Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU Archiv

Alternative gateoxide Pr2O3 : Growth characterization on Si (111) and Si (113) Several investigations have been made to desricbe the interface structure of this oxide on Si(111). These studies [Tarsa et al., Müssig et al.] did show that the (001) plane of the hexagonal phase of Pr2O3 is growning on the Si(111) surface. Last year we reported about the p(1x1) observed in LEED. With gracing incidence x-ray diffraction measurements, we can now explain the bonding and positions of the Pr-Atoms and the orientation of the oxide parallel to the surface. Several evidences lead to the assumption, that the layer only occurs as a monolayer (= one unit cell of hexagonal Pr2O3 bulk phase along the c vector). Thicker layers observed in LEED, did not show any different reconstructions. In situ GIXRD measurments of thicker layers are underway. Postannealing up to 760°C of the thicker layers leads to Island growth and forming PrSi2. The therby seen p(2x2) reconstruction in LEED is formed from submonolayer coverage of Pr on Si (111). The growth on Si(113) is reported the first time. The depostion was made out of a tungsten or out of a mo-crucible at 500°C, like it was used for Si (111). After the depostion of 0.2 nm of Pr2O3 one can observe a change in the LEED pattern from the exhibited (3x1) or (3x2) reconstruction of Si (113) into a weak (4x1) pattern. AFM pictures show an ordering in on dimension and islands of triangular to trapezioid forms. The roughness is lower than the one, seen on the p(2x2) reconstructed surface. First GIXD measurements did not show any reconstructions peaks, which indicates that the pattern seen in Leed is coming from the oxygen ordering.

In this thesis nanoscopic structure analysis is applied to precambrian microscopic fossils permineralised and bodily conserved in finegrained chert rock. For the first time atomic force microscopy (AFM) is used to image and analyse the three dimensional fine structure of the walls of single fossil unicells. Structural AFM data is complemented and backed by transmission electron microscopy yielding information on the crystalline nature and chemical composition of the quartz and the kerogen components of the fossil cell walls. The data is supplemented by raman spectra of the same single fossils, providing information on the molecular constitution of the kerogen material, as well as by quantitative electron microprobe data on the carbon content of the fossil cell walls. For AFM experiments a new preparation method was devised, using hydrofluoric acid to expose single fossils buried in the rock matrix. The method is applied to intact conventional thin sections of chert without disturbing the fossil cells in their environment, thus maintaining the petrographic context of the sedimentary structure. As AFM conventionally images surfaces that are smooth on a micrometer scale, the etching process has to be precisely adjusted in order to achive a balance between exposing cell walls well enough for structural examination and retaining surfaces smooth enough for the atomic force microscope. The cell walls produced by the etch method introduced here protrude from the surrounding rock matrix by approximately two microns. A detailed study of the etching behaviour by macroscopic and AFM analysis provides information on the dissolution speed of whole samples and of specific sites within the fossilmatrix compound. It is shown that etch resistivity depends on the crystal size and the carbon concentration around and within the fossil. Subject to examination were 850 million year old cyanobacteria from the Bitter Springs Formation of the Northern Territoriy, Australia, and 650 million year old acritarchs from the Chichkan Formation of Kasachstan. A classical analysis of size distributions within single populations of the microorganisms by light microscopy classified the cyanobacteria as Myxococcoides minor Schopf 1968, and the acritarchs are probably single celled planctonic algae, belonging to the classes of Chlorophyceae and/or Rhodophyceae. However, as the true nature of precambrian microorganisms cannot be proven by light microscopy alone, the desire to gather more information on the fine structure of the cells arises. This task was adressed here. The analysis of the carbon concentration in the fossil cells shows that the main body of the cell wall in the acritarchs studied here is composed of quartz, and only about one percent of the total volume of the cell wall is made up of carbon. In two specimens the spacial distribution of kerogen within the cell walls was charted. In one case the fossil wall was composed of crystalline quartz lamellae, enveloped by a 30 nanometer thick carbonaceous membrane. In contrast, the other specimen showed totally non crystalline quartz in the fossil wall, with the carbon content distributed homogeneously throughout the cell wall, increasing along a concentration gradient towards the wall center. This difference between the two cells hints at the concept that the fossilisation process strongly influences the wall structure. However, in both cells the quartz and the kerogen is arranged in a regular tile structure that may be influenced, if not controlled, by the biological structure of the original organic cell. This was also observed in other cells. A detailed three dimensional analysis of the size and orientation of platelets composing the tile structure disclosed by etching forms the basis of this concept: In all analysed cells the platelets are oriented parallel to the radius of the cell. The average width of the platelets ranges from 260 to 330 nm, with a maximum error of 25%. A second set of smaller platelets was detected in two cells, showing widths ranging from 10 to 30 nm and occurring in quartz as well as in the carbon membrane. AFM images show that the smallest platelets have a polygonal shape and sit on or possibly comprise the bigger platelets. LaserRaman spectra showed that the kerogen in the fossils consists of polycyclic aromatic hydrocarbons forming a network of interlinked planar carbonaceous molecules. Taking the polygonal shape of the platelets into account, it seems plausible that the original organic cell substance recrystallised during fossilisation to build up this molecular network structure comprised in the platelet components of the fossils. If this happened in a way that conserved biological structures, these may be found in the fossil. A clue to this concept was found in the carbonaceous membrane mentioned earlier: A carbon structure was visualised in a cross section of the amorphous membrane which could possibly have been a basis for the fomation of the 10 to 30nm platelets, as both are of approximately the same dimension, the same orientation, and are adjacent to each other. It is conceivable that these carbon structures represent genuine nonrecrystallised biostructures. A fossilisation model is proposed that is based on the structure of the biological membrane (or cell wall) and the flux of silica solution during silicification.

