Dissertations / Theses on the topic 'Korngröße'

In dieser Arbeit wurde ein Modell mit einem gitterbasierten Ansatz entwickelt, um im Mediterranen entlang eines Klimagradienten Auswirkungen zu untersuchen, die Klima, Exposition, Hangneigung sowie Störungen durch Feuer und Beweidung auf die Vegetations und Erosionsentwicklung besitzen. Für die Fragestellung wurden Vegetationsalgorithmen benutzt. In dieser Studie verwendet wurden allgemeine Oberflächenprozesse, wie Wasser- und Sedimenttransport, die durch physikalische und empirische Modelle beschrieben worden sind. Des Weiteren wurde ein Sedimentverlust mit Hilfe der USLE kalkuliert, um ein Vergleich zwischen verschiedenen Erosionsansätzen herzustellen. Die Vegetationsentwicklung und Erosion der mediterranen Gebiete konnte mit diesem Modell gut abgebildet werden. Für die Vegetation der verschiedenen Klimagebiete und Habitate erwiesen sich die Wasserverfügbarkeit und die Infiltrationsrate als maßgeblich. Die Erosion wurde vor allem durch einzelne heftige Niederschlagsereignisse beeinusst. Dabei war vor allem am Hang und an steilen Neigungen ein hohes Erosionspotential gegeben. Störungen durch Beweidung wirkten negativ auf die Vegetation und verstärkten die Erosion. Feuer beeinusste die Vegetations- und Erosionsentwicklung nur geringfügig und ist somit zu vernachlässigen. Verschiedene Böden mit unterschiedlichen Texturen wiesen ein sehr unterschiedliches Erosionsverhalten auf. Dabei wiesen mittlere Korndurchmesser des Oberbodens von 0,02 bis 0,2 mm die höchste Erosion auf. Die Vegetationsentwicklung wurde hingegen von der Bodentextur nicht beeinust. Der Vergleich der Erosion berechnet durch die USLE und den Transportratenansatz verdeutlichte, dass die mittlere Erosion sehr ähnlich ausfällt. Die USLE wies weniger Variabilität in der Erosion auf und benötigte zudem recht detaillierte Bodendaten. Der Ansatz gerade für die Erosionsberechnung in Form der Transportrate zeigte ein gutes Vorhersagepotential auf. In sehr variablen Umwelten ist diese Methode gegenüber konservativen Erosionsmodellen zu bevorzugen, da interanuelle Dynamiken miterfasst werden, wie der Vergleich mit der USLE in der Studie gezeigt hatte. Mit Hilfe des Ansatzes der Transportrate besteht die Möglichkeit, Vorhersagen über Erosion ökonomisch und effizient zu gestalten.
This study investigates by a grid based model in the Mediterranean sites along a climate gradient from arid to mesic Mediterranean the effects of climate, exposition, gradient as well as disturbances by fire and grazing/browsing to the vegetation and erosion development. The vegetation algorithms are basing on Köchy (2006) and Malkinson and Jeltsch (2007). The surface processes like runoff and soil transport will be determined by physical and empirical models from Manning, Shields, Strickler and van Rijn. Furthermore the universal soil loss equation - USLE - (Wischmeier and Smith, 1978) was used to compare the different approaches with each other. The model was able to indicate the Vegetation and erosion development in the Mediterranean well. Thereby the infiltration rate and the water availability were the most important parameter for the vegetation development. However the erosion was mainly influenced by heavy precipitation events. Disturbances by grazing/browsing were negative for the vegetation cover and increase the erosion. The comparison of the erosion calculated by the USLE clarify at mean similar erosion rates, but the USLE was not able to demonstrate the intra annual variability. The approach to calculate the erosion by physical and empirical models display a good prediction especially in variable environments.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Röntgenanalysen an dünnen Schichten, die mittels reaktiver Magnetronzerstäubung hergestellt wurden, durchgeführt. Zuerst werden die theoretischen Grundlagen der Röntgenanalyse und der Herstellungsmethode behandelt. Es folgen Experimente an auf Chrom- und auf Zirkonium-basierenden Oxinitridschichten. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten mittels Röntgendiffraktometrie und -reflektometrie wird vorgestellt. Die Messungen der Schichtstöchiometrie und Beschichtungsrate werden ebenfalss dargestellt. Anschliessend kommt eine Diskussion. Die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und den beobachteten strukturen werden erläutert. Ein Modell zur reaktiven magnetronzerstäubung wird für den Fall der Kontrolle mit Flüssen angewandt
This work deals with X-ray analysis of thin films, The films were obtained with magnetron sputtering PVD method. The theoretical basis of the X-ray analysis and of the deposition method are presented. Experiments on chromiumoxinitride and zirconiumoxinitride are then presented. X-ray analysis consists in diffratometrie and reflectometrie. The composition of the coatings and the deposition rate are also presented. The relation between the deposition parameters and the observed structures is then discussed

A number of studies have been published in the last few decades on Pleistocene palaeo-temperature reconstruction based on isotopic studies on deep sea cores and ice core records from Greenland. Such temporal high-resolution data represents northern hemispheric circulations and has to be reconfirmed through the study of terrestrial archives in order to recognise the character of such fluctuations in different regions. Loess-palaeosol sequences (LPSs) are suitable to interpret them as palaeoenvironmental archives, because loess is a widely distributed terrestrial deposit and is datable using luminescence techniques. The Saxon loess region (SLR) is characterised by a loess cover of ca. 8 m thickness, mainly representing deposits of the last glacial cycle. Over the past 35 years, Saxon loess remains under-researched wherefore a reactivation with the objective of contributing to the European loess research is important. There is a clear need to re-examine Saxon LPSs and close this gap of knowledge, because in recent years much work has been done on important and European-wide known loess sections as well as in adjacent loess areas. In this study, LPSs from Saxony were investigated and a regional palaeoenvironmental reconstruction of the last Glacial/Interglacial cycle was developed. The established stratigraphical scheme has to be advanced by results of optically stimulated luminescence (OSL) dating. The stratigraphical results should be compared with previous work from Saxony and with results from adjacent loess areas, to verify if our results have to be interpreted as singularities or if they are in accordance with known European conceptions. Therefore, 8 sections, mostly never investigated before, were described and correlated with each other to finally generate an independent standard stratigraphy for this area. Carbonate content, pH-value, soil organic matter, total and pedogenic iron, magnetic susceptibility and classical grain size analyses were obtained from every section. Furthermore, rare earth elements concentrations were measured from selected positions in order to prove if there are variations in the deposit composition during the glaciation. The OSL dating results were processed by Kreutzer (2012). As previously noted, the first step towards a regional palaeoenvironmental reconstruction was to establish a standard stratigraphic scheme where all found units are involved. Based on features regarding grain size distribution, the found palaeosols and the magnetic susceptibility Baumgart et al. (2013), 5 units could be defined. Unit V reflects the pre-Weichselian sediments modified by the Eemian soil formation. Unit IV contains deposits from the beginning of the Weichselian glaciation. Typically, this unit starts with the first Weichselian deposit, a bright-greyish Mn- and Fe-precipitates enriched layer which shows an aggregation of charcoal at its top. This layer is covered by a greyish, humus-enriched and reworked relict of a Chernozem-like soil. After a Gelic Gleysol and a reddish-brownish soil sediment, a loess package with an embedded interstadial