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Timestamp: 2020-05-26 05:13:13
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Methodensteckbrief "großräumige Vertikalbewegungen"
forum-bge.de › Konsultation der Ausschlussmethodik bei der Standortauswahl › Konsultation Ausschlussmethodik "großräumige Vertikalbewegungen"
12.03.2020, 12:42 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 08.05.2020, 12:47 von bge_moderator.)
Gerne möchten wir die Anwendung des Ausschlusskriteriums „Hebungen“ mit Ihnen diskutieren. Haben Sie Fragen oder Anregungen zum Verfahren oder Erkenntnisse, die uns bei der Anwendung helfen können? Teilen Sie uns diese hier mit.
Da dieser Steckbrief zahlreiche Fachbegriffe enthält, haben wir zur besseren Verständlichkeit ein Glossar der Begriffe erstellt:
Endfassung Onlinekonsultation_Glossar mit GZ.pdf (Größe: 29,64 KB / Downloads: 54)
Steckbrief als pdf:
Endfassung - Onlinekonsultation Ausschlusskriterium Hebungen.pdf (Größe: 100,43 KB / Downloads: 81)
"Es ist eine großräumige geogene Hebung von im Mittel mehr als 1 mm pro Jahr über den Nachweiszeitraum von einer Million Jahren zu erwarten" § 22 Abs. 2 Nummer 1 StandAG
Was sind großräumige Vertikalbewegungen?
Großräumige Vertikalbewegungen umfassen Hebungs- oder Senkungsbewegungen der Lithosphäre (Erdkruste und oberer Erdmantel). Eine wesentliche Ursache für solche Vertikalbewegungen sind Veränderungen im dynamischen Gleichgewichtszustand zwischen der Lithosphäre[1] und dem darunterliegenden duktilen (verformbaren) Erdmantel. Verändert sich die Dicke oder das Gewicht der Lithosphäre, kommt es zu sogenannten isostatischen Ausgleichsbewegungen. Mögliche Auslöser hierfür sind Mächtigkeitsänderungen der Erdkruste durch magmatische oder gebirgsbildende Prozesse, die insbesondere entlang von tektonisch aktiven kontinentalen Plattengrenzen auftreten. Zusätzlich führen Massenänderungen an der Oberfläche der Lithosphäre durch Erosion und Vergletscherung zu bedeutenden Vertikalbewegungen (Teixell et al., 2009). Auch die Dynamik des Erdmantels beeinflusst die Oberflächengestalt der Erde. So kann eine Veränderung der Konvektionsbewegungen im Erdmantel Vertikalbewegungen in dem darüber liegenden Lithosphärenteil bewirken (Sleep, 1990).
Großräumige Vertikalbewegungen in Deutschland – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
Vor der Oberkreide (vor 100 Millionen Jahren) liegen in Deutschland keine Hinweise auf bedeutende Hebungsphasen vor. Dieser Zeitraum ist vorwiegend von Subsidenz (Absenkung) und Grabenbildung im norddeutschen Raum geprägt, während der süddeutsche Raum als relativ stabile Plattform nur geringe Vertikalbewegungen aufweist (Lange et al., 2008; Jähne‑Klingenberg et al., 2019).
Zu Beginn der Oberkreide verändert sich jedoch das Spannungsregime in Deutschland. Dieser Wechsel wird der beginnenden Konvergenzbewegung zwischen Afrika, Iberia und Europa zugeschrieben, sodass es als Fernwirkung in Teilen Deutschlands zu Einengungstektonik und Strukturinversionen kommt (Kley & Voigt, 2008). Dabei wurden in Mittel- und Norddeutschland sowohl bestehende Abschiebungen (Dehnungsstrukturen) als auch Aufschiebungen (Stauchungsstrukturen) reaktiviert, sowie neue Aufschiebungen gebildet. Da die Hebung entlang diskreter Aufschiebungen erfolgte, erfuhren nur isolierte Bereiche (unter anderem der Harz, das Niedersächsische Bergland sowie der Thüringer Wald und die Lausitz) erhöhte Hebungsbeträge (Thomson & Zeh, 2000; Kockel, 2003; Lange et al., 2008). Im Harz waren die Hebungsbewegungen derart stark ausgeprägt, dass Erosionsraten von im Mittel 1000 m innerhalb von einer Million Jahre erreicht wurden (von Eynatten et al., 2007). Über den Harz hinaus hielt die oberkretazische Einengungsphase bis zum Beginn des Känozoikums vor 66 Millionen Jahren an. Seit diesem Zeitpunkt wurden mit Ausnahme der zentralen Alpen in Deutschland keine vergleichbaren Hebungsraten mehr erreicht (Jähne-Klingenberg et al., 2019).
