The stream function and Gauss' principle of least constraint: Two useful concepts for structural geology

To the extent that rock deformation can be approximated by a two-dimensional Newtonian model, a powerful stream-function simulation method is applicable. The significance of stream functions is that velocity, strain, stress and energy derived from the same stream function satisfy automatically three basic conditions of dynamics:

1. (1) the condition of continuity.

2. (2) the Navier-Stokes equations.

3. (3) conservation of energy.

Hence we state with Jaeger: “If a stream function can be found which satisfies the boundary conditions of a dynamic model the complete solution follows.” All pertinent bits of dynamic information are implied in the stream function from which they can be directly derived, guaranteed—so to speak—not to violate the basic conditions of dynamics. Stream functions useful in structural geology are solutions of: A double-polynomial solution of max. degree 14 is developed, in which the coefficients are related controlled by the ⁴ψ = 0 constraint, and their absolute values are determined by the boundary conditions of specific models and by the condition of maximum rate of energy dissipation or maximum rate of decline of potential energy. The polynomial stream function is applied to a collapsing viscous “nappe” consisting of a thin basal layer with low viscosity on which a thicker layer with high viscosity slides due to gravitational spreading. The velocity of forward movement depends upon absolute and relative values of the following parameters: viscosity, thickness, the aspect ratio and density. The velocity of a variety of nappes with different thicknesses, aspect ratios, viscosities and densities is determined.     

Denitrification rates measured along a salinity gradient in the eutrophic Neuse River estuary, North Carolina, USA

Denitrification rates along a salinity gradient in the eutrophic Neuse River Estuary, North Carolina, were quantified using membrane inlet mass spectrometry (MIMS) within short-term batch incubations. Denitrification rates within the system were highly variable, ranging from 0 to 275 μmol N m⁻² h⁻¹. Intrasite variability increased with salinity, but no significant differences were observed across the salinity gradient. Denitrification rates were positively correlated with sediment oxygen demand at the upstream sampling site where sediment organic carbon levels were lowest. This relationship was not observed in the more saline sampling sites. Denitrification rates were highest during winter. On an annual basis, denitrification accounted for 26% of the dissolved inorganic nitrogen and 12% of the total nitrogen supplied to the system.     

Provenance of the Bosnian Flysch

Sandwiched between the Adriatic Carbonate Platform and the Dinaride Ophiolite Zone, the Bosnian Flysch forms a c. 3000 m thick, intensely folded stack of Upper Jurassic to Cretaceous mixed carbonate and siliciclastic sediments in the Dinarides. New petrographic, heavy mineral, zircon U/Pb and fission-track data as well as biostratigraphic evidence allow us to reconstruct the palaeogeology of the source areas of the Bosnian Flysch basin in late Mesozoic times. Middle Jurassic intraoceanic subduction of the Neotethys was shortly followed by exhumation of the overriding oceanic plate. Trench sedimentation was controlled by a dual sediment supply from the sub-ophiolitic high-grade metamorphic soles and from the distal continental margin of the Adriatic plate. Following obduction onto Adria, from the Jurassic–Cretaceous transition onwards a vast clastic wedge (Vranduk Formation) was developed in front of the leading edge, fed by continental basement units of Adria that experienced Early Cretaceous synsedimentary cooling, by the overlying ophiolitic thrust sheets and by redeposited elements of coeval Urgonian facies reefs grown on the thrust wedge complex. Following mid-Cretaceous deformation and thermal overprint of the Vranduk Formation, the depozone migrated further towards SW and received increasing amounts of redeposited carbonate detritus released from the Adriatic Carbonate Platform margin (Ugar Formation). Subordinate siliciclastic source components indicate changing source rocks on the upper plate, with ophiolites becoming subordinate. The zone of the continental basement previously affected by the Late Jurassic–Early Cretaceous thermal imprint has been removed; instead, the basement mostly supplied detritus with a wide range of pre-Jurassic cooling ages. However, a c. 80 Ma, largely synsedimentary cooling event is also recorded by the Ugar Formation, that contrasts the predominantly Early Cretaceous cooling of the Adriatic basement and suggests, at least locally, a fast exhumation.     