Cambisol-like soil is preserved. The top of the unit is represented by another brownish soil sediment which forms the lower part of the Gleina complex. Typically, unit IV is characterised by stronger reworked layers and soil sediments but at the Rottewitz section an older loess package is preserved. Unit III represents the reactivation of aeolian sedimentation. The base of this unit is made up of a strong Gelic Gleysol (upper part of the Gleina complex). The deposits of this unit are mostly pedogenically overprinted and show features of at least two Gelic Gleysols. Unit II is dominated by unweathered loess. Its lower part (unit IIb) is built of a more stratified loess facies whereas the upper part (unit IIa) is built of a homogeneous loess facies. They are separated by a strong Gelic Gleysol. Unit I represent the upper part of the loess section, which is modified by the Holocene and Late Pleistocene soil development. Within this succession, a huge hiatus is found between unit III and IV of ca. 35 ka. It is labelled as the Gleina complex according to Lieberoth (1963). Furthermore, we demonstrate how combined analyses of high-resolution grain size distributions and microscopic analysis can be used to discriminate depositional and pedogenetic features of loess-palaeosol profiles from the SLR. Generally, it was observed that an increase of coarse material is linked with an increase of the mineralogical components which refers to slope processes. Rounded shapes of Mn- and Fe-precipitates, mostly found in Early Weichselian humus layers, indicate strong interstadial soil development modified by subsequent redeposition. Further observations suggest that the class of medium sand is dominated by secondary precipitates. The varying amount of very fine sand shows that sequences are cyclically built up of pure loess comparable to the Nussloch section. Studying coarse grain size fractions by microscopic analysis, a differentiation between loessic layers formed by periglacial slope processes and layers overprinted by pedogenetic processes is possible. Furthermore, an increase of fine material and secondary Mn- and Fe-precipitates can be attributed to soil forming processes (clay formation, redoximorphic processes, and illuviation). Additionally, a palaeoenvironmental reconstruction for the Late Pleistocene is proposed. As palaeo-temperature proxies ice wedges, pure loess sedimentation or the platy soil structure due to former ice lensing for cold periods and soil formations or vegetation remnants for warmer periods were used. A reconstruction of wind speed is directly deduced from the very fine sand content. The stability/instability of the landscape surface could be indicated by soil formation (stable) or through an increase of coarse sand (active). The type of soil development for the reconstruction is of major importance. For example, a humus enriched soil indicates warmer and dryer conditions than a Gelic Gleysol. The results of grain size analyses reveal a similar temporal and lithogenic pattern of Weichselian aeolian dynamics of the study area and other records from Europe. Furthermore, grain size results independently confirm the luminescence chronology of the studied sections. Reworked loess-like sediments show varying OSL age estimates; aeolian loess shows a systematic change of OSL ages. Generally, the findings of this study agree with observations from other loess areas. In most areas, a similar hiatus between Middle and Upper Weichselians is documented. Additionally, OSL dating suggests that we found an older loess package with an age between ca. 60 and 70 ka and a younger loess package with an age of ca. 15 and 30 ka. These periods of aeolian deposition are in accordance with MIS 4 and MIS 2 as well as with dust concentrations results derived from lake sediments and from ice cores. A major finding of this study is that we uncover the internal differences of loess-palaeosol sequences regarding their temporal resolution. In periods of loess sedimentation, a temporally high-resolution record is preserved. In contrast, in periods dominated by interstadial soil development or redeposition, a temporal low-resolution record is preserved and a reconstruction of palaeoenvironment is almost impossible
In den vergangenen Jahrzehnten wurden viele Studien über die Rekonstruktion der pleistozänen Temperaturentwicklung veröffentlicht, welche anhand von Isotopenanalysen aus Tiefsee- und Eisbohrkernen des grönländischen Eises abgeleitet werden konnten. In solchen zeitlich hochaufgelösten Daten sind nordhemisphärische Klimaschwankungen repräsentiert und diese sollten durch Untersuchungen terrestrischer Archive validiert und deren regionale Ausprägung in verschiedenen Räumen abgeschätzt werden. Löss-Paläobodensequenzen eignen sich hervorragend als Paläoumweltarchiv, da der Löss ein weit verbreitetes Sediment und mittels Lumineszenzverfahren datierbar ist. Die Sächsische Lössregion ist durch eine ca. 8 m mächtige Lössdecke charakterisiert, welche vornehmlich aus Ablagerungen des letzten glazialen Zyklus besteht. In den vergangenen 35 Jahren wurde die Lössforschung in diesem Raum vernachlässigt, sodass eine Wiederbelebung wichtig ist, um einen Beitrag zur europäischen Lössforschung zu leisten. Da in den letzten Jahren an wichtigen europäischen Lössprofilen, wie auch in angrenzenden Lössregionen, intensiv geforscht wurde besteht der dringende Bedarf, die Forschungen an sächsischen Löss-Paläobodensequenzen wieder aufzunehmen und die entstandene Wissenslücke zu schließen. In dieser Studie werden sächsische Löss-Paläobodensequenzen untersucht und eine regionale Umweltrekonstruktion für den letzten glazialen Zyklus vorgestellt. Die Standardstratigraphie wird dabei durch optisch stimulierte Lumineszenz (OSL)-Alter erweitert. Die Ergebnisse werden mit älteren Arbeiten aus diesem Raum verglichen, um abzuschätzen, ob es sich hierbei um Einzelbefunde handelt oder ob sich die Ergebnisse in schon bekannte europäische Konzepte einordnen lassen. Es werden 8, meist noch nie bearbeitete Profile beschrieben und miteinander korreliert, um schließlich eine unabhängige Standardstratigraphie für diesen Raum zu erarbeiten. Von jedem Profil wurde der Kalkgehalt, der pH-Wert, der Anteil der organischen Substanz, das pedogene und Gesamteisen, die magnetische Suszeptibilität und die Korngrößenverteilung (klassisch) bestimmt. Zudem wurde die Konzentration der Seltene Erden Elemente an ausgewählten Positionen bestimmt, um zu prüfen, ob es Verschiebungen in der mineralogischen Zusammensetzungen über das letzte Glazial hinweg gab. Die OSL-Datierungen wurden dabei von Kreutzer (2012) realisiert. Wie schon erläutert wurde, bestand der erste Arbeitsschritt darin, eine Standardstratigraphie zu erarbeiten, worin alle Befunde integriert werden können. Auf Grundlage der Korngrößenverteilung, der gefundenen Paläoböden und der magnetischen Suszeptibilität Baumgart et al. (2013) konnten 5 Einheiten ausgewiesen werden. Die Einheit V stellt die prä-weichselzeitlichen Sedimente dar, welche von der eemzeitlichen Bodenbildung überprägt wurden. Einheit IV beinhaltet die Sedimente vom Beginn der Weichselkaltzeit. Typischerweise befindet sich an der Basis dieser Einheit eine hellgraue, an Mn- und Fe-Konkretionen angereicherte Schicht, welche eine Häufung von Holzkohlebruchstücken im oberen Bereich zeigt. Diese Schicht ist wiederum von einem Rest einer schwarzerdeähnlichen Bodenbildung überlagert und zeigt eine Anreicherung an organischer Substanz. Über einem Nassboden und einem rotbraunen Bodensediment ist ein Lösspaket, mit einem zwischengelagerten interstadialen braunerdeartigen Boden, erhalten. Der obere Bereich der Einheit IV ist durch ein weiteres rötlichbraunes Bodensediment geprägt, welches dem unteren Teil des Gleinaer Komplexes entspricht. Normalerweise ist die Einheit IV in Sachsen durch stark umgelagerte Schichten charakterisiert, jedoch ist im Profil Rottewitz in dieser Einheit ein älteres Lösspaket erhalten. Die Einheit III repräsentiert eine Reaktivierung der äolischen Sedimentation. Ihre Basis bildet ein kräftiger Nassboden (oberer Teil des Gleinaer Komplex). Die Sedimente dieser Einheit sind meist pedogen überprägt und es können mindestens zwei separate Nassböden ausgewiesen werden. Die Einheit II besteht vornehmlich aus unverwittertem kalkhaltigen Löss. Ihr unterer Abschnitt (Einheit IIb) wird durch eine streifige Löss-Fazies gebildet, wohingegen der obere Teil von einer homogenen Löss-Fazies dominiert wird. Diese sind durch einen kräftigen Nassboden voneinander getrennt. Die Einheit I bildet den oberen Teil des Lössprofiles und ist durch die pedogene Überprägung der spätpleistozänen und holozänen Bodenentwicklung geprägt. In dieser Abfolge ist ein Alterssprung von ca. 35 ka zwischen der Einheit IV und III nachgewiesen. Dieser Hiatus befindet sich im durch Lieberoth (1963) definierten Gleinaer Komplex. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe einer kombinierten Untersuchung aus Korngrößenanalyse und Mikroskopieren es möglich ist, eine durch Bodenbildung bedingte und eine durch Umlagerung hervorgerufenen Überformung von Lösssedimenten voneinander zu unterscheiden. Generell wurde festgestellt, dass ein Anstieg der groben Kornfraktionen oft mit einer Erhöhung der mineralischen Komponente einhergeht und dies auf laterale Umlagerungsprozesse hindeutet. Abgerundete Mn- und Fe-Konkretionen aus humosen frühweichselzeitlichen Schichten lassen eine kräftige interstadiale Bodenentwicklung mit anschließender Umlagerung vermuten. Es wurde zudem festgestellt, dass die Mittelsandfraktion durch sekundäre Fe- und Mn-Konkretionen dominiert wird. Der variierende Feinstsandanteil zeigt, dass die Sequenzen in verschiedenen Zyklen aus unverwittertem Löss aufgebaut wurden, wie es auch aus dem Profil Nussloch beschrieben wird. Bodenbildungsprozesse bedingen demgegenüber ein Anstieg der Feinkomponenten und der Mn- und Fe-Konkretionen in den Sandfraktionen. Weiterhin wird eine Paläoumweltrekonstruktion für das Spätpleistozän vorgeschlagen. Hierbei werden verschiedenste Indikatoren als Paläotemperaturzeiger herangezogen. Für kalte Phasen stehen zum Beispiel Eiskeilpseudomorphosen, Pakete aus unverwittertem Löss oder plattige Strukturen infolge von Schichteisbildung. Für wärmere Phasen sprechen Paläoböden oder Pflanzenreste. Eine Rekonstruktion der Paläowindgeschwindigkeiten wird direkt über die Feinstsandanteile abgeleitet. Die Stabilität einer Landschaftoberfläche wird durch Bodenbildungen (stabil) oder einem Anstieg der groben Sandkomponenten (aktiv) repräsentiert. Den Paläoböden kommt bei einer solchen Rekonstruktion eine Schlüsselstellung zugute. Zum Beispiel signalisiert ein Steppenboden wärmere und trockenere Bedingungen im Vergleich mit einem Nassboden. Die Ergebnisse der Korngrößenuntersuchungen zeigen, dass hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer chronologischen Einordnung die äolisch dominierten Phasen der sächsischen Lössprofile bekannten Mustern aus anderen Archiven in Europa folgen. Zudem zeigt sich, dass die Ergebnisse der Korngrößenverteilung die mittels OSL bestimmten Alter untermauern. Umgelagerte Sedimente zeigen größere Altersschwankungen, wohingegen äolische Sedimente eine kontinuierliche Altersentwicklung haben. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen stimmen mit Beobachtungen aus anderen Lössgebieten überein. In den meisten Regionen wird ein ähnlicher Hiatus zwischen der mittleren und oberen Weichselkaltzeit beschrieben. Zudem deuten die OSL-Ergebnisse an, dass in Sachsen ein älteres Lösspaket mit einem Alter von ca. 60 bis 70 ka und ein jüngeres Lösspaket mit einem Alter von ca. 15 bis 30 ka existiert. Die beiden äolischen Phasen korrelieren mit der marinen Isotopenstufe 4 (MIS) beziehungsweise der MIS 2, sowie mit Ergebnissen pleistozäner Staubkonzentration der Atmosphäre, abgeleitet aus Seesedimenten oder Eisbohrkernen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Untersuchungen ist, dass wir innerhalb eines Lössprofiles Pakete unterschiedlicher zeitlicher Auflösung identifizieren konnten. Aus Phasen kräftiger Lösssedimentation sind zeitlich hoch aufgelöste Sequenzen erhalten. Demgegenüber ist aus Phasen, dominiert durch Bodenbildungen oder Umlagerungen, ein zeitlich nur sehr schlecht aufgelöstes Archiv erhalten, weshalb anhand dieser Abschnitte eine Paläoumweltrekonstruktion nur bedingt möglich ist

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Ultrafeinkörnige metallische Werkstoffe haben verstärkt wissenschaftliche Bedeutung erlangt. Um dieser neuartigen Werkstoffklasse über die grundlagenorientierte Forschung hinaus einen Einsatz in technischen Anwendungen zu ermöglichen, ist es notwendig, deren Verhalten unter verschiedenen einsatzrelevanten Belastungsbedingungen vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten einer ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung in den Bereichen der hochzyklischen (HCF) und niedrigzyklischen (LCF) Ermüdung sowie des Rissfortschritts untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Identifikation der mikrostrukturell wirksamen Mechanismen bei der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Es werden ein homogen ultrafeinkörniger und ein bimodaler Zustand sowie verschiedene duktilitätsoptimierte Zustände betrachtet und systematisch der Einfluss der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Ausscheidungscharakteristik sowie der Festigkeit und Duktilität auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schädigungsverhalten der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung insbesondere durch die Korngröße und Korngrößenverteilung sowie den Kohärenzgrad der festigkeitssteigernden Ausscheidungen beeinflusst wird.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Korngröße und der Gefügestabilität auf die zyklische Plastizität von mikro- und submikrokristallinem Nickel, hergestellt durch ECAP und PED, untersucht. Zur Gefügecharakterisierung kamen verschiedene elektronenmikroskopische und röntgenographische Methoden zum Einsatz. Die Untersuchungen zur Gefügestabilität zeigten, dass (i) die Stabilität der Korn- und Substruktur bei der zyklischen Verformung empfindlich vom Gefüge im Ausgangszustand abhängt, (ii) generell die Tendenz zur Umwandlung der vorhandenen Substruktur in eine universelle ermüdungstypische Substruktur besteht, diese Transformation jedoch durch die lokale Gefügebeschaffenheit be- bzw. verhindert sein kann und (iii) zur Erklärung des Entfestigungsverhaltens der ECAP-Materialien sowohl die Transformation der Substruktur als auch die Vergröberung der Kornstruktur berücksichtigt werden müssen. Auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit und unter Hinzunahme von Resultaten aus der Literatur lassen sich Schlussfolgerungen zum Einfluss der Korngröße auf die zyklische Plastizität in einem vier Größenordnungen umfassenden Korngrößenbereich ziehen. In grob- und feinkörnigem Nickel bilden sich bei der zyklischen Verformung ermüdungstypische Versetzungsstrukturen, deren Abmessungen kaum von der Korngröße abhängen. Der Versetzungslaufweg in diesen Materialien ist wesentlich kleiner als die Kornabmessungen. Dementsprechend besteht höchstens ein schwacher Einfluss der Korngröße auf das sich bei der Wechselverformung einstellende Spannungsniveau. Bei mikro- und submikrokristallinem Nickel, wo der Versetzungslaufweg in der Größenordung der Kornabmessungen liegt, wird ein deutlicher Umschlag bei der Versetzungsmusterbildung und dem zyklischen Verformungsverhalten beobachtet. In diesem Korngrößenbereich entstehen entweder qualitativ andere (D<DS1=5µm) oder keine Versetzungsstrukturen (D<DS2=1µm) und das Spannungsniveau steigt mit sinkender Korngröße entsprechend einer HALL-PETCH-Beziehung.