Crustal heterogeneities and complexities of fault processes

In this work we study the relation between crustal heterogeneities and complexities in fault processes. The first kind of heterogeneity considered involves the concept of asperity. The presence of an asperity in the hypocentral region of the M = 6.5 earthquake of June 17-th, 2000 in the South Iceland Seismic Zone was invoked to explain the change of seismicity pattern before and after the mainshock: in particular, the spatial distribution of foreshock epicentres trends NW while the strike of the main fault is N 7◦ E and aftershocks trend accordingly; the foreshock depths were typically deeper than average aftershock depths. A model is devised which simulates the presence of an asperity in terms of a spherical inclusion, within a softer elastic medium in a transform domain with a deviatoric stress field imposed at remote distances (compressive NE − SW, tensile NW − SE). An isotropic compressive stress component is induced outside the asperity, in the direction of the compressive stress axis, and a tensile component in the direction of the tensile axis; as a consequence, fluid flow is inhibited in the compressive quadrants while it is favoured in tensile quadrants. Within the asperity the isotropic stress vanishes but the deviatoric stress increases substantially, without any significant change in the principal stress directions. Hydrofracture processes in the tensile quadrants and viscoelastic relaxation at depth may contribute to lower the effective rigidity of the medium surrounding the asperity. According to the present model, foreshocks may be interpreted as induced, close to the brittle-ductile transition, by high pressure fluids migrating upwards within the tensile quadrants; this process increases the deviatoric stress within the asperity which eventually fails, becoming the hypocenter of the mainshock, on the optimally oriented fault plane. In the second part of our work we study the complexities induced in fault processes by the layered structure of the crust. In the first model proposed we study the case in which fault bending takes place in a shallow layer. The problem can be addressed in terms of a deep vertical planar crack, interacting with a shallower inclined planar crack. An asymptotic study of the singular behaviour of the dislocation density at the interface reveals that the density distribution has an algebraic singularity at the interface of degree ω between -1 and 0, depending on the dip angle of the upper crack section and on the rigidity contrast between the two media. From the welded boundary condition at the interface between medium 1 and 2, a stress drop discontinuity condition is obtained which can be fulfilled if the stress drop in the upper medium is lower than required for a planar trough-going surface: as a corollary, a vertically dipping strike-slip fault at depth may cross the interface with a sedimentary layer, provided that the shallower section is suitably inclined (fault "refraction"); this results has important implications for our understanding of the complexity of the fault system in the SISZ; in particular, we may understand the observed offset of secondary surface fractures with respect to the strike direction of the seismic fault. The results of this model also suggest that further fractures can develop in the opposite quadrant and so a second model describing fault branching in the upper layer is proposed. As the previous model, this model can be applied only when the stress drop in the shallow layer is lower than the value prescribed for a vertical planar crack surface. Alternative solutions must be considered if the stress drop in the upper layer is higher than in the other layer, which may be the case when anelastic processes relax deviatoric stress in layer 2. In such a case one through-going crack cannot fulfil the welded boundary conditions and unwelding of the interface may take place. We have solved this problem within the theory of fracture mechanics, employing the boundary element method. The fault terminates against the interface in a T-shaped configuration, whose segments interact among each other: the lateral extent of the unwelded surface can be computed in terms of the main fault parameters and the stress field resulting in the shallower layer can be modelled. A wide stripe of high and nearly uniform shear stress develops above the unwelded surface, whose width is controlled by the lateral extension of unwelding. Secondary shear fractures may then open within this stripe, according to the Coulomb failure criterion, and the depth of open fractures opening in mixed mode may be computed and compared with the well studied fault complexities observed in the field. In absence of the T-shaped decollement structure, stress concentration above the seismic fault would be difficult to reconcile with observations, being much higher and narrower.

Stability, viscous dissipation and local thermal non-equilibrium in fluid saturated porous media

In this thesis, the field of study related to the stability analysis of fluid saturated porous media is investigated. In particular the contribution of the viscous heating to the onset of convective instability in the flow through ducts is analysed. In order to evaluate the contribution of the viscous dissipation, different geometries, different models describing the balance equations and different boundary conditions are used. Moreover, the local thermal non-equilibrium model is used to study the evolution of the temperature differences between the fluid and the solid matrix in a thermal boundary layer problem. On studying the onset of instability, different techniques for eigenvalue problems has been used. Analytical solutions, asymptotic analyses and numerical solutions by means of original and commercial codes are carried out.

