Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU

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 anort

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.

Der Norden Eurasiens besteht aus einer Vielzahl kontinentaler Blöcke (Baltika, Europa, Sibirien, Kasachstan, Turan und Tarim), die während des Karbons und Perms kollidierten. Der paläozoische Kontinent Kasachstan befindet sich im Zentrum dieses Agglomerats. Erkenntnisse zur tektonischen Entwicklung dieses Gebiets sind von großer Bedeutung für die Interpretation der geologischen Geschichte Eurasiens.

Bei der Interpretation der paläozoischen Geschichte Kasachstans treten jedoch Komplikationen auf und regionale geodynamische Modelle stehen oft schon bei grundlegenden Annahmen im Widerspruch zueinander [Zaitsev, 1984; Zonenshain, et al., 1990; Mossakovskiy et al. 1993; Sengör et al. 1993]. Prinzipielle Streitpunkte treten vor allem bei folgenden Punkten auf:

(a) Der Eingrenzung und Identifikation eigenständiger Terranes, die heute in Kasachstan integriert sind; (b) Der Rekonstruktion von Driftbewegungen der einzelnen Terranes, bzw. des gesamten kasachischen Kontinents; (c) der nach der primären Geometrie des paläozoischen gefalteten Gürtels, der heute als riesige gebogene Struktur (Orokline) die Tektonik Kasachstans dominiert.

Eine Klärung existierender Ungereimtheiten ist hauptsächlich durch die geringe Anzahl qualitativ hochwertiger paläomagnetischer Daten aus Kasachstan erschwert.

Entsprechend wurden paläomagnetische Untersuchungen, basierend auf oben genannten offenen Fragen, in Südkasachstan durchgeführt. Gesteine des Unteren Ordoviziums bis Karbons mit ausgezeichneten Faltenstrukturen und guter biostratigraphischer Alterskontrolle wurden beprobt. Insgesamt 16 Lokalitäten (187 Aufschlüsse. 1100 Proben) unterschiedlichen Alters und Lithologie wurden untersucht. Magnetische Komponenten, die vor der Faltung erworben wurden, wurden im unteren Ordovizium (unteres Arenigian), Silur, unteren bis mittleren Devon und im unteren Karbon nachgewiesen.

Die paläomagnetische Daten für Redbeds des unteren Arenigian (D= 9.2°, I=-16.9°, k=26.9, a95=15.0°) sind erste und bisher einzige Richtungen, die überhaupt für die Zeit, als die allochthonen Terranes noch getrennt voneinander existierten, ermittelt wurden.

Richtungen des „South-Chu-Yili“ Gebirges (Silur bis unteres Devon, D = 346.9°, I=23.8°) zeigen nördliche Deklinationen und positive Inklinationen. Daraus resultiert bei angenommener normaler Polarität eine nördliche Paläobreite von etwa 12.4° ± 7.7°.

Das erstaunlichste Ergebnis dieser Studie liefert die Koktas Formation (unteres Devon, D= 357.3°, I=+75.8°), bei welcher die paläomagnetischen Richtungen signifikant von den Referenzrichtungen für Baltika und Sibirien abweichen. Die ermittelte nördliche Paläobreite von 64° übersteigt alle für das Paläozoikum erwarteten Werte.

Die Remanenzkomponente aus Redbeds des Kendyktas Rückens (oberes Devon – unteres Karbon, D=069.5°, I=+43.7°, k=26.7, a95=9.5°) resultiert in einer Paläobreite von etwa 21.8° ± 5.9° N.

Die Daten dieser Studie sowie Veröffentlichungen vergangener Jahre lassen keine Rückschlüsse auf bedeutende Unterschiede bei den Paläobreiten Nord- und Südkasachstans seit dem mittleren Ordovizium zu. Allerdings weisen die Mehrzahl der paläomagnetischen Daten darauf hin, dass sowohl Süd- als auch Nordkasachstan während des Paläozoikums wahrscheinlich etwas weiter im Norden, bzw. etwas weiter im Süden positioniert waren als erwartungsgemäß als Teil Baltikas, bzw. Sibiriens. Während des Ordoviziums bis Perms driftete Kasachstan mit einer zur Bewegung Baltikas und Sibiriens vergleichbaren Geschwindigkeit Richtung Norden.

Die Verteilung kasachischer Richtungen deutet mehrere Phasen magnetischer Überprägung mit signifikanter regionaler Ausbreitung an. Eine in Baltika sehr verbreitet auftretende permische Überprägung spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle.

