Properties of experimental resins based on synthesized propoxylated bis-GMA with different propionaldehyde ratios

The effect of different propionaldehyde ratios on the properties of bis-GMA-based comonomers and copolymers diluted with propoxylated bis-GMA (CH3bis-GMA) was evaluated. Five experimental comonomers were prepared combining bis-GMA with CH3bis-GMA and propionaldehyde at 0, 2, 8, 16, 24 mol%. Light polymerization was effected with the use of 0.2 wt. (%) each of camphorquinone and N,N-dimethyl-p-toluidine. Resin degrees of conversion (%DC) were evaluated by FT-IR spectrophotometry and Tg by Differential Scanning Calorimeter. Complex viscosity (η*), the effect of temperature on η*, and Microhardness (H) for dry and wet samples were also determined. Data were analyzed by Student's t-test, one-way ANOVA and Tukey-Kramer test (α = 0.05). The group with 24 mol% additive had a significant increase in %DC and H, and the lowest comonomer Tg and η*. No remarkable variation was noted in copolymers Tg s. All resins presented Newtonian behavior of viscosity, which linearly decreased with increased temperature. The η* decreased sigmoidally as the additive ratio increased.

Avaliação do comportamento de mistura de argamassas através de reometria rotacional

A principal etapa de preparação das argamassas consiste na mistura dos materiais sólidos com água. A introdução do líquido conduz a uma série de eventos de aglomeração e desaglomeração no sistema, que, por sua vez, irão resultar em esforços durante essa etapa. Estudos previamente realizados demonstraram a capacidade de mensuração desses esforços através de curvas que relacionam o torque com o tempo em equipamentos como os reômetros. Nessa perspectiva, o objetivo deste trabalho é avaliar como o tempo influencia a energia de mistura e as propriedades reológicas de argamassas de revestimento com e sem a utilização de aditivo dispersante. O material foi misturado no reômetro rotacional do tipo planetário por tempos distintos (17, 47, 87 e 297 s) e em seguida foi submetido a três ciclos de cisalhamento consecutivos. Em tempos curtos verificou-se que a energia de mistura é baixa, não sendo capaz de romper os aglomerados e homogeneizar o sistema, resultando em materiais reologicamente instáveis e menos fluidos. Por sua vez, a mistura de 297 s demonstrou ser mais eficiente, produzindo uma argamassa estável e fluida. Nas argamassas com o dispersante, os níveis de energia de mistura envolvidos foram mais baixos, e o sistema tendeu a homogeneizar-se mais rapidamente, além de ter resultado em argamassas mais fluidas.

Efeito da calcinação do resíduo de bauxita nas características reológicas e no estado endurecido de suspensões com cimento Portland

Este estudo ilustra o impacto da calcinação de resíduo de bauxita (RB) nas propriedades de suspensões formuladas com cimento Portland, tanto no estado fresco como no endurecido. As suspensões foram avaliadas contendo uma razão constante de água-cimento e teor de resíduo variando de 5% a 20% em peso e em substituição ao cimento. As propriedades reológicas e a resistência mecânica foram alteradas em função do aumento do teor de RB, mas a calcinação não teve influência no resultado final obtido, seja no estado fresco ou no endurecido. Assim, pode-se afirmar que a utilização de resíduo de bauxita, natural ou calcinada, em formulações com cimento Portland pode reduzir o consumo de cimento, sendo uma alternativa para a utilização de uma grande quantidade deste tipo de resíduo.

Quantification of cellular action fibers alignment from confocal microscopic images.