Die Heraushebung der Alpen beginnt im Eozän (56 bis 34 Millionen Jahren) (Froitzheim et al., 2008). Die gegenwärtige Hebung der östlichen Alpen ist durch eine Kombination verschiedener Prozesse zu erklären: Durch isostatische Ausgleichsbewegungen nach Gletscherauflast und Erosion sowie durch tektonische Krustenverdickung und Mantelkonvektion (Sternai et al., 2019). Die aktuellen Hebungsraten der Alpen betragen 1-2 mm pro Jahr und sind zu einem großen Anteil den isostatischen Ausgleichsbewegungen nach Abschmelzen der Gletscher der letzten Eiszeit zuzuschreiben. Die Zeitspanne einer solchen postglazialen Ausgleichsbewegung liegt in der Größenordnung von 10 000 Jahren, sodass der Anteil dieser Bewegungskomponente in geologisch naher Zukunft abgeklungen sein wird (Mey et al., 2016).
Die Bildung des Oberrheingrabens ist vermutlich auf das kombinierte Wirken der Alpen und Pyrenäenbildung zum einen und der Öffnung des Atlantiks zum anderen zurückzuführen (Reicherter et al., 2008). Seit der Hauptphase der Grabenbildung wurden an dessen Flanken der Schwarzwald und die Vogesen in den letzten 34 Millionen Jahren um insgesamt 2500 m herausgehoben (Meschede, 2018; Jähne-Klingenberg et al., 2019).
Für die in der Eifelregion beobachteten Hebungen werden thermische Mantelanomalien (Ritter et al., 2001; Keyser et al., 2002) oder eine elastische Verbiegung der Erdkruste (Klein et al., 2016) diskutiert. Während für aktuelle Hebungen in der Eifel über den Zeitraum von 1983 bis 2007 Hebungsraten von 0,75-1,25 mm pro Jahr gemessen wurden, sind längerfristig gemittelte Hebungsraten über die letzten 800.000 Jahre mit 0,06-0,38 mm/Jahr bedeutend geringer (Meyer & Stets, 2002; Klein et al., 2016).
Ausgehend von der geologischen Überlieferung entwickeln Jähne-Klingenberg et al. (2019) vier unterschiedliche Zukunftsszenarien über das Eintreten von Hebungsereignissen in den nächsten 1 Million Jahren in Deutschland. Variiert wurde zwischen den Szenarien sowohl die Intensität der endogenen (z.B. Magmatismus) und exogenen (z.B. Erosion) Prozesse mit Einfluss auf den zukünftigen Hebungsbetrag als auch der zugrundeliegende zeitliche Bezugsrahmen (z.B. endogene und exogene Prozesse wie sie im Holozän, im Neogen oder im Känozoikum beobachtet wurden). Im Ergebnis zeigt sich, dass auf Basis der vorliegenden Datengrundlage und dem derzeitigen Prozessverständnis keine Hebungsbeträge von mehr als 1 mm pro Jahr über den Nachweiszeitraum von einer Million Jahre in Deutschland wahrscheinlich sind.
Gründe für diese Einschätzung basieren unter anderem auf der intrakontinentalen Lage Deutschlands - weit entfernt von aktiven Plattenrändern - und der geringen Wahrscheinlichkeit, dass sich das grundlegende geodynamische Umfeld innerhalb des Nachweiszeitraumes drastisch verändern wird. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass der Nachweiszeitraum von einer Million Jahren für endogene Veränderungen in geologischen Zeitskalen eher kurz ist. Auch Studien mit einer ähnlichen Fragestellung für das Gebiet der Nordschweiz zeigen, dass Hebungsraten von mindestens 1 mm pro Jahr für die nächsten eine Million Jahre nicht zu erwarten sind, sondern im Bereich von 0,1 mm pro Jahr liegen (Müller et al., 2002; Nagra, 2002).