Sedimentationszyklen und stratigraphisch-fazielle Probleme der Randfazies des Unteren Muschelkalkes (Kernbohrung Mersch/ Luxemburg)

Zusammenfassung Ausgehend von einem Vergleich randnaher Normprofile und der faziellen Analyse eines vollständigen Bohrprofils wird für die Randfazies des Unteren Muschelkalkes ein Sedimentationsmodell entwickelt, das auf der Basis klimatisch und epirogenetisch bedingter Untergliederungen des Profils neue Parallelisierungsmöglichkeiten mit beckenwärtigen Faziesbereichen eröffnet.Hervorstechendste Merkmale des Bohrprofils sind rhythmisches Auftreten von Magnesit — der als sedimentäre Bildung bislang nur in Zusammenhang mit chloridischen Evaporiten bekannt war —, eine sedimentologisch und geochemisch begründete zyklische Gliederung sowie intensive Bioturbation und zugleich durchgehende Vergipsung.Die Zyklen sind formal gekennzeichnet durch Koppelung von tonigem Sandstein mit geringen Eisen- und hohen Magnesiumgehalten einerseits und von rotem Ton und Silt mit hohen Eisen- und niedrigen Magnesiumwerten andererseits. Die Zyklen werden als Wechselfolge von litoralen Sedimentationsphasen in subtropischem Klima und Abschnürungsphasen mit Hungersedimentation in aridem Klima interpretiert. Der syndiagenetisch gebildete Magnesit ist dabei Tonsedimentationsphasen genetisch zugeordnet. Anhand der Verteilung der vier nicht-detritischen Hauptminerale Dolomit, Gips, Anhydrit und Magnesit wird der Diageneseablauf rekonstruiert.Nach einer Diskussion der Bildungsumstände und der Korrelierbarkeit bieten sich die Werksteinzone der Randfazies und die Spiriferinabank der Beckenfazies als sedimentologische Zeitmarke an.

---

A depositional model of the marginal facies of the Lower Muschelkalk (Middle Triassic) is developed by comparison of near-marginal profiles and a facies analysis of a complete drilling record. It is based upon climatologically and epirogenetically caused partitions of the profile and opens new possibilities of correlation with basinal areas.Significant features of the drilling record are rhythmic occurrences of magnesite in sediments only known in connection with chloridic evaporites, a cyclic deposition based on sedimentological and geochemical criteria, and intensive bioturbation with a gypsification throughout.The cycles are formally marked by the correlation of clayey sandstone with low iron and high magnesium contents at the one hand and of red clay and silt with high iron and low magnesium values at the other hand. The cycles are interpreted as an alternation of littoral sedimentation under a subtropical climate and of stages of lagoonal conditions or emersion under an arid climate. The magnesite syndiagenetically formed is genetically attached to stages of clay sedimentation. The process of diagenesis is reconstructed studying the distribution of four main non-detrital minerals: dolomite, gypsum, anhydrite, and magnesite.After discussion of the depositional conditions and the possibilities of correlation, the Werkstein-Zone of the marginal facies and the Spiriferina-Bank of the basinal facies are thought to be sedimentological time markers.

---

Résumé Une conception de la formation du facies marginal du Muschelkalk inférieur est développée sur la base d'une comparaison entre les profils normés de la région de sondage Mersch/Luxembourg et l'analyse facielle du profil complet de la carotte de ce sondage. A partir des divisions en partie causées par les climats et par des mouvements épirogénétiques, cette conception donne une nouvelle possibilité de corrélation avec le facies situé plus au centre du bassin sédimentaire.Le forage étudié est caractérisé par la présence rythmique de magnésite, qui, jusqu'à présent, était seulement connu en tant que formation sédimentaire, avec des évaporites, par une répartition cyclique basée sur des observations sédimentologiques et géochimiques et par une bioturbation intensive ainsi qu'une gypsification générale.Les cycles sont caractérisés formellement par le couplage d'un grès argileux à faible teneur en fer et à forte teneur en magnésium d'une part et d'argile rouge à forte teneur en fer et à faible teneur en magnésium d'autre part. Les cycles sont interpretés comme une séquence alternante comprenant une sédimentation littorale en climat subtropical et une sédimentation lagunaire ou d'émersion en climat aride. La magnésite formée syndiagénétiquement est donc coordonnée à une phase sédimentaire argileuse. Le cours de la diagénèse est reconstruit à partir de l'étude de la répartition des quatre minéraux principaux non-détriques: dolomite, gypse, anhydrite et magnésite.A la suite de la discussion des conditions de formation et des possibilités de corrélation la « Werkstein-Zone » du facies marginal et la « Spiriferina-Bank » du facies central apparaissent comme des indicateurs sédimentologiques chronostratigraphiques.

---

, , , . : , , , , , , . : , , — . , . . , , , , . « » .

