Marinemagnetik am Ostpazifischen Rücken

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1 VOr ü?:ol ssr -7^93 90 :199,-j W:o". IXv!jm:j;;r 1999 Marnemagnetk am Ostpazfschen Rücken Schlüsselwörter] Marnegeophysk Ostpazlscher Rücken Bathymetre Magnetostratgraphe Krustenalter BIRGIT JOCHUM 1, KAY ARIC 1, WOLFGANG SEIBERL 1 10 Abbldungen Inhaltsverzechns Zusammenfassung 127 Abstract Enletung Bathymetre Magnetsche Messungen Das Meßgerät Bearbetung der Meßdaten Verglech der Ergebnsse mt magnetostratgraphschen Resultaten Dskusson 133 Lteratur 133 Zusammenfassung Nach entsprechenden Reduktonen und Korrekturen der am ostpazfschen Rücken m Rahmen des Exchange between Crust and Ocean"- Projekts (EXCO) erfaßten magnetschen Daten, konnten dese anhand bsherger paläomagnetscher und magnetostratgraphscher Untersuchungen gut n de Vorstellungen über de plattentektonschen Vorgänge an rasch sprezenden ozeanschen Krustentelen engepaßt werden. De Sprezungsrate ergab sch mt ca. 92 mm/a. Deser Wert st etwas größer als jener von anderen Untersuchungen am ostpazfschen Rücken (75-85 mm/a). Marne Magnetc Data from the East Pacfc Rse Abstract After the applcaton of approprate reducton and correcton procedures of marne magnetc data, gathered at the southern East Pacfc Rse and comparson of ths nformaton wth prevously publshed paleomagnetc and magnetostratgraphc results of ths area, t s evdent that they ft well the dea of fast spreadng oceanc plates. The spreadng rate s approxmately 92 mm/a whch s somewhat hgher than some publshed research results (75-85 mm/a). 1. Enletung Der Ostpazfsche Rücken st wegen sener Bedeutung für de Plattentektonk Gegenstand zahlrecher wssenschaftlcher Aktvtäten (z. B. CORMIER et al., 1997; GOFF et al., 1993; FUJIOKA et al., 1995; MOTTL et al., 1996 [Internetadresse]). Dazu zählt auch das EXCO-Projekt. Das wssenschaftlche Vorhaben EXCO (Exchange between Crust and Ocean) st en nterdszplnäres geowssenschaftlches Forschungsprojekt des Zentrums für Meeres- und Klmaforschung der Unverstät Hamburg und der Unverstät Bremen mt dem Hauptzel, de zetlchen Veränderungen m Wärmetransport und n den Stoffaustauschprozessen an der Ostflanke des Ostpazfschen Rückens zu untersuchen. Während der Forschungsfahrt Nr. 105 mt dem Forschungsschff Sonne wurden folgende geophyskalsche Meßverfahren engesetzt: Bestmmung des regonalen Wärmestroms mt Wärmestromdchtemessungen Bestmmung der Sedmentmächtgket und tektonschen Gegebenheten mt Hlfe des Parasound Verfahrens und der Dre-Kanal Sesmk Reflexons- und Refraktonssesmsche Messungen zur Untersuchung der zetlchen Varabltät der sesmschen Parameter der Ozeankruste n Abhänggket vom Alter Bathymetrsche Vermessung des Ozeanbodens mt Hydrosweep Marnemagnetsche Messungen Wesentlche Zelsetzungen der magnetschen Vermessung und Auswertung waren: Erstellung ener magnetschen Karte der Totalntenstät, sowet we möglch auch unter Enbezug von Fremddaten De Bestmmung von Spreadnganomalen zur Festlegung des Krustenalters nach berets altersmäßg engeordneten Anomalen Erfassung sonstger Anomalen (Vulkane, Störungen, sonstge markante Strukturen) (WEIGEL et al., 1996). Anschrft der Verfasser ' Unverstät Wen, Insttut für Meteorologe und Geophysk, Althanstraße 14, 1090 Wen