Die in Südkasachstan nachgewiesenen Rotationen können nicht mit dem tektonischen Modell zur Entwicklung des Kipchak Bogens von Sengör et al. [1993] und Sengör and Natal'in [1996] in Übereinstimmung gebracht werden, nach dem Rota

Since the collapse of the Soviet Union and since the start of the economic crisis in Cuba (Periodo Especial), an increase in the variety of ecological problems has been registered concentrating primarily nowadays on the Cuban capital Havana. In conjunction with the aforementioned political and economical situation, Havana became the most important migration centre in Cuba since the beginning of the 90´s. This particular thesis will focus on the analysis of current urban-ecological and landscape-ecological problems in Havana (urban development, water supply and sewage disposal, waste disposal and waste sites, green spaces, agriculture). Solutions proposed by the relevant participants from the sectors planning, environmental politics and local municipality (IPF, DPFF, CITMA, GDIC, TTIB) will be complemented in each case with feasible realistic oriented recommendations made by the author. The primary focus of this thesis addresses the relationship between physical-geographical and social-geographical interacting complexes in the examination area whereby the author has chosen an integrative interdisciplinary approach. Several years of field work research in Havana has served as basis for this research. Within the scope of characterising the physical geographical environment (climate, geology, geomorphology, soil, hydrology, vegetation), the fundamentals associated with ecological degradation were first identified. Havana’s historical urban development and the decisive phases in its historical development (colonialism, republican phase, socialism) were genetically analysed in order to understand the historical background and association with existing problems. In order to understand the approach i.e. possibilities of interventional activities and dealings of Cuban planning authorities in Havana, the author presents new structures respective stakeholders of reorganised urban development, environmental policy and municipal participation. In addressing the issue of urban renewal and problem analysis (infrastructure, foundation of buildings etc.) constructional deficits will be identified focussing on colonial, republican and socialist districts in Havana. A main focus of attention in this thesis is the analysis of Cuban standards (Accesoria, Barrio Insalubre, Bohio, Ciudadela, Cuarteria, Pasaje, Solar) in which an exemplary situation of urban squatters will be depicted (Barrios Insalubres). The negative consequences evolving from the Periodo Especial will be addressed, similarly opportunities resulting from economical transformation (real estate investment, renovation model Habana Vieja etc.). In connection with this, the author assesses the difficulties facing the drinking water supply and waste water disposal in Havana (problems relating to infrastructural supply, water supply, effects on private households, on state owned public waters, on the Gulf of Mexico, surface water and ground water contamination, flooding etc). In respect of waste disposal i.e. waste deposition the main difficulties arise with the safekeeping, treatment and disposal of household waste. These problems pose major health and hygiene risks for the concerned population. With respect to Havana’s “green spaces” problem, characteristically features respective in residential areas, industrial areas and areas at degraded river banks and state initiated (forestation) programmes will be presented. Similarly, the author will propose recommendations aimed at substantial development respective “green spaces planning” (improvement of micro climatic aspects, increase in standard of living, occupational political effects etc.). The conclusion of the problem analysis focuses on the ecological difficulties of the agricultural sector in Havana (sugarcane, pastoral grazing i.e. urban agricultural programmes). Based on representative examples of the most important organisational structures (UBPC, CCS, CPA, Organoponicos, private farmers) these problems will be highlighted (site s

Die fortschreitende Erhöhung des Integrationsgrades moderner elektronischer und optoelektronischer Bauelemente erfordert im zunehmenden Maße eine Funktionalisierung von Systemstrukturen auf Nanometerskala. In diesem Zusammenhang bietet poröses Silizium (PSi) ein heute noch nicht abschätzbares Anwendungspotential, da vor allem seine optischen Eigenschaften auf Quanteneffekten („quantum confinement“) in Kristalliten beruhen, deren Ausdehnung nicht mehr als wenige Nanometern betragen. So sind beispielsweise sehr einfach aufgebaute nanoskalige Punkt- und Linienstrukturen aus porösem Silizium vorstellbar, die ganz bestimmte optische, aber auch elektrische Eigenschaften besitzen.

