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.
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.
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.
Submarine Hangrutschungen stellen ein bedeutendes Risiko für Offshore-Infrastrukturen und Küstengebiete dar, da sie zum Beispiel gefährliche Tsunamis auslösen können, wie der Storegga Slide vor der Küste Norwegens. Neben anderen Präkonditionierung für Hangrutschungen, wie steile Hangneigung oder Überdruck in den Porenräumen der Sedimente verursach im Zusammenhang mit Eiszeiten, wurde die Auflösung von Gashydraten in vielen Studien diskutiert. Die weltweite räumliche Überscheidungen von submarinen Hangrutschungen und Gashydratvorkommen hat zu der Hypothese geführt, dass die Auflösung von Gashydraten in Zeiten von Meeresspiegelsenkung oder Erderwärmung eine Hangrutschung auslösen kann. Dieser Prozess entfernt die zementierenden Gasyhdrate aus den Porenräumen und das frei werdende Gas verursacht zusätzlichen Überdruck . Obwohl Studien mithilfe von numerischen Modellierungen gezeigt haben, dass diese Hypothese realistisch ist, konnte die Forschung keine geologischen oder geophysikalischen Beweise dafür finden, dass dieser Prozess wirklich eine Hangrutschung ausgelöst hat. Außerdem zeigen verschiedene Studien, dass viele submarine Hangrutschungen retrogressiv sind und auf dem mittleren bis unteren Kontinentalhang ausgelöst werden. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass andere Prozesse die Rutschungen auslösen. Davon abgesehen gibt es keinen Zweifel, dass Gashydrate die geotechnischen Eigenschaften von Sedimenten stark beeinflussen. Daher ist es wichtig ihren Einfluss auf die Hangstabilität weiter zu untersuchen und neue Hypothesen zu testen. Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel dieses Antrags ist es, (1) die globale Relevanz von Gashydratgefüllten Rissen für Hangstabilität zu ergründen und (2) den Einfluss von Scherfestigkeitsvariationen auf Störungsverläufe und Stressmerkmale, wie z.B. Bohrlochausbrüche, zu verstehen. Bis jetzt war es nicht möglich gewesen, den Zusammenhang zwischen Gashydraten und Hangstabilität herzustellen, da ein umfangreicher Datensatz aus geotechnischen, geologischen und geophysikalischen Daten aus einem Gebiet mit Gashydrate verursachten Rutschungen nicht verfügbar war. Die IODP Expedition 372 hat dies geändert. Uns stehen jetzt Logging-While-Drilling Daten und Sedimentkerne von dieser Expedition zur Verfügung, genauso wie ein hochauflösender 3D Seismik Datensatz, der mit dem GEOMAR P-Cable System im Jahre 2014 aufgezeichnet wurde. Diese Daten im Zusammenhang mit einer Scherzelle für Gashydrathaltige Sedimente auf dem neusten Stand der Technik am GEOMAR, die es erlaubt die Deformation der Probe live mit einem 4D X-ray CT zu beobachten, wird es uns ermöglichen, einen Entscheidenden Schritt vorwärts in der Gashydrat- und Hangstabilitätsforschung zu machen.
The aim of this project is to co-estimate models of the core and ionosphere magnetic fields, with the longer-term view of building a 'comprehensive' model of the Earths magnetic field. In this first step we would like to take advantage of the progresses made in the understanding of the ionosphere by global M-I-T modelling to better separate the core and ionospheric signals in satellite data. The magnetic signal generated in the ionosphere is particularly difficult to handle because satellite data provide only information on a very narrow local time window at a time. To get around this difficulty, we would like to apply a technique derived from assimilation methods and that has been already successfully applied in outer-core flow studies. The technique relies on a theoretical model of the ionosphere such as the Upper Atmosphere Model (UAM), where statistics on the deviations from a simple background model are estimated. The derived statistics provided in a covariance matrix format can then be use directly in the magnetic data inversion process to obtain the expected core and ionospheric models. We plan to apply the technique on the German CHAMP satellite data selected for magnetically quiet times. As an output we should obtain a model of the ionospheric magnetic variation field tailored for the selected data and a core-lithosphere field model where possible leakage from ionospheric signals are avoided or at least reduced. The technique can in theory be easily extended to handle the large-scale field generated in the magnetosphere.
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.
