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Die Rekonstruktionen der präkambrischen Superkontinente Columbia, Rodinia und Gondwana zeigen, dass der afrikanische Kontinent eine Collage von archaischen kratonischen Kernen ist, welche durch ein Netzwerk von jüngeren Gebirgsgürteln mit paleo-, meso- und neoproterozischen Altern voneinander getrennt sind, die den genannten Superkontinent-Zyklen zugeordnet werden. Durch petrologische Untersuchungen, die mit texturell kontrollierten Monazitdatierungen kombiniert werden, wird in dieser Arbeit versucht, die P-T-t-Entwicklung von ultrahoch temperierten Metamorphoseereignissen in drei verschiedenen afrikanischen Orogenen abzuleiten, um deren Entwicklung und ihre Beziehung zu den Superkontinent-Zyklen besser zu verstehen. 1) Das archaische und paleoproterozoische Grundgebirge im zentralen Teil des ‚East Shara Ghost Craton’ (ESGC) bei Uweinat-Kamil; 2) der neoproterozoisch überprägte östliche Rand des ESGC im Sudan (Sabaloka und Bayuda); 3) der mesoproterozoische ‚Southern Irumide Belt’ in Sambia. Die Texturen in metapelitischen Granuliten des Uweinat-Kamil Inliers, deuten auf eine zweistufige metamorphe Entwicklung hin: Stadium-1 führte zur Bildung von Sapphirin+Quarz+Granat unter ultrahohen Temperaturen (UHT) von ~1050 °C bei ~10 kbar und wurde gefolgt von isobarer Abkühlung. Während Stadium-2 erfuhren die Gesteine eine isotherme Dekompression von etwa 9 auf 6 kbar, ebenfalls unter ultrahohen Temperaturen (900-1000 °C), welche zur Bildung von verschiedenen Symplektiten führte und die von isobarer Abkühlung gefolgt war. Monaziteinschlüsse in Granat-1-Porphyroblasten der Metapelite ergaben ein Alter von ca. 2.6 Ga für des Stadium-1. Stadium-2 fand 700 Ma später als Stadium-1 vor etwa 1.9 Ga statt, wie die Monazitdatierung in der Gesteinsmatrix und in Symmplektiten ergab. Somit wurde durch diese Arbeit erkannt, dass die einzigen archaischen kratonischen Gesteine in Nordost-Afrika eine bisher unbekannte neoarchaische UHT-Metamorphose und eine paläoproterozoische UHT-Überprägung erfuhren. Wegen der Ähnlichkeit mit anderen paläoproterozoischen orogenen Ereignissen auf der Erde, die mit der Bildung Columbias verknüpft waren, sollte die paläoproterozoische Entwicklung in Nordost-Afrika bei zukünftigen Rekonstruktionen dieses Superkontinents berücksichtigt werden. Am Ostrand des ‚East Sahara Ghost Cratons’ erfuhren die Gesteine von Sabaloka und von Bayuda jeweils zwei verschiedene Metamorphosen, die in Bayuda älter und von geringerer Intensität waren als in Sabaloka. In Sabaloka zeigen Monaziteinschlüsse in Granat auf ein frühes neoproterozoisches Hochtemperatur- Krustenverdickungsereignis (700-850 °C, ~6 kbar) vor 780-720 Ma, während Monazitkörner in späten Cordierit-Spinell-Symplektiten auf eine ultrahoch-temperierte Überprägung (850-950 °C) vor ca. 602 Ma hindeuten. In Bayuda deutet die Monazitdatierung von pelitischen Schiefern auf ein krustenverdickendes, amphibolitfazielles Ereignis vor ~890 Ma hin und auf ein späteres Ereignis bei ca. 670 Ma, das zur Rekristallisation von einigen Matrixmineralen führte. Somit waren die tektonometamorphen Ereignissse entlang des Ost-Randes des ESGC sehr heterogen, in zeitlicher Hinsicht und auch in ihrer Intensität. Das bedeutet, dass die panafrikanischen Orogene in Nordost-Afrika während der Bildung von Gondwana durch verschiedene lokale tektonische Ereignisse gebildet wurden. Die neoproterozoischen Ereignisse, welche den Ostrand des ESGC betrafen, wurden nicht im zentralen Teil des ESCG (Uweinat) beobachtet. Wenn man die neuen Erkenntnisse über Uweinat, Sabaloka und Bayuda kombiniert, kommt man zu dem Schluss, dass es wahrscheinlicher ist, dass die vorgeschlagene Delamination des subkontinentalen lithosphärischen Mantels des gesamten ESGC (was eine gleichzeitige orogene Überprägung im gesamten Kraton erfordern würde), nicht gleichzeitig erfolgte, sondern durch verschiedene orogenen Ereignisse in verschiedenen Teilen des Kratons verusacht wurde. Für die metapelitischen Granulite im ‚Southern Irumide Belt’ (SIB) haben die Untersuchungen eine einstufige UHT-Metamorphose ergeben, die während der mesoproterozoischen Irumiden-Orogenese stattfand. Spinell-Quarz-führende Paragenesen und hohe Al-Gehalte (7.9 Gew.%) in Orthopyroxen deuten auf eine UHT-Metamorphose bei 900-1000 °C bei ~6 kbar hin. Monazitkörner in verschiedenen texturellen Positionen (Einschlüsse in Granat, Matixkörner) ergaben Alter zwischen 1067±15 und 1013±4 Ma für das UHT-Ereignis, was also gleichaltrig mit dem assoziierten granitoiden Kontinentalrand-Magmatismus (~1090-1000 Ma) ist. Die Druck-Temperatur-Entwicklung im SIB unterscheidet sich deutlich von den Entwicklungen anderer mesoproterozoischer Orogene in Afrika, welche entweder durch eine sehr lang andauernde (~1200-1000 Ma) oder eine zweistufige Hochtemperatur-Geschichte (mit einer fast 200 Ma andauernden Unterbrechung) gekennzeichnet sind. Der SIB entstand an einem aktiven Kontinentalrand eines südlich gelegenen unbekannten Kratons, der thermisch von subduktionsbezogenem Magmatismus beeinflusst wurde und dann mit dem nördlich gelegenen Bangweulu Kraton während der Irumiden-Orogenese kollidierte. Diese Orogenese stand im Zusammenhang mit der Bildung des Superkontinents Rodinia. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass in dieser Arbeit demonstriert wird, wie texturell kontrollierte Monazitdatierungen in Kombination mit detaillierten petrologischen Untersuchungen in der Lage ist, mit hoher Auflösung die P-T-t Entwicklung von metamorphen Gesteinen zu entziffern. Die genaue Rekonstruktion gelingt sogar für hochgradige Gesteine der tiefen Kruste von Orogenen, die mehrfach überprägt wurden. Reconstructions of the Precambrian supercontinents Columbia, Rodinia and Gondwana reveal that the African continent is a collage of Archean cratonic nuclei, which are separated by a network of orogenic belts of Paleo-, Meso- and Neoproterozoic ages, related to these supercontinent cycles. Using integrated petrological studies and texturally controlled monazite dating, this thesis aims to investigate the metamorphic P-T-t evolution of three ultra high-grade (UHT) terranes from the African continent for a better understanding of orogenic processes related to the various supercontinent cycles. 1) The Archean and Paleoproterozoic basement complex in the central East Sahara Ghost Craton (ESGC) at Uweinat-Kamil; 2) The Neoproterozoic overprinted eastern margin of the ESGC in Sudan at Sabaloka and Bayuda; 3) the Mesoproterozoic Southern Irumide Belt (SIB) of Zambia. Petrographic textures in metapelitic granulites from the Uweinat-Kamil inlier suggest a two-stage metamorphic evolution. Stage-1 saw the growth of sapphirine+quartz+garnet 1 at ultra-high temperatures (UHT) of ~1050 ̊C at ~10 kbar, followed by near isobaric cooling. During stage-2 the rocks experienced near isothermal decompression from ~9 to ~6 kbar at ultra-high temperatures of 900-1000 ̊C, which led to the formation of various symplectitic assemblage, followed again by near isobaric cooling. Monazite inclusions within garnet 1 porphyroblasts from the metapelitic granulites reveals that stage-1 occurred at ~2.6 Ga. Stage-2 occurred 700 million years later at ~1.9 Ga, as indicated by monazite grains in symplectites and the matrix. Thus the study highlights a previously unknown Neoarchean UHT metamorphism and a Paleoproterozoic UHT reworking of the only known Archean cratonic crust of northeast Africa. Owing to its similarity with other Paleoproterozoic orogens around the world, the Paleoproterozoic evolution of the Uweinat-Kamil inlier in northeast Africa should also be taken into account in future Columbia reconstructions. Along the eastern margin of the ESGC, at Sabaloka and Bayuda, four different metamorphic events are recorded. The two events in Bayuda are older and of lower intensity than the two in Sabaloka. At Sabaloka, monazite inclusions in metapelitic garnet record the timing of an early Neoproterozoic (780-720 Ma) high temperature crustal thickening event at ~700–850 °C, ~6 kbar, while monazite grains in cordierite-spinel symplectites indicate the timing of a Neoproterozoic ultra-high temperature overprint (~850–950 °C, 6–3 kbar) at ~602 Ma. Monazite dating of pelitic schists from Bayuda revealed an amphibolite-facies crustal thickening at ~890 Ma and a later event at ~670 Ma. The study thus indicates that the Neoproterozoic tectonometamorphic events along the eastern margin of the ESGC were heterogeneous, both temporally and in their intensity, indicating that the Pan-African “orogeny” in northeast Africa during Gondwana formation, is a complex series of orogenic events of varying intensities controlled by local tectonic elements and that the Neoproterozoic orogenic events, affecting the eastern margin of the ESGC, were not recorded in the central ESGC (Uweinat). Combining the results of Uweinat, Sabaloka and Bayuda, it is more likely that the proposed delamination of the subcontinental lithospheric mantle of the entire ESGC (which requires synchronous collisional events in the entire craton) was not coeval and was likely caused by different orogenic events in different parts of the craton. In southern Africa, similar integrated petrological and geochronological studies of metapelitic granulites from the Chipata Terrane of the SIB revealed a single stage UHT metamorphism during the Mesoproterozoic Irumide orogeny. Spinel + quartz association and high Al2O3 contents in orthopyroxene (7.9 wt%) point to UHT metamorphism at 900-1000°C (UHT) and ∼5-6 kbar. Monazite grains occurring in different textural settings (inclusions in garnet, and matrix) revealed ages between 1067±15 to 1013±4 Ma for the UHT event, synchronous with the continental margin granitoid magmatism (~1090-1000 Ma). The P-T-t evolution of the SIB is in contrast with the evolution of other known Mesoproterozoic belts of Africa, characterized by either a long lasting (1200-1000 Ma) or bimodal (with ~200 Ma time gap) high-temperature history during the Mesoproterozoic. The SIB represents an active continental margin of an unknown craton in the south that was thermally affected by subduction related magmatism and collided with the Bangweulu Craton during the Mesoproterozoic Irumide orogeny, related to the formation of the supercontinent Rodinia. The present study thus demonstrates that texturally controlled in-situ monazite dating, integrated with detailed petrological investigations is an extremely powerful tool in deciphering the P–T–t evolutionary histories, especially for high-grade deep crustal rocks, and allows high-resolution and precise reconstruction of the geodynamic evolution of polyorogenic mountain belts.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Regionalisierung von Wasserhaushaltskennwerten für die gesamte Waldfläche Brandenburgs. Grundwasserflurabstände wurden auf Grundlage der Legendeneinheiten der forstlichen Standortskarte und eines digitalen Geländemodells regionalisiert. Der Vergleich mit auf Grundwassermessstellen basierenden Daten zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Verfahren. Zur Regionalisierung von Substrateigenschaften wurden Diskriminanzmodelle zur Disaggregierung multipler Legendeneinheiten sowie Klassifikationsbäume zur Prognose von Legendeneinheiten der forstlichen Standortskarte für bisher nicht kartierte Gebiete erstellt. Die Validierung der erstellten Diskriminanzmodelle und Klassifikationsbäume mit Inventurdaten zeigte mit der forstlichen Standortskarte vergleichbare Klassifikationen. Kohlenstoffvorräte wurden mittels Regressionsanalyse für das gesamte Solum geschätzt. Die vertikale Verteilung der Kohlenstoffvorräte im Boden wurde mittels Clusteranalyse in Form relativer Tiefengradiententypen typisiert. Die Vorhersage der Cluster mit einem optimal beschnittenen Klassifikationsbaum erlaubte die Schätzung der Kohlenstoffvorräte einzelner Schichten. Durch den Vergleich von Pedotransferfunktionen zur Schätzung der nutzbaren Feldkapazität konnte eine für das Arbeitsgebiet geeignete Funktion ermittelt werden. Die Berechnung der Wasserhaushaltskennwerte Wasserverfügbarkeit, Wassermangel und Sickerwasserrate erfolge auf Grundlage des TUB-BGR-Verfahrens. Dabei zeigte sich sowohl eine hohe großräumige, als auch hohe kleinräumige Variabilität. Die für die Ableitung von Anbauempfehlungen besonders wichtigen Kennwerte Wasserverfügbarkeit und Wassermangel variieren um mehrere 100mm. Allein im Bereich der grundwasserfernen Standorte variiert die Wasserverfügbarkeit im Bereich von 300...500mm und das Wasserdefizit zwischen -200...0mm. The present work deals with different problems concerning the regionalization of water budget components and carbon stocks for the whole forest area of Brandenburg. The developed approach for the estimation of continuous groundwater depths, uses forest site mapping data and a digital elevation model. A high degree of compliance between both assessments was shown in the validation based on groundwater depths derived from groundwater monitoring wells. Parent material properties were also regionalized on the basis of forest site mapping data. In a first step, discriminant analysis was carried out for the disaggregation of compounded mapping units, to derive spatially unambiguous assignments. Subsequently, classification trees were grown to predict mapping units for previously unmapped areas. The external validation of discriminant models and classification trees using inventory data showed results that were comparable to sites mapped by classical field survey. The amount of carbon stocks in the whole solum was estimated by regression analysis on the basis of inventory data. The vertical distributions of carbon stocks were transformed to relative depth gradients, which were then grouped through cluster analysis. The subsequently performed prediction of obtained clusters using an optimally pruned class probability tree allowed the estimation of carbon stocks in single soil layers. A validation of pedotransfer functions for estimating the plant available water capacity was carried out. On the basis of these analyses a most suitable function for estimating plant available water capacity of forest soils in the north-eastern lowlands could be selected. The calculation of important water budget components could be accomplished by using hydro-pedotransfer functions (TUB-BGR-approach). The calculated values for crop water supply, water shortage, and percolation rate showed a high degree of variability at large as well as at small spatial scales. Crop water supply and water shortage varied by several 100mm within the forest area of Brandenburg. Even only considering the terrestrial sites, crop water supply and water shortage varied within a range of 300...500mm and -200...0mm, respectively. This was a particularly interesting result, since crop water supply and water shortage are some of the most important factors affecting the derivation of tree species recommendations.

Für Gebäude ist das Gebäudemanagement die Grundlage einer hohen Rendite. Effizientes Gebäudemanagement setzt eine strukturierte Vorhaltung der vorhandenen Information voraus. Sind alle Gebäude und inventarbeschreibende Informationen verfügbar, kann die Nutzung des Bestandes auf einer sicheren Grundlage transparent und zuverlässig geschehen. Mit dem Building Information Modelling (BIM) entsteht eine objektbezogene Datenstrukturen für die Ablage, das Auffinden sowie die Verschneidung von Gebäudedaten. In dieser Datenstruktur werden vorhandene 3D Modelle für die Georeferenzierung der Bestandsdaten genutzt. Die 3D Modelle dienen dabei als Portal zu den Gebäudedaten. Für den Fall, dass Baumaßnahmen im Bestand geplant und durchgeführt werden, müssen vorhandene geometrische 3D-Modelle kontrolliert beziehungsweise aktualisiert werden. Dazu sind Angaben zur Qualität der Modellgeometrie notwendig, um nutzbare und aktuelle Bestandspläne aus den 3D Modellen ableiten zu können. In der vorliegenden Arbeit wird aufbauend auf den Arbeiten von Gielsdorf [2007] und Clemen [2010] ein Datenmodell entwickelt, das die Ebenenparameter der Modellflächen für die geometrische Fortführung nutzt. Es wird aufgezeigt wie sich die Raumtopologie mit der Einführung von Hilfsflächen aus dem entwickelten Datenmodell bestimmen lässt und die gefundene Raumtopologie für die semiautomatische Zuordnung von geometrischen Informationen aus Punktwolken genutzt werden kann. Es werden Ebenensätze definiert, um die Geometrie aus gemessenen Punktwolken auf das fortzuführende Modell zu übertragen. Der Aufbau und die Lösung des dazu notwendigen mathematischen Gleichungssystems zur Berechnung der konsistenten Modellgeometrie wird erläutert. Abschließend wird aufgezeigt wie auf Grundlage des beschriebenen Datenmodells eine automatische Abbildung oder Konstruktionsvorschrift zur Erstellung des entsprechenden CAD-Modells realisiert werden kann. Damit beschreibt diese Arbeit von der Validierung eines vorhandenen Modells über die Beobachtungszuordnung, die Berechnung der neuen Modellgeometrie bis zur automatischen Modellkonstruktion einen Workflow, mit dem 3D Modelle geometrisch, auf Grundlage von Messdaten in Punktwolken, fortgeführt werden können. For buildings, high returns are based on good facility management. Efficient facility management requires a structured provision of existing information. Provided that all information necessary to describe both building and inventory are available, the use of assets can happen on a transparent and reliable basis. With Building Information Modelling (BIM) there is now an object oriented data structure for storage, retrieval, and consolidation of building related data. Within this data structure, existing 3D models are used to geo-referencing facility data. Here, 3D models serve as a portal to access facility data. In case of building measures being planned and executed within the facility, existing geometrical 3D models need to be verified and updated. In order to do so, and to derive usable and current building layouts from 3D models, it is necessary to have quality specifications of the model geometry. Building on work of Gielsdorf [2007] and Clemen [2010] this paper develops a data model using plane parameters of model surfaces for geometrical updates. It is shown how a space topology can be constructed by introducing auxiliary faces to the developed data model. The resulting space topology is then used for semi-automatic attribution of geometrical information from point clouds. Plane data sets are defined, in order to transfer geometry from surveyed point clouds to the 3D model. Structure and solution of the mathematical equation system necessary to calculate a consistent model geometry are explained. Finally it is demonstrated how, based on the described data model, an automatic drawing of the respective CAD model can be realized. In summary, this paper provides a workflow for geometrical 3D model update based on surveyed data from point clouds: validating an existing model over various stages, attributing observations, calculating the new model geometry, and automatically constructing the model.

Diese Arbeit zeigt die wachsende Bedeutung des tieferen Untergrundes für die Hydrogeologie und den gesteigerten Bedarf an geeigneten Erkundungsmethoden. Die Suche nach tiefen geologischen Endlagern für radioaktiven Abfall, CO2-Speicherung, die geothermische Energie- und Wärmeversorgung und Grundwasserleiter-Speicher-Systeme (aquifer storage and recovery systems – ASR) sind aktuelle Forschungsthemen. Folglich ist die Weiterentwicklung von experimentellen Methoden zur hydraulischen und hydrochemischen Charakterisierung tieferer Grundwasserleiter dringend nötig. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Identifikation möglicher geeigneter Ein-Bohrloch-Versuche, sowie deren Untersuchung und Weiterentwicklung für die Charakterisierung von Grundwasserströmung und Stofftransport in einen solchen Rahmen. Dafür wurde im Rahmen mehrerer Experimente die s.g. "Single-Well Injection-Withdrawal"-Methode (Ein-Bohrloch-Injektions-Extraktionstest – "Push-Pull"-Tracertest) in einer ~100 m tiefen Grundwassermessstelle am Versuchsstandort Hamasato (Horonobe, Japan) angewendet. Ziel war es den Einfluss eines dynamischen Salz-Süßwasser-Interfaces auf einen küstennahen Grundwasserleiter zu bestimmen. Mit den Erfahrungen aus den ersten Experimenten wurde eine zweite umfangreiche Feldkampagne durchgeführt. Ziel dieses Großversuchs war die erstmalige systematische Untersuchung der Push-Pull-Methode überhaupt. Dieses Experiment hatte das Ziel, den Einfluss des sogenannten "chaser" auf die Testergebnisse eines Push-Pull-Versuchs zu identifizieren und zu charakterisieren. Ein Chaser wird oft während eines Push-Pull-Versuches eingesetzt. Mithilfe dieser Experimente konnte ein speziell auf die Beschreibung des Salzwasser-Süßwasser-Interfaces in küstennahen Grundwasserleitern abgestimmter Versuchsaufbau entwickelt werden. Die Anwendung dieses Testdesigns ist eine vielversprechende Methode bei allen Fragestellungen, die sich mit verschiedenen Fluiden innerhalb desselben Systems befassen, z.B. verschiedene Salzgehalte (Salzwasser-Süßwasser-Grenze, ASR) oder verschiedene Temperaturen (Geothermie). Außerdem werden die Ergebnisse einer erstmalig durchgeführten systematischen Evaluation der Push-Pull- Tracertestmethode vorgestellt. Durch die Anpassung der "temporal moment analysis" wurde eine einfache Methode entwickelt, die die Push-Pull-Methode einer weiteren Anwendung zugänglich macht. This thesis demonstrates the growing importance of deep groundwater research and the increasing demand for the development of suitable single-well test methods. At the forefront of the research on groundwater in the deep underground, radioactive waste disposal in deep geological repositories, CO2 storage, geothermal energy supply, and aquifer storage and recovery systems (ASR) are on the agenda. The developments of suitable methods for investigating these resources are a main target. Currently available methods show considerable limitations. Accordingly, comprehensive methods for the hydraulic and hydrochemical characterization of deeper aquifers with single-well access are needed. Therefore, the goal of this PhD thesis was to identify, test, and enhance potentially suitable single-well methods for characterization of groundwater flow and solute transport in such settings. For this, several Single-Well Injection-Withdrawal (“push-pull”) tracer tests were applied at the Hamasato field site (Horonobe, Japan) in a ~100 m deep groundwater monitoring well. Aim was to characterize the impact of a dynamic saltwater-freshwater interface on a coastal aquifer. Based on the experiences of the first methodological test, a second field campaign was conducted. This campaign focused on a systematic evaluation of the push-pull tracer test method for the first time at all. The experiments focused on the investigation of the so-called "chaser" and its impact on the test results. The chaser is a specific part of many push-pull tracer tests setups. From these experiments, a specific test design for the investigation of the saltwater-freshwater interface in a single-well setting was developed. The application of this design on questions regarding different fluids within the same system, e.g. different mineralized fluids (saltwater-freshwater-interface, ASR) or temperatures (geothermal research), are promising future approaches for this method. Furthermore, the results of a systematic evaluation of the push-pull tracer test method itself are presented for the first time. By adaption of the temporal moment analysis an easy method was developed for a wider application of the push-pull tracer test method.

In der letzten Zeit wurden immer mehr Hochfrequenz-GNSS-Stationen auf der ganzen Welt installiert, um Daten in Echtzeit zur Verfügung stellen. Diese Netzwerke bieten eine gute Gelegenheit, um Oberflächenverschiebungen schnell zu erfassen. Dies kann sie zu einem wichtigen Bestandteil für Erdbeben- und Tsunami-Überwachungswarnsysteme machen. Die entsprechende GPS-Echtzeit-Datenanalyse mit ausreichender Genauigkeit für diesen Zweck ist ein Schwerpunkt der aktuellen GNSS-Forschung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, hochpräzise GNSS-Algorithmen für bessere seismologische Anwendungen zu entwickeln. Das Kernforschungsgebiet und die Beiträge dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden: Mit der Verfügbarkeit von Hochfrequenz-GNSS-Beobachtungen in Echtzeit und präzisen Satellitenbahn- und -uhrprodukten hat sich das Interesse an der präzisen Punktpositionierungstechnik (PPP) in Echtzeit stark erhöht, um Epizentren von Erdbeben und durch diese verursachte Verschiebungen in Echtzeit zu ermitteln. Außerdem haben in den letzten Jahren neue Ansätze zur Auflösung von PPP-Mehrdeutigkeiten die Genauigkeitsbegrenzung der Standard-PPP-Float-Lösung überwunden und erreichen eine vergleichbare Genauigkeit wie die relative Positionierung. In dieser Arbeit stellen wir das Realtime-PPP-Service-System und die wichtigsten Techniken für die Echtzeit-PPP Mehrdeutigkeitsauflösung vor. Wir bewerten die Leistung von mehrdeutigkeitsfixiertem PPP in Echtzeit-Szenarien und bestätigen, dass eine Positionierungsgenauigkeit von 1,0 bis 1,5 cm in der horizontalen Komponente in Bezug auf das quadratische Mittel („Root Mean Square”; RMS) erreicht werden kann. Für die Erdbeben von 2011 in Tohoku-Oki (Japan) und 2010 in El Mayor-Cucapah (Mexico) stimmen die durch mehrdeutigkeitsfixiertes PPP ermittelten und durch Beschleunigungsmesser gemessenen Verschiebungsparameter in der dynamischen Komponente bis auf wenige Zentimeter überein. Die PPP-fixierte Lösung kann nicht nur die Genauigkeit der koseismischen Verschiebungen verbessern, sondern ermöglicht auch eine zuverlässige Ermittlung der Stärke von Erdbeben und der Verteilung von Bewegungen an Störungen in Echtzeit. Wir schlagen ein erweitertes Punktpositionierungsverfahren für GPS-basierte Gefahrenüberwachung vor, das eine schnelle oder sogar sofortige präzise Positionierung ohne Daten einer bestimmten Referenzenstation erreicht. Das vorgeschlagene Verfahren überwindet die Grenzen der derzeit meistverwendeten GPS-Verarbeitungsansätze in der relativen Positionierung und globalen präzisen Punktpositionierung. Die Vorteile der vorgeschlagenen Vorgehensweise werden durch die Verwendung von GPS-Daten demonstriert, die 2011 während des Tohoku-Oki-Erdbeben in Japan aufgezeichnet wurden. Wir schlagen einen neuen Ansatz vor, um koseismische Verschiebungen mit einem einzigen GNSS-Empfänger in Echtzeit zu erfassen. Der neue Ansatz kann das Konvergenzproblem von PPP überwinden und vermeidet auch den Integrationsprozess des variometrischen Ansatzes. Mit Hilfe der Ergebnisse des Tohoku-Oki Erdbebens wird demonstriert, dass das vorgeschlagene Verfahren genaue Verschiebungsparameter und permanente koseismische Abweichungen mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern zur Verfügung stellen kann und auch zuverlässig die Momentenmagnitude und die Verteilung von Bewegungen an Störungen liefert. Wir untersuchen drei bestehenden Ansätze für Echtzeit-GNSS-Seismologie mit Einfrequenzempfängern, vergleichen ihre Beobachtungsmodelle auf Übereinstimmung und bewerten die Auswirkungen der Hauptfehlerkomponenten. Wir schlagen einige Verfeinerungen des variometrischen Ansatzes vor und versuchen insbesondere die geometrische Fehlerkomponente unter Verwendung der genauen Anfangskoordinaten vor dem Erdbeben zu kompensieren um den Drift-Trend in den integrierten koseismischen Verschiebungen zu eliminieren. Wir schlagen ein Konzept für die enge Verbindung von GPS und Starkbewegungsdaten auf Ebene der rohen Beobachtungsdaten vor um die Qualität der abgeleiteten Verschiebungen zu erhöhen. Die Leistung der vorgeschlagenen Vorgehensweise wird mit Hilfe von 5 Hz Hochgeschwindkeits-GPS-Daten und 200 Hz Starkbewegungsdaten während des El Mayor-Cucapah Erdbebens (Mw 7.2, 4. April 2010) in Baja California, Mexiko demonstriert. Der neue Ansatz vereint nicht nur die Vorteile von GPS und Starkbewegungssensoren, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit der Verschiebungsdaten durch Verbesserung der integer-Zyklus-Phasenmehrdeutigkeitsauflösung von GPS, die sehr kritisch für die Ableitung von Verschiebungsparametern mit höchster Qualität ist. Wir untersuchen auch die Verwendung von kolokierten GPS- und seismischen Sensoren zur Erdbeben-Überwachung und -frühwarnung. Die während des Tohoku-Oki-Erdbebens (Japan) von 2010 und des El Mayor-Cucapah-Erdbebens (Mexico) von 2010 gesammelten Daten von GPS und seismischen Sensoren werden unter Verwendung einer eng gekoppelten Integration analysiert. Die Leistung der integrierten Ergebnisse wird in Zeit- und Frequenzbereichsanalysen validiert. Anhand der integrierten Ergebnisse ermitteln wir die Ankunft der P-Welle, beobachten kleinste Bewegungsmerkmale und lokalisieren das Epizentrum. Gleichzeitig werden permanente Abweichungen aus den integrierten Verschiebungen mit hoher Genauigkeit extrahiert und für eine zuverlässige Störungsinversion und Magnitudenschätzung genutzt. In recent times increasing numbers of high-rate GNSS stations have been installed around the world and set-up to provide data in real-time. These networks provide a great opportunity to quickly capture surface displacements, which makes them important as potential constituents of earthquake/tsunami monitoring and warning systems. The appropriate GPS real-time data analysis with sufficient accuracy for this purpose is a main focus of the current GNSS research. The objective of this thesis is to develop high-precision GNSS algorithms for better seismological applications. The core research and the contributions of this thesis are summarized as following: With the availability of real-time high-rate GNSS observations and precise satellite orbit and clock products, the interest in the real-time Precise Point Positioning (PPP) technique has greatly increased to construct displacement waveforms and to invert for source parameters of earthquakes in real time. Furthermore, PPP ambiguity resolution approaches, developed in the recent years, overcome the accuracy limitation of the standard PPP float solution and achieve comparable accuracy with relative positioning. In this thesis, we introduce the real-time PPP service system and the key techniques for real-time PPP ambiguity resolution. We assess the performance of the ambiguity-fixed PPP in real-time scenarios and confirm that positioning accuracy in terms of root mean square (RMS) of 1.0~1.5 cm can be achieved in horizontal components. For the 2011 Tohoku-Oki (Japan) and the 2010 El Mayor-Cucapah (Mexico) earthquakes, the displacement waveforms, estimated from ambiguity-fixed PPP and those provided by the accelerometer instrumentation are consistent in the dynamic component within few centimeters. The PPP fixed solution not only can improve the accuracy of coseismic displacements, but also provides a reliable recovery of earthquake magnitude and of the fault slip distribution in real time. We propose an augmented point positioning method for GPS based hazard monitoring, which can achieve fast or even instantaneous precise positioning without relying on data of a specific reference station. The proposed method overcomes the limitations of the currently mostly used GPS processing approaches of relative positioning and global precise point positioning. The advantages of the proposed approach are demonstrated by using GPS data, which was recorded during the 2011 Tohoku-Oki earthquake in Japan. We propose a new approach to quickly capture coseismic displacements with a single GNSS receiver in real-time. The new approach can overcome the convergence problem of precise point positioning (PPP), and also avoids the integration process of the variometric approach. Using the results of the 2011 Tohoku-Oki earthquake, it is demonstrated that the proposed method can provide accurate displacement waveforms and permanent coseismic offsets at an accuracy of few centimeters, and can also reliably recover the moment magnitude and fault slip distribution. We investigate three current existing single-receiver approaches for real-time GNSS seismology, comparing their observation models for equivalence and assessing the impact of main error components. We propose some refinements to the variometric approach and especially consider compensating the geometry error component by using the accurate initial coordinates before the earthquake to eliminate the drift trend in the integrated coseismic displacements. We propose an approach for tightly integrating GPS and strong motion data on raw observation level to increase the quality of the derived displacements. The performance of the proposed approach is demonstrated using 5 Hz high-rate GPS and 200 Hz strong motion data collected during the El Mayor-Cucapah earthquake (Mw 7.2, 4 April, 2010) in Baja California, Mexico. The new approach not only takes advantages of both GPS and strong motion sensors, but also improves the reliability of the displacement by enhancing GPS integer-cycle phase ambiguity resolution, which is very critical for deriving displacements with highest quality. We also explore the use of collocated GPS and seismic sensors for earthquake monitoring and early warning. The GPS and seismic data collected during the 2011 Tohoku-Oki (Japan) and the 2010 El Mayor-Cucapah (Mexico) earthquakes are analyzed by using a tightly-coupled integration. The performance of the integrated results are validated by both time and frequency domain analysis. We detect the P-wave arrival and observe small-scale features of the movement from the integrated results and locate the epicenter. Meanwhile, permanent offsets are extracted from the integrated displacements highly accurately and used for reliable fault slip inversion and magnitude estimation.

Die Ionosphäre ist ein Teil der Atomosphäre. Ihre Exisitenz beruht hauptsächlich auf der Sonnenstrahlung. Aufgrund des Vorhandenseins elektrisch aufgeladender Teilchen in der Ionospäre wird sie leitfähig. Die Ionosphäre beinhaltet verschiedene Schichten (D-, E-, F1 und F2- Schicht). Jede Schicht hat ihre eigenen Eigenschaften und zeigt unterschiedliche Einflüsse auf die eindringenden Funksignale. Die Bedeutung der Ionosphäre für unsere moderne Gesellschaft wird durch ihre Nutzung für Kommunikationssysteme, wie zum Beispiel ihre bedeutsame Anwendung für unsere Funkkommunikationssysteme, veranschaulicht. Die Ionosphäre kann die Funksignale unter geeigneten Bedingungen reflektieren. Durch die Verwendung von wiederholten ionosphärischen Reflexionen ermöglicht dies Funkkommunikation über große Distanzen. Mit anderen Worten: Eine ferne Signalausbreitung wird durch die mehrfachen Sprünge zwischen Ionosphäre und Boden möglich. Darüberhinaus ist die Auswirkung der Ionosphäre auf Satellitenkommunikation und Navigationssysteme ebenfalls deutlich erkennbar. Gleichzeitig hat die Ionosphäre eine dynamische und direkte Reaktion auf Solaraktivitäten. Die Untersuchung der Ionosphäre ist hilfreich, um die Wechselwirkung zwischen der Sonne und der Erde besser zu verstehen. Es gibt verschiedene Techniken zur Untersuchung der Ionosphäre. Sie können im wesentlich in erdbasierte Messungen (wie Ionosonde, Inkohärentes Scatter-Radar, usw.) und raumbasierte Messungen (wie Beacons, in-situ-Messungen, usw.) kategorisiert werden. Diese Messtechniken liefern wertvolle Informationen über die Ionosphäre. Aufgrund der Unregelmäßigkeit der Ionisierung in der Ionosphäre ist die Ionosphäre sehr unbeständig und ziemlich zufällig in ihren Wirkungen. Die Ionosphäre könnte als ein sehr komplexes System betrachtet werden, das mit Hilfe vieler miteinander verbundener Variablen oder Parameter wie Temperatur, Dichte, chemische Zusammensetzung, Ströme, usw. beschrieben werden kann. Unter reproduzierbaren Bedingungen ist es möglich, weitere ionosphärische Eigenschaften und Verhaltensweisen sowie die Wechselwirkung zwischen den ionosphärischen Parametern aus der Nähe zu studieren und zu verstehen. Im vorliegenden Fall wird ein "Ionospektroskop" genanntes Projekt durchgeführt. Das "Ionospektroskop" selbst wird als eine neue Messanordnung (oder System) angesehen, welche(s) eine Laborteilsimulation der Ionosphäre ermöglicht. Es muss mit der Anpassung an die erwarteten Ionosphärenbedingungen umgehen können, die im Labor reproduziert werden müssen. Aufgrund der Tatsache, dass das Ionospektroskop eine vollständig neue Anordnung ist, muss zunächst eine Grundlagenforschung, ob das Ionospektroskop unsere erwarteten Ziele erreichen kann, verwirklicht werden. Die Leistungsfähigkeit des Ionospektroskops wird mit verschiedenen Grundlagenversuchen unter reproduzierbaren Bedingungen untersucht. Zugleich müssen die wichtigsten Eigenschaften des erzeugten Ionosphäre ähnlichen Plasmas mit Hilfe von reproduzierbaren Tests überprüft werden. Das bedeutet, dass sich unsere bisherige Arbeit auf das Erreichen experimenteller Grundtests fokusiert, den ersten Aufbau und die erste Analyse der Leistungsfähigkeit des Ionospektroskops. Diese Ergebnisse geben uns einen Überblick über die Leistungsfähigkeit des Ionospektroskops und bieten eine gute Grundlage für die weitere Forschung. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit basiert auf einigen Messtechniken, die verwendet werden, um zugehörige neue Messmethoden (realisiert durch praktische Messungen) zu entwickeln. Solche Messmethoden ermöglichen die erste Analyse der Leistungsfähigkeit des gesamten Ionospektroskop-Systems (realisiert durch Datenanalyse der durchgeführten Messungen). Der zugehörige Datenanalyseansatz für Messungen basiert auf dem dargestellt Datenanalyse-Konzept in Bezug auf diese Dissertation. Das Projekt selbst wird als offenes Projekt angelegt. Um die exakte Leistungsfähigkeit des Ionospektroskops zu verstehen und zu untersuchen, müssen etliche genaue, detaillierte Experimente durchgeführt und sehr viele Überlegungen berücksichtigt werden. Außerdem wird möglicherweise ein modifiziertes Ionospektroskop benötigt. Gleichzeitig erfordert das Projekt verschiedenes Wissen und Erfahrungen aus verschiedenen Bereichen wie Plasmaphysik, Atom- und optische Physik, Experimentalphysik, Messtechnik, Astrophysik, Elektronik, Elektromagnetismus, sowie Informatik, Weltraumgeodäsie und so weiter. Um alle Erwartungen (umfassende, detaillierte, präzise Messungen, ionosphärische Simulationen, usw.) zu erreichen, werden mehr Zeit, mehr Teilnehmer sowie ausreichende Mittel zur Abdeckung der Laborkosten benötigt. The ionosphere is a part of the atmosphere. Its existence mainly depends on the solar radiation; because of the presence of electrically charged particles in the ionosphere, it gets conductible. The ionosphere contains different ionized regions (D region, E region, F1 and F2 region). Each region has its own properties and shows distinct influence on the entering radio signals. The importance of the ionosphere for our modern society is represented by its utilization for communication systems, such as its meaningful application for our radio communication system. The ionosphere can reflect the radio signals under appropriate conditions. By using repeated ionospheric reflections, this enables radio communication over long distances. In other words, a long-distance signal propagation gets possible through the multiple hops between ionosphere and ground. Furthermore, the effect of the ionosphere on satellite communications and navigation systems is also very noticeable. At the same time, ionosphere has a dynamic and direct response to solar activities. Studying the ionosphere is helpful to better understand the interaction between the Sun and the Earth. For studying the ionosphere, there are different kinds of techniques. They can be mainly categorized into ground-based measurements (such as Ionosonde, incoherent scatter radar, etc.) and spaced-based measurements (such as beacons, in situ experiments, etc.). These measurement techniques provide valuable information about the ionosphere. However, due to the patches of ionization in the ionosphere being irregular, as a consequence, ionosphere is greatly variable and quite random in its effects. The ionosphere could be considered as a very complex system which can be described by means of many interconnected variables or parameters such as temperature, density, chemical composition, currents and so on. Under a reproducible situation, it is possible to closely study and understand more ionospheric properties and behaviors as well as the interaction between the ionospheric parameters. In the present case, a project called “Ionospektroskop” is undertaken. Ionospektroskop itself is thought of as a new measuring arrangement (or system) that provides a laboratory partial simulation of the ionosphere surrounding; it has to handle the adaptation to the expected ionospheric conditions which must be reproduced in the laboratory. Due to the fact that the Ionospektroskop is a completely new arrangement, a fundamental research, whether the Ionospektroskop can accomplish our expected purpose, has to be achieved firstly. The capability of Ionospektroskop is examined with different basic experiments under reproducible conditions. At the same time, the most important properties of the created ionosphere-like plasma have to be investigated by reproducible tests. This means our work so far is focused on achieving experimental foundation tests, the first setup and the first analysis of the capability of the Ionospektroskop. These achievements give us an overview of the Ionospektroskop capabilities and provide a good foundation for the further research. The focus of the present work is based on several measuring techniques used to develop related new measuring methods (realized by taking practical measurements). These measuring methods enable to achieve the first analysis of the capability of the whole Ionospektroskop system (realized by data analysis of taken measurements). The related data analysis approach for measurements is based on the represented data analysis concept with respect to this dissertation. The project itself is indicated as an open-end project. To understand and investigate the exact capabilities of the Ionospektroskop, a lot of precise, detailed experiments are required to be taken and a great many of considerations have to be taken into account. Furthermore a modified Ionospektroskop may be needed. At the same time, the project requires different knowledge and experiences involving different fields, such as plasma physics, atomic and optical physics, experimental physics, measuring techniques, astrophysics, electronics, electromagnetisms, as well as computer science, space geodesy and so on. To achieve all the expectations (comprehensive, detailed, precise measurements, ionospheric simulations, etc.), more time, more participants as well as sufficient laboratory fee must be taken into account.

Die Zielsetzung der vorliegende 3D Beckenmodellierungsstudie ist ein besseres Verständnis der Kohlenwasserstoffsysteme der Südwestlichen Barentssee. Dies beinhaltet eine Beschreibung der generierten Mengen an Kohlenwasserstoffen, deren Migration und Akkumulation sowie die Abschätzung des Verlusts aus potentiellen Reservoiren im Verlauf der Evolution des Sedimentbeckens. Hierzu wurde zunächst ein Modell für das Gebiet des Hammerfest Sedimentbeckens erstellt, welches drei Muttergesteine beinhaltet: die Oberjurassische Hekkingen Formation, sowie die Triassische Snadd und Kobbe Formation. Die höchste Reife dieser Muttergesteine wurde für den westlichen und nordwestlichen Beckenrand vorhergesagt. Das Modell ist somit in der Lage die Kohlenwasserstoffe und deren Verteilung für schon bekannte Felder und Ressourcen zufriedenstellend zu reproduzieren. Basierend auf diesem Model konnte gezeigt werden, dass in dem Untersuchungsgebiet im Wesentlichen zwei Phasen der Re-migration die rezente Verteilung zur Folge hatten; die Umverteilung des Öls während des Oligozäns-Miozäns und ein Verlust der Gasphase während des Pliozäns-Pleistozäns in Zusammenhang mit den glazial-interglazialen Zyklen. Hierbei gelangten mindestens 0.247 Gt thermogenes Gas aus der Hauptlagerstätte an die Sedimentoberfläche. Die volumetrische Analyse der Öl- und Gaszusammensetzung der einzelnen Felder und weiterer neuer Entdeckungen weist darauf hin, dass das vorhandene Gas hauptsächlich von Triassischen Muttergesteinen stammt, wohingegen das Öl in variablen Anteilen von der Jurassischen Hekkingen Formation als auch den Triassischen Muttergesteinen gespeist wurde. Diese Ergebnisse konnten unter Zuhilfenahme von geochemischen Daten von Fluidanalysen der Hauptfelder des Hammerfest Sedimentbeckens überprüft werden. Die Interpretation von Gasisotopendaten und Reifeparametern bestätigt die Reifetrends welche bereits durch die Beckenmodellierung erhalten wurden. Die Daten der kurzkettigen Kohlenwasserstoffe zeigen den Einfluss sekundärer Prozesse an. Die Analyse der altersabhängigen Biomarker konnte keine eindeutige Abgrenzung zwischen Jurassischen und Triassischen Muttergesteinen aufzeigen. Unter Berücksichtigung der gleichen Muttergesteine wurde das 3D Beckenmodell auf die Loppa High Region und weitere Explorationsgebiete erweitert. Die kalibrierten Ergebnisse des Modells zeigen, dass die drei Muttergesteine am westlichen Rand des Beckens überreif sind. Des Weiteren weisen sie eine hohe Reife in den tiefsten Teilen des Maud Sedimentbeckens gen Osten des Modells auf. Im Bereich der Bjarmeland Plattform hat nur das Triassische Muttergestein das Ölfenster erreicht. Die derzeitige Generierung von Kohlenwasserstoffen kann im östlichen Teil der Bjarmeland Plattform beobachtet werden, wobei heutzutage noch immer ein Generierungspotential vorhanden ist. Im westlichen Teil des Modells begann die Kohlenwasserstoffgenerierung der Kobbe Formation bereits im Obertrias–Unterjura. Die Snadd Formation erreichte das Ölfenster im Oberjura–Unterkreide und die Hekkingen Formation während der oberen Unterkreide. In diesem Gebiet ist das Generierungspotential der drei Muttergesteine erschöpft. Aus diesem Grund ist es notwendig sich auf jüngere Muttergesteine zu konzentrieren. Weitere Ergebnisse zeigen, dass sich die Hauptmigrationsrichtungen während der Evolution des Gebiets nicht drastisch geändert haben, auch nicht während der glazial-interglazialen Zyklen. Das Modellierungsergebnis zeigt, dass die Gas-zu Ölverhältnisse der modellierten Akkumulationen mit den glazialen Zyklen in Zusammenhang stehen. The 3D basin modelling of the Southwestern Barents Sea was planned with the aim of addressing the masses of petroleum generated, migrated, accumulated and lost during the basin evolution. The first model was constructed for the Hammerfest Basin considering three source rocks, which correspond to the Upper Jurassic Hekkingen Formation and the Triassic Snadd and Kobbe formations. The highest maturities for the three source rocks were reached in the western and northwestern margin of the basin. The model reproduced satisfactorily the hydrocarbon phases and distribution of the main fields and discoveries. Two events of petroleum re-distribution occurred in the basin: the first corresponds to the oil re-distribution (during the Oligocene–Miocene); the second corresponds to the gas leakage (during the Pliocene–Pleistocene) in connection to the glacial–interglacial cycles. At least 0.247 Gt of thermogenic gas leaked from the main reservoir and reached the sediment interface. The analysis of the volumetric proportions of oil and gas contributions to each field and discovery, suggest that the gas contribution stems mainly from Triassic source rocks, while the oil phases contain variable proportions from both the Jurassic Hekkingen Formation and the Triassic source rocks. Available fluid geochemical data from the main fields in the Hammerfest Basin allowed testing these results. The interpretation of gas isotopes and maturity related biomarker ratios confirms the maturity trends derived from basin modelling; and light hydrocarbons indicate the influence of secondary processes. However, age related biomarker ratios did not provide a clear separation when evaluating a contribution from Jurassic versus Triassic source rocks. The 3D basin modelling was extended to include the Loppa High as well as some other important frontier exploration areas; taking into account the same source rocks. Calibrated model predictions indicate that the three source rocks are overmature in the western margin and also have high maturities in the deepest parts of the Maud Basin to the east. However, in the Bjarmeland platform, only the Triassic source rocks have entered the oil window. Recent generation has been observed in the eastern part around the Bjarmeland Platform and generative potential is still available at present–day. The timing of generation in the western part is different in comparison to the east, with the Kobbe Formation starting to generate during the Late Triassic–Early Jurassic, the Snadd Formation during Late Jurassic–Early Cretaceous and the Hekkingen Formation during Middle Cretaceous. The three source rocks do not have any generative potential left; therefore, it is necessary to rely on younger source rocks. Additional results indicate that the main drainage directions do not change drastically during the evolution of the area, not even during the glacial–interglacial cycles. The model output shows changes in the sizes of the relative oil versus gas quantities in the modelled accumulations during the glacial cycles.

Das Hauptanliegen der Studie ist es, die Entwicklung von Erdölsystemen in verschiedenen Sedimentationsbecken zu modellieren und den mit ihnen verbundenen Methanaustritt über geologische Zeiträume zu quantifizieren. Dadurch will die Studie einen Beitrag zum Verständnis der Verbindungen zwischen erdölführenden Becken und der Entwicklung des Weltklimas sowie den damit verbundenen Prozessen leisten. Die analysierten Gebiete waren zwei kanadische Becken: das Western Canada Sedimentary Basin (WCSB) und das Beaufort/Meckenzie Basin (BMB); sowie der Zentralgraben der Nordsee. Die Methodologie beinhaltet die Modellierung und Analyse von Erdölsystemen, Massenbilanzansätze und einen Vergleich der Ergebnisse mit weltweit publizierten Daten. Obwohl der Hauptfokus auf der Bildung, Migration und dem Austritt von thermogenem Gas liegt, werden auch andere relevante Prozesse, die in den ausgewählten geologischen Gebieten auftreten, angesprochen. Im WCSB wird eine Quantifizierung der biologischen Methanbildung während der Biodegradation des ursprünglichen Öls in Athabasca durchgeführt. Im BMB erlaubt es die Erdölsystemmodellierung und –analyse, das Methangashydrat Potential der Region zu bewerten. Das Maximum der berechneten thermogenen Gasbildungsraten liegt in der Größenordnung von 10E-2 (WCSB) bis 10E-3 (BMB und Zentralgraben) Teragramm (1 Tg=10E12 g) pro Jahr. Biogenes Methan könnte im WCSB in Raten bis zu 10E-3-10E-2 Tg/Jahr produziert worden sein; dies hängt von Annahmen hinsichtlich der abbaubaren Masse an Öl ab. Die modellierten Ergebnisse legen nahe, dass sich der Gasaustritt über eine große Fläche, nicht konzentriert oder fokussiert, ausbreitete und, gesteuert durch die Bildung im Muttergestein, nicht in dem Maß stattfinden kann, wie es in der Literatur berichtet wird, ungeachtet der Größe des Sedimentationsbeckens und Karbonpools. Allein das Reservoir als Teil des Erdölsystems kann mit der Atmosphäre in signifikanter Geschwindigkeit interagieren, und die den Austritt fördernden Mechanismen sind weitaus relevanter als der Karbonbestand von Sedimentationsbecken. Künftige Studien zu diesem Thema sollten sich auf Becken konzentrieren, in denen große Gasansammlungen und bekannte Freisetzungsmechanismen vorhanden sind (z. B. hoch zerklüftete Bereiche und arktische Becken). Oberflächenmessungen sollten mit Erdölsystemmodellierungen kombiniert werden, um Extrapolationen der Messungen in die Atmosphäre sinnvoll ausführen zu können, und sich mit Paleo-Leckage befassen. The main objectives of this study are to model the evolution of petroleum systems in different sedimentary basins and to quantify their associated methane leakage through geologic time. In this way, the study aims to contribute to the understanding of any link between petroleum-bearing basins and the Earth’s climate evolution, and the main processes involved. The analyzed study areas are two Canadian basins: the Western Canada Sedimentary Basin (WCSB) and the Beaufort/Mackenzie Basin (BMB); and the Central Graben of the North Sea province. The methodology involves petroleum system modeling and analysis, mass balance approaches and comparison of results from the selected study areas against world-wide published data. Although the main focus is on thermogenic gas generation, migration, and leakage; other relevant processes taking place in the selected geological settings are addressed. In the case of the WCSB, a quantification of the microbial methane generation during the biodegradation of the original oils in Athabasca is carried out. In the case of the BMB, petroleum system modeling and analysis allows to assess the methane gas hydrate potential of the region. Maximum predicted thermogenic gas generation rates are in the order of 10E-2 (WCSB) to 10E-3 (BMB and Central Graben) Teragrams (1 Tg=10E12 g) per year. Biogenic methane could have been produced in the WCSB at rates of up to 10E-3–10E-2 Tg/yr, depending on assumption regarding the degradable oil mass. Modeling results suggest that gas leakage spread out over a large area, not concentrated or focused, and driven by generation in kitchen areas cannot take place at rates as those reported in the literature, regardless of the sedimentary basin size and carbon pool. Only the reservoir part of the petroleum systems is able to interact with the atmosphere at significant speed, and the mechanisms driving leakage are, by far, more relevant than the carbon inventory of sedimentary basins. It is proposed that future studies on the topic should concentrate in basins where large gas accumulations and focused release mechanisms are present (e.g., highly fractured settings and arctic basins), and that surface measurements should be combined with petroleum systems modeling in order to reasonably perform aerial extrapolations of measurements, and address paleo-seepage.

Die globale Erderwärmung und der fortschreitende Klimawandel betreffen insbesondere sensible Regionen wie z.B. Küstengebiete. Eine Möglichkeit, die Auswirkungen auf Grundwassersysteme in diesen Gebieten abzuschätzen, stellt die Grundwassermodellierung dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt darin, die für diese Modellierung notwendige strukturelle Information und petrophysikalische Parameter aus der Kombination geophysikalischer und geologischer Methoden herzuleiten. Das Untersuchungsgebiet ist die Nordseeinsel Föhr. Hier wurden verschiedene geophysikalische Methoden zwischen 2008 und 2011 angewendet und die Ergebnisse mit geologischen Informationen aus Bohrlöchern und Kenntnissen der regionalen Geologie zusammengeführt. 2D Reflexionsseismik mit P-Wellen und SH-Wellen sowie Vertikale Seismische Profile (VSP) liefern ein strukturelles Abbild des Untergrundes sowie seismische Geschwindigkeiten. Mit Hubschrauber-Elektromagnetik (AEM) wird die räumliche Verteilung des spezifischen Widerstandes kartiert. Alle gemessenen Daten sind von guter bis sehr guter Qualität, eine Ausnahme bilden die Daten der SH-Wellen Reflexionsseismik. Im ersten Teil der Doktorarbeit wurde die Inversion der AEM Daten mit a-priori Informationen aus der Seismik verbessert. Dazu wurden Reflexionshorizonte in der P-Wellen Seismik interpretiert und als Randbedingungen in die AEM Inversion eingefügt. Die resultierenden Widerstands-Tiefen- Modelle passen sich dadurch der Lage der seismischen Reflektoren an. Die Randbedingungen beeinflussen sowohl die Widerstandsmodelle auf den seismischen Linien als auch entferntere Widerstandsmodelle aufgrund der räumlichen Randbedingungen des Inversionsalgorithmus. Mit dieser verbesserten Inversion wurde ein vorher nicht erkannter Aquifer erfolgreich identifiziert. Im zweiten Teil wurden Bohrlochdaten (Elektriklogs, VSP) ausgewertet und mit der vorliegenden Lithologie korreliert. Diese petrophysikalische Charakterisierung von Sand, Geschiebemergel und Ton wurde für seismische Geschwindigkeiten und spezifische Widerstände aus unterschiedlichen Logging-Methoden und projizierten AEM Widerstandsmodellen durchgeführt. Die Ergebnisse unterstützen die Interpretation der geophysikalischen Daten. Aus einer gemeinsamen Interpretation aller geophysikalischen und geologischen Daten wurden Konstruktionsschnitte als Basis für das hydrogeologische 3D Untergrundmodell erzeugt. Grenzflächen zwischen Aquiferen und Aquitarden wurden sowohl an die Konstruktionsschnitte als auch an die Widerstandsverteilung angepasst und in das 3D Modell integriert. Dieses bildet das Grundgerüst für die anschließende Grundwassermodellierung. Im dritten Teil wurde die Datenqualität der SH-Wellen Reflexionsseismik mittels Finite-Differenzen- Modellierung untersucht. Als Strukturmodell wurde ein Profilschnitt des hydrogeologischen Modells verwendet, der mit seismischen Geschwindigkeiten aus der petrophysikalischen Charakterisierung und Dichtewerten aus der Literatur belegt wurde. Simulierte P-Wellen Einzelschüsse wurden mittels eines einfachen seismischen Prozessings zu einer 2D-Sektion aufgestapelt. Ein Vergleich der synthetischen Daten mit den gemessenen Daten zeigte deutliche Abweichungen, die uns zu einer Überarbeitung des Strukturmodells veranlassten. Dieses um Schichten erweiterte und verbesserte 2D-Modell wurde wiederum mit P-Wellen Geschwindigkeiten und Dichtewerten belegt. Die benötigten S-Wellen Geschwindigkeiten wurden aus einer Korrelation von vP und vS, die aus VSP-Daten abgeleitet wurde, berechnet. Die P-Wellen Simulation des modifizierten Modells stimmt besser mit den Felddaten überein, sodass dieses Geschwindigkeitsmodell für die SH-Wellen Modellierung verwendet wurde. Die synthetischen SH-Wellen Daten bilden aber die Felddaten nicht ab, demzufolge müssen weitere Effekte wie Streuung an Inhomogenität oder Dämpfung berücksichtigt werden. Einen negativen Einfluss der Messgeometrie auf die Ergebnisse können wir ausschließen. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die erfolgreiche Entwicklung von geophysikalischen Messungen zu einem 3D Untergrundmodell. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der methodischen Verbesserung der geophysikalischen Daten sowie der petrophysikalischen Charakterisierung. Auf ihre Qualität geprüfte Daten wurden in ein hydrogeologisches 3D Modell zusammengeführt, und bilden die Grundlage für eine verlässliche Grundwassermodellierung für die Insel Föhr. Climate change impacts groundwater systems, especially in sensitive environments like coastal areas. For this work, geophysical and geological methods provide structural and parametrical information as the starting point for groundwater modelling and the subsequent assessment of climate change effects for groundwater systems. During this doctoral project, various geophysical methods were applied on the North Sea island of Föhr. In combination with the analysis of borehole logging data and information about the regional geological evolution, these data contribute to the groundwater modelling. In particular, two 2D P-wave reflection seismic surveys, consisting of seven profiles, and one 2D SH-wave reflection seismic survey, consisting of three profiles, were carried out to gain structural information and seismic velocities. Five Vertical Seismic Profiles (VSP) refine the knowledge about seismic velocities, and one airborne electromagnetic (AEM) survey reveals the resistivity distribution of the entire island. Additional borehole logging data were made available by the local water supply company. All data show good to excellent data quality except for SH-wave reflection seismic data, which show minor quality. First, the inversion of the AEM data was improved by constraints from reflection seismic information. Features of the P-wave depth sections were interpreted as a detachment and a till layer, which were subsequently used to constrain the inversion. This directs the interfaces of the resistivity models to the seismic features and allows stronger correlation of AEM and seismic results. Additionally, the seismic 2D information is projected to 3D by a chosen inversion algorithm (spatially constrained inversion). For instance, one fresh-water saturated sand-layer is first identified below a till layer in the resistivity distribution of the constrained inversion. Second, a petrophysical characterization for sand, till, and clay was achieved from five VSP, logging data, and nearby resistivity inversion models of 18 boreholes. Histograms of geophysical parameters were calculated according to the lithology. The site-specific values for seismic velocities and resistivity support the interpretation of the geophysical results. The geophysical and geological data were compiled into a simplified hydrogeological 3D model of aquitards and aquifers. A number of auxiliary construction cross-sections were created according to a combined interpretation. Hydrogeological interfaces were adjusted to these cross-sections and fitted to the inverted AEM resistivity volume. This model provides the architecture for subsequent groundwater flow modelling. Third, the reason for the minor shear-wave data quality was investigated with seismic finite-difference modelling. A cross-section of the compiled hydrogeological model was assigned by lithologies and affiliated velocities from the petrophysical characterization and densities from literature. Single P-wave shots were modelled according to the field geometry and generated a stacked section by applying a simple standard processing scheme. Significant discrepancy between synthetic and field P-wave data led to modify the input model. The number of units was increased with respect to reflectors in the seismic depth section of the field data, and P-wave velocities and densities were assigned. Correlation of vP and vS provided shear-wave velocities. The synthetic P-wave data, simulated with the modified model, reproduced sufficiently the field data, so that SH-wave modelling was started. With this setting, the modelling has not reproduced the SH-wave field data and therefore additional effects have to be included, for instance scattering at inhomogeneities or damping. So far, the appropriate field geometry for the SH-wave surveys was assessed, and that the appearance of excited surface waves strongly depends on the local subsurface was identified. In summary, this work demonstrates the successful progress from geophysical field data to a detailed subsurface model, mainly benefiting from methodical data improvement and petrophysical parameter combination. Using the determined spatially-varying properties, field data of good quality are compiled into a hydrogeological 3D model that has good prediction potential for groundwater modelling.

Die heutigen politischen Entscheidungsträger müssen sich im Hinblick auf die begrenzte Belastbarkeit der Umwelt und die Grenzen menschlicher Belastbarkeit der Herausforderung stellen, die komplexen Wechselwirkungen zwischen menschlichem Handeln und der natürlichen Umwelt zu verstehen und zu gestalten. Dies ist besonders in städtischen Regionen, in denen die erhöhte Umweltbelastung evident ist, von hoher Relevanz, was am Beispiel des kontinuierlichen globalen Rückgangs von Ökosystemdienstleistungen in Folge der anhaltenden Verstädterung deutlich wird. Zukünftige politische Entscheidungen können nur zielführend sein, wenn sie integrativ in dem vielseitigen Ursache-Wirkungs-Gefüge städtischer Veränderungen betrachtet werden. Für solch ein Bestreben erscheint ein systemischer Ansatz, wie er in dieser Dissertation gewählt wurde, vielversprechend. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die wesentlichen Prozesse und Dynamiken, die charakteristisch sind für das komplexe System einer Stadt, in einem kombinierten Modellansatz abzubilden. Zu diesem Zweck wird ein demographisch angetriebenes Modell zur Berechnung der Wohnnachfrage und des Wohnangebotes mit einem räumlich expliziten Landnutzungsmodell verknüpft. Die Auswirkungen von Landnutzungsänderung auf die städtische Struktur, sowie auf das Angebot von Ökosystemdienstleistungen werden mit Hilfe von zum Teil neu entwickelter Indikatoren untersucht. Zusätzlich wird das Modell genutzt um das städtische Systemverständnis unter Verwendung von Szenariosimulationen voranzutreiben und szenariospezifische Auswirkungen auf die Stadtstruktur und das Angebot von Ökosystemdienstleistungen zu ermitteln. Die Szenarien basieren auf nicht-räumliche, demographische Veränderungstrends, z.B. Bevölkerungswachstum, -schrumpfung oder Überalterung; sowie räumliche Trends, z.B. durch veränderte Nachfragepräferenzen oder veränderten Planungsvorgaben. Das Untersuchungsgebiet stellt die Metropolregion Berlin dar. Dem kombinierten Modell wird aufgrund der verbesserten Anbindung von kausalen Triebkräften und der Nutzung eines fortschrittlichen Verfahrens zur Berechnung von Wohnstandortentscheidungen, eine überzeugende Reproduktion von Landnutzungsänderung nachgewiesen. Städtische Prozesse der Suburbanisierung und der Reurbanisierung können abgebildet werden, durch die Integration simultan ablaufender Wachstums- und Schrumpfungsprozesse in unterschiedlichen Wohnnutzungstypen. Mit Hilfe von verschiedenen Simulationsergebnissen wird nachgewiesen, dass die Zunahme der Bevölkerung, sowie die Alterung der Bevölkerung den Flächenverbrauch, die Fragmentierung der Landschaft und den Verlust an Ökosystemdienstleistungen deutlich erhöhen. Im Gegensatz dazu können diese Kenngrößen durch Bevölkerungsrückgang und der Veränderung von Wohnpräferenzen hin zu zentraleren Wohnlagen verringert werden. Darüber hinaus wird gezeigt, welche Landnutzungsänderungen sich besonders gut, bzw. besonders schlecht auf das Angebot von Ökosystemdienstleistungen und deren Verflechtungen (wie Synergien oder Trade-offs) auswirken. Die Doktorarbeit schlussfolgert mit der detaillierten Beschreibung der systematischen Verknüpfungen von menschlichen Entscheidungen, stadtstrukturellen Veränderungen und Umweltwirkungen, was schließlich in einer Wirkungskette städtischer Systemdynamiken mündet. Today’s political decision makers are challenged to tackle the complex interactions between human activities and the natural environment within the context of limited environmental and human resilience. This becomes especially important in urban regions, where environmental effects are particularly evident, as indicated for instance by a continuous global decline of ecosystem services (ES) due to the increase of urban areas. Future decision-making can only be effectively promoted if the multiple cause-effect relationships driving urban and ES change are understood. For this purpose, a systemic approach seems promising and was chosen in this dissertation thesis. The aim of this thesis is to provide a combined model approach that is able to reveal the currently observed urban processes and dynamics which characterize the complex urban system. To this end, a demographically-driven residential demand and supply model is linked to a spatially explicit land-use change (LUC) model. The effects of LUC on the urban pattern and ES provisioning are analyzed using partly newly developed indicators. Additionally, the chosen model approach should serve to increase understanding of the urban system. In order to accomplish this, varying scenarios were developed to determine their respective effects on the urban pattern and ES, including both aspatial demographic shift trends such as population growth, shrinkage and population aging, as well as spatial trends such as demand preference and planning shifts. The case study presents the Berlin metropolitan region. The combined model provides a very satisfactory reproduction of land-use change by improving the causal relations of LUC drivers within sophisticated residential choice mechanisms. It is able to reproduce the simultaneous growth and shrinkage in varying residential types, and includes the processes of reurbanization and suburbanization. Future simulations indicated that population growth and population aging—expedited by population shrinkage—increases land consumption, landscape fragmentation and ES loss. In contrast, population shrinkage and shifting preferences towards reurbanization can effectively reduce these same aspects. It could be shown which particular land-use transitions most significantly affect ES degradation or improvement, and how they relate to ES linkages in terms of synergies and trade-offs. The thesis concludes with a detailed description of systematic linkages regarding human decisions, the urban pattern and environmental effects, resulting in a functional chain of urban system dynamics and depicting the strength of the connection between the relevant system parameters.

Die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie –geothermische Energie– kann als saubere und erneuerbare Energiequelle genutzt werden. Geothermische Systeme lassen sich anhand der geologischen Kontrollfaktoren bezüglich der Wärmequelle, der Wärmetransportmechanismen und der Speicherfähigkeit des Untergrundes unterscheiden und kategorisieren. Das Alberta Becken wird dabei zum "Vorlandbecken-Typus" gezählt, der durch konduktiv-dominierten Wärmetransport charakterisiert ist. Aufgrund seiner großen Öl-, Gas- und Kohle- Lagerstätten gehört das Alberta Becken in West–Kanada mit über 300,000 abgeteuften Bohrungen zu den geologisch am intensivsten erkundeten Gebieten der Welt. Dennoch widmeten sich nur vereinzelte Studien dem geothermischen Potential des Beckens, das bisher ungenutzt bleibt. In der vorliegenden Dissertation werden die geothermischen Bedingungen des Alberta Beckens untersucht, und Gebiete mit besonders günstigen Bedingungen zur weiteren Erkundung ausgewiesen. Dabei wird aufgezeigt, wie existierende Daten aus der Kohlenwasserstofferkundung, die im Falle des Alberta Beckens in großer Zahl vorliegen, für die geothermische Exploration neu interpretiert und genutzt werden können. Die thermischen Bedingungen des westkanadischen Sedimentbeckens (WCSB), dessen zentraler Teil vom Alberta Becken eingenommen wird, wurden mithilfe einer großen Menge an Temperaturdaten kartiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wärmefluss und der geothermische Gradient zwischen 30–100 mW/m2 bzw. 20–55 °C/km liegen, mit Mittelwerten von 60 mW/m2 bzw. 33 °C/km. Die Eigenschaften von potentiellen geothermischen Reservoirhorizonten wurden in zwei Regionalstudien in Zentral- und Nordwest Alberta untersucht. Zur Analyse von Mächtigkeit, Tiefe, und räumlicher Erstreckung der Horizonte wurden (struktur-) geologische 3D Modelle aus Bohrlochlogdaten und seismischen Daten entwickelt. Der Spannungszustand an geologischen Trennflächen wurde mit der „slip-tendency“ Methode untersucht, und die räumliche Verteilung von Gesteins-Porosität und -Permeabilität (basierend auf Kerntest-Daten) mit geostatistischen Methoden kartiert. Sechs Gesteinsformationen konnten als potentiell geothermisch nutzbar identifiziert werden: der Kambrische „Basal Sandstone“ (BSU), vier Devonische Karbonat-Formationen (alle in Zentral-Alberta), sowie der Devonische "Granite Wash"- Sandstein (in NW Alberta). Der BSU als vielversprechendster der sechs Horizonte wurde mithilfe von petrographischen Analysen und Porositäts-, Permeabilitäts- und Geomechanik-Tests detailliert untersucht. Geothermal energy is the thermal energy that is stored and produced in the Earth, and that can be used as clean and renewable energy source. In general, geothermal systems can be categorized based on the type of heat transport and the geologic controls of the heat source, heat transfer mechanism and storage capacity of the system. With regard to these criteria, the Alberta Basin belongs to the conduction-dominated "foreland basin play type". The Alberta Basin has a long tradition of hydrocarbon exploration and production with more than 300,000 wells drilled in the last decades. However, only few studies focused on exploration of geothermal resources, and until to date no geothermal production site exists in Alberta. This thesis analyzes the geothermal conditions of the Alberta Basin and delineates the favorable locations for further geothermal prospection in Alberta. It demonstrates specific exploration methods that can be applied in a situation where a large amount of geological and geophysical data is publicly available and has to be re-evaluated and re-interpreted for geothermal exploration. The Western Canada Sedimentary Basin (WCSB)—of which the Alberta Basin represents the central part—consists of a north-eastward tapering sedimentary wedge that unconformably overlies the Precambrian crystalline basement. The sedimentary succession thickness is > 5 km close to the Rocky Mountains in the southwest and thins towards the northeast, where it is terminated by erosion or non-deposition. The thermal state of the WCSB basin was mapped using a large thermal database. Results show that the heat flow and the geothermal gradient of the WCSB range from 30–100 mW/m2 and 20–55 °C/km, respectively, with an average of 60 mW/m2 and 33 °C/km, respectively. Thickness, depth, extent and reservoir properties of potential geothermal target formations were investigated in two regional exploration studies focusing on the central Alberta Basin around Edmonton (160 km × 200 km) and the northwestern Alberta Basin around Peace River (70 km × 90 km). The applied methods include 3D structural geological modeling based on well log and seismic data, geostatistical mapping of porosity and permeability data from core tests, and the analysis of the stress state of faults. Six formations were identified as favorable for geothermal applications: the Cambrian Basal Sandstone Unit (BSU) and four Devonian carbonate formations (central Alberta), and the Devonian Granite Wash Unit (northwestern Alberta). The BSU as the most promising geothermal target formation was further investigated by petrographic analysis and porosity-, permeability- and geomechanical testing of BSU core samples.

Das Arbeitsgebiet umfasst das Becken des Flusses Gash im Bundesstaat Kassala (Ost-Sudan) und liegt zwischen 15° 10' und 15° 50' nördlicher Breite und 36° 10' und 36° 50' östlicher Länge. Die Topographie im Untersuchungsgebiet ist nur schwach ausgeprägt und liegt bei einer mittleren Höhe von ca. 500 m ü. NN. Der Fluss Gash ist das geomorphologisch dominante Element in der Region und bestimmt die Hydrogeologie. Der Fluss Gash entspringt im eritreischen Hochland und führt nur saisonal, in der Regenzeit vom späten Juni bis Oktober, Wasser. Im Rahmen der Arbeit wurden die Vorgänge und Prozesse identifiziert, die aufgrund von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen die Zusammensetzung des Grundwassers beeinflussen. Die wichtigsten sind (1) Karbonatlösung, welche die Gehalte an Ca2+ und HCO3- kontrollieren, (2) reversible Ionenaustauschreaktionen mit Tonmineralen, welche die Na+ und Ca2+-Gehalte beeinflussen, und (3) die Auflösung von Silikatmineralen, welche den Gehalt an Na+-Ionen beeinflusst. Weiterhin wurde die Eignung des Grundwassers für die Trinkwassernutzung bewertet. Die Wasserhärte ist hart bis mittelhart und es handelt sich um ein Süßwasser. Die Natrium-, Chlorid-, Sulfat- und Nitrat-Gehalte befinden sich innerhalb der von der WHO- und des Staates Sudan gültigen Grenzwerte für die Nutzung als Trinkwasser. Im Hinblick auf die Eignung des Grundwassers für landwirtschaftliche Zwecke wurde ein niedriges Natrium-Adsorptionsverhältnis (SAR) bestimmt; der Natriumanteil ist allgemein gut bis ausgezeichnet und für die Nutzung des Grundwassers für Bewässerungszwecke geeignet. Auch die Kenngrößen Rest-Natriumkarbonat-Verhältnis (RSC), Magnesium-Belastung und Permeabilitätsindex mit 75% zeigen, dess das Grundwasser für Bewässerungszwecke geeignet ist. Der Wasserqualitätsindex bewegt sich zwischen mittel bis gut. Die Grundwasserfazies des Untersuchungsgebietes können als Ca-HCO3- (Neubildungstyp) und Na-HCO3- Typen klassifiziert werden. Der durchschnittliche alljährliche Anstieg des Grundwasserspiegels (ΔHn) zwischen 1999 und 2013 liegt bei 8,36 m. Die darauf basierende Berechnung der jährlichen Grundwasserneubildung ergab für 2012 einen Wert von 132,6 × 106 m3, während die Grundwasserneubildung 2013 nur rund die Hälfte, 66,7 × 106 m3, betrug. The study area is bounded by Latitudes 15º 10' and 15º 50' N and Longitudes 36º 10' and 36º 50' E, Kassala State, Eastern Sudan. Topography is generally flat with an average elevation of 500 m, a.s.l. Gash river represents the most prominent geomorphologic feature and the principal control on the hydrogeology of the groundwater system. It is a seasonal stream flowing from late June to October. The Gash river originates in the Eritrean high lands. Mechanisms and processes of water-rock interaction that are assumed to modify the original chemical composition of groundwater in the studied system are mainly (1) carbonate dissolution, which affects Ca2+ and HCO3-, (2) reverse ion-exchange reactions with clay minerals that affect Na+ and Ca2+ (3) dissolution of silicate minerals that affect Na+. The suitability of groundwater in the area for domestic use: hard to moderate, and fresh. Sodium, Chloride, Sulphate and Nitrate are within the WHO and Sudanese Standards permissible limits. The suitability of groundwater in the area for irrigation as follows: SAR is low, Sodium percent is generally from good to excellent, Residual Sodium Carbonate is suitable, Magnesium hazard is suitable, and permeability index is 75% suitable. The water quality index of the area ranges from medium to good. The groundwater facies in the area are Ca-HCO3 groundwater type (recharge water), and Na-HCO3. The average rise in groundwater table (ΔHn) in the period from 1999 to 2013, found to be 8.36 meters. The annual groundwater recharge during the year 2012 is = 132.6 × 106 m3 whereas in year 2013 is = 66.7 × 106 m3.

Dieser Titel ist parallel zur Online-Version in gedruckter Form im Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, München erschienen; Schriftenreihe: Deutsche Geodätische Kommission, Reihe C Heft Nr.727 ISBN 978-3-7696-5139-3 Navigationsdienste im Freien sind seit vielen Jahren etabliert und heutzutage überall verfügbar. Alltägliche mobile Geräte wie Smartphones oder Autonavigationsgeräte unterstützen uns wie selbstverständlich bei der Wegeplanung oder stellen personalisierte Mehrwertinformationen über unseren aktuellen Standort bereit. Diese Entwicklung ist vor allem Lokalisierungstechnologien auf Basis von GNS-Systemen sowie der flächendeckenden Erfassung und Bereitstellung von Geoinformationen über navigierbare Straßen zu verdanken. Navigationssysteme für Personen oder Fahrzeuge im Innenraum sind hingegen nicht so weit verbreitet und bleiben hinter den Möglichkeiten bestehender Lösungen im Freien zurück. Als Hauptursache wird vielfach die Nichtverfügbarkeit von GPS in Gebäuden angeführt, weshalb insbesondere die Entwicklung von alternativen Lokalisierungstechnologien im Fokus von Arbeiten in Wissenschaft und Industrie steht. Ebenso wichtig ist jedoch ein standardisiertes Modell über den navigierbaren Raum, das reichhaltige, vollständige und genaue Geoinformationen über den Innenraum bereitstellt, um so die vielfältigen Herausforderungen an die Innenraumnavigation auf dem Gebiet der Lokalisierung, Wegeplanung und -leitung, sowie Nachverfolgung von bewegten Objekten zu adressieren. Die vorliegende Doktorarbeit stellt ein räumlich-semantisches Modell für den Innenraum vor, das diesen Bedarf decken soll. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten werden die vielfältigen und unterschiedlichen konzeptuellen und technischen Anforderungen an die Innenraumnavigation analysiert und herausgearbeitet. Während bestehende Ansätze die Komplexität der Navigationsaufgabe oftmals a priori auf einen spezifischen und starren Anwendungsfall reduzieren, besteht ein wesentliches Forschungsziel dieser Arbeit in der Definition eines generischen Rahmenwerks für die Innenraumnavigation, das den Anforderungen genügt und die Schwächen anderer Arbeiten überwindet. Vor diesem Hintergrund wird ein Multilayered Space-Event Modell (MLSEM) entwickelt, das sowohl die Modellierung, die Integration als auch die gemeinsame Betrachtung unterschiedlicher Repräsentationen navigierbarer und nicht-navigierbarer Innenräume für verschiedene Fortbewegungsarten wie Laufen, Fahren oder sogar Fliegen ermöglicht. Der Begriff des Innenraums geht hierbei über den gebauten Raum hinaus und umfasst auch logische oder thematische Räume wie Sicherheits- und Unfallzonen und Sensorräume, welche die diversen Lokalisierungstechnologien und –methoden in Gebäuden abbilden. Das MLSEM ermöglicht die Ad-hoc-Auswahl und Kombination der verfügbaren und vom Endgerät des Nutzers unterstützen Lokalisierungstechnologien sowie derjenigen navigierbaren Innenräume, die den individuellen Nutzerkontext sowie globale und nutzerabhängige Navigationsbeschränkungen widerspiegeln. Ein zweiter wesentlicher Beitrag der Arbeit besteht in der korrekten, widerspruchsfreien und vollständigen mathematischen Formalisierung des MLSEM. Eine solche Formalisierung stellt eine wichtige Voraussetzung für ein allgemeingültiges Verständnis des Innenraums dar, auf dessen Grundlage bestehende Ansätze in der Literatur zusammengeführt werden können. Die Formalisierung bedient sich Teilgebiete wie der algebraischen Topologie, der Theorie der Mannigfaltigkeiten, und der Graphentheorie, um die Objekte des Innenraums sowohl gemäß ihrer realen Form in 2D oder 3D zu modellieren als auch eineindeutig auf eine graphbasierte Repräsentation abzubilden. Weiterhin wird erstmals eine Space-Layer Algebra zur Manipulation komplexer Innenräume vorgestellt. Schließlich entwickelt die Arbeit ein formales konzeptuelles Datenmodell für das MLSEM in Übereinstimmung mit der ISO 19100 Normenreihe für die geographische Informationsmodellierung. Hierdurch können Innenraumdaten gemäß dem MLSEM zwischen Computersystemen und Anwendungen standardisiert ausgetauscht werden, um Navigations- und standortbezogene Dienste im Innenraum umzusetzen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein generisches, flexibles und kontextbezogenes Rahmenwerk für die Modellieung von Innenräumen, das die sich ergänzenden Navigationsaufgaben der Lokalisierung, Wegeplanung und -leitung, sowie Nachverfolgung von bewegten Objekten unterstützt. Die Definition des Innenraums auf konzeptueller, mathematischer und Datenaustauschebene erweitert und erklärt alternative Ansätze der Innenraummodellierung. Das MLSEM bildet derzeit den Kern der Standardisierungsaktivität zu IndoorGML im Open Geospatial Consortium, die zum Ziel hat, dass Navigationsdienste im Innenraum ebenso verfügbar und erfolgreich werden wie im Freien. Outdoor navigation services have established over the past decade and are ubiquitously available today. We have become accustomed to everyday mobile devices such as smartphones and car navigation systems that help us plan our routes or provide us with personalized and added value information about our current position. Localization technologies based on global navigation satellite systems as well as the acquisition and availability of geoinformation about navigable road networks for large parts of the world are two main drivers for this development. Systems for navigating people or vehicles in indoor spaces however are not as widely spread to date but considerably lag behind existing outdoor solutions. The fact that GPS is not available indoors is often seen as a key reason, and substantial work in academia and industry has been done in developing alternative localization technologies. But there is also a need for a standardized model of the navigation space providing rich, complete, and accurate geoinformation about the indoor environment in order to address the multitude of challenges in localization, path planning, tracking, and guidance facing indoor navigation. This thesis presents an approach to the spatio-semantic modelling of indoor space that aims at answering this need. Based on a comprehensive survey of related work, the multiple and different conceptual and technical challenges and requirements to indoor navigation are analysed and elaborated. Whereas existing approaches often tailor the complexity of the navigation task a priori to a specific and rigid navigation setting, the main research goal of this thesis is to define a generic framework for indoor navigation that satisfies the requirements and overcomes limitations in related work. Against this background, a Multilayered Space-Event Model (MLSEM) is developed that allows for the modelling, integration and joint consideration of different and multiple representations of navigable and non-navigable indoor spaces for various modes of locomotion such as walking, driving or even flying. The notion of indoor space hereby goes beyond the built-up environment but also comprises logical and thematic spaces such as security or disaster zones as well as sensor spaces reflecting the diverse indoor localization technologies and methods. The MLSEM facilitates the ad-hoc selection and combination of available localization technologies supported by the mobile end-user device and of appropriate representations of navigable indoor spaces according to the context of individual navigation users as well as global and user-dependent navigation constraints. A second principal contribution of the research work is the embedding of the MLSEM in a sound mathematical framework. A correct, consistent, and complete mathematical formalization is to be seen as a key prerequisite for the definition of a universal view of indoor space that integrates existing approaches in literature at a foundational level. The formalization draws from fields such as algebraic topology, manifold theory, and graph theory in order to represent indoor space entities by their 2- or 3-dimensional real-world shape and their one-to-one mapping onto a graph-based conceptualization. A novel space layer algebra is proposed for the manipulation of complex indoor space models. Finally, the thesis develops a formal conceptual data model for the MLSEM in conformance with the ISO 19100 standards family for geographic information modelling. By this means, indoor space data can be exchanged according to the MLSEM between computer systems and applications in a standardized way in order to enable navigation and location-based services in indoor environments. The result of this thesis is a generic, flexible, and context-aware modelling framework for indoor space that supports the complementary navigation tasks of localization, path planning, tracking, and guidance. The sound definition of indoor space at a conceptual, mathematical, and data exchange level exceeds and explains alternative approaches to indoor space modelling. The MLSEM is currently at the core of an international standardization activity called IndoorGML carried out at the Open Geospatial Consortium, which aims at making indoor navigation services as available and successful as in outdoor environments.