Die vorliegende Arbeit trägt mit ihren Untersuchungen zur Herstellung von integrierten PSi-Emittersensoren für die optische Nahfeldmikroskopie zur Erforschung und Entwicklung solcher nanoskaligen Funktionselemente bei. Dabei mußte weitgehend technologisches Neuland beschritten werden, denn der geforderte Miniaturisierungsgrad für Nahfeldlichtquellen verlangte eine Verfeinerung der Strukturierungsverfahren für poröses Silizium bis zur Größenordnung von 100 nm und darunter. Die speziell zu diesem Zweck entwickelten lokalen PSi-Formierungsverfahren eigenen sich jedoch nicht nur für die definierte und reproduzierbare Formierung nanoskaliger PSi-Regionen an nahfeldoptischen Sensorspitzen. Da sie zu herkömmlichen Siliziumtechnologien kompatibel sind, ermöglichen sie die extrem lokalisierte, monolithische Integration von porösem Silizium in Si-Bauelementen der unterschiedlichsten Strukturformen.

Im Ergebnis der Arbeit konnten zwei verschiedene Lösungswege zur Realisierung eines integrierten optischen PSi-Nahfeldsensors aufgezeigt werden. Diese beruhen zum einen auf dem herkömmlichen AFM-Siliziumcantilever und zum anderen auf einem neu entwickelten AFM-Scherkraftsensor. Beide Fertigungskonzepte erlauben eine ökonomisch vertretbare Herstellung des Sensors in einem kostensparenden industriellen Batch-Prozeß, da alle notwendigen technologischen Herstellungsschritte parallelisierbar und in übliche Herstellungsprozesse der Rastersondenfertigung auf Halbleiterbasis implementierbar sind.

Magnetite is a widespread accessory mineral in rocks and soils. As was first shown by Lowenstam (1962), magnetite frequently forms also by biochemical processes, with varying degrees of control of the organisms over the mineralization process. Lowenstam distinguishes between biologically induced (BIM) and biologically controlled mineralization(BCM). The former refers to processes with no biological control, and the later to processes with strict metabolic and genetic control.

In this thesis, two examples of biogenic magnetite with eminently different magnetic properties are studied. One is magnetite as found in so-called magnetotactic bacteria; the

second example is magnetite as identi¯ed in tissue of pigeon's heads.

In the first part of this work, the results of a series of rock magnetic measurements on concentrated samples of pure magnetotactic bacteria will be presented. These bacteria

offer a unique opportunity to study the process of biologically controlled mineralization, since these organisms synthesize intracellular particles of magnetite or greigite arranged in chains, that give the bacterium the characteristic property of a swimming compass needle.

The magnetic crystals, so-called magnetosomes, are magnetically speaking stable single-domain particles, characterized by a size such that the particles have minimum induced magnetization and maximum permanent magnetic moment (i.e. particle size between 30 and 130 nm).

The bacteria studied here have been harvested in sediments from lake Chiemsee. They were extracted from the sediments and concentrated to an extent that enabled a detailed characterization by macroscopic magnetic measurements. The so-called Bacteriodrome was used to concentrate samples of approximately 10E7 cells.

Different magnetic criteria, aiming to specifically identify bacterial magnetite in sediments, have been tested, including: (1) acquisition and demagnetization of isothermal remanent magnetization (IRM); (2) acquisition of anhysteretic remanent magnetization and (3) thermal dependence of low temperature saturation IRM, after cooling in zero field (ZFC) or in a 2.5 T field (FC) from 300 to 5 K. The best method turns out to be the so-called delta-delta test (dFC/dZFC), first proposed by Moskowitz et al. (1993), and based on the low temperature variation of the SIRM, measured both in a strong field (FC) and in zero field (ZFC). At the Verwey transition (ca. 120 K) the d-value for each curve is determined and the d-ratio (dFC/dZFC) calculated. Values exceeding 2, are indicators

for the presence of chains of stable single-domain particles, which form only under strict biological control.

However, it is shown that the suitability of rock magnetic techniques to detect and characterize biogenic magnetite in bulk, natural samples such as lake sediments is still

limited, due to diagenetic processes and the occurrence of other non-biogenic magnetic minerals, which blur the distinct magnetic properties of the former. The only certain

proof for bacterial magnetite is the optical identification -although time consuming and

tedious- by Transmission Electron Microscopy.

The magnetite inclusions found in pigeon tissue are very different in their magnetic properties with respect to bacterial magnetite. With their small grain size (between 2 and 10 nm), these particles fall within the superparamagnetic size range and are characterized by a large induced magnetization and no permanent magnetic moment. The pigeon magnetite is concentrated in spherical clusters of approximately 1-3 micrometers in diameter.

