249 research outputs found
Correction to “Numerical simulation of the crystallization of multicomponent melts in thin dikes or sills: 1. The liquidus phase” by Tilman Spohn, Matthias Hort, and Heide Fischer
No full text
Modulation von Ash Eisen Löslichkeit in Vulkanausbruch Plumes
No full textVolcanic ash has been recently identified as a potential fertilizer for the surface ocean. However, the processes that allow conversion of insoluble iron into soluble iron compounds in ash are so far poorly understood. This study investigates the volcanic plume controls on ash iron solubility. A conceptual box model is developed to simulate the high, mid and low temperature chemical, physical and thermodynamic processes in eruption plumes in order to better constrain volcanic ash iron mobilization. The research takes into account the interaction of different species in a solid-liquid-gas system generated from three volcanic settings (convergent plate, divergent plate and hot spot). Among other volatiles, volcanic eruptions inject significant amounts of sulfur into the atmosphere mainly in the form of SO2 and H2S. The ratio of these species (H2S/SO2), which is usually used as the mirror for the oxidation state of the source magma, varies significantly according to the type of activity, tectonic setting etc. We consider the hot core (T>600◦C) as a box model in which 1000◦C magmatic gas and 25◦C ambient air are mixed and show that it functions as a hot oxidizing reactor for S species. Processes inside the hot core usually decrease the H2S content of the system but it can either increase or decrease SO2 depending on the initial oxidation state. Thus, the SO2 injected into the atmosphere is not essentially generated directly from the magma but it can be produced in the hot core as the result of H2S oxidation. Besides, volcanic cloud compositions do not necessarily mirror the source conditions. Considering three types of tectonic settings (convergent plate, divergent plate and hot spot) we propose that H2S emission is more likely under reduced conditions in divergent plate and hot spot volcanic settings.
When adding ash to the hot core model we find that the hot core of a volcanic plumedoes not produce soluble iron directly but significantly controls the Fe mineralogy and oxidation state at the ash surface. We find that the final iron mineralogy at the ash surface (i.e., the ash’s oxidation front) is likely to be independent of temperature and oxygen fugacity and is closely correlated to the ratio of H2 and H2S content of the magmatic gas to the amount of entrained oxygen (Xmix). If logXmix reaches -3.5 in the hot core, most of the iron will be oxidized to Fe3+ which is its less soluble form. Considering typical volcanic plume compositions (i.e., convergent plate, divergent plate and hot spot) with different oxidation states, we conclude that reduced conditions in divergent plate and hot spot volcanoes seem more favorable for iron fertilization because logXmix does not fall below -3.5 and >80% of the total iron remains in ferrous form.
As all material eventually leaves the hot core we simulate the sulfuric acid and water condensation as well as gas-ash/aerosol interactions in 0◦C<T<600◦C. The simulation is based on a series of coupled mass balance equations for different species in the eruption column. The terms incorporated into these equations are parameterized based on the physiochemical interactions of gas, liquid and solid species. Some of the major processes considered in this study are: gas scavenging by liquid water and dissolution of ash in the liquid phase. Results show that sulfuric acid condenses at about 150◦C followed by water condensation at about 50◦C which also dissociates sulfuric acid and produces H+ ions in the liquid phase. The aqueous phase scavenges the surrounding gas species (SO2, HCl, HF) and concurrently dissolves the ash surface constituents. Since HCl is in the range of 4 orders of magnitudes more soluble than SO2, its dissolution mainly controls the pH of the liquid. Hence, high HCl concentrations in the gas phase (the typical condition at convergent plate volcanoes) results in lower pH in the aqueous phase (pH<0.5) and consequently, an increase in the ash dissolution rate. On the other hand, reduced iron carrying minerals (e.g., fayalite) show a much higher dissolution rate in comparison with oxidized species (e.g., hematite). Thus, the presence of the reduced iron species in the mineral assemblage (the typical condition at divergent plate and hot spot volcanoes) seems to be more favorable for the soluble iron production.