Im Zuge des Klimawandels ist die Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre durch Abholzung und Zerstörung natürlicher Ökosysteme verstärkt in den Fokus der Forschung geraten. Insbesondere die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts und dessen Überwachung mittels Geoinformationssystemen (GIS) und Fernerkundung wurde in den letzten Jahren verstärkt vorangetrieben, jedoch meist für tropische Ökosysteme, und im kleinen Maßstab. Für Augebiete und Feuchtgebiete generell, die auch in gemäßigten Klimazonen einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt in Boden und Vegetation aufweisen, fehlten bisher die Methoden für großmaßstäbige Bestimmungen und Kartierungen des Kohlenstoffs. Ziel dieser Dissertation war die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts eines mitteleuropäischen Augebietes mit Hilfe von sehr hochauflösenden Satellitendaten und zusätzlichen Geodaten (Digitales Geländemodell, topographische und historische Karten, Grundwassermodell). Aus den verschiedenen Datensätzen wurden Parameter abgeleitet, zur räumlichen Modellbildung verwendet und in ihrer Bedeutung verglichen. Besonders die Parameter der Fernerkundung, aber auch der Zusatzinformationen sollten dabei auf ihre Wichtigkeit für den Modellbildungsprozess analysiert werden. Dabei wurden drei verschiedene Ansätze zur Modellierung und Kartierung verwendet. Im ersten Ansatz wurden mittels objektbasierter Bildanalyse Vegetationstypen mit variierenden Klassifikationsregeln klassifiziert. Den Klassen wurden bestimmte Kohlenstoffwerte in Vegetation und Boden zugewiesen, und der entsprechende Kohlenstoffgehalt des Gebietes errechnet. Im zweiten Ansatz wurden Quantilsklassen mit hohem, mittlerem und niedrigem Kohlenstoffgehalt in Vegetation, Boden und in der Gesamtmenge gebildet. Ein kombiniertes Verfahren aus objektbasierter Bildverarbeitung und maschinellen Lernen wurde verwendet; anschließend wurden die einzelnen Parameter in ihrer Bedeutung miteinander verglichen. Im dritten Ansatz wurde die Leistung von zwei Ansätzen maschinellen Lernens (Self-Organising-Maps und k-Nearest-Neighbour), mit zwei verschiedenen Datensatzkombinationen evaluiert. Die einzelnen Ansätze unterscheiden sich in ihrem Vorgehen, jedoch eignen sie sich alle für die Kohlenstoffabschätzung in einem mitteleuropäischen Augebiet. Die Verwendung zusätzlicher Geodaten hat die Ergebnisse im Vergleich zu einer reinen Fernerkundungsanalyse verbessert. Die Methoden sind übertragbar bei einer vergleichbaren Datengrundlage und haben Potential für zukünftige Anwendungen. Die Arbeit stellt einen Beitrag zur Bewertung von Ausystemen dar., In the wake of climate change, the release of CO2 into the atmosphere caused by deforestation and destruction of natural ecosystems is predominantly in the focus of research. In particular, the determination of the carbon content and its monitoring by remote sensing and Geographic Information Systems (GIS) has been pushed forward in recent years, mainly in tropical areas, and on a small scale. For floodplains and wetlands, which have a very high content of carbon in soil and vegetation, also in temperate climates, the methods for large-scale mapping of carbon have yet been scarce. The main goal of this thesis was to determine the carbon content of a Central European floodplain, using very high resolution satellite data and additional spatial information (digital elevation model, topographic and historic maps, ground water model). Parameters were derived from the different datasets, and used for spatial modeling and compared in their significance. In particular, the remote sensing parameters, but also the additional data were to be analyzed for their importance to the modeling process. Three different approaches were used for modeling and mapping. In a first approach, vegetation types were classified with object-based image analysis, using varying classification rules. To each class, a specific value in vegetation and soil carbon content was assigned; hence, the carbon content of the study area was calculated. In a second approach, quantile classes with high, medium and low carbon content in vegetation, soil and in total were defined. A combined method of object-based image processing and machine learning techniques were used to generate rule sets; the individual parameters were compared and assessed in their importance for the carbon estimation. In a third approach, the performance of two machine-learning approaches (self-organising maps, and k-nearest-neighbor algorithm) with two different data combinations was evaluated. The various approaches differ in their methods, but they are all feasible for carbon assessment in a Central European floodplain. The use of additional spatial information improved the results compared to a pure remote sensing analysis. The methods are applicable for other areas on a comparable data basis and have potential for future applications. The work represents a contribution to the evaluation of floodplain systems and wetland systems in general.

Für diese Studie werden die Methodiken der Seismikinterpretation, der organisch-geochemischen Analyse und 3D Beckenmodellierung integriert, um die Lage der aktiven Erdölküche des Orange Beckens zu bestimmen, die Kohlenwasserstoff-(KW)-Migrationsdynamik und -Leckage über geologische Zeiträume zu charakterisieren und deren möglichen Einfluss auf das globale Klima zu untersuchen. Das Orange Becken befindet sich am passiven westlichen Kontinentalrand Südafrikas und enthält mehr als 8 km mächtige Sedimentschichten die während der Atlantiköffnung und dem Zerfall Gondwanas abgelagert wurden. Die Kudu und Ibhubesi Gas-Kondensatfelder, die häufig während der Erdölexploration durchteuften gashaltigen Sedimente weisen auf ein aktives Erdölsystem hin. Die Lage der rezenten Erdölküche ist aufgrund der geringen Kenntnisse über die känozoische Ablagerungsgeschichte im Orange Becken weitgehend unbekannt. Durch die Interpretation seismischer Daten wurden NW-SE streichende Strukturelemente im Basement entdeckt, welche als Fortsetzungen paläozoischer Strukturen des Pan-Afrikanischen Faltengürtels interpretiert werden, ähnlich denen offshore Namibias und am gegenüberliegende Südamerikanischen Kontinentalrand. Des Weiteren trugen die Interpretationen zu neuen Erkenntnissen über seewärts einfallenden Reflektoren und der Segmentierung des südatlantischen Kontinentalrandes bei. Die Ergebnisse unterstützen die Theorie, dass die Reaktivierung von paläozoischen Störungszonen während der frühen Riftphase zu dextralen Bewegungen entlang diese Schwächezonen führte. Außerdem wurde ein 2800 km2 großes Paläo-Pockmarkfeld entdeckt, welches anhand einer überarbeiteten känozoischen Chronostratigraphie auf ein früheozänes Alter datiert wird. Bezüglich der Lage der Paläo-Pockmarks konnte mit Hilfe von 3D-seismischen Attributanalysen ein Zusammenhang mit den im Untergrund vorkommenden Störungen hergestellt werden. Die Erdölmuttergesteinseigenschaften wurden anhand von Kernproben kreidezeitlicher Tonsteine aus DSDP Bohrungen untersucht. Aus den Analysen geht hervor, dass sich das KW-Potenzial nordwärts entlang des südostatlantischen Kontinentalrandes verbessert. Frühere Studien betonten stets das KW-Potenzial der ölbildenden Muttergesteine. Im Gegensatz dazu konnte gezeigt werden, dass der Großteil der Abt- und Albmuttergesteine im Kapbecken vorwiegend terrestrisches organisches Material beinhalten und somit eher gas- und kondensatbildend sind. An den Proben wurden auch bulk- und kompositionskinetische Messungen durchgeführt und somit liefert diese Studie die erste kompositionskinetische Beschreibung der KW-Bildung für kreidezeitliche Erdölmuttergesteine am südostatlantischen Kontinentalrand. Durch Anwendung der überarbeiteten Chronostratigraphie und den kinetischen Modellen bei der Beckenmodellierung, konnte gezeigt werden, dass sich die rezente Erdölküche im Bereich der känozoischen Ablagerungsräume entlang des Schelfrandes befindet. Die KW-Migrationsdynamik wurde anhand von fünf verschiedenen Migrationsmodelle mit unterschiedlichen Störungseigenschaften simuliert. Daraus geht hervor, dass sich die Hauptphase der primären KW-Genese von der mittleren bis späten Kreidezeit und bis ins frühe Paläozän ereignete, welche anfangs mit weitläufiger KW-Leckage einherging, bis die spätkreidezeitichen „seals“ konsolidiert waren. Vermutlich ereignete sich eine weitere Phase der KW-Leckage im Paläozän und Eozän, als sich die damalig Erdölküche entlang des Schelfrandes befand. Dies unterstützt die Annahme, dass die Migration thermogener KW eine bedeutende Rolle bei der Entstehung des früheozänen Paläo-Pockmarkfeldes spielte. Die KW-Leckagerate liegt in der Größenordnung von 10-2 bis 10-3 Teragramm pro Jahr, welche weit unter derer von Sumpfgebieten und anthropogenen Methanquellen liegt. Trotzdem liefert das früheozäne Fluid- und thermogene KW-Leckageereignis ein Beispiel dafür, wie während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums Kohlenstoffmoleküle aus einem Sedimentbecken in die Atmo-und Hydrosphäre abgegeben wurden. Die Studie zeigt, dass sich rezente und paläo Leckageereignisse anhand von 3D Beckenmodelle angemessen reproduzieren lassen. The aim of this study is to delineate the active hydrocarbon (HC) kitchen and to characterize the hydrocarbon migration dynamics in the Orange Basin through time, and to investigate its potential impact on global climate on a geologic time scale by integrating seismic interpretation, organic geochemical analysis, and 3D petroleum system modeling techniques. The Orange Basin is located on the western passive margin offshore South Africa and contains more than 8 km of synrift and drift sediments related to the opening of the South Atlantic. The Kudu and Ibhubesi gas/condensate fields prove an early Cretaceous sourced petroleum system. The present-day fluid flow indicators and frequent gas shows during drilling suggest a recently active oil kitchen, the location of which was largely unconstrained, partially due to the limited knowledge on the Cenozoic margin evolution. The seismic interpretation revealed NW-SE trending basement structures interpreted as continuations of the Paleozoic Pan African Fold Belt, similar to those found offshore Namibia and on the conjugate South American margin. The interpretations further contributed to studies on the margin segmentation and SDR emplacement, lending support to the theory, that early rifting resulted in reactivation and dextral movement along Paleozoic zones of structural weakness. An early Eocene aged paleo-pockmark field covering 2800 km2 was identified along the northern Orange Basin slope and dated using a revised Cenozoic chronostratigraphic framework. Using 3D seismic attribute analysis it was possible to highlight the role of faults in the occurrence of these features. A source rock characterization study demonstrated how richness and quality of Cretaceous black shales and mudstones, improve northward along the southwest African margin. Previous research emphasized the richness of the oil-prone sources. In fact, this study suggests, that Aptian and Albian source rocks in the Cape Basin are rich in degraded and terrestrial organic matter, thus being more gas- and condensate-prone. Compositional kinetic models were determined for this study, providing the first such description for Cretaceous source rocks of the southwest African margin. Application of the kinetic models and the revised chronostratigraphy show that the present-day kitchen is located in the Cenozoic depocenters along the slope. Paleo- and present-day HC leakage was investigated using five migration models with varying flow algorithms and fault properties. They predict a main phase of primary generation during the mid to late Cretaceous-Paleocene, accompanied by widespread surface leakage before the consolidation of Upper Cretaceous regional seals. A major phase of HC leakage might have occurred during the Paleocene and Eocene when the active kitchen was located along the shelf. This suggests a thermogenic origin for petroleum fluids that created the early Eocene paleo-pockmark field. The modeled HC leakage rates of 10-2 to 10-3 teragram/year are marginal when compared to other present-day methane contributors to the atmosphere, such as wetlands and anthropogenic sources. Nevertheless, the identified early Eocene fluid flow and thermogenic gas escape event is an example of the carbon-release processes that occurred during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum in petroliferous sedimentary basins. In conclusion, this study demonstrates that paleo and present-day HC leakage can be adequately reproduced with a 3D basin model.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Überwachung von CO2-Speicherung in einem salinen Aquifer bei Ketzin, Deutschland, mittels bohrlochseismischer Methoden. CO2-Speicherung ist Teil des Prozesses "CO2-Abscheidung, Transport und Speicherung" (englisch CCS - Carbon Dioxide Capture and Storage). Als Treibhausgas trägt CO2 zur globalen Erwärmung bei, weshalb es notwendig ist, den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu verlangsamen. CCS wird erforscht, da fossile Energieträger weltweit am häufigsten genutzt werden (86 %) und 75% der derzeitigen, anthropogenen CO2-Emissionen ausmachen (IPCC (2005)). Die Speicherung in tiefen, salzwasserführenden Aquiferen ist für Europa die vielversprechendste Speichermöglichkeit. Saline Aquifere sind weit verbreitet und ihre Speicherkapazität liegt über der von leergeförderten Öl oder Gasfeldern (Juhlin et al. (2007)). Methoden, die für die Untersuchung von Öl und Gasreservoirs, natürlichen Speicherstätten sowie zur Überwachung flüssiger Abfälle entwickelt wurden, können auch zur Charakterisierung und Überwachung geologischer CO2-Speicher eingesetzt werden (IPCC (2005)). Obwohl diese Methoden viele der Hilfsmittel bereitstellen, um das Verhalten eines CO2-Speichers zu beschreiben, muss noch gezeigt werden, dass sie auch auf die langen Zeiträume einer CO2-Speicherung anwendbar sind (IPCC (2005)). In der Nähe der Stadt Ketzin (35km westlich von Berlin), betreibt das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ), das erste Europäische Feldlabor zur Speicherung von CO2 in salinen Aquiferen. In diesem Pilotprojekt wird das wissenschaftliche und technische Verständnis der geologischen Speicherung von CO2 weiterentwickelt (Förster et al. (2006)). Innerhalb der letzten 5 Jahre, zwischen Juni 2008 und April 2013, wurden 65 kt superkritisches, lebensmittelreines CO2 verpresst. Im Rahmen verschiedenster, geophysikalischer Überwachungsmethoden, konzentrieren sich die Untersuchungen in der vorliegenden Dissertation auf Crosshole Seismik, zero-offset und offset VSP Messungen. Während Referenzmessungen (Nullmessungen) Aussagen über die Strukturen und Eigenschaften des Standortes zulassen, ist die Aufgabe der Wiederholungsmessung die Beobachtung der Ausbreitung von CO2 im Reservoir. Das Reservoir in Ketzin wird, basierend auf geologischen Informationen und untersuchten Bohrkernen, als dünn und heterogen beschrieben (Yang (2012)). Die Mächtigkeit des Reservoirs ist in der Regel geringer als 20 m, was unterhalb der Auflösung von oberflächenseismischen Methoden liegt (Yang (2012)). Da bohrlochseismische Methoden eine höhere Auflösung als oberflächenseismische Methoden haben, werden diese in Ketzin getestet. Es sollen zwei Fragen beantwortet werden: Ist es mit diesen Methoden möglich (1) das CO2 im Reservoir zu kartieren, (2) geometrische und petrophysikalische Parameter abzuleiten, die die Ausbreitung von CO2 in wassergesättigten Reservoirsandsteinen beschreiben? Die Crosshole Seismik wurde ausgelegt, um die Ausbreitung des CO2 in kleinem Maßstab während der Verpressung zu beobachten. Wird salzhaltiges Wasser in einem gesättigten Sandsteinreservoir durch CO2 verdrängt, kann dessen seismische Geschwindigkeit verringert werden. Diese Geschwindigkeitsänderung, kann dazu genutzt werden, dasCO2 in Sandsteinaquiferen mittels Laufzeittomographie zu überwachen (Zhang et al. (2012)). Aus gemessenen Daten wurde ein Geschwindigkeitsmodell errechnet. Dieses Modell dient als Grundlage für die Laufzeittomographie synthetischer Daten, basierend auf der selben Geometrie wie die gemessenen Daten. Für zwei verschiedene Ausbreitungsszenarios wurde die Form der CO2-Fahne und eine Abschätzung der Geschwindigkeitserniedrigung errechnet. Mit den zero-offset und offset VSP Messungen wird ein hochaufgelöstes Abbild des Untergrundes im näheren Umfeld der Bohrung erzeugt. Wird das Salzwasser in gesättigten Sandsteinreservoiren durch CO2 verdrängt, führt das zu einer Verstärkung des Impedanzkontrastes zwischen dem gasgefüllten Reservoir und der Deckschicht. Dies führt wiederum zu einer stärkeren Reflektion an der Oberkante des Reservoirs. Diese verstärkte Reflektion kann genutzt werden, um die Ausbreitung von CO2 im Reservoir abzubilden. Der Schwerpunkt der zero-offset VSP liegt in der Aufzeichnung der Reflektivität bei senkrechtem Einfall unmittelbar an der Bohrung, mit der offset VSP können flächige Abbilder des Reservoirs am Speicherstandort erzeugt werden. Ein "corridor stack" der zero-offset VSP aus der unmittelbaren Umgebung der Bohrung wird mit 3D-oberflächenseismischen Daten verglichen. Aus der CO2 bedingten Verstärkung der Amplituden in der Wiederholungsmessung, wird die Mächtigkeit der CO2-Fahne in einer Modellstudie ("wedge model") abgeleitet, die Verringerung der P-Wellen Geschwindigkeit wird durch eine Inversionsrechnung bestimmt ("band limited impedance inversion"). Die offset VSP Messungen werden mittels Kirchhoff und Fresnel Migration abgebildet. Die Verwendung unterschiedlicher Migrationsalgorithmen kann dazu beitragen, bei der Interpretation seismischer Abbildungen, methodische von CO2 bedingten Effekten zu unterscheiden. Es kann gezeigt werden, dass bohrlochseismische Methoden die Ausbreitung von CO2 im Reservoir abbilden können und einen Beitrag zur Quantifizierung geometrischer und petrophysikalischer Parameter der CO2-Fahne leisten. Im Rahmen der Überwachung einer CO2 Speicherung, sollten bohrlochseismische Methoden neben einer Oberflächenseismik zum Einsatz kommen, falls detailliertere Informationen über die Struktur in der näheren Umgebung einer Bohrung benötigt werden. Bohrlochseismische Überwachung kann zusätzlich zur Beobachtung von Schichten über dem Reservoir, der Detektion von Leckagepfaden oder zur Überprüfung der Bohrlochintegrität eingesetzt werden. This thesis is about borehole seismic monitoring of CO2 storage within a saline aquifer at Ketzin, Germany. CO2 storage is part of the process "Carbon dioxide Capture and Storage (CCS)". As a greenhouse gas, CO2 contributes to the global warming, therefore efforts are made to slow down the increase of CO2 concentration in the atmosphere. CCS is considered because "fossil fuels are the dominant form of energy utilised in the world (86 %) and account for 75% of current anthropogenic CO2 emissions" (IPCC (2005)). Deep saline aquifer storage is "the most promising and relevant CO2 sequestration option for Europe" (Juhlin et al. (2007)). Saline aquifers are broadly distributed "and their storage capacity exceeds that of depleted oil and gas fields" (Juhlin et al. (2007)). "Techniques developed for the exploration of oil and gas reservoirs, natural gas storage sites and liquid waste disposal sites are suitable for characterising and monitoring geological storage sites for CO2" (IPCC (2005)). Although these methods include many of the tools "needed to predict both short-term and long-term performance of CO2 storage, more experience is needed to establish confidence in their effectiveness in predicting long-term performance when adapted for CO2 storage" (IPCC (2005)). Operated by the German Research Centre for Geosciences (GFZ), the in situ laboratory for saline aquifer CO2 storage near the town Ketzin (35km west of Berlin) is the first European onshore storage pilot facility. It advances "the understanding of the science and practical processes involved in underground storage" (Förster et al. (2006)). Within 5 years of operation, between June 2008 and April 2013, 65 kt of supercritical, food-grade CO2 have been injected. As part of a comprehensive geophysical monitoring program at Ketzin, the research in this thesis focuses on the crosshole seismic, zero-offset and offset VSP measurements. While the baseline surveys provide the structural geometry and characterisation of the site, the repeat surveys aim at the observation of CO2 propagation in the reservoir. Based on geological information and well cores, the reservoir is described as thin and heterogeneous at the research site (Yang (2012)). "The thickness of the reservoir is generally less than 20 m2", what is "below the resolution of conventional surface seismic data" (Yang (2012)). Borehole seismic methods are expected to have a higher resolution than surface seismic and are therefore are tested at the Ketzin site. Two questions should be answered: With these methods, is it possible (1) to map the CO2 in the reservoir layer (2) to derive geometrical and petrophysical parameters describing the migration of CO2 in a water saturated sandstone reservoir? The crosshole seismic measurement was designed to follow the migration of CO2 at small scale during the injection. "As CO2 replaces saline water in saturated reservoir sandstones a seismic velocity reduction may occur. This velocity change can potentially be used to monitor CO2 in sandstone aquifers using seismic tomography" (Zhang et al. (2012)). Based on a velocity model derived from the measured data, travel time tomography is tested on synthetic data having the same geometry as the real data. The shape of the CO2 plume and an estimate of the velocity reduction in the reservoir is derived for different scenarios of CO2 distribution. The main objective of the zero-offset and offset VSP surveys was to generate high-resolution seismic images in the vicinity of the borehole. As CO2 replaces saline water in saturated sandstones, the impedance contrast between the gas filled sandstone and the caprock is increased, what leads to stronger reflections from top of the reservoir. This increased reflectivity can be used to image the spreading of CO2 in the reservoir. While the zero-offset VSP focuses on normal incidence reflectivity near the observation well, offset VSP has the potential to generate a lateral image of the reservoir at the injection site. A near-well corridor stack of the zero-offset VSP is compared to 3D surface seismic data. Based on the CO2 induced amplitude changes of the repeat measurement, the thickness of the CO2 plume is derived by a wedge modelling study and the reduction of P-wave velocity is calculated with band limited impedance inversion. The offset VSP measurements are imaged by Kirchhoff and Fresnel migration. The application of two migration algorithms can help to differentiate between method-related and true time-lapse effects when interpreting the seismic images. It is shown that borehole seismic methods can image the distribution of CO2 in the reservoir and contribute to the quantification of geometrical and petrophysical parameters of the plume. In the framework of monitoring CO2 injection, borehole seismic methods should be used as an add-on to surface seismic, in case more detailed information is needed about the structure in the vicinity of boreholes. In addition, borehole seismic monitoring can be applied to the observation of layers above the reservoir, for the detection of leakage paths or the inspection of well integrity.

Anhang D enthält die elektronischen Rohdaten, die zur Erstellung der in der Arbeit aufgeführten Diagramme verwendet wurden und entsprechen im Wesentlichen Anhang B. Sie werden daher bei der Onlineveröffentlichung nicht berücksichtigt. Die Barentssee ist ein ausgedehntes Schelfmeer im Norden Europas. Die Morphologie der südwestlichen Barentssee ist geprägt durch die geologische Entstehungsgeschichte mit Phasen von tektonischer Hebung und Senkung sowie durch den Einfluss glazialer Erosionsereignisse. Die Barentssee hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem aussichtsreichen Ziel für die Öl- und Gasindustrie entwickelt. Darüber hinaus gibt es auf dem Meeresboden eine Reihe Indikatoren, die das natürliche Austreten von Kohlenwasserstoffen aus sogenannten „Cold Seeps“ vermuten lassen. Die beobachteten Strukturen umfassen ausgedehnte Felder mit kraterförmigen Strukturen, die als „Pockmarks“ bezeichnet werden, sowie Gebiete, in denen entlang von bekannten Störungen Karbonatkrusten und Gasaustritte aufzufinden sind. Cold Seeps haben zunehmend an Bedeutung gewonnen, zum einen weisen Sie auf mögliche Kohlenwasserstoffquellen im Untergrund hin und zum anderen hat der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen, insbesondere des Treibhausgases Methan, einen signifikanten Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde, wenn es in die Atmosphäre gelangt. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden Proben aus unterschiedlichen Gebieten innerhalb der Loppa High Region in der südwestlichen Barentssee analysiert. Diese erlauben die Untersuchung von zwei unterschiedlichen Cold Seep Systemen, zum einen Pockmark Felder und zum anderen Gebiete, die Karbonatkrusten aufweisen. Dabei wurde untersucht, inwieweit die Systeme heute noch aktiv sind, durch welche Auslöser sie gebildet wurden und welche die zugrundeliegenden Quellen der Fluide sind. Die Proben wurden im Rahmen von 3 Expeditionen genommen. Diese umfassen Sedimentkerne aus Pockmarkstrukturen und von Referenzstellen außerhalb der Pockmarks, sowie aus Gebieten mit Karbonatkrusten. Des Weiteren wurde Probenmaterial der Karbonatkrusten selbst untersucht. Um die oben genannten Fragestellungen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Ansatz gewählt, bei dem organisch geochemische, biogeochemische und geomikrobiologische Methoden angewendet und mit geophysikalischen Daten kombiniert wurden. Das Vorkommen von Karbonatkrusten im Zusammenhang mit aufsteigenden Gasbläschen in der Wassersäule sind erste deutliche Hinweise für einen derzeit aktiven Methanaustritt aus den Sedimenten in dem durch Karbonatkrusten geprägten Untersuchungsgebiet. Unterstützt werden diese Hinweise durch die Anwesenheit der für anaerobe Oxidation von Methan (AOM) spezifischen Biomarker sowohl in den Sedimentkernen, als auch in den dazugehörigen Karbonatkrusten. Im Tiefenprofil des Sedimentkerns weisen diese Biomarker ein ausgeprägtes Intervall erhöhter Konzentrationen auf. In Verbindung mit sehr negativen Kohlenstoffisotopenverhältnissen deutet dies auf eine aktive AOM Zone und somit das Vorhandensein von Methan im Sediment hin. In den Pockmark Gebieten hingegen können keine Hinweise für den aktiven Austritt von Gas aus dem Sediment gefunden werden, weder durch direkte Messungen der Gaskonzentrationen noch durch biogeochemische und geomikrobiologische Analysen. So können in allen untersuchten Proben, unabhängig von dem Tiefenintervall oder dem Probenahmeort (Pockmarkkerne vs. Referenzkerne), ausschließlich ungewöhnlich niedrige mikrobielle Aktivitäten festgestellt werden. Des Weiteren sind im Wesentlichen keine spezifischen AOM Biomarker vorhanden. Obwohl spezifische Ölkomponenten im Sediment nachgewiesen werden können, die potentiell auf den Austritt von Ölkohlenwasserstoffen hinweisen, hat die vorliegende Studie gezeigt, dass deren Anwesenheit vermutlich nicht auf die Freisetzung von Öl aus den Pockmarkstrukturen zurückzuführen ist. In der Loppa High Region scheinen die Ölkomponenten allgegenwärtig zu sein, unabhängig ob es sich um eine Pockmark- oder Referenzlokation handelt. Die Tiefenprofile der Ölkomponenten zeigen sehr ähnliche Variabilität wie die unreifen Komponenten des organischen Hintergrundsignals. Dies legt den Schluss nahe, dass die Erdölbiomarker vielmehr aus erodiertem reifem Material stammen, welches vermischt mit einem unreifen organischen Hintergrundsignal gleichmäßig als allochthoner Eintrag in das Untersuchungsgebiet eingetragen wurde. Mit Hilfe geophysikalischer sowie publizierter Daten über die geologische und glaziale Geschichte des Untersuchungsgebietes und den in dieser Studie erzielten Ergebnisse können Szenarien über den Ursprung und die Bildung der zwei unterschiedlichen Cold Seep Systeme formuliert werden. So legen die Daten nahe, dass die hier untersuchten Pockmarkfelder auf den Rückgang des aufliegenden Eisschildes im Anschluss des Weichsel-Glazials zurückzuführen sind. Das Abschmelzen der Eisdecke im Zuge des Klimaumschwungs vom letzten Glazial zum Holozän führte, auf Grund sich verändernden Temperatur- und Druckbedingungen, zur Destabilisierung und damit zum Zerfall der unter dem Eispanzer akkumulierten Gashydrate. Dies resultierte in einer Freisetzung immenser Gasmengen, welches zur Entstehung zahlreicher Pockmarkkrater führte. Dieses Szenario liefert eine plausible Erklärung für die Existenz weitreichender Pockmarkfelder die eine hohe Dichte an heutzutage inaktiven Pockmarks auf dem Meeresboden aufweisen. Die aktiven Cold Seep Systeme, die sich hingegen in den Karbonatkrustengebieten befinden, stehen vermutlich in Verbindung mit Störungen im Untergrund. Zusammenfassend kann geschlossen werden, dass es in der südwestlichen Barentssee mindestens zwei verschiedene Cold Seep Systeme gibt. Trotz des Eindrucks, dass diese Systeme voneinander unabhängig sind, besteht durchaus die Möglichkeit, dass beide Systeme in der Vergangenheit in Verbindung zueinander standen. Die Gashydrate, die als Faktor für die Entstehung der Pockmarkfelder diskutiert werden, können möglicherweise ebenfalls über dieselben Störungen gespeist worden sein, die heutzutage auch die aktiven Cold Seeps in den Karbonatkrustengebieten versorgen. Letztendlich konnte gezeigt werden, dass durch Anwendung geochemischer, biogeochemischer und geomikrobiologischer Techniken eine gute Beurteilung der Gasaustrittsaktivitäten von Cold Seep Systemen erreicht werden kann. Dies liefert eine verhältnismäßig schnelle und kostengünstige Methode zur Beurteilung von Cold Seep Systemen. The Barents Sea is a broad, epicontinental Sea in northern Europe. With an area of about 1.4 million km² it extends from Novaya Zemlya (Russia) in the east to the continental slope of the Norwegian-Greenland Sea in the west, and from Svalbard and Franz Josef Land in the north to the northern coast of Norway and Russia in the south. The southwestern part of the Barents Sea is strongly characterized by its geological history with subsidence and uplift periods and several events of glacial erosion. The last glacial maximum (LGM) is one of the most important and best preserved glacial phases in this area. During the last decades the Barents Sea evolved into an oil and gas prospecting area. Several source rocks have been identified and hydrocarbon discoveries have been made. Additionally, indications for hydrocarbon seepage, so called “cold seeps” have been detected. These include extensive pockmark fields, carbonate crusts bearing areas and fault related gas flares. Leaking hydrocarbons, released by cold seeps, gained increasing attention during the last years for two reasons. First because they are potential indicators for underlying hydrocarbon reservoirs in the subsurface and second because emitted hydrocarbons, particularly methane as a greenhouse gas, are known to significantly affect the global climate when released to the atmosphere. In this thesis samples from different areas located in the Loppa High region in the southwestern Barents Sea were investigated. Two surface manifestations of cold seep systems such as huge pockmark areas and carbonate crust sites were studied in detail, in order to determine the activity, formation and spatial distribution of the different seepage structures as well as the origin and timing of the seeping hydrocarbon fluids. Therefore, samples, collected in three research cruises, were studied. These include sediment cores from pockmarks, reference sites and carbonate crust areas as well as carbonate crust samples. An interdisciplinary approach, applying organic geochemical, biogeochemical and geomicrobiological methods in combination with a geophysical data set was chosen to answer the key questions mentioned above. In order to determine the abundance of seep-associated microorganisms, the microbial activity was investigated by analyzing sulfate reduction rates (SRRs). Furthermore, the assessment of specific biomarkers was used to characterize the seeping fluids. The detection of petroleum related compounds can, for instance, indicate the presence of oil in the sediment. The analysis of biomarkers diagnostic for microorganisms, which perform anaerobic oxidation of methane (AOM) in the presence of methane, can indicate the release of gas from the subsurface. Compound specific carbon isotopic signatures of microbial biomarkers can offer further indications for seeping hydrocarbon gases, since very negative carbon isotope values indicate the utilization of methane as a carbon source by methanotrophs. Furthermore, the precipitation of carbonates often occurs in consequence of AOM. The presence of carbonate crust patches in the carbonate crust area together with rising gas bubbles from the sediment are first indications for active methane seepage in this area. Furthermore, diagnostic AOM biomarkers were detected in the sediment samples as well as in the corresponding carbonate crusts. The depth profiles of these biomarkers show a distinct interval of higher concentrations, which points towards a shallow AOM zone in this depth interval. This was further supported by very negative compound specific carbon isotopic signatures (δ13C), which suggests the participation of the corresponding organisms in methane consumption processes and, thus, the presence of gas in these study sites. In the pockmark areas, however, active release of gas from the sediment could not be observed, neither in the data of the gas measurements, nor in the biogeochemical and geomicrobiological data. Throughout the whole depth interval of the sediment cores, both from pockmark and reference cores, unusually low microbial activity was determined. Further, the diagnostic AOM biomarkers were essentially absent. Although the presence of petroleum biomarkers potentially indicates the escape of higher molecular hydrocarbons, it is inferred that their presence is not due to emitted petroleum from the pockmarks. The presence of thermogenic hydrocarbons seems to be ubiquitous in the Loppa High area occurring in pockmark as well as in reference cores. Biomarker depth profiles showed that the mature hydrocarbons show the same variability as the immature background compounds. This implies that the oil-related compounds are derived from mature material which has been eroded, mixed with immature organic matter and distributed over the entire area. Using geophysical data as well as literature data on the geologic and glacial history of the study area and the data obtained during this study, it is suggested that the present pockmark fields are the result of area wide gas hydrate decomposition as a consequence of the retreat of the ice sheet which covered the Barents Sea during the Weichselian. Due to changing temperature and pressure conditions the destabilization and, thus, the decay of gas hydrates which were accumulated under the ice sheet, occurred. This resulted in a massive release of large amounts of gas associated with the formation of the pockmark craters. This scenario explains well the existence of the large areas of inactive pockmarks which are still preserved on the seabed surface. In contrast, the currently active cold seep structures are claimed to be correlated to fault systems in the subsurface as indicated by seismic data. It is known that faults can act as conduits for migrating hydrocarbons. Since numerous faults are present in the carbonate crust areas, and hydrocarbon reservoirs occur in the vicinity, it is well possible that these faults act as migration pathways for hydrocarbon gases from deeper hydrocarbon sources towards the cold seeps. It can be concluded, that the southwestern Barents Sea contains at least two cold seep systems. Although these systems seem to be morphologically totally different from each other, it is conceivable that these features were related in the past. The gas hydrates which are claimed to be responsible for the formation of the large pockmark areas may have been fed by the same fault system, which today act as conduits for the active cold seeps. Furthermore, it was shown, that by combining geochemical and geomicrobiological tools a good assessment of the current seeping activity of cold seep structures can be achieved which can, thus, be used as a relatively fast and cheap tool to evaluate cold seep systems.

Die Schieferformationen des Ediacarium (Oberes Sinian), Unterkambrium und Untersilur der Oberen Yangtze Plattform (OYP) im Süden Chinas sind vielversprechende Schiefergasvorkommen. Die hier vorgelegte Arbeit, in Form einer Dissertation, beabsichtigt es den Gasvorrat und die sogenannte frackability dieser Schieferformationen zu evaluieren. Angefangen mit einer detaillierten Untersuchung der geologischen Gegebenheiten und dem Sedimentationsverlauf, wurde eine umfassende Studie mit Fokus auf organochemische, Petroleum-physikalische, petrophysikalische und felsmechanische Attribute, Methan-Sorptionsvermögen, mineralogische Komponenten und Lithofazies der Schiefer durchgeführt. Der gemessene gesamtorganische Kohlenstoff (TOC) betrug meistens über 2%, durchschnittlich 5%. Das Kerogen hat die Metagenese-Phase bereits erreicht, demnach sind die Pyrolysate geprägt durch leichte Kohlenwasserstoffe. Vermutlich besteht das ursprüngliche organische Material überdurschnittlich aus wasserstoffreichem Kerogen und wurde unter marinen Bedingungen mit selektiver Ansammlung von Algen abgelagert. Dies bedeutet, dass die OYP-Schiefer ursprünglich exzellentes Kohlenwasserstoffgenerationspotenzial basaßen. Der errechnete Beginn (Umwandlungsrate TR=10%) und das errechnete Ende (TR=90%) der Gesamtkohlenwasserstoffgenese liegen jeweils bei 120°C und 165°C bei einer geologischen Heizrate von 1.5°C/Ma. Die Position des Schieferreservoirs innerhalb des Sedimentbeckens weist darauf hin, dass der Sättigungsdruck stets unterhalb des Reservoirdrucks war und dass Fluide im Schieferreservoir nur als einzelne, untersättigte Phase während der gesamten Maturitätsentwicklung existierten. Ergebnisse von Hochdruck- (bis zu 25 MPa) Methan-Sorptions-Isothermen deuten darauf hin, dass die maximale Methan-Überschuss-Sorption der Proben zwischen 0.036 und 0.210 mmol/g Gestein schwankt. Die Lanmuir-Sorptionskapazität reicht von 0.077 bis 0.310 mmol/g Gestein. Die Form der Sorptionsisothermen und damit auch die Methansorptionskapazität variieren von Probe zu Probe. Dies könnte durch TOC-Gehalt, thermische Reife, Tonminerale, Feuchtegehalt, Poreneigenschaften, Partikelgröße, sowie angewandte Temperaturen und Drücke beeinflusst worden sein. Die Gesamtmineralogie aller drei Formationen ist kennzeichnet durch einen hohen Quarz-, niedrigen Ton- und sehr niedrigen bis nichtvorhandenen Karbonatgehalt. Lithologisch gesehen dominieren laminierte und nicht-laminierte kieselige Mudstones mit eher geringerfrequenten Zuschaltungen anderer Lithotypen. Poren weisen generell Nanometer- bis Mikrometer-Größen auf, wobei das organische Material reichliche Porenräume aufweist. Die meisten der gemessenen Proben haben Porositäten von weniger als 4%. Trotzdem gibt es einige Proben mit Porositäten über 10%. Die Permeabilität ist extrem niedrig und Helium-Permeabilitätskoeffizienten (Klinkenberg korrigierter Permeabilitätskoeffizient) sind kleiner als 20.2 nD (nano-Darcy, ~2×10-20 m2). Die felsmechanischen Eigenschaften der Proben sind gekennzeichnet durch hoch-brüchiges Verhalten. Dies geht mit hohen Druck- und Zugfestigkeiten, sowie elastischen Merkmalen einher. Der Unterkambrische Schiefer ist im Allgemeinen brüchiger als der untersilurische Schiefer. Dennoch hängen die felsmechanischen Eigenschaften der gemessenen Proben insgesamt von der Mineralzusammensetzung und von physikalischen Merkmalen ab. The Ediacaran (Upper Sinian), Lower Cambrian, and Lower Silurian marine shale formations in the Upper Yangtze Platform, south China are promising shale gas plays. The work presented in this dissertation aims to evaluate their gas-in-place and fraccability. Beginning with a detailed investigation on the geological setting and sedimentary history, a comprehensive study was then conducted focusing on the organic geochemical characteristics, petroleum physical properties, methane sorptive capacity, mineralogical constituents, lithofacies, petrophysical features, and rock mechanical properties of the shales. Measured total organic carbon (TOC) is mainly higher than 2%, and averages 5%. The kerogen has evolved into the metagenesis stage, and thus pyrolysates are dominated by light hydrocarbons. The original organic matter is presumably dominated by hydrogen-rich kerogen deposited under marine conditions via selective accumulation of algal material, which implies a massive original hydrocarbon potential. The onset (transformation ratio TR=10%) and end (TR=90%) of bulk hydrocarbon generation was calculated to take place at 120°C and 165°C respectively for an assumed average geological heating rate of 1.5°C/Ma. The shale reservoir position within the sedimentary basin indicates that the bubble point pressure was always below the reservoir pressure, and fluids in the shale reservoir occurred only as a single, undersaturated phase throughout maturation history. Results of the high pressure (up to 25 MPa) methane sorption isotherms indicate that the maximum methane excess sorption is between 0.036 and 0.210 mmol/g rock, while the Langmuir sorption capacity ranges from 0.077 to 0.310 mmol/g rock. The shape of sorption isotherms and thus methane sorption capacity vary from sample to sample, which can be affected by the TOC content, thermal maturity, clay mineral, moisture content, pore properties, particle size, as well as the applied temperature and pressure. The bulk mineralogy of all three formations is dominated by a high proportion of quartz, low content of clay, and rare or non-existent content of carbonates. Lithologically, laminated and non-laminated siliceous mudstones predominate, with minor contributions of other lithotypes. Pores generally have diameters in the nanometer to micrometer range, and abundant pores are found within organic matter. Most of the measured samples have porosities less than 4%, although a few samples show porosity in excess of 10%. Permeability is extremely low, and helium permeability coefficients are less than 20.2 nD (nano-Darcy, ~2×10-20 m2). The rock mechanical properties of the samples are characterised by a highly brittle behaviour, which coincides with their high compressive and tensile strengths and elastic properties. The Lower Cambrian shale is generally more brittle than the Lower Silurian shales. The rock mechanical properties of the measured samples, however, depend on the overall mineral compositions and physical properties.