     

Excess K-Ar ages of glauconite from the Upper Marine Molasse and evidence for glauconitization of mica

K-Ar age determinations along with optical investigations were used to examine whether glauconite from the Upper Marine Molasse (OMM) is of authigenic, allogenic or transformed origin. For this purpose 16 glauconite samples from 14 different localities were investigated from the Burdigalian Muschelsandstein collected along a traverse from Lake Constance to west of Geneva.Optical observations on washed grain concentrates reveal the presence of different alteration products of biotite, confirming earlier studies. Moreover, thin-section preparations of sample aliquots showed that the glauconite grains contain biotite-relics, which might account for the elevated absolute ages.The optical evidence is confirmed by individual mineral fractions, which show chlorite with biotite-»nucleii«, chlorite-lamellae, and »layered«-glauconites. All these observations point to glauconite genesis by transformation of biotite. The complete transformation from biotite via chlorite to glauconite apparently results in a chemically more stable state.The K-content of the samples varies from 5.6 to 7.0% K₂O, indicating mature but not highly evolved glauconite. 19 apparent K-Ar dates range from 17.7 to 34.9 Ma. In comparison with the biostratigraphy and the estimated Burdigalian age of about 18 Ma nearly all dates are too high. These strongly scattered dates are thus stratigraphically meaningless and seem to exclude an authigenic formation of these glauconites from faecal pellets. Furthermore, geologic arguments exclude an allogenic (= detrital) origin.Glauconite genesis in the Upper Marine Molasse must therefore be distinguished from both authigenic and allogenic formation mechanisms. A new term »meta-allogenic« is therefore used to describe glauconite growth by transformation of allogenic mica.

---

Zusammenfassung Um zu prüfen, ob Glaukonite aus der Oberen Meeresmolasse (OMM) authigen, allothigen oder durch Umwandlung aus anderen Mineralien entstanden sind, wurden sie — nebst mineraloptischen und röntgenographischen Untersuchungen — mit der K-Ar-Methode datiert. Aus 14 verschiedenen Lokalitäten zwischen Bodensee und einigen Kilometern westlich von Genf wurden 16 Glaukonit-Proben aus dem burdigalen Muschelsandstein entnommen.Sedimentpetrologische Studien an Körner-Konzentraten offenbarten verschiedene Umwandlungsprodukte von Biotit. Zudem zeigten Aliquots von Dünnschliff-Präparaten, daß einzelne Körner unterschiedlich große Relikte von Biotit enthalten, die die zu hohen Alterswerte verursachen können.Die verschiedenen Mineralfraktionen bestätigen den Charakter von Übergangsstadien: Chlorit mit Biotit-Kernen, Chloritlamellen und »Schicht«-Glaukonit. Alle diese Beobachtungen deuten auf eine Glaukonitgenese aus der Umwandlung von Biotit. Die vollständige Umwandlung von Biotit über Chlorit zu Glaukonit scheint mit dem End-produkt einen chemisch stabileren Zustand anzustreben.Der K₂O-Gehalt aller Proben variert von 5.6 bis 7.0%. Dies weist auf »reifen«, aber nicht hochentwickelten Glaukonit hin. Die 19 K-Ar-»Alter« liegen zwischen 17.7 und 34.9 Ma. Im Vergleich mit der Biostratigraphie und dem geschätzten burdigalen Alter von ca. 18 Ma, sind diese Daten zu hoch und daher stratigraphisch bedeutungslos. Eine authigene Bildung von Glaukonit aus Kotpillen (faecal pellets) muß somit ausgeschlossen werden. Außerdem kommt aus geologischen Gründen eine detritische (allothigene) Herkunft ebenfalls nicht in Betracht.Für die Glaukonit-Genese in der Oberen Meeresmolasse muß daher ein anderer Bildungsprozess verantwortlich sein. Um die Umwandlung von eingeschwemmtem (= allothigenem) Biotit zu Glaukonit zu beschreiben, wurde der neue Term »meta-allothigen« eingeführt.

---

Résumé Afin de rechercher si les glauconites de la OMM (= molasse marine supérieure) sont authigènes, allothigènes ou proviennent de la transformation d'autres minéraux, on les a datées par la méthode K-Ar, conjointement à une étude optique et röntgenographique. 14 localités, situées depuis de lac de Constance jusqu'à quelques kilomètres à l'ouest de Genève, ont fourni 16 échantillons de glauconite du Muschelsandstein burdigalien.L'étude optique des grains, effectuée sur des concentrés, a révélé divers produits de transformation de la biotite. En outre, les examens en coupes minces ont montré, dans les grains de glauconite, des restes de biotite d'importance variable. Ces restes de biotite peuvent être responsables de valeurs trop élevées obtenues dans les mesures d'âge.L'examen des diverses fractions minérales permet de préciser les stades de transformation: chlorite avec noyaux de biotite, lamelles de chlorite et glauconite »stratifiées«. Toutes ces observations indiquent une genèse de la glauconite par transformation de la biotite. La transformation complète de la biotite en chlorite puis en glauconite semble ainsi correspondre à un état chimique plus stable.La teneur en K₂O de tous les échantillons varie entre 5,6 et 7,0%, indiquant une glauconite »mature«, mais pas très évoluée. Les 19 »âges« K-Ar sont compris entre 17,7 et 34,9 Ma. Comparés à la biostratigraphie et à l'âge burdigalien, estimé à environ 18 Ma, ces résultats sont nettement trop élevés et ne présentent donc aucune valeur stratigraphique. Il faut ainsi exclure une formation authigène de la glauconite à partir de pelotes fécales. De plus, une origine détritique (= allothigène) ne peut être envisagée pour des raisons géologiques.En conséquence, c'est bien un processus différent qui est responsable de la genése de la glauconite dans la OMM. Le terme nouveau »méta-allogénique« est proposé pour indiquer la transformation de la biotite détritique en glauconite.