The response of these clusters to magnetic fields has been simulated by spherules of ferrofluid. Depending on their geometrical arrangement these spherules show peculiar

magnetic properties. Based on these properties, three models have been developed experimentally and theoretically with respect to a possible application as biological sensory

elements. The magnetic properties of the sensory models are tested in t

Mit der Einführung eines fallpauschalierten Vergütungssystems für die Finanzierung von Krankenhausleistungen, den German-Diagnosis Related Groups (G-DRGs), sollen Wirtschaftlichkeitsreserven sowie Qualitätsverbesserungen erreicht werden. Im Gegensatz zum bisherigen Finanzierungssystem, bei dem die Höhe der Vergütung nach der Anzahl der Behandlungstage berechnet wurde und bei dem die individuellen Kostenstrukturen der einzelnen Krankenhäuser zum Tragen kamen, beruhen die G-DRGs auf der medizinisch orientierten Gruppierung von Fallgruppen mit einem ähnlichen Ressourcenverbrauch. Diese Durchschnittspreise bewirken eine Umverteilung der Geldströme von den vergleichsweise ineffizienten zu den besonders effizienten Krankenhäusern. Das Funktionieren des G-DRG-Systems hängt entscheidend von der Gestaltungsfreiheit ab, die den Krankenhäusern und den Krankenkassen bei der zukünftigen Gestaltung und Verteilung der notwendigen Krankenhausleistungen zugestanden wird.

Dem steht derzeit die Krankenhausplanung der Bundesländer diametral entgegen, weil diese üblicherweise als angebotsorientierte Kapazitätsplanung ausgestaltet ist, bei der für festgelegte Standorte der Umfang und die Fachrichtung der vorzuhaltenden Betten vorgegeben wird. Ein Festhalten an dieser Kapazitätsplanung würde die Ziele der G-DRGs unterlaufen. Trotzdem verbleibt bei den Bundesländern die Aufgabe, für eine flächendeckende und wohnortnahe Versorgung der Bevölkerung mit Krankenhausleistungen zu sorgen. Als zentrales Instrument dafür ist vorgesehen, dass die Bundesländer abweichend von den Vereinbarungen zwischen Krankenhäusern und Krankenkassen bei Gefährdung der Versorgung einzelnen Krankenhäuser einen Sicherstellungszuschlag zugestehen können. Für die Sicherstellung der stationären Notfallversorgung ist ein entgegengesetzter Anreizmechanismus vorgesehen. Hier müssen diejenigen Krankenhäuser eine finanzielle Einbuße hinnehmen, die aus dieser Versorgung ausscheiden. Damit wird die Aufrechterhaltung der stationären Notfallversorgung auch eine betriebswirtschaftliche Abwägung, ob die Vorhaltung bestimmter Einrichtungen teurer ist als die Inkaufnahme eines Abschlages pro erbrachter Leistung. Schließlich kann die Vorgabe von Mindestmengen, von der die weitere Erbringung der entsprechende Leistungen abhängig gemacht wird, deutliche Einschränkungen für die regionale Verfügbarkeit stationärer Leistungen bewirken.

Derzeit stehen den Bundesländern keine geeigneten Instrumente zur Verfügung, um die aktuelle Versorgungssituation zu erheben und zu bewerten und ggf. abzuwägen, ob Planungseingriffe notwendig sind. Im Rahmen dieser Untersuchung werden mit sog. Angebots- und Nachfrageprofilen GIS-basierte Instrumente vorgestellt, mit denen zentrale Planungsparameter abgebildet werden können: Entfernung zur Bevölkerung, Kapazitäten sowie Umfang der potentiell zu versorgenden Bevölkerung. Durch die exemplarische Umsetzung im Untersuchungsgebiet konnte die grundsätzliche Eignung dieser Instrumente bei der Bearbeitung der zukünftigen Planungsfragen gezeigt werden. Gleichzeitig bilden diese Instrumente einen Ausgangspunkt für die Entwicklung eines umfassenden GIS-basierten Monitoringkonzeptes für die Krankenhausplanung, mit dem über die Integration und Verknüpfung unterschiedlicher und voneinander unabhängiger Daten sowohl kurzfristige Analysen von Versorgungssituationen als auch mittelfristige Bedarfsprognosen sowie Simulationsmodelle umgesetzt werden können.