Wieso werden großräumige Vertikalbewegungen von der Endlagersuche ausgeschlossen?
Der Ausschluss von Vertikalbewegungen wird im Standortauswahlgesetz (StandAG) mit dem Ausschlusskriterium „Großräumige Vertikalbewegungen“ geregelt. Laut § 22 StandAG sollen Gebiete mit Hebungen von im Mittel mehr als 1 mm pro Jahr über den Nachweiszeitraum von einer Millionen Jahre ausgeschlossen werden – das entspricht einem Hebungsbetrag von einem Kilometer innerhalb der nächsten eine Million Jahre (Abbildung 1). Weiterführende Erklärungen zu diesem Kriterium liefert der Begründungstext zum StandAG (BT-Drs. 18/11398), wo auf einen Zusammenhang zwischen Hebungsbewegungen und Erosion – und damit einer möglichen Freilegung des Endlagers – verwiesen wird:
Durch das Kriterium werden Gebiete ausgeschlossen, in denen über den Nachweiszeitraum großräumige Hebungen zu erwarten sind. Bewertungsgrundlage für das Kriterium ist die zu erwartende Hebungsrate, also die entsprechend heutiger Prognosen zu erwartende Hebung der Erdoberfläche pro Jahr, die wiederum über den Nachweiszeitraum zu mitteln ist. Liegt diese Hebungsrate im Mittel über 1 mm pro Jahr, so wäre über den Nachweiszeitraum mit einer resultierenden Hebung von mehr als 1000 m zu rechnen. Für Gebiete, die derart großen Hebungen ausgesetzt sind, ist eine Prognose der geologischen Gesamtsituation nicht mit der erforderlichen Sicherheit möglich. Es ist nicht auszuschließen, dass an der Geländeoberfläche verstärkt Erosion auftritt, die die notwendige Schutzwirkung der Überdeckung des Endlagers beeinträchtigen oder diese Schichten vollständig abtragen kann. Quelle: Bundestag-Drucksache 18/11398, S. 68
So will die BGE das Ausschlusskriterium „Großräumige Vertikalbewegungen“ anwenden
(Sollte sich auf Grundlage von Fachdiskussionen die Notwendigkeit einer methodischen Anpassung ergeben, kann der hier gezeigte Zwischenstand von dem Ergebnis im Zwischenbericht Teilgebiete abweichen.)
Ein Ausschluss erfolgt für Gebiete in denen eine Hebung der Erdoberfläche von mehr als einem Kilometer innerhalb der nächsten eine Million Jahre als wahrscheinlich angesehen wird. Diese Gebiete werden in allen endlagerrelevanten Tiefen ausgeschlossen.
Das derzeitige Prozessverständnis und die Ergebnisse von Jähne-Klingenberg et al. (2019) verdeutlichen jedoch, dass derartige Hebungsbeträge und Raten über den Nachweiszeitraum in Deutschland nicht wahrscheinlich sind. Daher wird es voraussichtlich im Zwischenbericht Teilgebiete zu keinem Ausschluss auf Grundlage dieses Kriteriums kommen.
Drucksache des Deutschen Bundestages 18/11398 vom 07.03.2017: Entwurf eines Gesetzes zur Fortentwicklung des Gesetzes zur Suche und Auswahl eines Standortes für ein End­lager für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle und anderer Gesetze.
Froitzheim, N., Plašienka, D., Schuster, R. 2008: Alpine tectonics of the Alps and Western Carpathians. In McCann, T. (ed.) The Geology of Central Europe, Volume 2: Mesozoic and Cenozoic. Geological Society, London. 1141-1232.
Jähne-Klingberg, F., Stück, H., Bebiolka, A., Bense, F., Stark, L. 2019: Prognosemöglichkeit von großräumigen Vertikalbewegungen für Deutschland. Abschlussbericht, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover. https://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Endlag...onFile&v=4.