Ziel des Projektes ist die detaillierte Untersuchung der geologischen Strukturen und petrophysikalischen Eigenschaften der skandinavischen Kaledoniden. Im Rahmen des ICDP Projektes Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides (COSC) werden wichtige gebirgsbildende Prozesse, wie die Entstehung von tektonischen Decken, näher untersucht. Mit den neu gewonnenen Kenntnissen soll ein Vergleich der Kaledoniden mit modernen Analoga, wie dem Himalaja, möglich sein. Hauptziel dieses Projektantrages ist die Entwicklung einer hoch auflösenden seismischen Stratigraphie des Seve Nappe Complex (SNC) mittels Kern-Log-Seismik Intergration (Core-Log-Seismic Integration, CLSI) im Bereich der COSC-Bohrung und deren Umgebung. Dadurch können markante petrophysikalische Eigenschaften des SNC und seiner Umgebungsgesteine bestimmt und somit die Entstehung des Komplexes besser verstanden werden. Abschließend sollen die gewonnen Informationen vom Bohrloch in ein großräumiges Modell extrapoliert werden. Dazu werden hochauflösende seismische 2D und 3D Migrationsergebnisse verwendet, die dank Bohrlochseismik teufenkalibriert sind. Die reflexionsseismische Abbildung des Untergrundes reicht jedoch nicht für eine detaillierte seismische Stratigraphie aus. Zusätzlich müssen hochauflösende petrophysikalische Messungen an Bohrkernen und im Bohrloch beachtet werden. Daher ist die gemeinsame Betrachtung und gegenseitige Kalibrierung aller Daten notwendig, um die Zusammensetzung und Entstehung der primären Scherzonen (wahrscheinlich umgewandelt in Mylonite) zwischen den Decken umfassender zu beleuchten. Unser Projektantrag konzentriert sich auf die Untersuchung geo- und petrophysikalischer Eigenschaften der Gesteine, unter Verwendung eines interdisziplinären Ansatzes basierend auf CLSI. Dabei nutzen wir Kernmessungen, Logging und seismische Daten, welche verschiedene räumliche Auflösungen besitzen. Die CLSI-Methode wurde bereits erfolgreich im marinen und lakustrinen Umfeld eingesetzt. Mit den Mitteln aus diesem Projektantrag soll die Methode erstmalig auf Hartgestein angewandt werden, wodurch der Ansatz erweitert werden muss, um den Anforderungen im Kristallin gerecht zu werden. Das COSC-Projekt wurde als Fallbeispiel ausgewählt, da in dem Projekt qualitativ hochwertige Daten aus allen benötigten Bereichen vorhanden sind. Der umfassende seismische Datensatz (2D und 3D) wird durch eine hochauflösende Bohrlochseismik komplettiert und die Logging-Daten zeichnen sich durch eine sehr gute Qualität aus. Zusätzlich zu bohrbegleitenden Kernmessungen arbeiten verschiedene Gesteinslabore an einer Vielzahl der erbohrten Kerne. Alle Wissenschaftler, die bereits an Daten und Proben des COSC Projektes arbeiten, haben zugestimmt, sich an diesem Projekt zu beteiligen bzw. dieses zu unterstützen.
Das Ziel des Antrags ist ein Modell der tiefen Fluidbewegung und ihrer Wegsamkeiten in dem Eger Rift zu entwickeln. Wir planen zum ersten Mal mechanische Modellierung (numerische Simulationen und unterstützende analoge Laborexperimente) mit sogenannten constrained Magnetotellurischen Inversionen und mit geochemischen Modellen zu verbinden. Dieser Prozess soll interaktiv geschehen, so dass das Resultat der einen Methode als Rahmenbedingung der anderen verwendet werden kann.Die Schwarmbeben im Vogtland/Westböhmen sind ein Beispiel für krustale Seismizität, bei der Fluide eine bedeutende Rolle spielen. Bezüglich der Schwarmbeben und ihrer Prozesse gibt es kontroverse Ansichten und unbeantwortete Fragen: F1) Welche Rolle spielt die regionale intrakontinentale Tektonik? Die Umgebung stellt eine Paleozoische Suturzone da, die in der Erdneuzeit durch post-orogene Extension reaktiviert wurde und dabei die Eger und Cheb-Domazlice Graben gebildet hat. Starke und räumlich verbreiteter alkalischer Vulkanismus ist ebenso mit dieser Region assoziiert. Durch was wurden die räumliche Ausbreitung und die geochemische Zusammensetzung des Vulkanismus kontrolliert? Welche Verbindung gibt es zwischen der Seismizität und dem Vulkanismus?F2) Welche Rolle spielen tiefe Fluidwegsamkeiten? Isotopenverhältnisse zeigen einen hohen aus dem oberen Erdmantel stammenden CO2 Fluss, der die Erdoberfläche in Form von CO2 angereicherten Mofetten