---

- , , , (OMM) , , /. 14- 16 . - . , . : , « ». , . , , . K₂O 5,6 7,0%. / 17,7 34,9 . , 18 . (faecal pellets) . , ., . , «-».

     

Integration of stress testing with graph theory to assess the resilience of urban road networks under seismic hazards

Transportation networks daily provide accessibility and crucial services to societies. However, they must also maintain an acceptable level of service to critical infrastructures in the case of disruptions, especially during natural disasters. We have developed a method for assessing the resilience of transportation network topology when exposed to environmental hazards. This approach integrates graph theory with stress testing methodology and involves five basic steps: (1) establishment of a scenario set that covers a range of seismic damage potential in the network, (2) assessment of resilience using various graph-based metrics, (3) topology-based simulations, (4) evaluation of changes in graph-based metrics, and (5) examination of resilience in terms of spatial distribution of critical nodes and the entire network topology. Our case study was from the city of Kathmandu in Nepal, where the earthquake on April 25, 2015, followed by a major aftershock on May 12, 2015, led to numerous casualties and caused significant damage. Therefore, it is a good example for demonstrating and validating the developed methodology. The results presented here indicate that the proposed approach is quite efficient and accurate in assisting stakeholders when evaluating the resilience of transportation networks based on their topology.     

Bau und Entwicklung des Harznordrandes bei Bad Harzburg

Zusammenfassung Konglomeratische Oberkreidesandsteine im Raum Bad Harzburg wurden auf ihren Geröll- und Leitmineralgehalt hin untersucht. Aus der Leitmineralverteilung ergibt sich die stratigraphische Stellung der Emscher- und Senonvorkommen zueinander; aus der Geröllführung geht hervor, daß der Brockengranit bereits im Oberemscher im Erosionsniveau lag und die Aufrichtungszone mesozoischer Gesteine am Harznordrand auch im Schimmerwaldgebiet bis zum Quadratensenon übertage vorhanden war, obwohl sie heute hier nicht mehr zu finden ist. Ursache dieser Erscheinung ist ein Schollenabbruch aus dem Dach des Ilsenburggranits, der an der Wende Granulaten-Quadratensenon erfolgte und zu einer lokalen Überfahrung der Aufrichtungszone geführt hat. Die geologische Neuaufnahme des Paläozoikums nördlich des Ilsenburggranites stellt die heutigen Lagerungsverhältnisse dieses Gebietes klar; sie werden bei der Rekonstruktion der ursprünglichen Lagerung und des Bewegungsvorganges zugrunde gelegt, dessen Ergebnis die teilweise Überdeckung des Vorlandes ist. Ein ähnlicher Vorgang liegt auch am benachbarten Okervorsprung der Harznordrandlinie vor.Unter Berücksichtigung der Ergebnisse neuer Tiefbohrungen im Subherzyn wird eine Auffassung von Ablauf und Ursachen tektonischer Vorgänge in diesem Raum entwickelt, die der herrschenden Meinung in zahlreichen Punkten widerspricht:Eine echte Faltung des Subherzyns im Mesozoikum, die bisher vermutete starke Nordbewegung der Harzscholle und eine ausschließliche Bindung tektonischer Vorgänge in diesem Gebiet an orogene Phasen wird abgelehnt.Auslösender Vorgang aller tektonischen Erscheinungen im Subherzyn ist eine vertikale Differentialbewegung der Harz- und Vorlandscholle, die sich seit Ausgang des Paläozoikums gleichsinnig, aber mit örtlich und zeitlich wechselnder Intensität, abspielt.     

Zur Frage durchgepauster Tektonik

Zusammenfassung Es wird versucht, eine Vorstellung über die Möglichkeit der Durchpausung präexistierender flächiger oder körperhafter Inhomogenitäten eines tieferen Stockwerkes in das darüberliegende Deckgebirge bei neuerlicher Beanspruchung zu gewinnen. Zu diesem Zweck werden zunächst einige Beispiele, das Verhältnis von Tektonik und Vulkanismus betreffend, betrachtet. Schließlich wird an zwei konkreten Beispielen (Nordschwarzwald und Spessart) eine etwas eingehendere Analyse unternommen. Es läßt sich dabei die komplexe Natur von Art und Grad der Durchpausung erkennen, so daß bei ihrer Beurteilung größte Vorsicht am Platze ist. Ähnliches gilt für alle mit der Posthumität in der Tektonik zusammenhängende Fragen.