In der Anfangsphase der Exploration (die sogenannte greenfield exploration) ist die Charakterisierung der Permäbilitaetsstruktur von besonderer Bedeutung und bedarf der integrativen Datenerhebung aus Strukturgeologie und Hydrochemie, verglichen mit der regionalen Geologie und dem rezenten Spannungsfeld. Eine Methodenkombination, bestehend aus Strukturgeologie und Hydrochemie, spielt eine wichtige Rolle in der Identifzierung geothermischer Systeme und der geologischen Kontrollfaktoren von Permeabilitätszonen, Temperaturverteilung, Fluidherkunft und dem allgemeinen Fluidfluss. Eine Fallstudie im Tarutung Becken in Nord-Zentral Sumatra, 170 km südwestlich der Provinzhauptstadt Medan, widmet sich mit dieser vorliegenden Arbeit dem Forschungsthema der geothermischen Exploration von störungskontrollierten geothermischen Lagerstättentypen in tropischen Regionen. Das Tarutung Becken liegt an einer rechtsseitigen Übersprungzone der bekannten rechtslateralen aktiven etwa 1650 km langen Sumatra Störung, die NW-SE orientiert ist. Durch die Auswertung von Satellitenbildern und Feldarbeit im Tarutung Becken wurde das Störungsmuster kartiert, das aus dominierenden NW-SE Störungen und untergeordneten N-S (Extensionsbrüche), NNE-SSW (synthetische Riedel-Scherbrüche) und NE-SW (antithetische Riedel-Scherbrüche) Störungen besteht. Rezent aktive N-S orientierte Extensionsbrüche und dilative Scherbrüche, die NE and NW-SE orientiert sind, dienen als bevorzugte Fluidflusswege. An diesen Brüchen befinden sich Heisswasserquellen, die kontinuierlich bikarbonat-dominierte Wässer von 38 – 65.6° C Temperatur schütten. Dieser Fakt deutet auf eine Kontrolle der Fliesswege durch das rezente Spannungsfeld mit einer horizontalen maximalen Kompressionsrichtung in N-S Richtung hin. Schersinndaten von Störungen an Miozaenen Andesiten und Quartären Travertinen geben das heutige Spannungsfeld wieder, das ein Horizontalspannungsregime mit einer maximalen Horizontalspannung in N-S Richtung ist. Die Rotation von Sekundärstrukturen im Uhrzeigersinn deutet auf einfache Scherung als Deformationsmechanismus hin (im Tarutung Becken), das offenbar ein Zerrgraben (pull-apart basin) ist. Ein neu entwickeltes konzeptionelles Modell erklärt diese Blockrotation im Zusammenhang mit der Bildung von Dehnungsspalten zwischen den dominierenden NW-SE steichenden und den untergeordneten NNE-SSE streichenden Störungen. Diese Dehnungsspalten sind assoziiert mit Heisswasserquellen, und das Auftreten von geothermischen Oberflächenmanifestationen an der Ostflanke des Tarutung Beckens kann mit diesem Konzept systematich erklärt werden. Die Rotation hat jedoch auch impermeable Zonen entlang ENE-WSE verlaufender Störungen hervorgerufen, die in einem steilen Winkel zur rezenten maximalen Hauptspannungsrichtung liegen. Diese Störungen fungieren offenbar als Barrieren für den Fluidfluss was durch die unterschiedliche Fluidchemie jenseits und diesseits dieser Störung hindeutet, sauere gegenüber neutral bikarbonatischen Wässerm am nördlichen Beckenrand. Die Hydrochemiedaten zeigen, dass Kalzium-Bikarbonat Wässer mit signifikantem Chloridinhalt die Quellen am östlichen Rand des Tarutung Beckens dominiert. Die Wassertemperaturen dieser Quellen liegen bei etwa 65.5°C. Ein Ungleichgewichts-Stadium zwischen Fluid und Gestein kann in einem Vier-Kationen-Diagramm (Na-K-Mg-Ca) gezeigt werden und deutet für das Tarutung Beckem auf Lösungsprozesse im unteren Temperaturbereich hin. Es gibt keine Hinweise in der Hydrochemie auf Hochtemperatur Fluid-Gesteins Wechselwirkung. Aus diesem Grund ist ein Silizium-basiertes Geothermometer gewählt worden und nicht ein Kation-basiertes Geothermometer. Somit kann eine maximale Temperatur des Quellwassers von 115°C bestimmt werden mit einer wahrscheinlichen Herkunft aus dem östlichen Flankengebiet des Tarutung Beckens. Basierend auf Isotopen (Oxygen und Deuterium) kann ein Einfluss von magmatischem Wasser bestimmt werden, der bei etwa 10% liegt. Damit sind die im Tarutung Becken zirkulierenden Wässer zu 90% meteorischen Ursprungs und mit etwa 10% magmatischen Fluiden gemischt. Die strukturell bedingten Hochpermeabilitätszonen am Ostrand des Tarutung Beckens werden hierbei als die Infiltrationsareale gedeutet, während die Mischungszone mit den magmatischen Fluiden in größerer Tiefe liegen muss. Zusammenfassend lässt sich festellen, dass das Tarutung Becken nicht assoziiert ist mit aktivem Magmatismus, dass aber sehr wohl eine tiefere magmatische Intrusion als Wärmequelle und Ursprungsort der magmatischen Wässer dienen kann. Die Fließwege des hauptsächlich meteorischen Wassers sind kontrolliert durch dilative und scherende Brüche, die N-S, NW-SE und NE-SW verlaufen, während Fluidbarrieren in ENE-WSW Richtung vorliegen., Characterizing the permeability structure in geothermal greenfield exploration requires collection and integration of hydrochemical and structural geological data related to background geology and present-day stress field. A methodological combination of field based structural geology with hydrochemistry plays an important role in identifying the geothermal system and geologic controls on permeable zones, temperature distribution, fluid origin and the overall flow pattern. A case study in the Tarutung Basin in North Central Sumatra 170 km SW from the provincial capital city Medan, is addressed to this research topic in geothermal greenfield exploration of fault controlled geothermal plays in tropical environments. The Tarutung Basin is located at a right sided step over region of the prominent right lateral active 1650 km long Sumatra Fault Zone oriented in NW-SE. Satellite imagery and field mapping of the Tarutung Basin evidenced dominating NW-SE faults with secondary fractures striking N-S (extensional fractures), NNE-SSW (synthetic Riedel shears), and NE-SW (antithetic Riedel shears). Recently active extensional fractures and extensional shear fractures striking N-S & NW-SE serve as preferential fluid path ways. From these fractures, hot springs continuously discharge predominately bicarbonate water of 38 – 65.6° C and suggest that the permeability structure is controlled by the regional current stress regime in N-S direction. Fault slip data in on Miocene andesite and Quaternary travertine reflect the present-day stress field with the maximum principal stress as horizontal in N-S and a strike-slip stress regime. Clockwise rotation of secondary fractures indicates simple shear deformation in the Tarutung Basin, which is obviously a pull-apart basin. A conceptual model is developed to accommodate this rotation with the formation of dilational jogs between NNE-SSW striking secondary faults and the NW-SE striking major fault. These dilational jogs are associated with hot springs and a systematic pattern of geothermal surface manifestations can be explained that occurs at the eastern margin of the Tarutung Basin. This rotation also generated impermeable zones along ENE-WSW oriented faults that are at a high angle to the maximum principal stress direction. These faults act as barriers and might control the separation of two spring complexes of different chemical composition (acidic versus pH neutral bicarbonate water) at the northern basin margin. Hydrochemistry data show that calcium-bicarbonate water with significant chloride content dominates the composition of spring water at the eastern margin of Tarutung Basin. The surface temperature of these springs is up to 65.5°C. A non-equilibrium state of fluid-rock as shown with a four-cations-diagram (Na-K-Mg-Ca) suggests that a dissolution process in a low temperature condition is dominant in the Tarutung geothermal system. There are no evidences in spring water hydrochemistry for fluid-rock interaction processes at high temperatures. For this reason a silica geothermometer is selected rather than a cation based geothermometer and results in a maximum temperature of 115°C which could occur underneath the eastern spring area of Tarutung Basin. Only up to 10% of thermal water in the Tarutung Basin is of magmatic origin revealed from oxygen and deuterium isotopes. This isotope data imply that meteoric water is more dominant in this field. A permeable zone at the eastern side of the Tarutung Basin, as interpreted from structural geological data, provides a favorable pathway for meteoric water to infiltrate the area and to mix with the deeper fluids. Summarizing the Tarutung Basin is not associated with active magmatism. Instead a deep intrusion might generate the heat source for the hot spring waters that are recharged by predominately meteoric water. Fluid pathways are controlled by dilational and shear fractures striking N-S, NW-SE and NE-SW while ENE-WSW faults act as barriers.

Spätestens seit Ende der 1990er Jahre erreichten Liberalisierungsbestrebungen und kommunale Entschuldungsüberlegungen auch die kommunale Wohnungswirtschaft. Um ihre Handlungsfähigkeit abzusichern, Schulden zu senken und Haushalte zu sanieren, wurden deshalb durch kommunale Anteilseigner teilweise komplette Wohnungsunternehmen an institutionelle Investoren veräußert. In Zeiten der Marktentspannung schien das teils mit hohem Modernisierungs- und Umbaubedarf versehene Wohneigentum, die Chance auf einen kommunalen Schuldenabbau sowie auf professionellere wohnungswirtschaftliche Strategien für den kommunalen Wohnungsmarkt zu eröffnen. Die mit dem Verkauf an "neue Investoren" verbundenen Risiken stellten sich beim Erstverkauf als gering dar. Eine kommunale Einflussnahme auf Stadt- und Quartiersentwicklung sowie soziale Wohnraumversorgung sicherten teils zeitlich begrenzt Verträge ab. Spätestens mit dem Zweitverkauf des einst kommunalen Wohnungsunternehmens wurde klar, dass sich wohnungswirtschaftliche Schwerpunktsetzungen durch die stark renditeorientierten Erwerber wandelten. Kommunen sahen sich nun einer wachsenden und in ihren Verwertungsinteressen zunehmend differenzierten Akteurvielfalt gegenüber. Die Dissertation erforscht deshalb das Handeln und die Kommunikation zwischen wohnungswirtschaftlichen Akteuren und der Kommune nach dem Komplettverkauf kommunalen Wohneigentums. Am Beispiel der Städte Kiel, Osnabrück und Wilhelmshaven werden mögliche Auswirkungen des Markteintritts internationaler strategischer und Finanzinvestoren auf Prozesse der Stadtentwicklung, des Wohnungsmarktes sowie auf lokale Kooperationsprozesse untersucht. Diese Aspekte wurden bisher in der raumwissenschaftlichen Forschung nur in Ansätzen betrachtet. Diese Forschungslücke soll mit der vorliegenden Arbeit geschlossen werden. Mit Hilfe von handlungs- und governancetheoretischen Ansätzen der Wohnungsmarkt- und Stadtforschung werden auf der Basis von Experteninterviews, qualitativer Inhaltsanalyse, Dokumentenanalysen und sekundärstatistischen Auswertungen Veränderungen zwischen 1999 und 2009 systematisch analysiert und interpretiert. Im Rahmen eines systematischen Vergleichs werden einerseits der Einsatz kommunaler Instrumente zum Erreichen von stadtentwicklungs- und wohnungspolitischen Zielsetzungen, andererseits neue kommunale Handlungserfordernisse und Handlungsansätze sowie Verhandlungspositionen im Zusammenhang mit dem Markteintritt neuer Investoren untersucht. Ziel ist es, die Auswirkungen des Markteintritts ‚"neuer Akteure" auf Prozesse der Stadtentwicklung, des Wohnungsmarktes sowie für die Absicherung kommunaler Kernaufgaben herauszuarbeiten. Es zeigt sich, dass nicht zu allererst der Markteintritt "neuer Investoren", sondern die Auswirkungen des Strukturwandels das strategische – kollektive wie kompetitive – Agieren der Akteure intensiv beeinflusst haben. In allen Kommunen wurde das Entschuldungsziel verfehlt. Die Abhängigkeit der Kommune vom Kooperationswillen privatwirtschaftlicher Akteure steigt. Ein kommunales Durchsetzen integrativer Ansätze der Stadtentwicklung sowie wohnungspolitische Gestaltungsansätze auf Bestandswohnungsmärkten werden schwieriger. Eine unmittelbare Neuorientierung des kommunalen sowie des wohnungswirtschaftlichen Handelns durch den Markteintritt "neuer Investoren" war jedoch nicht nachweisbar. Die langfristigen Folgen der einzelnen Verkaufsentscheidungen deuten sich bereits heute in den untersuchten Städten an. Dies betrifft die Wohnsituationen und Wohnraumversorgung einkommensschwächerer Haushalte genauso wie Belange einer nachhaltigen Stadt- und Quartiersentwicklung. Dabei ist es zweitrangig, ob sich Entwicklungsprozesse auf schrumpfenden, stagnierenden oder wachsenden Märkten ereignen. Das jahrzehntelang unausgesprochene lokale Bestandsinteresse wohnungswirtschaftlicher Akteure mit tendenziell langfristiger Verantwortungsbindung ist professionellen Verwertungsinteressen gewichen. Kommunale Interventionsstrategien sind für diese, teils massiv auftretenden, neuen Situationen und Konflikte nicht vorhanden., Communication and actions of local actors on the housing market following complete disposal of municipal housing stocks Since the end of the 1990s at the latest, efforts at liberalisation and municipal debt reduction considerations also began to affect the housing market. As a consequence, in order to secure their freedom of action, reduce debt and balance budgets municipal shareholders in some cases sold entire housing companies to institutional investors. In times of easing of the market the housing stock, some of which required significant modernisation and conversion investment, appeared to offer an opportunity for municipal debt reduction and more professional housing strategies for the municipal housing market. The risks associated with sale to "new investors" appeared slight for the initial sale. Municipal influence on the development of urban districts and the supply of social housing was secured via contracts, some of which were for limited periods. At the latest with the second disposal of the formerly municipal housing company it became evident that the focal points of housing considerations were shifting as a consequence of the strongly profit-oriented purchasers. Municipalities now saw themselves faced with a growing range of actors, differentiating increasingly with regard to their financial interests. The dissertation subsequently investigates the actions and communication between housing industry actors and the municipalities following the complete sale of municipal housing stock. Using the example of the cities of Kiel, Osnabrück and Wilhelmshaven possible effects of the market entry of international strategic and financial investors on processes of urban development, the housing market and local co-operation processes are investigated. These aspects have only been partially considered thus far in the field of spatial research. This dissertation aims to close this research gap. With the aid of action and governance theory approaches of housing market and urban research the changes that occurred between 1999 and 2009 are systematically analysed and interpreted on the basis of interviews with experts, qualitative analysis of content, document analysis and the evaluation of secondary statistics. In the scope of a systematic comparison on the one side the use of municipal instruments to achieve urban development and housing policy objectives was investigated, on the other new municipal action requirements and approaches, together with negotiating positions in relation to the market entry of new investors. The objective is to determine the effects of the market entry of 'new actors' on urban development processes, the housing market and the securing of core municipal tasks. It is apparent that it is not primarily the market entry of "new investors" that has had the most intensive influence on the strategic - collective and competitive - actions of the actors, but the effects of structural transition. The goal of debt clearance failed to be met in all of the municipalities. The dependence of the municipalities upon the willingness of private sector actors to co-operate is increasing. The municipal implementation of integrative approaches to urban development and housing policy angles on existing housing markets is becoming increasingly difficult. A direct realignment of the municipal and housing policy activity as a result of the market entry of "new investors" was not discernible, however. The long-term consequences of the individual sale decisions are already becoming evident in the cities investigated. This concerns the housing situation and supply of housing to lower-income households as well as issues such as the sustainable development of cities and districts. In this it is of secondary importance whether the development processes occur in shrinking, stagnating or growing markets. The unspoken, decades-long interest of housing policy actors in local stock with longer-term responsibility has given way to professional asset maximisation interests. Municipal intervention strategies do not exist for these new situations and conflicts, some of which are highly significant in their extent.

Die Arktis ist ein wichtiges Element des globalen Klimasystems. Zirkulationen der Atmosphäre und des Ozeans transportieren Energie vom Äquator in die hohen Breiten. In der Nordhemisphäre geschieht dies hauptsächlich durch Störungen der atmosphärischen Zirkulation (Zyklone und Antizyklone) in den mittleren Breiten und durch den Nordatlantikstrom. Die Inselgruppe Svalbard ist durch ihre Lage stark durch Sturmtiefs beeinflusst, die Feuchte und feuchtstatische Energie aus dem Nordatlantik in den Arktischen Ozean transportieren. Darüber hinaus erzeugen der Westspitzbergenstrom, der warmes Atlantikwasser nordwärts transportiert, und die fluktuierenden Eiskante des Nordpolarmeeres starke Klimagradienten mit inter- und intraannueller Variabilität, wobei die enge Kopplung von Atmosphäre, Ozean und Land maßgeblich das Klima Svalbards prägt. Zwei der größten Eismassen der europäischen Arktis (Vest- und Austfonna) und etliche kleinere Eismasse (z.B. De Geerfonna) befinden sich im Nordosten Svalbards auf der Insel Nordaustlandet. Wenig ist über den momentanen Zustand, die Variabilität und die Sensitivität der Oberflächenenergiebilanz (SEB) und Oberflächenmassenbilanz (SMB) dieser Eismassen und den großräumigen Antrieb bekannt. Die zentrale Zielsetzung dieser Arbeit ist, das Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen der Atmosphäre und der Kryosphäre bezogen auf Arktische Gletschersysteme zu verbessern. Im Speziellen sollen die Saisonalität und Variabilität des Klimas Svalbards und der damit verbundene Einfluss auf die Vestfonna-Eiskappe untersucht werden. Die angewandte Methodik kombiniert Felduntersuchungen, Fernerkundung und numerische Modellierung, um den Zustand und die Sensitivität der SEB und der SMB des Vestfonna, die steuernden mesoskaligen Prozesse und die Art und Weise, wie diese Prozesse den synoptischen und lokalen Prozessraum verbinden, für die erste Dekade des 21. Jahrhunderts zu untersuchen. Diese Arbeit zeigt auch, wie schwierig es ist, Felddaten in der Arktis zu erheben und zuverlässig den momentanen und zukünftigen Zustand in der Arktis abzuschätzen. Die Oberflächenablationsraten des Vestfonna sind stark durch die Strahlung gesteuert, wodurch die Oberflächenalbedo als ein entscheidendes Schlüsselelement zur Abschätzung der Ablationraten identifiziert wurde. Darüber hinaus beeinflusst der Masseverlust durch windgesteuerte Schneeverfrachtung erheblich die Akkumulationsraten und stellt damit ein weiteres wichtiges Element der SMB des Vestfonna dar. Aus einer regionalen Reanalyse, der European Arctic Reanalysis (EAR), wurde eine jährliche SMB von +0.02 ± 0.22 m w.e. yr−1 und aus einem empirischen Ansatz eine jährliche SMB von −0.02 ± 0.20 m w.e. yr−1 für den Vestfonna als Mittelwert der Massenbilanzjahre 2001 bis 2009 berechnet. Da das für die EAR verwendete Modell keinen Masseverlust durch Schneeverwehungen berechnet und zusätzlich zu hohe Oberflächenalbeden annimmt, sind die Akkumulationraten bei diesem Ansatz wahrscheinlich über- und die Ablationsraten unterschätzt worden. Der empirische Ansatz zeigt hingegen starke Unsicherheiten in der Abschätzung des Temperaturfeldes und der Wiedergefrierraten. Eine Kombination der höheren Ablationsraten der EAR und der niedrigeren Akkumulationsraten des empirischen Ansatzes ergeben eine jährliche SMB des Vestfonna von −0.09 ± 0.19 m w.e. yr−1 als Mittelwert der Massenbilanzjahre 2001 bis 2009. Sturmtiefs aus dem Nordatlantik zeigten starken Einfluss auf die Akkumulations- und Ablationsraten des Vestfonna. Da die Nordatlantische Oszillation (NAO) einer der wichtigsten Indizes für den Modus der atmosphärischen Zirkulation der Nordhemisphäre ist, zeigte dieser Index auch Korrelationen mit den Ablations- und Akkumulationsraten des Vestfonna. Im Winter korrelierte der NAO-Index signifikant mit der Häufigkeit der eintreffenden Sturmtiefs aus dem Nordatlantik, welche stark auf Niederschlag, Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit wirkten. Dabei wurde die jährliche Akkumulationsrate des Vestfonna hauptsächlich durch den mit den Sturmtiefs verbundene Feuchtetransport im Winter geprägt. Im Sommer anti-korrelierte der NAO-Index signifikant mit der lokalen Zyklogenese und den damit verbundenen Niederschlägen. Die Analysen induzieren, dass die Ablationsraten des Vestfonna hierbei durch komplexe Rückkopplungen zwischen Niederschlag, Oberflächenalbedo, Absorption solarer Strahlung und Lufttemperatur gesteuert wurden. Alle Ergebnisse zeigen eine fast ausgeglichene SMB des Vestfonna für die erste Dekade des 21. Jahrhunderts. Dennoch birgt die enge Kopplung der Ablationsraten an das Regen-Schnee-Verhältnisses über die Lufttemperatur ein großes Potential für zukünftige Änderungen der SMB des Vestfonna. The Arctic is an important element in the global climate. Circulations of the atmosphere and the ocean transport energy from the equator to high-latitudes. In the northern hemisphere this is mainly done by transient disturbances of the atmospheric circulation (cyclones and anticyclones, low- and high-pressure regions) at mid-latitudes and the North Atlantic Current. Svalbard, an archipelago in the North Atlantic and Arctic Ocean, is strongly influenced by the activity of the North Atlantic cyclone track transporting moisture and moist static energy into the region. Furthermore, strong climate gradients with interannual and intra annual variability are generated by the interaction of the West Spitsbergen Current transporting warm Atlantic water northward and the fluctuating sea ice margin. The climate of Svalbard is characterized by close couplings between atmosphere, ocean and land. Two of the largest ice masses of the European Arctic (Vest- and Austfonna) and several smaller ice bodies (e.g. De Geerfonna) are located in the north-east of Svalbard, on Nordaustlandet. Little is known about the current state and variability of the surface energy balance (SEB) and surface mass balance (SMB) of these ice masses and their sensitivity to large-scale atmospheric forcing. The central goal of this work is to improve the understanding of atmosphere-cryosphere interactions on Arctic glaciers and in particular to investigate seasonality and variability of the climate in Svalbard and its impact on Vestfonna ice cap. A methodology combining field observations, remote sensing and numerical modeling is employed to provide detailed information about the state and sensitivity of SEB and SMB on Vestfonna, what meso-scale processes generate the changes and how these processes link the synoptic to the local process space during the first decade of the 21st century. This thesis also demonstrates how difficult it is to obtain field observational data and to reliably assess the current state and future development in the Arctic region. The SEB and SMB on Vestfonna show the highest sensitivity of surface ablation rates to changes in radiation conditions. Surface albedo is identified as a key factor for ablation rate estimations on Vestfonna. The SMB on Vestfonna also shows high dependency on snowdrift, causing considerable mass loss in accumulation rates. An annual SMB rate on Vestfonna of +0.02 ± 0.22 m w.e. yr−1 is calculated from a regional reanalysis, i.e. the European Arctic Reanalysis (EAR), and an annual SMB rate of −0.02 ± 0.20 m w.e. yr−1 is calculated by an empirical approach for the mass balance years 2001 to 2009. The estimate derived from the EAR is assumed to be too high since snow drift is not considered in the accumulation rates, and a constant high surface albedo could have caused underestimations in ablation rates. On the other hand the empirical approach shows uncertainty in estimating the air-temperature fields and refreezing rates. Thus, combining results derived from both approaches, the “pessimistic” annual SMB rate on Vestfonna of about −0.09 ± 0.19 m w.e. yr−1 for the mass balance years 2001 to 2009 is estimated by using the higher ablation rates derived from EAR calculations and the lower accumulations rates derived from the empirical study. The activity of the North Atlantic cyclone track shows strong influence on accumulation and ablation rates on Vestfonna. Since the North Atlantic Oscillation (NAO) is one of the most important indices of variability in the northern hemisphere atmospheric circulation, it also shows strong correlations with accumulation and ablation rates on Vestfonna. During winter, the NAO index significantly correlates with the frequency of cyclones from the North Atlantic sector through precipitation, air-temperature and wind speed. The moisture transported by the cyclones into the region during the winter season mainly determines the annual accumulation rates on Vestfonna. During summer, the NAO index significantly anti-correlates with local cyclogenesis and summer precipitation, generating variability in ablation rates on Vestfonna by complex feedback mechanisms between surface albedo, surface absorption of solar radiation and air-temperature. All results indicate that the annual SMB rate was almost balanced on Vestfonna during the first decade of the 21st century. However, especially changes in the rain-snow ratio due to changes in air-temperature are assumed to have great potential to generate strong changes in the SMB rates on Vestfonna in the future.

Die Modellierung physikalischer Eigenschaften und Phänomene von natürlichen Festgesteinen stellt inzwischen einen wichtigen Arbeitsbereich innerhalb der modernen Gesteinsphysik dar. In den letzten Jahren hat dabei die Röntgen-Computertomografie als schnelles, zerstörungsfreies sowie bildgebendes Verfahren die Grenzen des Verständnisses der Fluid Dynamik in komplexen Systemen signifikant vorangetrieben. Diese Promotionsschrift reiht sich konsequent in die komplexe Thematik mit ein und gibt zunächst einen umfassenden Einblick in den Stand der Technik von Strömungssimulationen in porösen Medien, bevor neue Ansätze für hochgenaue Modellrechnungen in echten Porennetzwerken aufgezeigt werden. Zielführend werden dabei zunächst die theroretischen Grundlagen bezüglich der Fluid Dynamik, dem bildgebenden Verfahren sowie der Modellierungstechnik gegeben. Diesem theoretischen Teil folgt eine ausführliche, interdisziplinäre Gesteinscharakterisierung, bevor die Ergebnisse der Strömungssimulationen an synthetischen und realen Porennetzwerken dargestellt werden. Besonderes Augenmerk dieser Arbeit liegt dabei auf zwei thematischen Bereichen. Zum Einen, wird der essentielle Arbeitsablauf zur Gewinnung hochaufgelöster 3D Datensätze für die Extraktion der in-situ Porennetzwerke analysiert. Aufgrund der hohen erreichbaren Auflösung moderner CT-Systeme (wenige Mikrometer, teils einige hundert Nanometer) können erstmalig auch sehr kleine Porenstrukturen für die Modellierung aufbereitet werden. Dazu wird ein verbesserter Extraktions-Algorithmus getestet, der in der Lage ist, die segmentierten Strukturen mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit in numerische Gitter zu transferieren. Zum Anderen wird ein neues Verfahren zur Überprüfung der Repräsentativität von Transportmodellierungen eingeführt. Die so ermittelten repräsentativen Volumina werden im Anschluss daran mittels der Gitter Boltzmann Methode auf ihre Transporteigenschaften hin untersucht. Aufgrund dieser numerisch sehr einfachen, aber dennoch eleganten Methode können beliebige Strukturen (z.B. grobe und feine Porennetzwerke, sekundäre Porositäten, Tonporositäten, etc.) auf beliebigen Skalen mit hoher Auflösung modelliert und gleichfalls charakterisiert werden. Ergänzend dazu werden vergleichende Simulationen mit gebräuchlichen Softwarepaketen evaluiert und mit den Ergebnissen der Boltzmann Modellierung auf verschiedenen (Mikro-) Skalen gegenübergestellt. Abschließend werden die Ergebnisse aller Teilbereiche zusammengefasst, beurteilt und diskutiert. Modeling physical properties and phenomena of natural rocks forms an important field of work for modern petrophysics. In recent years, the fast and non-destructive X-ray computed micro tomography has pushed the knowledge and understanding of fluid dynamics in complex pore systems extensively forward. This PhD thesis is in accordance to this wide and complex field of research and gives a comprehensive overview about state of the art transport modeling in porous media. New approaches for high precisely modeling aspects in real pore geometries are shown. Conducive to this thesis, theoretical background on fluid dynamics, modern CT imaging and modeling techniques is introduced first. Afterwards, a detailed and interdisciplinary rock characterization is performed, before results of transport modeling on a synthetic and on real pore networks are given. Special attention is given onto two main topics. On the one hand, the essential workflow to obtain high resolution 3D data sets for the advanced pore network extraction is introduced in detail. Since modern CT devices are able to scan samples with micron to submicron resolution, even very small pore structures can be taken into account for modeling purposes. For this, a special network extraction algorithm, which is able to preserve these small sample features with high accuracy during grid generation, is tested. On the other hand, an advanced method to evaluate the representiveness of transport modeling phenomena, depending on the voxel size of the scanned data, is introduced. The so derived representative elementary volumes (REV) are then used to apply the Lattice Boltzmann Method (LBM) for the estimation of fluid transport properties of these structures. Due to this numerically easy but elegant approach, even structures of arbitrary complexity (e.g. coarse and fine pore networks, secondary porosities, clay related porosities, etc.) can be investigated and taken into account on different scales as well. Additionally, comparative simulations with a commonly used modeling technique are performed and evaluated in close combination with the results of the Boltzmann transport modeling on different scales. Finally, results of each partition of this thesis are combined, assessed, discussed and summarized.

Die Produktion und Injektion von Wasser aus einem geothermischen System in ein Reservoir führt zu Porendruckïänderungen und damit zu Veränderungen der Spannungen im Reservoir und in dem umliegenden Gesteine. Eine Abnahme des Porendrucks durch Überproduktion erhöht den Stress auf das Reservoirgestein und kann verschiedene Arten von Deformationen in verschiedenen Skalenbereichen hervorrufen, z.B. elastische und unelastische. Auf der Mikroskala kann die Verformung durch Verschiebung von Kornkontakten, Öffnen oder schließen von Rissen, Kompaktion oder Porenversagen begleitet werden. Es kann zur Reaktivierung von Störungen oder zu Setzungserscheinungen an der Oberfläche auf der Makroskala kommen. Die Injektion von kaltem Wasser in einen Warmwasserspeicher würde das Gestein thermisch kompaktieren, jedoch hemmt das Korngerüst des Gesteins die Kompaktion, wodurch wiederum thermischer Stress induzieret wird. Der thermisch induziert Stress beeinflusst nicht nur die gesteinsmechanischen Eigenschaften, sondern wirkt sich auch auf die poroelastischen Parameter und somit auch auf die Porosität und Permeabilität des Gesteins aus. Akustische Geschwindigkeitsmessungen und mechanische Tests können verwendet werden um die dynamischen und statischen Elastizitätsmoduln von Gesteinen zu bestimmen. In dieser, Studie wurden mehrere Experimente zur Bestimmung von thermischen Effekten auf akustische, poroelastische und hydraulische Parameter durchgeführt. Unter Verwendung eines herkömmlichen Triaxial-Systems wurden Proben des Flechtinger Sandsteins geprüft. Der Flechtinger Sandstein ist ein Analogmaterial zu den Rotliegend Sedimenten des geothermischen Reservoirs in Groß Schönebeck. Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen anhand von ummantelten und drainierten Proben bei 30, 60, 90, 120 und 140 °C durchgeführt. Direkte und indirekte Methoden wurden eingesetzt, um den Biot-Koeffizienten und die Porositätsveränderung zu messen. Für die indirekte Methode werden zwei Experimente benötigt: Hydrostatische Kompression einer ummantelten Probe, um das Kompressionsmodul des drainiert Korngerüstes zu erhalten, und die hydrostatische Kompression, einer nicht ummantelten Probe, um das Kompressionsmodul der Körner zu messen. Das direkte Verfahren verwendet eine umschlossene Probe wobei die Änderung des Porenvolumens und die volumetrische Spannung gemessen werden. Das thermomechanische Verhalten des Flechtinger Sandsteins wurde von einem entropischen Verhalten begleitet, wobei sich die Abhängigkeit des drainierten Kompressionsmoduls von der Temperatur abhängt. Das inelastische Verhalten des Gesteins, die Wechselwirkungen zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Kompressionsmodul und die Wärmeübertragung auf verschiedenen Fließwegen ruft Veränderungen der Porenraumgeometrie hervor. Die Porosität nimmt mit dem Temperaturanstieg bei niedrigem Effektivdruck ab und steigt mit einem Anstieg der Temperatur beim höheren Effektivdrücken. Der Biot-Koeffizient nimmt mit zunehmendem Effektivdruck und sinkender Temperatur ab. Darüber hinaus wurden die Kompressionsmoduli an Exponentialfunktionen angepasst und das Seitenverhältnis und die Riss-Porosität wurden für jede Belastungs-Kurve bestimmt. Das Maximum der Seitenverhältnis-Verteilungsfunktion stieg mit der Temperatur, was auf die Bildung von neuen Rissen aufgrund thermischer und mechanischer Belastung zurückgeführt werden konnte. Des Weiteren wurde ein neues Modell abgeleitet welches die Druckabhängigkeit der Permeabilität auf Basis Poro-Elastizitäts-Theorie zeigt, Dabei wird der Einfluss des Drucks auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften beschrieben., The production and injection of water from a geothermal system results in pore pressure changes and consequently changing in the stress acting on the reservoir and surrounding rocks. A decrease in pore pressure due to depletion increases the stress carried by reservoir rock and may result in a various type of deformations at micro and macro scales e.g. elastic and inelastic. At the microscale the rock deformation may be accompanied by rearrangement of contact points, opening and closure of cracks, solid compaction and pore collapse. It may result to reactivation of the faults and surface subsidence at the macroscale. The injection of cold water into a hot water reservoir will contract the rock, albeit the surrounding rock will constrain this contraction and thermal stress will be induced. This thermally induced stress not only influences the rock mechanical properties but also affects the poroelastic parameters and consequently porosity and permeability of the rock. Acoustic velocity measurements and mechanical tests can be employed to provide the dynamic and static elastic moduli of rock, respectively. Several experiments were performed in this study using a conventional triaxial testing system to investigate thermal effects on acoustic, poroelastic and hydraulic parameters of Flechtinger sandstone, an outcropping equivalent of the (Rotliegend) reservoir rock. The isothermal jacketed drained experiments were performed at 30, 60, 90, 120, and 140°C. Direct and indirect methods were employed to measure the Biot coefficient and porosity variation. In the indirect method, two experiments are required: a hydrostatic compression test on a jacketed specimen to measure the drained bulk modulus of the framework and a hydrostatic compression test on an unjacketed specimen to measure the bulk modulus of the solid grains. The direct method employs a jacketed specimen and the change in pore volume and volumetric strain are measured. Thermomechanical behavior of Flechtinger sandstone was accompanied by an entropic behavior where the sign of temperature dependence of the drained bulk modulus changes (inversion effect). The inelastic behavior of the rock, the interrelation between thermal expansion coefficient and bulk modulus, and the path dependence of heat transfer processes govern the temperature effects and induced changes in pore geometry. The porosity variation was decreasing with an increase in temperature at low effective pressures and was increasing with a rise in temperature at high effective pressures. The Biot coefficient decreased with increasing effective pressure and temperature. Moreover, the bulk moduli were fitted to exponential functions and aspect ratio distribution and crack porosity were determined for each stress-strain curve. The peak of aspect ratio distribution function increased with temperature which can be assigned to creation of new cracks due to thermal and mechanical loading. Furthermore, a new model was derived to describe the pressure dependence of permeability to poroelasticity theory where the effect of pressure on mechanical and hydraulic properties can be determined.

Die hyporheische Zone ist der Bereich im Umfeld eines Gewässers in dem Interaktion von Oberflächen- und Grundwasser stattfindet. Standort für die vorliegenden Untersuchungen war der Bach Mess in Luxemburg, welcher von Liassischen Mergeln und mergeligen Sanden unterlagert wird. Wechsel von effluenten zu influenten Grundwasserverhältnissen führen zu einem Eintrag von im Bach nachgewiesenen Pharmazeutika sowie zu Temperaturänderungen im ufernahen Grundwasser. Auch eine Abhängigkeit dieser Stoffe von den Redoxbedingungen, die sich auf deren Transport in den feinkörnigen Sedimenten der Uferbank auswirkt, wurde vermutet. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit von Pharmazeutika und Temperatur als Indikatoren für Wasseraustausch in der hyporheischen Zone wurden Ergebnisse von Feldmessungen sowie eines Laborexperimentes zusammengeführt. Anfangs wurde in Feldstudien die Eignung von ausgewählten Pharmazeutika (z.B. Sulfamethoxazol) als anthropogene Indikatoren für die Interaktion von Grund- und Oberflächenwasser in der Uferbank überprüft. Während des Untersuchungszeitraumes dominierten effluente Grundwasserverhältnisse. Allerdings wurde während Hochwasserereignissen ein Wechsel zu influenten Verhältnissen beobachtet. Um den Austausch von Wasser zu belegen, wurden Proben aus dem Bach sowie aus einfach und mehrfach verfilterten Grundwassermessstellen in der Uferbank auf Pharmazeutika analysiert. Dabei wurden nahezu alle im Bach nachgewiesenen Stoffe auch im ufernahen Grundwasser detektiert, wenn auch in deutlich geringeren Konzentrationen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden sieben Pharmazeutika anhand ihrer transportrelevanten Eigenschaften in mobile und sorbierende/abbaubare Stoffe unterteilt. Die Ergebnisse belegen einen Eintrag der Stoffe nur von Seiten des Baches. Außerdem weisen einige Pharmazeutika Gradienten mit der Tiefe auf. Insgesamt werden die ausgewählten Pharmazeutika als geeignete anthropogene Indikatoren in der hyporheischen Zone bewertet. Wie erwartet scheinen die mobilen Stoffe (u.a. Carbamazepin, Sulfamethoxazol) für diesen Zweck besser geeignet zu sein. Des Weiteren konnten die Studien erstmals zeigen, dass hyporheischer Austausch auch in hydraulisch gering durchlässigen Uferbänken stattfindet. Da das Transportverhalten einiger Pharmazeutika noch nicht ausreichend bekannt ist, sind nicht alle untersuchten Stoffe als Indikatoren geeignet. Um die Kenntnis über Verhalten und Verbleib der im Feld nachgewiesenen Stoffe zu vertiefen, wurde ein Säulenexperiment unter wassergesättigten Bedingungen durchgeführt. Der gewählte Versuchsaufbau erlaubte die Untersuchung des Transportverhaltens von Sulfamethoxazol, Carbamazepin, Diclofenac und Ibuprofen unter variierenden spezifischen Redoxbedingungen. Für den Versuch wurden Sediment und Wasser vom Standort verwendet. Die spezifischen Redoxbedingungen in der Säule wurden durch die Zugabe von Nitrat gezielt variiert. Dabei wurden schrittweise abnehmende Konzentrationen von 131 bis 20 mg/l eingestellt. Dies führte zu zeitweise denitrifizierenden Bedingungen in der Säule. Sulfamethoxazol wurde während der Nitratreduktion schnell und deutlich transformiert. Die beobachtete Redoxabhängigkeit der Transformation trägt zum besseren Verständnis der großen Spannweite der bisher beschriebenen Abbaubarkeit von Sulfamethoxazol bei. Ibuprofen war hingegen stabiler unter denitrifizierenden Bedingungen. Die bei Carbamazepin beobachtete Retardation wurde auf Sorption und Abbau zurückgeführt. Im Gegensatz dazu war Abbau unter Nitratreduzierenden Verhältnissen der dominierende Prozess für die Retardation von Diclofenac. Im letzten Abschnitt der Arbeit wird ein neuer Ansatz für die Berechnung von Sickerraten auf Basis von Wassertemperaturmessungen vorgestellt. Die Wavelet-Analyse wurde für die Anwendung als Bandfilter für instationäre Temperaturzeitreihen getestet. Diese neue Prozesstechnik konnte sowohl auf virtuelle Daten als auch auf Felddaten erfolgreich angewendet werden. Die auf Basis des Amplitudenverhältnisses der täglichen Temperaturoszillation berechneten Sickerraten waren negativ und reichten von -0,7 bis -2,5 m/d, was permanent effluente Grundwasserverhältnisse impliziert. Diese Dominanz von effluenten Verhältnissen wurde durch hydraulische Messungen bestätigt. Allerdings waren die berechneten Geschwindigkeiten um eine Größenordnung niedriger als die temperatur-basierten. Insgesamt konnte die Nutzbarkeit der vorgestellten Methode für die Berechnung von Sickerraten sowie die Bestimmung von effluenten und influenten Grundwasserverhältnissen gezeigt werden. Zusammenfassend belegt die vorliegende Arbeit die Eignung der vorgestellten Methoden – Pharmazeutika und Temperatur als Indikatoren – für die Untersuchung der Interaktion von Oberflächenwasser und Grundwasser. Außerdem wurde ein vertieftes Verständnis der Prozesse in der hyporheischen Zone gewonnen, das die Grundlage für zukünftige Studien darstellt., The hyporheic zone is the area below and adjacent to a water body where surface water and groundwater mix and exchange. For this study the stream Mess at a field site in Luxembourg was investigated. Along the streambed alluvial sediments occur, which are underlain by Liassic marls and marly sands. Changes of effluent and influent aquifer conditions result in an input of pharmaceuticals, which were frequently detected in the stream, and the propagation of temperature changes into the riverine groundwater. Furthermore, a sensitivity of these organic compounds, which are detected in surface water and groundwater, to different redox conditions was expected to influence their transport in the fine-grained riverbank sediments. To validate the application of pharmaceuticals and temperature as indicators for hyporheic exchange, results of field data and a laboratory experiment were combined. In the field studies the applicability of selected pharmaceuticals (e.g. sulfamethoxazole) as anthropogenic indicators for the interaction of surface water and groundwater was evaluated. During the observed period effluent aquifer conditions dominated. However, during flood events also influent aquifer conditions were observed. To prove the assumed interaction, water samples from the stream as well as from single-screen and multilevel observation wells in the riverbank were analysed for selected pharmaceuticals. Nearly all compounds that were detected in the stream were also found in the riverine groundwater, even though concentrations were significantly lower. Considering these results, seven pharmaceuticals were selected based on their transport relevant properties (mobile and sorbing/degradable) and verified by field data. The analyses supported the assumption that these compounds enter the riverbank via the stream only. Even gradients with depth for some of the pharmaceuticals were observed. Altogether, it was demonstrated that selected pharmaceuticals are suitable anthropogenic indicators in the hyporheic zone. The mobile compounds (e.g. carbamazepine, sulfamethoxazole) turned out to be more suitable for this application. In addition, the field data proved that water exchange also takes place in riverbanks which have a low hydraulic conductivity. However, not all compounds seemed to be suitable indicators as their transport behaviour is not fully understood. To enhance the knowledge on the fate of the pharmaceuticals detected in the field, a laboratory column experiment under water saturated conditions was conducted. The transport behaviour of sulfamethoxazole, carbamazepine, diclofenac, and ibuprofen were investigated under varying but specific redox concentrations. Sediment and surface water from the field site were used for the experiment. The specific redox conditions were systematically varied throughout the experiment by adding nitrate in the influent water in stepwise decreasing concentrations between 131 and 20 mg L-1. Accordingly, temporarily denitrifying conditions were established in the column during the reduction of nitrate. Sulfamethoxazole was severely influenced by this process and during denitrification the concentrations in the effluent water decreased rapidly. This observed redox-dependency of sulfamethoxazole occurrence and transformation may help to explain the wide ranges of reported degradability. Ibuprofen was more stable under denitrifying redox conditions. For carbamazepine, the apparent retardation was attributed to sorption and also to degradation. In contrast, degradation under nitrate reducing conditions seemed the dominating process for the apparent retardation of diclofenac. In the last part a new approach to derive seepage rates from thermal records is presented. Wavelet analysis was tested for is applicability as a band-pass filter for non-stationary time series of water temperature records. This new processing technique was successfully applied to a virtual data set and to real data from temperature time series that were measured in the streambed sediments at the field site. For the analysed time series the estimated seepage velocities based on the amplitude ratio of the daily temperature oscillation were always negative and ranged from -0.7 to -2.5 m d-1, which indicated permanent effluent aquifer conditions. Hydraulic measurements from the field studies confirmed the dominance of this flow direction. However, the calculated Darcy velocities were about one magnitude lower than the seepage rates based on the thermal records. Altogether, this study confirms the use of the presented method to calculate seepage rates and to detect effluent and influent aquifer conditions. This thesis demonstrates the applicability of the presented methods – pharmaceuticals and temperature as indicators – for the investigation of surface water and groundwater interaction. Furthermore, a more comprehensive understanding of processes in the hyporheic zone was yielded, a basis for future studies.

Die Speicherung von Kohlendioxid (CO2) im geologischen Untergrund ist eine Möglichkeit, um die Emission von CO2 in die Atmosphäre zu verringern. Während der CO2-Injektion ist die Überwachung der in situ ablaufenden Prozesse durch geeignete Monitoringverfahren notwendig. Bestehende Modelle zur CO2-Ausbreitung, sowie Verdrängungs- als auch Löslichkeitsprozesse der beteiligten Fluide untereinander, die zu Sättigungsänderungen führen, müssen überprüft werden. Für Bohrlochmessungen in verrohrten Bohrungen können nur wenige Bohrlochmessverfahren wie die radiometrische Pulsed-Neutron-Gamma-Methode (PNG) eingesetzt werden. Die wesentlichen Parameter der PNG-Messung sind der makroskopische Einfangquerschnitt (Σ) und die Neutronenporosität (TPHI) der Formation. Der große messtechnische Kontrast zwischen Salzwasser und CO2 geht mit einer großen Sensitivität zur Bestimmung von Sättigungsänderungen einher. Bisher wurde das konventionelle PNG-Sättigungsmodell, basierend auf dem Verdrängungsprozess, für die Interpretation von PNG-Messungen in verschiedenen CO2-Speicherprojekten in salinen Aquiferen angewendet (z.B. Murray et al., 2010; Müller et al., 2007; Sakurai et al., 2005; Xue et al. 2006). Das Verdrängungsmodell berücksichtigt die Mischung von verschiedenen Fluiden im Porenraum aber keine physiko-chemischen Prozesse. Neben dem Verdrängungsprozess führt die gegenseitige Löslichkeit von Salzwasser und CO2 zu Evaporation (Austrocknung) und Salzausfällung. Die Austrocknungs- und Ausfällungsprozesse sind relevant für Injektionsbohrungen, wo trockenes CO2 in die Formation injiziert wird. Weiterhin zeigen Modellierungsergebnisse, dass der gravitative Aufstieg von CO2 und Kapillarkräfte, die zu einem Rückfluss von Salzwasser führen, die Sättigungsänderungen und Salzausfällungen beeinflussen können (z.B. Pruess und Müller 2009). Der Σ-Wert von Salzwasser hängt stark von der Salinität bzw. dem Chloridgehalt ab, weshalb PNG-Messungen für das Monitoring von Austrocknungs- und Ausfällungsprozessen geeignet sind. Bisher wurden solche Austrocknungs- und Ausfällungsprozesse in PNG-Sättigungsmodellen noch nicht berücksichtigt. Dafür wurde ein erweitertes PNG-Sättigungsmodell für NaCl-Wässer entwickelt. Das erweiterte PNG-Sättigungsmodell beinhaltet sowohl die Verdrängungs- als auch die Austrocknungs- und Ausfällungsprozesse, jeweils gewichtet durch die dazugehörigen Porenraumanteile. Zwei Szenarien werden unterschieden. Wenn die Wiederholungsmessung kleinere Σ-Werte als die Nullmessung aufweist, wird zunächst das Verdrängungsmodell und anschließend das Austrocknungs-/Ausfällungsmodell angewendet. Wenn die Wiederholungsmessung größere Σ-Werte als die Nullmessung aufweist, ist der Σ-Wert des Porenfluids erhöht, was mit einer Erhöhung des Salzgehaltes hervorgerufen durch Kapillarkräfte zusammenhängt. Für dieses Szenario kann die CO2-Sättigung aus TPHI und die Salzwasser- und/oder die Halitsättigung aus Σ bestimmt werden. Ketzin, der einzige deutsche Pilotstandort für CO2-Speicherung in salinen Aquiferen, hat eine Injektions- und zwei Beobachtungsbohrungen, an denen ein umfangreiches PNG-Monitoring- programm durchgeführt wird. Für die Beobachtungsbohrung, die weiter von der Injektionsbohrung entfernt ist, ist das konventionelle Verdrängungsmodell gültig. Im Gegensatz dazu zeigt die Beobachtungsbohrung, die am nächsten an der Injektionsbohrung liegt, dass neben dem Verdrängungs- auch Austrocknungs- und Ausfällungsprozesse in einigen Teufenbereichen stattgefunden haben können. In der Injektionsbohrung treten beide Szenarien auf. Die Verteilung der Halitsättigung in der Injektionsbohrung scheint dabei von der Kombination der Effekte aus wechselnder Injektionsrate einhergehend mit wechselnden Wasserspiegeln, Heterogenitäten in der Lithologie und verschiedenen sättigungsbeeinflussenden Prozessen wie Austrocknungs- und Ausfällungsprozesse oder Kapillarkräfte kontrolliert zu werden. Diese Salzausfällungen wurden bisher im Zusammenhang mit der CO2-Speicherung in salinen Aquiferen noch nicht in situ nachgewiesen. Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass PNG-Monitoring in Kombination mit dem erweiterten Sättigungsmodell für die Bestimmung von Verdrängungs-, Austrocknungs- und Ausfällungsprozessen geeignet ist. Insbesondere für Injektionsbohrungen ist das erweiterte Sättigungsmodell von Bedeutung, da sonst die CO2-Sättigung unterschätzt wird. Die ausgebeutete Erdgaslagerstätte in der Altmark wird als geeignete geologische Formation für die CO2-Speicherung zur Erhöhung der Erdgasausbeute (Enhanced Gas Recovery) angesehen. Das Potential des PNG-Monitorings unter Berücksichtigung von Verdrängungs-, Austrocknungs- und Ausfällungsprozessen und wechselnden Gas-Wasser-Kontakten ist evaluiert worden. PNG-Messungen können für die Bestimmung von Änderungen der Salzwassersättigung, des Wassergehalts einhergehend mit Salzausfällungen genutzt werden, wobei Veränderungen in der Gaszusammensetzung unterhalb der Auflösungsgrenze liegen. The storage of carbon dioxide (CO2) in geological formations is a promising option to reduce emissions of greenhouse gases to the atmosphere. During the proposed CO2 injection process, application of suitable techniques for monitoring of the induced changes in the subsurface is required. Existing models for the spreading of the CO2, as well as displacement processes or resulting issues from mutual solubility between brine and CO2 associated with saturation changes, need to be checked. For well logging in cased boreholes only a limited number of techniques such as radiometric pulsed neutron-gamma (PNG) logging are applicable. The main PNG derived parameters are the macroscopic capture cross section (Σ) and the neutron porosity (TPHI) of the formation. The high measurement contrast between brine and CO2 results in a high sensitivity to evaluate saturation changes. Previously, the conventional PNG saturation model based on a displacement process has been used for PNG interpretation in different CO2 storage projects in saline aquifers (e.g. Murray et al., 2010; Müller et al., 2007; Sakurai et al., 2005; Xue et al. 2006). The displacement saturation model accounts for mixing of the fluids in the pore space but ignores any mutual physico-chemical interaction. In addition to the displacement process, the mutual solubility between brine and CO2 adds further complex processes such as evaporation and salt precipitation. Evaporation and precipitation processes are relevant in the vicinity of an injection well, where dry CO2 enters the reservoir. Moreover, modeling results show that gravity-forced upflow of CO2 and capillary-forced backflow of brine toward the injection point can also affect saturation changes and salt precipitation (e.g. Pruess und Müller 2009). The Σ brine value depends strongly on the brine salinity e.g. its chlorine content which makes PNG measurements suitable for evaporation and salt precipitation monitoring. Until now evaporation and precipitation processes are not considered in PNG saturation models. For this purpose an extended PNG saturation model for NaCl-brines is developed. The extended PNG saturation model includes both the displacement and evaporation/precipitation processes weighted by their affected porosity proportions. Two scenarios are distinguished. If the repeat Σ value is smaller than the baseline Σ value, first the displacement saturation model and subsequently the evaporation/precipitation saturation model are applied to the affected porosity proportions. If the repeat Σ value is greater than the baseline Σ value, the pore fluid Σ value is increased corresponding to an increased salt load due to capillary effects. For this purpose, TPHI can be used to derive CO2 saturation and Σ is used to derive brine and/or halite saturation. Ketzin, the only German pilot test site for CO2 storage in saline aquifers, has one injection and two observation wells, where an extensive PNG monitoring program is performed. For the observation well, which is further away from the injection well, the conventional displacement saturation model is valid. In contrast, the observation well closest to the injection well shows that, in addition to displacement, the evaporation/precipitation process may have occurred in some depth intervals. For the injection well, both scenarios occur. The halite saturation distribution in the injection well seems to be controlled by the combined effects of changing injection rates associated with changing brine levels, lithology heterogeneities, and different saturation changing processes such as evaporation/precipitation or capillary forces. Such salt precipitations were previously not detected in situ in connection with CO2 injection in saline aquifers. In general, it can be said that PNG monitoring in combination with the extended saturation model is suited to determine displacement and evaporation/precipitation processes for CO2 storage operations. The extended saturation model is needed, especially for injection wells. Otherwise the CO2 saturation will be erroneously underestimated. The depleted gas field at the Altmark site, Germany, has been proposed as a suitable geological formation for CO2 storage operations in combination with enhanced gas recovery. The PNG monitoring potential, with considering of displacement, evaporation/precipitation processes and changing gas-water contacts, is evaluated. As a result, PNG logs can be applied for determination of changes in brine saturation and water content associated with salt precipitation, whereas changes in the gas composition are below the detection limit.

Das übergeordnete Ziel der Arbeit, Menge und Kinetik der Methanbildung aus reifem, organischem Material in Erdöl-/Erdgasmuttergesteinen unterschiedlichen geographischen Ursprungs und Ablagerungsmilieus zu bestimmen, sowie zugrunde liegende Mechanismen zu erkennen, wurde erreicht. Basierend sowohl auf einer neu entwickelten „Screening“-Technik unter Verwendung von MSSV-Pyrolyse, als auch auf der Benutzung einer statistisch signifikanten Menge Proben (n > 100), bestehend aus unreifen Muttergesteinen sowie aus natürlich und künstlich gereiften Muttergesteinsserien, konnte gezeigt werden, dass für jeden Muttergesteinstypus zu Beginn der Metagenese (Vitrinit Reflektion Ro ~2.0%; geologische Temperatur ~200°C) ein spätes Gasgenesepotential von ca. 40 mg/g TOC existiert. Die Beobachtung, dass „Späte Gaspotentiale“ bei Reifen >2.0% Ro anfangen zu sinken, deutet auf die Degradation chemischer Gas-Vorläuferstrukturen im organischen Material hin, was unter geologischen Bedingungen zur Bildung von Methan führt. Die kinetischen Parameter dieser Reaktion wurden anhand einer unreifen Kohlenprobe durch MSSV-Pyrolyse bei drei verschiedenen Heizraten ermittelt und scheinen charakteristisch für die Bildung von Methan durch eine finale Demethylierung von residualem, aromatischen organischen Material bei hohen Temperaturen zu sein.. Die Reaktion verläuft hierbei über α-Spaltungsmechanismen in Verbindung mit Kondensationsreaktionen von aromatischen Clustern, und kann durch eine einzelne Aktivierungsenergie Ea von ~56 kcal/mol und einen Frequenzfaktor A von lediglich 5.00E+9 1/s beschrieben werden Für eine lineare geologische Heizrate von 3°C/ma ist der Beginn der Methanbildung für Temperaturen um die 220°C (Ro ~2.5%) zu erwarten, wohin-gegen der Tmax bei 240°C (Ro ~3.1%) liegt. Das Anwachsen des „späten Gaspotentials“ auf 40 mg/g TOC ist hierbei nicht, wie zunächst angenommen, auf Rekombinations-Reaktionen zweiter Ordnung zwischen Bitumen und residualem organischen Material zurückzuführen, sondern auf Kettenverkürzungs-Reaktionen durch β-Spaltung während der Katagenese. Letzteres führt sowohl zur Bildung von freien Kohlenwasserstoffen als auch zur Bildung von Methyl-Aromaten im aufkonzentrierten, refraktorischen Material, die als chemische Vorläuferstrukturen des später zu generierenden Gases agieren. Da diese das Muttergestein während der Maturation nicht verlassen, ist die Bedeutung der Existenz des „Späten Gaspotentials“, welches bis jetzt bei der Bewertung von konventionellen oder unkonventionellen Petroleumsystemen weitestgehend unberücksichtigt blieb, für z.B. „Gas-in-Place“-Kalkulationen augenscheinlich. The overall goal of the work, which was to assess timing , i.e. kinetics, and amount of thermally driven, metagenetic methane generation from deeply buried, mature kerogen in petroleum source rocks of different geographical and depositional origin, as well as to understand the basic mechanisms involved in this late stage gas formation, was reached. On the basis of a novel, rapid MSSV-pyrolysis screening method spanning the main stage of late gas generation and a large, statistically significant sample set (n > 100) comprising immature source rocks as well as natural and artificial maturity series it was demonstrated that a late gas potential of at least ~40 mg/g TOC exists for every type of source rock at the begin of metagenesis (vitrinite reflection Ro ~2.0%; geologic temperature ~200°C). The observation that late gas potentials of naturally matured source rocks start to decrease for vitrinite reflectances exceeding 2.0% Ro indicates decomposition of gas precursor structures within the residual organic matter and thus methane generation under geological conditions. Based on closed-system MSSV-pyrolysis at three different heating rates and using an immature coal sample, the late methane forming reaction itself can be kinetically described by a single activation energy Ea of ~56 kcal/mol and a surprisingly low frequency factor A of only ~5.00E+09 1/s. Those kinetic parameters seem to be characteristic for high temperature methane formation by a final demethylation of residual aromatic nuclei within spent organic matter via α-cleavage mechanisms involving condensation reactions of aromatic clusters. Extrapolation to a linear geologic heating rate of 3°C/ma revealed onset temperatures of ~220°C (Ro ~2.5%) and a geologic Tmax of ~240°C (Ro ~3.1%). The increase of the late gas potential to ~40 mg/g TOC is not, as previously assumed, related to second-order recombination/stabilisation reactions between first formed bitumen and residual organic matter, but to chain shortening reactions via β–scission in the course of hydrocarbon generation during catagenesis. The latter leads besides a release of labile compounds to concentration and “neoformation” of methyl-aromatics within the residual refractory organic matter, and hence to enrichment of late gas precursor structures. The existence of such a late gas potential, which is up to now mostly overlooked when evaluating conventional and unconventional petroleum systems, has profound implications for e.g. gas-in place calculation for shale gas plays as late methane is sure to be formed from a thermally stable moiety within the residual organic matter and not by degradation of retained C6+ compounds which might as well have left the source kitchen prior to cracking.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des Industriepartner Projektes „BioPets Flux“ zwischen dem GFZ Potsdam und den Industriepartnern BG Group, Devon Energy, ExxonMobil, Petrobras, Repsol YPF, Shell und Statoil. Die Ziele der Arbeit sind es Vorhersagen von Alterationsprozessen in Erdöllagerstätten zu verbessern sowie das Verständnis über die Befüllung zu vertiefen. Die ursprüngliche Zusammensetzung sowie das Volumen von Erdöl in einer Lagerstätte sind häufig durch Prozesse, wie Biodegradation oder Auswaschung alteriert und dies oft zu unterschiedlichem Maße in den einzelnen Lagerstättensegmenten. Solche Alterationsprozesse sind von großer ökonomischer Bedeutung, da sie die Qualität und den Wert des Öls mindern. Im Fokus dieser Arbeit steht das gesamte im Reservoirgestein enthaltene makromolekulare organische Material (inklusive Asphaltene) sowie Asphaltene als separierte Phase. Asphaltene zeigen eine sehr ähnliche Struktur wie das Kerogen aus dem sie gebildet wurden und gelten als resistent gegenüber Alterationsprozessen, wie Biodegradation oder Auswaschung. Mittels der Pyrolyse von Asphaltenen können Teile der ursprünglichen Erdölzusammensetzung der jeweiligen Ölchargen rekonstruiert werden, wodurch sie zur Muttergesteinscharakterisierung sowie zur Charakterisierung des Alterationszustandes und der Befüllung genutzt werden kann. Die Arbeit präsentiert die Ergebnisse des detaillierten Reservoir-Screenings des Heidrun Ölfeldes (Norwegische Nordsee) sowie eine reproduzierbare und lineare Methode zur Asphalten Fällung. Für das Screening wurden 141 Reservoirgesteinsproben und 31 Asphaltene mittels Pyrolyse-GC und Bulk-Pyrolyse analysiert, um laterale und vertikale Heterogenitäten in der Erdölzusammensetzung zu erfassen. Das makromolekulare organische Material der Reservoirgesteine und die separierten Asphaltene wurden mittels bekannter Parameter zur Kerogentypisierung sowie neu entwickelten Parametern charakterisiert. Im Norden des Heidrun Ölfeldes gibt es Hinweise auf eine lakustrin beeinflusste Quelle, während der Hauptteil des Erdöls von einem marinen Muttergestein gebildet wurde. Die Aromatizität und Gaszusammensetzung der Reservoirgestein Pyrolysate zeigen einen direkten Zusammenhang zur Biodegradation. Die detektierten Gradienten in der Zusammensetzung der Pyrolysate konnten mit Unterschieden bezüglich des Biodegradationslevel der Ölchargen die das Heidrun Ölfeld erreichten in Verbindung gebracht werden sowie deren Vermischung. Die Pyrolysate der Asphaltene reflektieren die Gradienten ihrer Reservoirgesteine und geben somit Hinweise so auf eine geringere Resistenz gegenüber Biodegradation als angenommen. Um die kompositionelle Kinetik von Asphaltenen zur Profilierung des Muttergesteins und zur Reservoircharakterisierung zu nutzen, wurden MSSV-Pyrolyse Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen Unterschiede bezüglich der Muttergesteinsreife und/oder deuten auf die Vermischung mit Ölen von anderen Muttergesteinen hin., The present thesis is part of the industry partnership project “BioPets Flux” between the GFZ Potsdam and the industry partners BG Group, Devon Energy, ExxonMobil, Petrobras, Repsol YPF, Shell, and Statoil. The study aims at improving predictions of reservoir alteration postfilling, and enhancing the understanding of reservoir charge history. The original composition and the volume of petroleum in reservoirs are often subjected to post-filling alteration processes, in many cases to variable degrees due to the reservoir compartmentalization. Such alteration processes, e.g. biodegradation or water washing, have strong economic consequences since they lead to a decrease in oil quality and producibility. The focus of this thesis was on the total macromolecular petroleum fraction of reservoir rocks (including asphaltenes) and individual asphaltene fractions separated from oil-stained reservoir rocks. Asphaltenes contain structural and maturity related information of the source, and have been assumed to be unaffected by low temperature alteration processes such as biodegradation or water washing. Thus, pyrolysis of asphaltenes should provide the unaltered oil fingerprint, allowing the source characterisation as well as the estimation of alteration and charge processes. The thesis outlines detailed screening results of the Heidrun reservoir (Norwegian North Sea) and a method developed for asphaltene separation with the main focus on reproducibility and linearity. For the screening a sample set comprising 141 reservoir rocks and 31 single asphaltenes was investigated using open system pyrolysis-GC and bulk pyrolysis in order to detect lateral and vertical compositional variabilities in the Heidrun oil field. Parameters known from kerogen typing studies and newly developed parameters were applied to both the total macromolecular petroleum fraction and the single asphaltenes. Direct correlations were found between the aromaticity of the total macromolecular petroleum fraction and biodegradation. Gradients and regularities in the pyrolysate composition could be correlated to differences in the biodegradation level of oil charges achieved in the field, and their mixing. In the northern part of Heidrun a lacustrine source is suspected, while the main part of the oil field shows indications for a marine source. The asphaltene screening reflects the gradients of their corresponding reservoir rocks and indicate so a possible influence of biodegradation on asphaltenes. MSSV pyrolysis experiments were applied to single asphaltene samples in order to use their compositional kinetic information’s for the delineation of reservoir heterogeneities. The Asphaltene compositional information’s indicate differences concerning the source maturity and mixing effects of oils generated from different sources.

Das allgemeine Ziel dieser Arbeit ist es, die petrophysikalischen Parameter, wie Tongehalt (CC), Porosität (\phi), Sättigungsgrad (S), Permeabilität (k) und Porenwasserleitfähigkeit (\sigma_{w}), von künstlichen Sand- und Tonproben durch Verwendung von nuklearmagnetischer Resonanz (NMR) und spektralen induzierten Polarisation (SIP) zu bestimmen. NMR und SIP Ergebnisse werden integriert ausgewertet und miteinander in Beziehung gesetzt, um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern. Bei geophysikalischen Messungen werden die physikalischen Parameter (wie Realteil (\sigma') und Imaginärteil (\sigma'') der elektrischen Leitfähigkeit von SIP und Relaxationzeiten (T_{1,2}) von NMR) direkt gemessen. Die petrophysikalischen Parameter zur hydrologischen Bewertung sind nicht direkt verfügbar. Deshalb sollten in dieser Arbeit empirische Beziehungen zwischen den gesuchten petrophysikalischen Parametern und den gemessenen geophysikalischen Parametern bestimmt werden. NMR ist in der Geophysik vor allem durch Anwendungen in der Bohrlochmessung und im Labor bekannt. Der Vorteil von NMR ist die direkte Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffatomen \left(^{1}H\right). Die SIP Technik wird häufig im Labor verwendet, um den komplexen Widerstand über einen weiten Frequenzbereich von mHz bis MHz zu berechnen. Mehrere NMR und SIP Experimente mit künstlichen tonigen Sand Proben (0% bis zu 100% Massenanteil Ton, ca. 400 Proben) mit unterschiedlichen Graden von \sigma_{w} und S wurden durchgeführt, um die empirischen Beziehungen zur Abschätzung petrophysikalischer Parameter zu finden. Der Einsatz von NMR und SIP Messungen gibt eine gute und eindeutige Möglichkeit, die voll- oder teilweise mit frischem oder salzhaltigem Wasser gesättigten sandigen und tonigen Proben voneinander zu unterscheiden, das heißt, es ist möglich, die sandigen und tonigen Schichten mit diesen Methoden zu unterscheiden, unabhängig davon, ob sie Salzwasser enthalten oder ob sie teilweise mit Wasser gesättigt sind. Durch die Verwendung der SIP Methode allein ist diese Unterscheidung jedoch nicht möglich, da die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit nicht eindeutig auf die Existenz von Ton oder auf die Anwesenheit von Salzlösung innerhalb der Formation zurückzuführen ist. Diese Unterscheidung hängt von T_{1,2}- Relaxationszeiten ab, wobei die gemessenen T_{1,2}- Relaxationszeiten für tonige Proben kleiner sind als die für sandige Proben. Der Effekt der Porenwasserleitfähigkeit auf die gemessenen Relaxationszeiten ist sehr klein im Vergleich zu dem Effekt des Tongehaltes. Die Beziehungen zwischen petrophysikalischen Parametern und gemessenen NMR- und SIP- Parametern konnten auch empirisch gehalten werden. Die Genauigkeit dieser Gleichungen ist akzeptabel, aber es wird empfohlen, die erhaltenen Beziehungen mit natürlichen Proben zu bestätigen, um die Qualität dieser Gleichungen bei der Anwendung auf Feldmessungen in zukünftigen Studien zu testen., The general objective of this thesis is to estimate the petrophysical properties of sand and clay artificial samples such as clay content (CC), porosity (\phi), saturation degree (S), permeability (k) and pore water conductivity (\sigma_{w}) by use of nuclear magnetic resonance (NMR) and spectral induced polarization (SIP) methods. NMR and SIP results are also interpreted and correlated together to improve the quality of the result. From the measurements the physical parameters (like real part (\sigma') and imaginary part (\sigma'') of the electrical conductivity determined by SIP and relaxation times (T_{1,2}) determined by NMR) are measured. The petrophysical parameters of interest for hydrological evaluation are not directly available. So relations between required petrophysical parameters and measured geophysical parameters are needed. NMR is mainly known in geophysics from well logging applications and laboratory measurements of cores. The advantage of NMR is based on its direct sensitivity to hydrogen atoms \left(^{1}H\right). SIP technique is commonly used in the laboratory to assess complex resistivity over a wide frequency band from mHz to MHz. Several NMR and SIP experiments on artificial clayey sand samples (0% by weight clay up to 100% by weight clay, about 400 samples) with different degrees of \sigma_{w} and S were conducted to establish empirical relationships to estimate the petrophysical parameters. The use of NMR and SIP measurements gives a good and clear possibility to distinguish the sandy and clayey formations which are fully or partially saturated with fresh or saline water, i.e. it is possible to distinguish the sandy and clayey layers using these methods, regardless of whether they contain salt water, or they are partially saturated with water. This distinction is not possible by the use of SIP method alone, where it is not possible to know if the electrical conductivity of the strata is a result of the existence of clay or a result of the presence of saline pore water within the formation. This distinction depends on T_{1,2} relaxation times, where T_{1,2} relaxation times measured for clayey samples are smaller than those measured for sandy samples. The effect of pore water conductivity on the measured relaxation times is very small compared to the effect of clay content. The relationships between petrophysical parameters and measured NMR and SIP parameters could be empirically obtained. The accuracy of these equations is acceptable but it is recommended to validate the obtained relationships with natural samples to test the quality of them, when applying to field measurements in further studies.

Die Methode der Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) ermöglicht die Analyse des wassergefüllten Porenraumes. Geophysikalische NMR-Verfahren erlauben die Abschätzung des Wassergehaltes und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Porenraumes im Labor- und Feldmaßstab sowie die Porengrößenverteilung (PGV) im Labormaßstab. Es ist zu erwarten, dass diese Verfahren ebenso zur Abschätzung effektiver hydraulischer Parameter in der vadosen Zone potentiell geeignet sind. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Potenzial auf Labor- und Feldskala untersucht und bewertet. Auf der Grundlage einfacher Porenmodelle, für die das mathematisch-physikalische Problem der NMR-Relaxation analytisch gelöst werden kann, wird der Zusammenhang zwischen Relaxationszeit und Sättigungsgrad des Porenraumes untersucht. Es zeigt sich dabei, dass die Annahme darüber, wie das Restwasser im Porenraum gebunden ist, die Relaxationscharakteristik entscheidend beeinflusst. Im Labormaßstab wurde anhand künstlicher und natürlicher Proben getestet, ob die NMR-basierte PGV eine Abschätzung der Wasserretentionsfunktion (WRF) darstellt. Es wird gezeigt, dass die Übereinstimmung von NMR-PGV und WRF nur für Lockersedimente mit einem Tonanteil von weniger als 10% gültig ist. Die bevorzugte Empfindlichkeit der NMR-Methode für die Porenbäuche sorgt für eine mit dem Tonanteil zunehmende Abweichung im Vergleich zu konventionellen WRF Messungen, welche ihrerseits auf Porenhälse sensitiv sind. Eine glaubwürdige Abschätzung hydraulischer Parameter aus NMR-PGVs ist also nur für sandige Böden möglich. Auf der Grundlage des gut bekannten Brooks-Corey-Modells wird ein empirischer Ansatz entwickelt, der die relative Relaxationszeit bei Teilsättigung mit der relativen hydraulischen Leitfähigkeit K_{rel} (Verhältnis aus ungesättigter und gesättigter Leitfähigkeit) verknüpft. Dieser Ansatz wird mithilfe konventioneller Labor-NMR durch T_2 Messungen und in modifizierter Form für T_2^* Messungen im Erdmagnetfeld bestätigt. Die Abschätzung von K_{rel} aus T_2^* Messungen kann im Prinzip für die NMR-Feldanwendung, also für Magnetische Resonanz Sondierungen (MRS), adaptiert werden, was an einem Feldbeispiel gezeigt wird. Allerdings hat die praktische Anwendung dieses Ansatzes im Feldmaßstab noch technische und konzeptionelle Grenzen und muss in zukünftiger Forschungsarbeit weiter untersucht werden. Alternativ dazu wird ein neues Inversionsverfahren für die MRS-Methode eingeführt, welches ausschließlich die NMR-Amplituden benutzt und direkt den kapillaren Aufstieg mithilfe des Brooks-Corey-Modells parametrisiert. Ein weiteres Feldbeispiel zeigt, dass auch dieser Ansatz unter der Voraussetzung, dass der Kapillarraum im Gleichgewicht ist, eine plausible Abschätzung von K_{rel} erlaubt., The method of nuclear magnetic resonance (NMR) is sensitive to water-filled pores and to pore-space properties, respectively. Geophysical NMR applications allow for estimating water content and saturated hydraulic conductivity on laboratory and field scale, as well as the pore size distribution (PSD) on laboratory scale. Thus, these applications are expected to have also a great potential for estimating effective hydraulic parameters in the vadose zone. This potential is investigated and assessed in this work on the laboratory and on the field scale, respectively. The theoretical analysis of the underlying mathematical-physical concepts describing the NMR relaxation phenomenon in simple pore geometries shows that the relaxation characteristics of partially saturated pores significantly depends on the assumption how the remaining pore water is kept in the pore during the desaturation. On the laboratory scale, NMR measurements with artificial and natural soil samples were conducted to test the reliability of the NMR-based PSD to be an estimate of the water retention curve (WRC). It is shown that this estimation is only possible for samples with clay contents smaller than approximately 10%. NMR methods are sensitive to the pore bodies, which is contrary to the pore-throat sensitivity of conventional WRC measurements and leads thus to an increasing difference between NMR-PSDs and WRCs with increasing clay content. It must be concluded that a plausible estimation of hydraulic parameters from the NMR-PSD is possible for sandy soils only. Based on the well known Brooks-Corey model, an empirical approach is developed, which relates the relative relaxation time at partial saturation to the relative hydraulic conductivity K_{rel}, i.e., the ratio of the unsaturated and the saturated conductivities. This approach is verified in the laboratory for T_2 measurements with conventional NMR and, in a modified form, for T_2^* measurements with earth’s field NMR, respectively. The estimation of K_{rel} from T_2^* can, in principle, also be adapted for the field application of NMR, the magnetic resonance sounding method (MRS), which is shown with a field example. However, this approach still exhibits conceptional and technical limitation and must be investigated further. As alternative, an additional inversion approach for MRS is introduced, which uses only the NMR signal amplitudes and parameterizes directly the capillary fringe in the subsurface by using the Brooks-Corey model. A further MRS field example shows that this approach also allows for a plausible prediction of K_{rel} under the assumption that the capillary fringe is in a state of equilibrium.

Metamorphe Koronen sind ein typisches Merkmal metamorpher Gesteine. Das Saumwachstum wird von zahlreichen Parametern wie Druck, Temperatur, der Zeit, der chemischen Zusammensetzung und der Anwesenheit von Fluiden beeinflusst. Anhand von Laborexperimenten lassen sich Transportmechanismen, Reaktionsraten und Komponentenmobilitäten in Reaktionssäumen als Funktion dieser Parameter bestimmen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Komponentenmobilitäten im ternären System CaO-MgO-SiO2 zu bestimmen und anhand dessen ein besseres Verständnis für das Wachstum komplexer natürlicher Koronen zu erlangen. Der erste Teil behandelt das Wachstum eines monomineralischen, polykristallinen Åkermanitsaumes (Ca2MgSi2O7) zwischen Monticellit (CaMgSiO4) und Wollastonit (CaSiO3). Das Saumwachstum wird bei 1200°C und 0.5 GPa ausschließlich durch die Diffusion von MgO kontrolliert und lässt sich mit D(eff,MgO,Ak) = 10^(-15.8 +/- 0.1 m^2s^(-1)) beschreiben. Zwischen 1000°C und 1200°C folgt einer Arrheniusbeziehung mit Ea = 204±18 kJ/mol und D0 = 10^(-8.6 +/- 1.6 m^2s^(-1)). Mit zunehmender Reaktionsdauer führt Kornwachstum zu einer Abnahme der Korngrenzdichte im Saum. Die Tatsache, dass dies keine Auswirkungen auf hat weist darauf hin, dass es sich beim Transport von MgO im Saum überwiegend um Volumendiffusion handelt. Im zweiten Teil wird der Einfluss sehr kleiner Wassermengen auf die Mikrostruktur bimineralischer Diopsid (CaMgSi2O6) - Merwinit (Ca3MgSi2O8) Reaktionssäume diskutiert, die sich bei 900°C und 1.2 GPa zwischen Monticellit und Wollastonit bilden. Das Gesamtsaumwachstum wird ausschließlich durch die Diffusion von MgO D(eff,bulk,MgO,di+mer) = 10^(-16.3 +/- 0.2 m^2s^(-1)) kontrolliert, wobei die Reaktionsrate nicht durch zunehmende Wasserkonzentrationen, zumindest von solchen im Rahmen dieser Studie angewendeten, ,beeinflusst. Eine zelluläre Mikrostruktur, die sich durch pallisadenförmige, alternierende senkrecht zur Reaktionsfront angeordnete, Diopsid-, und Merwinitkörner auszeichnet, bildet sich ausschließlich, wenn MgO deutlich mobiler ist als CaO und SiO2. Eine lagige Mikrostruktur, die sich durch eine parallel zu den Reaktionsfronten angeordnete Abfolge Merwinit | Diopsid | Merwinit auszeichnet, bildet sich, wenn entweder CaO oder SiO2 oder beide eine ähnliche Diffusivität aufweisen wie MgO. Die Tatsache, dass sich eine lagige Mikrostruktur bevorzugt bildet, wenn höhere Wasserkonzentrationen vorliegen, lässt darauf schließen, dass die Verfügbarkeit von kleinen Wassermengen entscheidenden Einfluss auf die relativen Komponentenmobilitäten und folglich die Mikrostruktur von Reaktionssäumen hat. Der dritte Teil behandelt den Einfluss kleiner Wassermengen auf mehrlagige Saumabfolgen. Die Verwendung von OH-gedoptem Periklas (MgO) als Ausgangsmaterial gibt uns die Möglichkeit sehr kleine, quantifizierbare Wassermengen in Saumwachstumsexperimente einzubringen. Anhand des Wachstums eines Forsterit (Mg2SiO4) - Enstatit (MgSiO3) Doppelsaumes lässt sich zeigen, dass Änderungen in der Wasserkonzentration das Dickenverhältnis der beiden Phasen und folglich das Verhältnis der relativen Mobilität der saumwachstumskontrollierenden Komponente(n) zwischen den einzelnen Phasen beeinflussen. Saumwachstumsexperimente zwischen Periklas und Wollastonit bei variierenden Wasserverfügbarkeiten zeigen, dass Wasser für die Nukleation metamorpher Reaktionsprodukte als Katalysator benötigt wird. Die minimale Wasserkonzentration, welche für die Nukleation von Åkermanit benötigt wird, ist kleiner als diejenige für Forsterit, gefolgt von Monticellit und Merwinit. Bei ausreichend hoher Wasserkonzentration ergibt sich die Abfolge Periklas | Forsterit | Monticellit | Merwinit | Åkermanit | Wollastonit. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Wasser nicht nur die Reaktionsrate, sondern auch die Mikrostruktur, das relative Dickenverhältnis und die Saumabfolge von Reaktionssäumen beeinflusst. Growth of reaction rims and metamorphic coronas is recorded in many metamorphic rocks. Various parameters such as pressure, temperature, time, the chemical composition of a system and the presence of fluids may affect reaction rim growth. Laboratory experiments are the method of choice to derive transport mechanisms, reaction rates and component mobilities in polycrystalline rims as a function of these parameters. The major goal of this study is to derive component mobilities in rim growth experiments in the ternary system CaO-MgO-SiO2 and get a better understanding of the growth of complex natural coronas. In the first part, growth of a monomineralic, polycrystalline åkermanite (Ca2MgSi2O7) reaction rim between monticellite (CaMgSiO4) and wollastonite (CaSiO3) is investigated. Rim growth is solely controlled by MgO-diffusion with D(eff,MgO,Ak) = 10^(-15.8 +/- 0.1 m^2s^(-1)) at 1200°C and 0.5 GPa. Between 1000°C and 1200°C, the effective bulk diffusion coefficient follows an Arrhenius law with Ea = 204 ± 18 kJ/mol and D0 = 10^(-8.6 +/- 1.6 m^2s^(-1)). With increasing run duration, growth of åkermanite grains led to a successive decrease of the grain boundary area fraction. This does not affect , which implies that rim growth is essentially controlled by volume diffusion. The second part focuses on the effect of small, undefined amounts of water on the microstructure of bimineralic diopside (CaMgSi2O6) - merwinite (Ca3MgSi2O8) reaction rims growing between monticellite and wollastonite at 900°C and 1.2 GPa. Overall rim growth rates are solely controlled by diffusion of MgO with D(eff,bulk,MgO,di+mer) = 10^(-16.3 +/- 0.2 m^2s^(-1)) and are not affected by an increasing water concentration, at least in the range of the conditions used in this study. A “cellular” microstructure of alternating palisade-shaped diopside and merwinite grains elongated normal to the reaction front develops at relatively dry conditions, if MgO is substantially more mobile than the other components CaO and SiO2. A “segregated multilayer” microstructure with almost perfectly separated monomineralic merwinite | diopside | merwinite layers oriented parallel to the reaction fronts develops, if either CaO or SiO2 or both have relatively high diffusivities that are comparable to MgO-diffusivities. The fact that a segregated microstructure develops at more humid conditions implies that small amounts of water may significantly change relative component mobilities and, consequently, the internal rim organization. In the third part, the effect of small amounts of water on multilayered reaction rim growth is discussed. The usage of OH-doped periclase (MgO) as starting material provides a method to introduce very small controlled amounts of water on the ppm-level in rim growth experiments. Growth of a forsterite (Mg2SiO4)-enstatite (MgSiO3) double-layered reaction rim between periclase and quartz (SiO2) in presence or absence of minute amounts of water shows that changes in the present water concentration affect the forsterite-enstatite thickness ratio and therefore the relative mobility of the growth rate controlling component(s) between the layers of a reaction rim. Rim growth reactions between periclase and wollastonite in presence of various water concentrations show that small amounts of water are a necessary catalyst to nucleate metamorphic reaction products. The water concentration that is required to nucleate åkermanite is smaller than for forsterite, followed by monticellite and finally merwinite. The final succession in presence of a water concentration allowing the nucleation of all product phases gives reaction rims with the sequence periclase | forsterite | monticellite | merwinite | åkermanite | wollastonite. This study shows that minute amounts of water do not only affect the overall growth rate but also the microstructure, the relative thickness ratios and the sequences and overall organization of reaction rims.

Moderne satellitengestützte Erdbeobachtungsverfahren benötigen Kenntnis über die Position und Geschwindigkeit (und Ausrichtung) der verwendeten Messinstrumente/-plattformen, respektive der sie tragenden Satelliten, mit sehr hoher Präzision. Zur Zeit kann die Genauigkeit aktueller analytischer Bahntheorien mit den erreichten Messgenauigkeiten nicht Schritt halten (nicht mehr bzw.~noch nicht wieder). In den meisten Fällen werden die benötigten Satellitenbahnen heutzutage deshalb numerisch integriert, unter Verwendung von Potenzreihen-Ansätzen. Erkenntnisse über die Satellitenbewegung, die solchen Berechnungen entspringen, sind in Strenge immer nur für den gerade betrachteten Einzelfall gültig. Man erhält (lange) Zahlenkolonnen über die Zustandsänderung des Satelliten. Aus diesem Zahlenwerk, das vollständig im Zeitbereich vorliegt, werden zwar nachträglich durch Frequenzanalyse periodische Effekte sichtbar - deren Interpretation und Rückführung auf physikalische Ursachen bleibt in aller Regel jedoch vage und kann erst recht nicht verallgemeinert werden. Durch die Wahl eines alternativen Ansatzes für die numerische Integration werden möglichst die Vorteile beider Wege zur Bahnberechnung kombiniert. Die Verwendung eines Liereihen-Ansatzes führt zwar immer noch auf eine Potenzreihe bezüglich der Zeit als Lösungsform für das Anfangswertproblem, jedoch sind die Reihenkoeffizienten nunmehr konsequent spektral darstellbar und ermöglichen Einblicke in die physikalischen Ursachen von Bahnstörungen. Man bestimmt die Satellitenbahn, ganz wie bei den gewöhnlichen numerischen Integrationen, schrittweise in der Zeit. Bei Bedarf kann nun allerdings ein vollständig interpretierbarer Formelapparat angegeben werden, der den (langen) Zahlenkolonnen zugrunde liegt. In diesem Sinne könnte man dann von einer semi-analytischen Bahntheorie sprechen. Die vorliegende Arbeit stellt das Konzept theoretisch im Detail und praktisch anhand einiger speziell vereinfachter Kraftmodelle vor. Während der Herleitung des Ansatzes tauchen diverse Nebenfragestellungen auf, die ihrerseits in den beigefügten Anhängen ausführlicher besprochen werden. Modern Earth observation techniques based on satellites require very precise knowledge of position and velocity (and attitude) of the on-board instruments/measuring platforms or the satellite body carrying it. Available analytical orbital theories can't keep up with the accuracy level of present-day measurements (no longer and not yet again, respectively). Therefore, in most cases satellite orbits are being integrated numerically today, using a power series approach. Actually, findings about the satellite's motion, resulting from these kind of calculations, are only valid for the very special case just under consideration. It yields (long) columns of numbers representing state changes of the satellite. Out of this numerical huddle, completely related to the time domain, periodical effects might be uncovered by applying spectral analysis techniques afterwards. But its interpretation and connection with physical causes remains rather hazy and can't be generalized at all. By choosing an alternative approach for the numerical integration, the advantages of both ways (analytical and numerical orbit determination, respectively) will be combined. The usage of a Lie series approach still leads to a power series in time form of solution to the initial value problem, but now the series coefficients can strictly be expressed in spectral domain. This enables some insight into the physics of orbital perturbations. As with usual numerical integration techniques, the satellite's orbit will be calculated stepwise in time. However, a completely interpretable set of formulas, which is behind the (long) columns of numbers, can be quoted on demand. As a result, this approach may be qualified as a semi-analytical orbital theory. This present work introduces the whole concept theoretically in detail and shows how to apply it to some special simplified force models. Following the derivation of the main approach, some joint questions show up. These are being treated in-depth within several appendices.