The main objective of this study is to investigate and model the viscosity of multicomponent natural silicate melts and constrain the compositional effects which affect such a parameter. The results of this study, relevant to all petrological and volcanological processes which involve some transport mechanism, will be applied to volcanic setting. An extensive experimental study was performed, which constituted the basis for the general modelling of Newtonian viscosity in terms of composition and temperature. Composition, viscosity and density of selected samples were investigated at different water contents. The experimental method involved measuring the viscosity of dry and hydrated melts under superliquidus and supercooled conditions. In the high temperature range (1050 – 1600 °C) viscosities from 10-0.5 to 105 Pa·s were obtained using a concentric cylinder apparatus. Measurements of both dry and hydrated samples in the low temperature (616-860 °C) - high viscosity (108.5 – 1012 Pa·s) interval, from glassy samples quenched after high temperature viscometry, were performed using the dilatometric method of micropenetration. Hydrated samples measured in the supercooled state were synthesized, using a piston cylinder apparatus, between 1100° and 1600° C at 10 kbar. Water contents were measured using the Karl Fischer Titration (KFT) method. Fourier-Transform Infrared (FTIR) spectroscopy was used before and after the experiments in order to check that the water content was homogeneously distributed in the samples and that water had not been lost. Major element compositions of the dry remelted samples were determined using an electron microprobe. Newtonian viscosities of silicate liquids were investigated in a range between 10-1 to 1011.6 Pa s and parameterised using the non-linear 3 parameter (ATVF, BTVF and T0) TVF equation. The data provided in this work are combined also with previous data from Whittington et al. (2000, 2001); Dingwell et al. (1996); Neuville et al. (1993). There are strong numerical correlations between parameters (ATVF, BTVF and T0) that mask the effect of composition. Wide ranges of ATVF, BTVF and T0 values can be used to describe individual datasets. This is true even when the data are numerous, well-measured and span a wide range of experimental conditions. In particular, “strong” liquids (liquids that are Arrhenian or slightly deviate from Arrhenian behaviour) place only minor restrictions on the absolute ranges of ATVF, BTVF and T0. Therefore, strategies for modelling the effects on compositions should be built around high-quality datasets collected on non-Arrhenian liquids. x The relationships between important quantities such as the fragility F, characterizing the deviation from Arrhenian rheological behaviour, are quantified in terms of the chemical, structure-related parameter NBO/T. Initial addition of network modifying elements to a fully polymerised liquid (i.e. NBO/T=0) results in a rapid increase in F. However, at NBO/T values above 0.4-0.5 further addition of a network modifier has little effect on fragility. This parameterisation indicates that this sharp change in the variation of fragility with NBO/T is due to a sudden change in the configurational properties and rheological regimes, owing to the addition of network modifying elements. The resulting TVF parameterisation has been also used to build up a predictive model for Arrhenian to non-Arrhenian melt viscosity. The model accommodates the effect of composition via an empirical parameter called here the “structure modifier” (SM). SM is the summation of molar oxides of Ca, Mg, Mn, half of the total iron Fetot, Na and K. This approach is validated by the highly predictive capability of the viscosity model. The model reproduces all the original data set with about 10%, of the measured values of logη over the entire range of composition in the temperature interval 700-1600 °C. The combination of calorimetric and viscosimetric data has enabled a simple expression to be used to predict shear viscosity at the glass transition, that is the temperature which defines the transition from a liquid-like to a solid-like rheological behaviour. The basis for this stems from the equivalence of the relaxation times for both enthalpy and shear stress relaxation in a wide range of silicate melt compositions (Gottsmann et al., 2002). A shift factor that relates cooling rate data with viscosity at the glass transition appears to be slightly dependent on the melt composition. Finally, the effect of water content on decreasing the viscosity of silicate melts has also been parameterised using a modified TVF expression (Giordano et al., 2000). This leads to an improvement in our knowledge of the non-Arrhenian behaviour of silicate melts over a wide compositional range from basaltic to rhyolitic and from trachytic to peralkaline phonolite compositions in the temperature interval pertaining to volcanic and subvolcanic processes. The viscosities of natural hydrous basaltic liquids are shown to be lower than those of hydrous phonolites, whereas thachytes show viscosity that are higher than those of phonolites and lower that those of rhyolites. This is consistent with the style of eruption associated with these compositions, with trachytes generating eruptions that are dominantly explosive (e.g. xi Phlegrean Fields volcano), compared to the highly explosive style of rhyolitic volcanoes, the mixed explosive-effusive style of phonolitic volcanoes (e.g. Vesuvius) and the dominantly effusive style of basalts. Variations in composition between the trachytes translate into differences in liquid viscosity of nearly two orders of magnitude in dry conditions, and less than one order of magnitude in hydrous conditions. These differences increase significantly when the estimated eruptive temperatures of different eruptions at Phlegrean Fields are taken into account. At temperatures close to those of natural magmas and in the case of low viscosity hydrous liquids the uncertainty of the calculations is large, although it cannot be quantified, due to a lack of measurements under these conditions.

Airborne hyperspectral remote sensing enables not only spatial monitoring of vegetation cover, but also the derivation of individual plant constituents such as chlorophyll and nitrogen content. These are important parameters for optimised agricultural management on a field basis through the possibility of spatially differentiated fertilisation and for hydrological and vegetation yield modelling. The use of existing airborne imaging spectrometers is cost-intensive. Moreover, it is difficult to obtain these sensors for multitemporal applications. The imaging spectrometer AVIS (Airborne Visible/Near Infrared Imaging Spectrometer) was built at the Chair of Geography and Geographical Remote Sensing of the Ludwig Maximilians University Munich, Germany, to overcome these difficulties. AVIS is designed as a cost-effective tool for environmental monitoring using commonly available components. AVIS enables the deployment of a hyperspectral sensor for both scientific research and educational purposes. It is based on a direct sight spectrograph coupled to a standard B/W CCD camera. The signal received by the CCD is read out and sent via a frame grabber card to a personal computer, where the data is stored on the hard disc together with additional GPS data. The radiometric, spectral and geometric properties of AVIS resulting from the calibration procedure are summarised in Table 7-1. Table 7-1: AVIS characteristics Parameter Description Spectral range 553-999nm Spectral resolution 6nm Spectral sampling rate / resampling 2nm / 6nm Number of used bands 74 SNR 45dB (year 1999), 47dB (year 2000) Spatial resolution 300 pixels per image line Spatial sampling rate 390 pixels per image line FOV 1.19rad IFOV across track 3.1mrad IFOV along track 2.98mrad One aim of this thesis was to test the potential of AVIS for the purpose of environmental monitoring, especially of the chlorophyll and nitrogen status of plants. The land cover types under investigation were grassland, maize ( Zea mays L.) and winter wheat ( Triticum aestivum L.). Within this scope, a total of 21 AVIS flights were carried out during the vegetation periods of the years 1999 and 2000. The AVIS data were preprocessed before analysis, including dark current and flat field correction, resampling as well as atmospheric correction and reflectance calibration. The test area chosen for the validation of the AVIS data is located in the northern Bavarian foothills, 25km southwest of Munich, Germany (48° 6’ N, 11° 17’ E). It is situated between the Ammersee in the west and the Starnberger See in the east. The municipalities Gilching and Andechs define the northern and southern borders respectively. Within this area, three water protection areas were chosen as test sites. In these test sites, most of the farmers are under contract to the local agricultural office “ Amt für Landwirtschaft” resulting in detailed management data for each field. This data include useful information for the interpretation of ground and AVIS data. Two weather stations of the Bavarian network of agro-meteorological stations, namely No.72 (Gut Hüll) and No.80 (Rothenfeld), are located in the test area and provide information about precipitation, temperature and radiation. Ten and thirteen stands were selected as test fields in 1999 and 2000 respectively, including three fields each of maize and wheat in 1999 as well as three fields of maize and six fields of wheat in 2000. During both years, four meadows were investigated belonging to the same plant community ( Arrhenatherion elatioris). The meadows differ in the utilisation intensity (non-fertilised meadow with one