The cellular rheology has recently undergone a rapid development with particular attention to the cytoskeleton mechanical properties and its main components - actin filaments, intermediate filaments, microtubules and crosslinked proteins. However it is not clear what are the cellular structural changes that directly affect the cell mechanical properties. Thus, in this work, we aimed to quantify the structural rearrangement of these fibers that may emerge in changes in the cell mechanics. We created an image analysis platform to study smooth muscle cells from different arteries: aorta, mammary, renal, carotid and coronary and processed respectively 31, 29, 31, 30 and 35 cell image obtained by confocal microscopy. The platform was developed in Matlab (MathWorks) and it uses the Sobel operator to determine the actin fiber image orientation of the cell, labeled with phalloidin. The Sobel operator is used as a filter capable of calculating the pixel brightness gradient, point to point, in the image. The operator uses vertical and horizontal convolution kernels to calculate the magnitude and the angle of the pixel intensity gradient. The image analysis followed the sequence: (1) opens a given cells image set to be processed; (2) sets a fix threshold to eliminate noise, based on Otsu's method; (3) detect the fiber edges in the image using the Sobel operator; and (4) quantify the actin fiber orientation. Our first result is the probability distribution II(Δθ) to find a given fiber angle deviation (Δθ) from the main cell fiber orientation θ0. The II(Δθ) follows an exponential decay II(Δθ) = Aexp(-αΔθ) regarding to its θ0. We defined and determined a misalignment index α of the fibers of each artery kind: coronary αCo = (1.72 ‘+ or =’ 0.36)rad POT -1; renal αRe = (1.43 + or - 0.64)rad POT -1; aorta αAo = (1.42 + or - 0.43)rad POT -1; mammary αMa = (1.12 + or - 0.50)rad POT -1; and carotid αCa = (1.01 + or - 0.39)rad POT -1. The α of coronary and carotid are statistically different (p < 0.05) among all analyzed cells. We discussed our results correlating the misalignment index data with the experimental cell mechanical properties obtained by using Optical Magnetic Twisting Cytometry with the same group of cells.

Empirical and fundamental mechanical tests in the evaluation of dough and bread rheological properties

Bread dough and particularly wheat dough, due to its viscoelastic behaviour, is probably the most dynamic and complicated rheological system and its characteristics are very important since they highly affect final products’ textural and sensorial properties. The study of dough rheology has been a very challenging task for many researchers since it can provide numerous information about dough formulation, structure and processing. This explains why dough rheology has been a matter of investigation for several decades. In this research rheological assessment of doughs and breads was performed by using empirical and fundamental methods at both small and large deformation, in order to characterize different types of doughs and final products such as bread. In order to study the structural aspects of food products, image analysis techniques was used for the integration of the information coming from empirical and fundamental rheological measurements. Evaluation of dough properties was carried out by texture profile analysis (TPA), dough stickiness (Chen and Hoseney cell) and uniaxial extensibility determination (Kieffer test) by using a Texture Analyser; small deformation rheological measurements, were performed on a controlled stress–strain rheometer; moreover the structure of different doughs was observed by using the image analysis; while bread characteristics were studied by using texture profile analysis (TPA) and image analysis. The objective of this research was to understand if the different rheological measurements were able to characterize and differentiate the different samples analysed. This in order to investigate the effect of different formulation and processing conditions on dough and final product from a structural point of view. For this aim the following different materials were performed and analysed: - frozen dough realized without yeast; - frozen dough and bread made with frozen dough; - doughs obtained by using different fermentation method; - doughs made by Kamut® flour; - dough and bread realized with the addition of ginger powder; - final products coming from different bakeries. The influence of sub-zero storage time on non-fermented and fermented dough viscoelastic performance and on final product (bread) was evaluated by using small deformation and large deformation methods. In general, the longer the sub-zero storage time the lower the positive viscoelastic attributes. The effect of fermentation time and of different type of fermentation (straight-dough method; sponge-and-dough procedure and poolish method) on rheological properties of doughs were investigated using empirical and fundamental analysis and image analysis was used to integrate this information throughout the evaluation of the dough’s structure. The results of fundamental rheological test showed that the incorporation of sourdough (poolish method) provoked changes that were different from those seen in the others type of fermentation. The affirmative action of some ingredients (extra-virgin olive oil and a liposomic lecithin emulsifier) to improve rheological characteristics of Kamut® dough has been confirmed also when subjected to low temperatures (24 hours and 48 hours at 4°C). Small deformation oscillatory measurements and large deformation mechanical tests performed provided useful information on the rheological properties of samples realized by using different amounts of ginger powder, showing that the sample with the highest amount of ginger powder (6%) had worse rheological characteristics compared to the other samples. Moisture content, specific volume, texture and crumb grain characteristics are the major quality attributes of bread products. The different sample analyzed, “Coppia Ferrarese”, “Pane Comune Romagnolo” and “Filone Terra di San Marino”, showed a decrease of crumb moisture and an increase in hardness over the storage time. Parameters such as cohesiveness and springiness, evaluated by TPA that are indicator of quality of fresh bread, decreased during the storage. By using empirical rheological tests we found several differences among the samples, due to the different ingredients used in formulation and the different process adopted to prepare the sample, but since these products are handmade, the differences could be account as a surplus value. In conclusion small deformation (in fundamental units) and large deformation methods showed a significant role in monitoring the influence of different ingredients used in formulation, different processing and storage conditions on dough viscoelastic performance and on final product. Finally the knowledge of formulation, processing and storage conditions together with the evaluation of structural and rheological characteristics is fundamental for the study of complex matrices like bakery products, where numerous variable can influence their final quality (e.g. raw material, bread-making procedure, time and temperature of the fermentation and baking).

