Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU Archiv

Geochemische Untersuchungen der tertiären Vulkanite der Hocheifel, der Heldburger Gangschar und der Fichtelgebirgszone

Porosity and permeability are both parameters which may have a considerable impact on the characteristics of a volcanic eruption. Various processes, from magmatic flow during ascent to the point of magmatic fragmentation during an explosive eruption are influenced, and sometimes even controlled by the amount of volatiles trapped in a magma’s pore space and by the efficiency of their escape. Detailed investigations of the porosity of pyroclastic rocks and its relation to the gas permeability are therefore crucial for the understanding of such processes and may provide an important database for physical models. The combination of experimental work and field investigation represents in this context an effective approach to obtain a statistically relevant amount of data on the one hand, and, on the other hand, experimentally quantify the correlation between different parameters. For this study, density data of pyroclastic deposits from eight circum-pacific volcanoes were recalculated to porosity values using the determined matrix density of the corresponding rocks. The pyroclasts density was determined directly in the field with a method based on the Archimedean principle; the matrix density was determined in the laboratory using a He-Pycnometer. The comparison of the resulting porosity distribution histograms allows (a) the investigation of local features related to depositional mechanisms, if the distribution of single measurement points is evaluated, and (b) statements about large scale coherencies regarding the eruptive style and the explosivity of a volcano, if the compiled datasets of the volcanoes are compared. The shape and the variance of the distribution curves, as well as the positions of the porosity peak or mean porosity values are parameters that can be used for further interpretation. The differences in the porosity distribution patterns allowed the classification of the investigated volcanoes into three groups, corresponding to their eruptive characteristics: (1) dome-building volcanoes with predominantly block-and-ash-flow activity and occasional Vulcanian explosions (Merapi, Unzen, Colima), (2) cryptodome-forming volcanoes with a subsequent lateral-blast eruption (Bezymianny, Mount St. Helens), and (3) Subplinian to Plinian explosive eruptions (Krakatau, Kelut, Augustine). Furthermore, possible coherencies between the mean porosity values of selected eruptions and their explosivity, expressed in two different explosivity indexes, were evaluated. The ‘Volcanic Explosivity Index’ (VEI), introduced by Newhall & Self (1982), is mainly based on the volume of the erupted tephra, and shows a rough positive correlation to the mean porosity of eruptive products. A qualitative enhancement of this correlation, especially considering low-porosity, low-explosive deposits, was achieved by using the measured porosity values to determine the index of the ‘Eruption Magnitude’, introduced by Pyle 1995. Volcanoes with not only pure explosive (Vulcanian and/or Plinian) activity were found to deviate systematically from this correlation. Besides their relevance for the understanding and modeling of eruption physics, the interpretation of porosity data may help to discriminate eruption characteristics and explosivities also at historic and pre-historic eruption deposits. The main focus of this work was the experimental investigation of the gas permeability of volcanic rocks. In order to simulate degassing processes under strongly transient conditions, the experiments were performed on a shock-tube like apparatus. The permeability of a natural porous material depends on a complex mixture of physical and textural parameters. Evidently, the volume fraction of the materials pore space, i.e. its porosity, is one of the prominent factors controlling permeable gas flow. But, as a high scatter of measured permeability values for a given porosity indicates, it seems that parameters like vesicle sizes, vesicle size distribution, vesicle shape, the degree of interconnectivity et cetera may likewise influence filtration properties. Therefore it is almost impossible to predict the permeability development of natural material with theoretical cause-and-effect relations, and experimental work in this field is essential. By performing more than 360 gas filtration experiments on 112 different samples from 13 volcanoes, a comprehensive permeability and porosity database was created with this study, giving rise to profound empirical as well as quantitative investigations. The dependency of porosity and permeability of volcanic rocks was found to follow two different, but overlapping trends, according to the geometries of the gas-flow providing pore-space: at low porosities (i.e. long-term degassed dome rocks), gas escape occurs predominantly through microcracks or elongated micropores and therefore could be described by simplified forms of capillary (Kozeny-Carman relations) and fracture flow models. At higher porosities, the influence of vesicles becomes progressively stronger as they form an increasingly connected network. Therefore, a model based on the percolation theory of fully penetrable spheres was used, as a first approximation, to describe the permeability-porosity trend. To investigate possible influences of high temperatures on the degassing properties of volcanic rocks, a measuring method that allowed permeability experiments at temperatures up to 750 °C was developed and tested. A sealing coat of compacted NaCl, which was, if required, further compressed during the high-T experiment, was found to be the most promising approach to avoid gas leaking due to different thermal expansivities of the materials involved. The results of three dome rock samples showed distinct lower gas filtration rates at high temperatures. As this may, for the largest part, be attributed to changed gas properties at high temperature, the obtained permeability values must be corrected for the enhanced gas viscosity. The corrected permeability values of the samples were higher than those obtained at room temperature, possibly caused by thermal expansion of the pores. Since, however, compressional forces of the salt coating upon the sample cylinder may lower the permeability particularly of highly fractured rocks to a not quantifyable degree, these results must be interpreted accordingly and seen under certain restrictions. Comparison of the permeability values before and after the heating process revealed that no permanent structural changes in the pore network occurred. This was confirmed by a 5h-experiment on a trachytic sample, with permeability tests in an interval of 60 minutes. The influence of permeability on magmatic fragmentation is of special interest for the modelling of eruptive processes. In particular the ‘fragmentation threshold’, i.e. the physical conditions, at which magma is no longer able to reduce gas overpressure by filtration and fragments, represents an important boundary condition for explosive eruption models. Former studies defined this threshold to depend on either the porosity of the magma, or a combination of porosity and overpressure. The experimental results of this work, however, reveal that, in addition to porosity and applied overpressure, the permeability strongly influences the fragmentation threshold. By quantifying this influence in a simple, analytical equation, these results will provide a valuable tool for physical models of eruption mechanics.

The focus of this work is on the investigation and the understanding of molecular adsorption at the liquid-solid interface. Unlike ultra high vacuum conditions, this highly dynamic environment gives room for multiple ways controlling the structure formation, through adapting external parameters. In order to achieve self-assembled networks with a high degree of flexibility it was important to choose systems with weak to moderately strong binding behavior, both between molecule and substrate, and amongst the molecules. All selected molecules have mere van der Waals interaction with the substrate in common. In order to promote specific molecule-molecule interaction they are equipped with the ability to form hydrogen bonds. These bonds ideally meet the requirements for well ordered two-dimensional monolayers: On one hand, they are rendering a reorganization of networks possible due to easy connecting and disconnecting, i.e. a comparability between binding energy and thermal energy. On the other hand, they provide sufficient stability within the monolayer, and lead to a well defined geometry between neighboring molecules due to their high directionality. Scanning Tunneling Microscopy (STM) has been proven as a very appropriate tool to investigate these self-assembled structures at the liquid-solid interface. STM provides real space images of the molecular networks with near atomic resolution.