Keyser, M., Ritter, J., Jordan, M. 2002: 3D shear-wave velocity structure of the Eifel plume, Germany, Earth and Planetary Science Letters 203, 59-82.
Klein, W., Krickel, B., Riecken, J., Salamon, M. 2016: Eine interdisziplinäre Betrachtung der vertikalen Bodenbewegungen in der Eifel. zfv – Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement 141, 27-34. DOI: 10.12902/zfv-0103-2015.
Kley, J. & Voigt, T. 2008: Late Cretaceous intraplate thrusting in central Europe: Effect of Africa-Iberia-Europe convergence, not Alpine collision. Geology 36, 839-842. DOI: 10.11.30/g24930a.1.
Kockel, F. 2003: Inversion structures in Central Europe-Expressions and reasons, an open discussion. Netherlands Journal of Geosciences 82, 351-366. DOI: 10.1017/S0016774600020187.
Lange, J.-M., Tonk, C., Wagner, G. 2008: Apatitspaltspuren zur postvariszischen thermotektonischen Entwicklung des sächsischen Grundgebirges – erste Ergebnisse. Zeitschrift der deutschen Gesellschaft für Geowissenschaft 159, 123-132. DOI: 10.1127/1860-1804/2008/0159-0123.
Meschede, M. 2018: Geologie Deutschlands: Ein prozessorientierter Ansatz. Springer Spektrum, Berlin. DOI: 10.1007/978-3-662-56422-6.
Mey, J., Scherler, D., Wickert, A.D., Egholm, D.L., Tesauro, M., Schildgen, T., Strecker, M.R. 2016: Glacial isostatic uplift of the European Alps. Nature Communications 7, 1-10. DOI: 10.1038/ncomms13382.
Meyer, W. & Stets, J. 2002: Pleistocene to recent tectonics in the Rhenish Massif (Germany). Netherlands Journal of Geoscience 81, 217-221. DOI: 10.1017/S0016774600022460.
Müller, W. H., Naef, H., Graf, H. R. 2002: Geologische Entwicklung der Nordschweiz, Neotektonik und Langzeitszenarien. Züricher Weinland. Technischer Bericht 99-08, Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle, Wettingen, Schweiz.
Nagra 2002: Projekt Opalinuston: Synthese der geowissenschaftlichen Untersuchungsergebnisse. Technischer Bericht 02-03, Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle, Wettingen, Schweiz.
Reicherter, K., Froitzheim, N., Jarosiriski, M., Badura, J., Franzke, H.-J., Hansen, M., Hübscher, C. et al. 2008: Alpine tectonics north of the Alps. In McCann, T. (ed.) The Geology of Central Europe, Volume 2: Mesozoic and Cenozoic. Geological Society, London. 1232-1285.
Ritter, J., Jordan, M., Christensen, U., Achauer, U. 2001: A mantle plume below the Eifel volcanic fields. Germany. Earth and Planetary Science Letters 186, 7-14. DOI: doi.org/10.1016/S0012-821X(01)00226-6.
Sleep, N. 1990: Hotspots and mantle plumes: Some phenomenology. Journal of Geophysical Research 95, 6715–6736. DOI: 10.1029/JP095iB05p06715.
Standortauswahlgesetz (StandAG) vom 5. Mai 2017 (BGBl. I S. 1074), das zuletzt durch Artikel 3 des Gesetzes vom 12. Dezember 2019 (BGBl. I S. 2510) geändert worden ist.
Sternai, P., Sue, C., Husson, L., Serpelloni, E., Becker, T. W., Willett, S. D., Faccenna, C. et al. 2019: Present-day uplift of the European Alps: Evaluating mechanisms and models of their relative contributions. Earth-Science Reviews 190, 589-604. DOI: 10.1016/j.earscirev.2019.01.005.
Teixell, A., Bertotti, G., Frizon de Lamotte, D., Charroud, M 2009: The geology of vertical movements of the lithosphere: An overview. Tectonophysics 475, 1-8. DOI: 10.1016/j.tecto.2009.08.018.