Mica fish in mylonites

Mögliche Verformungsmechanismen, die zu den verschiedenen Glimmer- und Mineralfischen führen, sind: intrakristalline Verformung, Kristallrotation, Biegung und Faltung, Drucklösung in Kombination mit Ausfällung und dynamische Rekristallisation oder Mechanismen, die ein großes Mineral in mehrere kleine, fischförmige Kristalle aufspalten.Experimente mit ein neues Verformungsgerät und Objekten in zwei verschiedenen Matrixmaterialien werden beschrieben. Das eine ist PDMS, (Newtonianisch viskoses Polymer), und das andere Tapioca Perlen (Mohr-Couloumb Verhalten). Die Rotation von fischförmigen Objekten in PDMS stimmt mit der theoretischen Rotationsrate für ellipsenförmige Objekte in einem Newtonianischen Material überein. In einer Matrix von Tapioca Perlen nehmen die Objekte eine stabile Lage ein. Diese Orientierung ist vergleichbar mit der von Glimmerfischen. Die Verformung in der Matrix von Tapioca Perlen ist konzentriert auf dünne Scherzonen. Diese Ergebnisse implizieren, daß die Verformung in natürlichen Gesteinen auch in dünnen Scherzonen konzentriert ist.Computersimulationen werden beschrieben, mit denen der Einfluß der Eigenschaften einer Matrix auf die Rotation von Objekten und Verteilung von Deformation untersucht wird.Mit diesen Experimenten wird gezeigt, daß die Orientierung von Glimmerfischen nicht mit Verformung in einem nicht-linearen viskosen Material erklärt werden kann. Eine solche nicht-lineare Rheologie wird im Allgemeinen für die Erdkurste angenommen. Die stabile Orientierung eines Objektes kann mit weicheren Lagen in der Matrix erklärt werden.

Sphärische Blockcopolymer Mizellen in Homopolymerschmelze als weiche Modellkolloide

Zusammenfassung: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik in Blockcopolymer-Homopolymerblends mit sphärischen Mikrophasen untersucht.Anhand eines PI-PS-Blockcopolymers in drei verschiedenen PI-Homopolymeren wurde der Einfluss des Molekulargewichts des Homopolymers betrachtet. Die Ergebnisse aus Forcierter Rayleigh Streuung (Diffusion) und Rheologie (Relaxation) zeigen, dass sich die PS-PI-Mizellen in allen drei Homopolymeren kolloid-ähnlich verhalten. Die Analyse nach der Theorie des freien Volumens ergab, dass es sich bei den Mizellen um weiche Partikel handelt, deren Größe und Deformierbarkeit mit sinkendem Matrix-Molekulargewicht zunimmt.Der Einfluss des Blocklängenverhältnisses wurde an zwei PB-PS- Blockcopolymeren mit unterschiedlich langen PS-Blöcken (Kern) untersucht. Diese unterschieden sich jedoch in ihrem dynamischen Verhalten nicht maßgeblich. Es wurde jedoch ein deutlicher Unterschied zum PI-PS- System (s.o.) gefunden. Der zuvor gefundene Partikelcharakter wird für die PB-PS-Copolymere nicht mehr beobachtet. Dies wird auf den im Vergleich zum PI-PS-Copolymer deutlich längeren Coronablock zurückgeführt.

Decay of imprinted surface waves in polymers

CONCLUSIONS The focus of this work was the investigation ofanomalies in Tg and dynamics at polymer surfaces. Thethermally induced decay of hot-embossed polymer gratings isstudied using laser-diffraction and atomic force microscopy(AFM). Monodisperse PMMA and PS are selected in the Mwranges of 4.2 to 65.0 kg/mol and 3.47 to 65.0 kg/mol,respectively. Two different modes of measurement were used:the one mode uses temperature ramps to obtain an estimate ofthe near-surface glass temperature, Tdec,0; the other modeinvestigates the dynamics at a constant temperature aboveTg. The temperature-ramp experiments reveal Tdec,0 valuesvery close to the Tg,bulk values, as determined bydifferential scanning calorimetry (DSC). The PMMA of65.0 kg/mol shows a decreased value of Tg, while the PS samples of 3.47 and 10.3 kg/mol (Mwrheology measurements. Assuming cg1=16+/-2 at Tg, assuggested by Angell, the glass temperature was determinedfrom the dynamic decay experiments. Within the experimentalerrors, the values for Tg,surf(c1=16) and T_g,bulk(c1=16)tend to be smaller than Tdec,0 and Tg,bulk fromtemperature-ramp and DSC measurements, but confirm thecourse of the values with increasing Mw. The comparison of the fragilities (temperaturedependence of the polymer properties at Tg) near the surfaceand in the bulk shows a higher fragility for PS near thesurface, a lower one for PMMA with molecular weights of 4.2and 65.0 kg/mol. The different surface behavior of PS istraced back to a lower degree of cooperation and a largerfree volume fraction.