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Korngröße und der Gefügestabilität auf die zyklische Plastizität von mikro- und submikrokristallinem Nickel, hergestellt durch ECAP und PED, untersucht. Zur Gefügecharakterisierung kamen verschiedene elektronenmikroskopische und röntgenographische Methoden zum Einsatz. Die Untersuchungen zur Gefügestabilität zeigten, dass (i) die Stabilität der Korn- und Substruktur bei der zyklischen Verformung empfindlich vom Gefüge im Ausgangszustand abhängt, (ii) generell die Tendenz zur Umwandlung der vorhandenen Substruktur in eine universelle ermüdungstypische Substruktur besteht, diese Transformation jedoch durch die lokale Gefügebeschaffenheit be- bzw. verhindert sein kann und (iii) zur Erklärung des Entfestigungsverhaltens der ECAP-Materialien sowohl die Transformation der Substruktur als auch die Vergröberung der Kornstruktur berücksichtigt werden müssen. Auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit und unter Hinzunahme von Resultaten aus der Literatur lassen sich Schlussfolgerungen zum Einfluss der Korngröße auf die zyklische Plastizität in einem vier Größenordnungen umfassenden Korngrößenbereich ziehen. In grob- und feinkörnigem Nickel bilden sich bei der zyklischen Verformung ermüdungstypische Versetzungsstrukturen, deren Abmessungen kaum von der Korngröße abhängen. Der Versetzungslaufweg in diesen Materialien ist wesentlich kleiner als die Kornabmessungen. Dementsprechend besteht höchstens ein schwacher Einfluss der Korngröße auf das sich bei der Wechselverformung einstellende Spannungsniveau. Bei mikro- und submikrokristallinem Nickel, wo der Versetzungslaufweg in der Größenordung der Kornabmessungen liegt, wird ein deutlicher Umschlag bei der Versetzungsmusterbildung und dem zyklischen Verformungsverhalten beobachtet. In diesem Korngrößenbereich entstehen entweder qualitativ andere (D<DS1=5µm) oder keine Versetzungsstrukturen (D<DS2=1µm) und das Spannungsniveau steigt mit sinkender Korngröße entsprechend einer HALL-PETCH-Beziehung.

The increasing clock speed and the further reduction of the feature size in integrated circuits lead to increasing demands on the interconnecting material. Thus an increasing need for a metallization with low electrical resistance and high electromigration endurance exist. Copper can be count as a material with these properties. Since 1998 Copper interconnections are commercially manufactured for integrated circuits. Electromigration is the most lifetime limiting factor in modern integrated circuits. The main the electromigration behavior influencing parameter and especially the influence of the microstructure is unknown. In this work the influence of the grain boundaries and their properties on the electromigration is examined at sputtered (PVD) and electroplated (ECD) Copper interconnects. For this investigation microstructure mappings produced by electron backscatter diffraction (EBSD) are correlated to in-situ electromigration experiments inside the SEM to research the electromigration behavior and the diffusion paths. Microstructure analysis shows big a difference between the two investigated types of interconnects. In both a strong <111> fibre texture is observed, but the PVD Copper shows a stronger texture than the electroplated one. The texture index of the PVD interconnects is 15,9 whereas the ECD lines show an index of 3,9. The frequency densities of the grain boundary misorientation, which is important for the electromigration behavior, are very different for both films. The ECD lines show a fraction of 55% Sigma 3 twin boundaries and 40% high angle grain boundaries. In contrast the PVD interconnects show a fraction of 5% Sigma 3 twin boundaries, 75% high angle grain boundaries and 20% small angle grain boundaries. This shows that a reduction of the high angle grain boundaries is not related to a strong <111> fibre texture. With in-situ experiments correlated to microstructure analysis it is shown, that voiding at high angle grain boundaries occur in the down wind of blocking grains or sites where only Sigma 3 twin boundaries are present. Hillocks were formed at high angle grain boundaries in the upwind of blocking grains or sites where only small angle grain boundaries or Sigma 3 twin boundaries are found. By a statistical evaluation of the in-situ experiments it is shown that more than 50% of the observed electromigration damages could be ascribed clearly to a grain boundary related local mass flux divergence. At strings of high angle grain boundaries voiding at the cathode side and hillock growth at the anode side is shown. The distance between these voids and hillocks is always higher than the Blech length. As the current density increases the distance between these voids and hillocks decreases according to Blech´s law, whereby it´s valid for local divergence is shown. FIB cuts show, that hillocks on PVD lines grow non-epitaxial in contrast to hillocks on ECD lines, which show epitaxial growth. These differences of hillock´s growth may suggest different underlying growth mechanisms. Reliability testing performed on PVD Copper interconnects lead to an activation energy for electromigration of 0,77eV ± 0,07eV. The confidence interval includes reported values for surface and also grain boundary diffusion. This indicates that the electromigration in these experiments is mainly influenced by surface and grain boundary diffusion. In this work the nucleation of voids and hillocks related to the previous analysed microstructure is observed inside the SEM and correlated to high angle grain boundaries and their misorientation angle. The result of this work show that electromigration damage in Copper interconnects is mostly caused by inhomogeneities of the microstructure. In this process the high angle grain boundaries are the main diffusion path
Mit steigender Taktrate u. weiter fortschreitender Integrationsdichte in mikroelektr. Schaltungen nehmen d. Anforderungen an d. Metallisierungsmaterial weiter zu. Es besteht d. zunehmende Forderung nach Metallisierungen mit geringem elektrischen Widerstand u. hoher Elektromigra- tionsfestigkeit. Kupfer kann als Material angesehen werden, welches d. Anforderungen erfüllt. Seit 1998 wird Kupfer als Metallisierungsmaterial in höchstintegr. Schaltun- gen eingesetzt. Die Elektromigration (EM) ist der d. Zuver- lässigkeit am meisten begrenzende Faktor in mod. mikro- elektron. Schaltungen. Die Haupteinflußgrößen auf d. Elektromigrationsverhalten u. insbes. d. Einfluß d. Gefüges ist unklar. In d. Arbeit wird an nichtpassivier- ten physikalisch (PVD) u. galvanisch (ECD) abgeschied. Kupferleitbahnen d. Einfluß d. Korngrenzen u. deren Eigenschaften auf d. Elektromigrationsverhalten untersucht. Dazu werden Gefügeanalysen mittels Kikuchi-Rückstreutechnik u. in-situ Elektromigrationsexperimente im Rasterelektron- enmikroskop gekoppelt, um d. Elektromigrationsverhalten u. d. Migrationspfade zu erforschen. Gefügeuntersuchungen zeigen, daß d. untersuchten Leitbahnen sich in ihren Gefügeeigenschaften deutl. unterscheiden. Beide Schichten zeigen e. <111> Fasertextur, wobei d. PVD-Leitbahnen e. deutl. schärfere Textur mit e. Texturfaktor von 15,9 gegenüber den ECD-Leitbahnen d. e. Texturfaktor von 3,9 aufweisen. Die Häufigkeitsverteilungen d. Korngrenz- Misorientierung, sind für d. beiden Schichten unterschiedl. Die ECD-Leitbahnen zeigen e. Anteil von 55% Sigma 3-Korngrenzen und 40% Großwinkelkorngrenzen. Die PVD- Leitbahnen hingegen weisen nur e. Anteil von 5% Sigma 3-Korngrenzen, 75% Großwinkelkorngrenzen u. 20% Kleinwin- kelkorngrenzen auf. Dadurch wird gezeigt, daß e. scharfe <111> Textur keine Reduzierung d. Großwinkelkorngrenzen zur Folge haben muß. Anhand von in-situ Experimenten gekoppelt mit Gefügeanalysen wird gezeigt, daß Porenbildung an Groß- winkelkorngrenzen hinter blockierenden Körnern oder hinter Bereichen auftritt, in d. nur Sigma 3-Korngrenzen o. Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Hügelbildung tritt an Großwinkelkorngrenzen vor blockierenden Körnern o. Berei- chen auf, in denen nur Kleinwinkelkorngrenzen o. Sigma 3-Korngrenzen vorliegen. Mit e. statist. Auswertung d. in-situ Experimente wird gezeigt, daß mehr als d. Hälfte aller Elektromigrationsschädigungen bei beiden Herstellungsmethoden eindeutig auf e. korngrenzbedingte lokale Divergenz im Massenfluß zurückzuführen sind. An Ketten von Großwinkelkorngrenzen wird verdeutl., daß kathodenseitig Porenbildung und anodenseitig Hügelbildung auftritt. Der Abstand zw. Pore u. Hügel liegt hier immer oberh. d. Blechlänge. Mit zunehmender Stromdichte nimmt d. Pore-Hügel-Abstand entspr. d. Blechtheorie ab, wodurch gezeigt wird, daß d. Blechtheorie auch bei lokalen Flußdivergenzen gilt. FIB-Querschnittsanalysen zeigen, daß Hügel auf PVD-Leitbahnen nicht epitaktisch mit d. darunterliegenden Schicht verwachsen sind im Gegensatz zu Hügeln auf ECD-Leitbahnen, die teilw. e. epitaktische Verwachsung mit d. Leitbahn zeigen. Lebensdauermessungen an PVD-Leitbahnen ergeben e. Aktivierungsenergie von 0,77eV ± 0,07eV. Es ist davon auszugehen, daß das Elektromigrationsverhalten d. hier untersuchten unpassi- vierten Leitbahnen haupts. von Korngrenz- u. von Oberfläch- endiffusion beeinflußt wird. In d. Arbeit wurde zum ersten Mal an Kupferleitbahnen d. Entstehung von eit- bahnschädigungen im Zusammenhang mit dem vorher aufgenomme- nen Gefüge im Rasterelektronenmikroskop direkt beobachtet u. mit d. Korngrenzen u. d. Korngrenzwinkeln in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse d. Arbeit zeigen, daß Schädigungen durch Elektromigration in Kupferleitbahnen vorw. durch Gefügeinhomogenitäten entstehen. Bei d. Prozeß sind Großwinkelkorngrenzen d. bevorzugte Diffusionspfad

Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT) werden für die Anwendung als Sensor oder Aktuator in vielfältigen Geometrien und über sehr unterschiedliche Verfahren hergestellt. Aus technologischenGründen ergeben sich bei einigen dieser Verfahren Besonderheiten im Gefüge wie z.B.ein hoher Porenanteil oder kleine mittlere Korngrößen. Da sich diese Parameter auf die Eigenschaften eines ferroelektrischen Materials auswirken, ist die Gefügeabhängigkeit der Materialeigenschaften von PZT-Keramiken von verschiedenen Arbeitsgruppen detailliert untersucht worden. Über die Auswirkungen sehr kleiner Korngrößen bestand in der Literatur dennoch bisher Uneinigkeit. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit feinkörnige PZT-Keramiken, die über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden, im Bezug auf die Material- und strukturellen Eigenschaften untersucht. Dabei war besonders die morphotrope Phasengrenze (MPG) rhomboedrisch-tetragonal von Interesse. Messungen der dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften zeigten unterhalb einer Grenzkorngröße von etwa 1 µm einen starken Einfluß des Gefüges und führten zu der Annahme, daß sich die MPG mit abnehmender Korngröße zu titanreicheren Zusammensetzungen verschiebt. Diese Vermutungen konnten durch quantitative Phasenanalysen auf der Basis von Pulverbeugungsdiagrammen bestätigt werden. In Analogie zu in der Literatur dokumentierten Arbeiten müssen innere Spannungen als Ursache dieser Verschiebung angenommen werden. Bisher wurde davon ausgegangen, daß solche inneren Spannungen bei der ferroelektrischen Umwandlung durch die Klemmung der Körner in der keramischen Matrix entstehen und nur in dichtgesinterten Keramiken auftreten können. Die in dieser Arbeit untersuchten Proben weisen aufgrund der Herstellungsmethode gleichzeitig mit der Abnahme der Korngröße jedoch einen erhöhten Porenanteil auf. Dennoch wurde mit abnehmender Korngröße eine zunehmende Klemmung beobachtet. Ergänzend dazu wurden keine signifikanten Unterschiede in der Kristallstruktur und im Phasenbestand zwischen gemörserten und ungemörserten Proben festgestellt. Die Klemmung muß daher in den Kristalliten selbst auftreten und ist auf die Verzerrung des Kristallgitters im Bereich von Domänenwänden zurückzuführen. Die bei kleinen Körnern ausgebildeten Domänen im nm-Bereich sind fast vollständig verspannt. Diese Verspannung führt zu einer Deformation der Elementarzellen, und wie durch Berechnungen nach der Devonshire-Theorie nachgewiesen wurde, zur Veränderung der Freien Enthalpie der tetragonalen und rhomboedrischen Phase. Die tetragonale Struktur wird destabilisiert und die MPG verschiebt sich zu höheren Titangehalten. Für die technische Anwendung solcher feinkörniger Keramiken muß diese Verschiebung der Phasengrenze berücksichtigt werden. Der Versatz ist mit einem entsprechen höheren Titangehalt zu versehen, um die optimalen Materialeigenschaften im Bereich der morphotropen Phasengrenze nutzen zu können
Lead zirconate titanate ceramics (PZT) are widely used as sensor or actuator material. Therefore special geometries like thin films or rods and fibers have been developed during the last decades. The new technologies are often connected with constraints concerning the microstructure of the ceramic. To avoid damage of substrate material or to prevent geometry loss the firing temperature is often limited to low values. Therefore poor microstructural properties like small grain sizes and high porosity result in some cases. For that reason the correlation between microstructure and material properties has been intensively investigated by several research groups. Nevertheless there is not much information about very small grain sizes in the range below 1 µm. Within this work fine grained Nd-doped PZT-ceramics were synthesized by a sol-gel process. The dielectric, ferroelectric and structural properties were investigated in dependence of the chemical composition and the microstructure. The morphotropic phase boundary (MPB) between the rhombohedral and tetragonal phase was of special interest. The dielectric and ferroelectric properties show a strong influence below a critical grain size of about 1 µm. From these measurements it was concluded that the MPB is shifted towards the titanium-rich composition by lowering of the grain size. The refinement of the crystal structure and quantitative phase analysis by x-ray diffraction confirmed this assumption. In analogy to the literature internal stress is assumed to be the origin of the change in the phase stability and the crystal structure. It is generally accepted that in fully dense sintered PZT-material clamping of grains in the ceramic matrix leads to complex stress fields and influences the crystal structure and phase stability. But the samples investigated in this work show clamping effects despite porosity and even after grinding. Therefore the internal stress is developed within the grains and only partly originates from the matrix. The key to understand this fact is the structure of the domain walls. The change between different crystal orientations is connected with a distortion of the crystal lattice. The distorted region spreads over several unit cells. It is known that in very small grains the domain size decreases significantly. At low grain sizes most of the domain is distorted. It was shown using the Devonshire-theory that these distortions stabilize the tetragonal phase over the rhombohedral structure. This leads to the observed shift of the MPB towards higher titanium contents. For the application of PZT-ceramics with small grain sizes this effect is to be taken into consideration. The material can be improved by changing the Zr/Ti-ratio to a higher titanium content

Ein metastabiler austenitischer Stahl der Zusammensetzung 16Cr-7Mn-6Ni wurde einerseits über die Methode der Rückumwandlung in Werkstoffzustände verschiedener Korngrößen überführt und andererseits additiv über das Electron Beam Melting (EBM)-Verfahren gefertigt. Das statische und das zyklische Verformungsverhalten werden stark von der Korngröße beeinflusst. Insbesondere der ultrafeinkörnige Zustand verzeichnete einen erheblichen Anstieg der Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. Die Lebensdauer übertraf bei niedrigen Dehnungsamplituden die Lebensdauer der Vergleichszustände und lag - für ultrafeinkörnige Gefüge außergewöhnlich - selbst bei hohen zyklischen Beanspruchungen auf einem vergleichbaren Niveau. Im Gegensatz zur Korngröße hatten die prozessinhärenten Defekte der mittels EBM hergestellten Varianten kaum einen Effekt auf das Verformungsverhalten des Stahls. Auch die Absenkung der Lebensdauer fiel vergleichsweise gering aus. Diese hervorragende Schadenstoleranz wird der hohen Duktilität in Kombination mit der enormen Verfestigungskapazität zugeschrieben.