Das Untersuchungsgebiet liegt an der französisch-schweizerischen Grenze. Es erstreckt sich in Nord-Süd-Richtung von 45°45'N nach 47°30'N und in Ost-West-Richtung von 5°30'E nach 7°00'E. Dabei umfasst es das Französische Juragebirge sowie Teile der angrenzenden Molas-se, der Subalpinen Ketten sowie der Französischen Voralpen. Grundlage für die Beckenanalyse war die detaillierte Auswertung von 89 Erdöltiefbohrungen und die geochemische Untersuchungen von Bohrlochproben potentieller Erdölmuttergesteine. Die Ergebnisse aus den Bohrlochprotokollen und den geochemischen Untersuchungen wur-den in eine Bohrlochdatenbank aufgenommen. Zusätzlich wurden Literaturdaten zur geologi-schen Geschichte, paläogeographische Karten, Wärmeflusskarten und Bohrlochmessungen verwendet. Die Organisation dieser sehr vielfältigen und heterogenen Datenbasis erfolgte in einem paläogeographischen Informationssystem. Erst die Verwendung dieses PaläoGIS er-möglichte die detaillierte und über das gesamte Untersuchungsgebiet einheitliche Rekonstruk-tion der geologischen Ereignisse, die die Grundlage für die Modellierung der Subsidenz und der thermischen Geschichte bildete. Das PaläoGIS enthält somit alle Daten des konzeptionel-len Modells für die Durchführung der Beckenanalyse. In einem weiteren Schritt wurden Bohrlochkorrelationen (chronostratigraphische und litho-fazielle Profile) erstellt. Diese vermitteln ein Bild der für die vorliegende Arbeit relevanten Gesteinseinheiten zur Zeit der Ablagerung und heute. Im Anschluss daran erfolgte eine Rekonstruktion der Subsidenzgeschichte. Das konzeptionel-le Modell für die Subsidenzanalyse setzt sich in erster Linie aus der Lithostratigraphie und der Chronostratigraphie der zu untersuchenden Einheiten zusammen. Da die Auswertung der Bohrlochprotokolle zum großen Teil nur lithostratigraphische Informationen ergab, mussten in einem zweiten Schritt diese lokalen lithostratigraphischen Einheiten in ein global gültiges, chronostratigraphisches Zeitgerüst eingeordnet werden. Daneben bilden eustatische Meeres-spiegelschwankungen, paläobathymetrische Daten sowie Dichte und Porosität der beteiligten Gesteine wichtige Bestandteile des konzeptionellen Modells. Wichtigstes Ergebnis der Subsi-denzanalyse sind die Subsidenzkurven, die den rein tektonischen Anteil der Subsidenz dar-stellen. Dieser tektonische Anteil der Subsidenz wird durch Korrektur der Gesamtsubsidenz um den Einfluss der sedimentären Subsidenz gewonnen, wobei Kompaktion, eustatischen Meeresspiegelschwankungen und Paläobathymetrie berücksichtigt werden (Backstripping-Verfahren). Diese Subsidenzkurven stellen wiederum den wichtigsten Eingangsparameter für die Model-lierung der thermischen Geschichte dar. Weitere wichtige Parameter für die numerische Mo-dellierung der thermischen Geschichte sind der Wärmefluss an der Erdoberfläche und an der Basis der Lithosphäre, Paläo-Oberflächentemperaturen sowie Wärmeleitfähigkeit und spezi-fische Wärmekapazität der beteiligten geologischen Einheiten. Ergebnis der thermischen Mo-dellierung ist u.a. die Maturität bestimmter Zielhorizonte. Die Kalibrierung des thermischen Modells erfolgt indirekt über im Labor ermittelte, geochemische Maturitätsparameter (Werte der Vitrinit-Reflexion, Tmax-Parameter). Porosität und Permeabilität, die wichtigsten Eigenschaften eines Speichergesteins, wurden für den Horizont des Buntsandsteins aus geophysikalischen Bohrlochmessungen berechnet. Die Permeabilität wurde hierbei mit Hilfe des Tongehalts abgeschätzt. Die flächenhafte Interpolation der zunächst punktuell vorliegenden Ergebnisse aus Geoche-mie, Subsidenzanalyse und thermischer Modellierung erfolgte mit Hilfe geostatistischer Ver-fahren (Variogramm-Analyse, Kriging, Kreuzvalidierung). Auf Basis all dieser oben aufgeführten Untersuchungsergebnisse wurde ein Modell für die Genese von Kohlenwasserstoffen im Arbeitsgebiet erstellt. Neben reifen Muttergesteinen (Permokarbon), einem wirtschaftlichen Speichergestein (Buntsandstein) und vorhandenem Deckgestein (Muschelkalk) existieren auch Fallenstrukturen (permokarbonischer Blockschol-lenbau, synsedimentäre Abschiebungen der Trias und des Lias), deren Bildung dem Beginn der Migration vorausgeht. Somit sind alle theoretischen Voraussetzungen für die Existenz von Kohlenwasserstofflagerstätten gegeben. Offen bleibt die Frage, wo permokarbonische Mut-tergesteine von genügender Mächtigkeit tatsächlich abgelagert wurden sowie die genaue Lage der Fallenstrukturen. Dies bleibt als Aufgabe für weitere Explorationstätigkeiten, die am aus-sichtsreichsten in den Gebieten erscheinen, in denen permische Gräben lokalisiert sind.

The seismic waves that spread out from the earthquake source to the entire Earth are usually measured at the ground surface by a seismometer which consists of three orthogonal components (Z (vertical), N (north-south), and E (east-west) or R (radial), T (transversal), and Z (vertical)). However, a complete representation of the ground motion induced by earthquakes consists not only of those three components of translational motion, but also three components of rotational motion plus six components of strain. Altough theoretical seismologists have pointed out the potential benefits of measurements of rotational ground motion, they were not made until quite recently. This was mainly because precise instruments to measure ground rotational motion were not available. The measurement of rotational motion induced by earthquakes is relatively new in the field of seismology. To the best of our knowledge, the first experiment to measure ground rotational motion using rotational sensor was done by Nigbor (1994}. He successfully measured translational and rotational ground motion during an underground chemical explosion experiment at the Nevada Test Site using a triaxial translational accelerometer and a solid-state rotational velocity sensor. The same type of sensor was also used by Takeo (1998} for recording an earthquake swarm on Izu peninsula, Japan. However, because of the limitation of the instrument sensitivity, this kind of sensor was only able to sensing the rotational ground motion near the earthquake sources of other artificial sources. Another type of rotational sensor was assembled using two oppositely oriented seismometers. This is possible since in principle the rotational component of the ground motions is equal to half the curl of the ground velocity. This kind of sensor was intensively researched and developed by the seismology group in Institute of geophysics, Polish Academy of Sciences. However, they report several problems especially due to the small differences in the seismometer's response function. Like the solid state rotational sensors, this sensor was only able to measure rotational motion near the seismic sources. The application of the Sagnac effect for sensing the inertial rotation using optical devices were intensively investigated, since the advent of lasers in the sixties. However, the first application of a ring laser gyroscope as a rotational sensor applied in the field of seismology was reported by Stedman et al. (1995}. Fully consistent rotational motions were recorded by a ring laser gyro installed at the fundamental station Wettzell, Germany (Igel et al., 2005). They showed that the rotational motions were compatible with collocated recordings of transverse acceleration by a standard seismometer, both in amplitude and phase. They mentioned that "standard" rotational sensors with sufficient resolution may be possible in the near future. Among the other type of rotational sensor, ring lasers seem more reliable in seismic applications since it has been provenable to sensing the ground rotational motion from near source as well as teleseismic earthquake events with a broad magnitude range (Igel et al., 2007}. In earthquake engineering, observations of rotational components of seismic strong motions may be of interest as this type of motion may contribute to the response of structures to earthquake-induced ground shaking. Most of rotational/torsional studies of ground motion in earthquake engineering are so far still carried out by indirect measurements. It can be done since the rotational component of motion is a linear combination of the space derivatives of the horizontal component of the motion. However, to the best of our knowledge, there are no comparison of array-derived rotation rate and direct measurement from rotational sensors mentioned in the literature. The first objective of my thesis is to study the effect of noise and various uncertainties to the derivation of rotation rate and to compare directly the result with the ring laser data. Here we present for the first time a comparison of rotational ground motions derived from seismic array with those observed directly with ring laser. Our study suggest that - given accurate measurements of translational motions in an array of appropriate size and number of stations - the array-derived rotation rate may be very close to the "true" rotational signal that would be measured at the center of the array (or the specific reference station). However, it is important to note that it may be dangerous to use only the minimally required three stations as even relatively small noise levels may deteriorate the rotation estimates. Furthermore, it is clear that the logistic effort to determine rotations from array is considerably larger than direct measurements. In the light of this, the necessity to develop field-deployable rotational sensors with the appropriate resolution for use in local and regional seismology remains an outstanding issue. More recently, Igel et al. (2005) introduced a method to estimate the horizontal phase velocity by using collocated measurements from a ring laser and seismometer. A simple relationship between transverse acceleration and rotation rate (around a vertical axis) shows that both signals should be in phase and their ratio proportional to horizontal phase velocity. Comparison with synthetic traces (rotations and translations) and phase velocities determined in the same way showed good agreement with the observations. The second objective of my thesis is to study the accuracy of phase velocity determination using collocated measurement of rotational and translational motion and derive the Love wave dispersion curve using spectral ratio for both synthetic and real observed data. Whether the accuracy of the dispersion curves derived with the approach presented in this thesis is enough for tomographic purposes remains to be evaluated. Nevertheless, the results shown here indicate that through additional measurements of accurate rotational signals, wavefield information is accessible that otherwise requires seismic array data. However, to make this methodology practically useful for seismology will require the development of an appropriate high-resolution six-component broadband sensor. Efforts are underway to coordinate such developments on an international scale (Evans et al., 2006). The ground tilt is generally small but not negligible in seismology, especially in the strong-motion earthquake. It is well known that the tilt signal is most noticeable in the horizontal components of the seismometer. Ignoring the tilt effects leads to unreliable results, especially in calculation of permanent displacements and long-period calculations. The third objective of my thesis is to study the array-derived tilt, a further application of measuring tilt. An interesting result concerning tilt study based on a synthetic study is the possibility to derive the Rayleigh wave phase velocity as well as Rayleigh wave dispersion curve from collocated measurement of tilt rate and translational motions. The synthetic study shows that there is a frequency dependent phase velocity from collocated radial acceleration and transverse tilt.