cut, meadow with one cut, meadow with rotational grazing and meadow with four to five cuts). The ground truth campaigns included weekly measurements of plant parameters, such as height, dry and wet biomass, phenological stage, chlorophyll and nitrogen content, as well as a photographic documentation for each field. The chlorophyll and nitrogen measurements, which were derived from the sampling on ground, are available in contents per area [g/m²] and in contents per mass ([mg/g] for chlorophyll and [%DM] for nitrogen). The former can be used to evaluate the photosynthetic capacity or productivity of a canopy, which is an important input parameter for hydrological or vegetation models; the latter may be an indicator for plant physiological status or level of stress, which is a valuable source of information for optimising field management. The relationship between chlorophyll and nitrogen based on the ground measurements showed that a differentiation of the land cover types is necessary for significant correlation. When the plant species are investigated separately, the chlorophyll and nitrogen content per area are always highly correlated, especially for chlorophyll a and total chlorophyll content (r²≥0.8). For all investigated land cover types, the nitrogen and chlorophyll contents per mass are uncorrelated. For wheat, the results improve when the phenological state and the cultivar are considered (r²>0.67). For maize, distinct variations in the chlorophyll content per mass during the vegetation period reduced correlation with these parameters. The use of a fitted chlorophyll trend curve instead of the original measurements does not lead to a significant improvement of the results. For grassland, no significant correlation above r²=0.67 could be observed except for chlorophyll and nitrogen, both per area, where a decreasing strength of correlation could be monitored with increasing fertilisation level. These results lead to the conclusion that the chlorophyll and nitrogen contents per mass of the investigated land covers are decoupled when the compensation point for effective photosynthesis is exceeded. Beyond this limit the nitrogen in the plants is no longer incorporated into chlorophylls, but mainly into proteins, alkaloids and nucleic acids, whereas the proteins especially are used for internal storage of nitrogen. The derivation of the chlorophyll and nitrogen content of the plant leaves on a mean field basis was conducted using three hyperspectral spectral approaches, namely the hyperspectral NDVI (hNDVI), the Optimised Soil Adjusted Vegetation Index OSAVI as well as the relatively unknown Chlorophyll Absorption Integral CAI. The multispectral NDVITM was simulated as established reference. The results of the derivation of both chlorophyll and nitrogen content of plants with the investigated approaches depend strongly on a priori knowledge about the canopies monitored. In general, the use of contents per area rather than contents per mass has been found more suitable for the investigated remote sensing applications. A significant correlation between any index and the chlorophyll or nitrogen content for the whole sample size could not be derived. The optimal spectral approach for derivation is species-dependent, but also dependent on the cultivar. The chlorophyll and nitrogen level of the plants under observation as well as their temperature sensitivity mainly caused this dependence. The NDVITM, hNDVI and OSAVI became insensitive for high chlorophyll content above about 1g/m² (1.5mg/g) chlorophyll a and 0.2g/m² (0.4mg/g) chlorophyll b, respectively. A saturation of the indices was also found for nitrogen content above 2.5g/m². The saturation limit of nitrogen in percentage of dry matter could be rated at about 4%. The positive correlation between the indices and this parameter for wheat leads to insensitivity at values above this limit, while the negative correlation for maize results in saturation for values below 2.5%. The CAI is not affected by saturation as much as the other spectral approaches, leading to higher coefficients of determination, especially for contents per area. The CAI becomes insensitive at chlorophyll contents per area above 2g/m². The results lead to the assumption, that the flattening and narrowing of the chlorophyll absorption feature at 680nm most probably causes the saturation of the NDVITM, hNDVI and OSAVI. The ratios are directly affected by an increase in reflectance in the red wavelength region. The high correlations between the CAI and contents per area can be ascribed to the fact that the CAI is based on an integrated measurement over an area and therefore is less affected by an increase of reflectance in the red wavelengths. The CAI probably becomes insensitive at the point where the narrowing of the absorption feature leads to a shift of the red edge position towards the blue wavelength region. This saturation limit lies at approximately 2g chlorophyll per m². In contrast, the chlorophyll content per mass, which indicates the plant’s physiological status or level of stress, could be estimated more accurately using spectral indices such as hNDVI and OSAVI, especially for wheat. The low correlations derived for maize are caused by its higher temperature dependence, leading to daily variations in the chlorophyll content per mass. The chlorophyll and nitrogen contents of the grassland canopies could not be derived with the spectral approaches investigated. When the meadows were investigated separately, correlations could only be found between the CAI and the chlorophyll content per area for the most intensely utilised meadow (four to five cuts), which on the one side is characterised by the highest level of fertilisation, but on the other side is affected by the highest nutrient offtake. The low potential of the investigated indices can be mainly assigned to the fact that the chlorophyll and nitrogen values of the meadows mostly exceeded the saturation limits of the applied indices. The possibility of deriving chlorophyll and nitrogen accurately enough to map within field heterogeneities was discussed on the basis of a wheat field, which was analysed separately at three sampling points for chlorophyll and nitrogen content. The approaches found to be most suitable for the parameter estimation of wheat were applied. The CAI was used for the estimation of the chlorophyll content per area and mass as well as for the nitrogen content per area. The hNDVI was applied to estimate the canopy’s nitrogen content per mass. Both approaches were able to reproduce the chlorophyll contents of the different sampling points accurately enough to derive the differences between the measurement points when the saturation limits were not exceeded. Beyond these limits the index values decreased with increasing measurement values. The spatial pattern of the nutrient supply was discussed by comparing nitrogen pattern images, which were derived from CAI measurements acquired in 2000 with the yield measurement map of the same field. The phenological stage of stem elongation (EC 30) turned out to be most suitable for the derivation of the nitrogen pattern. On the one hand, the crop condition at these stages determine yield and on the other hand the nitrogen pattern images were able to map the inner field patterns of nitrogen supply. After anthesis the nitrogen images can map areas with different degrees of maturity. Therefore they can be used for the monitoring of maturity stages for the determination of the most favourable harvest date. As described here, AVIS is still in its early stages. It has the potential to become a costeffectiveAVIS2, which covers the spectral range of 400-900nm, has been in commercial use since 2001. tool for the monitoring of the environment. A modification of AVIS, namely

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse an piezoelektrischen Materialien aus der Langasitfamilie, die unter extremen Bedingungen untersucht wurden. Die Einkristalle aus dieser Familie, vor allem La3Nb0.5Ga5.5O14 (LNG) und La3Ta0.5Ga5.5O14 (LTG), sind vielversprechende Materialien für Oberflächenwellen (OFW) –Substratmaterialien, die in der mobilen Kommunikationstechnik der Frequenzsteuerungsgeräte (mobile Kommunikation, Sensoren, usw.) und bei Hochtemperatur- OFW- Anwendung finden. Mit LNG und LTG OFW-Sensorelementen können physikalische Meßgrößen, wie Druck und Temperatur erfaßt werden. Aus diesem Grund sind die Strukturuntersuchungen an LNG und LTG bei verschiedenen Drucken und Temperaturen extrem wichtig. Die Struktur von LNG und LTG ist unter normalen Bedingungen trigonal mit der Raumgruppe P321. In der Struktur sind die schweren Atome polyedrisch von Sauerstoffatomen koordiniert. Vier Polyedertypen bilden decaedrisch-oktaedrische und tetraedrische Schichten. Diese sind in einer A-B- Stapelfolge senkrecht zur c-Achse angeordnet. Die Kristallstrukturen von LNG und LTG wurden mittels Röntgenstrukturanalyse an LNG- und LTG- Einkristallen in Hochdruck- Diamant -Stempel Zellen unter Druck bis 23GPa untersucht. Die Proben für diese Forschungsarbeit wurden von den Forschungsgruppen von B. V. Mill (Rußland) und J. Bohm (Deutschland) freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Als druckübertragende Medien wurden Alkohol und Helium benutzt. a- Quarz Kristalle und die Rubinfluoreszenzmethode wurden zur Druckmessung herangezogen. Die Experimente mit Röntgenstrahlung wurden im eigenen Labor und am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB, Beamline D-3) durchgeführt. Die Gitterkonstanten und Reflexintensitäten von LNG und LTG wurden unter Drucken bis 22,8 beziehungsweise 16.7GPa gesammelt. Innerhalb des erforschten Druckbereichs nimmt das c/a- Verhältnis von 0,6232 bis 0,6503 für LNG