The sequential extraction scheme BCR 701 has been applied to the upper 2 cm layer of 39 sediment samples from Inner Kingston Basin, Ontario. The samples were also been characterized by water content, loss on ignition at 550°C and 950°C and by particle size distribution. Methodological problems occurred during particle size analysis, caused by agglomerating effects, mainly driven by organic matter, which is fairly resistant against oxidation by hydrogen peroxide due to natural manganese dioxide particles in the sediments. This leads to an overestimation of the clay content. For the same reason, the digestion in step 3 of the sequential extraction was insufficient, so that typical organic bound metals were found in the residual fraction. From factor and cluster analysis of all data three main substrate element associations were derived: The carbonate group contains Ca, Sr, LOI 950°C from calcite, and in step 2 additional Mg extracted from dolomite. Secondly, the organic associations include LOI 550°C, water content and clay content, and finally the metals (except from carbonate bound metals) which are more or less linked to the organic associations. Regionalized maps using inverse distance weighting or ordinary Kriging have been judged to be less precise and informative than point data maps using a classification following equal standard deviation distances and additional statistical information, box plots and histograms. Compared to the geogenic background, all samples show a significant metal enrichment in the mobile fractions, so that they could easily be remobilized during changing environmental conditions. Higher enrichment rates have been detected around the city of Kingston, mainly the harbour region, and close to the outlet of Kingston s sewage treatment plant. Generally, local contamination can easily be detected and differentiated according to their origin from sequential extraction data.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

A number of studies have been published in the last few decades on Pleistocene palaeo-temperature reconstruction based on isotopic studies on deep sea cores and ice core records from Greenland. Such temporal high-resolution data represents northern hemispheric circulations and has to be reconfirmed through the study of terrestrial archives in order to recognise the character of such fluctuations in different regions. Loess-palaeosol sequences (LPSs) are suitable to interpret them as palaeoenvironmental archives, because loess is a widely distributed terrestrial deposit and is datable using luminescence techniques. The Saxon loess region (SLR) is characterised by a loess cover of ca. 8 m thickness, mainly representing deposits of the last glacial cycle. Over the past 35 years, Saxon loess remains under-researched wherefore a reactivation with the objective of contributing to the European loess research is important. There is a clear need to re-examine Saxon LPSs and close this gap of knowledge, because in recent years much work has been done on important and European-wide known loess sections as well as in adjacent loess areas. In this study, LPSs from Saxony were investigated and a regional palaeoenvironmental reconstruction of the last Glacial/Interglacial cycle was developed. The established stratigraphical scheme has to be advanced by results of optically stimulated luminescence (OSL) dating. The stratigraphical results should be compared with previous work from Saxony and with results from adjacent loess areas, to verify if our results have to be interpreted as singularities or if they are in accordance with known European conceptions. Therefore, 8 sections, mostly never investigated before, were described and correlated with each other to finally generate an independent standard stratigraphy for this area. Carbonate content, pH-value, soil organic matter, total and pedogenic iron, magnetic susceptibility and classical grain size analyses were obtained from every section. Furthermore, rare earth elements concentrations were measured from selected positions in order to prove if there are variations in the deposit composition during the glaciation. The OSL dating results were processed by Kreutzer (2012). As previously noted, the first step towards a regional palaeoenvironmental reconstruction was to establish a standard stratigraphic scheme where all found units are involved. Based on features regarding grain size distribution, the found palaeosols and the magnetic susceptibility Baumgart et al. (2013), 5 units could be defined. Unit V reflects the pre-Weichselian sediments modified by the Eemian soil formation. Unit IV contains deposits from the beginning of the Weichselian glaciation. Typically, this unit starts with the first Weichselian deposit, a bright-greyish Mn- and Fe-precipitates enriched layer which shows an aggregation of charcoal at its top. This layer is covered by a greyish, humus-enriched and reworked relict of a Chernozem-like soil. After a Gelic Gleysol and a reddish-brownish soil sediment, a loess package with an embedded interstadial Cambisol-like soil is preserved. The top of the unit is represented by another brownish soil sediment which forms the lower part of the Gleina complex. Typically, unit IV is characterised by stronger reworked layers and soil sediments but at the Rottewitz section an older loess package is preserved. Unit III represents the reactivation of aeolian sedimentation. The base of this unit is made up of a strong Gelic Gleysol (upper part of the Gleina complex). The deposits of this unit are mostly pedogenically overprinted and show features of at least two Gelic Gleysols. Unit II is dominated by unweathered loess. Its lower part (unit IIb) is built of a more stratified loess facies whereas the upper part (unit IIa) is built of a homogeneous loess facies. They are separated by a strong Gelic Gleysol. Unit I represent the upper part of the loess section, which is modified by the Holocene and Late Pleistocene soil development. Within this succession, a huge hiatus is found between unit III and IV of ca. 35 ka. It is labelled as the Gleina complex according to Lieberoth (1963). Furthermore, we demonstrate how combined analyses of high-resolution grain size distributions and microscopic analysis can be used to discriminate depositional and pedogenetic features of loess-palaeosol profiles from the SLR. Generally, it was observed that an increase of coarse material is linked with an increase of the mineralogical components which refers to slope processes. Rounded shapes of Mn- and Fe-precipitates, mostly found in Early Weichselian humus layers, indicate strong interstadial soil development modified by subsequent redeposition. Further observations suggest that the class of medium sand is dominated by secondary precipitates. The varying amount of very fine sand shows that sequences are cyclically built up of pure loess comparable to the Nussloch section. Studying coarse grain size fractions by microscopic analysis, a differentiation between loessic layers formed by periglacial slope processes and layers overprinted by pedogenetic processes is possible. Furthermore, an increase of fine material and secondary Mn- and Fe-precipitates