The object of this thesis is the development of theoretical and experimental methods for the controlled manipulation of surfaces at the nanometer scale, including the design, construction and experimental demonstration of an atomic force microscope (AFM) based manipulator. The transfer function description of an AFM system not only offers a theoretical dynamic characterization but, additionally, it is appropriate for the analysis of stability and controllability of different system configurations, i.e. different inputs and outputs. In this thesis, transfer functions are derived that correspond to a realistic model of the AFM sensor, including all its resonance modes and the tip-sample interaction. This theoretical description is then validated using the frequency response along an AFM cantilever. Different experimental and control techniques have been combined in the NanoManipulator system to optimize AFM lithography. Optical video microscopy allows a fast recognition of the sample and exact positioning of the AFM tip in the particular region of interest, while UV-laser ablation offers the possibility of noncontact manipulation of a wide range of materials, including biological specimens. Two different control approaches have been implemented in the NanoManipulator system: (i) automated control using a vector-scan module, and (ii) interactive control based on the use of a haptic interface. Using the NanoManipulator, the two different standard AFM lithography techniques based on dynamic methods (namely dynamic and modulated plowing) are compared by performing nanopatterning on thin resist films. The results reflect that modulated plowing, where the AFM tip is in permanent contact with the resist surface while the force is being modulated, offers the highest reliability, minimizing undesired side effects. The isolation and extraction of localized regions of human metaphase chromosomes represents a promising alternative to standard methods for the analysis of genetic material. The NanoManipulator is an excellent tool for such application, as it is here illustrated by comparing AFM based mechanical dissection and noncontact ablation on side by side chromosomes. The results are analyzed in situ using AFM imaging, revealing the high precision of mechanical dissection. Acoustical force nanolithography is a novel method for AFM based lithography where the cantilever is actuated using an acoustic wave coupled through the sample surface. The influence of acoustic wave frequency and magnitude, along with the preloading force of the cantilever are studied in detail. Acoustical force nanolithography can be used as a stand alone method or as a complement for the fine adjustment of manipulation forces.

In dieser Arbeit wurde das Wachstumsverhalten dekagonaler Quasikristalle untersucht. Zur besseren Vergleichbarkeit wurden die Experimente mit Schmelzen der Zusammensetzung Al77Co6Ni17 durchgeführt, aus welcher dekagonale Einkristalle mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung von d-Al72Co9Ni19 gewonnen werden können. Zusätzlich wurden in dem verwandten ternären System Al-Co-Cu Züchtungsexperimente durchgeführt. Dort zeigt die dekagonale Phase der Zusammensetzung d-Al67.5Co20.0Cu12.3 ebenfalls ein kinetisch gehemmtes Wachstumsverhalten entlang der quasiperiodischen Orientierungen. Für die Ziehgeschwindigkeit bei der Züchtung von Einkristallen sind noch engere Grenzen gesetzt, als es im System d-Al-Co-Ni der Fall ist. In beiden untersuchten Systemen können die quasikristallinen Phasen nur aus Al-reichen, nichtstöchiometrischen Schmelzen gezüchtet werden, wobei sich die einzelnen Experimente über eine Dauer von mehreren Wochen erstreckten. Dies machte die Neukonstruktion einer UHV-gedichteten Wachstumskammer notwendig, um die Schmelzen vor Oxidation zu schützen. Eine freie Schmelzenoberfläche stellt für alle Wachstums- und Kinetikexperimente eine Grundvoraussetzung dar. Aus den schon vor Beginn dieser Arbeit weitgehend beherrschten Bedingungen für die CZOCHRALSKI-Züchtung ist die ausgeprägte Wachstumsaniosotropie von dekagonalen AlCoNi-Einkristallen bekannt. Dabei beobachtet man eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit entlang der Orientierung der zehnzähligen, periodischen Achse [00001], während das laterale Wachstum entlang der zweizähligen, quasiperiodischen Richtungen [10000] und [10-100] kinetisch gehemmt ist. An den gezüchteten Einkristallen kann das Auftreten von Flächen fünf unterschiedlicher kristallographischer Formen {h1h2h3h4h5} beobachtet werden: Das Pinakoid {00001}, das dekagonale (Haupt-) Prisma {10000} und (Neben-) Prisma {10-100}, sowie zwei dekagonale Dipyramiden {0-1-101} und {10-102}. Die am Kristallmantel beobachteten Facetten dieser Formen sind das Ergebnis von Wachstumsprozessen an der Dreiphasenkoexistenzlinie und lassen keine Rückschlüsse auf das Wachstum zu, weil sie nicht repräsentativ für das Zweiphasengleichgewicht an der Wachstumsfront sind. Den Flächen der beiden dekagonalen Dipyramiden {0-1-101} und {10-102} galt jedoch besonderes Interesse. Sie stellen die morphologische Entsprechung so genannter inclined net planes dar. Dabei handelt es sich um bezüglich der periodischen Achse [00001] geneigte Netzebenen des Quasikristalls, welche die beiden widersprüchlichen Ordnungsprinzipien der Translationsperiodizität und die Quasiperiodizität miteinander verbinden. Ihre Bedeutung ist aus Röntgenbeugungsexperimenten bekannt, wobei bisher unklar war, ob sie eine Bedeutung für das Wachstum von dekagonalen Quasikristallen haben. Die Experimente dieser Arbeit sind in zwei Gruppen untergliedert: a. Experimente zur Morphologie gezüchteter dekagonaler Quasikristalle b. Experimente zur Wachstumskinetik dekagonaler Quasikristalle Zu den unter Punkt a. genannten Experimenten gehörten CZOCHRALSKI-Züchtungsexperimente in den ternären Systemen d-Al-Co-Ni und d-Al-Co-Cu und Substratexperimente unter Verwendung großvolumiger d-AlCoNi-Keime, sowie ein Kugelwachstumsexperiment. Die unter Punkt b. aufgeführten Experimente zur Wachstumskinetik beinhalteten die CZOCHRALSKI-Abreißexperimente und ergänzend Kontaktwinkelmessungen zur Bestimmung der Oberflächenenergie orientierter Quasikristalloberflächen. Mit den CZOCHRALSKI -Züchtungsexperimenten wurde in einer Reihe von konventionellen Züchtungsexperimenten das Wachstum und die Morphologie dekagonaler Quasikristalle untersucht. Dabei war die Morphologie der Zweiphasengrenze l-s von besonderem Interesse. Hier wurde das Wachstum von Einkristallen in definierten Orientierungen [h1h2h3h4h5] durch ein schnelles Trennen des Kristalls von der Schmelze unterbrochen und ex situ untersucht, welche