We conclude that bio-available iron production is weakly correlated with the tectonic setting and is instead controlled by the halide content of the eruption plume and the oxidation state of the iron at the ash mineral assemblage.Der Einfluss vulkanischer Eruptionen auf das Klima ist vielfältig. Allgemein akzeptiert ist u.a. die Tatsache, dass Aerosole, die sich bei Vulkaneruptionen in der Stratosphäre bilden, zu einer Abkühlung auf der Erdoberfläche führen. Relativ neu dagegen ist der Zusammenhang zwischen dem Eintrag vulkanischer Asche, der Bildung von Biomasse im oberflächennahen Ozean und damit verbunden eine Bindung von CO2 aus der Atmosphäre. Entscheidend an diesem Prozess ist das Vorhandensein von bioverfügbarem Eisen (also Fe2+) auf der Oberfläche vulkanischer Asche. Allerdings sind die Prozesse, welche zur Umwandlung von unlöslichen Eisen in den verschiedenen Mineralphasen und vulkanischem Glas in lösliche Fe-Verbindungen führen bisher schlecht verstanden. In dieser These untersuche ich Prozesses in vulkanischen Eruptionswolken, welche die
Eisenlöslichkeit beeinflussen. Hierzu wurde ein sogenanntes Boxmodel entwickelt, welches es erlaubt chemische, physikalische und thermodynamische Prozesse in den Hoch-, Mittel- und Niedrigtemperaturbereichen einer Eruptionssäule zu untersuchen. Hierbei werden u.a. die Wechselwirkungen verschiedener Spezies im fest-flüssig-gasförmigen System berücksichtig.
Neben vielen verschiedenen Volatilen tragen Eruptionen u.a. signifikante Mengen an Schwefel in Form von SO2 and H2S in die Atmosphäre ein. Das Verhältnis dieser beiden Spezies (H2S/SO2), welches üblicherweise als Indikator für den Oxidationszustand genommen wird, ändert sich signifikant mit dem Magmentyp und z.B. der tektonischen Provinz. Zuerst betrachten ich den heißen inneren Kern einer Eruptionswolke, wobei die initial 1.000◦C heiße Wolke durch Einmischung von 25◦C heißer Umgebungsluft auf 600◦C abkühlt. Prozesse im heißen inneren Kern verringern den H2S Gehalt des Systems, der SO2 Gehalt kann entweder abnehmen oder ansteigen, je nachdem wie der initiale Oxidationszustand des Magmas war. SO2 im heißen Kern der Eruptionssäule wird nicht notwendigerweise vollständig aus dem Magma eruptiert, sondern kann auch durch Oxidation von H2S gebildet werden. Dies bedeutet, dass die Zusammensetzung der vulkanischen Wolke oberhalb des vulkanischen Vents nicht unbedingt die Originalzusammensetzung des Magmas widerspiegelt. Im Hinblick auf die 3 verschiedenen tektonischen Regime (konvergente Ränder, divergente Ränder und Hot spots) kann man vermuten, dass H2S Emissionen bei eher reduzierten Bedingungen an divergenten Rändern und Hotspots wahrscheinlich sind und dort insbesondere sich die SO2 Konzentration durch Oxidation von H2S noch ändert.
Wenn man zusätzlich zu den vulkanischen Gasen auch noch die Asche in der heißen Zone der Eruptionssäule berücksichtigt, so lässt sich zeigen, dass die vulkanischen Gase und die Umgebungsluft die Eisenmineralogie und den Oxidationszustand der Mineralien an der Oberfläche der Asche kontrollieren. Es deutet sich an, dass die Eisenmineralogie an der Oberfläche der Asche nahezu unabhängig von den genauen Temperatur- und Oxidationsbedingungen ist. Im Gegensatz dazu scheint das Mengenverhältnis von H2 und H2S zur Menge an eingemischter Umgebungsluft (Xmix) ein wesentlicher Faktor für den Oxidationszustand zu sein. Wenn logXmix einen Wert von -3.5 erreicht, ist das meiste Eisen oxidiert und daher liegt es in der nun weniger löslichen Oxidationsstufe vor. Vergleicht man nun die in den verschiedenen tektonischen Regimes erreichten Oxidationsstufen, so erscheinen sowohl Hotspot Vulkane und Vulkanismus an divergierenden Plattenrändern die Düngung mit Eisen durch Eintrag zu begünstigen, weil in 80% der untersuchten Fälle ein logXmix von -3.5 nicht erreicht wird.