Diese Arbeit befasst sich mit der Auswertung von historischen Bildern unterschiedlichster Art zur Dokumentation von Objekten des Weltkulturerbes. Beispielhaft wurde verfügbares Bildmaterial (vertikale, terrestrische und Schrägaufnahmen) der Stadt Baalbek in Lebanon verwendet und photogrammetrisch ausgewertet. Bei der Verarbeitung des historischen Bildmaterials tritt eine Vielzahl von Problemen auf, deren Ursache in der Aufnahmesituation (wie zum Beispiel: unterschiedliche Aufnahmezeitpunkte, unterschiedliche Bildmaßstäbe, verschiedene Flughöhen und verschiedene Kameras) bzw. in der Beschaffenheit der Bilder zu sehen ist (unterschiedlicher Kontrast der Grauwerte in den Bildern, Bildrauschen). In der Regel sind keine Daten über die verwendeten Kameras bekannt, was eine Auswertung wesentlich erschwert. In dieser Arbeit wird eine Strategie entwickelt, die einen Beitrag zur kombinierten Auswertung von historischen Bildern liefert. Der Lösungsansatz sieht drei Stufen vor: Unter diesen Bedingungen von den verwendeten Bildern wird in dieser Arbeit eine entsprechende Strategie basiert auf verschiedenen Klassen von historischen Bildern zur Kamerakalibrierung und Bildorientierung entwickelt. Diese Strategie liefert einen effektiven Beitrag für den relativen Orientierungsprozess, da diese kombinierte Auswertung von den historischen Bildern bisher nur unzureichend untersucht wurde. Sie bildet daher einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Zunächst müssen die verfügbaren Bilder im Koordinatensystem Baalbeks gemeinsam orientiert werden, um die unbekannten Parameter der inneren sowie der äußeren Orientierung zu bestimmen. Diese Parameter werden durch einen speziellen Algorithmus auf Basis der Bündelblockausgleichung berechnet und somit die Verzerrungsparameter (radial und dezentral) ermittelt. In der Arbeit wird untersucht, wie die Näherungswerte der Unbekannten optimal geschätzt werden und wie weit sie die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit beeinflussen. Zur relativen Orientierung der historischen Bilder von Baalbek wurde ebenfalls die Methode der Bündelblockausgleichung angewendet, da sie den Zusammenhang zwischen den Bildkoordinaten (als Beobachtungen) und den Objektkoordinaten direkt, d.h. ohne Umweg über Modellkoordinaten, herstellen kann. Dieser Zusammenhang lässt sich durch die mathematische Beziehung zwischen den Beobachtungen L ̃_i (z. B. Bildkoordinaten, Passpunkten, usw.) und den Unbekannten X ̃_i (wie z. B. die Parameter der inneren und äußeren Orientierung) präsentieren. Diese Beziehung kann mathematisch als funktionales Modell dargestellt werden, welches als die im Ausgleichungsprozess angewendete Hauptform gilt. Generell ist der funktionale Ansatz nichtlinear, deshalb wird im Rahmen der Arbeit der Lösung dieses Problems spezielle Aufmerksamkeit gewidmet. Unter der Annahme, dass die Ausgleichung generell mit linearen Funktionen gelöst werden kann, wird ein Linearisierungsprozess eingeführt. In den jetzt orientierten Bildern können räumliche Objektkoordinaten gemessen werden, um 3D-Objekte zu rekonstruieren. In dieser Arbeit wird untersucht, in wie weit durch die Kombination der verschiedenen historischen Bilder eine beste 3D-Objektrekonstruktion möglich ist. Die 3D-Daten Baalbeks liefern den Input zu einer 3D-Modellierung basierend auf CityGML (City Geography Markup Language). Daher beleuchtet die Arbeit, welcher Detaillierungsgrad (Level of Detail-LOD) bei der Modellierung erreicht werden kann. Darüber hinaus werden, soweit möglich, CityGML-Objekte (CityGML-Entitäten) der Stadt Baalbek durch semantische Informationen angereichert (z. B. Kategorie, Name und Adresse des Objekts), da sie einen wesentlichen Mehrwert für die Analyse der historischen Entwicklung der Stadt liefern. Mit der vorliegenden Arbeit wurde erreicht, dass die interne geometrische Konfiguration der unterschiedlichen verwendeten Kameras unter Berücksichtigung der Linsenverzerrung bestimmt werden konnte, und somit eine integrierte dreidimensionale Vermessung auf der Basis historischer Bilder möglich ist. Als weiteres anwendungsbezogenes Ergebnis wurde ein 3D-Stadtmodell von der historischen Stadt auf der Basis von CityGML in zwei verschiedenen LODs generiert., Within this research the combined evaluation of different types of historical photos for the documentation of cultural heritage sites is discussed. For this purpose the historical photos of Baalbek in Lebanon have been used which can be classified into three types: vertical, oblique and terrestrial photos. Due to the poor properties of these photos (such as: different cameras used and no primary data of cameras’ parameters, different image scales, different altitudes of the flight, the contrast of the gray values and the image noise are relative high, in addition the images had been taken in different dates, etc.), it is not a priori clear by which combination of the image orientation process the best results (namely, the accurate determination of camera parameters) could be achieved. Therefore, an approach for the relative orientation process will be discussed. Since the relative orientation is the position recovery and orientation of one image system relative to another, the potential of the mentioned approach is to reveal (from a mathematical point of view) the direct and indirect impact between the historical images of Baalbek to each other. It can be considered as a new contribution for the image orientation process based on the combination of different image types. This approach consists of three steps; the first one is the orientation of each image type in a separated block with its special properties (e.g. for each type a special camera was assumed). Second, the orientation process only for the vertical and oblique photos together has been achieved. Finally, all types of historic Baalbek’s photos have been assembled into the same block and then oriented. The abovementioned orientation steps were carried out using the bundle block adjustment method. This way has been selected because it enables to model the direct relation between the photo’s reference system and object space optimally. The mentioned relation between both systems describes the relationship between the input data which are called observations L ̃_i (e.g. the coordinates of image points, control points, etc.) and unknown parameters X ̃_i (e.g. the parameters of interior and exterior orientation). The requested relationship can be mathematically presented through a model (called a functional model) which will be the main form applied in the adjustment problem. In general, the functional model is highly non-linear; therefore a special emphasis has to be respected when solving this problem. Due to the assumption that the adjustment method is generally achieved with linear functions, a linearization process should be enforced. Based on the oriented model of the historical photos, the combination between the different historical images of Baalbek - in order to achieve a best possible 3D object reconstruction will be evaluated by independent controls. Moreover, Baalbek’s 3D data extracted from oriented historical photos will be considered the main input data used for a 3D CityGML modelling (City Geography Markup Language). CityGML modelling supports different Levels of Detail (LODs); by them different data collections can be represented and modelled. In this context, it will be investigated: in which LOD Baalbek data acquired can be modelled! In other words: based on the quality check of Baalbek data we want to know in which LOD Baalbek data available could be modelled. In addition, the semantic modelling of this city should be taken into account, because the geometric model does not support all information needed (e.g. classification of objects, building function, building class, names, etc.). Thus, the objects’ geometry isn’t the only quality concern. This will guarantee the creation of a geometric and semantic 3D city model of Baalbek which on the one hand provides an important document for this city and on the other hand allows to understand and to enable the analysis of the historical developments of Baalbek’s building remains from the prehistoric date until 20th century. Work results are: the internal geometric configuration of the different cameras used and the lens systems were determined; so that the measurement of the applicable 3D object points is possible. Moreover, the quality of Baalbek’s data extracted based on the oriented model of the photos has been checked. Depending on the quality assessment of Baalbek’s data a 3D city model of this historic city was created in two different LODs. The results will be also considered a data base for other applications and projects in Baalbek’s space (for e.g. the Geoinformation System GIS, archaeology, architecture, etc.).

Die Shiranish Formation wurde während der Synriftphase des Euphratgrabens abgelagert. Die Shiranish-Sedimente haben einen hohen organischen Kohlenstoffanteil und sind potentielle Erdöl/Erdgas-Muttergesteine. Der untere bzw. der obere Teil der Shiranish Formation (USF, LSF) ist durch hochfrequente Ablagerungszyklen geprägt (Wechsellagerung von hellen und dunklen, tonreichen Intervallen). Aufgrund der Mineralzusammensetzung, wird die USF in zwei Subforamtionen, die USF-1 und die USF-2, unterteilt. Die LSF und die USF-2 ähneln sich im hohen Tonanteil, im Auftreten von Ankerit und in niedrigen δ13Corg Werten, welche typisch sind für Paläomethanogenese. Im Gegensatz dazu ist die USF-1 durch einen hohen Organikanteil, Karbonatablagerungen und siliziklastische Gesteine gekennzeichnet. Die USF enthält den Kerogentyp II bis II-III und zeichnet sich durch einen kontinuierlich ansteigenden organischen Kohlenstoffanteil (TOC) und Wasserstoffindex (HI) aus. Im zentralen Graben ist die USF durch niedrige Diasteranindices und Ts/(Ts+Tm) Verhältnisse gekennzeichnet, was auf anoxische, tonarme oder karbonatreiche Muttergesteine hindeutet. Im Gegensatz dazu, enthält die LSF den Kerogentyp II-III und hat niedrigere TOC und HI Werte. Der Sauerstoffindex (OI) ist auffällig höher als in der LSF. Des Weiteren hat die LSF relativ hohe Diasteranindexwerte und Ts/(Ts+Tm) Verhältnisse, charakteristisch für Einflüsse die bei der Ablagerung von feinkörinigen siliziklastische Gesteinen vorherrschen. Während der Ablagerung der USF traten höhere Sedimentationsraten auf und es wurde mehr organisches Material abgelagert als in der LSF. Während der Ablagerung der LSF Sedimente herrschte der Eintrag von terrestrischem organischem Material unter marinen Bedingungen vor. Während der Sedimentation der USF herrschte ausgedehnte Tiefwasseranoxia vor. Die δ15N Werte steigen von der Basis zum Top der Shiranish Formation von 3 ‰ auf 7 ‰ an, was auf eine zunehmend hohe Paläoproduktivität und Diagenese hindeutet. Die LSF im zentralen Graben zeigt ein gutes Potential für Kohlenwasserstoffe, und ein höheres Potential für die USF. Entlang der Grabenschultern zeigen die LSF und USF-2 gutes Muttergesteinspotential, wohingegen die USF-1 sehr gutes bis exzellentes Muttergesteinspotential aufweist. Diese Unterschiede sind durch Ablagerungsbedingungen besser geeignet für Akkumulation und / oder Erhaltung von größeren Mengen von OM im zentralen Graben. Die Muttergesteinsreife variiert lateral von unreifem organischem Material im äußeren Randbereich des Grabens zu reifem organischen Material in Richtung Zentrum. Das reife organische Material fällt in das Ölfenster und generierte Petroleum von guter Qualität. Die Ergebnisse der offenen Pyrolyse widerspiegeln das vorwiegend marine organische Material der LSF und USF, mit einer deutlichen aliphatischen Kohlenwasserstoffsignatur und relativ geringen Schwefelanteilen. Es hat das Potenital, ein paraffinisch-naphtenisch-aromatisches niedrig- bis vielwachs- Rohöl zu generieren. Die Reichweite umfasst in dem Gas-Feld für die LSF den zentralen und den nördlichen Bereich. Die Veränderungen der Distributionen von Aktivierungsenergie sind eng in den zentralen Graben und bekommen breiter an der Rändern. Im Zentralteil des Beckens wurden überwiegend autochthone marine organische Substanzen abgelagert. An den Rändern des Grabens sedimentierten organische Typen terrestrischer und mariner Herkunft. Möglicherweise waren in diesen Bereichen auch die Erhaltungs-Bedingungen nicht optimal. Die errechnete Prognosen für den Zeitpunkt der Öl-Generation für die USF und LSF zeigen eine Variation in den Bedingungen des Beginns und Peaks der Generation von Temperaturen. Der Beginn der Ölbildung erfolgte im zentralen Bereich bei 136°C in der USF und bei 144°C in der LSF. Das entspricht einem Unterschied in der Versenkungstiefe von 360 m während der Kohlenwasserstoffgenese. Kompositionelle Kinetikmodellierungen zeigen, dass Gas in höheren Mengen in der LSF entstand als im Vergleich zu den USF. „Gaskicks“ während des Abteufens von Bohrungen in die LSF können durch zwei Szenarien interpretiert werden: (A) das Gas wurde in der darunter liegenden R'mah Formation gebildet und migrierte aufwärts (weniger wahrscheinlich). Dieses Szenario würde darauf hinweisen, dass die tonigen Intervalle der unteren Shiranish Formation eine Falle für das aufsteigende Gas bilden. (B) Das Öl wurde insitu gebildet und blieb in der unteren Shiranish Formation. Dieses Öl wurde zum Gas an grüßen Tiefen gecrackt (ist eher möglich). The Shiranish Formation was deposited during the pre- to synrift phase of the Euphrates graben formation. The Shiranish sediments are rich in organic carbon and are potential source rocks in the Euphrates Graben. The subdivision into a lower and an upper part of the Shiranish Formation (USF, LSF) is overprinted by sedimentary cyclicity on high frequency (alternations of light-coloured and dark clay-rich intervals). According to the mineralogical composition the USF is composed of two submembers USF-1 and USF-2. The LSF and USF-2 resemble in higher kaolinite, ankerite contents and lower δ13Corg values, which indicate palaeo-methanogenesis. In contrast, USF-1 is characterised by intense organic matter and mixture of carbonate and clay deposition. A kerogen type II to II-III, and continuously increasing total organic carbon (TOC) contents and hydrogen index (HI) values characterizes the USF. In the central graben the USF is characterized by low diasterane indexes and Ts/ (Ts+Tm) ratios, indicating anoxic mix clay-carbonate source rocks. In contrast, the LSF is characterized by a kerogen type II-III, and lower TOC contents and HI values. The oxygen index (OI) values are markedly higher than in the LSF. Moreover, the LSF has relatively high diasterane index values and Ts/ (Ts+Tm) ratios, representing a fine-grained siliciclastic influence. A high sedimentation rate prevailed during deposition of the USF, and higher amounts of marine organic matter were incorporated in the sediments compared to LSF A strong input of terrestrial organic matter under shallow marine conditions prevailed during deposition of LSF sediments. During sedimentation of the USF extended bottom water anoxia prevailed. δ15N values increase from bottom to the top of the Shiranish Formation (from 3‰ to 7‰) and indicate a progressively higher palaeo-productivity and diagenesis influences. The LSF in the central graben shows a good potential for hydrocarbons, and a higher potential in the USF. Along the graben margins the LSF and USF-2 exhibit a good source rock potential, whereas USF-1 has a very good to excellent source rock potential. These differences are due to depositional conditions more suitable for accumulation and/or preservation of higher amounts of OM in the central graben. Maturity varies laterally from immature organic matter in the margin graben to oil window maturity towards the central graben. Open system pyrolysis reflects that the LSF and USF contain predominately marine kerogen with a strong aliphatic hydrocarbon signature and relatively small sulphur contents. They have the potential to generate paraffinic-naphthenic-aromatic low, high and high paraffinic wax petroleum type organofacies and range into the gas field for the LSF in the central and northern area. The changes of activation energy distributions from narrow for the USF in the central Graben, towards broader activation energy distributions at the margins of graben indicate that dominantly autochthonous marine organic matter was deposited in the central part of the basin, whereas at the margins mixed organic matter types (terrestrial and marine) were deposited and possibly also preservation conditions were not optimal. The calculated predictions for the timing of petroleum generation for the USF and LSF show a variation in the terms of the onset and peak generation temperatures. In the central area, the predicted petroleum formation began at 136 °C for the USF and at 144 °C for the LSF. This corresponds to ca. 360 m difference in burial depth for petroleum formation. The compositional kinetic model displays that gas shows occur in higher quantity in the LSF compared to the USF. Gas kicks during drilling the LSF can be interpreted by two scenarios. First one is less likely; Gas migrated upwards from the underlying R’mah Formation. The shaly intervals within the lower Shiranish Formation acted as trap for this gas. Second is more likely; Oil was generated and retained in the lower Shiranish Formation and cracked to gas when buried to greater depth.

Anorthosite sind Plagioklas-Kumulatgesteine und charakteristische Bestandteile der proterozoischen Erdkruste. Ihre Entstehung wird im Allgemeinen entweder als partielles Schmelzen des oberen Erdmantels oder Aufschmelzung mafischer Unterkruste diskutiert. Die magmatische Entwicklung wird als polybare Kristallisation mit Bildung von Plagioklas-Flotationskumulaten und Platznahme als Kristallbrei interpretiert. Der mesoproterozoische Kunene-Intrusiv-Komplex (Namibia/Angola) ist einer der größten, nicht metamorph überprägten Anorthosit-Komplexe weltweit. Die Gehalte lithophiler und hoch siderophiler Spurenelemente und die Verhältnisse stabiler und radiogener Isotope der Anorthosite des Kunene-Intrusiv-Komplex belegen deutlich die Herkunft der primären Schmelze aus dem verarmten oberen Erdmantel. Die petrographischen und geochemischen Unterschiede zwischen verschiedenen Anorthositgenerationen offenbaren jedoch auch einen erheblichen Einfluss der unteren bis mittleren Erdkruste. Die krustale Kontamination des Stammmagmas fand dabei in einem frühen Stadium der magmatischen Entwicklung statt und ist am deutlichsten in den ältesten Anorthositen ausgeprägt. Die chemische Zonierung der Plagioklase erbringt keine deutlichen Belege für eine polybare Kristallisation und die Platznahme der Anorthosite als Kristallbrei. Eine fraktionierte Kristallisation im Intrusionsniveau erscheint daher wahrscheinlich. Anorthosites are plagioclase cumulate rocks and characteristic features of the Proterozoic earth crust. Their formation is generally discussed in terms of either partial melting of the upper mantle or melting of mafic lower crust. The magmatic evolution is interpreted as polybaric crystallization with formation of plagioclase flotation cumulates and emplacement as crystal mush. The Mesoproterozoic Kunene Intrusive Complex (Namibia/Angola) is one of the largest non metamorphic anorthosite complexes worldwide. Lithophile and highly siderophile trace element contents and stable and radiogenic isotopic compositions of the anorthosites of the Kunene Intrusive Complex clearly prove its origin from the depleted upper mantle. The petrographic and geochemical differences between different anorthosite generations, however, reveal a significant influence from the lower to middle crust. This crustal contamination of the parental magma took place during an early state of the magmatic evolution and mainly affected the oldest anorthosite units. Chemical zoning of plagioclase provide no clear evidence for a polybaric crystallization and emplacement as a crystal mush. Fractional crystallization at the intrusion level therefore seems to be more likely.

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von polykristallinen Materialien unterscheiden sich deutlich von den Eigenschaften ihrer einkristallinen Äquivalente – dies kann im Wesent-lichen auf Korngrenzen zurückgeführt werden. Die Beeinflussung von Prozessen durch die Anwesenheit von Korngrenzen ist abhängig von den strukturellen Eigenschaften der beteilig-ten Korngrenzen und wird in verschiedenen Wissenschaften, darunter Geologie, Materialwis-senschaften und Chemie erforscht. Von besonderem Interesse ist die Quantifizierung von Elementdiffusionsraten entlang von Korngrenzen, da sie unter vielen Bedingungen um Grö-ßenordnungen schneller als Volumendiffusionsraten ist; somit hat Korngrenzdiffusion oft einen bedeutenden Einfluss auf die chemisch-physikalischen Prozesse. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel einen konsistenten Ansatz zur Untersuchung des Einflus-ses lokaler Defektstrukturen auf die Elementdiffusion, sowohl im Kristallvolumen als auch entlang von Korngrenzen, die ausführlich auf der nm-Skala charakterisiert wurden, zu unter-suchen. Nach einer allgemeinen Diskussion über Struktur und Eigenschaften von Korngrenzen wird eine Einführung in die Korngrenzsynthese gegeben. Es folgt eine kurze Abhandlung über einige generelle Aspekte der Diffusion, inklusive der gebräuchlichsten analytischen Lösungen des Diffusionsproblems die zur Extraktion von Diffusionskoeffizienten benötigt werden. Die Diskussion der Ergebnisse zeigt, dass die “wafer direct bonding” Methode ideal zur Synthese genau definierter Bikristalle aus Yttrium Aluminium Granat (YAG) geeignet ist. Um die maxi-male Stabilität der Korngrenze zu erreichen, sollte die thermische Behandlung bei 60% der Schmelztemperatur des Materials durchgeführt werden. Es wurde eine Σ5 (210)/[100] Korn-grenze mit einer zusätzlichen Missorientierung von 6.5° synthetisiert; der Einfluss dieser zu-sätzlichen Missorientierung wurde erkundet. Ich zeige, dass Yb-Diffusionsraten in YAG mit Dünnschichtdiffusionsexperimenten und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert und quantifiziert werden können. Die Dünnschicht kristallisiert während des Temperns; der Einfluss der dadurch resultierenden transienten Transporteigenschaften der Dünnschicht auf die Verwendbarkeit gewöhnlicher analytischer Volumen-diffusionsproblemlösungen wird untersucht. Ein numerisches Modelle wurde entwickelt, welches die Diffusion beschreibt und die beobachteten zeitabhhängigen strukturellen Eigen-schaften der Dünnschicht berücksichtigt. Zusätzlich wurde Korngrenzdiffusion in der synthetischen nahe Σ5 Korngrenze in Dünnschichtgeometrie untersucht; die Dünnschicht wurde senkrecht zur Korngrenze aufgebracht. Diese miniaturisierten Experimente kombiniert mit analytischen TEM Methoden im Nanometermaßstab lassen es zu Volumen und Korngrenzdiffusion an einer Probe zu untersuchen. Wertvolle Informationen über die lokale Defektstruktur der Diffusionsquelle, sowie der Korngrenze konnten mit TEM gewonnen werden; diese wur-den wiederum für die numerische Modellierung der Korngrenzdiffusion genutzt. Am Ende der Arbeit wurde die Korngrenze auf atomarer Ebene charakterisiert, um Informationen über die effektive Korngrenzweite für Diffusion zu erlangen, welche ein wichtiger Parameter in verschiedenen Gleichungen zur Beschreibung von rheologischen und diffusionsgesteuerten Prozessen ist. Austrittswellenrekonstruktion aus hochauflösenden aberrationskorrigierten TEM Fokusserien wurde kombiniert mit chemisch-sensitiver STEM Z-Kontrast-Abbildung. So konnte eine schmale Zone der beschleunigten Yb Diffusion entlang der Korngrenze erfasst werden. Aus den Messungen lässt sich schließen, dass die effektive Korngrenzweite etwa 40-mal breiter ist als die allgemein angenommenen 0.5nm. Durch diese Arbeit wird das Ziel Dif-fusionsprozesse auf der nm-Skala quantitativ zu verstehen etwas weniger utopisch. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Bikristallsynthese mittels „direct wafer bonding“, “pulsed laser deposition” zur Dünnschichtherstellung und die Untersu-chungen mit verschiedenen TEM Methoden hervorragend geeignet ist um Volumen und Korngrenzdiffusion auf atomarer Ebene zu untersuchen und in Zusammenhang zu den strukturellen Eigenschaften des Materials zu stellen. Die Kombination der Techniken erscheint viel versprechend um weitere Materialien zu untersuchen, sowohl in den Geo- als auch den Mate-rialwissenschaften. Polycrystalline materials display markedly different physical and chemical properties com-pared to their single crystal counterparts – this is mainly due to grain boundaries. The under-standing of grain boundary related processes and their relation to the grain boundaries' struc-tural properties is a key challenge in various scientific disciplines, including geosciences, ma-terials science, and chemistry. The quantification of element diffusion rates along grain boundaries is of particular interest, because it is often several orders of magnitude faster than volume diffusion and thus governs a number of physico-chemical processes. The presented work aims at providing a feasible and consistent approach to study the relation between struc-ture and element diffusion in both the grain's volume and along well characterised single grain boundaries on the nm-scale. After a general discussion about structures and properties of grain boundaries, a brief introduction on the synthesis of grain boundaries is given. This is followed by the treatment of some general aspects of element diffusion and the introduction of the most common analytical solutions to the diffusion equation, which are required to derive diffusion coefficients from laboratory experiments. In the discussion of the results, I show that the wafer direct bonding method is ideally suited to synthesize well defined synthetic grain boundaries in yttrium aluminium garnet, but anneal-ing temperatures should be higher than 60% of the melting temperature in order to obtain a grain boundary with maximum stability. The synthesized grain boundary is a near Σ5 (210)/[100] grain boundary; the influence of the observed misorientation of 6.5° with regard to a perfect Σ5 grain boundary on the grain boundary structure is discussed. Furthermore, I show that thin-film diffusion experiments can be analysed with transmission electron microscopy (TEM) to quantify diffusion rates in yttrium aluminium garnet and to characterize the diffusant source. The influence of crystallisation of the initially amorphous thin-film, the diffusant source, on the applicability of a commonly used analytical solution to the diffusion equation is investigated. A numerical model is developed to describe diffusion and account for the observed time-dependent structural properties of the thin-film. In addition, grain boundary diffusion experiments on the synthetic near Σ5 grain boundary are performed in thin-film geometry where the thin-film is perpendicular to the grain boundary. These miniaturized experiments combined with small-scale analysis are well suited to study both volume and grain boundary diffusion on the same sample. TEM provides valuable in-formation on the local defect structure of the diffusant source and the grain boundary. Again, the additional information are implemented in a numerical model that describes the experi-mental setting. Finally, the grain boundary is studied at atomic resolution to characterize the effective width for diffusion, which is a key parameter in several equations describing diffusional or rheolog-ical processes. High resolution aberration corrected TEM was used for exit wave reconstruc-tion through focus series. This was combined with chemically-sensitive STEM Z-imaging to image the narrow zone of enhanced Yb diffusion along the grain boundary. It is concluded that the effective grain boundary width is about 40 times larger than the commonly assumed 0.5nm. This contribution may help to quantitatively understand diffusion processes on the nanometre scale. In summary, the combination of bicrystal synthesis by direct wafer bonding, thin-film produc-tion by pulsed laser deposition, and analysis with different TEM modes is well suited to in-vestigate both volume and grain boundary diffusion on the atomic scale and to gain infor-mation about their relation to the material's structure. This promising combination of tech-niques can be applied to other materials, both in Earth sciences and materials' research.

Syrien, im nördlichen Teil der arabischen Halbinsel gelegen, ist eines der wichtigsten erdölproduzierenden Länder des Nahen Ostens. Eine der erdölhöffigsten Provinzen ist das Euphrat-Graben-System im östlichen Teil des Landes, in dem im Laufe der 80er Jahre Erdöl und Erdgas durch Shell E&P und seine Partner entdeckt wurden. Seit damals wurden keine weiterführenden Studien durchgeführt, welche die Herkunft der aus mehr als 60 Ölfeldern stammenden Rohöle eindeutig belegen könnten. Die vorliegende Arbeit widmet sich dieser Wissenslücke mit einem petroleum-geochemischen Ansatz und versucht, offene Fragen bezüglich der Herkunft der im Bereich des Euphrat Grabens geförderten Leicht- und Schweröle zu beantworten. 82 Ölproben und 37 Gesteinsproben wurden geochemisch analysiert, um die molekulare Zusammensetzung der geförderten Kohlenwasserstoffe zu untersuchen und den Reifegrad der jeweiligen Muttergesteine festzustellen. Für 30 ausgewählte ölproben wurden zusätzlich stabile Isotope und Diamantoide analysiert. Durch öl-öl Korrelation, basierend auf der Gesamtzusammensetzung, sowie Charakteristika von Biomarkern und Nicht-Biomarkern, wurden drei ölfamilien im Studiengebiet identifiziert: Familie 1, Familie 2A und Familie 2B. Für die Rohöle der Familie 1 kann gezeigt werden, dass diese von einem marinen, tonreichen Muttergestein stammen, welches, nach Analyse reifeabhängiger Biomarker (aliphatische Biomarker) und Nicht- Biomarker (Diamantoide), von hoher Maturität sein muss. Unter Zuhilfenahme altersabhängiger Biomarker-Parameter kann ein prä-jurassisches Alter abgeleitet werden. Basierend auf diesen Charakteristika kann auf die Tanf Formation (Abba Gruppe) als Muttergestein geschlossen werden, die ein Äquivalent zu den "Hot Shales" des unteren Silurs im Nahen Osten und Nordafrika darstellt. Des Weiteren wird gezeigt, dass die in der Oberen Kreide abgelagerten R'mah Formation und Shiranish Formation verantwortlich für die Genese der übrigen untersuchten Rohöle sind. Kompositionelle und molekulare Unterschiede zwischen Familie 2A und 2B könnten auf Fazies- und geringfügige Reifeunterschiede zurückgeführt werden. Geochemische Erdöl-Muttergesteins-Korrelationen unterstützen die Klassiffkation in ölfamilien dahingehend, dass die Familie 2A der Shiranish Formation und die Familie 2B der R'mah Formation zuzuordnen sind. Aufgrund der sehr komplexen tektonischen Situation und dem Fehlen relevanter geologischer Daten war es im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich, einen eindeutigen Migrationsweg der Rohöle vom Muttergestein zum Reservoir nachzuvollziehen. Trotzdem werden hier potentielle Migrationswege unter Zuhilfenahme skizzenhafter Fallenstrukturen und Konfigurationen für spezifische Gebiete aufgezeigt, insbesondere für Rohöle aus den achen Reservoiren des Miozäns. Um vorherzusagen, in welchem Ausmaß sich diese ölfamilien untereinander vermischen, wurden statistische Mischungsmodelle für öle mit unterschiedlichen Signaturen und Muttergesteinen erarbeitet. Die Ergebnisse dieses theoretischen "Mixing"-Ansatzes sind vielversprechend und zeigen, dass einige öle aus dem südöstlichen Teil der Grabenstruktur zusätzlich zu ihrer primären Herkunft, der oberkretazischen R'mah Formation, signifikante Anteile aus silurischen Muttergesteinsintervallen aufweisen. Diese Ergebnisse könnten neue Explorationsansätze unterstützen, da durch Kenntnis möglicher Migrationsrouten zusätzliche Kohlenwasserstoffvorräte im paläozoischen Intervall im süd- und nordöstlichen Teil des Grabens zufinden sein können. Sekundäre Alterationsprozesse hatten ebenfalls, vor allem in ach gelegenen Reservoiren, einen signifikanten Einuss auf die Erdölzusammensetzung. Geochemische Untersuchungen von Rohölen aus dem nordwestlichen Teil des Grabens zeigen, dass Biodegradation stattgefunden hat, was sich in einer höheren öldichte und einer geringeren Konzentration an kurzkettigen Kohlenwasserstoffen niederschlägt. Located in the northern part of Arabian Peninsula, Syria is one of the Middle East oil countries. The most petroliferous province in Syria is the Euphrates Graben system in the eastern part of the country. Oil and gas have been discovered in this graben in the mid 1980's by Shell E&P and its partners. Since then no comprehensive study has been performed to investigate the origin of crude oils produced from more than 60 oil fields in the area. This study deals with this issue from a petroleum geochemistry perspective and tries to answer open questions regarding the source of light and heavy oils produced over the Euphrates Graben. Eighty two oil samples in addition to 37 rock samples have been analysed geochemically in order to investigate the molecular composition of hydrocarbons and the maturation degree of their associated source rocks. Routine geochemical analysis in addition to stable isotopes and diamondoid analyses were carried out for 30 oil samples. Based on gross composition, biomarker and non-biomarker characteristics, oil-oil correlation identified three oil families in the study area: Family 1, Family 2A and Family 2B. Crude oils of Family 1 have been found to be generated from a marine, clay-rich and highly mature source rock. The related source rock is older than Jurassic in age based on age-related biomarker parameters. Maturity-related parameters (aliphatic biomarkers) and non-biomarkers (like diamondoids) imply that a highly mature source rock is responsible for generating Family 1 crude oils. These features fit very well to Palaeozoic Tanf Formation (Abba group) which is equivalent to Lower Silurian Hot Shales found elsewhere in the Middle East and North Africa. However, the Upper Cretaceous R'mah Formation and Shiranish Formation were found to be responsible for generating the remaining crude oils studied here. Compositional and molecular differences between families 2A and 2B were attributed to facies and subtle maturation variations. Geochemical oil-source rock correlation supported the classification of oil families that Family 2A was most likely generated from the Shiranish Formation, while the R'mah Formation was the source rock for Family 2B oils. According to the very complex tectonic situation of this rift basin and, additionally, the lack of geological data, it was not possible to definitely retrace the migration pathways for oils from source rocks to reservoirs. However, an attempt to figure out the potential migration fairways is presented by concepts for trap configurations for specific areas especially for crude oils found in shallow Miocene reservoirs. To predict to which extent these oil families could mix with each other, oil mixing mathematical models have been applied for crude oils, which have different signatures from different source. The results of the theoretical mixing were promising and showed that some oils in the southeastern part of the graben generated principally from the Upper Cretaceous R'mah Formation, and have got significant contribution from a Silurian source rock. These findings about petroleum mixtures could support the attempts to find more hydrocarbon plays in the Palaeozoic section in south- and northeastern part of the graben by retracing possible oil migration routes. Secondary alteration processes inuenced the petroleum composition particularly in shallow reservoirs. Geochemical investigations for crude oils in the northwestern part of the graben showed that biodegradation took place resulting in lower API gravities and poorer light ends.

Drei Tiefbohrungen (Bohrungen 8, 6 und 4) aus drei verschiedenen Sedimentationsbereichen (Zentralsumpf I, Küstensumpf I und Küstensumpf II) im Bereich des Nigerdeltas von Nigeria wurden im Rahmen einer detaillierten palynologischen Studie untersucht. Diese Bohrungen wurden in den paralischen Ablagerungen der Agbada-Formation abgeteuft. Die angetroffenen Assoziationen der Palynomorphen werden von terrestrischen Formen dominiert, dennoch sind organischwandige Fossilien marinen Ursprungs (Dinoflagellaten und die organisch-wandigen Reste von Foraminiferen) in hinreichender Anzahl vertreten. Bei den untersuchten Palynomorphen treten die Gattungen der Pteridophyten und Bryophyten-Sporen wie Laevigatosporites, Verrucatosporites, Perimonoletes, Reticulosporites, Acrostichumsporites (eine Mangroven-Farn Spore), Crassoretitriletes, Cyathidites, Leiotriletes und Magnastriatites auf. Die Angiospermen-Pollen sind typisch für das Neogen in tropischen Bereichen und durch eine hohe Artendiversität in großer Häufigkeit gekennzeichnet. Von besonderer Bedeutung ist das Auftreten folgender Angiospermen-Arten: Psilatricolporites crassus, Zonocostites cf. ramonae (Mangroven-Art), Racemonocolpites hians, Racemonocolpites racematus, Retibrevitricolporites obodoensis, Retibrevitricolporites protrudens, Pachydermites diederixi, Psilastephanocolporites laevigatus, Psilastephanocolporites cf. perforatus, Peregrinipollis nigericus, Retitricolporites irregularis und Retitrescolpites cf. splendens. Die untersuchen Palynomorphen weisen für die mächtigen Ablagerungen der Sedimente innerhalb der drei Bohrungen auf eine nur geringe vertikale und laterale Variation innerhalb eines relativ kurzzeitigen Intervalls des Miozäns hin. Dieser Umstand erschwert eine auf der stratigraphischen Reichweite der Palynomorphen-Arten basierende Gliederung für die Agbada-Formation erheblich. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit eine auf ökostratigraphischen Grundlagen – wie botanische Ähnlichkeiten und quantitative Verteilung der häufigsten Palynomorphen-Gruppen – basierende Unterteilung verwendet und auf die Verwendung der qualitativen Verteilung von Leitfossil-Arten verzichtet. Die phyto-ökologisch bedeutsamen Arten können in fünf ökologische Hauptgruppen unterteilt werden. Hierbei sind die Mangroven-, Küstensumpf-, Savannen bis Küstenebenen, montanen und tropischen Regenwald-Gruppen von Bedeutung. Auf dieser phyto-ökologischen Untergliederung beruhend, können feuchtere und trockenere Zyklen für die drei Bohrungen rekonstruiert werden. Der Vergleich der klimatischen Zyklen und der lithologischen Abfolgen, die aus den γ-ray Logs interpretiert wurden, ermöglicht für gewisse Bereiche der Bohrungen eine Korrelation. Die feuchteren Klimate, die auf einen relativen Meeresspiegelanstieg hinweisen, korrelieren mit Perioden von „Highstand system tracts“ oder „transgressive system tracts“. Trockenere Klimate weisen auf relative Meeresspiegelabsenkungen hin und stimmen gleichfalls mit „lowstand system tracts“ überein. Dies ermöglicht eine Vorhersage der Speicher- und abdichtenden Sedimente innerhalb der lithologischen Abfolge der Agbada-Formation. Obwohl nur eine geringe vertikale palynologische Variation zu beobachten ist, können drei informelle Zonen von Fossil-Vergesellschaftungen ausgegliedert werden. Dies sind in stratigraphisch aufsteigender Abfolge: Vergesellschaftungen I, II und III, die durch die von oben gesehen erstmalig auftretenden bisaccaten Pollen (Podocarpidites) sowie das Erscheinen von peridinioiden beziehungsweise gonyaulacoiden Dinoflagellaten gekennzeichnet sind. Das Auftreten von biostratigraphisch signifikanten Palynomorphen wie Crassoretitriletes vanraadshooveni, Magnastriatites howardi, Reticulosporis miocenicus, Caprifoliipites superbus, Cichoreacidites cf. spinosus, Echiperiporites minor, Ilexpollenites rarus und Tuberculodinium vancampoae weisen auf die Sedimentation der paralischen Ablagerungen der Agbada-Formation in den drei Bohrungen während des Neogens, höchstwahrscheinlich während des Miozän hin. Three deep wells (Wells 8, 6 and 4) selected from three different depobelts (Central Swamp I Coastal Swamp I and Coastal Swamp II respectively) of the Niger Delta, Nigeria have been subjected to detailed palynological investigation. The wells penetrated the paralic Agbada Formation which is the focus of the present study. Although the encountered palynomorph assemblages are dominated by forms of terrestrial origin, marine-derived components including dinocysts and foraminifera test linings are adequately represented. Among the recovered palynomorphs are the pteridophytic/bryophytic spores of the genera Laevigatosporites, Verrucatosporites, Perimonoletes, Reticulosporites, Acrostichumsporites (a mangrove fern spore), Crassoretitriletes, Cyathidites, Leiotriletes, and Magnastriatites. The angiosperm pollen found are typical of Neogene tropical areas and show a high degree of diversity and abundance in all the wells. Important representatives of the angiosperms are Psilatricolporites crassus, Zonocostites cf. ramonae (a mangrove pollen), Racemonocolpites hians, Racemonocolpites racematus, Retibrevitricolporites obodoensis, Retibrevitricolporites cf. protudens, Pachydermites diederixi, Psilastephanocolporites laevigatus, Psilastephanocolporites cf. perforatus, Peregrinipollis nigericus, Retitricolporites irregularis and Retitrescolpites cf. splendens. Evidence from the palynomorphs recovered indicates a low degree of vertical and lateral palynological variation as a result of the relative short geological time interval (Miocene) for the deposition of the sediments in the three sections. This makes detailed taxon range subdivision of the Agbada Formation using key palynomorph ranges difficult. Therefore, an ecostratigraphic approach with emphasis on the botanical affinities and quantitative distribution of the major palynomorph groups is employed, rather than a qualitative key fossil based approach. The phytoecological determination of the diverse taxa encountered yielded five main ecological groups, namely mangrove, coastal swamp, savanna to upper coastal plain, montane and tropical rainforest groups. Based on the phytoecological classification of the fossil content, wetter and drier climate cycles are constructed for the three wells. Comparison between the climate cycles and the lithostratigraphic sequences interpreted from the gamma ray log of the respective wells show some correlations. The wetter cycles which represent sea level rise events correlate with periods of highstand system tracts or transgressive system tracts. Drier cycles which signifies relative fall in sea level are also observed to correlate with lowstand system tracts. These allow the predictions of reservoir and sealing sequences within the Agbada Formation. Despite the low degree of vertical palynological variation exhibited in the three wells, three informal assemblage zones are proposed. The zones in a stratigraphically ascending order are: Assemblage Zones I, II and III characterized by the first downhole appearance of bisaccates (Podocarpidites), first downhole appearance of peridinioid and gonyaulacoid dinoflagellates, respectively. The occurrence of age diagnostic palynomorphs such as Crassoretitriletes vanraadshooveni, Magnastriatites howardi, Reticulosporis miocenicus, Caprifoliipites superbus, Cichoreacidites cf. spinosus, Echiperiporites minor, Ilexpollenites rarus and Tuberculodinium vancampoae suggest the deposition of the paralic Agbada Formation in the three wells during the Neogene, most likely Miocene.

