Daniel Müller

• Volcanic hydrothermal systems are an integral part of most volcanoes and typically involve a heat source, adequate fluid supply, and fracture or pore systems through which the fluids can circulate within the volcanic edifice. Associated with this are subtle but powerful processes that can significantly influence the evolution of volcanic activity or the stability of the near-surface volcanic system through mechanical weakening, permeability reduction, and sealing of the affected volcanic rock. These processes are well constrained for rock samples by laboratory analyses but are still difficult to extrapolate and evaluate at the scale of an entire volcano. Advances in unmanned aircraft systems (UAS), sensor technology, and photogrammetric processing routines now allow us to image volcanic surfaces at the centimeter scale and thus study volcanic hydrothermal systems in great detail. This thesis aims to explore the potential of UAS approaches for studying the structures, processes, and dynamics of volcanic hydrothermal systems but alsoVolcanic hydrothermal systems are an integral part of most volcanoes and typically involve a heat source, adequate fluid supply, and fracture or pore systems through which the fluids can circulate within the volcanic edifice. Associated with this are subtle but powerful processes that can significantly influence the evolution of volcanic activity or the stability of the near-surface volcanic system through mechanical weakening, permeability reduction, and sealing of the affected volcanic rock. These processes are well constrained for rock samples by laboratory analyses but are still difficult to extrapolate and evaluate at the scale of an entire volcano. Advances in unmanned aircraft systems (UAS), sensor technology, and photogrammetric processing routines now allow us to image volcanic surfaces at the centimeter scale and thus study volcanic hydrothermal systems in great detail. This thesis aims to explore the potential of UAS approaches for studying the structures, processes, and dynamics of volcanic hydrothermal systems but also to develop methodological approaches to uncover secondary information hidden in the data, capable of indicating spatiotemporal dynamics or potentially critical developments associated with hydrothermal alteration. To accomplish this, the thesis describes the investigation of two near-surface volcanic hydrothermal systems, the El Tatio geyser field in Chile and the fumarole field of La Fossa di Vulcano (Italy), both of which are among the best-studied sites of their kind. Through image analysis, statistical, and spatial analyses we have been able to provide the most detailed structural images of both study sites to date, with new insights into the driving forces of such systems but also revealing new potential controls, which are summarized in conceptual site-specific models. Furthermore, the thesis explores methodological remote sensing approaches to detect, classify and constrain hydrothermal alteration and surface degassing from UAS-derived data, evaluated them by mineralogical and chemical ground-truthing, and compares the alteration pattern with the present-day degassing activity. A significant contribution of the often neglected diffuse degassing activity to the total amount of degassing is revealed and constrains secondary processes and dynamics associated with hydrothermal alteration that lead to potentially critical developments like surface sealing. The results and methods used provide new approaches for alteration research, for the monitoring of degassing and alteration effects, and for thermal monitoring of fumarole fields, with the potential to be incorporated into volcano monitoring routines.…
• Vulkanische Hydrothermalsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler Vulkane und erfordern allgemein eine ausreichende Wärmequelle, eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr und Kluft- oder Porensysteme, durch die Flüssigkeiten zirkulieren können. Damit verbunden sind subtile, aber wirksame Prozesse, welche die Entwicklung der vulkanischen Aktivität oder die Stabilität des oberflächennahen Vulkansystems durch mechanische Schwächung, Verringerung der Durchlässigkeit und Versiegelung des betroffenen vulkanischen Gesteins erheblich beeinflussen können. Solche Prozesse sind für Gesteinsproben durch Laboranalysen gut definiert, aber es ist immer noch schwierig sie auf der Skala eines ganzen Vulkans zu bewerten. Fortschritte bei unbemannten Flugsystemen (UAS), Sensortechnologie und photogrammetrischen Prozessierungs-routinen ermöglichen es uns heute, Vulkanoberflächen im Zentimeterbereich abzubilden und damit vulkanische Hydrothermalsysteme sehr detailliert zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, deren Potenzial für die Untersuchung derVulkanische Hydrothermalsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler Vulkane und erfordern allgemein eine ausreichende Wärmequelle, eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr und Kluft- oder Porensysteme, durch die Flüssigkeiten zirkulieren können. Damit verbunden sind subtile, aber wirksame Prozesse, welche die Entwicklung der vulkanischen Aktivität oder die Stabilität des oberflächennahen Vulkansystems durch mechanische Schwächung, Verringerung der Durchlässigkeit und Versiegelung des betroffenen vulkanischen Gesteins erheblich beeinflussen können. Solche Prozesse sind für Gesteinsproben durch Laboranalysen gut definiert, aber es ist immer noch schwierig sie auf der Skala eines ganzen Vulkans zu bewerten. Fortschritte bei unbemannten Flugsystemen (UAS), Sensortechnologie und photogrammetrischen Prozessierungs-routinen ermöglichen es uns heute, Vulkanoberflächen im Zentimeterbereich abzubilden und damit vulkanische Hydrothermalsysteme sehr detailliert zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, deren Potenzial für die Untersuchung der Strukturen, Prozesse und Dynamik solcher Systeme zu erforschen, aber auch methodische Ansätze zu finden, um in den Daten verborgene Sekundärinformationen zu analysieren, die auf raum-zeitliche Dynamiken oder potenziell kritische Entwicklungen im Zusammenhang mit hydrothermaler Alteration hinweisen können. Wir haben zwei oberflächennahe vulkanische hydrothermale Systeme analysiert, das Geysirfeld von El Tatio in Chile und das Fumarolenfeld von La Fossa di Vulcano in Italien, die beide zu den am besten untersuchten Systemen ihrer Art gehören. Durch Bildanalyse, statistische und räumliche Analysen konnten wir das bisher detaillierteste Abbild des strukturellen Aufbaus beider Standorte erstellen, neue Einblicke in die oft faszinierende Systematik solcher Systeme geben, aber auch neue potenzielle Kontrollfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse werden in konzeptionellen Modellen zusammengefasst. Darüber hinaus haben wir methodische Ansätze der Fernerkundung zur Erkennung, Klassifizierung und räumlichen Eingrenzung hydrothermaler Alteration aus UAS-Daten untersucht, durch mineralogisches und chemisches „Ground-Truthing“ bewertet und die Alterationsmuster mit der aktuellen Entgasungsaktivität verglichen. Wir zeigen dass die oft nicht berücksichtigte diffuse Aktivität einen signifikanten Beitrag zur Gesamtaktivität liefert, aber auch Bereiche in denen sekundäre Prozesse hydrothermaler Alteration scheinbar zu potenziell kritischen Entwicklungen wie Oberflächenversiegelung führen. Die Ergebnisse und die verwendeten Methoden bieten neue Ansätze für die Alterationsforschung, für die Überwachung von Entgasungs- und Alterationseffekten und für die thermische Überwachung von Fumarolenfeldern, und haben Potential in Vulkanüberwachungsroutinen integriert zu werden.…