und von 0,6227 bis 0,6350 für LTG zu. Folglich ist die a-Achse die an stärksten komprimierte Richtung in beiden Substanzen. Damit zeigen LNG und LTG unter Druck ein anisotropes Verhalten, das durch unterschiedliche Bindungsstärken in den Richtungen parallel zu den a- beziehungsweise c- Achsen bedingt ist. Unter hydrostatischem Druck ist die Komprimierung der c- Richtung (also zwischen den Schichten) steif, was wegen der weniger flexiblen Verknüpfung der Polyeder (gemeinsame Kanten) verständlich ist. Demgegenüber ist die Komprimierung innerhalb der ab- Ebene (also innerhalb der Schichten) größer und kann hauptsächlich durch die abnehmenden Volumina und Verzerrungen der Polyeder erreicht werden. Weil die Kristallstrukturen von LNG und LTG wegen der hohen Symmetrie und der Polyederkopplungen sehr steif sind, führt die Komprimierung dieser Strukturen zu einer Zunahme der internen Spannungen und endet bei einem Druck von 12.4(3)GPa für LNG und 11.7(3)GPa für LTG mit einem Phasenübergang in Strukturen mit niedrigerer Symmetrie. In dem untersuchten Druckbereich sind die Kompressibilitäten entlang der c-Achse fast identisch für LNG und LTG. Andererseits sind die Druckabhängigkeiten der a Gitterparameter dieser Materialien nur für die Ausgangsphase ähnlich, während die Achsenkompressibilitäten für die Hochdruckphasen von LNG und von LTG unterschiedlich sind. Die Volumenkompressibilitäten des trigonalen LNG und LTG sind 0.007GPa -1 , die entsprechenden Kompressionsmodule sind 145(3)GPa und 144(2)GPa. Der Kompressionsmechanismus von LNG und LTG kann wie folgt beschrieben werden: Eine Erhöhung des Drucks verursacht eine Reduzierung der Gittervolumina von LNG und LTG. Folglich verringern sich die Abstände zwischen den Ionen. Auf diese Weise werden die größten Kationen (La 3+ ) innerhalb der ab- Fläche verschoben, um die Abstände zwischen den positiv geladenen benachbarten Ionen (Ga 3+ /Nb 5+ (Ta 5+ )) zu maximieren. Auf die gleiche Weise bewegen sich die tetraedrisch koordinierten Ga 3+ -Ionen. Wegen der Anionen-Kationenbindungsverkürzung versuchen die Polyeder zu rotieren. Nun werden diese Drehungen durch die gemeinsamen Ecken und/oder Kanten der benachbarten Polyeder behindert. Außerdem werden diese Bewegungen durch die geringe Flexibilität begrenzt, die durch die Symmetrie (zwei- und drei- zählige Achsen) verursacht wird. So resultiert die Komprimierung hauptsächlich aus Verkleinerungen der Polyedervolumina. Folglich steigen unter zunehmenden Druck die Spannungen innerhalb der Polyeder, vor allem innerhalb der kleinsten Polyeder (GaO4-Tetraeder), wegen deren geringer Flexibilität. Bei einem Druck von 12(1)GPa resultiert die Komprimierung von LNG und LTG in einer Transformation aus der Hochsymmetriephase in eine Niedersymmetriephase. Es kann gefolgert werden, daß dieser Phasenübergang durch die Zunahme der Spannungen innerhalb der Polyeder verursacht wird. Die Hochdruckphase ist verzerrter als die ursprüngliche Phase und beinhaltet mehr Freiheitsgrade für weitere Komprimierungen. Die Hochdruckphasen von LNG und von LTG können in Strukturmodellen mit monokliner Symmetrie (Raumgruppe A2) verfeinert werden. Die Kompressionsmodule sind B0=93(2)GPa und B0=128(12)GPa für die Hochdruckphasen von LNG beziehungsweise von LTG. Die entsprechenden Kompressibilitäten der Hochdruckphasen sind 0.011GPa -1 für LNG und 0.008GPa -1 für LTG. Somit zeigen die Hochdruckphasen unterschiedliche Kompressibilität, die durch eine Nb 5+ - Ta 5+ Substitution gut erklärt werden kann. Die Kompressibilität der Hochdruckphase von LNG ist größer als der entsprechende Wert für das Hochdruckpolymorph von LTG. Dieses Phänomen kann durch die größere Verzerrung von NbO6- Polyedern im Vergleich zu TaO6- Polyedern gut erklärt werden, welche durch die höhere Polarisation der Sauerstoffanordnung bei Nb 5+ -Kationen verursacht wird. Außerdem sind die Kompressibilitäten der Hochdruckphasen größer als die entsprechenden Werte für die Ausgangsphasen von LNG und LTG. Die Beobachtung einer Zunahme der Kompressibilität weis auf zusätzliche Polyederverkippungen hin. In den meisten Fällen ergibt sich die zusätzliche Freiheit aus dem Symmetriebruch. Das erklärt eine (auf den ersten Blick ziemlich unerwartete) erhöhte Kompressibilität der Hochdruckphase. Zusätzlich kann sich durch ein anomales Elastizitätsverhalten eine Steigerung der Kompressibilität der Hochdruckphase ergeben. Bei einer Zunahme des Druckes über 22GPa hinaus wird die Komprimierung der monoklinen Kristallstruktur von LGN vermutlich zu einer drastischen Strukturänderung führen, die von Änderungen der Korrdinationszahlen begleitet ist. Wahrscheinlich werden ähnliche Prozesse auch im LTG statt finden, jedoch unter höherem Druck. Im folgenden Teil dieser Arbeit wird die thermische Expansion der Gitterparameter von LNG, LTG und La3SbZn3GeO14 (LSZG) dargestellt. Die Hochtemperaturmessungen wurden mit dem Pulverdiffraktometer im HASYLAB an der beamline B2 durchgeführt. Die Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter von LNG und von LTG wurde an polykristallinem Material bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 850°C durchgeführt. Die thermischen Expansionen der Gitterparameter von LNG und LTG sind in diesem Temperaturbereich fast identisch. Die thermischen Expansionskoeffizienten des Gittervolumens aV (24°C- 850°C) von LNG und LTG betragen 22.563(7)x10 -6 °C -1 beziehungsweise 20.651(7)x10 -6 °C -1 . Deutliche Veränderungen der Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter werden für die a- Richtung beobachtet. Folglich ist das Verhalten dieser Materialien bei thermischer Expansion ebenso wie bei Komprimierung anisotrop. Für einen Vergleich des Einflusses von Druck und Temperatur auf die Gitterparameter von LNG beziehungsweise LTG wurden die Druck und Temperatur- Abhängigkeiten des c/a- Verhältnisses gemeinsam aufgetragen. Es zeigt sich, dass eine lineare Abhängigkeit besteht. Daraus läßt sich ableiten, dass die Änderung der Gitterparameter von LNG (LTG) während der Abkühlung von 850°C auf Raumtemperatur einer Änderung der Gitterparameter von LNG (LTG) unter Zunahme des Drucks um 1.4GPa entspricht. Die Substanz LSZG, welche in dieser Arbeit untersucht wurde, ist ein weiters Mitglied der Langasitfamilie. LSZG kristallisiert in der monoklinen Symmetrie, Raumgruppe A2. Die Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter der monoklinen Phase von LSZG wurden mittels der Röntgenbeugung an polykristallinem LSZG bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 800°C untersucht. Bei Temperaturen oberhalb 250(50)°C wurde ein Phasenübergang erster Ordnung festgestellt, welcher sich in Sprüngen der Temperaturabhängigkeiten der Gitterparameter des LSZG äußert. Die monokline Struktur der bei Raumtemperatur und Normaldruck stabilen Phase des LSZG entspricht der der Hochdruckphase von LNG beziehungsweise LTG. Es ist bekannt, daß die Änderungen der Kristallstrukturen bei steigenden Drucken und Temperaturen gegenläufig sind. Aus diesem Grund wird vermutet daß sich die monokline Kristallstruktur des LSZG bei Temperaturen oberhalb von 250(50)°C in eine trigonale Kristallstruktur (Raumgruppe P321) umwandelt, welche der Normaldruckphase von LNG beziehungsweise LTG entspricht. Für eine detailliertere Beschreibung des Phasenübergang von LSZG bei einer Temperaturerhöhung über 250(50)°C hinaus werden weitere Experimente benötigt. Zum Vergleich von strukturellen und physikalischen Eigenschaften seien auch die physikalischen Eigenschaften von LNG und LTG zusammenfassend dargestellt: 1. LNG- und LTG- Kristalle der enantiomorphen Kristallklasse 32 können im Gegensatz zu GaPO4 mittels Züchtung nach der Czochralski- Methode mit ausreichend hoher struktureller Perfektion hergestellt werden. 2. DTA- Messungen von LNG und LTG zeigen keine Änderungen des thermischen Verhaltens bis zu Temperaturen von 1400°C [5]. Da LNG und LTG vermutlich keine Phasenübergänge bis zu ihren jeweiligen Schmelzpunkten bei ungefähr 1470(30)°C haben, sind sie für piezomechanische Anwendungen bei hohen Temperaturen gut geignet. 3. Die Härte von LNG beziehungsweise LTG ist vergleichbar mit der von Quarz. 4. LNG und LTG sind chemisch inert und unlöslich in Säuren beziehungsweise Laugen. 5. Die Breite des Bandpassfilters von LNG oder LTG ist ungefähr dreimal größer als die von Quarz. Folglich sind LNG und LTG für Filter besser geeignet als Quarz. Im Lichte der Ergebnisse aus dieser Forschungsarbeit können folgende Empfehlungen gemacht werden: 1. Bezüglich der hoher Qualität dieser Materialien (die Halbwertsbreite der Reflexionen beträgt 0.0008°) und wegen des großen Streuvermögens, kann empfohlen werden, diese Kristalle als Test- Kristalle für die Justage an Einkristall- Diffraktometer und für Experimente mit harter Röntgenstrahlung zu benutzen. 2. Ebenso wie a-Quarz- Einkristalle [ 58 ], können diese Kristalle als interner Druckstandard in Einkristallhochdruckexperimenten benutzt werden, weil diese Kristalle eine große Anzahl von starken unabhängigen Reflexen besitzen. Andererseits kann die niedrigere Kompressibilität von LNG beziehungsweise LTG, im Vergleich zu a-Quarz, zu einer niedrigeren Druckmessungspräzision führen. Dieser Nachteil wird wiederum durch große Streuvermögen kompensiert. 3. LNG oder LTG können als Materialien für Drucksensoren bis zu sehr hohen Drucken verwendet werden. Wegen des Phasenübergangs von LNG und LTG ist der Einsatz lediglich auf 12(1)GPa begrenzt. 4. Die Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter dieser Materialien zeigt keine Anomalie innerhalb des untersuchten Temperaturbereiches (24°C - 850°C). Somit wurde die thermische Stabilität von LNG und LTG bestätigt. Auf diese Weise können LNG und LTG im Austausch für Quarz als Substratmaterialien für Temperatursensoren sehr empfohlen werden.