can be attributed to soil forming processes (clay formation, redoximorphic processes, and illuviation). Additionally, a palaeoenvironmental reconstruction for the Late Pleistocene is proposed. As palaeo-temperature proxies ice wedges, pure loess sedimentation or the platy soil structure due to former ice lensing for cold periods and soil formations or vegetation remnants for warmer periods were used. A reconstruction of wind speed is directly deduced from the very fine sand content. The stability/instability of the landscape surface could be indicated by soil formation (stable) or through an increase of coarse sand (active). The type of soil development for the reconstruction is of major importance. For example, a humus enriched soil indicates warmer and dryer conditions than a Gelic Gleysol. The results of grain size analyses reveal a similar temporal and lithogenic pattern of Weichselian aeolian dynamics of the study area and other records from Europe. Furthermore, grain size results independently confirm the luminescence chronology of the studied sections. Reworked loess-like sediments show varying OSL age estimates; aeolian loess shows a systematic change of OSL ages. Generally, the findings of this study agree with observations from other loess areas. In most areas, a similar hiatus between Middle and Upper Weichselians is documented. Additionally, OSL dating suggests that we found an older loess package with an age between ca. 60 and 70 ka and a younger loess package with an age of ca. 15 and 30 ka. These periods of aeolian deposition are in accordance with MIS 4 and MIS 2 as well as with dust concentrations results derived from lake sediments and from ice cores. A major finding of this study is that we uncover the internal differences of loess-palaeosol sequences regarding their temporal resolution. In periods of loess sedimentation, a temporally high-resolution record is preserved. In contrast, in periods dominated by interstadial soil development or redeposition, a temporal low-resolution record is preserved and a reconstruction of palaeoenvironment is almost impossible.:1 Introduction 1.1 Relevance of Quaternary palaeoclimate research 1.2 Loess as an object of palaeoenvironmental research 1.2.1 Retrospect, research objectives, and motivation 1.3 Thesis format 2 Study I: Loess-palaeosol sequences from the loess area of Saxony (Germany) 2.1 Introduction 2.1.1 Geographical setting 2.2 Methods 2.3 Results 2.3.1 Leippen section 2.3.2 Seilitz section 2.3.3 Zehren section 2.3.4 Ostrau section 2.3.5 Zschaitz section 2.3.6 Klipphausen section 2.3.7 Gleina section 2.4 Interpretation and discussion 2.5 Conclusions 2.5.1 Local correlation 2.5.2 Composite profile 3 Study II: Identifying depositional and pedogenetic controls of Late Pleistocene loess-palaeosol sequences (Saxony, Germany) by combined grain size and microscopic analyses 3.1 Introduction 3.2 Geographical setting 3.3 Methods 3.4 Results and discussion 3.4.1 Description of general grain size distribution 3.4.2 Coarse sand 3.4.3 Very fine sand 3.4.4 Silt 3.4.5 Brown Gelic Gleysol 3.5 Summary 4 Study III: Late Pleistocene landscape dynamics in Saxony, Germany: Palaeoenvironmental reconstruction using loess-palaeosol sequences 4.1 Introduction 4.2 Study area 4.3 Material and methods 4.3.1 Field work and sedimentology 4.3.2 Luminescence dating 4.4 Reconstruction of landscape evolution parameters 4.4.1 Soils 4.4.2 Temperature 4.4.3 Wind speed 4.4.4 Redeposition 4.4.5 Landscape evolution dynamics index 4.5 Results 4.5.1 Luminescence dating 4.5.2 Stratigraphy 4.6 Discussions 4.6.1 Unit V & IV (>120 ka to ca. 60 ka) 4.6.2 Unit III (ca. 30 ka) 4.6.3 Unit IIb & IIa (<30 ka to >20 ka) 4.6.4 Unit I 4.6.5 Sedimentation 4.7 Conclusions and outlook 5 Extended summary 5.1 Characterisation of Saxon loess-palaeosol sequences 5.2 The revised Saxon standard profile 5.2.1 Internal differentiation of the Weichselian loess 5.2.2 Local correlation to previous work done on loess in Saxony 5.3 Chronostratigraphy of Saxon loess-palaeosol sequences 5.4 Chronostratigraphical comparison with other European loesspalaeosol sequences 5.5 Chronostratigraphical comparison with other archives A Appendix Bibliography
In den vergangenen Jahrzehnten wurden viele Studien über die Rekonstruktion der pleistozänen Temperaturentwicklung veröffentlicht, welche anhand von Isotopenanalysen aus Tiefsee- und Eisbohrkernen des grönländischen Eises abgeleitet werden konnten. In solchen zeitlich hochaufgelösten Daten sind nordhemisphärische Klimaschwankungen repräsentiert und diese sollten durch Untersuchungen terrestrischer Archive validiert und deren regionale Ausprägung in verschiedenen Räumen abgeschätzt werden. Löss-Paläobodensequenzen eignen sich hervorragend als Paläoumweltarchiv, da der Löss ein weit verbreitetes Sediment und mittels Lumineszenzverfahren datierbar ist. Die Sächsische Lössregion ist durch eine ca. 8 m mächtige Lössdecke charakterisiert, welche vornehmlich aus Ablagerungen des letzten glazialen Zyklus besteht. In den vergangenen 35 Jahren wurde die Lössforschung in diesem Raum vernachlässigt, sodass eine Wiederbelebung wichtig ist, um einen Beitrag zur europäischen Lössforschung zu leisten. Da in den letzten Jahren an wichtigen europäischen Lössprofilen, wie auch in angrenzenden Lössregionen, intensiv geforscht wurde besteht der dringende Bedarf, die Forschungen an sächsischen Löss-Paläobodensequenzen wieder aufzunehmen und die entstandene Wissenslücke zu schließen. In dieser Studie werden sächsische Löss-Paläobodensequenzen untersucht und eine regionale Umweltrekonstruktion für den letzten glazialen Zyklus vorgestellt. Die Standardstratigraphie wird dabei durch optisch stimulierte Lumineszenz (OSL)-Alter erweitert. Die Ergebnisse werden mit älteren Arbeiten aus diesem Raum verglichen, um abzuschätzen, ob es sich hierbei um Einzelbefunde handelt oder ob sich die Ergebnisse in schon bekannte europäische Konzepte einordnen lassen. Es werden 8, meist noch nie bearbeitete Profile beschrieben und miteinander korreliert, um schließlich eine unabhängige Standardstratigraphie für diesen Raum zu erarbeiten. Von jedem Profil wurde der Kalkgehalt, der pH-Wert, der Anteil der organischen Substanz, das pedogene und Gesamteisen, die magnetische Suszeptibilität und die Korngrößenverteilung (klassisch) bestimmt. Zudem wurde die Konzentration der Seltene Erden Elemente an ausgewählten Positionen bestimmt, um zu prüfen, ob es Verschiebungen in der mineralogischen Zusammensetzungen über das letzte Glazial hinweg gab. Die OSL-Datierungen wurden dabei von Kreutzer (2012) realisiert. Wie schon erläutert wurde, bestand der erste Arbeitsschritt darin, eine Standardstratigraphie zu erarbeiten, worin alle Befunde integriert werden können. Auf Grundlage der Korngrößenverteilung, der gefundenen Paläoböden und der magnetischen Suszeptibilität Baumgart et al. (2013) konnten 5 Einheiten ausgewiesen werden. Die Einheit V stellt die prä-weichselzeitlichen Sedimente dar, welche von der eemzeitlichen Bodenbildung überprägt wurden. Einheit IV beinhaltet die Sedimente vom Beginn der Weichselkaltzeit. Typischerweise befindet sich an der Basis dieser Einheit eine hellgraue, an Mn- und Fe-Konkretionen angereicherte