Duktile Gesteinsdeformation durch zeitabhängige Kataklase

In Gesteinen, die bei schwach- bis mittelgradiger Metamorphose deformiert wurden, sind Mikrostrukturen, wie z.B. undulöse Auslöschung, Subkörner und kristallographische Regelungen, typisch. Sie werden i.a. als das Resultat eines kristallplastischen Deformationsprozesses interpretiert. Das häufige Auftreten dieser Strukturen führte zu der Annahme, daß kristallplastische Deformationsprozesse zu den dominierenden duktilen Deformationsmechanismen während der Erdkrustendeformation gehören.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Experimenten, bei denen die zeitabhängige kata-klastische Deformation polykristalliner, kompaktierter Aggregatproben des sehr gut löslichen, elastisch/spröden Salzes Natriumchlorat (NaClO3) untersucht wurde. Dieses Salz wurde als Analogmaterial gesteinsbildender Minerale wie Quarz und Feldspat ausgewählt. Es wurde nun untersucht, ob und in welcher Weise spröde Deformationsmechanismen in Anwesenheit von Wasser scheinbar kristall-plastische Mikrostrukturen hervorrufen können.Aus den Versuchen ergibt sich nun die Folgerung, daß scheinbar kristallplastisch erzeugte Mikrostrukturen wie Subkörner auch durch spröde zeitunabhängige Risse und subkritische (langsame) Kataklase entstehen können. Diese Erkenntnisse sind wichtig für das rheologische Verhalten der Erdkruste und somit auch für Modellierungen der Erdkrustendeformation. Ihre Betrachtung und Übertragung auf die Deformationsstrukturen der natürlich deformierten kontinentalen, oberkrustalen Gesteine der Erde würde die Interpretation der Mikrostrukturen in diesen Bereichen stark ändern. Dies hätte eine wesentliche Änderung auf den Verlauf der Gesteinsfestigkeitskurven in den Spannungsprofilen der Erdoberkruste zur Folge.

Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Algorithmische Methoden zur Berechnung von Vierbeinfunktionen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit derAutomatisierung von Berechnungen virtuellerStrahlungskorrekturen in perturbativen Quantenfeldtheorien.Die Berücksichtigung solcher Korrekturen aufMehrschleifen-Ebene in der Störungsreihenentwicklung istheute unabdingbar, um mit der wachsenden Präzisionexperimenteller Resultate Schritt zu halten. Im allgemeinen kinematischen Fall können heute nur dieEinschleifen-Korrekturen als theoretisch gelöst angesehenwerden -- für höhere Ordnungen liegen nur Teilergebnissevor. In Mainz sind in den letzten Jahren einige neuartigeMethoden zur Integration von Zweischleifen-Feynmandiagrammenentwickelt und im xloops-Paket in algorithmischer Formteilweise erfolgreich implementiert worden. Die verwendetenVerfahren sind eine Kombination exakter symbolischerRechenmethoden mit numerischen. DieZweischleifen-Vierbeinfunktionen stellen in diesem Rahmenein neues Kapitel dar, das durch seine große Anzahl vonfreien kinematischen Parametern einerseits leichtunüberschaubar wird und andererseits auch auf symbolischerEbene die bisherigen Anforderungen übersteigt. Sie sind ausexperimenteller Sicht aber für manche Streuprozesse vongroßem Interesse. In dieser Arbeit wurde, basierend auf einer Idee von DirkKreimer, ein Verfahren untersucht, welches die skalarenVierbeinfunktionen auf Zweischleifen-Niveau ganz ohneRandbedingungen an den Parameterraum zu integrierenversucht. Die Struktur der nach vier Residuenintegrationenauftretenden Terme konnte dabei weitgehend geklärt und dieKomplexität der auftretenden Ausdrücke soweit verkleinertwerden, dass sie von heutigen Rechnern darstellbar sind.Allerdings ist man noch nicht bei einer vollständigautomatisierten Implementierung angelangt. All dies ist dasThema von Kapitel 2. Die Weiterentwicklung von xloops über Zweibeinfunktionenhinaus erschien aus vielfältigen Gründen allerdings nichtmehr sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher einradikaler Bruch vollzogen und zusammen mit C. Bauer und A.Frink eine Programmbibliothek entworfen, die als Vehikel fürsymbolische Manipulationen dient und es uns ermöglicht,übliche symbolische Sprachen wie Maple durch C++ zuersetzen. Im dritten Kapitel wird auf die Gründeeingegangen, warum diese Umstellung sinnvoll ist, und dabeidie Bibliothek GiNaC vorgestellt. Im vierten Kapitel werdenDetails der Implementierung dann im Einzelnen vorgestelltund im fünften wird sie auf ihre Praxistauglichkeituntersucht. Anhang A bietet eine Übersicht über dieverwendeten Hilfsmittel komplexer Analysis und Anhang Bbeschreibt ein bewährtes numerisches Instrument.

