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| Autor |
Title |
Supervisor |
Submission |
| U. MITTERBAUER |
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E. Brückl |
in progress |
| H. HAUSMANN |
Geophysical Methods to Study Hydrologic and Dynamic Processes of Alpine Permafrost (Eastern Alps, Austria) »Abstract |
E. Brückl |
in progress |
| ST. MERTL |
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E. Brückl |
in progress |
| CH. ULLRICH |
Kombination von Gravimetrie und Seismik |
E. Brückl |
in progress |
| W. CHWATAL |
Eine Analyse der Amplituden refraktierter Wellen |
E. Brückl |
01/2012 |
| M. BEHM |
Accuracy and Resolution of a 3D Seismic Model of the Eastern Alps. »Abstract |
E. Brückl
H. Thybo
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03/2006 |
| A. PREH |
Modellierung von Massenbewegungen bei großen Verschiebungen mit Hilfe des Particle Flow Codes (PFC) |
R. Poisel
E. Brückl |
03/2004 |
| M. PAROTIDIS |
Geomechanische Modellierungen von Massenbewegungen »Abstract |
E. Brückl |
05/2001 |
| G. DAYU |
Generalisiertes Warnungssystem gegen Rutschungen und Murgänge »Abstract |
W. Weinmeister
E. Brückl |
06/2000 |
| E. CASTILLO |
Untersuchung von Massenbewegungen mit geophysikalischen Methoden und FE-Modellrechnungen |
F. Kohlbeck |
11/1997 |
Kurzfassung: In dieser Arbeit werden geophysikalischer Methoden angewandt und zur Modellierung hydrologischer und dynamischer Prozesse im hochalpinen Permafrost verwendet. Die Kryosphäre der Alpen (Gletscher & Permafrost) unterliegt im Zusammenhang mit Global Change starken Änderungen. Diese führen zu einer Erhöhung alpiner Gefahren, geotechnischen Problemen und Änderungen des hydrologischen Abflusses. Permafrost kann eine undurchlässige Schicht für das hydrologische Regime darstellen und nimmt dadurch Einfluß auf das Rückhalte- und Speichervermögen, sowie den Abfluß. Die angewandten geophysikalischen Methoden werden dabei auf den in den Untersuchungsgebieten vorherrschenden Permafrost-Typ angepaßt: (A) Permafrost im Lockergestein (z.B.: Blockgletscher, gemusterter Boden), (B) Permafrost im Fels (z.B.: Eis in Klüften, Spaltenfrost).
A) Das Hauptziel ist die aktuelle Verteilung des Permafrosts sowie dessen Auswirkung auf das hydrologische Regime unter der Berücksichtigung von Global Warming. Das sind im speziellen: (1) die Verteilung der verschiedenen Typen von alpinem Permafrost, (2) der Einfluß von alpinen Permafrost auf das hydrologische Regime, (3) die Reaktion von alpinen Permafrost auf Global Warming, (4) die Auswirkungen auf das hydrologische Regime. Neben den derzeit untersuchten Blockgletschern Reichenkar (Stubaier Alpen, Tirol) sowie Kaiserbergtal und Ölgrube (Ötztaler Alpen, Tirol) werden zwei hydrologisch gut definierte Gebiete im Kaunertal (Glockturm-Weißseespitze, Ötztaler Alpen) und bei Obergurgl (Hochebenkar, Ötztaler Alpen) untersucht. Zunächst wird die lateral Verteilung von Permafrost mit existierenden Modellierungen geschätzt und anschließend mit Refraktionsseismik und nachfolgenden BTS-Messungen verifiziert. Bei der Strukturerkundung werden die Ergebnisse verschiedener Methoden kombiniert (Seismik, GPR, Geoelektrik) um Parameter für die hydrologische Modellierung (z.B.: Porosität) zu liefern. Die hydrologischen Ziele sind auf folgende Punkte fokussiert: (a) Erstellung eines numerischen Abflußmodells basierend auf der Permafrostverteilung und des geophysikalischen Modells, (b) Monitoring von relevanten meteorologischen sowie hydrologischen Parametern, wie Abfluß, Niederschlag und Temperatur, (c) Kalibrierung des numerischen Modells an Felddaten.