Scherverhalten kolloidaler Lagenphasen in Rohrströmungen

Kolloidale Suspensionen aus identischen kugelförmigen, geladenen Partikeln in wässrigen Medien stellen ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Gleichgewichtsverhaltens, aber auch des Nicht-Gleichgewichtsverhaltens Weicher Materie dar. So bilden derartige Systeme bei hinreichend starker und langreichweitiger elektrostatischer Repulsion fluid und kristallin geordnete Strukturen aus, die wegen der weitreichenden Analogie zu atomar kondensierter Materie als kolloidale Fluide und Kristalle bezeichnet werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit zur kontrollierten Einstellung der Wechselwirkung und die gute optische Zugänglichkeit für Mikroskopie und Lichtstreuung sowie die Weichheit der Materialien, aufgrund derer sich auch Zustände fernab des mechanischen Gleichgewichts gezielt präparieren lassen. Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Phasenverhaltens und der Fließmechanismen kolloidaler Kristalle in einer Rohrströmung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass beim Fluss durch eine zylindrische Röhre Mehrphasenkoexistenz auftritt, wobei ein polykristalliner Kern von einer isotropen Scherschmelze umgeben ist. Zusätzlich treten an der Grenze zwischen diesen Phasen und an der Rohrwand Phasen hexagonal geordneter übereinander hinweggleitender Lagen auf. Der Vergleich zwischen auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichung theoretisch berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofilen zeigt, dass jede dieser Phasen für sich Newtonsches Fließverhalten aufweist. Die Gesamtviskosität ist hingegen durch die mit dem Durchsatz veränderliche Phasenzusammensetzung Nicht-Newtonsch. Damit gelang es, die erstmalig von Würth beschriebene Scherverdünnung auf eine Veränderung der Phasenzusammensetzung zurückzuführen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals das Fließverhalten der Lagenphasen mittels Lichtstreuung und Korrelationsanalyse untersucht. Dafür wurde ein im Prinzip einfacher, aber leistungsstarker Aufbau realisiert, der es erlaubt, die zeitliche Veränderung der Bragg-Reflexe der Lagenphase in radialer und azimutaler Richtung zu verfolgen und mittels Fourieranalyse zu analysieren. In Abhängigkeit vom Durchsatz geht die zunächst rastend gleitende Lagenphase in eine frei gleitende Lagenphase über, wobei charakteristische Veränderungen der Spektren sowie der Korrelationsfunktionen auftreten, die detailliert diskutiert werden. Der Übergang im Gleitmechanismus ist mit einem Verlust der Autokorrelation der Rotationskomponente der periodischen Intra-Lagenverzerrung verbunden, während die Kompressionskomponente erhalten bleibt. Bei hohen Durchflüssen lassen die Reflexbewegungen auf das Auftreten einer Eigenschwingung der frei gleitenden Lagen schließen. Diese Schwingung lässt sich als Rotationsbewegung, gekoppelt mit einer transversalen Auslenkung in Vortexrichtung, beschreiben. Die Ergebnisse erlauben eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Modellvorstellungen anderer Autoren.

Einfluß von Topologie und Verscherung auf Dynamik und mechanische Parameter bei Homopolymeren