kristallographischen Formen {h1h2h3h4h5} an der Zweiphasengrenzfläche l-s morphologisch auftreten. In den Züchtungsexperimenten parallel der zehnzähligen Achse [00001] zeigt der wachsende Kristall einen rotationssymmetrischen, dekaprismatischen Habitus. An der Dreiphasengrenze v-l-s werden Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000 und in geringerer Größe Flächen der Form des dekagonalen (Neben-) Prismas {10-100} gebildet, welche die dekaprismatische Wachstumsmorphologie bestimmen. Diese Flächen entstehen trotz der durch die Kristall- und Tiegelrotation in dem thermischen Feld aufgeprägten Rotationssymmetrie und bleiben gegenüber der bestehenden Unterkühlung stabil. Die Wachstumsfront konnte durch das schnelle Trennen des in [00001]-Orientierung gezüchteten Kristalls von der Schmelze (Dekantieren) nicht konserviert werden. In jedem Fall kristallisierte an der ehemaligen Wachstumsfront anhaftende Restschmelze unter Bildung dekagonaler (Hohl-) Nadeln aus, womit eine großflächige Beobachtung der Zweiphasengrenze l-s in dieser Experimentserie nicht möglich war. Im Fall der Züchtung parallel der beiden zweizähligen, symmetrisch nicht äquivalenten Achsen [10000] bzw. [10-100] wird die Zweiphasengrenzfläche immer von der zehnzähligen Achse [00001] und der weiteren zweizähligen Achse [10-100] bzw. [10000] aufgespannt. Dabei zeigt sich sehr deutlich die Anisotropie der Wachstumsgeschwindigkeiten der periodischen und aperiodischen Kristallorientierungen mit der Ausbildung eines ovalen Kristallquerschnittes, wobei die schnellwachsende zehnzählige Achse die lange Halbachse und eine zweizählige Achse die kurze Halbachse des Ovals bilden. Die jeweilige Dreiphasenkoexistenzlinie am Meniskus ist in der [00001]-Richtung nicht facettiert, d.h. hier wird das Wachstum durch den rotationssymmetrischen Verlauf der Isothermen an der Schmelzenoberfläche begrenzt. Im Gegensatz dazu bildet der Kristall senkrecht zu der Richtung der zweizähligen Achse Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} aus. Nach dem Dekantieren der Grenzfläche l-s beobachtet man für jede der zweizähligen Züchtungsrichtungen eine individuelle Morphologie der ehemaligen Wachstumsfront. Für die Züchtungsrichtung parallel der [10000]-Orientierung zeigt sich eine singuläre Fläche (10000), die senkrecht zur Ziehrichtung verläuft als Wachstumsfläche am der Zweiphasengrenze l-s. Im Fall der Züchtungsrichtung parallel der [10-100]-Orientierung zeigt sich ein anderes Bild: Die Zweiphasengrenze l-s ist in einzelne, um ±18° gegen die Ziehrichtung verkippte Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} zerfallen, sodass deren Einhüllende die Wachstumsfläche (10-100) bildet. Aus der Bildung einer facettierten Wachstumsfront in diesen Orientierungen erkennt man, dass das Wachstum hier über atomar glatte Grenzflächen erfolgt. In diesem Fall sind den parallelen Verschiebungsgeschwindigkeiten beider Orientierungen kinetische Grenzen gesetzt. Bei der Züchtung entlang der geneigten Kristallorientierungen der dekagonalen Dipyramiden [0-1-101] und [10-102] beobachtet man die Bildung einer Wachstumsmorphologie, die ebenfalls nicht mehr rotationssymmetrisch ist, aber entsprechend der Symmetrie der Kristallklasse 10/m 2/m 2/m eine Spiegelsymmetrie enthält. An der Dreiphasengrenzlinie v-l-s zeigen die Kristalle eine deutliche Querschnittszunahme in der Orientierung der zehnzähligen Komponente [00001] und sind dort durch das thermische Feld scharf begrenzt. Der übrige Umfang wird von Flächen der Form {10000} begrenzt. Nach dem Trennen des Kristalls von der Schmelze erkennt man für beide Kristallorientierungen eine komplex zusammengesetzte Zweiphasengrenzfläche l-s. Die Komponente der schnellwachsenden, zehnzähligen Orientierung [00001] ist in dekagonale Nadeln zerfallen während die Komponente senkrecht dazu von Flächen des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} gebildet wird, welche wiederum die Wachstumsfläche darstellen. Die einzelnen Flächen {10000} sind dabei um 36° gegeneinander orientiert. Die {10000}-Flächen besitzen keine Komponente parallel zu der ausgedehnten Schmelzenoberfläche und folgen demnach keinem Isothermenverlauf, woraus vor der facettierten Grenzfläche l-s deutliche Unterkühlungen entstehen. Für die Züchtung parallel der Orientierung [10-102] sind die Segmente der {10000}-Flächen um 18° im Vergleich mit der Anordnung für die Orientierung parallel [0-1-101] verdreht angeordnet. Die Substratexperimente stellten einen Ansatz dar, um mit einer an das schnelle Trennen des Kristalls von der Schmelze gekoppelten stark beschleunigten Kristallrotation die an der Wachstumsfront anhaftende Restschmelze vor dem Erstarren abzuschleudern. Dazu wurden massive Keime eingesetzt, die eine großflächige Zweiphasengrenze l-s nach einer nur geringen Wachstumsdistanz bereitstellen. Hier musste erkannt werden, dass es prinzipiell nicht möglich ist, einen Flüssigkeitsfilm, der den Kristall benetzt, restlos von einer Grenzfläche durch Abschleudern zu entfernen. In einigen Fällen konnte die anhaftende Restschmelze aus einigen Bereichen der Zweiphasengrenze l-s vor deren Erstarren entfernt werden, sodass die ehemaligen Wachstumsfront ex situ untersucht werden konnte. Im Fall der Züchtungsrichtung parallel der zehnzählige Achse [00001] konnte so nachgewiesen werden, dass das Wachstum nicht über ebenmäßige Flächen erfolgt. Die Wachstumsfront stellt sich als eine gleichmäßig gekrümmte Fläche dar, die dem Verlauf der Schmelzpunktisothermen folgt. Als Ergebnis kann man den Schluss ziehen, dass das Wachstum entlang der [00001]-Orientierung über eine atomar raue Grenzfläche erfolgt, was unter wachstumskinetischen Gesichtspunkten höhere Ziehgeschwindigkeiten ermöglicht. Die Identifizierung des kinetischen Limits des Wachstums in dieser Orientierung ist durch die einsetzenden Effekte der konstitutionellen Unterkühlung verdeckt. Die Züchtung großer dekagonaler AlCoCu-Quasikristalle gelang im Rahmen dieser Arbeit erstmals. Frühere Experimente unter Nutzung der spontanen Keimbildung blieben erfolglos. Es kann angenommen werden, dass in diesem System eine größere Keimbildungsarbeit zur Bildung der festen Phase aufgewendet werden muss, als in dem ternären System Al-Co-Ni der Fall ist. Mit der Bildung der festen Phase bricht die Unterkühlung zusammen und es resultiert ein polykristallines Wachstum. In den Züchtungsexperimenten unter Verwendung [00001]-orientierter d-AlCoNi-Keime war zu beobachten, dass der zuvor beschriebene Effekt später einsetze und eine zunächst dekaprismatische Wachstumsmorphologie zunehmend an struktureller Perfektion verlor. Erst der Wechsel der Züchtungsrichtung zu den langsamwachsenden, zweizähligen