Für Blockgletscher wird zusätzlich ein rheologisches Modell basierend auf dem geophysikalischen Modell erstellt. Der Vergleich der modellierten mit den beobachteten Kriechgeschwindigkeiten wird dann zur Untersuchung der dynamischen Prozesse in Hinblick auf die Klimaänderung verwendet werden.
B) Die Hauptaufgabe hierbei ist die Beobachtung der Variation des (gefrorenen) Wasser und Luftgehaltes die durch die Permafrost Degradation gesteuert wird. Seismische Tomographie wird an drei existierenden Bohrungen (20m) an der N-S Seite vom Sonnblick angewandt. Zusätzlich zu Anregungspunkten entlang einem 2D-Profil werden auch Punkte außerhalb angeregt um 3D Informationen zu erhalten. Bei der Auswertung werden zunächst die Ankunftszeiten der P-Wellen für die Tomographie verwendet. Im nächsten Schritt wird versucht ob im Datensatz vertikal polarisierte Scherwellen ausgewertet werden können. Zusätzlich soll die Tauglichkeit von GPR (20-500 MHz) getestet werden und die von der GPA durchgeführte Geoelektrik mit den Ergebnissen der Seismik kombiniert werden. Mit diesen Methoden werden die Modellierung der derzeitigen, sowie die Vorhersage der zukünftigen Konzentration von Permafrost im Fels angestrebt.
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Abstract: In this study geophysical methods will be applied to model hydrologic and dynamic processes of Alpine permafrost. In the Alpine realm the cryosphere (glaciers and permafrost) belongs to those areas which are most intensively affected by climatic change. This will result in increased Alpine hazards, geotechnical problems, variations of hydrological discharge, effects on tourism and environment. Permafrost may represent an impermeable layer, which considerably influences run-off, storage, and retention. The applied geophysical methods will be adapted for each test site depended on the type of permafrost. (A) Permafrost in unconsolidated sediments (e.g. rock glaciers, patterned ground), (B) Permafrost in rock mass (e.g. permafrost ice in joints and fissures).
A) The central objective is to provide data on the present distribution of Alpine permafrost in unconsolidated sediments and to comprehend its influence on the hydrological regime under the aspect of global change. This is in particular: (1) Distribution of different types of Alpine permafrost, (2) Influence of Alpine permafrost on the hydrological regime, (3) Response of Alpine permafrost to climate change, (4) Consequences for the hydrological regime. In addition to the investigated rock glaciers Reichenkar (Stubaier Alpen, Tirol), Kaiserbergtal and Ölgrube (Ötztaler Alpen, Tirol) we plan to study two well defined Alpine catchments areas in Kaunertal (Glockturm-Weißseespitze, Ötztaler Alpen) and close to Obergurgl (Hochebenkar, Ötztaler Alpen). On the basis of existing programs we first estimate the distribution of permafrost. Afterwards geophysical mapping (seismic refraction) is used to detect permafrost whereas consecutive BTS-observations are used for verification. To derive the structure, the ice content and parameters of the hydrological model (e.g. porosity) we use a combination of geophysical methods (e.g. seismic refraction, GPR, DC-resistivity). The actual distribution of Alpine permafrost will have its imprint on hydrology of Alpine areas and temporal variations caused by climate change may have effects. This study also focus on the following aims: (a) Development of a numerical runoff model on the basis of the permafrost distribution maps and geophysical models, (b) Monitoring of relevant meteorological and hydrologic data of the catchments areas, especially precipitation, temperature und runoff, (c) Calibration of numerical models by field data.
Based on the geophysical model a rheological model for the rock glaciers is provided. The comparison of observed and calculated surface velocities is used to evaluate the geophysical model as well as to study dynamic processes in terms of global change.
