Doppler Radar Monitoring of Lava Dome Processes at Merapi Volcano, Indonesia

Abstract

Merapi volcano in Central Java, Indonesia, is considered one of the most dangerous volcanoes worldwide. Due to the high viscosity of its magma, the lava emerging at the top the volcano cannot flow silently down the flanks of the volcano but builds a lava dome. An indicator for the stability of the lava dome are rockfalls and block and ash flows, which are caused by local instabilities at the dome. When the lava dome reaches a critical size, it collapses. This results in dangerous block and ash flows, which can reach several kilometers into the proximity of the volcano. In the past rockfall and block and ash flow activity has been observed visually or by seismic networks. However, visual observations are often impossible due to bad visibility conditions and until now seismic measurements allow only few insights into the dynamic processes that are involved in instability events, i.e. events of material breaks off the lava dome. In order to enhance monitoring of lava dome activity, a first prototype Doppler radar system has been installed at the western of the Merapi in October 2001. This system consists of a frequency modulated continuous wave (FMCW) 24GHz Doppler radar. The Doppler spectra recorded by the system give a relative measure of the amount of material moving through the beam as well as information about its velocities. Because the radar system is insensitive for clouds, the system provides first continuous "quasi-visual" observations of dome instabilities. In August 2003 the radar system was upgraded, in order to provide a complete Doppler radar monitoring system. For precise positioning of the radar beam the system has been equipped with an electromechanical mounting. A CCD-camera has also been attached to the radar mirror to better document the radar beam position and for visual observation of the dome. Via radio modems the measured data, images from the camera and status information are transmitted to the Merapi Volcano Observatory, where it can be processed and interpreted. Status information is also sent independent of the radio communication as SMS via a GSM-modem. A second radar system has been installed in January 2005. From the Doppler spectra we were able to identify three different kinds of processes: sliding material, gravitational break-offs and explosive outbursts. In addition, our Doppler radars provide rain measurements, which can be used to investigate possible correlations between rainfall and dome activity. Due to the large number of instability events that occur during times of high activity, manual processing and analysis of instability events is not practical for monitoring purposes. Therefore, an automatic classification system has been developed, which is capable of identifying different kinds of instabilities as well as rainfall and disturbances of unknown origin. For the classification of single Doppler spectra two different kinds of classifier models have been used, a neural network and a K-nearest-neighbor classifier. Because events detected by the radar system consist of a series of Doppler spectra, they can contain a sequence of different processes. Therefore, a rule set has been defined, which determines the type of radar event according to the already classified sequence of Doppler spectra. Between November 2001 and July 2004 about 80000 radar events have been detected. The classification system identified about 57000 of these events as dome instability events. A comparison of the record of detected instabilities with rockfall measurements deduced from the seismic network of the Merapi Volcano Observatory demonstrates the high potential of Doppler radar measurements for monitoring of dome activity. When aligned to the most active area at the dome, the radar detects significantly more events than the seismic system, which is mainly due to the fact that events in the radar data have a shorter duration than events detected by the seismic network. In combination with seismic measurements, the Doppler radar allows to identify changes in the location of the most active area at the dome. The different types of instabilities have been analyzed for their occurrence frequency in terms of size, volume and mean velocity. Significant temporal changes in the relative frequencies or the characteristic properties of the different types of instabilities have not been observed. However, during the period of fastest activity decrease, explosive instability events with a gravitational precursor decreased faster than events starting explosively. A link between rain and dome activity could not be observed throughout the observation period, which might be due to the fact that the activity has been almost continuously decreasing.

