. Aus einem vollständigen Sedimentprofil sollen die Umweltbedingungen der vergangenen fünf bis sechs Glazial-Interglazial-Zyklen (ca. 650.000 Jahre) untersucht und die tektonische und evolutionäre Geschichte des Sees erforscht werden. Vorstudien an seebodennahen Sedimenten zeigten, dass Klimaschwankungen von niederschlagsreichen (warmen) zu trockenen (kalten) Perioden innerhalb der letzten 60.000 Jahren anhand geophysikalischer und geochemischer Parameter nachgewiesen werden können. Um diese Studien bis auf den Zeitpunkt der frühen Seeablagerungen auszuweiten, wurden im Rahmen des Lake Towuti Bohrprojektes an drei Lokationen Kernbohrungen bis zu einer Tiefe von 174 m unter Seeboden abgeteuft. Um wichtige Sedimentparameter auch unter in situ Bedingungen bestimmen zu können, wurden an zwei der Bohrlokationen Bohrlochmessungen durchgeführt. Im Rahmen des Projektes sollen die dabei gewonnenen Bohrlochdaten mit Hilfe von paläoklimatischen Untersuchungen ausgewertet werden. Als potentiell geeignete Proxies eignen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit die Gehalte an K und U sowie magnetische Suszeptibilität und spezifischer elektrischer Widerstand. Im Rahmen einer umfassenden Multi-Proxy-Studie sollen die gewonnenen Ergebnisse der verschiedenen Arbeitsgruppen evaluiert und zu einem einheitlichen Bild zusammengefasst werden.Darüber hinaus sollen klimasensitive Parameter mit Hilfe von zyklostratigraphischen Analysen untersucht werden. Das Ziel dabei ist das Erstellen eines Alter-Tiefen-Modells unter Berücksichtigung von Datierungsergebnissen (z.B. an Tephren). Eine Herausforderung bei der Analyse der Lake Towuti Sedimente ist die gelegentliche Unterbrechung der kontinuierlichen, pelagischen Sedimentation durch Tephra-Schichten. Erfahrungen aus dem früheren Projekt Lake Van in der Türkei zeigen jedoch, dass eine erfolgreiche zyklostratigraphische Analyse trotz zahlreicher Tephra-Schichten möglich ist. Weitere, insbesondere für die Projektgruppe, wertvolle Datenauswertungen umfassen: a) die Erstellung eines kontinuierlichen lithologischen Profils mit dem z.B. Datenlücken bei Kernverlusten geschlossen werden können, b) die Identifizierung von Tephra-Schichten, die wichtige Zeitmarker für das Altersmodell darstellen, c) die Korrektur von Kernteufen, die durch Bohrungsartefakte oder Druckentlastung ungenau sein können und d) die Kalibrierung der Seeseismik (Transformation von seismischen Laufzeiten in Tiefen) aus seismischen Messungen im Bohrloch.
The geomagnetic field shields our habitat against solar wind and radiation from space. Due to the geometry of the field, the shielding in general is weakest at high latitudes. It is also anomalously weak in a region around the south Atlantic known as South Atlantic Anomaly (SAA), and the global dipole moment has been decreasing by nearly 10 percent since direct measurements of field intensity became possible in 1832. Due to our limited understanding of the geodynamo processes in Earths core, it is impossible to reliably predict the future evolution of both dipole moment and SAA over the coming decades. However, lack of magnetic field shielding as would be a consequence of further weakening of dipole moment and SAA region field intensity would cause increasing problems for modern technology, in particular satellites, which are vulnerable to radiation damage. A better understanding of the underlying processes is required to estimate the future development of magnetic field characteristics. The study of the past evolution of such characteristics based on historical, archeo- and paleomagnetic data, on time-scales of centuries to millennia, is essential to detect any recurrences and periodicities and provide new insights in dynamo processes in comparison to or in combination with numerical dynamo simulations. We propose to develop two new global spherical harmonic geomagnetic field models, spanning 1 and 10 kyrs, respectively, and designed in particular to study how long the uninterrupted decay of the dipole moment has been going on prior to 1832, and if the SAA is a recurring structure of the field.We will combine for the first time all available historical and archeomagnetic data, both directions and intensities, in a spherical harmonic model spanning the past 1000 years. Existing modelling methods will be adapted accordingly, and existing data bases will be complemented with newly published data. We will further acquire some new archeomagnetic data from the Cape Verde islands from historical times to better constrain the early evolution of the present-day SAA. In order to study the long-term field evolution and possible recurrences of similar weak field structures in this region, we will produce new paleomagnetic records from available marine sediment cores off the coasts of West Africa, Brazil and Chile. This region is weakly constrained in previous millennial scale models. Apart from our main aim to gain better insights into the previous evolution of dipole moment and SAA, the models will be used to study relations between dipole and non-dipole field contributions, hemispheric symmetries and large-scale flux patterns at the core-mantle boundary. These observational findings will provide new insights into geodynamo processes when compared with numerical dynamo simulation results.Moreover, the models can be used to estimate past geomagnetic shielding above Earths surface against solar wind and for nuclide production from galactic cosmic rays.