Orientierungen [10000] und [10-100] führte zu einem kontrollierbaren, einkristallinen Wachstum. Auch hier zeigte die dekantierte Wachstumsfront, dass als Wachstumsfläche an der Zweiphasengrenze l-s allein Flächen der Form des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} auftreten. Das gemeinsame Ergebnis aller Studien zur Züchtung von dekagonalen Quasikristallen nach dem CZOCHRALSKI-Verfahren ist das Auftreten des dekagonalen (Haupt-) Prismas {10000} als Wachstumsfläche an der Zweiphasengrenze l-s. Auch können an der Peripherie der Kristalle außer den beiden bekannten Formen der dekagonalen Dipyramide keine weiteren Flächen geneigter Formen beobachtet werden. Das Kugelwachstumsexperiment bot die Möglichkeit, das Wachstum aller symmetrisch nicht äquivalenten Kristallorientierungen einer Kristallart an einem sphärisch präparierten Individuum zu beobachten. Dieses experimentell aufwändige Experiment wurde erstmals in der beschriebenen Art in einem intermetallischen System realisiert. Nach dem Experiment konnte auf der Kugeloberfläche das Auftreten von Flächen nachgewiesen werden, die den beiden Formen des dekagonalen Prismas {10000} sowie {10-100} zugeordnet werden können. Sie sind das Ergebnis von Wachtumsprozessen an der Zweiphasengrenze l-s und stellen somit Wachstumsflächen dar. Das Auftreten von Flächen genegter Formen konnte nicht beobachtet werden. Da weite Bereiche der Kugeloberfläche von Oxiden bedeckt und somit einer detaillierten Beobachtung unzugänglich waren, ist ihre Nichtexistenz jedoch noch nicht hinreichend bewiesen. Mit den CZOCHRALSKI-Abreißexperimenten wurde die maximale flächenspezifische Kristallisationsgeschwindigkeit von dekagonalen AlCoNi-Quasikristallen bestimmt. Dazu konnte die Grundidee CZOCHRALSKIS verfolgt und an die Besonderheiten inkongruenter Schmelzen in einem Multikomponentensystem angepasst werden. Das Limit für die Kristallisationsgeschwindigkeit parallel der zehnzähligen Achse [00001] ist derart hoch, dass noch vor dem (kinetisch bedingten) Abreißen des Kristalls von der Schmelze die Effekte der konstitutionellen Unterkühlung einsetzen. Es entstehen Störungen an der Wachstumsfront, unter denen unrealistisch hohe Ziehgeschwindigkeiten möglich werden, die jedoch nicht mehr zu einer defektarmen Kristallzüchtung führen. Die maximale Kristallisationsgeschwindigkeit kann in dieser Orientierung nach dieser Methode nicht bestimmt werden, weil die Grenzen der konstitutionellen Unterkühlung überschritten werden, bevor das wachstumskinetische Limit erreicht ist. In den symmetrisch nicht äquivalenten, zweizähligen Kristallorientierungen [10000] und [10-100] wurden für jede Orientierung mehrere Abreißereignisse unter verschiedenen erhöhten Ziehgeschwindigkeiten vz+ durchgeführt und die Zeit t bis zum Abriss des Kristalls von der Schmelze gemessen. Die gewonnenen t(vz)-Werte zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Ziehgeschwindigkeit vz und der reziproken Zeit t bis zum Trennen von Kristall und Schmelze auf, wobei die t(vz)-Werte für die [10000]-Orientierung eine deutlich größere Streuung zeigen als für die [10-100]-Orientierung. Die ermittelten Werte lassen keinen signifikanten Unterschied für die maximale Kristallisationsgeschwindigkeit vkr der beiden Kristallorientierungen [10000] und [10-100] erkennen. Als Ursache für das weniger gut reproduzierbare Abreißverhalten der singulären Grenzfläche (10000) wurde eine mechanische Ursache angenommen, die anhand eines einfachen Modellexperimentes (Benetzungsexperiment) überprüft wurde. Für modellhafte Nachbildungen der singulären Grenzfläche (10000) und der komplexen Grenzfläche {10-100} wurde die Reproduzierbarkeit des Abreißverhaltens bei verschiedenen Fehlorientierungen untersucht. Dazu wurden zylindrische Prüfkörper von gleichem Durchmesser hergestellt, wobei die Grenzfläche l-s im Fall der (10000)-Fläche eine ebene, parallel zur Oberfläche der Testschmelze orientierte Fläche darstellte. Die Grenzfläche l-s im Fall der komplexen (10-100)-Fläche, die aus gegeneinander orientierten Segmenten von Flächen der Form {10000} aufgebaut ist, wurde aus zwei eben Flächen, deren Flächennormalen um +18° bzw. -18° gegen die Oberfläche der Testschmelze geneigt sind, dargestellt. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich das Abreißverhalten der komplexen Grenzfläche {10-100} als invariant gegenüber Fehlorientierungen erwiesen hat. Eine singuläre, parallel zur Schmelzenoberfläche orientierte Grenzfläche {10000} zeigt dagegen eine schlechte Reproduzierbarkeit der einzelnen Abreißereignisse. Mit diesem Ergebnis kann die breite Streuung der Experimente für die (10000)-Grenzfläche erklärt werden. Die Bestimmung der Oberflächenenergie von präparierten (00001)-, (10000)- und (10-100)-Oberflächen dekagonaler AlCoNi-Quasikristalle erfolgte über Kontaktwinkelmessungen. Mit den Testflüssigkeiten Wasser und Dijodmethan konnten die polare und die dispersive Komponente der Oberflächenenergie getrennt voneinander bestimmt werden. Die Kontaktwinkelmessungen mussten unter Umgebungsbedingungen erfolgen, d.h. die Quasikristalloberflächen befanden sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer eigenen Schmelze. Dabei wurden Ergebnisse gewonnen, die die Aussagen aus den Kinetikexperimenten ergänzen. Es wurde für die (10000)-Oberfläche eine geringere Oberflächenenergie als für die (10-100)-Oberfläche gefunden. Nach der klassischen Theorie des Kristallwachstums bedeutet eine geringe Oberflächenenergie, dass das Wachstum über eine atomar glatte Phasengrenze geschieht. Daraus resultiert eine geringe parallele Verschiebungsgeschwindigkeit der betreffenden Fläche, womit für die Flächen des dekagonalen (Haupt-) Prismas eine geringere parallele Verschiebungsgeschwindigkeit als für die Flächen des dekagonalen (Neben-) Prismas {10-100} erklärt werden kann. Diese Annahme wird durch die Beobachtungen bezüglich des Auftretens von Flächen der Form {10-100} in dem Kugelwachstumsexperiment bestätigt. Sie treten im Anfangsstadium des weiteren Wachstums auf der Kugeloberfläche noch auf, wachsen schneller und verschwinden folglich aus der Morphologie. Die in dieser experimentellen Arbeit gewonnenen Ergebnisse können kein theoretisches Modell zum Verständnis des quasikristallinen Wachstum liefern. Vielmehr lassen sich die beobachteten Wachstumsphänomene mit den theoretischen Vorstellungen des Wachstums periodischer Kristalle hinreichend gut erklären. Es bleibt die Frage offen, wie groß der Einfluss der quasiperiodischen Ordnung auf das (Quasi-) Kristallwachstum ist oder ob die beobachteten Phänomene nicht einzig ein Resultat der komplexen Struktur dieser intermetallischen Legierungen sind.