Mixed Mode Fracture Behaviour of Piezoelectric Materials

Piezoelectrics present an interactive electromechanical behaviour that, especially in recent years, has generated much interest since it renders these materials adapt for use in a variety of electronic and industrial applications like sensors, actuators, transducers, smart structures. Both mechanical and electric loads are generally applied on these devices and can cause high concentrations of stress, particularly in proximity of defects or inhomogeneities, such as flaws, cavities or included particles. A thorough understanding of their fracture behaviour is crucial in order to improve their performances and avoid unexpected failures. Therefore, a considerable number of research works have addressed this topic in the last decades. Most of the theoretical studies on this subject find their analytical background in the complex variable formulation of plane anisotropic elasticity. This theoretical approach bases its main origins in the pioneering works of Muskelishvili and Lekhnitskii who obtained the solution of the elastic problem in terms of independent analytic functions of complex variables. In the present work, the expressions of stresses and elastic and electric displacements are obtained as functions of complex potentials through an analytical formulation which is the application to the piezoelectric static case of an approach introduced for orthotropic materials to solve elastodynamics problems. This method can be considered an alternative to other formalisms currently used, like the Stroh’s formalism. The equilibrium equations are reduced to a first order system involving a six-dimensional vector field. After that, a similarity transformation is induced to reach three independent Cauchy-Riemann systems, so justifying the introduction of the complex variable notation. Closed form expressions of near tip stress and displacement fields are therefore obtained. In the theoretical study of cracked piezoelectric bodies, the issue of assigning consistent electric boundary conditions on the crack faces is of central importance and has been addressed by many researchers. Three different boundary conditions are commonly accepted in literature: the permeable, the impermeable and the semipermeable (“exact”) crack model. This thesis takes into considerations all the three models, comparing the results obtained and analysing the effects of the boundary condition choice on the solution. The influence of load biaxiality and of the application of a remote electric field has been studied, pointing out that both can affect to a various extent the stress fields and the angle of initial crack extension, especially when non-singular terms are retained in the expressions of the electro-elastic solution. Furthermore, two different fracture criteria are applied to the piezoelectric case, and their outcomes are compared and discussed. The work is organized as follows: Chapter 1 briefly introduces the fundamental concepts of Fracture Mechanics. Chapter 2 describes plane elasticity formalisms for an anisotropic continuum (Eshelby-Read-Shockley and Stroh) and introduces for the simplified orthotropic case the alternative formalism we want to propose. Chapter 3 outlines the Linear Theory of Piezoelectricity, its basic relations and electro-elastic equations. Chapter 4 introduces the proposed method for obtaining the expressions of stresses and elastic and electric displacements, given as functions of complex potentials. The solution is obtained in close form and non-singular terms are retained as well. Chapter 5 presents several numerical applications aimed at estimating the effect of load biaxiality, electric field, considered permittivity of the crack. Through the application of fracture criteria the influence of the above listed conditions on the response of the system and in particular on the direction of crack branching is thoroughly discussed.

Analysis of nonlinear diffusion equations of second and fourth order

Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauteilen spielen Quanteneffekte eine immer wichtigere Rolle. Quantenphänomene werden gewöhnlich durch kinetische Gleichungen beschrieben, aber manchmal hat eine fluid-dynamische Beschreibung Vorteile: die bessere Nutzbarkeit für numerische Simulationen und die einfachere Vorgabe von Randbedingungen. In dieser Arbeit werden drei Diffusionsgleichungen zweiter und vierter Ordnung untersucht. Der erste Teil behandelt die implizite Zeitdiskretisierung und das Langzeitverhalten einer degenerierten Fokker-Planck-Gleichung. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der Untersuchung des viskosen Quantenhydrodynamischen Modells in einer Raumdimension und dessen Langzeitverhaltens. Im letzten Teil wird die Existenz von Lösungen einer parabolischen Gleichung vierter Ordnung in einer Raumdimension bewiesen, und deren Langzeitverhalten studiert.