Die herk¨ommlichen Wellenfeldbearbeitungen der CMP-Refraktionsseismik basieren auf N¨aherungsl¨osungen f¨ur kleine Schichtneigungen. Dieser Ansatz hat sich f¨ur Schichtneigungswinkel bis zu ca. 100 bew¨ahrt. Mit gr¨oßer werdendem Neigungswinkel verschlechtern sich die Ergebnisse der CMP-Refraktionsseismik aber zunehmend. Große Neigungswinkel machen sich in zu hoch bestimmten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten und einer schlechteren Fokussierung auf gemeinsame Untergrundabschnitte durch die CMPSortierung bemerkbar. Die Probleme falsch bestimmterWellenausbreitungsgeschwindigkeiten und die schlechtere Fokussierung auf gemeinsame Untergrundspunkte, sind auch aus den Anf¨angen der CMP-Reflexionsseismik bekannt. Es gelang zuerst Judson, Shultz und Sherwood (1978) mit der Einf¨uhrung eines zus¨atzlichen Korrekturschritts das CMP-Konzept so zu erweitern, daß auch das reflektierte Wellenfeld von geneigten Schichtgrenzen korrekt bearbeitet werden konnte. Ihr Verfahren, das sie DEVILISH nannten, wurde durch eine Vielzahl von Autoren weiter verbessert und ist heute unter dem Namen DMO weitl¨aufig in der Seismik bekannt. Die DMO hat sich zum Standardschritt in der modernen seismischen Datenverarbeitung etabliert. Die vorliegende Arbeit besch¨aftigt sich erstmals mit der M¨oglichkeit einer DMOKorrektur f¨ur die CMP-Refraktionsseismik. Zu diesem Zweck mußte zun¨achst das DMOKonzept aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik ¨ubertragen und in mathematischen Grundgleichungen quantifiziert werden. F¨ur eine Erprobung der Refraktions-DMO an seismischen Daten mußte man aus den Grundgleichungen einen geeigneten Algorithmus konstruieren. Die ¨Ubertragung des DMO-Konzepts aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik erfolgte in Kapitel 3. In Kapitel 4 wurden die zugeh¨origen Grundgleichungen mit Hilfe des Hales-Kreises nach Hales (1958) hergeleitet. Es zeigt sich, daß die gewonnenen Grundgleichungen nicht mehr von der Zeit- bzw. der Ortskoordinate abh¨angen. Weil auch die LMO-Korrektur unabh¨angig von der Zeit ist, sind LMO und Refraktions-DMO,im Gegensatz zu NMO und Reflexions-DMO, im Processing kommutativ. Die Kommutativit ¨at vereinfacht das urspr¨unglich in Analogie zur Reflexionsseismik entwickelte Processing. Die Stapelung kann nach DMO (ohne vorherige LMO) mit den neigungsfreien Stapelgeschwindigkeiten entlang schr¨ager Geraden erfolgen. F¨ur die iterative Geschwindigkeitsbestimmung ben¨otigt man statt LMO-, DMO- und inverser LMO-Korrektur nur eine einfache DMO-Korrektur. Diese Erkenntnis f¨uhrt zu dem in Kapitel 3 beschriebenen Processingvorschlag. Aus den Grundgleichungen konnte in Kapitel 4 ein DMO-Algorithmus entwickelt werden. Dieser Algorithmus wirkt auf die fouriertransformierten COF-Wellenfelder. Der Weg ¨uber den Frequenz-Wellenzahl-Bereich hat sich auch schon bei der Reflexions-DMO bew¨ahrt (s. z.B. Hale, 1984; Jakubowicz, 1990). Ein oensichtlicher Vorteil beim Wechsel des Koordinatensystems ist, daß die recht komplizierte und numerisch aufwendige Operation der Faltung zu einer einfachen Multiplikation des Spektrums mit einem Operator wird. Im DMO-Verfahren von Hale (1984) macht sich der Autor einen heuristischen Ansatz zunutze. Es zeigt sich in dieser Arbeit, daß dieser heuristische Ansatz von Hale (1984) auch f¨ur die Refraktions-DMO funktioniert. Der gewonnene DMO-Operator (Gl. 4.64) f¨ur die Spektren der COF-Familien wurde auf dem Rechner implementiert. Bei der Implementierung der Refraktions-DMO f¨ur diskrete Wellenfelder m¨ussen die Eigenarten der Diskreten Fouriertransformation beachtet werden. Zur Vermeidung des wrap-around- Eekts wurde deshalb eine Option zum Anf¨ugen von Nullspuren vorgeschlagen. Die bei Migrationsalgorithmen immer auftretenden, st¨orenden Ausschmierungen an den Enden der Laufzeitkurven, konnten durch eine Option zur Beschr¨ankung der ¨Onungsweite teils unterdr¨uckt werden. Die Grundgleichungen lassen sich auch f¨ur eine theoretische Vorhersage ¨uber die Wirkungsweise des Prozesses bei der iterativen Geschwindigkeitsbestimmung nutzen. Durch die verschiedenen numerischen Versuche prognostiziert man ein schnelles Konvergieren bei den neigungsfreien CRP-Scheingeschwindigkeiten. Diese theoretische Prognose wurde mit Versuchen an synthetischen Datens¨atzen unter Verwendung des DMO-Algorithmus f¨ur den Frequenz-Wellenzahl-Bereich in Kapitel 5 best¨atigt. Die Grundgleichungen der Refraktions-DMO wurden, wie ¨ubrigens auch die Gleichungen f¨ur die Reflexions-DMO, auf der Basis des sehr einfachen 2-Schichtenmodells mit konstanten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten hergeleitet. Im Fall mehrerer Schichten im Hangenden einer Schichtgrenze f¨uhrt der Einsatz Reflexions-DMO i.d.R. trotzdem zu einer Verbesserung. Das Processing der CMP-Reflexionsseismik ist dann allerdings nicht mehr exakt richtig. F¨ur die Refraktions-DMO konnte mit Hilfe der Grundgleichungen gezeigt werden, daß das Verfahren bei geeignet gew¨ahlten Korrekturparametern vhan und vref sehr gut funktioniert. Mit den neigungsfreien CRP-Scheingeschwindigkeiten des direkt angrenzenden Hangenden f¨ur vhan kann man wie im 2-Schichtenfall, die neigungsfreien CRP-Scheingeschwindigkeiten des Refraktors exakt bestimmen. Die theoretisch, auf der Basis der Grundgleichungen getroenen Aussagen, konnten an einem synthetischen Datensatz erprobt werden. Die simulierten Seismogramme wurden mit Hilfe eines Cerveny-Raytracing-Programms auf der Basis eines Mehrschichtenfalls mit Geschwindigkeitsgradienten berechnet. Anschließend wurde der Datensatz nach dem Konzept aus Kapitel 3 mit DMO bearbeitet. Das verwendete Modell wich dabei bewußt von dem zur Herleitung der DMO verwendeten Modell ab, um bei der Bearbeitung auch die Grenzen des DMO-Verfahrens auszuloten. Sowohl die Geschwindigkeitsgradienten, wie auch die kleinen Neigungen im Hangenden, wurden in der Theorie der Refraktions-DMO nicht ber¨ucksichtigt. Die Bearbeitung des synthetischen Datensatzes demonstrierte die stabile Funktionsweise der f-k-DMO. Auch die großen Amplituden anderer Wellentypen (Reflektierte und Direkte Welle) bzw. das aufaddierte Rauschen konnten die Funktionsweise nicht beeintr¨achtigen. Es zeigte sich, daß man die Geschwindigkeiten nicht durch eine langwierige Iteration verbessern mußte. Schon nach einer DMO-Korrektur mit den zu großen neigungsabh¨angigen CMP-Scheingeschwindigkeiten ließen sich die anschließend ermittelten CRP-Scheingeschwindigkeiten nicht weiter verbessern. Die Scheingeschwindigkeiten wurden mit einer ¢tV-Inversion in Geschwindigkeitstiefen-Funktionen gewandelt und zu einem 2-dimensionalen Geschwindigkeitsmodell kombiniert. Der Vergleich