Die FT-Rheologie wird zur Unterscheidung verschiedener Kamm-Topologien in Polystyrollösungen und –schmelzen angewendet. Die Polystyrole werden in Abhängigkeit der Deborahzahl De unter LAOS-Bedingungen vermessen. Die Meßergebnisse zeigen, daß der Schritt von wohldefinierten Systemen (lineare Ketten, Sterne) zu solchen mit statistischer Verteilung wie in Kämmen zu großen Veränderungen sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Bereich der rheologischen Messungen führt. Sowohl die Masterkurven als auch die Intenstiäten I3/1 und Phasen Phi3 der Nichtlinearitäten der einzelnen Proben weisen jeweils deutliche Unterschiede untereinander auf. Diese sind durch die bisherigen Ergebnisse noch nicht vollständig mit topologischen Merkmalen in Verbindung zu bringen. Die Messungen wurden mit dem von McLeish eingeführten Pom-pom Modell und daraus weiterentwickelten double convected-Pom-pom Modell (DCPP) simuliert und lieferten gute Übereinstimmung sowie auch Vorhersagen über den experimentell nicht mehr zugänglichen Bereich. Zur Untersuchung des Einflusses von mechanischer Scherung auf die lokale, molekulare Dynamik wird das LAOS-Experiment in situ mit dielektrischer Spektroskopie kombiniert. Dazu wurde eine Apparatur entwickelt, die das hochsensitive ARES-Rheometer mit dem hochauflösenden dielektrischen ALPHA-Analyzer verbindet. Mit dieser Apparatur wurde das Typ-A Polymer 1,4-cis-Polyisopren, mit einem Dipolmoment entlang des Rückgrats, bei oszillatorischer Scherung unter gleichzeitiger Aufnahme eines dielektrischen Spektrums vermessen. Es konnte gezeigt werden, daß die oszillatorische Verscherung weder die charakteristische Relaxationszeit noch die Form des Normal Mode Peaks beeinflußt, wohl aber die dielektrische Stärke Delta epsilon. Diese entspricht der Fläche unter dem e“-Peak und kann mit einer Debye- und einer Cole/Davidson-Funktion angepasst werden. Die Abnahme der dielektrischen Stärke mit zunehmender Scheramplitude kann mit der Orientierungsverteilung der End-zu-End-Vektoren in der Probe erklärt werden.

Studio dei metodi di valutazione della pericolosità associata ai "debris flow" in ambiente alpino

The present work concerns with the study of debris flows and, in particular, with the related hazard in the Alpine Environment. During the last years several methodologies have been developed to evaluate hazard associated to such a complex phenomenon, whose velocity, impacting force and inappropriate temporal prediction are responsible of the related high hazard level. This research focuses its attention on the depositional phase of debris flows through the application of a numerical model (DFlowz), and on hazard evaluation related to watersheds morphometric, morphological and geological characterization. The main aims are to test the validity of DFlowz simulations and assess sources of errors in order to understand how the empirical uncertainties influence the predictions; on the other side the research concerns with the possibility of performing hazard analysis starting from the identification of susceptible debris flow catchments and definition of their activity level. 25 well documented debris flow events have been back analyzed with the model DFlowz (Berti and Simoni, 2007): derived form the implementation of the empirical relations between event volume and planimetric and cross section inundated areas, the code allows to delineate areas affected by an event by taking into account information about volume, preferential flow path and digital elevation model (DEM) of fan area. The analysis uses an objective methodology for evaluating the accuracy of the prediction and involve the calibration of the model based on factors describing the uncertainty associated to the semi empirical relationships. The general assumptions on which the model is based have been verified although the predictive capabilities are influenced by the uncertainties of the empirical scaling relationships, which have to be necessarily taken into account and depend mostly on errors concerning deposited volume estimation. In addition, in order to test prediction capabilities of physical-based models, some events have been simulated through the use of RAMMS (RApid Mass MovementS). The model, which has been developed by the Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research (WSL) in Birmensdorf and the Swiss Federal Institute for Snow and Avalanche Research (SLF) takes into account a one-phase approach based on Voellmy rheology (Voellmy, 1955; Salm et al., 1990). The input file combines the total volume of the debris flow located in a release area with a mean depth. The model predicts the affected area, the maximum depth and the flow velocity in each cell of the input DTM. Relatively to hazard analysis related to watersheds characterization, the database collected by the Alto Adige Province represents an opportunity to examine debris-flow sediment dynamics at the regional scale and analyze lithologic controls. With the aim of advancing current understandings about debris flow, this study focuses on 82 events in order to characterize the topographic conditions associated with their initiation , transportation and deposition, seasonal patterns of occurrence and examine the role played by bedrock geology on sediment transfer.

The bursting behavior of gas slugs: laboratory and analytical insights into Strombolian volcanic eruptions.