B) The principal objective is to provide a method that allows observing the variation of (frozen) water and air content in rock mass that is effected by permafrost degradation. Seismic tomography using three existing boreholes (20m), located at a profile N-S oriented from the Sonnblick summit is applied. About 20 source points along the three borehole profile are prepared. In order to extend information from the 2D profile to 3D about 10 excitations points are located beside this profile. Evaluation will start with arrival time tomography (longitudinal waves). Seismic data will also be checked, if information on the propagation of vertically polarized transversal waves can be exploited. In addition, GPR, equipped with transmitters of various frequencies (20-500 MHz), will be tested in order to investigate the internal structure of the rock mass. In combination with seismic tomography as well as DC-resistivity (carried out by a team from GBA) the GPR data might yield information on fissures of the rock mass and their changing fill with ice, water or air. |
Kurzfassung: Die Entwicklung der Ostalpen in den letzten 130 Millionen Jahren sowie ihre Einbettung in ihr großtektonisches Umfeld (Böhmische Masse, Pannonische Region, Südalpen und Dinariden) sind das Ergebnis komplexer Prozesse. In den letzten Jahren wurden in Zentraleuropa unter der Beteiligung von 17 Nationen mehrere seismische Großexperimente zur Erkundung der Erdkruste und des oberen Erdmantels durchgeführt.
Die vorliegende Dissertation widmet sich der Erstellung eines seismischen 3D Modells der östlichen Ostalpen und ihres Umfeldes, abgeleitet aus Daten der eingangs erwähnten seismischen 3-D Weitwinkel - Refraktions- und Reflexionsmessungen (englische Abkürzung: WAR/R). Eine neue Methodik wird angewandt, welche darauf abzielt, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Analog zur Vorgangsweise in der Explorationsseismik dient dazu als Grundlage die Stapelung im Zeit - Offset - Bereich. Für die Anwendung auf 3D WAR/R - Daten müssen jedoch spezielle Algorithmen für die Stapelung selbst sowie für die anschließende Inversion entwickelt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D - Verfahren verändern sich im Zuge der Stapelung das Wavelet sowie die Beobachtungsgeometrie. Die gestapelten Daten sind daher eine alternative Darstellung des Datensatzes, zusätzlich zu den Original-Seismogrammen und darin interpretierten Laufzeiten.
Die Ergebnisse der Stapeltechnik sind die dreidimensionale Verteilung der P-Wellen-Geschwindigkeit der Kruste, die Geschwindkeitsverteilung im obersten Mantel sowie Darstellungen der Krusten - Mantelgrenze (Moho) im Zeitbereich als Zwei-Weg-Laufzeiten und Delayzeiten. Diese Modelle werden auf ihre Auflösung und Genauigkeit untersucht. Zusätzlich werden zu Vergleichszwecken ähnliche Modelle aus Laufzeiten der Original-Seismogramme generiert.
Die Modelle aus beiden Ansätzen weisen eine gute Übereinstimmung auf. Die Inversion der gestapelten Daten führt zu robusten Modellen und zu höherer Überdeckung. Letztere resultiert aus dem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis sowie einer besseren Ausschöpfung des 3D Datensatzes. Andererseits ist die Genauigkeit und Auflösung der gestapelten Daten geringer, insbesondere in oberflächennahen Schichten. Letztendlich werden die Modelle aus beiden Ansätzen zusammengeführt, um von den Vorteilen beider Methoden zu profitieren.
Das endgültige seismische Modell korreliert mit bekannten tektonischen und geologischen Strukturen, aber weist auch auf etliche neue Merkmale hin. Die Krustengeschwindigkeit variiert stark und erlaubt neue Einblicke in die mittlere und tiefe Kruste. Die Moho-Tiefen im Untersuchungsgebiet bewegen sich zwischen 24 km in der Pannonischen Region und 51 km in den Zentralalpen. Am wichtigsten erscheint jedoch die Feststellung einer Fragmentierung der gesamtem Krusten- und Moho-Struktur im Untersuchungsgebiet in vier Teile. Ein neues Fragment stellt dabei "Pannonia" dar, welches in der Region des östlichen Sloweniens und angrenzender Gebiete auszumachen ist. "Pannonia" könnte eine wesentliche Rolle in der geodynamischen Entwicklung des ostalpinen Raumes zukommen. |
Abstract: The Eastern Alps and their relation to the neighbouring tectonic provinces (Bohemian Massif, Pannonian Domain, Southern Alps/Dinarides) record a complicated orogeny, which started approximately 130 million years ago. Recently, an unprecedented series of large-scale seismic experiments were carried out to provide new insight into the structure of the crust and uppermost mantle of the earth in Central Europe.