dieses Modells mit dem Ausgangsmodell und mit dem Modell einer CMP-Bearbeitung ohne DMO-Korrektur zeigte die Vorteile der Refraktions-DMO bei der Geschwindigkeitsbestimmung. Der zweite Ansatzpunkt bei der Konzeptionierung der Refraktions-DMO, die verbesserte Fokussierung auf gemeinsame Untergrundabschnitte, war weniger erfolgreich. Die DMO-Bearbeitung brachte keine Vorteile bei der Darstellung der refraktierenden Strukturen gegen¨uber der CMP-Bearbeitung ohne DMO. Theoretisch sollte allerdings zumindest die verbesserte Geschwindigkeitsbestimmung zu einer besseren Lotzeittransformation f¨uhren. Der Eekt war allerdings gering. Die theoretisch erdachten Verbesserungen der Refraktions-DMO konnten an dem synthetischen Datensatz also gr¨oßtenteils best¨atigt werden. Allerdings basiert die Theorie der Refraktions-DMO, wie ¨ubrigens die Theorie der Reflexions-DMO auch, auf der Annahme zumindest lokal planarer Schichtgrenzen. Die Erweiterung der CMP-Refraktionsseismik auf gekr¨ummte Schichtgrenzen ist eine sehr spannende und anspruchsvolle Herausforderungen. Es ist zu erwarten, daß mit einer erweiterten CMP-Refraktionsseismik noch große Fortschritte in der Abbildung der refraktierenden Strukturen durch das Wellenfeld zu erzielen sind. Hoentlich regen die ¨Uberlegungen und Ergebnisse dieser Arbeit m¨oglichst viele Leser zu Weiterentwicklungen der CMP-Refraktionsseismik an.

In the South Indian basement, several crustal-scale amphibolite facies shear zones occur between high-grade metamorphic units with a different geological history: the EW-trending Moyar Shear Zone (MSZ) is a zone of predominantly dip-slip transport separating the Archaean Dharwar Craton in the north from the late Archaean Nilgiri Block in the south. The NE-SW-trending, dextral-transpressive Bhavani Shear Zone (BSZ) constitutes the southern boundary of the Nilgiri Block in its western part and bounds the southern Dharwar Craton further east. South of the BSZ, the high-grade metasediments and metaintrusives of the Maddukarai region are separated from the 0.6 Ga-metamorphic Madurai Block by the EW-trending dextral Palghat Shear Zone (PSZ). MSZ, BSZ and PSZ are regarded as parts of the prominent Cauvery shear system. The N-S-trending sinistral Kollegal Shear Zone (KSZ), which transects the Dharwar Craton, is cut off by the Cauvery shear system. These shear zones play an important role in reconstructing the position of India within the East Gondwana terrane assembly. A combined Sm-Nd, Rb-Sr and U-Pb isotopic study was carried out on granulite remnants, amphibolite facies (mylonitic) gneisses and pre-, syn- und postmetamorphic intrusives in order to examine the tectonometamorphic evolution of the MSZ, BSZ, PSZ and KSZ. Whole rock data The majority of relic and retrogressed granulites from the MSZ (TDM 2.3–3.1 Ga) and BSZ (TDM 2.6-2.9 Ga) show late Archaean average crustal residence ages. With respect to their LIL-, Nb-depleted tonalitic nature and Nd-model ages, these rocks resemble the neighbouring Nilgiri granulites. Mylonitic gneisses and granulite remnants from the BSZ yielded a Sm-Nd-whole rock-age of 2520 ± 150 Ma (εNd(t) +0.6; MSWD = 2.2), which is interpreted as protolith age. I-Type granites and tonalites, which intruded the MSZ ~620 Ma ago (87Sr/86Sri 0.7039), gave unusually young Nd model ages of 1.8-1.9 Ma suggesting derivation from a Mid- to Neoproterozoic upper mantle source, presumably with minor contribution of an older crust. An allochthonous quarzite (TDM 3.3 Ga) of the BSZ is regarded as counterpart of the Archaean Sargur group, which is exposed in schist belts of the Dharwar Craton. As suggested by geochemical features (LIL-, Nd-rich granitoids) and Neoarchaean-Palaeoproterozoic Nd-model ages (TDM 2.3-3.0 Ga), the PSZ-gneisses show affinity to the adjacent Madurai Block. Sheared orthogneisses from the KSZ show Mesoarchaean average crustal residence ages (TDM 3.2-3.3 Ga) typical for Dharwar Craton gneisses. Mineral dating on granulites Mineral age data of relic granulites from the MSZ, BSZ and PSZ provide evidence for the metamorphic precursor history of the shear zone rocks: gnt-plag-px-granulites from low-strain domains yielded Sm-Ndgarnet- whole rock ages of 2355 ± 22 Ma (εNd(t) -1.4) for the MSZ and 2329 ± 19 Ma (εNd(t) -2.0) for the BSZ, both recording late-stage Palaeoproterozoic granulitisation of the rocks and corresponding with garnet data from the Nilgiri Block. Correlated low εNd-initial values reflect the short time span between crustal genesis and garnet crystallisation. Further Sm-Nd mineral data from BSZ-granulites are between 1275 ± 10 Ma and 1106 ± 48 Ma (garnet/plagioclase-whole rock-pairs; εNd(t) –5.8 to –25.4), indicating a Mesoproterozoic metamorphic imprint. A charnockite from the southern BSZ, which is interpreted as a separate lithological unit, yielded a reproducable Sm-Nd-garnet-whole rock age of 1705 ± 11 Ma (εNd(t) –12.4), presumably recording late Palaeoproterozoic metamorphism. Mineral dating on gneisses and younger intrusives Amphibolite facies rocks with younger fabrics yielded Neoproterozoic to early Palaeozoic mineral age data for the MSZ, BSZ and PSZ: Sm-Nd mineral ages from gneiss-mylonites imply a first stage of early Pan-African shearing in the MSZ ~745 Ma ago (garnet/plagioclase-hornblende-pairs: 743 ± 13 Ma, 747 ± 75 Ma) and in the BSZ ~730 Ma ago (garnetwhole rock-pair: 726 ± 9 Ma). This tectonic stage immediately followed a period of anorogenic alkalimagmatism in the eastern continuation of the BSZ suggesting that it may be attributed to an overall extensive regime. A second stage of late Pan-African shearing in the MSZ at ~620 Ma is constrained by statistically equivalent concordant U-Pb zircon ages that are interpreted to record crystallisation of syndeformative intrusives with Itype characteristics (granite: 616 ± 19 Ma, tonalite: 633 ± 23 Ma). Coeval to slightly younger metamorphic garnet growth in adjacent MSZ-gneisses and -mylonites is reflected by Sm-Nd-garnet-whole rock ages between 624 ± 9 Ma and 591 ± 5 Ma. Subsequent postdeformative cooling in the MSZ is constrained by Rb-Sr micawhole rock ages (muscovite: 594 ± 23 Ma; biotite: 603 ± 12 Ma to 547 ± 7 Ma). The 620 Ma-shearing event in the MSZ predates late Pan-African tectonometamorphism in the BSZ, which, according to garnet crystallisation, occurred ~550 Ma ago (Deters-Umlauf, 1997). Amphibolite facies shear deformation in the PSZ is even younger, as suggested by a Sm-Nd-garnet-whole rock age of 521 ± 8 Ma. A lower limit for the age of ductile shearing in the BSZ is provided by a Sm-Nd-garnet-whole rock-age of 513 ± 5 Ma reflecting postdeformative emplacement of a pegmatitic