Thomson, S. N., & Zeh, A. 2000: Fission-track thermochronology of the Ruhla Crystalline Complex: new constraints on the post-Variscan thermal evolution of the NW Saxo-Bohemian Massif. Tectonophysics 324, 17-35. DOI: 10.1016/S0040-1951(00)00113-X.
von Eynatten, E., Voigt, T., Meier, A., Franzke, H.-J., Gaupp, R. 2007: Provenance of Cretaceous clastics in the Subhercynian Basin: constrains to exhumation of the Harz Mountains and timing of inversion tectonics in Central Europe. Geologische Rundschau 97, 1315-1330. DOI: 10.1007/s00531-007-0212-0.
[1] Als Lithosphäre wird die äußerste Schicht des Erdkörpers bezeichnet. Sie umfasst die Erdkruste und den äußersten Teil des Erdmantels, den lithosphärischen Mantel. Die Lithosphäre kann insgesamt als starr bezeichnet werden.
22.03.2020, 22:35
Ich denke, bei diesem Kriterium sollten andere Hebungsrozesse wenigstens erwähnt werden.
(1) In Stackebrandt, W. und D. Franke.(2015). Geologie von Brandenburg ist auf Seite 486 zu finden:
Gab es danach zum Beispiel in Sperenberg nicht eine Hebung von 500 m seit der letzten Eiszeit?
(2) In der Zusammenstellung der Antworten der Landesbehörden und der Bundesgesellschaft für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) auf die Abfrage der Daten für die Anwendung der Ausschlusskriterien durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE) vom 2. August 2017 gibt es auf Seite 118 folgende Karte
Hier sind durchaus Hebungen von größer 1 mm/a verzeichnet.
Ausgehend von diesen hohen jährlichen Hebungsraten ist im Einzelnen zu begründen, warum diese nicht zu einer Hebung von 1000 m in 1 Mio. Jahre führen werden.
Als Nichtgeologe vermisse ich hier explizit die Diskussion halokinetischer Prozesse. Fallen diese heraus, weil sie nicht als großräumig eingestuft werden oder weil sie zwar temporär hohe Hebungsraten ergeben können, aber langfristig nicht 1000 m Hebung erreichen?
Liebes Mitglied endlagerdialog.de,
vielen Dank für Ihre Fragen und Ihre Anmerkungen.
Die BGE hat im Zusammenhang mit dem Ausschlusskriterium „großräumige Vertikalbewegungen“ eine größere Anzahl an Hebungsprozessen berücksichtigt, als wir in unserem vergleichsweise kurzen Methodensteckbrief im BGE-Forum darstellen. Eine Übersicht finden Sie in einem Bericht der BGR, der auf Basis der Zusammenarbeits-Vereinbarung zwischen BGE und BGR für dieses Ausschlusskriterium erstellt wurde (Jähne-Klingenberg et al., 2019, Seiten 33-34, der Link ist unter „Literatur“ beigefügt).
Sie erwähnen in Ihrem Beitrag das Beispiel glazialer Isostasie aus Stackebrandt & Franke (2015).
Der Einfluss von Vergletscherungen wird in unserem Methodensteckbrief aufgeführt und folgend erläutert: „Zusätzlich führen Massenänderungen an der Oberfläche der Lithosphäre durch Erosion und Vergletscherung zu bedeutenden Vertikalbewegungen (Teixell et al., 2009).“
Zyklische Kalt- und Warmzeiten verursachen innerhalb von geologischen Zeiträumen Hebungs- und Senkungsbewegungen an der Erdoberfläche. Diese sind in erster Linie auf Ausgleichsbewegungen der Lithosphäre zurückzuführen als Folge wechselnder Belastung und Entlastung durch Eismassen (siehe z.B. Mey et al., 2016 für ein Beispiel der Hebungsbewegungen der Alpen). Gleichzeitig wird vermutet, dass zyklische Vergletscherungen auch Salzbewegungen im Untergrund auslösen können (z.B. Al Hseinat & Hübscher, 2014). In diesem Zusammenhang sind kleinräumige Hebungen der Erdoberfläche möglich, wobei solche Hebungsbeträge weit unter dem von Ihnen genannten Hebungsbetrag von 500 m liegen. Eine Nettohebung der Erdoberfläche von einem Kilometer innerhalb der nächsten Million Jahre ist durch Glazialisostasie weder in Form von Ausgleichsbewegungen der Lithosphäre noch durch eine Reaktivierung von Salzstrukturen in Deutschland zu erwarten.
