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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69556
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6955/


Temporal Variability of Strombolian Explosive Activity at Yasur Volcano, Vanuatu

Zeitliche Variabilität der Strombolianischen Aktivität am Yasur Vulkan, Vanuatu

Meier, Kristina

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Yasur Vulkan , Strombolianische Aktivität
Freie Schlagwörter (Englisch): Yasur Volcano , Strombolian Activity
Basisklassifikation: 38.37
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hort, Matthias (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 29.08.2014
Kurzfassung auf Englisch: Owing to their permanent activity Strombolian volcanoes are a matter of frequent research. Numerous studies have shown that variations in explosive style or in activity level bear important information to understand the mechanisms that drive activity. A systematic study of the temporal variability of Strombolian activity is however still outstanding. It is common to focus on individual observations or to limit research to a single volcano. To date almost all findings are confined to Stromboli volcano, Italy. This leads to a biased view and allows only specific insights into the processes driving activity. For a more comprehensive understanding it is necessary to compare various observations at different volcanoes. The main goal of this study is therefore to investigate the activity of Yasur volcano, Vanuatu, and its associated geophysical signals to improve our understanding of Strombolian behavior.
To this end I analyze a continuous data set of about 58000 Strombolian explosions recorded at Yasur in late 2008. The data set consists of infrared, Doppler radar, infrasound and seismic data, and covers a transition in explosive style from ash-rich to ash-free explosions followed by a phase of high ash discharge. Its analysis permits to establish a solid link between surface activity and explosive degassing for the first time. It allows the characterization of each explosive style in terms of material movement, temperature and excess pressure. The joint temporal trend in these data reveals the regime-like persistence of a given explosion form over days.
The interpretation of all data further suggests that explosion types at Yasur overall equal those at Stromboli. With regard to explosion velocity and excess pressure there is a general correlation between explosive style and intensity. In terms of infrasonic waveforms the signal shape varies across explosive regimes. Usually this would be taken as an indicator for a different explosion dynamics. Modeling of infrasound propagation under ash-free and ash-rich conditions however shows that an explicit comparison of waveforms is challenging in the presence of different near-source conditions. A proper comprehension of the propagation setting is essential for a correct interpretation of the explosion dynamics.
I therefore follow a generic approach to capture the variability of explosive gas release: I quantify explosive degassing in terms of explosion rate and intensity as well as in terms of return time. Likewise I study the temporal structure of the recorded explosion sequence. This permits me to show that explosive degassing is controlled by a single, non-random process. Explosion magnitudes and return times feature scale-invariant behavior. Variations in this behavior mirror changes in degassing, and correlate with changes in surface activity. The scale-invariant temporal structure of the explosion sequence moreover demonstrates that temporal fluctuations in degassing are correlated in time.
On the whole the results at Yasur encourage a new view of Strombolian behavior. In contrast to previous work surface activity and explosive degassing result to be neither random nor stationary. Analog observations at Stromboli volcano corroborate this idea. This bears important constraints for our understanding of the mechanisms driving activity. Common models fail to explain all observations. As a consequence I set out to develop a new model for active degassing at Strombolian volcanoes.
Kurzfassung auf Deutsch: Strombolianische Vulkane gehören aufgrund ihrer dauerhaften Aktivität zu den weltweit meist untersuchten Vulkantypen. Zahlreiche Beobachtungen des Eruptionsverhaltens haben ein zunehmendes Verständnis Strombolianischer Aktivität ermöglicht. Eine systematische Untersuchung von zeitlichen Veränderungen im Eruptionsverhalten steht jedoch noch aus. Bisher wurden ausschließlich Teilaspekte des Ausbruchverhaltens beleuchtet. Ein Großteil der Erkenntnisse gilt zudem alleinig für den italienischen Vulkan Stromboli. Dies begrenzt die Einsicht in die zugrunde liegenden Prozesse. Für ein umfassendes Verständnis ist ein integrativer Ansatz und ein Abgleich mittels Beobachtungen an anderen Vulkanen erforderlich. Aus diesem Grund sollen das Eruptionsverhalten des Mt. Yasur in Vanuatu und die damit verbundenen geophysikalischen Signale in der vorliegenden Arbeit näher untersucht werden.
Hierfür werte ich einen Datensatz von etwas mehr als 58000 Eruptionen aus. Der Datensatz besteht aus Infrarot, Doppler Radar, Infraschall und Seismik Daten und umfasst deutliche Änderungen im Eruptionsverhalten. Aschereiche sowie aschearme Eruptionsformen wurden während der Aufzeichnungen abwechselnd beobachtet. Hierdurch kann erstmalig ein systematischer Zusammenhang zwischen Oberflächenaktivität und aktivem Entgasungsverhalten hergestellt werden. Jede Eruptionsform kann hinsichtlich Materialbewegung, Temperatur und Überdruck beschrieben werden. Der zeitliche Trend in diesen Daten belegt das regimeartige Fortbestehen einer Eruptionsform über Tage hinweg.
Die Interpretation aller Daten zeigt zudem eine starke Ähnlichkeit zwischen den beobachteten Eruptionsformen am Yasur und am Stromboli. Es besteht ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Eruptionsform und Eruptionsintensität im Hinblick auf Ejektageschwindigkeit und Überdruck. Die Wellenform der aufgenommenen Infraschallsignale variiert je nach Eruptionsform. Bisher war es üblich hieraus Änderungen der Eruptionsdynamik abzuleiten. Die Modellierung von Infraschallausbreitung unter aschereichen und aschearmen Bedingungen belegt jedoch, dass die hierfür nötige Voraussetzung der gleichmäßigen Wellenausbreitung nicht gegeben ist. Ein umfassendes Verständnis der Ausbreitungsbedingungen ist für eine korrekte Interpretation der Eruptionsdynamik unerlässlich.
Ich verfolge daher einen generischen Ansatz, um Änderungen im Entgasungsverhalten zu erfassen. Ich betrachte Änderungen in der Eruptionsrate, der Eruptionsintensität sowie in der Inter-Eruptionszeit. Ebenso untersuche ich die zeitliche Struktur der aufgezeichneten Eruptionssequenz. Der gewählte Ansatz erlaubt mir zu zeigen, dass das Entgasungsverhalten von einem nicht-zufälligen Prozess gesteuert wird. Die beobachteten Eruptionsintensitäten und Inter-Eruptionszeiten genügen skalen-invarianten Verteilungen. Die Form dieser Verteilungen variiert in Funktion des Entgasungsverhaltens und steht gleichzeitig in Verbindung mit der beobachteten Oberflächenaktivität. Die skaleninvariante zeitliche Struktur der Eruptionssequenz belegt darüber hinaus, dass Schwankungen im Entgasungsverhalten nicht zufällig erfolgen.
Im Ganzen ermöglichen die am Yasur gewonnenen Ergebnisse neue Einblicke in die Ursprünge Strombolianischer Aktivität. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten scheint das Eruptionsverhalten insgesamt weder unveränderlich noch zufällig zu sein. Analoge Untersuchungen am Stromboli bestätigen diesen Befund. Dies schränkt die Modelle für die zugrunde liegenden Mechanismen maßgeblich ein. Die derzeit existierenden Modelle können die erhaltenen Ergebnisse nur bedingt erklären. Ich entwickele daher ein neues Modell, um das Eruptionsverhalten an Strombolianischen Vulkanen zu erklären.

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