dyke in mylonitic host gneisses. According to Rb- Sr-mica age dating, postdeformative cooling of the sheared BSZ-gneisses (biotite-whole rock-pairs: 508 to 491 ± 12 Ma) and the undeformed dyke (muscovite-K'feldspar: 504 ± 13 Ma, biotite-K'feldspar: 488 ± 12 Ma) as well as cooling of the PSZ-gneisses (biotite-whole rock-pairs: 486, 487 and 488 ± 12 Ma) may have been slightly diachronous. In summary, the new geochronological data provide evidence for non-synchronousity of late Pan-African tectonometamorphism in the MSZ, BSZ and PSZ. At the time of structurally-controlled amphibolite facies metamorphism, all reworked gneisses had negative εNd(t) values (–24.7 to -9.4) reflecting their earlier crustal evolution. Sinistral shearing along the KSZ is not related to Pan-African processes, but has to be attributed to Palaeoproterozoic metamorphism in the Dharwar Craton: a lower limit for ductile tectonics is provided by a Sm- Nd-garnet-whole rock age of 2388 ± 16 Ma (εNd(t) –7.3). Strikingly younger Rb-Sr biotite-whole rock ages of 2137 ± 52 Ma and 2091 ± 51 Ma may be explained by local reheating of the crust that exceeded the closure temperature of biotite. The new results support the idea of a terrane boundary running along the southern BSZ. This terrane boundary separates the Archaean Dharwar/Nilgiri crustal province with 2.5 Ga metamorphism from the Proterozoic mobile belt of the Madurai province with a 0.6 Ga high-grade imprint. According to geochronological data, South India and Madagascar probably were subjected to different plate-tectonic regimes in the early Neoproterozoic. Late Neoproterozoic syndeformative emplacement of mantle-derived granitoids with crustal contamination both in the MSZ (~620 Ma) and in Central-Madagascar (~ 630 Ma) may point to a neighbouring position of the two East Gondwana continents at that time.

In der hier vorgestellten Arbeit wurde gezeigt, daß das weltweit beobachtete Ph¨anomen geringer Intensit¨at der nat¨urlichen remanenten Magnetisierung von etwa 20 Ma alten Ozeanbasalten und das dadurch verursachte Minimum bei den Amplituden der ozeanischen Magnetfeldanomalien auf die Tieftemperaturoxidation der Titanomagnetite zu Titanomaghemiten zur¨uckzuf¨uhren ist. Dazu wurden magnetische und mineralogische Untersuchungen an etwa 100 durch das Deep Sea Drilling Project bzw. Ocean Drilling Program erbohrten Ozeanbasalten durchgef¨uhrt. Die Proben decken einen Altersbereich von 0.6 bis 135 Ma ab und stammen haupts¨achlich aus dem Atlantischen und Pazifischen Ozean. Tr¨ager der Magnetisierung bei den meisten Proben ist je nach Alter der Ozeanbasalte Titanomagnetit oder Titanomaghemit. Um den Oxidationsgrad der Titanomaghemite zu bestimmen, wurden die davon abh¨angigen Parameter Curie-Temperatur und Gitterkonstante gemessen sowie Mikrosonden-Analysen durchgef¨uhrt. Der Oxidationsgrad wird durch den von 0 (nicht oxidiert) bis 1 (vollst¨andig tieftemperaturoxidiert) variierenden Oxidationsparameter beschrieben. Es wurde nachgewiesen, daß die S¨attigungsmagnetisierung der Ozeanbasalte (gemessen bei Raumtemperatur) in gleicher Weise wie die Intensit¨at der nat¨urlichen remanenten Magnetisierung (NRM) mit dem Alter variiert und bei 10 bis 40 Ma alten Ozeanbasalten ein Minimum aufweist. Dieses Ph¨anomen wird durch die fortschreitende Tieftemperaturoxidation der Titanomaghemite verursacht, bei der Fe-Ionen bevorzugt aus den Oktaederpl¨atzen des ferrimagnetischen Gitters auswandern und verbleibende Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen oxidiert werden. Die S¨attigungsmagnetisierung der ferrimagnetischen Titanomaghemite ist gleich der Untergittermagnetisierung der Fe-Ionen auf Oktaederpl¨atzen abz¨uglich der antiparallelen Untergittermagnetisierung der Fe-Ionen auf Tetraederpl¨atzen und nimmt deshalb mit der Tieftemperaturoxidation ab. Bei 10 bis 40 Ma alten Proben wird f¨ur die Titanomaghemite eine fast vollst¨andige Oxidation beobachtet. Der Oxidationsparameter erreicht hier einen Wert von ≈ 0.8. Bei noch ¨alteren Proben findet vermutlich eine Diffusion der Fe-Ionen aus den Tetraederl ¨ucken in die Oktaederl¨ucken statt. Dies k¨onnte die beobachtete Zunahme der S¨attigungsmagnetisierung im Altersbereich von 40 bis 130 Ma bei ungef¨ahr gleichbleibendem Oxidationsgrad der Titanomaghemite erkl¨aren. Zur weiteren Charakterisierung der Titanomaghemite wurde die Temperaturabh¨angigkeit der S¨attigungsmagnetisierung MS(T) bestimmt. Der Verlauf der MS(T)-Kurven h¨angt von der Zusammensetzung der Titanomaghemite ab und zeigt deshalb eine Abh¨angigkeit vom Alter der Proben. Die MS(T)-Kurven von Ferrimagnetika werden nach N´eel (1948) in verschiedene Typen eingeteilt, die sich jeweils aus dem Unterschied der Temperaturabh¨angigkeiten ihrer Untergittermagnetisierungen ergeben. Proben aus allen Altersbereichen zeigen ein Maximum bei MS(T) oberhalb des absoluten Nullpunktes der Temperatur. Bei einem Teil der 10 bis 40 Ma alten Proben wird außerdem beiT

The fragmentation of highly viscous magma by rapid decompression is a young technique. For the first time an experimental tool permits the analysis of the influence of pressure, temperature and texture on the fragmentation of magma. The physical range of the experiments is close to the natural conditions of dome collapse. The experiments were performed at temperatures up to 950°C. The initial pressure difference in the range of 10 to 250bar is in good agreement to the natural conditions. In addition to the analysis of the fragmentation threshold, the rapid decompression experiments permit analysis of the primary particle distribution above the fragmentation level of an eruption. Further analyses were aimed at the influence of crystals on the particle distribution. An experimental set-up was used to investigate the speed of the propagating fragmentation wave, initiated by the rapid decompression of porous magma samples. The fragmentation speed experiments were performed at ~20°C using two dynamic pressure transducers. A new technique was designed to extend the temperature range of the fragmentation speed experiments up to 950°C. Next to the fragmentation experiments a comparison of analytical methods for the characterisation of the experimental pyroclasts was necessary. The applicability of the characterisation method to both experimental and fieldwork was of major interest. The experiments were performed on Dacite samples form Mt. St. Helens (Washington, USA), Fugendake (Unzen volcano complex, Japan) and basaltic Andesites of the 1994 eruption of Merapi (Java, Indonesia). The experimental investigation, the methodological and technical development are scope of the presented dissertation.