The aim of this thesis is to study how explosive behavior and geophysical signals in a volcanic conduit are related to the development of overpressure in slug-driven eruptions. A first suite of laboratory experiments of gas slugs ascending in analogue conduits was performed. Slugs ascended into a range of analogue liquids and conduit diameters to allow proper scaling to the natural volcanoes. The geometrical variation of the slug in response to the explored variables was parameterised. Volume of gas slug and rheology of the liquid phase revealed the key parameters in controlling slug overpressure at bursting. Founded on these results, a theoretical model to calculate burst overpressure for slug-driven eruptions was developed. The dimensionless approach adopted allowed to apply the model to predict bursting pressure of slugs at Stromboli. Comparison of predicted values with measured data from Stromboli volcano showed that the model can explain the entire spectrum of observed eruptive styles at Stromboli – from low-energy puffing, through normal Strombolian eruptions, up to paroxysmal explosions – as manifestations of a single underlying physical process. Finally, another suite of laboratory experiments was performed to observe oscillatory pressure and forces variations generated during the expansion and bursting of gas slugs ascending in a conduit. Two end-member boundary conditions were imposed at the base of the pipe, simulating slug ascent in closed base (zero magma flux) and open base (constant flux) conduit. At the top of the pipe, a range of boundary conditions that are relevant at a volcanic vent were imposed, going from open to plugged vent. The results obtained illustrate that a change in boundary conditions in the conduit concur to affect the dynamic of slug expansion and burst: an upward flux at the base of the conduit attenuates the magnitude of the pressure transients, while a rheological stiffening in the top-most region of conduit changes dramatically the magnitude of the observed pressure transients, favoring a sudden, and more energetic pressure release into the overlying atmosphere. Finally, a discussion on the implication of changing boundary on the oscillatory processes generated at the volcanic scale is also given.

Numerical models of trench migration for lateral heterogeneous subducting plates

The aim of this Thesis is to investigate the effect of heterogeneities within the subducting plate on the dynamics of subduction. In particular, I study the motion of the trench for oceanic and continental subduction, first, separately, and, then, together in the same system to understand how they interact. The understanding of these features is fundamental to reconstruct the evolution of complex subduction zones, such as the Central Mediterranean. For this purpose, I developed 2D and 3D numerical models of oceanic and continental subduction where the rheological, geometrical and compositional properties of the plates are varied. In these models, the trench and the overriding plate move self-consistently as a function of the dynamics of the system. The effect of continental subduction on trench migration is largely investigated. Results from a parametric study showed that despite different rheological properties of the plates, all models with a uniform continental crust share the same kinematic behaviour: the trench starts to advance once the continent arrives at the subduction zone. Hence, the advancing mode in continental collision scenarios is at least partly driven by an intrinsic feature of the system. Moreover, the presence of a weak lower crust within the continental plate can lead to the occurrence of delamination. Indeed, by changing the viscosity of the lower crust, both delamination and slab detachment can occur. Delamination is favoured by a low viscosity value of the lower crust, because this makes the mechanical decoupling easier between crust and lithospheric mantle. These features are observed both in 2D and 3D models, but the numerical results of the 3D models also showed that the rheology of the continental crust has a very strong effect on the dynamics of the whole system, since it influences not only the continental part of plate but also the oceanic sides.

Sea Level Variations from Decades to Millennia: A few Case Studies

The main goals of this Ph.D. study are to investigate the regional and global geophysical components related to present polar ice melting and to provide independent cross validation checks of GIA models using both geophysical data detected by satellite mission, and geological observations from far field sites, in order to determine a lower and upper bound of uncertainty of GIA effect. The subject of this Thesis is the sea level change from decades to millennia scale. Within ice2sea collaboration, we developed a Fortran numerical code to analyze the local short-term sea level change and vertical deformation resulting from the loss of ice mass. This method is used to investigate polar regions: Greenland and Antarctica. We have used mass balance based on ICESat data for Greenland ice sheet and a plausible mass balance for Antarctic ice sheet. We have determined the regional and global fingerprint of sea level variations, vertical deformations of the solid surface of the Earth and variations of shape of the geoid for each ice source mentioned above. The coastal areas are affected by the long wavelength component of GIA process. Hence understanding the response of the Earth to loading is crucial in various contexts. Based on the hypothesis that Earth mantle materials obey to a linear rheology, and that the physical parameters of this rheology can be only characterized by their depth dependence, we investigate the Glacial Isostatic Effect upon the far field sites of Mediterranean area using an improved SELEN program. We presented new and revised observations for archaeological fish tanks located along the Tyrrhenian and Adriatic coast of Italy and new RSL for the SE Tunisia. Spatial and temporal variations of the Holocene sea levels studied in central Italy and Tunisia, provided important constraints on the melting history of the major ice sheets.

Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.