This thesis introduces a 3D seismic model for the eastern part of the Eastern Alps and their surroundings based on data from those experiments. A new approach for processing 3D WAR/R data is presented. The method aims to increase the signal to-noise (S/N) ratio and is based on stacking of the seismic traces in the time-offset domain. For the application to 3D WAR/R data new algorithms were implemented for stacking and in particular, for the inversion of these stacked data.
A 3D model of the P-wave velocity of the crust has been calculated by inversion of the stacked data. Further, a velocity map of uppermost mantle and maps of the crust - mantle boundary have been compiled. These models are compared to models derived by traditional 3D inversion methods based on travel times obtained from single-fold traces.
The comparison as well as other analyses show that the models based on stacked data are robust and provide an improved coverage compared to models based on travel times from single-fold traces, but they have a relatively low resolution, particularly near the surface. Models from both approaches are combined in order to benefit from the advantages of both representations of the data.
The results correlate with geological structures and show new prominent features in the Eastern Alps and their surroundings. The velocity distribution in the crust varies significantly. It correlates with tectonic units on different scales and provides new images at mid and lower crustal levels. The Moho depth varies strongly in the range between 24 km in the western Pannonian Domain to 51 km in the central part of the Eastern Alps. The crustal structure in the investigated area appears to be fragmented into four distinctive parts, and the new fragment "Pannonia" is introduced. Its existence may be an important factor for a better understanding of the geodynamic history of the Eastern Alps. |
Kurzfassung: Aufgabe dieser Arbeit ist das Verständnis für die
Prozesse kriechender Hänge im Fels (Sackungen)
zu vertiefen. In diesem Sinne ist ein zweidimensionales
geomechanisches Modell entwickelt worden, das die Entwicklung
der primären Kriechphase von Massenbewegungen simulieren
kann. Grundlage der Modellbildung ist die Strukturentwicklung,
die sich aus der progressiven Materialentfestigung ergibt.
Dies ist ein neuer Ansatz, da sonst i.a. bei geomechanischen
Modellierungen die Struktur vorausgesetzt wird. Hier
aber geht das Modell von einem homogenen und isotropen
kompakten Felsmaterial zu Beginn der Kriechbewegungen
aus, die nach dem Rückzug der Gletscher der letzten
Eiszeit eingesetzt haben.
Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FE) werden
die Hauptspannungen berechnet um daraus effektive Scherspannungen
zu berechnen. Für die Bereiche des FE-Netzes, die
eine untere Grenze der effektiven Scherspannung überschreiten
werden die Materialeigenschaften von kompaktem zu entfestigtem
Fels geändert. Nach jeder Entfestigung wird der
Spannungszustand wieder berechnet um erneut zu entfestigen.
Dieser Prozess wird solange fortgesetzt bis die effektiven
Scherspannungen kleiner als ein Grenzwert sind, der
dem unteren Grenzwert des Spannungsintensitätsfaktors
für subkritische Rissbildung (subcritical crack
growth) der Bruchmechanik entspricht. Wenn die dabei
simulierte Zone der Entfestigung der aufgelockerten
Zone der Massenbewegung entspricht, liefert die Modellierung
die geomechanischen Parameter, die zur Entwicklung der
primären Kriechphase führen.
Das geomechanische Modell berücksichtigt außer
der gravitativen Auswirkung der Topographie auch Auftrieb
und Wasserschub, die Auswirkungen von Bergwasser, tektonische
Kräfte, Dilatanz und druckabhängige Materialeigenschaften
für den entfestigten Fels. Bewusst werden geologische
Strukturen nicht berücksichtigt, um das Modell
möglichst einfach und zu gestalten.
