Beobachtung von Strömungsprozessen in vulkanischen Schloten mittels Transientelektromagnetik: Eine kombinierte numerische und Geländestudie

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Hort; Professor Dr. Klaus Spitzer
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434373481

Vulkanausbrüche sind für die Menschen, die in ihrer Nähe leben, Fluch und Segen zugleich. Somit ist die Minderung der Folgen von Vulkanausbrüchen eine wichtige gesellschaftliche Aufgabe, wobei u.a. kurzfristigen Ausbruchswarnungen eine große Bedeutung zukommt. Daher ist das Verständnis der Prozesse im Vulkanschlot, die einer Eruption direkt vorausgehen, von besonderem Interesse. Eine in situ Beobachtung dieser Prozesse im Schlot ist kaum möglich, sodass nahezu alle Messdaten auf Fernerkundungsmethoden basieren (z.B. seismische Überwachung, Neigungsmessung, bodengestütztes InSAR). Der Magmenaufstieg im Schlot geht mit der Freisetzung und dem Wachstum von Blasen einher, die im Fall strombolianischer Eruptionen kurz vor der Eruption deutlich länger sind als der Schlot breit ist und als sog. „gas slugs“ bezeichnet werden. Wir wollen diese Eruptionen nutzen um die Möglichkeiten des transientelektromagnetischen Verfahrens (TEM) im Hinblick auf die Abbildung eben dieser Blasen auf den letzten 100 m im Schlot zu erforschen. EM Verfahren allgemein haben durch die induktive Kopplung und die großen Leitfähigkeitsunterschiede von Magma, Gas und Muttergestein ein großes Potential bei der Untersuchung von Vulkanen. Durch virtuelle Experimente mittels dreidimensionaler TEM-Vorwärtsrechnungen werden wir die Sensitivität des Verfahrens auf Leitfähigkeitsänderungen im Untergrund (Blasenaufstieg) unter Einbeziehung einer realistischen Topographie und entsprechender Untergrundstrukturen (z.B. hydrothermale Systeme, magmagefüllter Schlot) untersuchen. Dazu wird der Einfluss verschiedener Entfernungen zum Messinstrument auf die TEM-Messwerte unter realen Bedingungen und unter Verwendung verschiedener Sender-Empfänger-Anordnungen untersucht. Hieraus soll ein charakteristisches Signal abgeleitet werden, das an einem aktiven Vulkan kurz vor einer Eruption zu erwarten wäre. Hierzu wird eine existierende Software um adaptive Gitterverfeinerung und fortschrittliche Geomodellierungsverfahren erweitert, um den Vulkanschlot einschließlich realistischer Topographie korrekt abzubilden.Mithilfe einer detaillierten, speziell auf den Vulkan Stromboli (Italien) zugeschnittenen Sensitivitätsstudie werden wir zudem, unter Einbeziehung geophysikalischer Vorinformationen zum Vulkan Stromboli, eine Reihe virtueller Experimente durchführen. Ziel ist es, mögliche Messanordnungen zu bestimmen, die für eine Messkampagne am Vulkan Stromboli zur Abbildung von Prozessen im Schlot geeignet sind. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine entsprechende TEM Messung am Vulkan Stromboli. Wir planen diese TEM-Messungen durch Dopplerradarbeobachtungen und Videos (sichtbar und IR) zu unterstützen. Ziel ist es die Aufstiegsgeschwindigkeiten des Slugs kurz vor dem Ausbruch etwas besser eingrenzen zu können, um so u.a. existierende Modelle für den Aufstieg von Slugblasen zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen