TY  - THES
A1  - Müller, Daniel
T1  - Identification and monitoring of structures, controls, and evolution dynamics of hydrothermal systems and associated alteration through high-resolution remote sensing and in situ analysis
T1  - Identifizierung und Überwachung von Strukturen, Kontrollmechanismen und Entwicklungsdynamiken hydrothermaler Systeme und damit verbundener Alteration durch hochauflösende Fernerkundung und In-situ-Analyse
N2  - 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 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.
N2  - 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 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.
KW  - volcano remote sensing
KW  - Fernerkundung an Vulkanen
KW  - volcanic hydrothermal systems
KW  - vulkanische Entgasungs-und Hydrothermalsysteme
KW  - Vulkanüberwachung
KW  - hydrothermale Alteration
KW  - vulkanische Entgasungssysteme
KW  - Drohnen-Fernerkundung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626683
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gaete Rojas, Ayleen Barbara
T1  - Monitoring and modeling observations of plumbing systems at caldera-like topography
T1  - Überwachung und Modellierung von Beobachtungen an vulkanischen Systemen mit Caldera-ähnlicher Topographie
N2  - In this dissertation, I describe the mechanisms involved in magmatic plumbing system establishment and evolution. Magmatic plumbing systems play a key role in determining volcanic activity style and recognizing its complexities can help in forecasting eruptions, especially within hazardous volcanic systems such as calderas. I explore the mechanisms of dike emplacement and intrusion geometry that shape magmatic plumbing systems beneath caldera-like topographies and how their characteristics relate to precursory activity of a volcanic eruption. For this purpose, I use scaled laboratory models to study the effect of stress field reorientation on a propagating dike induced by caldera topography. I construct these models by using solid gelatin to mimic the elastic properties of the earth's crust with a caldera on the surface. I inject water as the magma analog and track the evolution of the experiments through qualitative (geometry and stress evolution) and quantitative (displacement and strain computation) descriptions. The results show that a vertical dike deviates towards and outside of the caldera-like margin due to stress field reorientation beneath the caldera-like topography. The propagating intrusion forms a circumferential-eruptive dike when the caldera-like size is small, whereas a cone sheet develops beneath the large caldera-like topography.
To corroborate the results obtained from the experimental models, this thesis also describes the results of a case study utilizing seismic monitoring data associated with the unrest period of the 2015 phreatic eruption of Lascar volcano. Lascar has a crater with a small-scale caldera-like topography and exhibited long-lasting anomalous evolution of the number of long-period (LP) events preceding the 2015 eruption. I apply seismic techniques to constrain the hypocentral locations of LP events and characterize their spatial distribution, obtaining an image of Lascar's plumbing system. I observe an agreement in shallow hypocentral locations obtained through four different seismic techniques; nevertheless, the cross-correlation technique provides the best results. These results depict a plumbing system with a narrow sub-vertical deep conduit and a shallow hydrothermal system, where most LP events are located. These two regions are connected through an intermediate region of path divergence, whose geometry and orientation likely is influenced by stress reorientation due to topographic effects of the caldera-like crater.
Finally, in order to further enhance the interpretations of the previous case study, the seismic data was analyzed in tandem with a complementary multiparametric monitoring dataset. This complementary study confirms that the anomalous LP activity occurred as a sign of unrest in the preparatory phase of the phreatic eruption. In addition, I show how changes observed in other monitored parameters enabled to detect further signs of unrest in the shallow hydrothermal system. Overall, this study demonstrates that detecting complex geometric regions within plumbing systems beneath volcanoes is fundamental to produce an effective forecast of eruptions that from a first view seem to occur without any precursory activity.
Furthermore, through the development of this research I show that combining methods that include both observations and models allows one to obtain a more precise interpretation of the volcanic processes.
N2  - In dieser Dissertation beschreibe ich die physikalischen Mechanismen, die maßgeblich an der Entstehung und Entwicklung von magmatischen Systemen beteiligt sind. Das magmatische System eines Vulkans spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des vulkanischen Aktivitätsstils und die Erkennung seiner Komplexität kann bei der Vorhersage von Ausbrüchen helfen, insbesondere bei gefährlichen vulkanischen Systemen wie Calderas. Hier erforsche ich deshalb die Mechanismen der Platznahme von Eruptivgängen, sogenannten Dikes und die Geometrie der Intrusionen, welche die magmatischen Systeme unterhalb von Calderen formen, und beleuchte wie ihre Eigenschaften an der Vorläuferaktivität eines Vulkanausbruchs beteiligt sind. Zu diesem Zweck untersuche ich mit Hilfe von skalierten Labormodellen den Effekt, der durch die Caldera-Topographie induzierten Stressfeldneuausrichtung auf einen sich ausbreitenden Dike ausgeübt wird. Ich habe diese Modelle mit fester Gelatine durchgeführt, um die elastischen Eigenschaften der Erdkruste mit einer Caldera an der Oberfläche nachzuahmen. Ich injizierte Wasser als Magma-Analog und verfolgte die Entwicklung der Intrusion. Die Ergebnisse zeigen, dass ein vertikaler Dike aufgrund einer Umorientierung des oberflächennahen Spannungsfeldes unterhalb einer Caldera sowohl in Richtung, als auch nach außerhalb des Caldera-Randes abgelenkt wird. Die propagierende Intrusion bildet somit bei kleinen Calderen einen umlaufend eruptiven Dike, während sich unter großen Calderen bevorzugt sogenannte cone sheets bilden. 
Um die Ergebnisse aus den vorangegangenen experimentellen Modellen zu bestätigen, werden im Anschluß die Ergebnisse einer Fallstudie beschrieben, in welcher seismologische Monitoringdaten für den Zeitraum des Ausbruchs des Vulkans Lascar im Jahr 2015 herangezogen wurden. Lascar hat einen Krater mit einer kleinräumigen caldera-ähnlichen Topographie und zeigte vor dem phreatischen Ausbruch im Jahr 2015 eine lang anhaltende Periode anomaler Entwicklung bezüglich der Anzahl der täglich registrierten langperiodischen (LP) Erdbeben. Ich habe verschiedene seismische Techniken angewendet, um die Herdregionen (Hypozentren) dieser LP Erdbeben zu lokalisierenund ihre räumliche Verteilung zu charakterisieren, und somit ein Bild von Lascars magmatischen System zu erhalten. Ich beobachte eine Übereinstimmung in den flachen hypozentralen Positionen, die durch vier verschiedene seismische Techniken ermittelt wurden, allerdings lieferte die Kreuzkorrelationstechnik die besten Ergebnisse. Diese Ergebnisse zeigen ein magmatisches System mit einem schmalen tiefen subvertikalen Kanal und einem flachen hydrothermalen System, in dem sich die meisten LP-Ereignisse befinden. Diese beiden Bereiche sind durch einen Zwischenbereich der Pfaddivergenz miteinander verbunden, dessen Geometrie und Ausrichtung wahrscheinlich auf eine oberflächennahe Spannungsumorientierung aufgrund der topographischen Wirkung des caldera-ähnlichen Kraters zurückzuführen ist. 
Um die Interpretation der vorigen Fallstudie weiter zu vertiefen, habe ich die seismischen Daten in einer weiteren Studie zusammen mit einem ergänzenden multiparametrischen Überwachungsdatensatz analysiert, und wurde darin betstätigt, dass die anomale LP-Aktivität wahrscheinlich als Anzeichen für Unruhe in der Vorbereitungsphase der phreatischen Eruption gedeutet werden kann. Hier zeige ich u.a. auch, wie die Änderungen in den verschiedenen anderen überwachten Parametern weitere Anzeichen von Unruhe im flachen hydrothermalen System erkennen ließen. Insgesamt hat diese Studie gezeigt, wie grundlegend das Erkennen komplexer Geometrien des magmatischen Systems unter Vulkanen ist, um eine effektive Vorhersage von Eruptionen zu erstellen, die auf den ersten Blick ohne Vorläuferaktivität zu erfolgen scheinen. Darüber hinaus zeige ich durch die Entwicklung dieser Forschung, dass die Kombination von Methoden, die sowohl Beobachtungen als auch Modelle umfassen, eine genauere Interpretation der vulkanischen Prozesse ermöglicht.