2 128 B. J0CHUM, K. ARIC, W. SEHER!. De Beträge Österrechs zum EXCO-Projekt waren enersets - de Betreuung des Magnetometers und de Erfassung der Daten an Bord des Forschungsschffes Sonne sowe de - Bearbetung und Auswertung der Daten n Österrech, wobe letzteres m Rahmen ener Dplomarbet am Insttut für Meteorologe und Geophysk der Unverstät Wen erfolgte. Über den superschnell sprezenden Ostpazfschen Rücken und über sen Alter wurde zuletzt be GREVEMEYER und WEIGEL (1997) berchtet, wobe her de Forschungsaktvtäten der letzten Jahrzehnte zusammengefaßt snd. De vorläufgen Ergebnsse der geophyskalschen Daten des EXCO-Projektes wurden von GREVEMEYER et. al (1997) veröffentlcht. In der Arbet von JOCHUM (1997) wurde ene umfassende Bearbetung unter Berückschtgung enes neuen Verfahrens zur Smulaton der täglchen Varaton des Magnetfeldes durchgeführt. De Ergebnsse der Bathymetre und der Sesmk wurden von JENNRICH (1997) beschreben. Das Meßgebet befndet sch an der Ostflanke des Ostpazfschen Rückens m Berech zwschen den Längengraden -112,5 W und -105,9 W sowe den Bretengraden -14 S und S (sehe Abb. 1). Das Zel der vorlegenden Arbet st de Bestmmung des Alters der Ozeankruste und der Bewegungsgeschwndgket der Nazca Platte relatv zum Ostpazfschen Rücken auf Bass von magnetschen Messungen. Dabe wurden zusätzlch grundlegende Untersuchungen zur Anwendbarket von synthetschen Tagesgängen getätgt, wel gerade de Bestmmung der magnetschen Varatonen wetab von Observatoren en erheblches Problem n der Marnemagnetk darstellt. Grundsätzlch muß festgestellt werden, daß durch de Verwendung enes Gradometers der Enfluß von kurzzetgen Varatonen (z. B. Tagesgang) auf de Meßwerte vermeden werden kann. Be den gegenständlchen Untersuchungen stand aber nur en Magnetometer mt enem Sensor zur Verfügung. Folgende Schrtte wurden dabe durchgeführt: Aufberetung und Ergänzung der gemessenen Daten der Totalntenstät und der Tefe des Ozeanbodens Smulaton des tatsächlchen Tagesganges durch theoretsche Sq-Varatonen und gemessene Indzes von magnetschen äquatoralen Sturmvaratonen Überprüfung der Überenstmmung von synthetschen und gemessenen Tagesgängen Korrelaton der reduzerten Magnetfeldmessungen mt der Topographe des Meeresbodens Gegenüberstellung der magnetschen Anomalen mt der aus der Magnetostratgraphe bekannten Chronologe der Feldumkehrungen. 2. Bathymetre De Tefenmessung erfolgte mt enem Fächerecholot (Hydrosweep) der Frma Atlas-Elektronk. Zusätzlch wurden das Schffsecholot und en Parasound-Sedment-Echograph engesetzt. Das Hydrosweepsystem sendet n ener Fächerform und quer zur Fahrtrchtung 59 Strahlen aus. De äußersten Strahlen können n enem Wnkel von 45 zur Wasseroberfläft» 'v : : Melterbrt I 1 Abb. 1 Lage des Meßgebetes m Pazfschen Ozean (Satelltenaufnahme von HEROLD BUSINESS DATA/GEOSPACE BECKEL, 1996).

3 Manemagnetk am f ; ducken 129, -^J 5 l\\vxv«^\xx^" co **',ra^on mod«lonf btom profu v / / / / / y'" /'^***** // H% I \ llpnuvnvv" «urvy mod«1 -k^ ^Ov\\\\\W\ t-'-s ^\ \\\\\\\\N\ corr»«ton r^colbfoton pofl«"^ (c«ntr» b»om) X baffym»*rc proft* Abb. 2 Prnzp des Hydrosweepsystems (GRANT & SCHREIBER, 1 che ausgesendet werden (sehe Abb. 2); dadurch kann ene Fläche, de doppelt so bret st we de Meerestefe, abgetastet werden. Das System arbetet mt ener Frequenz von 15.5 khz, um sowohl n große Meerestefen enzudrngen als auch de Unebenheten am Meeresgrund detallert wederzugeben (GRANT & SCHREIBER, 1990). De Tefendaten wurden m gesamten EXCO-Meßgebet flächendeckend erfaßt. Der Meßstrefen n Abbldung 3 zegt en vom Ostpazfschen Rücken ( W, -14 S) ausgehendes und nach ESE abfallendes Gelände. Schon m Fahrtbercht über de Sonne Expedton 105 (WEI- GEL et al., 1996) wurde festgestellt, daß de Hauptstrechrchtung der topographschen Strukturen m gesamten Meßgebet 14 gegen Nord beträgt. Das bedeutet, daß de Bewegungsrchtung der Nazca Platte n den letzten 8 Mo. Jahren nahezu konstant gebleben sen muß. De Topographe des Meeresbodens zegt m Berech zwschen -110 und -108 westlcher Länge ene Anzahl an Tefseevulkanen. Ob dese jedoch von glechem Alter we de umgebende Kruste snd, st bslang ene offen Frage. 3. Magnetsche Messungen 3.1 Das Meßgerät De magnetschen Messungen der Totalntenstät wurden während der EXCO Expedton mt enem Protonen-Präzessonsmagnetometer durchgeführt, wobe mt desem Gerät der Betrag der erdmagnetschen Totalntenstät T gemessen wrd. Der Magnetometersensor wurde mt enem 270 m langen Kabel hnter dem Schff nachgeschleppt (und war dabe fast außerhalb des Schffsenflusses). Der Meßpunktabstand betrug etwa 70 m (be ener Meßwertfolge von 30 sec und ener Schffsgeschwndgket von 4,5 Knoten). 3.2 Bearbetung der Meßdaten In Abbldung 4 st de Postonen der Meßprofle dargestellt. Der Abstand zwschen den WNW-ESE verlaufenden Proflen beträgt 5-6 km. Das Meßgebet hat ene Brete von ca. 30 km und ene Länge von 740 km. Zusätzlch wurden n dese Darstellung de Nummern der Meß- und Querprofle und de Kreuzungspunktbezechnungen (A-F) engefügt. Aus den an den Kreuzungspunkten zwschen den Meß- und Querproflen auftretenden Meßwertunterscheden können weter Korrekturen an den Meßwerten angebracht werden. De Vsualserung der Isanomalen der gemessenen magnetschen Totalntenstät st n Abb. 5 dargestellt. Deutlch schtbar st de Abnahme der Werte mt zunehmender Tefe der ozeanschen Kruste (vergl. Topographe, Abb. 3). Weters snd be genauer Betrachtung Anomalen erkennbar, de parallel zum Schffsweg verlaufen und ncht durch geologsche Gegebenheten (z. B. Abb. 5, Berech 14,5 S, ,5 W) erklärt werden können. Dese Meßwertänderungen treten hauptsächlch durch den magnetschen Tagesgang auf. De Meßwerte müssen daher von desem störenden Enfluß berengt werden. De egentlche geologsche Informaton st m Anomalenfeld enthalten. Um zu desem zu gelangen müssen Korrekturen bzw. Reduktonen an den Meßdaten vorgenommen werden. Zu desen zählen de

4 Ostpazfscher Rücken fr Abb. 3 Topographe jes Meeresbodens, Isolnenabstand = 150 M (1 = 111 km) südl. Brete m 4100 m 3800 m 3500 m 3200 m 2900 m Illäl'lllSlll 1 m ^ Mllammm^ *f submarne Vulkane ff ^btaft4» ^^m.: : f^, 2600 m westl Länge südl. Brete A; 5 B/ 13 '? : P-V' : -- C; 23..:14:::-- D/ 10 : '' :: -^;C:: :.: ::: -:::^' Abb. 4 Proflverlauf, Nummererung der Profle und Kreuzungspunkte A-F. 17 E ~ 19 ^ F westl Länge