In der Zusammenstellung der Antworten der Landesbehörden und der Bundesgesellschaft für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) auf die Abfrage der Daten für die Anwendung der Ausschlusskriterien durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE) vom 2. August 2017 gibt es auf Seite 118 folgende Karte
Antwort BGE:
Die Karte, die Sie anfügen, geht auf die Arbeit von Ellenberg (1988) zurück und liegt uns ebenfalls vor. In der Karte sind Senkungslinien und -beträge dargestellt (negative Vorzeichen).
In anderen Regionen Deutschlands liegen uns jedoch Hinweise zu gegenwärtigen Vertikalbewegungen mit Hebungsraten > 1 mm/Jahr vor. Hier sind z.B. die Hebungsbewegungen in der Eifelregion zu nennen. Dort wurden über den Zeitraum von 1983 bis 2007 Hebungsraten von 0,75-1,25 mm pro Jahr gemessen. Allerdings sind die gemittelten Hebungsraten der letzten 800 000 Jahre mit 0,06-0,38 mm/Jahr bedeutend geringer (Meyer & Stets, 2002; Klein et al., 2016)“. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass sich die kurzen Messzeiträume für rezente Vertikalbewegungen (z.B. mit Satelliten oder Nivellementmessungen ermittelt) deutlich von geologischen Langzeitmessungen (z.B. durch Höhenunterschiede von Flussterrassen) unterscheiden können. Letztere sind insbesondere in Hinblick auf den Nachweiszeitraum von einer Million Jahre relevant, da Ihnen ein bedeutend längerer Beobachtungszeitraum zugrunde liegt. Die Hinweise aus der geologischen Vergangenheit Deutschlands verdeutlichen nach Jähne-Klingenberg et al. (2019), dass Hebungen der Erdoberfläche von im Mittel 1 mm/Jahr innerhalb der nächsten Million Jahre in Deutschland nicht wahrscheinlich sind.
Halokinetische Prozesse sind geologische Vorgänge, die im Zusammenhang mit Salzbewegungen in Sedimentbecken auftreten. Dabei kann der Aufstieg von Salz auch zu Vertikalbewegungen an der Erdoberfläche führen. Eine Hebung der Erdoberfläche in der Größenordnung von einem Kilometer, die durch den Aufstieg eines Salzdiapirs ausgelöst wurde, ist innerhalb des Nachweiszeitraums nicht zu erwarten.
Al Hseinat, M., & Hübscher C., (2014): Ice-load induced tectonics controlled tunnel valley evolution – instances from the southwestern Baltic Sea. Quaternary Science Reviews97, 121-135.
Ellenberg, J., (1988): Rezente vertikale Erdkrustenbewegungen als Geologischer Prozess. – Akad. d. Wissenschaften der DDR, Forschungsbereich Geo- und Kosmoswissenschaften Potsdam, Diss. B, 141 S.
Jähne-Klingberg, F., Stück, H., Bebiolka, A., Bense, F., Stark, L. 2019: Prognosemöglichkeit von großräumigen Vertikalbewegungen für Deutschland. Abschlussbericht, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover. https://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Endlag...nn=1550950.
Mey, J., Scherler, D., Wickert, A.D., Egholm, D.L., Tesauro, M., Schildgen, T., Strecker, M.R. 2016: Glacial isostatic uplift of the European Alps. Nature Communications 7, 1-10.
Stackebrandt, W. & Scheck-Wenderoth M. (2015): Postvariszische Beckenentwicklung und synalpidische Remobilisierung. – In: Stackebrandt, W. & D. Franke: Geologie von Brandenburg. – S. 462–471, Stuttgart (Schweizerbart).
Stackebrandt, W., (2016): Nachweis junger geologischer Aktivitäten des Diapirs von Sperenberg (Brandeburg) mittels Laserscanaufnauhmen. Brandenburg. Geowiss. Beitr., 21, 77-83.
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