KW  - caldera-like topography
KW  - unloading stress
KW  - cone sheet
KW  - gelatin analogue modeling
KW  - circumferential dike
KW  - volcanic plumbing system
KW  - volcano monitoring
KW  - phreatic eruption
KW  - volcano seismology
KW  - Lascar Volcano
KW  - Caldera-ähnliche Topographie
KW  - Entlastungsspannung
KW  - Cone sheet
KW  - Gelatine-Analogmodellierung
KW  - umlaufender Deich
KW  - vulkanisches System
KW  - Vulkan-Überwachung
KW  - phreatische Eruption
KW  - vulkanische Seismologie
KW  - Vulkan Lascar
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446135
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nikkhoo, Mehdi
T1  - Analytical and numerical elastic dislocation models of volcano deformation processes
T1  - Analytische und numerische Dislokationsmodelle von Verformungsprozessen an Vulkanen
N2  - The advances in modern geodetic techniques such as the global navigation satellite system (GNSS) and synthetic aperture radar (SAR) provide surface deformation measurements with an unprecedented accuracy and temporal and spatial resolutions even at most remote volcanoes on Earth. Modelling of the high-quality geodetic data is crucial for understanding the underlying physics of volcano deformation processes. Among various approaches, mathematical models are the most effective for establishing a quantitative link between the surface displacements and the shape and strength of deformation sources. Advancing the geodetic data analyses and hence, the knowledge on the Earth’s interior processes, demands sophisticated and efficient deformation modelling approaches. Yet the majority of these models rely on simplistic assumptions for deformation source geometries and ignore complexities such as the Earth’s surface topography and interactions between multiple sources.
This thesis addresses this problem in the context of analytical and numerical volcano deformation modelling. In the first part, new analytical solutions for triangular dislocations (TDs) in uniform infinite and semi-infinite elastic media have been developed. Through a comprehensive investigation, the locations and causes of artefact singularities and numerical instabilities associated with TDs have been determined and these long-standing drawbacks have been addressed thoroughly. This approach has then been extended to rectangular dislocations (RDs) with full rotational degrees of freedom. Using this solution in a configuration of three orthogonal RDs a compound dislocation model (CDM) has been developed. The CDM can represent generalized volumetric and planar deformation sources efficiently. Thus, the CDM is relevant for rapid inversions in early warning systems and can also be used for detailed deformation analyses. In order to account for complex source geometries and realistic topography in the deformation models, in this thesis the boundary element method (BEM) has been applied to the new solutions for TDs. In this scheme, complex surfaces are simulated as a continuous mesh of TDs that may possess any displacement or stress boundary conditions in the BEM calculations. In the second part of this thesis, the developed modelling techniques have been applied to five different real-world deformation scenarios. As the first and second case studies the deformation sources associated with the 2015 Calbuco eruption and 2013–2016 Copahue inflation period have been constrained by using the CDM. The highly anisotropic source geometries in these two cases highlight the importance of using generalized deformation models such as the CDM, for geodetic data inversions. The other three case studies in this thesis involve high-resolution dislocation models and BEM calculations. As the third case, the 2013 pre-explosive inflation of Volcán de Colima has been simulated by using two ellipsoidal cavities, which locate zones of pressurization in the volcano’s lava dome. The fourth case study, which serves as an example for volcanotectonics interactions, the 3-D kinematics of an active ring-fault at Tendürek volcano has been investigated through modelling displacement time series over the 2003–2010 time period. As the fifth example, the deformation sources associated with North Korea’s underground nuclear test in September 2017 have been constrained. These examples demonstrate the advancement and increasing level of complexity and the general applicability of the developed dislocation modelling techniques.
This thesis establishes a unified framework for rapid and high-resolution dislocation modelling, which in addition to volcano deformations can also be applied to tectonic and humanmade deformations.
N2  - Fortschritte in modernen geodätischen Techniken wie dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) und dem Synthetic Apertur Radar (SAR), liefern Messungen der Oberflächenverformung mit einer beispiellosen Genauigkeit sowie zeitlichen und räumlichen Auflösungen, selbst an abgelegensten Vulkanen. Die Modellierung von hochqualitativen geodätischen Daten ist entscheidend für das Verständnis der zugrundeliegenden Physik der Verformungsprozesse an diesen Vulkanen. Um eine quantitative Verbindung zwischen den Oberflächenverschiebungen und der Form und Stärke von Verformungsquellen herzustellen, sind mathematische Modelle am effektivsten. Die Fortschnitte in geodätischen Datenanalysen und damit das Wissen über die Prozesse im Inneren der Erde erfordern ausgefeilte und effiziente Ansätze der Verformungsmodellierung. Die meisten dieser Modelle beruhen jedoch auf vereinfachten Annahmen der Geometrien der Verformungsquellen und ignorieren Komplexitäten wie die Erdoberflächentopographie und Wechselwirkungen zwischen mehreren Quellen.