Der Vulkan Merapi in Zentral--Java in Indonesien ist einer der gefährlichsten Vulkane weltweit. Aufgrund der hohen Viskosität seiner Magmen kann die austretende Lava nicht ruhig über die Flanken abfließen, sondern türmt sich zu einem sogenannten Lavadom auf. Ein Indikator für die Stabilität das Lavadomes sind Steinschläge und Block- und Aschenströme, die von lokalen Instabilitäten am Dome verursacht werden. Der Dom kollabiert, wenn er eine kritische Größe erreicht. Das Resultat sind zerstörerischen Block- und Aschenströmen, die mehrere Kilometer in die Umgebung des Vulkans reichen können. In der Vergangenheit wurde die Aktivität von Steinschlägen und Block- und Aschenströmen visuell und durch seismische Netzwerke beobachtet. Visuelle Beobachtungen sind allerdings oft unmöglich, da am Merapi in der Regel schlechte Sichtbedingungen herrschen. Seismische Messungen können solche Ereignisse zwar kontinuierlich beobachten, sie lassen zur Zeit aber nur wenig Schlüsse über die in das Abbrechen von Dommaterial involvierten dynamischen Prozesse zu. Um das Monitoring von Lavadomaktivitäten zu verbessern, wurde im Oktober 2001 eine erstes Prototyp Doppler Radarsystem auf der westlichen Flanke des Merapi installiert. Der Kern dieses Systems ist ein sogenanntes "frequency modulated continuous wave" (FMCW) Doppler Radar. Die von dem System registrierten Dopplerspektren geben Aufschluß über die Größe von Materialbewegungen und die darin involvierten Geschwindigkeiten. Da das Radarsystem von Wolken nicht beeinflußt wird, bietet das System erste "quasi-visuelle" kontinuierliche Beobachtungen von Dominstabilitäten. Im August 2003 wurde das Radarsystem zu einem kompletten Monitoringsystem erweitert. Um eine präzise Ausrichtung des Radarstrahls auf den aktiven Bereich am Dom zu erreichen, wurde das Radarsystem mit einem elektrischen Schwenk-Neige-Kopf ausgerüstet. Eine CCD-Kamera wurde am Radarspiegel angebracht, um eine bessere Dokumentation der Ausrichtung des Radarstrahls zu gewährleisten und um zusätzlich Veränderungen am Dom visuell zu dokumentieren. über Datenfunk werden die gemessenen Daten, Bilder der Kamera und Statusinformationen an das Merapi Volcano Observatory übermittelt, wo diese prozessiert und interpretiert werden können. Unabhängig vom Datenfunk werden Statusinformationen ebenfalls über ein GSM Modem per SMS verschickt. Ein zweites Radarsytem wurde im Januar 2005 installiert. Anhand der gemessenen Dopplerspektren konnten drei verschiedene Prozesse in Verbindung mit Dominstabilitäten identifiziert werden: rutschendes Dommaterial, gravitative Abbrüche und explosive Ausbrüche. Zusätzlich erlaubt das Dopplerradar Regenmessungen, anhand derer mögliche Zusammenhänge zwischen Domaktivität und Regenfall untersucht werden können. Aufgrund der großen Anzahl von Dominstabilitäten, die in Zeiten starker Aktivität auftreten, ist eine manuelle Auswertung solcher Ereignisse ummöglich. Daher wurde ein Klassifikationssystem entwickelt, das in der Lage ist, die unterschiedlichen Arten von Dominstabilitäten, Regenereignisse sowie Störungen unbekannten Ursprungs zu unterscheiden. Für die Klassifikation von einzelnen Dopplerspektren wurden zwei verschiedene Klassifikatoren verwendet: neuronale Netze und die K-nearest-neighbor Methode. Da Ereignisse in den Radardaten aus einer Serie von Dopplerspektren bestehen, kann sich der beobachtete Prozess während eines Ereignisses ändern. Daher wurde ein Regelsatz erstellt, mithilfe dessen der Typ des Ereignisses anhand der Sequenz von bereits klassifizierten Dopplerspektren bestimmt wird. Zwischen November 2001 und Juli 2004 wurden ca. 80000 Radarereignisse registriert. Das Klassifikationssystem hat ungefähr 57000 dieser Ereignisse als Dominstabilitäten identifiziert. Ein Vergleich dieser vom Radarsystem registrierten Dominstabilitäten mit Steinschlag-Messungen des seismischen Netzwerks des Merapi Volcano Observatory demonstriert das große Potential von Dopplerradar Messungen zur Beobachtung von Dominstabilitäten. Wenn das Radarsystem auf den aktivsten Bereich am Dom ausgerichtet ist, werden mehr Ereignisse identifiziert, als vom seismischen Netzwerk, was überwiegend eine Folge der kürzeren Dauer der Ereignisse in den Radardaten ist. In Kombination mit seismischen Messungen erlaubt das Radarsystem, Verlagerungen der Aktivität am Dom zu beobachten. Die unterschiedlichen Typen von Dominstabilitäten wurden auf ihre relative Häufigkeit, ihre Größe und ihre Geschwindigkeit untersucht. Gravierende zeitliche Veränderungen konnten weder in der Häufigkeit noch in den charakteristischen Eigenschaften beobachtet werden. Es wurde allerdings beobachtet, dass in dem vom stärksten Rückgang der Aktivität geprägten Zeitraum explosive Ereignisse, die direkt einem gravitativen Abbruch folgen, schneller zurückgingen, als explosiv beginnende Ereignisse. Eine Verbindung zwischen Domaktivität und Regenfall konnte über den gesamten untersuchten Zeitraum nicht beobachtet werden. Dies mag allerdings an der über den gesamten untersuchten Zeitraum kontinuierlich sinkenden Aktivität liegen.