5 Marnemagnetk am Ostpazfschen Rücken - Normalfedredukton: Das Hauptfeld oder Normalfeld (sehe Abb. 6) st das m Erdnneren erzeugte Magnetfeld. Sen Antel st an den gemessenen Werten (sehe Abb. 5) am größten. Jener der von magnetschen Quellen n der Erdkruste herrührt, beträgt m Durchschntt wenger als 1% des Gesamtfeldes und de - Tagesgangkorrektur: De Varaton des erdmagnetschen Feldes hat hre Ursache n den lonosphärenströmen, nduzert durch de Gezetenbewegung mt ener Perode von 24h bzw. durch de Partkelströme des Sonnenwndes mt Schwankungen bs zu mehreren Tagen (sehe auch MILITZER & WEBER, 1984). Für das Meßgebet m Ostpazfk wurde de Normalfeldredukton mt Hlfe des Internatonalen Geomagnetschen Referenzfeldes für de Epoche durchgeführt. De Tagesgangkorrektur wrd m allgemenen durch de Dauerregstrerung magnetscher Observatoren, de dem Meßgebet möglchst nahe legen müssen, durchgeführt. Deser Weg st be Marnemessungen mest ncht möglch, so daß dann ene Abschätzung des Tagesganges aus den Meßwertabwechungen an den Kreuzungspunkten zwschen den Meß- und Querproflen vorgenommen wrd (SANDER & MRAZEK, 1982). Aus Zetgründen war es während des EXCO-Projektes ncht möglch zusätzlche Querprofle zu messen, so daß en völlg neuer Weg zur Tagesgangkorrektur beschrtten werden mußte. Dabe wrd dese Korrektur aus synthetschen Werten des ruhgen Tagesganges (World Data Center-A) und der zonalen Sturmzetvaraton (World Data Center-C2) berechnet. Ene detallertere Auswertung und Interpretaton wurde von Jo- CHUM (1997) vorgenommen. In der Abb. 7 st das Anomalenfeld an Ostpazfschen Rükken wedergegeben. Man seht deutlch, daß de Meßergebnsse en Strefenmuster n etwa parallel zum Ostpazfschen Rücken vorwesen und sch m Verglech mt Abb. 3 mt der Topographe des Meeresbodens korreleren lassen. So werden z. B. vulkansche Erhebungen sehr gut durch magnetsche Anomalen von nt erfaßt. Der Wnkel der magnetschen Anomalen und der Strechrchtung der Untergrundstruktur beträgt m gesamten Meßgebet 14 gegen Nord und bestätgt somt de Bathymetremessungen. n n < - h- C :CC w cz CD c CO ^ c H CD C CD 2 CO **r S =Tl CD c CS CO CD _Q "O CO malen namen o ^ C "O CO O CO CO 4. Verglech der Ergebnsse mt magnetostratgraphschen Resultaten Zur Erklärung der wechselnden Polartät der Gestene an den ozeanschen Rücken se her auf de aus der Erforschung des Erdmagnetfeldes wohlbekannten Feldumkehrungen verwesen. Das magnetsche Strefenmuster am Ozeanboden, das mehr oder wenger parallel zum mttelozeanschen Rükken verläuft, entsteht durch de wechselnde Polartät des Erdmagnetfeldes bem Ausenanderdrften der Lthosphärenplatten und der Neubldung ozeanscher Kruste. Durch Abkühlung der Gestenschmelzen unterhalb der Cure Temperatur entsteht ene sehr stable thermoremante Magnetserung, de zur jewelg vorherrschenden Erdmagnetfeldrchtung parallel ausgerchtet st. Postve Abwechungen der gemessenen Intenstät vom durchschnttlchen Erdmagnetfeld bedeuten glechlaufende Polartät der Gestensremanenz mt dem heutgen Magnetfeld, negatve Abwechungen hngegen entgegengesetzte Polartät (sehe Abb. 8). (MILLER, 1992) Verschedene Autoren (z. B. TARLING & MITCHELLS 976 und LABRECQUE et. al., 1977) haben de Erdmagnetfeldumkehrungen datert. CANDE & KENT (1992) haben mt zahlrechen marnemagnetschen Proflen - unter anderem auch mt enem

6 CO ro o Abb. 6 Totalntenstät (nt) des IGRF der Epoche der Erde, Isodynamenabstand = 1000 nt

7 33 Profl n der Nähe des EXCO Meßgebetes - ene neue geomagnetsche Polartätsskala erstellt. Der obere Tel der Abb. 9 stellt das Stapelprofl der 5 WNW- ESE verlaufenden Profle des EXCO-Projektes dar. Durch de Korrelaton deses Anomalenmusters mt der Polartätsskala von CANDE & KENT (1992) st es möglch das Alter des Meeresbodens zu bestmmen. Unter der Annahme, daß dese Zuordnung, we m oberen Tel der Abb. 9 gezegt, rchtg st und das Alter der ozeanschen, Kruste m Meßgebet mt ener zufredenstellenden Genaugket bestmmt st, kann de mttlere Sprezungsrate des ostpazfschen Rückens grob abgeschätzt werden. Be ener Länge des Meßgebet von 738 km (orthogonal zum mttelozeanschen Rücken) und enem maxmalen Alter der Meeresbodens von 8 Mllonen Jahren ergbt sch ene Sprezungsgeschwndgket relatv zum ozeanschen Rücken von ca. 92 mm/a. Deses Ergebns st um ca. 1 cm/a höher als de Geschwndgketen we se von CANDE und KENT n Abb. 10 angegeben snd. Be GREVEMEYER et al. (1997) beträgt de Drftgeschwngket der Nazca Platte ohne Berückschtgung der geomagnetschen Varatonen und Störungen mm/a. 5. Dskusson De Auswertung der magnetschen Daten m EXCO Meßgebet ermöglchte de Bestmmung des Alters des Meeresbodens nach entsprechenden Korrekturen. Das dabe verwendete Verfahren st geegnet den Enfluß des Tagganges n den Meßdaten n nederen magnetschen Breten ohne Zuhlfenahme von Bassstatonen oder Kontrollproflen zu reduzeren. De reduzerten Meßwerte korreleren gut mt der Topographe des Meeresbodens. Das Ergebns der Marnemagnetk - de Altersdaterung der Kruste - leferte de notwendge Bass für de Interpretatonen aller anderen Telprojekte von EXCO. Mtarbeter der Unverstät Wen werden aufgrund des erfolgrech abgeschlossenen Projekt EXCO erneut am Folgeprojekt EXCO II telnehmen. Appendx Von folgende Internetseten wurden Daten für de Berechnungen verwendet: MOTTL, M., BAKER, E., MACDONALD, K., SINTON, J., WHEAT, G., 1996: Processes and Fluxes on a Superfast Spreadng Rdge: The Southern East Pacfc Rse - SEPR Workshop Report rdge.unh. edulseprlreport.html WORLD DATA CENTER-A FOR SOLID EARTH GEOPHYSICS, Software: Utlty Programs for Begnnng Studes of Geomagnetc Felds W. H. Campbell, Geomagnetc Data Group, Natonal Geophyscal Data Center, Internet Adresse: geomag.html WORLD DATA CENTER-C2 FOR GEOMAGNETISM, Dst Indzes: Internet Adresse: html HEROLD BUSINESS DATA + GEOSPACE BECKEL SATELLITENBILDDATEN, Satelltenbld: Satellten Atlas (CD-Rom), 1996 Lteratur CANDE, S. und KENT, D., 1992: A new magnetc polarty tme scale for the late Cretaceous and Cenozoc. - Jornal of Geophyscal Research, Vol. 97, B10,

8 134 B. JOCHUM, K. ARC, W, SEIBERL * 400 Gamma /\LITHOSPHÄRE)</. \.. «Schmelz- * älter jung, t Ozeanboden- Sedmente Laven und Gänge J 7 l S, 7 ~// s/ - \ x I V * LITHOSPHARE 'r 20 _z_ 7s I l _LA Abb. 8 Entstehung der symmetrschen paläomagnetschen Strefung bedersets enes aktven ozeanschen Rückens. De remanente Magnetserung konzentrert sch auf de oberste Lage basaltscher Gestene n der Ozeankruste. Oben tatsächlche Meßkurve an der Meeresoberfläche senkrecht zur Längserstreckung des Rückens (MILLER, 1992). CORMIER, M.-H., SCHEIRER, D. S., MACDONALD, K. C, WHITE, S., HAY- MON, R. 1997: Sojourn Leg 1: Detaled study of the asymetrcs about the East Pacfc Rse, S. - Rdge Events, 8(2), 1-5. FUJIOKA, K., MASSOTH, G DE RONDE, C, TANAKA-NAKANO, A., GEN- DRON, J., KINOSHITA, M., NISHIZAWA, A., OKANO, O., PARADIS, G., Row, K., SHINOHARA, M., SHITASHIMA, K., TSUNOGAI, U., YTOW, N., 1995: Actve hydrothermal systems of a super-fast spreadng rdge, Southern East Pacfc Rse (13 58'S to 18 26'S). - Inter- Rdge News 4, GOFF, J. A., MALINVERNO, A., FORNI, D. J., COCHRAN, J. R., 1993: Abyssal hll segmentaton: quanttatve analyss of the East Pacfc Rse flanks 7-9 S. - J.Geoph. Res., 98, GRANT, J. und SCHREIBER, R., 1990: Modern Swathe Soundng and Sub-Bottom Proflng, Technology for Research Applcatons: The Atlas Hydrosweep and Parasound Systems. - Marne Geophyscal Researches, 12, GREVEMEYER, I., WEIGEL, W., 1997: Increase of sesmc veloctes n upper oceanc crust: The superfast" spreadng East Pacfc Rse. - Geophyscal Research Letters, Vol. 24, 3, GREVEMEYER, I., RENARD, V, JENNRICH, C, WEIGEL, W., 1997: Seamount abundances and abyssal hll morphology on the eastern flank of the East Pacfc Rse at 14 S. - Geophyscal Research Letters, Vol. 24, 15, JENNRICH, C, 1997: Ene bathymetrsche Analyse nach Daten der FS Sonne - Expedton 105, 1995 an der Ostflanke des ostpazfschen Rückens unter besonderer Berückschtgung der Vertelung von Tefseevulkanen und ene refraktonssesmsche Untersuchung der ozeanschen Kruste m Altersberech von 5 Mllonen Jahren. - Dplomarbet, 91 S., Unverstät Hamburg. JOCHUM, B., 1997: Geomagnetsche Untersuchungen am Ostpazfschen Rücken unter Benutzung smulerter magnetscher Varatonen. - Dplomarbet, 61 S., Unverstät Wen. LABRECQUE, J., KENT, D. und CANDE, S., 1977: Revsed magnetc polarty tme scale for late Cretaceous and Cenozoc tme - Geology, 5, MILITZER, H. und WEBER, F, 1984: Angewandte Geophysk Band 1: Gravmetre und Magnetk S., Wen (Sprnger). MILLER, H., 1992: Abrß der Plattentektonk S Stuttgart (Enke). TARLING, D. und MITCHELL, J., 1976: Revsed Cenozoc polarty scale. -Geology, 4, SANDER, E. und MRAZEK, C, 1982: Regresson technque to remove temporal varaton from geomagnetc survey data - Geophyscs, Vol. 47, 10, WEIGEL, W., GREVEMEYER, I., WONG, H. K. und KAUL, N., 1996: Fahrtbercht über de SONNE-Expedton 105: EXCO S., Berchte, Rehe Z, Nr. 1, Zentrum für Meeres- und Klmaforschung der Unverstät Hamburg.

9 / a;'!:- : emaaret;:\ a<v. : -??-;\js.zv?o:\sr, '-kjc'.sn T3'5' Alter n Mllonen Jahren TTrmnr 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 Abstand vom ozeanschen Rücken Abb. 9 oben Mttelwertdarstellung der 5 NNW-ESE verlaufenden Profle nach Tagesgangredukton und Abzug der Dst-Indzes m Verglech mt der Chronologe der Feldumkehrungen (CANDE & KENT, 1992). Abb. 9 unten Stapelprofl der 5 NNW-ESE verlaufenden Profle nach Tagesgangredukton und Dst-Varatonenabzug [nt]. Angegenben snd de Kreuzungspunke (KP A bs KP E) der Querprofle mt Altersangaben n Mllonen Jahren aus EXCO Fahrtbercht (WEIGEL et al., 1996).

10 136 B. JOCHUM, K. ARIC, W. SEIBERL T _ EPR 20 S North Pacfc South Pacfc Chle Rdge Southeast Indan Ocean South Atlantc Central Atlantc E 60 Chle * UJ < cc 50 South Pacfc North Pacfc z Q < UJ Or: a. n Southeast Indan " Central Atlantc 0 J- _L AGE (Ma) Abb. 10 Sprezungsgeschwndgketen des ostpazfschen und anderer ozeanscher Rücken (EPR..Ostpazfscher Rücken) n mm/a (CANDE & KENT, 1992). Manuskrpt engegangen am: Revderte Fassung engegangen am: Manuskrpt akzeptert am:

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