This thesis addresses to self-contained topics and is therefore structured in tow parts. The first part describes the installation of a new seismological network for Bavaria, whereas the second part focuses on the investigation of rainfall induced seismicity near Bad Reichenhall in southeastern Bavaria. Part 1 Because of the focus of the existing seismological stations on teleseismic and regional events, the capability of locating local earthquakes in various regions of Bavaria was quite limited. To overcome this situation 15 new stations were installed in the country. Additionally, six existing stations were updated to state-of-the-art technology in a second stage. The network geometry closely oriented on the seismicity of Bavaria, with densly spaced stations in areas were activity is high and promising scientific problems could be addressed. The software concept was, as far as possible, adopted from the GEOFON Project of th GeoFoschungsZentrum Potsdam (GFZ), which is already used for the German Regional Seismic Network (GRSN) and other European networks. This assures an easy data transfer with other services and allows the future incorporation of real-time data of the Bavarian network in an European and global seismological networks. Part 2 In the second part of this thesis, the focus will be laid on one of the dense sub-networks in southeastern Bavaria. Here, near the town of Bad Reichenhall, a connection between rainfall and seismicity is suggested since the early 1970ties. However, because of the lack of continuous high-quality data such a correlation could never be tested by means of a physical model. In three papers the observation of above average rainfall in 2002 and associated earthquake swarms are studied in detail. Starting with an overview paper with first location results and interpretation in Chapter 3, the discussion of cluster analysis, high-precision relocation and focal-mechanism analysis in Chapter 4, and finally by statistical modeling of the relocated seismicity by means of point process modeling and pore-pressure diffusion assuming a rate-state earthquake friction model in Chapter 5. Although, seasonal variability of seismicity related to ground water recharge and precipitation has been previously observed on regional scales, a statistically significant causal relationship between rainfall and earthquake activity for an isolated region can be shown here for the first time. The analysis of the high quality meteorological and seismic data in the Mt. Hochstaufen region yields clear evidence that tiny pore pressure changes induced by rainfall are able to trigger earthquake activity even at 4 km depth via the mechanism of fluid diffusion. Stress changes of the order of 5-13 mbar are found to trigger earthquakes. This is much less than usually produced in fluid injection experiments (several 100 bars and more), indicating an extreme sensitivity of the crust with regard to tiny changes. This might be an universal feature which can, however, only be seen in the rare occasion of an isolated but critical system, like the study area. Although, the derived focal mechanisms indicate an influence of the Saalach Fault Zone on the stress regime of the study area, the reason for the criticality of the seismogenic volume in the Mt. Hochstaufen region is not yet finally resolved. However, the high correlation between rainfall-induced pressure changes at depth and seismicity opens the possibility of forecasting future earthquake rates on the basis of rainfall data in this region. Regarding the small volume in which the earthquakes take place, the almost yearly occurring earthquake swarms and the permanent, seismo-meteorological monitoring network, Mt. Hochstaufen provides nearly controlled experimental conditions to study fluid-induced seismicity and the physics of earthquake swarms.

Diese Arbeit behandelt den Effekt von Plumes im Erdmantel auf teleseismische Wellenfelder, also auf Wellen, die in größerer Entfernung von Erdbeben zu beobachten sind. Mantel-Plumes sind der geläufigen Vorstellung nach säulen- bzw. pilzförmige Gebilde in denen heißeres Mantelmaterial wegen des Dichteunterschieds zum umgebenden Mantel aufsteigt und nahe der Erdoberfläche Intraplattenvulkanismus erzeugt, mit Hawaii als klassischem Beispiel. Solche Plumes wurden vor langer Zeit postuliert und sind weithin in den Geowissenschaften akzeptiert. Dennoch tat sich die Seismologie, als die Disziplin, die die hochauflösendsten Bilder des Erdinnern liefert, schwer, eindeutige Abbildungen von Plumes zu liefern, welche die Existenz der in den letzten Jahren vermehrt kontrovers diskutierten Plumes beweisen könnten. Dies liegt in erster Linie am geringen Durchmesser der Plumes bzw. dessen Verhältnis zu den Wellenlängen, die typischerweise in der globalen Seismologie betrachtet werden. Da nämlich die erwartete Größe der Plumes in der Größenordnung der Wellenlängen liegt, versagt die weithin verwendete Strahlentheorie. Deshalb wurden in der jüngsten Vergangenheit tomographische Methoden entwickelt, die der Wellennatur der Erdbebenwellen gerecht wird. Mit einer solchen tomographischen Studie konnten die Strukturen im Erdinnern unter Bereichen, wo man Plumes erwartet, bereits deutlicher und schärfer abgebildet werden, und eine Interpretation der Bilder im Sinne von Plumes wurde plausibler. Dennoch herrschen bei Seismologen - insbesondere bei der Planung von Experimenten zur Untersuchung von Plumes - immer noch strahlentheoretische Vorstellungen vor. Systematische Untersuchungen des Wellenfeldeffektes von Plumes gab es bislang nicht. Diese Arbeit macht sich daran, diese Lücke zu schließen. In ihr werden 3D-Computermodellierungen von globaler Wellenausbreitung durch einfache Modelle von Plumes, die sich in größeren Entfernungen des Erdbebenherdes befinden, durchgeführt. Die Ergebnisse werden dargestellt in Form von Karten, die die Laufzeitunterschiede zwischen den Ankunftszeiten von Wellen die durch ein "ungestörtes" 1D-Erdmodell und denen, die durch Modelle mit Plume-Strukturen liefen, zeigen. Genau diese Laufzeitinformation wird von üblichen Tomographiestudien verwertet. Die so gewonnen "Laufzeitschatten" der Plumes unterscheiden sich - abhängig von dem Frequenzbereich der betrachteten Wellen - z.T. deutlich von den Laufzeiten, die die Strahlentheorie vorhersagt. So kommt es zum Beispiel durch Plumes, die Niedriggeschwindigkeitskörper darstellen, zu verfrühten Ankunftszeiten. Diese völlig unintuitive Beobachtung ist aber konsistent mit der Wellentheorie. Auch die Lage der Bereiche, in denen die Laufzeiteffekte auftreten, sowie die Stärke der Effekte unterscheiden sich deutlich von strahlentheoretischen Erwartungen. Diese Information kann in Zukunft dazu genutzt werden, Experimente zur Untersuchung von Plumes zu optimieren, was wünschenswert ist, da diese in der Regel sehr aufwändig sind. In der Arbeit werden auch Amplitudeneffekte der modellierten Plumes auf die Wellenfelder frequenzabhängig untersucht, allerdings ist hier eine unmittelbare Ausnutzung für Beobachtungen nicht gegeben, da die Effekte klein sind und Amplituden in der globalen Seismologie schlechter bestimmt bzw. mit solchen aus Referenzmodellen verglichen werden können. Signifikante Wellenformeffekte waren bei den verwendeten isotropen Plume-Modellen nicht zu beobachten. Die Untersuchungen sind eingebettet in eine umfassende Betrachtung des Problems der seismischen Abbildung von Plumes. Die Ergebnisse - obwohl durch die Verwendung eines nur von der Tiefe abhängigen Erdmodelle nicht plume-spezifisch – werden anhand des Island-Plumes dargestellt und in Zusammenhang mit den für diesen Plume offenen Fragestellungen diskutiert.

Abstract The shear viscosity, density, thermal expansivity and specific heat capacity are important factors controlling the morphology, rheology, and texture of volcanic flows and deposits. These physical properties of silicate melts largely depend on chemical composition, water content, crystal content, bubble content and stress applied to the melt. Recently, it has been recognized that the applied stress plays an important role in the so called “glass transition” area of silicate melts. This kinetic boundary between brittle and ductile behavior affects the eruptive style. Thorough knowledge of the physical processes that occur at this brittle/ductile transition can affect the decision making of governments during volcanic crises and help to reduce and/or avoid loss of life and assets. Scientific knowledge from this research can be directly applied to the geomaterial industry. In addition, natural magmatic rocks are the major raw material in the production of microfibres and continuous fibres. Compared to normal glass fibres, rock fibres have a remarkable high temperature endurance, acid and alkali resistance and anti-heat impact. Rock products can be used as substitutes for metal and timber. They are likely to become more widely used in the near future. Further use for natural magmatic rocks include crushed stone, concrete aggregate, railroad ballast, production of high quality textile fibres, floor tiles, acid-resistant equipment for heavy industrial use, rockwool, basalt pipers, basalt reinforcement bars, basalt fibre roofing felt (ruberoid), basalt laminate (used as a protective coating), heat-insulating basalt fibre materials and glass wool (fibre glass). Since Bottinga and Weill (1970) first suggested that the density of melts in two or three component systems could be used to determine partial molar volumes of oxide components in silicate liquids, several models based upon this approach have been proposed in the Earth sciences literature. Considering that knowledge the densities of 8 Zn-bearing silicate melts have been determined, in equilibrium with air, in the temperature range of 1363 to 1850 K. The compositional joins investigated [sodium disilicate (NS2)- ZnO; anorthite-diopside 1 atm eutectic (AnDi)-ZnO; and diopside-petedunnite] were chosen based on the pre-existing experimental density data set, on their petrological relevance, and in order to provide a test for significant compositionally induced variations in the structural role of ZnO. The ZnO concentrations investigated range up to 25 mol% for sodium disilicate, 20 mol% for the anorthite-diopside 1 atm eutectic, and 25 mol% for petedunnite. Molar volumes and expansivities have been derived for all melts. The molar volumes of the liquids decrease with increasing ZnO content. The partial molar volume of ZnO derived from the volumetric measurements for each binary system is the same within error. A multicomponent fit to the volumetric data for all compositions yields a value of 13.59(0.55) cm3/mol at 1500 K. I find, no volumetric evidence for compositionally induced coordination number variations for ZnO in alkali-bearing vs. alkali-free silicate melts nor for Al-free vs. Al-bearing silicate melts. The partial molar volume of ZnO determined here may be incorporated into existing multicomponent models for the prediction of silicate melt volume. High temperature density determinations on ZnO-bearing silicate melts indicate that a single value for the partial molar volume of ZnO is sufficient to describe the volumetric properties of this component in silicate melts. The presence of alkalies and Al does not appear to influence the partial molar volume of ZnO within the temperature range investigated here. There is no volumetric evidence across this temperature range presented for composition to influence the coordination polyhedron of ZnO in silicate melts. The next physical property to be studied was thermal expansivity. Ten compositions from within the anorthite-wollastonite-gehlenite (An-Wo-Geh) compatibility triangle were investigated. Due to the lack of information about the thermal expansivities at supercooled liquid temperatures this study focused on the measurement of thermal expansivity using a combination of calorimetric and dilatometric methods. The volumes at room temperature were derived from densities measured using the Archimedean buoyancy method. For each sample density was measured at 298 K using glass that had a cooling-heating history of 10-10 K min-1. The thermal expansion coefficient of the glass from 298 K to the glass transition interval was measured by a dilatometer and the heat capacity was measured using a differential scanning calorimeter from 298 to 1135 K. The thermal expansion coefficient and the heat flow were determined at a heating rate of 10 K min-1 on glasses that were previously cooled at 10 K min-1. Supercooled liquid density, molar volume and molar thermal expansivities were indirectly determined by combining differential scanning calorimetric and dilatometric measurements assuming that the kinetics of enthalpy and shear relaxation are equivalent. The data obtained on the supercooled liquids were compared to high-temperature predictions from the models of Lange and Carmichael (1987), Courtial and Dingwell (1995) and Lange (1997). The best linear fit combines the supercooled liquid data presented in this study and the high temperature data calculated using the Courtial and Dingwell (1995) model. This dilatometric/calorimetric method of determining supercooled liquid molar thermal expansivity greatly increases the temperature range accessible for thermal expansion. It represents a substantial increase in precision and understanding of the thermodynamics of calcium aluminosilicate melts. This enhanced precision demonstrates clearly the temperature independence of the melt expansions in the An-Wo-Geh system. This contrasts strongly with observations for neighboring system such as Anorthite-Diopside and raises the question of the compositional/structural origins of the temperature dependence of thermal expansivity in multicomponent silicate melts. In addition, the partial molar volumes and the thermal expansivities of 10 samples from within the An-Wo-Geh compatibility triangle have been determined. They have been incorporated into existing multicomponent models in order to predict silicate melt volume. The resulting supercooled liquid volumes near glass transition temperatures (1135 - 1200 K) and at superliquidus temperature were combined to yield temperature independent thermal expansivities over the entire temperature range. In light of results presented in this study, together with the published data, it seems that binary and ternary systems have temperature independent thermal expansivities from the supercooled liquid to the superliquidus temperature at 1 atmosphere. By combining the high temperature densitometry data (i.e., above liquidus) from the literature with volume and expansivity data obtained at Tsc, a wide temperature range is covered. There is no volumetric evidence across this temperature range for temperature independent thermal expansivities in the An-Wo-Geh compatibility triangle. Furthemore, the thermal expansivities of three multicomponent glasses and liquids have been obtained over a large temperature interval (298 - 1803 K) which involved combining the results of low and high temperature measurements. The sample compositions investigated were derived from three natural lavas; Vesuvius 1631 eruption, Etna 1992 eruption and an Oligocene-Miocene lava flow from Slapany in the Bohemian massif. The original rocks are tephri-phonolite, trachybasalt and basanite, respectively. This is the first time this calorimetric/dilatometric method has ever been applied to natural magmatic melts. The low temperature volumes were derived from measurements of the glass density of each sample after cooling at 5 K.min-1 at 298 K, followed by measurements of the glass thermal expansion coefficient from 298 K to the samples´ respective glass transition interval. Supercooled liquid volumes and molar thermal expansivities were determined by combining scanning calorimetric and dilatometric measurements, assuming that the kinetics of enthalpy and shear relaxation are equivalent (Webb, 1992). High temperature densities were measured using Pt double bob Archimedean densitometry. In addition, the oxidation state of iron was analyzed using a wet chemistry method. Small amounts of samples were taken from the liquids using a “dip” technique at regular temperature steps during high temperature densitometry. The measured high temperature densities have been compared with predicted densities across the same temperature interval calculated using the multicomponent density models of Lange and Carmichael (1987) and Lange (1997). The resulting data for liquid volumes near glass transition temperatures (993 - 1010 K) and at super-liquidus temperatures (1512 - 1803 K) are combined to yield temperature dependant thermal expansivities over the entire supercooled and stable liquid range. These results confirm the observation of Knoche et al. (1992a); Knoche et al. (1992b); Toplis and Richet (2000); Liu and Lange (2001); Gottsmann and Dingwell (2002) of the temperature dependence of thermal expansivity. The molar volumes indicate, in general, a significant negative temperature dependence of the expansivity. The thermal molar expansivity of the glasses increase from SiO2-poor (basalt-basanite composition) to relatively SiO2-rich melts (tephri-phonolite composition). The thermal molar expansivity at supercooled liquid temperatures increases in the same manner as the glasses. In contrast, the thermal molar expansivity of the superliquidus liquid decrease from SiO2-poor to relatively SiO2-rich melts. Non-linear dependency of molar volume has been observed for all studied samples above the glass transition area. Molar volume from just above the glass transition area to about 1873 K can be predicted by a non-linear logarithmic curve. This study