The assumption that stationary hotspots underlie the Earth’s lithospheric plates has been most important in the development of the theory of plate tectonics. According to the fixed hotspot hypothesis seamount trails are formed by volcanism penetrating the lithospheric plates whilst moving over ”hotspots”of upwelling mantle. In turn, the azimuths and age progressions of seamount trails can be used to quantify plate motions with respect to an independent reference frame of hotspots in the mantle. Also, assuming fixed hotspots, the direction of characteristic remanent magnetization in the basalts acquired during cooling should always be the same. Even if due to plate motion the products of the hotspot are located far away from the position of the hotspot itself, paleomagnetic studies on the basalts must always provide the position of the hotspot itself. Recently the question arose, why a hotspot with its origin deep in the mantle would not get advected in the convecting mantle of the Earth. - In this thesis a possible motion of the Kerguelen hotspot in the southern Indian Ocean and of the Louisville hotspot in the Pacific has been studied. The Kerguelen hotspot is active since approximately 117 Ma. Since then it formed the Kerguelen Plateau and the Broken Ridge in the southern Indian Ocean as well as the Ninetyeast Ridge, which is the hotspot track going north up to India, and the Ramajal Traps in India. Drilling into basement rocks of Broken Ridge and the Kerguelen Plateau was aim of the Ocean Drilling Program, Leg 183, from December 1998 to February 1999. Eight sites have been drilled. In seven of the sites also the sediments have been recovered. In this thesis, a possible motion of the Kerguelen hotspot has been studied by determining its paleolatitudes. First, basalts from the Kerguelen Plateau have been studied paleomagnetically to compare the paleolatitudes with the latitude of the hotspot itself. Basement from a drillsite on the central Kerguelen Plateau (Site 1138) and of a site on the northern Kerguelen Plateau (Site 1140) were suitable for a determination of paleolatitudes. A sufficient number of independent lavaflows has been penetrated and sampled there to properly average out paleosecular variation, an important requirement for determining paleolatitudes. The characteristic magnetization from the subaerial Site 1138 with AA- and Pahoehoe lava and of the submarine Site 1140 with its pillow basalts is carried by magnetite and titanomagnetites and -maghemites and consists of a single remanence component with sometimes a small viscous overprint, that could easily be removed during demagnetization. Stepwise demagnetization in an alternating field and stepwise heating of the specimens provided the inclination value of the characteristic magnetization very precisely with small error. Conversion of the mean-site inclination into the paleolatitude of a site provided a latitude of λ = 43.6S (max.: 47.8S; min.: 37.9S) for Site 1138 on the central Kerguelen Plateau and a latitude of λ = 35.8S (max: 43.0S; min.: 28.9S) for Site 1140 on the northern Kerguelen Plateau. In Site 1136 on the southern Kerguelen Plateau only two lava flows have been sampled. Therefore paleosecular variation could not be averaged out properly. Site 1142 on the Broken Ridge has been tilted and deformed tectonically after its formation, as was found from seismic explorations prior to drilling, and the inclination of the magnetization could therefore not be used for a determination of paleolatitudes. Compared to the latitude of the Kerguelen hotspot at 49S, the paleolatitudes of the central and northern Kerguelen Plateau are further north. This result agrees with previous paleomagnetic studies on the southern Kerguelen Plateau and the Ninetyeast Ridge, where paleolatitudes have been found that indicate also a formation north of the present-day hotspot position. This difference indicates a southward movement of the hotspot since the Cretaceous relative to the spin axis of the Earth. The motion can be explained with a rotation of the whole mantle of the Earth relative to the spin axis (true polar wander) or with a motion of the hotspot within the Earth’s mantle. Therefore, the possibility was studied whether true polar wander can be responsible for the difference between the paleomagnetic data and the present-day latitude of the hotspot. Three independently obtained true polar wander paths have been used, that describe the motion of the whole mantle (with the hotspots) relative to the rotation or dipole axis. All three curves point to a shift of the mantle at the time when the central and southern Kerguelen Plateau formed in such a way that higher southern paleolatitudes should be observed. This prediction is just the opposite to what was found in the paleomagnetic studies. The Cenozoic parts of the three experimentally obtained true polar wander paths roughly agree within their uncertainties with a numerically calculated path that accounts for changes of moments of inertia of the mantle. This means that the difference between paleomagnetic data and the present-day position of the hotspot can not be explained by true polar wander. The next starting point to explain the discrepancy is hotspot motion. For the determination of hotspot drift, geodynamic modeling has been carried out. Assuming that a mantle plume rising from the core-mantle boundary is advected in an convecting mantle, a hotspot sould move relative to the surface of the Earth. Seismic tomography models were converted into density models of the Earth’s mantle. Then a velocity field derived from the mass motion due to the density heterogeneities is calculated. The rising mantle plume is then inserted into the model and becomes advected in the velocity field. Seven different tomographic models have been used to obtain velocity fields. All seven models result in a southward motion for the Kerguelen hotspot since its first appearance approximately 117 Ma ago. The motion is in a similar direction for the different models, and its magnitude varies from 5 to over 10 degrees. So far, the program to model the hotspot drift assumed a constant viscosity within the rising plume. More realistic is the assumption of a depth-dependent plume radius, based on estimates of temperature- and hence viscosity variations within the plume. This has been integrated as a subroutine into the program. The plume radius affects the buoyancy of the plume. A plume with larger radius rises faster through the mantle, and will hence have a stronger tendency to straighten up. In contrast, a plume with smaller radius rises slowly and will be influenced more strongly by the velocity field of the mantle. Allowing for the variation of viscosity within the plume, the hotspot motion was calculated again. A comparison of the resulting hotspot motion for various input parameters showed that the result is rather independent of the parameters. The calculations also yield a southward motion of 5 to 10 degrees, only the shape of the hotspot path is somewhat changed. This southward motion of the Kerguelen hotspot by 5 to 10 degrees can explain the difference between the paleomagnetic data and the present-day position of the hotspot. Even combined with true polar wander it fits the paleomagnetic results, although true polar wander, taken by itself, even increases the difference that has to be explained. The consistency of paleomagnetic results with the model calculations allows the conclusion that the Kerguelen hotspot indeed moved southward by some degrees since its first occurence 117 Ma ago. A magnetostratigraphy has been made using the sediments of ODP Leg 183. It yielded a contribution to the age dating of the basalts prior to 40Ar/39Ar dating. Paleomagnetic studies on the sediments contributed to a combined Bio/Magnetostratigraphy. The stratigraphy helps to determine the minimal age of the underlying basalts. Using the reversals found in the magnetization and a correlation with the paleontological data, the lowermost sediments of Site 1136 (southern Kerguelen Plateau) are dated to have an age in the Early Cretaceous, Site 1138 (central Kerguelen Plateau) in the Late Cretaceous, and Site 1140 (northern Kerguelen Plateau) in the Oligocene. These results are meanwhile confirmed by precise 40Ar/39Ar age dating of the basement yielding an age of 100 Ma for Site 1138 and of 35 Ma for Site 1140. The Ontong Java Plateau, a Large Igneous Province in the western Pacific, was thought to be formed by the rising mantle plume of the Louisville hotspot approximately 120 Ma ago. However, according to a recent plate reconstruction, the plateau has been formed well to the north of the location of this hotspot. In this thesis it could be shown that the formation of the Ontong Java Plateau by the Louisville hotspot is possible if hotspot motion in the convecting mantle is allowed. For this purpose, the motion of the Louisville hotspot for the last 120 Ma years has been modeled, using the same method as already applied for the Kerguelen hotspot. The calculations indicate, that the Louisville hotspot has probably shifted by some degrees to the south since its first occurence approximately 120 Ma ago. There is a considerable variation between different model results, though. The Louisville hotspot is now located too far south to be responsible for the formation of the Plateau. However, it could have been in the right place at the time of the formation 120 Ma ago if hotspot motion is considered. This is an example that the drift of hotspots can affect plate tectonics and tectonic reconstructions and that it should be considered.