Im Verlauf der letzten Jahrzehnte wurde in der biogeochemischen Forschung die Existenz von Mikroorganismen in Sedimenten nachgewiesen. Damit entstand die Frage nach möglichen Nahrungs- und Energiequellen für dieses, tief unter der Erdoberfläche existierende, mikrobielle Leben. In sedimentären Becken wird organisches Material über geologische Zeiträume abgelagert. Während der geologischen Reifung durchläuft das organische Material biotische und abiotische Veränderungen, durch die potentielle Nährstoffe an die nähere Umgebung abgegeben werden können. Solche Nährstoffe können u.a. niedermolekulare organische Säuren sein. Deshalb können Lithologien die akkumuliertes organisches Material beinhalten große Vorratsspeicher an Nährstoffen für das tiefe mikrobielle Leben bilden. In dieser Arbeit wurden Lignite und Kohlen im Reifestadium zwischen Diagenese und Katagenese aus sedimentären Becken Neuseelands im Hinblick auf ihr Nährstoffpotential für die tiefe Biosphäre untersucht. Dazu wurde eine analytische Methode entwickelt, die es ermöglicht niedermolekulare Säuren aus den Produktgemischen nach alkalischer Hydrolyse von Lignit- und Kohlenproben zu quantifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass diese Lignite und Kohlen im Verlaufe ihrer Reifung kontinuierlich Format, Acetat und Oxalat in Größenordnungen abgeben, die geeignet sind mikrobielle Ökosysteme über geologische Zeiträume mit Nährstoffen zu versorgen. Untersuchungen eines Überganges von organisch reichen Schichten (Lignit) zu organisch armen Schichten (Sandstein) aus dem DEBITS-1 Bohrkern legen den Schluss nahe, dass Mikroben in den gröberen Sandsteinen beheimatet sind, die in unmittelbarer Nähe der Lignit- und Kohleschichten liegen und von diesen mit Substraten versorgt werden können. Die Konzentrationen von kerogengebundenen Fettsäuren, deren Ursprung terrestrisches Pflanzenmaterial ist (n-C20 bis n-C30), nehmen im Verlaufe der Reifung des organischen Materials ab. Im Gegensatz dazu zeigen die kurzkettigen Fettsäuren (hauptsächlich n-C16 und n-C18) einen Konzentrationsanstieg während der beginnenden Katagenese. In diesem Reifestadium beginnt das organische Material langsam freie Kolenwasserstoffe zu generieren. Der Anstieg in den Konzentrationen der n-C16 und n-C18 Fettsäuren (wichtige Bestandteile von mikrobiellen Zellmembranen) kann ein Hinweis sein, dass Mikroorganismen innerhalb der nährstoffreichen Lignit- und Kohlelagen existieren, die durch die thermische Generierung von Kohlenwasserstoffen stimuliert werden. Untersuchungen der Kinetik haben gezeigt, dass die Hydrolyse von kerogengebundenem Acetat und Format durch das Porenwasser ein sehr schneller Prozess ist, weshalb die beobachteten Freisetzungsraten der Substrate in den Sedimenten durch zusätzliche Faktoren verlangsamt sein müssen. Die experimentell bestimmten kinetischen Parameter deuten auf strukturelle Veränderungen im markomolekularen Netzwerk der Lignite und Kohlen hin, die mit zunehmender Reife des Materials zu stärker sterisch abgeschirmten Säuren führen und damit die Freisetzung der Substrate verlangsamen. Zusätzliche Informationen über die Struktur der Matrix wurden durch selektive Etherspaltungsreaktionen erhalten. Sie zeigen, dass aliphatische Alkohole mit mehreren Hydroxylgruppen eine wichtige Vernetzungsfunktion bilden, die auch in reiferen Kohlen noch in hohen Konzentrationen gefunden werden können. Dies weist darauf hin, dass solche Netzwerkbildner innerhalb der markomolekularen Struktur der Kohlen sterisch gut abgeschirmt sind. During the last decades of biogeochemical and microbiological research the widespread occurrence of microorganisms was demonstrated in deep marine and terrestrial sediments. With this discovery inevitably the question of potential carbon and energy sources for this deep subsurface microbial life rises. In sedimentary systems such a source is provided by the buried organic matter deposited over geological times. During geochemical and geothermal maturation these organic material undergoes biotic and abiotic alteration processes and is suggested to release potential substrates into the surrounding. Previous studies showed that especially oxygen containing compounds are lost from the macromolecular matrix during diagenesis and early catagenesis. Oxygen containing low molecular weight organic acids (LMWOAs) such as formate, acetate and oxalate represent important substrates for microbial metabolism. Thus, lithologies containing accumulated sedimentary organic matter (e.g. lignites and coals) may provide a large feedstock for deep microbial life releasing LMWOAs into the pore water during maturation. In this thesis, lignite and coal samples from sedimentary basins of New Zealand covering a broad and almost continuous maturity range representing diagenetic to catagenetic coalification levels were investigated to estimate their feedstock potential for deep microbial life using a novel developed analytical procedure to analyse kerogen-bound LMWOAs liberated by selective chemical degradation reactions. Formate, acetate and oxalate were found to decrease continously from early diagenesis to early catagenesis. This suggests a constant release of these compounds during this maturation interval providing a suitable feedstock for microbial ecosystems in geological time spans. Investigation of a transect from organic carbon rich (lignite) into poor lithologies (silt and sandstones) from the DEBITS-1 well, suggested that the lignite layers sustain microbial communities inhabiting the adjacent more permeable layers (sandstone) by releasing substrates into the surrounding lithologies. Investigations of kerogen-bound high molecular weight fatty acids show for the long chain fatty acids (C20-C30), representing a terrestrial plant material signal, a constant decrease during diagenesis and early catagenesis. In contrast the short chain fatty acids (mainly C16 and C18) show an increase again during early catagenesis an interval where the release of hydrocarbons slowly starts but temperatures are still compatible with microbial life. These increasing abundance of C16 and C18 fatty acids (being also main constituents in cell membrane phospholipids of bacteria) might suggest an increased microbial community stimulated by the geothermal release of hydrocarbons. Hydrolysis of kerogen-bound LMWOAs is suggested to be the most favorable abiotic process releasing potential substrates into the pore water. Kinetic investigations suggested that the hydrolysis appears to be a relatively fast process and, thus, the observed substrate release from lignites and coals over geological times must be influenced and slowed down by further processes such as e.g. pore space, permeability, pore water flow and diffusion. The calculated kinetic parameters point to structural alteration within the macromolecular network during maturation leading to more sterically protected kerogen-bound LMWOAs and, therefore, to a slower substrate release with ongoing maturation. Additional information about the structure of the macromolecular network were obtained by selective ether-cleavage procedure revealing that aliphatic alcohols with more than one hydroxy groups represent important cross-linkage structures. In contrast to the terminal ether-bound monoalcohols which show a rapid decrease during diagenetic alteration, these compounds show relatively high concentrations even in the more mature coals suggesting that these cross-link bridges are sterically protected within the network structure.

Die Obaiyed-Gaslagerstätte liegt in der westlichen Wüste Ägyptens, etwa 50 km südlich der Mittelmeerküste. Das produzierte Gas entstammt dem oberen Safa-Member der Khatatba Formation (Mitteljura). Das obere Safa Reservoir ist zu einem wichtigen Ziel in der Erforschung des Obaiyed-Feldes geworden und hat dazu beigetragen, die Exploration im nordwestlichen Teil der Western Desert in Ägypten neu zu beleben. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bewertung des Kohlenwasserstoff-Potentials des Upper Safa Reservoirs durch Seismikdaten (2 D) und Daten der Bohrlochermessung. In den letzten Jahren wurde durch die Entwicklung leistungsstarker Computerprogramme die interaktive 3D-Modellierung die gängige Methode in der Erdölindustrie. Diese Veränderung der Leistungsfähigkeit in der Modellierung stellt eine tiefgreifende Erweiterung der Möglichkeiten für den Seismik-Interpreten dar, komplexe tektonische Strukturen zu erfassen. Der Vorteil der 3D-Modellierung liegt in darin, dem Interpreten zu erlauben, ein plausibles Strukturmodell zu erarbeiten durch die Anlage von geologischen Schnitten in beliebiger Richtung durch das Modell unter Einbeziehung der seismischen Profile und der Bohrdaten. Das Forschungsziel ist die strukturelle Definition des Upper Safa Reservoirs. Das Khatatba (Zahra)- und untere Safa-Member wurden modelliert, um die Fallenstrukturen in Bezug auf Störungen und Faltenstrukturen zu modifizieren. Um seismische Daten (in Zeit) mit Bohrloch-Daten (Tiefe) zu verknüpfen und ein Geschwindigkeitsmodell zu erhalten, wurden synthetische Seismogramme und „Check-shots“ benutzt. Das Geschwindigkeitsmodell wurde verwendet, um das Zeit-Modell (in Zwei-Weg-Zeit) in ein Teufen-Modell zu konvertieren. Seismische Profile durch das Obaiyed-Gasfeld wurden verwendet, um den strukturellen Rahmen des Upper Safa Reservoirs darzustellen. Die strukturelle 3D-Modellierung ergibt eine Unterteilung des Reservoirs in einzelne Schollen, welche die Identifizierung von Lokationen zukünftiger Explorationsbohrungen erlaubt. Zahlreiche geologische und geophysikalische Methoden konnten erfolgreich zur Ortung von Kohlenwasserstoff-Vorkommen eingesetzt werden, wobei es sich allerdings um indirekte Methoden handelt. Sie geben die strukturellen und stratigraphischen Positionen an, wo Kohlenwasserstoffe gefunden werden könnten. Allerdings sind sie noch kein Beweis dafür, ob in der Tat signifikante Kohlenwasserstoff-Akkumulationen in der Tiefe angetroffen werden können. Die einzige verfügbare Methode zur Beantwortung dieser Fragen sind Explorationsbohrungen. Basierend auf Daten aus 24 Bohrungen wurde die Log-Analyse des Upper Safa Reservoirs durchgeführt, um die Kohlenwasserstoff-führenden Zonen zu identifizieren und die Reservoireigenschaften zu untersuchen. Die wichtigsten petrophysikalischen Parameter in der Reservoir Bewertung sind die Porosität, die Permeabilität, die Kohlenwasserstoff-Sättigung und die Mächtigkeit. Die vorliegende Studie befasst sich auch mit der Beurteilung der Lithologie, die durch die Verwendung unterschiedlicher Logs beurteilt werden kann, z. B. Gamma ray-Logs, Porositäts-Logs und verschiedene „crossplots“. Ziel der umfassenden Untersuchungen dieser Studie ist eine qualitative Auswertung von Bohrungs-Log-Daten, die Bestimmung des Tonanteils des Reservoirs, der effektiven Porosität, der Kohlenwasserstoff-Sättigung (anteilig förderbar oder nicht-förderbar) und die Ermittlung der Netto-Mächtigkeit der produzierbaren Zonen. Die Datenintegration wurde durch PetrelTM, eine Reservoir-Modelling-Software von Schlumberger, ermöglicht. Das integrierte Modell wurde erstellt, um wichtige Entscheidungen beim operativen Vorgehen in der Feldentwicklung zu unterstützen. Die Ergebnisse dieser Studie verbessern auch die Charakterisierung des Reservoirs der oberen Safa-Sandstein Fazies und tragen dazu bei, potenzielle stratigraphische Fallen für Kohlenwasserstoffe zu identifizieren und somit die regionale Exploration zu fördern. The Obaiyed Gas Field is located in the Western Desert of Egypt, some 50 km south of the Mediterranean coast. It produces gas from the Upper Safa member of Khatatba Formation (Middle Jurassic). The Upper Safa reservoir has become an important exploration target in the Obaiyed field and has helped to revitalize exploration in the northwestern part of the Western Desert in Egypt. Therefore, the main purpose of this thesis is the evaluation of hydrocarbon potential of the Upper Safa reservoir through integration of 2D seismic and well logging data. In the last years, with the advent of powerful computer workstations, the ability to perform interactive 3D modelling has become commonplace throughout the petroleum industry. This change in modelling capability represents a profound expansion of the modeller’s ability to comprehend the seismic response to complex tectonical structures. The advantage of 3D modelling lies in its capability to allow the interpreter to elaborate a plausible structure model by constructing cross sections along any line of section and through any well. The exploration objective is the structural definition of the Upper Safa reservoir. The Khatatba (Zahra) and Lower Safa member have been modelled to modify the trap in regard to fault and fold structures. Synthetic seismographs and check shots were constructed to tie seismic data (time) with well data (depth) and to obtain a velocity model. The velocity model is used to convert the time domain model to a depth domain model. Seismic profiles across the Obaiyed gas field are used to illustrate the structural framework of the Upper Safa reservoir. 3D structural modelling divides the study area to several compartments which can be used to propose locations for future exploration wells in the area. Many geological and geophysical methods have been found satisfactory for locating hydrocarbon occurrences but these are indirect methods. They indicate the structural and stratigraphic locations, where hydrocarbons might be found. However, they give no evidence whether there might indeed be a significant accumulation at depth. The only method available for answering these questions is the exploratory well. Well log analysis of Upper Safa reservoir was performed to identify hydrocarbon bearing zones and study reservoir properties based on data from 24 wells. The main petrophysical parameters needed to evaluate a reservoir are its porosity, permeability, hydrocarbon saturation and thickness. The objective of the present study deals with the determination of the lithology by using different log responses, e.g. gamma-ray logs, porosity logs and different crossplots. This integrated study aims to a qualitative interpretation of well log data and to calculate the shale volume, effective porosity, hydrocarbon saturation (movable and residual), and to predict the net-pay of the producible zones. Data integration was facilitated by the PetrelTM, Schlumberger’s reservoir modelling software. The integrated model has been used to support key operational and future field development decisions. The results of this study improve also the reservoir characterization of the Upper Safa sandstone facies, help to identify potential stratigraphic traps for hydrocarbons and hence will aid regional exploration.

The Nile Delta can be considered the earliest known delta in the world. It was described by Herodotus in the 5th Century AC. The Nile Delta (Ta-Mehet) in Hieroglyphic language means the land of the estuary water. It is one of the oldest intensely cultivated areas on the earth. The Nile Delta is illustrated to be an arcuate delta (arcshaped), as it resembles a triangle or lotus flower when seen from above. The name has been derived from the letter Thelta of the Greek alphabet. In comparison to the Mississippi, the Rhone, the Niger and the Ganges Deltas very little work has been published on the geological evolution of the Nile Delta. The present Nile Delta covers an onshore area of about 30,000 km2 and about an equal size offshore to the 200 m isobath. The southern apex of the delta is located approximately 30 km north of Cairo where the Nile River splits into the western Rosetta branch and the eastern Damietta branch. The delta reaches some 240 km along the Mediterranean coastline and extends to a maximum of 160 km from north to south. Without the Nile Valley and Delta, Egypt is mainly a desert country. It is difficult to investigate the ancient rocks of the Nile Delta, since no outcrops could be found as these are mainly covered by recent mud and alluvial deposits. On many maps the Nile Delta area is mostly represented a blank space described as Quaternary. The Nile Delta basin contains thick sedimentary sequences deposited mainly between Oligocene and Pliocene/Pleistocene extending to recent times. The Nile Delta plays a major role in the plate tectonic development of the eastern Mediterranean and north eastern Africa in a central position between the Red Sea rift and the subduction zone of the north-eastern Africa plate adjacent to the Cretan and Cyprus arcs. Structural styles and depositional environments varied during the Oligocene and Pliocene/ Pleistocene. Facies architecture and sequence stratigraphy of the Nile Delta are resolved using seismic stratigraphy based on 2D seismic lines including synthetic seismograms and tying in well log data. Synthetic seismograms were constructed using sonic and density logs. The combination of structural interpretation and sequence stratigraphy of the development of the basin was resolved. Seven chrono-stratigraphic boundaries have been identified and correlated on seismic and well log data. Several unconformities identified on seismic lines vary from angular unconformity to disconformity type. The Delta has experienced a rigorous and successful exploration campaign during the last few years. Nowadays, the Nile Delta is an emerging giant gas province in the Middle East with proven gas reserves which have more than doubled in size in the last years. This could be attributed to the fact that such province started to disclose part of its hidden hydrocarbon reserves as a direct result of using state of the art exploration techniques, in addition to the expanding use of different types of geological and geophysical modeling. Moreover, time structure maps, velocity maps, depth structure maps and isopach maps were constructed using seismic lines and log data. Several structural features include: normal faults, growth faults, listric faults, secondary antithetic faults and large rotated fault blocks mainly of Miocene age. In the Middle Miocene hiatus lasted about 10 my in the south-west delta, while the Late Miocene (Messinian) hiatus lasted only about 5 my in the same area. Also, sedimentary features such as paleo-channels were distinctively recognized. Typical sequence stratigraphic features such as incised valley, clinoforms, topsets, offlaps and onlaps are identified and traced on the seismic lines allowing insight into the sequence stratigraphic history of the Nile Delta most especially in the Miocene to Pliocene clastic sedimentary succession.The Nile Delta region is distinguished into three geological provinces for hydrocarbon exploration: a) the South Delta Block, b) the North Delta Basin and c) the deep offshore. With the advent of powerful computer workstations, the ability to perform interactive 3D modelling has become commonplace. The advantage of 3D modelling lies in its capability to allow viewing and evaluating a structure model by displaying cross section along any direction and through any well location of the model’s data base. Das Nil-Delta gilt als das älteste noch aktive Delta der Welt. Geomorphologisch gehört es zum Typ der „komplexen bogenförmigen Deltas“. Die Breite des Deltas beträgt etwa 240 km entlang der Küste; die Nord-Süd Erstreckung erreicht maximal 160 km. Die Gesamtfläche wird mit ca. 60.000 km2 angegeben, je etwa zur Hälfte auf dem Festland sowie auf dem Schelf. Das Delta beginnt ca. 30 km nördlich von Kairo, an der Verzweigung des Nils in den westlichen Rosetta-Arm und den östlichen Damietta-Arm. Das Becken des Nil-Deltas beinhaltet sehr mächtige Sedimentabfolgen vom Oligozän bis zur Gegenwart, die in sehr verschiedenen Milieus zur Ablagerung kamen. Die Untersuchung der älteren Gesteine des Nil-Deltas gestaltet sich schwierig, da an der Oberfläche fast ausschließlich quartäre Ablagerungen anstehen. Das Nil-Delta liegt etwa mittig zwischen dem Riftsystem des Roten Meeres und einer Subduktionszone, die die nordöstliche afrikanische Platte von den kretischen und zyprischen Inselbögen trennt. Es spielt daher eine zentrale Rolle in der plattentektonischen Entwicklung des östlichen mediterranen Raumes. Die Bestimmung der Faziesverteilung sowie die Erstellung der Sequenzstratigraphie erfolgte mittels 2-D Seismik, die auf seismischer Stratigraphie basierte (inkl. synthetischer Seismogramme), sowie mittels der Einbindung von Bohrungsdaten (Logs). Synthetische Seismogramme wurden durch die Verwendung von Schall- und Dichtelogs konstruiert. Eine Kombination der strukturellen Interpretation und der Sequenzstratigraphie ermöglichte die Rekonstruktion der Entwicklungsgeschichte des Beckens. Insgesamt sieben chronostratigraphische Grenzen konnten ermittelt und über seismische und Bohrungsdaten korreliert werden. Die auf den seismischen Linien beobachteten Diskordanzen resultieren aus Winkeldiskordanzen bis hin zu Sedimentationsunterbrechungen. Des Weiteren wurden Zeit/Struktur-Karten, Geschwindigkeits-Karten und Isopachen-Karten aus den vorliegenden seismischen Linien und Log-Daten erstellt. Verschiedene strukturelle und tektonische Elemente wurden identifiziert, die zumeist im Miozän zwischen dem Tortonium und dem Messinium entstanden und mit Hiaten verknüpft sind. Weiterhin wurden Paläochannels identifiziert. Typische sequenzstratigraphische Strukturen wie „incised valleys“, „clinoforms“, „topsets und „onlaps“, die eine Rekonstruktion der miozänen und pliozänen Entwicklung des Nildeltas erlauben, konnten ebenfalls identifiziert und in ihrer Verbreitung innerhalb der klastischen Sedimentabfolge verfolgt werden. Das Gebiet des Nil-Deltas wird in drei Hauptregionen für die Kohlenwasserstoffexploration unterteilt: a) der südliche Delta-Block, b) das nördliche Delta-Becken and c) der tiefe Offshore-Bereich.

In northern and central Ethiopia, continental to shallow-marine siliciclastic sediments of up to 430 m thick are exposed. These sediments are referred to as the ‘Adigrat Sandstone’. This study provides a detailed investigation of the stratigraphy, sedimentary facies, depositional environments and palynology of the ‘Adigrat Sandstone’ succession in the Mekelle and Blue Nile basins in order to obtain a complete picture of the large-scale spatial/temporal stacking patterns of depositional systems, whereby a new knowledge of the mode of evolution of the basins and the mechanisms controlling their formation can be obtained. The study also provides a more reliable stratigraphic position for the sandstone succession based on palynological data. Three unconformity bounded stratigraphic units have been identified within the Late Triassic to Middle Jurassic ‘Adigrat Sandstone’ succession. Unit I that represents the lower stratigraphic unit in both basins is Late Triassic (Late Carnian–Early Rhaetian) in age. It is composed of transgressive tide-dominated estuarine and prograding storm-dominated shoreface deposits. The overall northeastward-thickening wedge-shaped geometry of the depositional body and the palaeocurrent patterns in both basins suggest that the sediments accumulated on a vast slowly subsiding passive continental margin in a shallow gulf, which extended northeast into the Neotethys. This indicates that the Late Triassic shallow gulf, which encroached into the Arabian platform from the northeast, had most probably reached the northern and central parts of Ethiopia. A Neotethyan seaway through Saudi Arabia into Ethiopia has an important bearing on the palaeotectonic and palaeogeographic scenario of the region at that time. The second stratigraphic unit (Unit II) is Late Liassic (Early Toarcian) in age. No direct similarity can be inferred regarding facies successions and depositional systems within Unit II in the two basins. In the Mekelle Basin, the unit is composed of coarse-grained sandstones and conglomerates of fluvial and deltaic origin whereas in the Blue Nile Basin the unit is of barrier/inlet-spit origin. The fluvio-deltaic deposits in the Mekelle Basin have been accumulated in an active rift basin. The key similarity in the strata of Unit II in both basins is their similar palaeocurrent patterns, indicating deposition on a SE-dipping divergent continental margin. The abandonment of the previously existing NE-dipping continental margin and its replacement by a SE-dipping one can be best explained by rifting and basin inversion, which is most probably associated with the break-up of East and West Gondwana that commenced during the Toarcian. The uppermost stratigraphic unit (Unit III), which is recognised only in the Mekelle Basin, is Middle Jurassic (Late Toarcian to Early Callovian) in age. This phase corresponds to delta abandonment and the inception of transgressive barrier-lagoon system, which is most probably related to the continuous crustal thinning and subsidence along the evolving rift between East and West Gondwana. The transition from a ‘Gilbert-type’ delta to a barrier-lagoon system suggests that the basin has evolved from a possibly fault-controlled, broadly downwarping basin to a cratonic seaway characterised by a low gradient coastal to nearshore profile. The landward migration of the barrier-lagoon complex is attributed to the marine transgression progressing from the southeast as the rate of sea level rise exceeds the rate of sediment supply. As relative sea level started to fall, the elongate shoestring sand bodies of the uppermost barrier were destructed and cannibalised by a number of tidal inlet channels, which cut through them. Barrier destruction was concomitantly accompanied by the establishment of prograding open-coast tidal flats and strandplains. Based on 16 productive samples collected at different stratigraphic levels, three informal palynological assemblage zones have been identified within the Adigrat Sandstone succession in the Mekelle and Blue Nile basins. These assemblage zones, in ascending order, are: AZ I, Late Triassic (Late Carnian–Early Rhaetian); AZ II, latest Early Jurassic (Early Toarcian); and AZ III, latest Early–Middle Jurassic (Late Toarcian–Early Callovian). These palynological results allow for the first time a better biostratigraphic subdivision of the Adigrat Sandstone succession and its correlation with equivalent units in the region. In Nord- und Zentral-Äthiopien sind bis zu 430 m mächtige, kontinentale und flachmarine klastische Sedimentfolgen aufgeschlossen, die als ‘Adigrat-Sandstein’ bezeichnet werden. In der vorliegenden Arbeit wurde auf Grundlage detaillierter stratigraphischer, sedimentfazieller und palynologischer Untersuchungen dieser Schichtenfolgen im Mekelle- und Blauen-Nil- Becken ein umfassendes Bild des zeitlichen und räumlichen Aufbaus der ‘Adigrat-Sandsteine’ erarbeitet, wobei auch neue Erkenntnisse über die Entwicklungsgeschichte dieser Sedimentbecken gewonnen wurden. Darüber hinaus wurde die stratigraphische Stellung der Sedimentfolge mit Hilfe von Palynomorphen geklärt. Die Schichtenfolge des ‘Adigrat-Sandsteins’ (Obertrias–Mitteljura) wird in drei durch Diskordanzen (Hiaten) voneinander getrennte stratigraphische Einheiten gegliedert. Die unterste Einheit (Einheit I) wurde im Keuper (oberstes Karn–unterstes Rhät) unter tidal-ästuarinen und sturm-dominierten Bedingungen flachmarin abgelagert. Die Transport-richtungen der Sedimente und die nach Nordosten hin zunehmende Mächtigkeit des keilförmigen Sedimentkörpers weisen darauf hin, dass die Sedimente in einem weiträumigen, flachen, nach Nordosten zur Neotethys hin geöffneten Golf abgelagert wurden. Dies bedeutet, dass sich in der Obertrias von Nordosten her ein flacher Meeresgolf über die arabische Plattform und Nord-Äthiopien höchstwahrscheinlich bis nach Zentral-Äthiopien hinein erstreckt hat. Diese sich in der oberen Trias über Südarabien bis nach Äthiopien erstreckende Meeresbucht der Neotethys ist eine wesentliche Neuerkenntnis zur Paläogeographie der Region. Die nächstjüngere stratigraphische Einheit (Einheit II) wurde im Untertoarcium abgelagert. In Bezug auf Sedimentfazies und Ablagerungssysteme besteht diese Einheit im Mekelle-Becken aus fluvio-deltaischen Sedimenten, die in einem aktiven Riftbecken abgelagert wurden. Im Blauen-Nil-Becken bestehen die Sedimente dagegen aus Ablagerungen von Barriere-Inseln und Gezeitenkanälen eines ‚barrier/inlet-spit’-Systems. Die gleichbleibende Transportrichtung der Schichtenfolge der Einheit II in den voneinander getrennten Sedimentbecken belegt einen generell nach Südosten geneigten Kontinentalrand. Die Änderung der nach Nordosten gerichteten Sedimentschüttungen nach Südosten deutet auf den Einfluß des beginnenden Riftings zwischen Ost- und Westgondwana während des Toarciums und eine lokale Beckeninversion hin. Die oberste stratigraphische Einheit (Einheit III) - die nur im Mekelle-Becken ausgebildet ist - wurde im Obertoarcium–Untercallovium abgelagert, während sich im Blauen-Nil-Becken in dieser Zeit Evaporite bildeten. Die zu dieser Zeit einsetzende Entwicklung eines transgressiven Barrieren-Lagunen-Systems im Mekelle-Becken steht vermutlich in Verbindung mit dem fortschreitenden Rifting zwischen Ost- und West-gondwana. Der Wechsel von einem ‘Gilbert-Typ’-Delta zu einem Barrieren-Lagunen-System deutet darauf hin, dass hierbei ein störungskontrolliertes, sich rasch vertiefendes Becken in eine Meeresstraße mit einem geringen Küstengradienten überging. Die landwärtige Verlagerung der Barrieren-Lagunen-Komplexe wird auf die von Südosten her vorgreifende Transgression zurückgeführt, wobei vermutlich der Meeresspiegelanstieg die Sedimentzufuhr überstieg. Mit dem danach erneut einsetzenden relativen Abfall des Meeresspiegels wurden die zuvor abgelagerten barriere-formenden Sandsteine zunehmend durch zahlreiche Gezeitenkanäle eingeschnitten. Gleichzeitig entstanden daneben progradierende Gezeiten- und Strandebenen. Pollen und Sporen aus 16 produktiven Oberflächenproben des ‘Adigrat-Sandsteins’ wurden drei informellen Sporomorph-Vergesellschaftungen zugeordnet. In aufsteigender Reihenfolge sind dies die Vergesellschaftungszonen AZ I: Obertrias (oberstes Karn–unterstes Rhät); AZ II: später Unterjura (Untertoarcium) und AZ III: später Unterjura–Mitteljura (Obertoarcium–Untercallovium). Mit diesem Ergebnis konnte erstmals palynologisch eine stratigraphische Gliederung der Sedimentabfolge erzielt werden.

Das geophysikalische Feldverfahren der Oberflächen NMR (Surface NMR, SNMR oder Magnetic Resonance Sounding, MRS) ermöglicht eine nicht invasive Erkundung des mobilen Wassergehaltes im Untergrund. Analog zu Bohrloch und Labor NMR Anwendungen enthält das Relaxationsverhalten von SNMR Signalen zusätzliche Informationen über den Porenraum, aus denen Speicher- und Transporteigenschaften wie Porengrößenverteilungen und hydraulische Leitfähigkeiten von Aquiferen abgeleitet werden können. Darüber hinaus kann aus den Signalphasen auch auf elektrische Eigenschaften des Untergrundes geschlossen werden. Mit dem Ziel einer verbesserten quantitativen hydrogeophysikalischen Charakterisierung von Aquiferen werden bekannte Model Konzepte aus Bohrloch und Labor NMR in einem neuen globalen Inversionsansatz (COIN) implementiert und angewendet. Dabei wird der multi-exponentielle Charakter der SNMR Transienten berücksichtig, welcher sich einerseits aus einer vertikaler Schichtung und andererseits aus einer nicht uniformen Porenradienverteilung innerhalb einer lithologischen Einheit ergeben kann. In diesem Zusammenhang kommt neben einem standard "smooth" Inversionskonzept mit festen Schichtgrenzen auch eine im Verlauf dieser Arbeit entwickelte Block-Inversion mit flexiblen Schichtgrenzen zur Anwendung. Die neu entwickelten Inversionskonzepte werden an synthetischen und Felddaten auf ihre Leistung und Stabilität getestet und bewertet. Gängige hydrogeologische und Labor NMR basierte Modelle werden verglichen und zur Bestimmung hydraulischer Leitfähigkeiten aus SNMR Daten eingesetzt. Auf Grundlage einer Datenbasis von vorhandenen Ergebnissen aus Labor und SNMR Untersuchungen werden gesteinsspezifische mittlere Kalibrationsfaktoren zur Bestimmung hydraulischer Leitfähigkeiten aus SNMR Daten abgeleitet, welche als erste Näherung für nicht kalibrierte Felddaten verwendet werden können. SNMR Felddaten von zwei Standorten aus Deutschland und den Niederlanden werden mit konventionellen mono- und neu entwickelten multi-exponentiellen Ansätzen invertiert. Hierbei wird die Datenanpassung und Parameterabschätzung durch Verwendung der multi-exponentieller Inversion deutlich verbessert. Die dabei über gemittelte SNMR Kalibrationsfaktoren abgeleiteten hydraulischen Leitfähigkeiten korrelieren im Rahmen der Messgenauigkeiten gut mit Ergebnissen aus Bohrkernanalysen. The geophysical field method of Surface Nuclear Magnetic Resonance (SNMR) or Magnetic Resonance Sounding (MRS) allows to non-invasively determine the mobile water content (amplitudes) in the subsurface. Analogous to well-logging and laboratory applications the SNMR signal also contains information linked to pore sizes (decay times) and electrical conductivity (phases) in the ground. Therefore, SNMR can basically also provide estimates of storage and transport properties, i.e. the pore size distribution or the hydraulic conductivity. Aiming at an improved aquifer characterization and estimation of hydraulic conductivity -- in analogy to applications commonly used in NMR well-logging and laboratory NMR -- a new strategy for a comprehensive inversion (COIN) of SNMR data is developed. This concept takes into account a multi-exponential behaviour of SNMR relaxation data due to both, layering and non-uniformly distribution of pores in the subsurface. In this respect commonly used smooth inversion concepts as well as a free boundary block inversion approach developed in the course of this thesis are employed. The developed new inverse modelling strategies are tested and assessed with respect to stability and parameter resolution using simulated and field data. Frequently used relations to estimate hydraulic conductivity in hydrology and NMR relaxometry are compared and discussed with respect to their applicability to SNMR. Taking into account results from a variety of laboratory and SNMR experiments mean rock-specific calibration factors are utilized for a data-base-calibrated estimation of hydraulic conductivity, e.g. usable as first-order approximation when no on-site calibration is available. SNMR field data from two sites in Germany and the Netherlands are analyzed using conventional and multi-exponential inverse modelling concepts. Here, the multi-exponential approach allows to better capture the multi-exponential relaxation data, and thus can significantly reduce the data misfit between inverse models and field data. Hydraulic conductivities derived by utilizing mean calibration values agree well with estimates obtained from well core analysis.

Die erste Fallstudie, die in Paderborn (Deutschland) durchgeführt wurde, zielte auf die Mikrogravimetrie-Technik für den Einsatz in seichten Karstaquiferen und diente der Bestimmung der maximalen Erkundungstiefen der Mikrogravimetrie. 3 D-Modelle wurden für einfache Strukturen bzw. Situationen wie Höhlen, Dolinen und Grundwasserspiegelschwankungen mit Hilfe des Computerprogramms IGMAS berechnet. Zusätzlich wurden zehn Mikrogravimetrie-Profile im Paderborner Karstgebiet (Deutschland) durchgeführt. Als Fazit der Mikrogravimetrie-Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass diese Technik ein sehr wirksames Werkzeug für geringe Tiefen ist, mit dem nicht nur Hohlräume und Dolinen erkannt werden können, sondern auch Grundwasserspiegelschwankungen. Die zweite Studie ist eine hydrogeologische Untersuchung, die westlich von Damaskus (Syrien) durchgeführt wurde. Das Ziel dieser Studie war es, das Vorhandensein von Grundwasser im tiefen Karst zu ermitteln, und wenn möglich, die Menge des entnehmbaren Grundwassers abzuschätzen, mit dem eine nachhaltige Trinkwasserversorgung von Damaskus unterstützt werden kann. Die allgemeinen Bedingungen, die regionale Geologie, die Verteilung von Störungszonen und die Mächtigkeit der jurassischen Schichten im Untersuchungsgebiet wurden analysiert. Weiterhin erfolgten Untersuchungen zur hydrologischen und hydrogeologischen Charakterisierung des Untersuchungsgebietes. So konnte ein durchschnittlicher Leerlaufkoeffizient (α) von 0,0055 d-1 für die Barada-Quelle ermittelt werden. Dieser Lererlaufkoeffizient charakterisiert eine Karstquelle mit hoher hydraulischer Konnektivität. Drei geophysikalische Methoden (Resistivity, Audiomagnetotellurik, Very Low Frequency) wurden ebenfalls in diesem Bereich durchgeführt, um Klüfte abzugrenzen, die Richtungen der maximalen hydraulischen Leitfähigkeiten zu bestimmen, sowie die bevorzugten Fließwege des Grundwassers zu ermitteln. Als Ergebnis eines Markierungsversuches ergab sich, dass die Grundwasserneubildung der Barada-Quelle vor allem nordwestlich und westlich vom Untersuchungsgebiet erfolgt. Die Fließwege und Fließgeschwindigkeiten wurden ebenfalls bestimmt. Hydrochemisch ist das Grundwasser im Untersuchungsgebiet von einem Ca-HCO3 Typ und – auf Grundlage der WHO und SASMO - in den meisten Fällen als Trinkwasser geeignet. Auf der Grundlage der integrierten Auswertung aller Ergebnisse kann festgehalten werden: 1. Die Studie ergab, dass der tiefe Karst im jurassischen Grundwasserleiter die wichtigste Ressource von frischem Grundwasser im Untersuchungsgebiet ist. 2. Die potentielle Ausnutzung der tiefen Aquifere westlich von Damaskus kann als eine erste strategische Wahl angesehen werden, um Damaskus mit Trinkwasser zu versorgen. 3. Vier potentielle Grundwasser-Entnahmebereiche (A, B, C und D) wurden auf Grundlage der Untersuchungen nach ihrer Produktivität bestimmt. Der günstigste Bereich für die Trinkwasserversorgung für Damaskus ist der Bereich A, dann die Bereiche B, C, und D. The first example of this study, which applied in Paderborn (Germany), aims to evaluate the microgravity technique for using in the hyrogeological studies in the shallow karst aquifers and determining the investigation depths of the microgravity method. An inverse 3D model for simple bodies like caves, sinkholes, water level fluctuations has been calculated using a IGMAS computer program. In addition ten microgravity profiles were carried out in a karstic area in Paderborn (Germany). As a conclusion the microgravity technique is shown to be a very effective tool in shallow depths for detection of cavities and sinkholes, monitoring the groundwater levels fluctuations. The second example is a hydrogeological study, which carried out west of Damascus city (Syria) to define the existence of groundwater in the deep karst aquifers, and if possible, to assess the groundwater’s quantity, which can be extracted to sustainable supply Damascus city with drinking water. The general characteristics, regional and detailed geology, distribution of the fractured strata, and the thickness of the Jurassic deposits in the study area have been analyzed. Also the hydrological and hydrogeological situation have been studied. So the computation of the average discharge coefficient (α) of Barada spring is around 0.0055 day-1, which characterizes a karstic aquifer with high hydraulic connectivity. Three geophysical methods (Resistivity, Audio-Magnetotelluric, Very low frequency) were carried out in this area in order to delineate the faults traces, to determine the directions of maximum hydraulic conductivities and to assume the preferential flow paths for groundwater. According to the tracer test, Barada spring is recharged mainly from northwest and west of the study area. The flow paths and velocities also have been determined. Depending on the hydrochemical evaluation, the groundwater in the study area is characterized by a Ca-HCO3 water type and generally suitable for drinking according to the WHO and SASMO with some exceptions. Based on the integrated interpretation of all results, it can be concluded that 1. The study primarily proved that the deep karst in the Jurassic aquifers contain the principal resources of fresh groundwater in the study area. 2. The possibility of exploitation of the deep aquifers west of Damascus city is available as a first strategic choice to supply Damascus city with drinking water. 3. Four potentially groundwater areas (A, B, C and D) have been determined according to its productivity. Thus the most promising area for drinking water supply for Damascus city is the area A, then the areas B, C and D respectively.

Im November 1997 kam es im Bahnhofbereich der Stadt Elsterwerda (Brandenburg) zu einer Tankzughavarie, bei der circa 470 t unverbleites Normalbenzin mit den Hauptkontaminanten Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol (BTEX) und Mineralölkohlenwasserstoffe in den quartären Untergrund eingetragen wurden. Durch aktive Sanierungsmaßnahmen konnten etwa 260 t an Schadstoffen entfernt werden. Die Sanierungsmaßnahmen verloren im Laufe der Zeit jedoch deutlich an Effizienz und die Verhältnismäßigkeit der aktiven Sanierung in Bezug auf die Sanierungskosten war nicht mehr gegeben. Somit stellte sich die Frage, ob Natural Attenuation (NA) bzw. Monitored Natural Attenuation (MNA) als mögliche Sanierungsalternative zur aktiven Sanierung am Standort Elsterwerda möglich ist. Zur Identifizierung und Quantifizierung der Schadstoffminderungsprozesse im Feldmaßstab erfolgte im April 2006 die befristete Unterbrechung der aktiven Sanierung. Erst mit der Einstellung einer natürlichen Grundwasserströmung sowie der Ausbildung einer Schadstofffahne bestand die Möglichkeit der Bestimmung der transport- und abbaurelevanten Standortparameter, welche als Grundlage für eine Prognose zum Einsatz von MNA als Sanierungsalternative benötigt wurden. Die Ermittlung und Quantifizierung der räumlichen Entwicklung der BTEX-Schadstofffahne sowie der am Standort Elsterwerda wirkenden NA-Prozesse erfolgte unter Anwendung innovativer und hochauflösender Aufschluss- und Beprobungsmethoden. So wurden im Zuge zweier Direct-Push-Kampagnen über 60 tiefenorientierte Grundwasserproben genommen sowie eine Grundwassermessstelle vom Typ Continuous Multichannel Tubing im direkten Abstrom des Eintragsbereiches installiert. Die vertikale Lage des Eintragsbereiches, die Abgrenzung zwischen Eintragsbereich und Schadstofffahne als auch die sich in Abstromrichtung in tiefere Bereiche verlagernde Schadstofffahne konnten mit den hochauflösenden Verfahren in einer Genauigkeit aufgelöst werden, wie es mit dem herkömmlichen Monitoringnetz nicht möglich gewesen wäre. Neben den tiefenorientierten aktiven Beprobungsverfahren wurden auch passive Grundwasserbeprobungen mit Keramikdosimetern durchgeführt, durch die theoretisch eine mittlere Schadstoffkonzentration ermittelt werden kann. Nur in wenigen Fällen der passiven Beprobung wurde der theoretisch zu erzielende Mittelwert zwischen zwei aktiven Beprobungskampagnen erreicht, so dass insgesamt der Einsatz von Keramikdosimetern weniger der Ermittlung von mittleren Konzentrationen im Beprobungszeitraum diente, sondern vielmehr der technischen Überprüfung der Anbindung einer Grundwassermessstelle an den Grundwasserleiter. In Bezug auf den mikrobiellen Abbau der BTEX am Standort ergab die Auswertung auf Grundlage einer Bilanzierung der Elektronenakzeptoren und -donatoren eine Abbaurate 1. Ordnung von 0,0013 d -1 für die BTEX-Stoffgruppe. In Ergänzung zur Auswertung der Grundwasseranalysen zeigten des Weiteren Batchversuche mit Standortmaterial, dass am Standort autochthone Mikroorganismen vorhanden sind, die die BTEX abbauen. Die Prognose der zukünftigen Entwicklung der Standortkontamination erfolgte im Zuge einer Strömungs- und Transportmodellierung. Es wurden insgesamt vier Szenarien simuliert, wobei in den jeweiligen Szenarien die Abbaurate und die Sorptionsrate variiert wurden. Die seit Beginn der befristeten Sanierungsunterbrechung zu beobachtende Fahnenentwicklung konnte gut innerhalb der Szenarien nachvollzogen werden, bei denen die im Feldmaßstab ermittelte Abbaurate und zusätzlich Sorptionprozesse berücksichtigt wurden. Nach aktuellem Kenntnisstand und basierend auf den Geländeuntersuchungen sowie der Modellierung beträgt die maximale Ausbreitung der Schadstofffahne etwa 75 bis 148 m und der Zustand der quasi-stationären Fahnenausbildung wird zwischen 2014 und 2030 erreicht. Die Schadstoffausbreitung am Standort Elsterwerda ist aufgrund des effektiven mikrobiellen Kohlenwasserstoffabbaus räumlich und zeitlich limitiert. Trotz der sich aktuell noch ausdehnenden Schadstofffahne kann aus den Untersuchungen abgeleitet werden, dass MNA als Sanierungsalternative zu einer aktiven Sanierung am Standort Elsterwerda umsetzbar wäre. A railway accident in Elsterwerda (Brandenburg, Germany) in 1997 led to a spill of about 470 t of unleaded fuel and to a contamination of the quaternary aquifer with benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX) and petroleum-derived hydrocarbons. Active remediation yielded a recovery of contaminant of about 260 t. Due to very low recovery rates of soluted conatminants by pump & treat, laboratory studies estimated the site-specific potential for natural attenuation of BTEX as alternative treatment technique. In April 2006, the pumping activity was stopped at the field site. The aim of the shut-down of the pump & treat measurements was to determine sorption and biodegradation rates under natural conditions of an evolving a contamination plume. Only the shut-down of pump & treat gave the possibility of determining the relevant transport and degradation parameters, which are needed for the prediction of Monitored Naturak Attenuation (MNA) as an alternative remediation technique. To evaluate the spatial development of the BTEX plume and the affecting NA processes, innovative and depth-oriented exploration and sampling methods were applied. Two direct-push-campaigns were conducted and over 60 depth-oriented groundwater samples were obtained. Aditionally, one Continuous Multichannel Tubing was installed downstream of the source area. With these techniques, it was possible to determine the vertical and horizontal location of the source zone, the boundary between source zone and the BTEX plume and the spatial dimension of the developing BTEX plume. In addition to the depth-oriented active sampling, passive sampling with ceramic dosimeters was conducted. Theoretically, the result of such a time-integrated passive sampling should be an average concentration between two active sampling events. The comparison of active and passive sampling results adduced 2 groups: (1) The result of passive sampling was an average concentration of active sampling; (2) The result of passive sampling was much higher or lower of the result of active sampling. The main reason for this is, that passive sampling with ceramic dosimters is highly dependent on the connection between observation well and aquifer. Hence, ceramic dosimeters at Elsterwerda could be used to determine average concentrations in some wells. However, far more information was acquired about the technical and hydraulic condition of the observation wells. The analysis of the field investigations showed, that the intrinsic biodegradation of the dissolved hydrocarbons is very effective. The first-order decay rate for the BTEX of 0.0013 d-1 was determined by balancing the electron acceptors and electron donators. The conducted batch tests with site-material verified the existence of autochthonal microorganisms which are degrading the dissolved BTEX. The prediction of the future development of the BTEX plume was performed using flow and transport modelling with the software FEFLOW 5.4. Four scenarios were simulated. The scenarios differ in the implemented decay rate and the sorption rate. The actual development of the BTEX plume is comprehensible in the scenarios regarding the decay rate, which was determined at field scale, and sorption processes. Based on the current knowledge and on the results of the simulation, the maximum length of the plume is between 75 to 148 m. Quasi steady state conditions for the plume will be achieved between 2014 and 2030. At the Elsterwerda site, the spread of the BTEX plume is limited spatially as well as temporally by the effective biodegradation. Although the current BTEX plume is propagating, the conducted investigations show that MNA is feasible as alternative remediation technique.