Schicht, welche eine Häufung von Holzkohlebruchstücken im oberen Bereich zeigt. Diese Schicht ist wiederum von einem Rest einer schwarzerdeähnlichen Bodenbildung überlagert und zeigt eine Anreicherung an organischer Substanz. Über einem Nassboden und einem rotbraunen Bodensediment ist ein Lösspaket, mit einem zwischengelagerten interstadialen braunerdeartigen Boden, erhalten. Der obere Bereich der Einheit IV ist durch ein weiteres rötlichbraunes Bodensediment geprägt, welches dem unteren Teil des Gleinaer Komplexes entspricht. Normalerweise ist die Einheit IV in Sachsen durch stark umgelagerte Schichten charakterisiert, jedoch ist im Profil Rottewitz in dieser Einheit ein älteres Lösspaket erhalten. Die Einheit III repräsentiert eine Reaktivierung der äolischen Sedimentation. Ihre Basis bildet ein kräftiger Nassboden (oberer Teil des Gleinaer Komplex). Die Sedimente dieser Einheit sind meist pedogen überprägt und es können mindestens zwei separate Nassböden ausgewiesen werden. Die Einheit II besteht vornehmlich aus unverwittertem kalkhaltigen Löss. Ihr unterer Abschnitt (Einheit IIb) wird durch eine streifige Löss-Fazies gebildet, wohingegen der obere Teil von einer homogenen Löss-Fazies dominiert wird. Diese sind durch einen kräftigen Nassboden voneinander getrennt. Die Einheit I bildet den oberen Teil des Lössprofiles und ist durch die pedogene Überprägung der spätpleistozänen und holozänen Bodenentwicklung geprägt. In dieser Abfolge ist ein Alterssprung von ca. 35 ka zwischen der Einheit IV und III nachgewiesen. Dieser Hiatus befindet sich im durch Lieberoth (1963) definierten Gleinaer Komplex. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe einer kombinierten Untersuchung aus Korngrößenanalyse und Mikroskopieren es möglich ist, eine durch Bodenbildung bedingte und eine durch Umlagerung hervorgerufenen Überformung von Lösssedimenten voneinander zu unterscheiden. Generell wurde festgestellt, dass ein Anstieg der groben Kornfraktionen oft mit einer Erhöhung der mineralischen Komponente einhergeht und dies auf laterale Umlagerungsprozesse hindeutet. Abgerundete Mn- und Fe-Konkretionen aus humosen frühweichselzeitlichen Schichten lassen eine kräftige interstadiale Bodenentwicklung mit anschließender Umlagerung vermuten. Es wurde zudem festgestellt, dass die Mittelsandfraktion durch sekundäre Fe- und Mn-Konkretionen dominiert wird. Der variierende Feinstsandanteil zeigt, dass die Sequenzen in verschiedenen Zyklen aus unverwittertem Löss aufgebaut wurden, wie es auch aus dem Profil Nussloch beschrieben wird. Bodenbildungsprozesse bedingen demgegenüber ein Anstieg der Feinkomponenten und der Mn- und Fe-Konkretionen in den Sandfraktionen. Weiterhin wird eine Paläoumweltrekonstruktion für das Spätpleistozän vorgeschlagen. Hierbei werden verschiedenste Indikatoren als Paläotemperaturzeiger herangezogen. Für kalte Phasen stehen zum Beispiel Eiskeilpseudomorphosen, Pakete aus unverwittertem Löss oder plattige Strukturen infolge von Schichteisbildung. Für wärmere Phasen sprechen Paläoböden oder Pflanzenreste. Eine Rekonstruktion der Paläowindgeschwindigkeiten wird direkt über die Feinstsandanteile abgeleitet. Die Stabilität einer Landschaftoberfläche wird durch Bodenbildungen (stabil) oder einem Anstieg der groben Sandkomponenten (aktiv) repräsentiert. Den Paläoböden kommt bei einer solchen Rekonstruktion eine Schlüsselstellung zugute. Zum Beispiel signalisiert ein Steppenboden wärmere und trockenere Bedingungen im Vergleich mit einem Nassboden. Die Ergebnisse der Korngrößenuntersuchungen zeigen, dass hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer chronologischen Einordnung die äolisch dominierten Phasen der sächsischen Lössprofile bekannten Mustern aus anderen Archiven in Europa folgen. Zudem zeigt sich, dass die Ergebnisse der Korngrößenverteilung die mittels OSL bestimmten Alter untermauern. Umgelagerte Sedimente zeigen größere Altersschwankungen, wohingegen äolische Sedimente eine kontinuierliche Altersentwicklung haben. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen stimmen mit Beobachtungen aus anderen Lössgebieten überein. In den meisten Regionen wird ein ähnlicher Hiatus zwischen der mittleren und oberen Weichselkaltzeit beschrieben. Zudem deuten die OSL-Ergebnisse an, dass in Sachsen ein älteres Lösspaket mit einem Alter von ca. 60 bis 70 ka und ein jüngeres Lösspaket mit einem Alter von ca. 15 bis 30 ka existiert. Die beiden äolischen Phasen korrelieren mit der marinen Isotopenstufe 4 (MIS) beziehungsweise der MIS 2, sowie mit Ergebnissen pleistozäner Staubkonzentration der Atmosphäre, abgeleitet aus Seesedimenten oder Eisbohrkernen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Untersuchungen ist, dass wir innerhalb eines Lössprofiles Pakete unterschiedlicher zeitlicher Auflösung identifizieren konnten. Aus Phasen kräftiger Lösssedimentation sind zeitlich hoch aufgelöste Sequenzen erhalten. Demgegenüber ist aus Phasen, dominiert durch Bodenbildungen oder Umlagerungen, ein zeitlich nur sehr schlecht aufgelöstes Archiv erhalten, weshalb anhand dieser Abschnitte eine Paläoumweltrekonstruktion nur bedingt möglich ist.:1 Introduction 1.1 Relevance of Quaternary palaeoclimate research 1.2 Loess as an object of palaeoenvironmental research 1.2.1 Retrospect, research objectives, and motivation 1.3 Thesis format 2 Study I: Loess-palaeosol sequences from the loess area of Saxony (Germany) 2.1 Introduction 2.1.1 Geographical setting 2.2 Methods 2.3 Results 2.3.1 Leippen section 2.3.2 Seilitz section 2.3.3 Zehren section 2.3.4 Ostrau section 2.3.5 Zschaitz section 2.3.6 Klipphausen section 2.3.7 Gleina section 2.4 Interpretation and discussion 2.5 Conclusions 2.5.1 Local correlation 2.5.2 Composite profile 3 Study II: Identifying depositional and pedogenetic controls of Late Pleistocene loess-palaeosol sequences (Saxony, Germany) by combined grain size and microscopic analyses 3.1 Introduction 3.2 Geographical setting 3.3 Methods 3.4 Results and discussion 3.4.1 Description of general grain size distribution 3.4.2 Coarse sand 3.4.3 Very fine sand 3.4.4 Silt 3.4.5 Brown Gelic Gleysol 3.5 Summary 4 Study III: Late Pleistocene landscape dynamics in Saxony, Germany: Palaeoenvironmental reconstruction using loess-palaeosol sequences 4.1 Introduction 4.2 Study area 4.3 Material and methods 4.3.1 Field work and sedimentology 4.3.2 Luminescence dating 4.4 Reconstruction of landscape evolution parameters 4.4.1 Soils 4.4.2 Temperature 4.4.3 Wind speed 4.4.4 Redeposition 4.4.5 Landscape evolution dynamics index 4.5 Results 4.5.1 Luminescence dating 4.5.2 Stratigraphy 4.6 Discussions 4.6.1 Unit V & IV (>120 ka to ca. 60 ka) 4.6.2 Unit III (ca. 30 ka) 4.6.3 Unit IIb & IIa (<30 ka to >20 ka) 4.6.4 Unit I 4.6.5 Sedimentation 4.7 Conclusions and outlook 5 Extended summary 5.1 Characterisation of Saxon loess-palaeosol sequences 5.2 The revised Saxon standard profile 5.2.1 Internal differentiation of the Weichselian loess 5.2.2 Local correlation to previous work done on loess in Saxony 5.3 Chronostratigraphy of Saxon loess-palaeosol sequences 5.4 Chronostratigraphical comparison with other European loesspalaeosol sequences 5.5 Chronostratigraphical comparison with other archives A Appendix Bibliography