und hydrothermaler Aktivität erreicht. Welche Wegsamkeiten existieren, entlang derer Magma und andere Fluide aufsteigen können; durch welche Faktoren werden sie kontrolliert? Welche Zusammensetzung und physikalisch- chemische Eigenschaften haben diese Fluide insbesondere auch während des Aufstiegs?F3) Welche Rolle spielen existierende Störungszonen, um Fluide zu kanalisieren und Seismizität zu triggern? Wie lassen sich die mechanischen Eigenschaften dieser Hochdruckfluide beschreiben, die in diese Störungszonen eindringen? Welche Prozesse und welche Mechanismen unterstützen diese Fluidbewegung? Wie ist die Zusammensetzung dieser krustalen Fluide, die in die seismisch aktiven Regionen vordringen? Was sind ihre physikalischen Eigenschaften und wie ist ihre zeitliche Entwicklung?Diese miteinander verbundenen Fragen stehen im Zentrum des ICDP Eger Rift Projekts. Wir werden numerische und analoge mechanische und geochemische Simulationen entwickeln. Dazu soll der Modellraum von 2D/3D MT Inversionsmodelle über das Gebiet der Schwarmbeben und Mofetten durch constrained Inversionen durch mechanische Simulationsergebnisse eingeschränkt werden. Vorhandene tiefe krustale Seismikdaten sowie MT Daten, die entlang von 2 senkrecht zueinander stehenden Profilen (Herbst 2015) und auf einem dichten Gitter (Frühjahr 2016) gemessen wurden, bilden hierbei die Datenbasis. Ein solcher Ansatz ist neu und zukunftsweisend für eine bessere Integration der Ergebnisse.
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
Es wird angenommen, dass Süßwasser Einträge während Entgletscherungsereignissen einen wichtigen Einfluss auf die globale geostrophische Zirkulation haben, da die Tiefenwasserbildung und Strömungszirkulation durch plötzliche Temperatur- und Salinitätsabfällen beeinträchtigt oder unterbrochen werden können. Dieser Vorgang kann zu globalen Veränderungen des Klimas führen. Der Ostkanadische Schild und der Kontinentalhang vor Labrador sind Schlüsselregionen für paläoklimatische, sowie paläozeanographische Untersuchungen. Große vergangene und rezente Eisschilde beeinflussten das gesamte Gebiet und entwässerten in die Regionen des Labrador Schelfs entweder direkt durch den Laurentidischen Eisschild oder indirekt durch die Hudson Bucht / Davis Strait durch den Inuitischen- und Grönländischen Eisschild. Bis jetzt wurden Information über die Dynamik des Laurentidischen Eisschilds hauptsächlich aus Sedimentkernen aus den Eis-distalen Bereichen wie der Labradorsee und dem Nord Atlantik abgeleitet. Auf dem Labradorschelf wurden hauptsächlich Untersuchungen an Holozänen Sequenzen durchgeführt und Informationen über glaziale Ablagerungen sind eher selten. Informationen aus dem Bereich des Festlands beziehen sich meistens auf die Datierung und die Beschreibung von geomorphologischen Merkmalen, jedoch fehlen kontinuierliche Archive oder Informationen zu Strukturen, die älter als die aufgeschlossenen glazialen Ablagerungen sind. Während der letzten fünf Jahre haben wir verschiedene seismische-, bathymetrische und Echolot Datensätze auf dem Labradorschelf, im Melville See und im Manicouagan See aufgezeichnet. Die Daten zeigen das Vorkommen von erhaltenen oder teilweise überlagerten glazialen Strukturen wie Moränen, Drumlins, groß-skaligen glazialen Lineationen und Eisbergschrammen. Diese vorgeschlagenen Studie fokussiert sich auf die Untersuchung des marinen Endmembers auf dem Labradorschelf, der brackischen Übergangszone in der Hudson Bucht / Straße und dem terrestrischen Endmember im Manicouagan See. Seismische und hydroakustischen Daten werden untersucht um den Verlauf des Laurentidischen Eisschilds während vergangenen (prä-Wisconsian) Vereisungen zu rekonstruieren und Orte, die möglicherweise lange paläoklimatische- und paläozeanographische Archive aufweisen, identifiziert. Das Ziel dieser Studie ist die Identifikation von potentiellen Bohrlokationen, die lange, ungestörte geologische Archive mit prä-Holozäner Ablagerungen aufweisen. Diese Erkenntnisse werden eine solide Basis für einen zukünftigen MagellanPlus Workshop darstellen um eine Bohrgemeinschaft zu bilden, die ein zukünftiges amphibisches IODP-ICDP Bohrproject initiieren wird.
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