Das Hauptthema dieser Arbeit ist der Einbau von Wasserstoff (H) in drei wichtige nominell wasserefreie Minerale (NAMs) des oberen Erdmantels: Coesite (Cs), Olivine (Ol) und Wadsleyite (Wad). NAMs können H in die Struktur über Punktdefekte, wie z.B. Kationenleerstellen einbauen. Hauptziel dieser Arbeit ist eine vertrauenswürdige Quantifizierung von H in Cs, Wad und Ol und gleichzeitig eine genaue Beschreibung des Einflusses von H auf die Stabilitätsfelder dieser Mineralien. Das erste Kapitel bezieht sich auf den gekoppelten Einbau von H und B in Cs. Dieses Mineral kann H in die Struktur einbauen (i) via die Hydrogranatsubstitution und auch (ii) via die Substitution von Si durch Al und B. Die Ergebnisse belegen, dass Cs bei relativ hohen Drücken und Temperaturen H bevorzugt über den B-Defekt statt über die Hydrogranatsubstitution einbaut. Eine Volumenabnahme (zirka 20%) des Tetraeders begleitet den B-Defekt im Vergleich zur Hydrogranatsubstitution. Daher ist der Einbau von H in Coesite via den B-Defekt beim hohen Drücken energetisch günstiger (9-12 GPa). Das zweite Kapitel liefert die erste FTIR Kalibrierung zur Quantifizierung von H in Wadsleyite. Der molare Absorptionkoeffizient (εi,tot) wurde mit Hilfe von polarisierten FTIR Messungen in Kombination mit SIMS und RAMAN-Spektroskopie als 73000 (± 7000) (L mol -1H2O cm-2) bestimmt. Auf der Basis der Ergebnisse wurde ein Modell über den H-Einbau in Wad entwickelt: H sitzt entlang der O1•••O4 und/oder O3•••O4 Kanten eines leeres M3 Oktaeders. Das dritte Kapitel beschreibt den Einfluss von Wassers auf die P-T-x Koordinaten des Ol-Wad Phasenüberganges. Im System MgO-SiO2-H2O wird durch den bevorzgten H-Einbau in Wad im Vergleich zum Ol die Ol-Wad Phasengrenze um 0.6 GPa zu niedrigeren Drücken verschoben. Im MgO-FeO-SiO2-H2O System verbreitet der H-Einbau die Felder, in denen Wad-Ring und Ol-Wad koexstistierten in Bezug auf die Zusammensetzung. Insgesamt vergrößert sich das Wad Stabilitätsfeld durch den bevorzugten Einbau von H in Wad. The current PhD thesis focuses on the incorporation of hydrogen in three important constituents of the Earth upper mantle: coesite (cs), olivine (ol) and wadsleyite (wad). They belong to the category of Nominally Anhydrous Minerals (NAMs), however they may incorporate water as hydrogen in their structure via point defects. Major aim of this work is to provide a reliable and proper quantification of hydrogen (expressed as water) of these minerals and to study the influence of water on their P-T stabilities. Coesite is a common constituent of high pressure metamorphic rocks. Due to the olivine-wadsleyite phase transition an important seismic-petrologic discontinuity in the Earth upper mantle occurs: the 410-km discontinuity. I will approach the topic by: 1) studying the coupled boron and hydrogen substitution in coesite and compare it with the hydrogarnet substitution; 2) analyzing the water storage capacity of Mg2SiO4 wadsleyite and the H incorporation mechanisms; 3) determining how water affects the phase transition of olivine to wadsleyite in the system MgO-SiO2-H2O and, to approach the nature, in the system MgO-FeO-SiO2-H2O. 1) Coesite can incorporate H via the hydrogarnet substitution, i.e. a vacant Si site with four coordinating OH groups instead of four oxygens for charge balancing and via Al or B based defects. In the latter substitution B3+ (or Al3+) enters the Si site and one of the tetrahedral oxygens forms a hydroxyl group for charge balancing. In this study coesite that stores H only via B based defects were synthesized for the first time at 9-12 GPa and 1000-2000°C with water in excess. The experimental methods used provide important information on the amount of B and H incorporated in the structure and on B location. All the results lead to the conclusion that the relatively high pressures and temperatures that were chosen for the experiments tend to favour the B based defect, instead of the hydrogarnet substitution, as the B-based defect is accompanied by a general decrease of the size of the tetrahedral site compared to the hydrogarnet substitution (approximately 20%). Thus, coesite with the B- based defect have a smaller volume than those with the hydrogarnet substitution and their formation is favoured at high pressure. 2) The second part of the current PhD thesis will provide a calibration to quantify H in wadsleyite by FTIR spectroscopy and will focus on its incorporation mechanism. Hydrous wadsleyite was synthesized at 13.3-13.5 GPa and 1150-1200°C. Raman Spectroscopy and SIMS water quantifications along with the results of FTIR polarized measurements on single oriented crystals give the first absorption coefficient εi,tot of 73000 (± 7000) (L mol -1H2O cm-2) for water in wadsleyite. Typically the oxygen site O1 of the M3 site is protonated via Mg vacancies. The single crystal X-ray refinements of hydrous wadsleyite suggest that the hydration of wadsleyite occurs along the O1•••O4 and/or O3•••O4 edges of a vacant M3 octahedron. H is bounded either on two O1, two O3, or on one O1 and one O3 sites of a vacant M3 site. 3) The final part will point out in which extent H affects the P-T-x coordinates of the 410-km discontinuity, e.g. the olivine-wadsleyite phase boundary. Two sets of experiments were performed one in the system MgO-SiO2±H2O and one in the system MgO-FeO-SiO2±H2O at 13-13.7 GPa and 1025-1300 °C and 11-12.7 GPa and 1200°C, respectively. In both systems wadsleyite incorporates a much higher amount of water than olivine. In the MgO-SiO2±H2O system the stronger fractionation of water in wadsleyite causes a shift of the olivine-wadsleyite phase boundary to lower P values (0.6 GPa). In the MgO-FeO-SiO2±H2O system H broadens unexpectedly the loops where respectively wadsleyite-ringwoodite (ring) and olivine-ringwoodite coexist. The stability field of hydrous wad enlarges in both directions, to lower (ol-wad loop) and higher (wad-ring loop) pressures. The presence of small concentrations of Fe3+ does not influence the phase boundaries. A new schematic phase diagram for hydrous conditions compared to dry ones will be presented.

Volatile Elemente sind für die Geowissenschaften von besonderem Interesse, weil sie maßgeblichen Einfluss auf die Bildung von Atmosphäre und Ozeanen haben, eine Schlüsselrolle in sedimentären, magmatischen und metamorphen Prozessen spielen und somit die Evolution der Erdkruste und des Erdmantels wesentlich mitbestimmt haben. Stickstoff und Wasserstoff gehören zu den wichtigsten volatilen Elementen. Die Bestimmung ihrer Häufigkeit, sowie ihrer Verteilung und ihres Austausches zwischen Atmosphäre, Erdkruste und Erdmantel sind seit Jahren Thema vieler Forschungsarbeiten. Trotzdem ist das Wissen über den Stickstoffkreislauf sehr lückenhaft, insbesondere über den Stickstoffaustausch zwischen der Erdkruste und dem Erdmantel ist bisher nur sehr wenig bekannt. Nominell wasserhaltige Hochdruckphasen leisten einen wesentlichen Beitrag zum Wasserreservoir des Erdmantels, denn sie können beträchtliche Mengen an Wasser und häufig auch weiteren flüchtigen Elementen wie z.B. Halogenen in ihren Kristallstrukturen speichern. Daher sind Stabilitäten und kristallchemischen Eigenschaften von wasserhaltigen Hochdruckphasen von besonderer Relevanz und großem Interesse. Das Ziel diese Doktorarbeit ist also die Erweiterung des Wissen über die geochemischen Kreisläufe von Stickstoff und Wasserstoff im Erdinneren. Stickstoff wird als Ammonium, NH4, in den Erdmantel subduziert. Es entsteht bei der Zersetzung von sedimentierter organischer Materie und wird dann in kaliumreiche Minerale der Erdkruste eingebaut. Werden diese NH4-haltigen Sedimente entlang einer kalten Geotherme versenkt, so kann das enthaltene NH4 in die neuentstehenden Hochdruckphasen eingebaut werden. Diese zeigt die Synthese von NH4-Phengit, NH4-Cymrit, NH4-Wadeit, und NH4-Hollandit. Die Entgasung von molekularem Stickstoff, N2, am mittelozeanischen Rücken setzt voraus, dass es ein Stickstoffreservoir im darunterliegenden peridotitischen Mantel gibt. Die Synthese von NH4-haltigem Klinopyroxen deutet darauf hin, dass dies ein wichtiger Stickstoffträger im Mantel sein könnte. Abschätzungen zeigen, dass Klinopyroxen im Mantel über ein Stickstoffspeicherkapazität of etwa 1012 mol N2 verfügt. Die Zersetzung einer solchen NH4-Komponente in Klinopyroxen oberen Bereich des Mantels würde zur Freisetzung von Stickstoff und zur Rückführung in die Atmosphäre führen und somit den Kreislauf schließen. Topas ist eine wichtige Modellphase für den Transport von volatilen Elementen in den Erdmantel, weil er über eine einfache chemische Zusammensetzung und ein relativ großes Stabilitätsfeld verfügt. Detaillierte Untersuchungen an der (F,OH)-Mischkristallreihe offenbarten eine unerwartete Komplexität des Wasserstoffverhaltens, welches auf die lokale Ordnung von F und OH in der Kristallstruktur zurückzuführen ist. Fluor und OH sind statistisch auf derselben kristallographischen Position verteilt. Zwei eng benachbarte Positionen beeinflussen sich gegenseitig, so dass man im IR Spektrum zwei OH-Streckschwingungen findet. Der Anteil an lokal geordneten OH...OH-Bereichen in der Kristallstruktur hängt von der OH-Konzentration des Topases ab und lässt sich mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung vorhersagen. Das Auftreten solch geordneter Bereiche reduziert lokal die Symmetrie und beeinflusst so auch weitere kristallchemische Eigenschaften wie z.B. die Piezo- und Pyroelektrizität, die Strukturausdehnung und die Stabilität. Temperaturabhängige Untersuchungen an (F,OH)-Topas und Topas-OH zeigen zwei Phasentransformationen. Bei tiefen Temperaturen ändert sich die Symmetrie von P1 nach Pbn21, bei hohen Temperaturen von Pbn21 nach Pbnm. Das Verhalten von (F,OH)-Topas bei zunehmendem Druck und bei abnehmender Temperatur ist vergleichbar. Dies trifft auf Topas-OH nicht zu. Die wahrscheinlichste Erklärung ist die unterschiedliche Geometrie der Wasserstoffbindungen. Die Studien dieser Dissertation demonstrieren, dass detailliertes Wissen über Kristallstrukturen und kristallchemische Eigenschaften von großer Bedeutung ist, um globale Prozesse wie das Recycling von volatilen Elementen im Erdmantel verstehen und modellieren zu können. Volatile elements are of particular interest in geosciences, because they are essential for the formation of the atmosphere and oceans, play a key role in sedimentary, magmatic, and metamorphic processes, and thus in the evolution of crust and mantle. Nitrogen and hydrogen are major volatile elements. Their abundances, partitioning and cycling between the major reservoirs, atmosphere, crust, and mantle, have been investigated in many studies during the last years. Still, the present knowledge of the nitrogen cycle is only fragmentary, in part because of the missing data on the nitrogen cycling between crust and deep mantle. The contribution of the nominally hydrous high-pressure silicates to the water reservoir in the mantle cannot be neglected. This is because they have a high transport capacity for water and often also other volatiles, e.g., halogens. Hence, the stabilities and crystal chemical properties of hydrous high-pressure phases are of great interest. This thesis tries to extend the knowledge about the two element cycles, nitrogen and hydrogen, in the Earth's interior. Nitrogen is primarily transported to the deep Earth as ammonium, NH4, which originates from the decomposition of organic matter followed by its incorporation into K-rich sediments. With ongoing subduction in cold slabs, NH4 from the sediments can be redistributed into newly formed high-pressure phases such as NH4-phengite, NH4-cymrite, NH4-Si-wadeite, NH4-hollandite, which were successfully synthesized in this thesis. This provides the means for nitrogen and hydrogen transport to the Earth’s mantle. Degassing of molecular nitrogen, N2, at mid-ocean ridges implies a nitrogen reservoir in normal mantle rocks, i.e., peridotites. The synthesis of NH4-bearing clinopyroxene suggests that this mineral might be an important carrier of nitrogen in the mantle. Rough calculations resulted in a storage capacity of about 1012 mol N2. The breakdown of such an NH4 component in clinopyroxene at mid-upper mantle conditions would lead to a nitrogen release back to the atmosphere and close the nitrogen cycle. An important model phase for volatile transport into the mantle is topaz because of it’s simple chemical composition and the large extent of it's stability. Detailed investigation of the (F,OH)-solid solution series unraveled an unexpected complexity of the behavior of hydrogen in the crystal structure. A crucial result from these investigations is the importance of short-range ordering in the crystal structure on crystal chemical properties. Fluorine and OH are statistically distributed in the same crystallographic site. Two closely adjacent sites interact with each other, which result in the occurrence of two OH stretching bands in the IR spectra. The amount of local OH…OH ordering depends on the OH concentration in the topaz crystal and can be predicted from probability calculations. This short-range ordering reduces locally the symmetry and thus, affects further crystal chemical properties such as piezo- and pyroelectricity, structural increase, and the stability. Temperature-dependent investigations show that (F,OH)-bearing topaz and topaz-OH undergo phase transitions with symmetry changes from P1 to Pbn21 at low temperature and from Pbn21 to Pbnm at high temperature. A comparison with pressure-dependent studies show a similar behavior of (F,OH)-bearing topaz at decreasing temperature and increasing pressure, whereas the influences on topaz-OH are different. The most likely explanation may be the differences in the hydrogen bond geometry. The studies of this thesis demonstrate that detailed crystal knowledge is essential to understand and model the replenishment of the Earth’s mantle with volatiles via subduction.

The northeast border of the central Atlas Mountains lies at the hinge between three structural units: the High Atlas, the Middle Atlas and the inter-mountainous plateau of the High Moulouya. Situated along the northwest border of the African continental plate, the region’s sedimentological and geodynamic evolution was strongly influenced by both the Mediterranean (or Tethysian) mobile zone to the east and the Atlantic Ocean to the west. The other major factor influencing the area's evolution during the Mesozoic and Cenozoic eras was the intersection of the adjoining African and Iberian tectonic plates. Due to the dislocation and break-up of the supercontinent Pangaea and the resulting reactivation of the older Hercynian tectonic structures, a typical intracontinental rift system developed during the Upper Triassic period. From the Lower Jurassic to the Eocene, a remarkable diversity of facies zones developed in the depositional areas, ranging from deep platform environments to continental settings. The relatively rigid overlying strata were fractured and faulted during the initiation of the main compressive phase in the Upper Cretaceous period under the influence of the predetermined underlying faulting structure. Therefore, normal faults and thrust faults with a certain lateral extension were established over the resulting hydrogenetic and highly ductile Triassic sediments. Because of the complexity regarding the tectonic relations between the three structural units, there is a high level of interest in their junction zone, located in the research area. Therefore, the study area is divided into two different regions: the Ouaouizarth region in the southwest border of the contact zone of the High and Middle Atlas, and the Aghbala region to the northeast (the latter comprising the High Moulouya plateau and the convergence of the Atlas ranges). One of the main focuses of the present work is the establishment of a Geographic Information System (GIS) for the northern border of the High Atlas system. In order to insure subsequent use of the system, a high level of exchangeability has been implemented. As of now, there is no similar system for the entire Atlas mountain range, despite a clear and present need. Such an “AtlasGIS“ system would prove indispensable not only in the fields of ground water provisioning and natural hazard management, but in the implementing sustainable tourism model (in the framework of the UNESCO geopark concept) as well. With regard to contents, data resulting from new geological investigations conducted during this project was integrated with previously existing and readily available data (primarily geological maps, aerial photographs and satellite images). As a direct result of the AtlasGIS project, two new geological maps of the investigation area have been generated. The sedimentological and structural results of the present work fit well within the paleogeographical context of the bordering regions of the western Tethys. In particular, answers to the following questions have been outlined: • Timeframe and character of the differentiation of the High and Middle Atlas and the High Moulouya; • Dating of the Jurassic and Cretaceous Redbeds, formerly considered as free of fossils; • Influence of the deformation on the classification of the Jurassic and Cretaceous Redbed sediments; • Relationships between the post-Triassic sedimentary cover and the hercynian basement; • Chronological setting of the development of the deformation structures; • Sedimentary, paleogeographical and structural relation between the Middle and the High Atlas; Detailed lithological investigations of the geological history of the Atlas system have focused on the redbed sediments from the Dogger, Malm and the Lower Cretaceous. During these periods, important changes in environmental conditions have been noted and the first compressional structures had been detected. A geodynamic model consisting of five evolutionary phases has been developed. Furthermore, a change of polarity of the sedimentary accumulation area has been identified: although previously controlled only by the Tethys, during the Lower Cretaceous (Barremian) period the area also came under the influence of the Atlantic Ocean. Though the Turonian period, occurrences of both oceans are clearly visible. The Middle Atlas could be regarded as an estuary of the High Atlas, which shares similar sedimentary and structural developments. They do not, however, reflect the evolution of two separated basins, despite local compressions during the Dogger. The differentiation of the two mountain chains did not occur earlier than during the first compressive main phase at the uppermost Cretaceous, most likely during Tertiary. La bordure nord-est du système atlasique assure l’articulation entre trois unités structurales différentes : le Haut Atlas au sud, le Moyen Atlas au nord ouest et la Haute Moulouya, plateau intra-montagneux au nord est. L’évolution sédimentologique et géodynamique de cette région a été influencée à la fois par les deux océans voisins, la Téthys à l’est et la marge atlantique à l’ouest, et par les deux plaques continentales adjacentes, la plaque africaine au sud et l’Ibérie au nord. A la suite de la dislocation du supercontinent Pangée, les structures tectoniques hercyniennes ont été réactivées en transtension et un bassin de type rift intracontinental typique s’est créé à partir du Trias inférieur. Entre le Jurassique inférieur et l’Eocène, périodes de sédimentation résultantes ont été enregistrées des variations notables de faciès et de milieux de dépôt, allant d’un environnement de plate-forme plus ou moins profonde jusqu’au domaine continental émergé. Avec le début de la phase compressive du Crétacé supérieur, la couverture relativement souple a été faillée et plissée sous l’influence du dispositif structural hercynien hérité, un socle plus rigide. De grands accidents profonds et des chevauchements latéraux en sont le résultat, entraînant le décollement de la couverture post-hercynienne sur les séries du Trias, souvent évaporitiques et plastiques. En raison des relations tectoniques complexes entre les trois unités atlasiques concernées, une attention particulière à été portée à leur zone d’articulation. Le terrain d’étude est ainsi reparti en deux régions distinctes : la région de Ouaouizarth à la limite sud-ouest de la zone de contact entre Haut et Moyen Atlas, et la région d’Aghbala en position nord orientale. Cette dernière implique également la Haute Moulouya, qui assure ici la jonction entre le Haut et le Moyen Atlas. Le corps de l’ouvrage est tout d’abord consacré à la réalisation d’un Système d’Information Géographique (SIG) sur le domaine du Haut Atlas central. Ce système est construit en gardant une grande possibilité de modifications et d’adaptations afin d’assurer des utilisations et perfectionnements ultérieurs. Jusqu’à présent, un tel système était inexistant, en dépit d’un besoin très réel, notamment en matière de gestion des ressources en eau, de la prévention des risques naturels, ou du tourisme. Pour ce dernier, un « Atlas SIG » est indispensable. La base de données contient les résultats de la recherche ici présentés, mais aussi les données déjà existantes et disponibles, surtout celles qui sont consignées dans les anciennes cartes géologiques. Dans le cadre de « l’Atlas SIG », deux cartes ont été générées (feuille de Ouaouizarth et feuille d’Aghbala). Concernant la recherche fondamentale, les résultats obtenus s’intègrent bien à l’échelle atlasique, tant dans les cadres stratigraphique, sédimentologique, paléogéographique que géodynamique, déjà connus pour la marge ouest de la Téthys. Les questions essentielles suivantes ont été traitées: • datation des « couches rouges » auparavant considérées comme azoïques. • style de déformation en fonction de l’organisation de la sédimentation des couches rouges du Crétacé ; • relations entre couverture post-triasique décollée et socle hercynien ; • première étape de déformation compressive ; • importance et fonctionnement des chevauchements nord-atlasiques frontaux; • relations sédimentaires, paléogéographiques et structurales entre Haut Atlas, Moyen Atlas et Haute Moulouya; L’étude détaillée des formations lithologiques s’appuie sur les couches rouges du Dogger, du Malm et du Crétacé inférieur. C’est ici que les changements importants de l’évolution géodynamique régionale se sont enregistrés, comprenant aussi les premières phases compressives locales. Les analyses sédimentologiques conduisent à proposer un schéma d’évolution géodynamique, qui comporte cinq stades. C’est d’abord le changement de la polarité des aires de dépôt à partir du Crétacé inférieur (Barrémien) : la sédimentation, auparavant influencée par la Téthys, est désormais soumise à l’influence du rift atlantique juvénile. A partir du Turonien, on remarque une influence mixte de deux océans sur la bordure nord du système atlasique. Le Moyen Atlas peut être considéré comme « branche » du Haut Atlas, qui a plus ou moins subi les mêmes évolutions sédimentaire et structurale, de sorte qu’on ne peut pas parler de deux bassins atlasiques distincts. Malgré des compressions locales durant le Dogger, la différentiation du Haut et du Moyen Atlas est tardive et ne se fait pas avant la phase compressive majeure, à partir du Crétacé sommital, mais plus vraisemblablement au cours du Tertiaire.

Diese Arbeit zeigt, dass induzierter technischer Fortschritt die wirtschaftliche Belastung durch Klimaschutzpolitik erheblich reduzieren kann, und dass die hierfür notwendige internationale Kooperation durch geschicktes Koppeln von Klimaschutz an weitere Verhandlungsgegenstände erreicht werden könnte. Ausgangspunkt der Betrachtung sind zwei Annahmen: Erstens, Maßnahmen zur Vermeidung von Klimawandel sind dringend notwendig, and zweitens, technologischer Fortschritt wird darin eine wichtige Rolle spielen. Empirisch ist gezeigt worden, dass technischer Fortschritt durch Politik induziert werden kann. Es besteht jedoch Uneinigkeit über die Auswirkung solches induzierten technischen Fortschritts (induced technological change, ITC) auf die Kosten von Klimaschutz. Ein deutliches politisches Signal ist Vorraussetzung dafür, zusätzlichen technologischen Fortschritt auszulösen. Die Literatur zu internationalen Umweltabkommen zeigt jedoch , dass die Aussicht auf eine global einheitliche Klimapolitik eher düster ist. Dies motiviert zwei Forschungsfragen. Zum einen, welche Rolle spielt ITC für Klimaschutzpolitik? Zum anderen, wie kann ein globales Klimaabkommen aussehen, dass den notwendigen technischen Fortschritt auslöst? Diese Arbeit stellt vier Artikel vor, die zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Der erste Artikel konzentriert sich auf die Bedeutung von ITC für die Klimaschutzkosten und die CO-Vermeidungsstrategien in dem Integrated Assessment Model MIND. Es stellt sich heraus, dass ITC großem Einfluss sowohl auf Klimaschutzkosten alsauch auf Vermeidungsstrategien hat. Dies zeigt, wie wichtig die Berücksichtigung von ITC innerhalb der Vermeidungsoptionen aber auch als treibende Kraft des Wirtschaftswachstums ist. Im zweiten Artikel vergleiche ich zehn aktuelle Modelle internationaler Forschungsteams, die ITC berücksichtigen. Der Vergleich zeigt die unterschiedliche Bedeutung von ITC in den Modellen für Klimaschutzkosten und Vermeidungsstrategien. Es werden Schlussfolgerungen identifiziert, die in allen Modellen gültig sind. Für wichtige Unterschiede zwischen den Modellen werden die wesentlichen Ursachen identifiziert. Dafür ist die Konstruktion von geeigneten ceteris paribus Szenarien der Kern des Vergleiches, die es erlauben, den Einfluss von ITC zu isolieren. Die ersten beiden Artikel implementieren Klimapolitik als Stabilisierung der CO-Konzentration, sie gehen also implizit von vollständiger globaler Kooperation in Sachen Klimapolitik aus, obwohl bekannt ist, dass dies aufgrund der Anreizstruktur eher unwahrscheinlich ist. Im dritten Artikel zeige ich deshalb, wie die Bereitschaft zur Kooperation durch die Koppelung von Klimaabkommen an Handelssanktionen gestärkt werden kann. Kooperatives Verhalten nimmt dabei mit der Höhe der Einfuhrzölle zu bis hin zur vollständigen Kooperation. Die internationalen Substitutionsmöglichkeiten der gehandelten Güter untereinander bestimmt dabei, wie effektiv die Zölle auf die Kooperation wirken. Der vierte Artikel wendet das Koalitionsmodel auf die Möglichkeit der Forschungs- und Entwicklungskooperation an. Es stellt sich heraus, dass die Koppelung von Klimaabkommens an gemeinschaftliche Forschung und Entwicklung die Anreizstruktur zu gunsten erhöhter Kooperation verändert. Desweiteren wird gezeigt, unter welchen Umständen Technologiestandards einen positiven Beitrag zur kooperativen Klimaschutzpolitik bilden können. Zusammenfassened haben die Artikel, die in dieser Arbeit zusammengefasst sind, gezeigt, dass ITC durchaus Potential hat, die Belastung der Weltökonomie durch Klimaschutzpolitik zu mindern. Das deutliche Preissignal, dass diesen technischen Fortschritt auslösen könnte, kann durch Klimaschutzabkommen gesetzt werden, deren Erfolgsaussichten durch eine Kopplung an Handelssanktionen einerseits, und eine Kopplung an Forschungskooperation andererseits erheblich verbessert werden kann. This thesis suggests that induced technological change has potential to reduce the burden that climate change mitigation puts on the economy. Furthermore, international cooperation on climate policy, which may trigger this induced technological change, may be achieved by linking climate negotiations to other issues. The starting point are two assumptions: first, action to mitigate climate change is necessary, and second, technologies will play a key role in this effort. There is empirical evidence that technological change is induced by policies. However, previous assessments of such induced technological change (ITC) have been ambiguous. Moreover, a clear climate policy is required in order to induce the technological progress. However, the literature on international environmental agreements suggest that the prospect for global climate policy is not bright. This raises two broad research questions: First, what is the role of ITC for climate change mitigation? And second, how can we achieve a global policy that triggers this technological change? The four papers presented in this thesis make contributions to these two questions. The first paper focuses on the impact of ITC on the costs and strategies of mitigating climate change within a single integrated assessment model. ITC therefore proves to be an influential determinant of mitigation costs and strategies. This stresses the importance of models that resolve important technological options, including their potential of ITC, and account for the economy-wide impact of ITC. The second paper of this thesis compares ten state-of-the-art models that implement ITC. It explores the resulting differences in their assessment of ITC, identifies the underlying reasons for the differences, and draws conclusions that are robust across models. At the heart of this comparison are ceteris paribus scenarios that aim to isolate and expose the impact of ITC in the various models. The first two papers looked at climate policies implemented as global policy targets taking for granted that policies are agreed upon and implemented to achieve the targets, although this is known to be difficult. The remaining papers look at the potential of issue linking to help to build such agreements. In the third paper, I show in numerical experiments that introducing trade sanctions positively affects international cooperation. Participation rises with the tariff rate, up to full cooperation. How quickly participation rises depends on the ease with which taxed goods are substituted with alternatives. Tariffs therefore seem to be a feasible means of increasing participation. In the forth paper, I apply the coalition model to technology oriented agreements. It turns out that linking the environmental agreement to cooperative research changes the incentive structure such that more actors sign the agreement. International technology standards are also shown to have a positive effect on coalition formation. Overall, the studies reported in this thesis suggest that there is indeed potential that ITC may reduce the burden that mitigation requirements will put on the economy. To exploit the potential of ITC, a clear carbon price signal is required. This thesis suggests that linking the negotiations on climate policy to trade sanctions or to research cooperations is a feasible way to create incentives that make a cooperative global climate policy more likely.

Die vorgelegte Dissertationsschrift stellt einen möglichst umfassenden Einblick in die inverse Aufgabe der Magnetischen-Resonanz Sondierung (MRS) dar. Im Besonderen wird ein neues Inversionsschema, die QT Inversion als natürlicher der Datensatzstruktur entsprechender Lösungsansatz, vorgestellt. Das inverse Problem wird dieser Zielstellung folgend, hinsichtlich Auflösungsvermögen und Stabilität sowohl im theoretischen Rahmen als auch mittels synthetischer und praktischer Beispiele. Dabei folgt die Arbeit mehreren Aufgabenfeldern. Zum Einen, werden die verfügbaren Lösungsansätze im Hinblick auf die Entwicklung eines verbesserten Schemas analysiert. Die Analyse beinhaltet dabei das Inversionsschema basierend auf extrapolierten Werte der gemessenen Zeitreihen zum Zeitpunkt null (Initial value inversion) und das Zeitschrittinversionsschema, d.h. die gemeinsame Interpretation von Inversionen zu definierten verschiedenen Zeitpunkten der Zeitreihen (Time step inversion). Der, auf dieser Analyse beruhende, verbesserte Ansatz wird als QT Inversion bezeichnet und benutzt erstmalig nativ die Abhängigkeit des Datensatzes von zwei Variablen, dem Pulsmoment q und der Aufzeichnungszeit t, direkt, um verbesserte Auflösungseigenschaften und Stabilität zu gewinnen. Zum Anderen, werden der Model- und Datenraum des Initial value Inversionsschemas analysiert. Die Analyse des Modelraums führt dabei auf die Evaluierung des Inversionsresultates in Abhängigkeit von Spulengröße, maximalem Pulsmoment und Rauschlevel. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen dabei, dem Objekt der Untersuchung entsprechende, angepasste Messanordnungen zu wählen und durch Berechnung von Auflösungsmaßen das durch die Inversion gewonnene Model hinsichtlich seiner Vertrauenswürdigkeit zu untersuchen. Die Analyse des Datenraums ermöglicht die Wahl einer optimalen Verteilung von Pulsmomenten, dergestalt dass unter dem Gesichtspunkt der Effektivität der maximale Informationsgehalt extrahiert werden kann. Diesem Feld des experimentellen Designs wird damit die Analyse der Datenauflösungsmatrix hinzugefügt. Ergänzend werden die Eigenschaften der mono und multi-exponentiellen Datenanpassung untersucht, sowie die Möglichkeiten das Inversionsresultat mittels Transformationen, d.h. dem Einschränken des Model- und Datenraumes durch obere und untere Grenzen, zu verbessern, gezeigt. Dabei wird die Größe des scheinbaren Wassergehaltes eingeführt, um die Transformationen auch auf den Datenraum erweitern zu können. Abschließend werden alle Teilaufgaben in einem Feldbeispiel zusammengefasst, beurteilt und diskutiert., The present thesis provides a comprehensive insight into the Magnetic Resonance Sounding (MRS) inverse problem and introduces the QT inversion scheme as native solution scheme of the inverse problem. At this, the thesis analyses the inverse problem in terms of resolution and stability both in theory, synthetic and field examples, mostly restricted to 1D depth sounding (MRS) but with an outlook on 2D tomography like investigations (MRT), and follows several tasks. First and within the scope to develop an improved inversion scheme the currently available solution schemes are analysed. This analysis includes the initial value inversion using extrapolated initial values and the time step inversion using multiple inversions for several different record times. The resulting new approach, called QT inversion, incorporates directly the native data structure of two variables, namely the pulse moment q and the record time t, and provides improved resolution and stability. Second, the model and data spaces of the initial value inversion scheme are investigated. In order to assess the model resolution as a function of the loop size, maximum pulse moment and noise level, the model space is studied. On the one hand, the results of this study help to determine field settings appropriate to the target of investigation. On the other hand, the estimated model can be evaluated concerning its reliability using measures of resolution derived from the model resolution matrix. Besides model resolution the data space caries information on data dependencies. Consequently, analysing the data resolution matrix a sequence of optimal distributed pulse moments is derived. This optimal pulse moment distribution provides the maximum amount of information most efficiently. This analysis introduces the data resolution matrix rather than the model resolution matrix, as object of analysis into the field of experimental design. In addition, the properties of the mono or multi-exponential fitting are studied, and possibilities to improve the estimated model using transformation that restrict the model and data space with upper and lower boundaries are shown. At this, the pseudo water content is introduced to permit data space transformations. Finally, all subtasks are summarised, assessed and discussed at a field example.

Monitored Natural Attenuation (MNA) steht in der Praxis der Altlastenbearbeitung zunehmend im Blickpunkt eine Alternative zu konventionellen Maßnahmen bei der Sanierung von Grundwasserschadensfällen zu sein, sofern der Nachweis der Massenreduzierung durch Schadstoffminderungsprozesse erbracht werden kann. Sollen im Rahmen der Altlastenbearbeitung derartige Abbau- und Rückhalteprozesse Berücksichtigung finden, setzt dies detaillierte standortspezifische Untersuchungen voraus, auf denen aufbauend eine modellgestützte Prognose der Schadstoffausbreitung in Raum und Zeit entwickelt werden kann. Nach gegenwärtigem Kenntnisstand existieren verschiedene Möglichkeiten der qualitativen und quantitativen Analyse von Schadstoffminderungsprozessen in bereits existierenden Schadstofffahnen. Im Gegensatz dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine raumzeitliche Prognose der Schadstoffausbreitung an einem mit MKW und BTEX kontaminierten Standort erstellt, an dem auf Grund der bisherigen erfolgreichen hydraulischen Sicherung keine nennenswerte Ausbildung einer Schadstofffahne stattgefunden hat. Der qualitative Nachweis relevanter Schadstoffminderungsprozesse im Grundwasserleitersystem erfolgte basierend auf Grundwasseranalysenergebnissen durch eine Analyse terminaler Elektronenakzeptoren und –donatoren im Bereich der Schadensquelle. Dabei stellt die Zehrung terminaler Elektronenakzeptoren einen indirekten Nachweis des Abbaus organischer Substanz dar. Es konnten sämtliche Prozesse der biogeochemischen Abbaufolge nachgewiesen werden. Zur Identifizierung und Bilanzierung der für das quartäre Grundwasserleitersystem relevanten NA-Prozesse wurden mit standortspezifischen Untergrundmaterialien verschiedene Laboruntersuchungen durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Durchführung von Säulenversuchen, mit denen sowohl biologisch gut abbaubare Stoffe, wie BTEX, als auch persistente Stoffe, wie MTBE und TBA, untersucht wurden. Die Versuche wurden so konzipiert, dass mehrere Prozesse der biogeochemischen Abbausequenz im Labor simuliert und die Einzelprozesse einer Bilanzierung unterzogen werden konnten. Dabei zeigte sich, dass die Effizienz der Mangan- und Eisenreduktion gegenüber der Denitrifikation und Sulfatreduktion deutlich in den Hintergrund tritt. Für die Langzeitprognose der räumlichen und zeitlichen Ausdehnung einer zukünftigen Schadstofffahne nach dem Beginn von MNA am Standort wurde ein Grundwasserströmungsmodell und –transportmodell mit dem Programm FEFLOW erstellt. Dabei wurden für den Simulationszeitraum von 100 Jahren verschiedene Szenarienbetrachtungen vorgenommen, mit deren Hilfe der Einfluss von Dispersion, Abbau, Grundwasserneubildung und Grundwasserstandsschwankungen auf die Schadstoffausbreitung untersucht wurden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass nicht nur der Bereich der Schadensquelle, sondern auch der potenzielle Reaktionsraum beim Einsatz von MNA durch ein bedeutendes Abbau- und Rückhaltepotenzial gekennzeichnet ist. Kommt MNA zum Einsatz, ist eine Begrenzung der MKW-Schadstofffahne durch NA-Prozesse zu erwarten. Zusammenfassend ergibt sich, dass auch bei vergleichsweise jungen Schadensfällen, deren räumliche Ausdehnung sich auf den Quellbereich beschränkt, bereits der Nachweis der Wirksamkeit von NA erbracht werden kann. Dadurch bietet sich in einer relativ frühen Phase der Sanierung die Möglichkeit, das NA-Potenzial für einen Standort abzuschätzen und einen zukünftigen Einsatz von MNA für den Standort zu prognostizieren. Monitored Natural Attenuation (MNA) is regarded nowadays a cost effective alternative to traditional methods of groundwater remediation. If natural attenuation processes are taken into account, a detailed exploration of the site is required. This can lead to a prognosis of plume expansion in space and time supported by a numerical groundwater model. There are different possibilities to qualify and quantify natural attenuation processes in existing contaminant plumes. This thesis however, deals with the development of a spatial and temporal prognosis of plume formation at a site where a significant plume expansion has not taken place until now because of successful hydraulic source remediation by pump and treat techniques. The investigation site is located in Elsterwerda, in northeastern Germany. The site is contaminated with petroleum hydrocarbons due to a derailment of gasoline tank waggons. For the line of evidence of natural attenuation processes at the investigated site an analysis of terminal electron acceptors and electron donors in the aquifer system based on groundwater chemistry data was conducted. The reduction of the concentration of terminal electron acceptors is an indirect proof that organic compounds are biodegraded. It was possible to prove each process of the biodegradation sequence: Aerobic respiration, denitrification, Mn(III and IV)-reduction, Fe(III)-reduction, sulphate reduction and methanogenesis. To identify and quantify important natural attenuation processes, a series of laboratory experiments with site specific materials were performed. The emphasis of laboratory investigation was laid on column experiments. On the one hand the characteristics of biodegradable substances like BTEX in groundwater were examined, on the other hand the characteristics of persistant substances like MTBE and TBA were determined. The column experiments were performed in such a way that in the same experiment various processes of the biodegradation sequence could be simulated, and later each process could be quantified. The quantification of the processes shows that the efficiency of denitrification and sulphate reduction is much higher in comparison to the one of Mn(III and IV)-reduction and Fe(III)-reduction. In the last part of this thesis a groundwater flow and transport model using the software FEFLOW was developed to predict plume formation in space and time. For a simulation time of 100 years different scenarios were used to analyse the influence of dispersion, biodegradation, groundwater recharge and groundwater fluctuation concerning plume migration. As a result it could be demonstrated that not only the source of contamination but also the future zone of reaction during MNA is characterized by a significant potential of natural attenuation processes. If NA is applicable at the examined site it can be expected that plume expansion will be limited leading to a stagnant plume. In contrast to the possibilities of qualification and quantification of natural attenuation processes in already existing contaminant plumes the line of evidence in this thesis was realized in the source of the contamination in order to evaluate the potential of natural attenuation processes and to predict a future use of MNA in a relatively early phase of remediation.