Electrical conductivity is a key parameter in models of magnetic field generation in planetary interiors through magneto-hydrodynamic convection. Measurements of this key material parameter of liquid metals is not possible to date by experiments at relevant conditions, and dynamo models rely on extrapolations from low pressure/temperature experiments, or more recently on ab-initio calculations combining molecular dynamics and linear response calculations, using the Kubo-Greenwood formulation of transport coefficients. Such calculations have been performed for Fe, Fe-alloys, H, He and H-He mixtures to cover the interior of terrestrial and giant gas planets. These simulations are computationally expensive, and an efficient accurate scheme to determine electrical conductivities is desirable. Here we propose a model that can, at much lower computational costs, provide this information. It is based on Ziman theory of electrical conductivity that uses information on the liquid structure, combined with an internally consistent model of potentials for the electron-electron, electron-atom, and atom-atom interactions. In the proposal we formulate the theory and expand it to multi-component systems. We point out that fitting the liquid structure factor is the critical component in the process, and devise strategies on how this can be done efficiently. Fitting the structure factor in a thermodynamically consistent way and having a transferable electron-atom potential we can then relatively cheaply predict the electrical conductivity for a wide range of conditions. Only limited molecular dynamics simulations to obtain the structure factors are required.In the proposed project we will test and advance this model for liquid aluminum, a free-electron like metal, that we have studied with the Kubo-Greenwood method previously. We will then be able to predict the conductivities of Fe, Fe-light elements and H, He, as well as the H-He system that are relevant to the planetary interiors of terrestrial and giant gas planets, respectively.
Whether primordial bodies in the solar system possessed internally-generated dynamos is a fundamental constraint to understand the dynamics and timing of early planetary formation. Paleointensity studies on several meteorites reveal that their host planets possessed magnetic fields within an order-of magnitude of the present Earths field. Interpretation of paleointensity data relies heavily on fundamental knowledge of the magnetic properties of the magnetic carriers, such as the single to multidomain size threshold or how the saturation magnetization varies as a function of grain size, yet very little knowledge exists about these key parameters for some of the main magnetic recorders in meteorites: the iron-nickel alloys. Moreover, most meteorites have experienced some amount of shock during their histories, yet the consequence of even very small stresses on paleointensity data is poorly known.We wish to fill these gaps by magnetically characterizing Fe-Ni alloys as a function of grain size and by determining how absolute and relative paleointensity data are biased by strain levels lower than those petrologically observable (less than 4-5 GPa). For example, our preliminary work shows that an imposed stress of 0.6 GPa will reduce absolute paleointensity estimates by 46Prozent for single domain magnetite-bearing rocks. In general, paleointensity determinations possess inherent disadvantages regarding measurement precision and the inordinate amount of human time investment. We intend to overcome these limitations by extending and improving our fully automated magnetic workstation known as the SushiBar.
Hauptfragestellungen des IODP-Vorschlags 'Cenozoic climate, productivity, and sediment transport at the NW African continental margin' sind: i) das NW-Afrikanische Klima in einer wärmeren Welt und ii) die Reaktion hochproduktiver Ökosysteme auf andere Klimabedingungen als heute. Dazu sollen Sedimentkerne in sechs Gebieten vor NW-Afrika erbohrt werden. Eine zentrale Lokation für die Arbeiten liegt auf dem Kapverden Plateau in der Nähe der ODP-Bohrung 659. Für dieses Gebiet existieren jedoch keine modernen hochauflösenden seismischen Daten. Solche Daten werden im Rahmen der Meteor-Ausfahrt M155 im Zeitraum vom 26. Mai bis 30. Juni 2019 gesammelt. Hauptziel dieses DFG-Antrags ist die Bearbeitung und Interpretation der neuen seismischen Daten, um die Sedimente des Kapverden Plateaus seismisch-stratigraphisch einzuordnen. Die seismischen Untersuchungen zielen darauf ab, eine Lokation zu identifizieren, an dem das Plio-Pleistozän dünner und das Miozän mächtiger ist als in der ODP-Bohrung 659. Damit wäre es möglich mittels APC-XCB tiefer in das Miozän zu bohren, was von entscheidender Bedeutung für die Gewinnung von qualitativ hochwertigen Kernen für Paläoklimauntersuchungen ist.
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