Diese Doktorarbeit befasst sich mit diesem Problem im Kontext der analytischen und numerischen Vulkanverformungsmodellierung. Im ersten Schritt wurden neue analytische Lösungen für dreieckige Dislokationen (triangular dislocation-TD) im gleichförmigen elastischen Voll- und Halbraum entwickelt. Durch eine umfassende Untersuchung wurden die Orte und Ursachen von TDs verbundenen Artefaktsingularitäten und numerischen Instabilitäten identifiziert und diese Problematik gelöst. Dieser Ansatz wurde dann auf rechteckige Dislokationen (rectangular dislocation-RD) mit vollen Rotationsfreiheitsgraden erweitert. Unter Verwendung dieser Lösung in einer Konfiguration von drei orthogonalen RDs wurde ein “Zusammengesetztes Dislokationsmodel” (compound dislocation model-CDM) entwickelt. Das CDM kann verallgemeinerte volumetrische und planare Verformungsquellen effizient darstellen. Somit ist das CDM für schnelle Inversionen in Frühwarnungssystemen relevant und kann auch für detaillierte Verformungsanalysen verwendet werden. Um komplexe Quellengeometrien und eine realistische Topographie in den Verformungsmodellen dieser Untersuchung zu berücksichtigen, wurde die Randelementmethode (REM) auf die neuen Lösungen für TDs angewendet. In diesem Schema werden komplexe Oberflächen als ein kontinuierliches Netz von DVs simuliert, die in den REM-Berechnungen beliebige Verschiebungs- oder Spannungsgrenzbedingungen aufweisen können.
Als Beispiele wurden die entwickelten Modellierungstechniken auf fünf verschiedene reale Verformungsszenarien angewendet. Das erste und zweite Beispiel, die Calbuco-Eruption 2015 und die 2013–2016 Copahue-Aufwölbungsperiode, wurden durch die Verwendung des CDM näher beschrieben. Die hoch anisotropen Quellengeometrien in diesen beiden Fällen unterstreichen die Bedeutung der Verwendung verallgemeinerter Verformungsmodelle wie dem CDM für geodätische Dateninversionen. Weitere Fallstudien dieser Doktorarbeit umfassen hochauflösende Versetzungsmodelle und REM-Berechnungen. Die Aufwölbung 2013 am Volcán de Colima wurde simuliert, indem zwei ellipsoidale Quellen verwendet wurden, die Druckzonen im Lavadom des Vulkans lokalisieren. Danach, als Beispiel für Vulkantektonik-Interaktionen, wurde die 3-D-Kinematik einer aktiven Ringstörung am Tendürek-Vulkan durch Modellierung von InSAR-Zeitreihen über die Zeitperiode 2003–2010 simuliert. Als letztes Beispiel wurden die Verformungsquellen, die im Zusammenhang mit Nordkoreas unterirdischem Atomtest im September 2017 stehen, simuliert und der Einsatz der verwendeten Methoden auch in nicht vulkanischen Terrain gezeigt. Diese Beispiele zeigen den Fortschritt und das zunehmende Niveau der Komplexität und die allgemeine Anwendbarkeit der entwickelten Dislokationsmodellierungstechniken.
Diese Doktorarbeit unterstreicht die Anwendung von neuer schneller und hochauflösender Dislokationsmodellierung, die neben Vulkanverformungen auch auf tektonische und vom Menschen verursachte Verformungen angewendet werden kann.
KW  - Volcano deformation modelling
KW  - Triangular dislocations (TDs)
KW  - Compound dislocation models (CDMs)
KW  - Inverse modelling
KW  - crustal deformations
KW  - Vulkanverformungsmodellierung
KW  - dreieckige Dislokationen (TDs)
KW  - Zusammengesetztes Dislokationsmodel (CDM)
KW  - inverse Modellirung
KW  - Krustenverformungen
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429720
ER  -