Das Modell ist für die Massenbewegungen Köfels,
Lesachriegel und Gradenbach verwendet worden. Im Sinne
eines besseren Verständnisses der Prozesse der
primären Kriechphase sind auch die Grenzen der
Gültigkeit des Modells untersucht und nicht nur
Modellierungen mit zu erwartenden oder üblichen
Parameterwerten berechnet worden. Für alle untersuchten
Massenbewegungen wurden seismische Messungen durchgeführt
und ausgewertet und Strukturmodelle erstellt. Diese
Arbeiten, die nicht im Rahmen der Dissertation durchgeführt
worden sind, sind notwendige Grundlagen für die
Modellierungen.
Die Modellierungen die zu entfestigten Zonen führten,
die mit den Auflockerungszonen der untersuchten Massenbewegungen
übereinstimmten, liefern als wesentlichstes Ergebnis
die Poissonzahlen für das Ausgangs- und das entfestigte
Material sowie den Winkel der inneren Reibung. Dabei
sind die Poissonzahlen größer und die Winkel
der inneren Reibung kleiner als die entspechenden geomechanischen
Erfahrungswerte. Allerdings führt ein Vergleich
der Winkel der inneren Reibung mit den Anfangsgleitwinkeln
der untersuchten Fälle zu einer plausiblen Erklärung
für die Initiierung von Hangbewegungen. |
Abstract: Aim of this thesis is to improve the understanding of
the processes of deep seated gravitational creep in
rock (sagging). Therefore a two-dimensional geomechanical
model which simulates the primary creep phase was developed.
The model is based on the fact that a structure is formed
due to the progressive material degradation. This is
a new method because generally in geomechanical modelling
the structure is an input and not an output. The model
of this work starts with a homogeneous and isotropic
compact rock as this is assumed to be the material status
at the beginning of the mass movements after the retreat
of the glaciers of the last ice period.
With the Finite Element Method (FEM) principal stresses
are calculated and from these the effective shear stresses.
For the regions where the effective stresses are greater
than a lower limit, the material status is changed from
compact to soft. After the material softening the stress
status will be recalculated in order to continue the
softening process. If the calculated effective stresses
are smaller than a lower limit, which corresponds to
the lower limit of the stress intensity factor of subcritical
crack growth in fracture mechanics, the process will
be stopped. If the calculated soft zone coincides with
the extent of the displaced material the model gives
the geomechanical parameters that lead to the initiation
and development of the primary creep phase.
The inputs of the geomechanical model are the gravitative
influence because of topography, tectonic stress, dilatancy,
elastic material properties dependend on pressure and
interstitial water. To keep the model simple geological
features are not considered.
The model is applied on the mass movements of Köfels,
Lesachriegel and Gradenbach. In order to investigate
the influence of every input factor and the validity
boundaries of the model, parameters with average and
extreme values were considered. Prerequisites to the
geomechanical modelling are the results of seismic measurements
and the structural models of the mass movements. These
jobs had been carried out outside the frame of this
thesis.
The modellings that succesfully approximated the extent
of the displaced material deliver Poisson ratios and
angles of internal friction for the compact and soft
rock. For all three study cases the Poisson's ratios
are greater and the angles of internal friction smaller
than the average geomechanical values for rock material.
Although a comparison of the angle of internal friction
and the initial sliding angle explains quite plausible
the initiation of slope movements. |
| Zusammnefassung: Es wird die schwierige Situation von Naturkatastrophen an steilen Hängen und in Wildbachgräben (Hangabbruch, Felssturz, Rutschung, Murgang) in China beschrieben und die weltweite Entwicklung von Warnsystemen gegen diese Hangrutschungskatastrophen zusammengefasst und die Leistungen bei Reduktion dieser Katastrophen in China dargestellt. Zur Reduktion von solchen Naturkatastrophen wird ein generalisiertes Warnsystem vorgestellt, das in den Städten Baoji und Chongqing, dem Gebiet der drei Schluchten des Yangtze-Flusses in der V.R. China praktisch angewendet werden soll. Das regionale generalisierte Warnungssystem gegen Hanggefahren ist ein Ingenieur-System mit wissenschaftlichen und technologischen ('Hard measures') und administrativen Gegenmassnahmen sowie Maßnahmen der öffentlichen Schulung ('Soft measures'). Es braucht eine Organisationszentrale, eine besondere Abteilung der örtlichen Regierung, die für Erkennung der kommenden Gefahr zuständig ist, für die finanzielle Versorgung aller Maßnahmen, für Koordinationsaktivitäten von 'Hard measures' und 'Soft measures', die Aufstellung von Vorschriften und Schulungsprogrammen und Durchführung der Katastrophenschutzmaßnahmen in dringenden Fällen. Ein komplettes generalisiertes Warnungssystem umfasst vier Subsysteme und eine zentrale Datenbank. Das Erkennungs-Subsystem besitzt eine Beobachtungsabteilung, eine Gefahreneinschätzungsabteilung und eine Vorhersageabteilung. Das Verwaltungs-Subsystem umfasst eine Interpretationsabteilung, eine Entscheidungsabteilung und eine Modifikationsabteilung. Das Reaktions-Subsystem besitzt verschiedene Möglichkeiten für die Öffentlichkeitsarbeit (Radion, TV, Zeitungen) als Reaktion auf eine Katastrophensituation. Das Feedback-Subsystem mit den Hi-tech-Methoden ist ein unentbehrlicher Teil des Warnungssystem. Die zentrale Datenbank ist das Herz des Warnungssystem. Sie führt die Datenverarbeitung, Stabilitätsanalyse, Schadenbewertung und Voraussage durch. Die Anwendung der High-Technik, z.B. GPS und RS für Überwachung, GIS für Kartographie u.s.w ermöglicht ein 'real-time'-Erkennungs-Subsystem. Es werden dabei verschiedene Sensoren für unterschiedliche Alarmzwecke dargestellt. Die Anwendung der Geophysik ist funktionell und wirtschaftlich für die Erforschung potentieller Hangkatastrophen und für Einschätzung der physikalischen Grenzwerte. Meteorologische, hydraulische und seismologische Forschung wird für die Einschätzung der Schwellenwerte angewendet. Die speziellen Ausbildungsprogramme helfen den Leuten bei der Schulung auf verschiedenem Niveau. Das ist sehr wichtig, nicht nur für das Verwaltungs-Subsystem sondern auch für das Reaktions-Subsystem. Das mit High-Tech-Methoden versehene Feedback-Subsystem ist ein unentbehrlicher Bestandteil dieses Warnungssystem geworden. |
| Summary: The severe situation of slope hazards (landslides, debris flows and rockfalls) in China was shown. The worldwide development of natural hazard warning systems was summarized, including the relative achievements on slope hazard reduction in China. To enhance the ability of natural hazard prevention, the model of a broad sense warning system was put forward, based on the practices of slope hazard mitigation. The system was shown with the models of slope hazards warning systems in Baoji City and Chongqing City, Three Gorges area of the Yangtze River in P.R. China. The regional broad sense warning system against slope hazards is an engineering system including both of science-technological countermeasures ('hard' countermeasures) and municipal administration as well as public education ('soft' countermeasures). It needs a headquarter, a special department of the local government which is in charge of recognizing the danger of forth coming hazards, managing the financial support, coordinating activities of the 'soft' and 'hard' countermeasures, setting up and promulgating some primary codes and education programs and carrying out hazard mitigation in case of emergency. A completed broad sense warning system consists of four subsystems and a central database. Detection subsystem includes monitoring section, assessing section and prediction section. The management subsystem includes an interpreting section, decision-making section and modifying section. The response subsystem includes disaster response channels, individual response and public response. The feedback subsystem includes a real-time data section, comparing section and feedback section. Central database is the heart of the warning system, carrying on all tasks of data processing, stability analyzing, hazard assessing and prediction. The application of Hi-tech., including GPS and RS (remote sense) for monitoring, GIS for mapping, etc., will make the real-time detective subsystem become true. Some sensors for different natural hazard processes are described. The applications of environmental engineering geophysics are functional and economical for the potential slope hazards investigation and for the estimation of the physical limitation. Meteorological, hydrological and seismological studies can be used for estimating the antecedent and threshold of the events. The special training programs should be developed to give people different levels of education. That will be of important significance not only for the management subsystem but also for the response system; the feedback subsystem equipped with Hi-tech methods should become an essential part of the warning system. |
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