Statistical mechanics of protein complexed and condensed DNA

In this thesis I treat various biophysical questions arising in the context of complexed / ”protein-packed” DNA and DNA in confined geometries (like in viruses or toroidal DNA condensates). Using diverse theoretical methods I consider the statistical mechanics as well as the dynamics of DNA under these conditions. In the first part of the thesis (chapter 2) I derive for the first time the single molecule ”equation of state”, i.e. the force-extension relation of a looped DNA (Eq. 2.94) by using the path integral formalism. Generalizing these results I show that the presence of elastic substructures like loops or deflections caused by anchoring boundary conditions (e.g. at the AFM tip or the mica substrate) gives rise to a significant renormalization of the apparent persistence length as extracted from single molecule experiments (Eqs. 2.39 and 2.98). As I show the experimentally observed apparent persistence length reduction by a factor of 10 or more is naturally explained by this theory. In chapter 3 I theoretically consider the thermal motion of nucleosomes along a DNA template. After an extensive analysis of available experimental data and theoretical modelling of two possible mechanisms I conclude that the ”corkscrew-motion” mechanism most consistently explains this biologically important process. In chapter 4 I demonstrate that DNA-spools (architectures in which DNA circumferentially winds on a cylindrical surface, or onto itself) show a remarkable ”kinetic inertness” that protects them from tension-induced disruption on experimentally and biologically relevant timescales (cf. Fig. 4.1 and Eq. 4.18). I show that the underlying model establishes a connection between the seemingly unrelated and previously unexplained force peaks in single molecule nucleosome and DNA-toroid stretching experiments. Finally in chapter 5 I show that toroidally confined DNA (found in viruses, DNAcondensates or sperm chromatin) undergoes a transition to a twisted, highly entangled state provided that the aspect ratio of the underlying torus crosses a certain critical value (cf. Eq. 5.6 and the phase diagram in Fig. 5.4). The presented mechanism could rationalize several experimental mysteries, ranging from entangled and supercoiled toroids released from virus capsids to the unexpectedly short cholesteric pitch in the (toroidaly wound) sperm chromatin. I propose that the ”topological encapsulation” resulting from our model may have some practical implications for the gene-therapeutic DNA delivery process.

Tuning the structural and magnetic properties of Sr 2 FeReO 6 by substituting Fe and Re with valence invariant metals

In the course of this work the effect of metal substitution on the structural and magnetic properties of the double perovskites Sr2MM’O6 (M = Fe, substituted by Cr, Zn and Ga; M’ = Re, substituted by Sb) was explored by means of X-ray diffraction, magnetic measurements, band structure calculations, Mößbauer spectroscopy and conductivity measurements. The focus of this study was the determination of (i) the kind and structural boundary conditions of the magnetic interaction between the M and M’ cations and (ii) the conditions for the principal application of double perovskites as spintronic materials by means of the band model approach. Strong correlations between the electronic, structural and magnetic properties have been found during the study of the double perovskites Sr2Fe1-xMxReO6 (0 < x < 1, M = Zn, Cr). The interplay between van Hove-singularity and Fermi level plays a crucial role for the magnetic properties. Substitution of Fe by Cr in Sr2FeReO6 leads to a non-monotonic behaviour of the saturation magnetization (MS) and an enhancement for substitution levels up to 10 %. The Curie temperatures (TC) monotonically increase from 401 to 616 K. In contrast, Zn substitution leads to a continuous decrease of MS and TC. The diamagnetic dilution of the Fe-sublattice by Zn leads to a transition from an itinerant ferrimagnetic to a localized ferromagnetic material. Thus, Zn substitution inhibits the long-range ferromagnetic interaction within the Fe-sublattice and preserves the long-range ferromagnetic interaction within the Re-sublattice. Superimposed on the electronic effects is the structural influence which can be explained by size effects modelled by the tolerance factor t. In the case of Cr substitution, a tetragonal – cubic transformation for x > 0.4 is observed. For Zn substituted samples the tetragonal distortion linearly increases with increasing Zn content. In order to elucidate the nature of the magnetic interaction between the M and M’ cations, Fe and Re were substituted by the valence invariant main group metals Ga and Sb, respectively. X-ray diffraction reveals Sr2FeRe1-xSbxO6 (0 < x < 0.9) to crystallize without antisite disorder in the tetragonal distorted perovskite structure (space group I4/mmm). The ferrimagnetic behaviour of the parent compound Sr2FeReO6 changes to antiferromagnetic upon Sb substitution as determined by magnetic susceptibility measurements. Samples up to a doping level of 0.3 are ferrimagnetic, while Sb contents higher than 0.6 result in an overall antiferromagnetic behaviour. 57Fe Mößbauer results show a coexistence of ferri- and antiferromagnetic clusters within the same perovskite-type crystal structure in the Sb substitution range 0.3 < x < 0.8, whereas Sr2FeReO6 and Sr2FeRe0.9Sb0.1O6 are “purely” ferrimagnetic and Sr2FeRe0.1Sb0.9O6 contains antiferromagnetically ordered Fe sites only. Consequently, a replacement of the Re atoms by a nonmagnetic main group element such as Sb blocks the double exchange pathways Fe–O–Re(Sb)–O–Fe along the crystallographic axis of the perovskite unit cell and destroys the itinerant magnetism of the parent compound. The structural and magnetic characterization of Sr2Fe1-xGaxReO6 (0 < x < 0.7) exhibit a Ga/Re antisite disorder which is unexpected because the parent compound Sr2FeReO6 shows no Fe/Re antisite disorder. This antisite disorder strongly depends on the Ga content of the sample. Although the X-ray data do not hint at a phase separation, sample inhomogeneities caused by a demixing are observed by a combination of magnetic characterization and Mößbauer spectroscopy. The 57Fe Mößbauer data suggest the formation of two types of clusters, ferrimagnetic Fe- and paramagnetic Ga-based ones. Below 20 % Ga content, Ga statistically dilutes the Fe–O–Re–O–Fe double exchange pathways. Cluster formation begins at x = 0.2, for 0.2 < x < 0.4 the paramagnetic Ga-based clusters do not contain any Fe. Fe containing Ga-based clusters which can be detected by Mößbauer spectroscopy firstly appear for x = 0.4.

HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre

In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.

Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals in confinement

Monte Carlo simulations are used to study the effect of confinement on a crystal of point particles interacting with an inverse power law potential in d=2 dimensions. This system can describe colloidal particles at the air-water interface, a model system for experimental study of two-dimensional melting. It is shown that the state of the system (a strip of width D) depends very sensitively on the precise boundary conditions at the two ``walls'' providing the confinement. If one uses a corrugated boundary commensurate with the order of the bulk triangular crystalline structure, both orientational order and positional order is enhanced, and such surface-induced order persists near the boundaries also at temperatures where the system in the bulk is in its fluid state. However, using smooth repulsive boundaries as walls providing the confinement, only the orientational order is enhanced, but positional (quasi-) long range order is destroyed: The mean-square displacement of two particles n lattice parameters apart in the y-direction along the walls then crosses over from the logarithmic increase (characteristic for $d=2$) to a linear increase (characteristic for d=1). The strip then exhibits a vanishing shear modulus. These results are interpreted in terms of a phenomenological harmonic theory. Also the effect of incommensurability of the strip width D with the triangular lattice structure is discussed, and a comparison with surface effects on phase transitions in simple Ising- and XY-models is made

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.

Kinematics of the Sicily and Calabria Subduction System from Elastic Block Modeling of GPS Data

We use data from about 700 GPS stations in the EuroMediterranen region to investigate the present-day behavior of the the Calabrian subduction zone within the Mediterranean-scale plates kinematics and to perform local scale studies about the strain accumulation on active structures. We focus attenction on the Messina Straits and Crati Valley faults where GPS data show extentional velocity gradients of ∼3 mm/yr and ∼2 mm/yr, respectively. We use dislocation model and a non-linear constrained optimization algorithm to invert for fault geometric parameters and slip-rates and evaluate the associated uncertainties adopting a bootstrap approach. Our analysis suggest the presence of two partially locked normal faults. To investigate the impact of elastic strain contributes from other nearby active faults onto the observed velocity gradient we use a block modeling approach. Our models show that the inferred slip-rates on the two analyzed structures are strongly impacted by the assumed locking width of the Calabrian subduction thrust. In order to frame the observed local deformation features within the present- day central Mediterranean kinematics we realyze a statistical analysis testing the indipendent motion (w.r.t. the African and Eurasias plates) of the Adriatic, Cal- abrian and Sicilian blocks. Our preferred model confirms a microplate like behaviour for all the investigated blocks. Within these kinematic boundary conditions we fur- ther investigate the Calabrian Slab interface geometry using a combined approach of block modeling and χ2ν statistic. Almost no information is obtained using only the horizontal GPS velocities that prove to be a not sufficient dataset for a multi-parametric inversion approach. Trying to stronger constrain the slab geometry we estimate the predicted vertical velocities performing suites of forward models of elastic dislocations varying the fault locking depth. Comparison with the observed field suggest a maximum resolved locking depth of 25 km.

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.