examined the expansivities and molar volumes of relatively basic compositions. Extending such a study to more SiO2-rich, but still geologically relevant, compositions remains a challenge, because the high viscosities of such melts preclude the use of immersion techniques. This problem can be solved using a high temperature densitometry where the volume is measured on levitated sample. I would like to urge studies of this sort in the future. Results from such studies should provide important information regarding a number of geological processes, which occur in such extremely high viscous liquids. A new viscosity measurement for melts spanning a wide range of anhydrous compositions including: rhyolite, trachyte, moldavite, andesite, latite, pantellerite, basalt and basanite are discussed in the last chapters. Micropenetration and concentric cylinder viscometry measurements cover a viscosity range of 10-1 to 1012 Pas and a temperature range from 973 to 1923 K. These new measurements, combined with other published data, provide a high-quality database comprising ~800 experimental data on 44 well -characterized melt compositions. This database is used to recalibrate the model proposed by Giordano and Dingwell [Giordano, D., Dingwell, D. B., 2003a. Non-Arrhenian multicomponent melt viscosity: a model. Earth Planet. Sci. Lett. 208, 337–349] for predicting the viscosity of natural silicate melts. The recalibration shows that: a) the viscosity (η)–temperature relationship of natural silicate liquids is very well represented by the VFT equation [log η=A+B/ (T−C)] over the full range of viscosity considered here, b) the use of a constant high-T limiting value of melt viscosity (e.g., A) is fully consistent with the experimental data. There are 3 different compositional suites (peralkaline, metaluminous and peraluminous) that exhibit different patterns in viscosity, the viscosity of metaluminous liquids is well described by a simple mathematical expression involving the compositional parameter (SM) but the compositional dependence of viscosity for peralkaline and peraluminous melts is not fully controlled by SM. For these extreme compositions we refitted the model using a temperature-dependent parameter based on the excess of alkalies relative to alumina (e.g., AE/SM). The recalibrated model reproduces the entire database to within 5% relative error. On the basis of this extended database the T-variation of the viscous response of strong and fragile liquids within a wide range of compositions shows three clearly contrasting compositional suites (peralkaline, metaluminous and peraluminous). As a result, I present an extended model to calculate the viscosity of silicate melts over a wide range of temperatures and compositions. This model constitutes a significant improvement with respect to the Giordano and Dingwell (2003a) study in that: 1) The number of experimental determinations over which the model is calibrated is larger. 2) The range of investigated compositions is larger. 3) The investigated temperature range is larger. 4) The assumption is made that at infinite temperature, the viscosity of silicate melts converges to a common, but unknown value of the pre-exponential factor (A=−4.07, Equation (7.1)). In particular the compositional range involves a large number of viscosity determinations for peralkaline and peraluminous compositions in a temperature interval between 949 and 2653 K. Furthermore, it is shown that the assumption of a common value of the pre-exponential parameter A produces an equally good representation of the experimental data as that produced by each melt having its own specific A-value. This optimization also induces a strong coupling between data sets that stabilizes the range of solutions and allows the different rheological behaviour of extreme compositions (peralkaline and peraluminous vs. metaluminous) to be discriminated. It was demonstrated that, although the parameter SM (Giordano and Dingwell, 2003a) can be used to model compositional controls on the viscosities of metaluminous liquids, it does not capture the viscosity of peralkaline and peraluminous liquids. The differences in the rheological behaviour of these extreme compositions reflect important differences in the structural configuration of metaluminous, peralkaline and peraluminous melts. Subsequently, a second regression of the experimental data was performed involving a second compositional parameter (AE) that accounts for the excess of alkali oxides over the alumina. Incorporating this temperature-dependent compositional parameter (i.e., AE) into the SM-based model (Equation 7.7) appears to account for the anomalous rheological behaviour of peralkaline and peraluminous liquids. The resulting model reproduces the entire experimental database to within an average RMSE of 0.45 log units. The model presented here is recommended for the estimation of the viscosity of anhydrous multicomponent silicate melts of volcanic interest.

The main purpose of this study is to understand influences of bulk structure of materials on strength behavior as well as water storage and transfer in order to assess durability and weathering. Therefore, a selection of different methods are applied and compared to optimize the understanding of material structure and physico-mechanical behavior. Optical microscopy (Digital Image Analysis) and scanning electron microscopy as well as water vapor permeability, biaxial flexural strength and ultrasonic velocity are measured on different natural materials: sandstones with clayey, silicious or calcareous binder, oolithic and micritic magnesian limestones and a thermally aged Proconnesian marble. Microstructurales and macrostructurales properties of these materials are studied before and after artificial weathering (freeze-thaw cycles). First, and in order to validate the efficiency of the digital image analysis to characterize porosity and structure, traditional porosity measurements as water ad- and absorption and mercury porosimetry are crosschecked with the result obtained from digital image analysis. Limits of each methods are also defined. Then, validations of non-destructive and semi-destructive methods are also pursued to evaluate their potential value to replace and complement standardized methods. By analysis of linear correlations, some essential mechanisms should be underlined, which may connect the macrostructure to the microstructure of the material. A systematic method of analysis should clearly appear and emphasize the role of the structure (grain size, grain contact and pore shape) on physical and mechanical behavior. The main parameters leading to weathering should then be identified and models of correlations drawn. Correlations between the various physico-mechanical properties could ameliorate the possibilities to assess durability and weathering in the natural environment.

The choice of the Lower Rhine Embayment as study area for strong ground motion modeling may be puzzling at first glance. This region in the northwest of the European continent is characterized by active tectonics on a complex system of fault-zones with relatively low deformation rates. Consequently, the area has shown low to moderate seismicity in the time frame covered by observational seismology. However, historical and geological evidence proves that the fault systems of the Lower Rhine Embayment have the potential of producing large earthquakes with magnitudes 6 and above accompanied by surface rupture. The presence of large sediment deposits in this region leads to local amplification of ground motion with large lateral variations. Dense population and an agglomeration of industry results in an elevated seismic risk. Assessment of seismic hazard in regions characterized by low recent seismicity is afflicted with large uncertainties. This is mainly due to the dearth of observational data on strong ground motions associated with large earthquakes. Numerical simulations of earthquake scenarios can account for estimates on peak ground motion and waveforms and therefore help closing this gap. Naturally the first step consists in accurate reproduction of the few observed events. An additional crucial quantity is the range of variations of the simulation results within the uncertainty margins associated with input parameters. Knowledge about this behavior enlarges the significance of numerical simulation results. Four historical and recent earthquake scenarios are modeled using a finite difference approach. Results are analyzed with special emphasis given to their intrinsic variability with model complexity and simulation settings. The choice of investigated parameters is adopted to the differing scope of observational data available for the individual events. In general encouraging similarity between synthetic and observed ground motions is found, even when a simplified model is used. However, detailed investigation carried out for the most recent earthquake scenario - the magnitude 4.9 July 22 2002 Alsdorf event - strongly suggests the significance of an appropriate source description and the modeling of anelastic behavior on simulation results. Finally a web-based application for storage and visualization of synthetic ground motion data is presented.

Mit dieser Arbeit ist exemplarisch eine Machbarkeitsstudie einer Widerbehandlung an zwei, verschiedene Verwitterungs- und Konservierungsproblematiken repräsentierenden, Sandsteinen durchgeführt worden. Die Problematik der Wiederbehandlung liegt darin, durch das Einbringen neuer Konservierungsmittel weder eine Überfestigung zu erreichen, noch eine Dampfsperre zu erzeugen. Es konnten für beide Gesteine Schutzmittel ausgewählt werden, die im Rahmen einer Wiederbehandlung applikabel sind. Die Untersuchungen zeigten jedoch, dass umfangreiche, materialorientierte Voruntersuchungen dringend notwendig sind, um Folgeschäden zu vermeiden. Zur Risikoabschätzung einer Folgekonservierung eignen sich die Richtlinien, die in Snethlage (1997) und Snethlage und Wendler (1996) aufgestellt worden sind.