Da beim weiteren Transport in höhere Regionen der Eruptionssäule die Eruptionssäule unter 600◦C abkühlt, muss untersucht werden, wie sich z.B. die Kondensation von Volatilen (Schwefelsäure, Wasser etc.) sowie die Interaktion im Gas/Asche/Aerosol Gemisch auswirken. Das hierzu entwickelte Boxmodel basiert auf gekoppelten Massenbilanzgleichungen für die verschiedenen Spezies in der Eruptionssäule. Die in den Gleichungen berücksichtigten Terme sind basierend auf den physico-chemischen Wechselwirkungen zwischen Gas, Flüssigkeit und Asche parametrisiert worden. Einige der wesentlichen Prozesse, die in dem Model berücksichtigt wurden, sind das Lösen von Gasen in Wasser und das Auflösen der Asche in der flüssigen Phase. Die Rechungen zeigen, dass Schwefelsäure bei ca. 150◦C kondensiert, gefolgt von Wasser bei etwa 50◦C. Die Schwefelsäure dissoziert in Wasser, was zum Anstieg der H+ Konzentration in der flüssigen Phase führt. Die flüssige Phase löst weiterhin Gase wie SO2, HCl und HF, was zu einem Anlösen der Ascheoberfläche führt. Da HCl ca. 4 Größenordungen besser löslich in Wasser ist als SO2, kontrolliert die Lösung von HCl im wesentlichen den pH Wert der Lösung. Daher führen große HCl Konzentrationen (typisch für konvergente Ränder) zu niedrigen pH Werten in der flüssigen Phase (pH<0.5) was zu einer verstärkten Anlösung der Asche führt. Anderseits zeigen Mineralphasen, in denen Eisen nicht aufoxidiert wurde (z.B. Fayalit) eine deutlich größere Lösungsrate in saurer Umgebung im Vergleich zu den aufoxidierten Phasen wie Hämatit. Insgesamt erscheint daher das Vorhandensein von nicht aufoxidiertem Eisen (typisch für divergente Ränder und Hotspot) die Entstehung von löslichem Eisen zu begünstigen.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Entstehung von bioverfügbarem Eisen nur schwach vom tektonischen Regime abhängt. Ein wesentlicher Faktor scheint daher neben der Oxidationsstufe der Mineralphasen in der Asche die Halogenkonzentration in dem eruptierten vulkanischen Gas zu sein
Doppler Radar Monitoring von Lava Dom Prozessen am Vulkan Merapi, Indonesien
No full textMerapi 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
Modellierung von Mantelströmungen und Schmelzprozessen an Mittel-Ozeanischen Rücken und Subduktionszonen — Entwicklung und Anwendung numerischer Modelle
No full textMelting processes and solid-state flow of the rocks in the Earth’s uppermost mantle are responsible for many geological processes that shape the Earth’s surface. Studying these processes is complicated by our lack of direct access to the regions where they take place. Numerical models have become a very helpful tool to study the interactions of these different processes — they also allow researchers to better synthesize and understand observations and interpretations obtained by other geophysical, geological and geochemical disciplines.
In this thesis, I have developed numerical models (named M3tri and M3tet) that allow studying the thermal evolution of the mantle as well as its viscous creep in two and three dimensions, respectively. Mantle flow (described by the Stokes equations) and the energy equation are approximated using the finite element method (FEM). This approach was chosen because it allows to use unstructured meshes that are locally refined in critical regions of interest.
Direct solvers cannot be used to solve the matrix equations that arise from the FEM applied to large 3D problems. Instead an iterative solver is required, whose performance is desired to be largely independent of the viscosity contrasts that arise from temperature, pressure, and compositional variations in the Earth’s mantle. Different stand-alone solution algorithms such as multigrid and the conjugate gradient algorithm were tested and combined to best take advantage of their distinct strengths. The solution algorithm developed in this thesis uses a conjugate gradient algorithm that is preconditioned by a multigrid V-cycle with a direct solver (Cholesky factorization) on its coarsest level. Different formulations to address the coupled velocity-pressure problem are presented and compared to each other with emphasis being on performance in combination with the above mentioned iterative Krylov-subspace solver.
A new formulation for melting of a heterogeneous multi-component mantle is introduced using a simple 1D model that has been developed in this thesis. It is used to study the 1D decompression melting of a heterogeneous mantle and to so explore detailed chemical and rheological consequences of melting underneath a ridge axis. I find that an initial water content in the mantle rocks has a very small impact on the total melt production. While the onset of melting of a wet lithology is shifted to greater depths, the melting rates in this wet melting regime remain low because water efficiently partitions into the melt. Only when the dry solidus is crossed high melt productivities are observed.
The 1D results are compared to 2D and 3D calculations of mid-ocean ridge mantle flow and melting. Here I find that the dehydration-related increase in viscosity of each lithology does not increase the effective (aggregate) mantle viscosity until the last (most depleted) lithology starts to melt and to dehydrate. Instead a low viscosity region forms if melts are assumed to weaken the mantle rocks. This low viscosity region is located underneath the base of the compositional lithosphere and has a vertical extension of about 30–50km. Convective instabilities may arise in this region and could explain the observed regular spacing between volcanic centers at several slow-spreading ridges. A case study focussing on a particular melting anomaly at the Mid-Atlantic ridge near Ascension Island further illustrates the applicability of the numerical models developed in this thesis.
Another application of the 2D and 3D numerical models focusses on mantle flow at subduction zones. Aqueous fluids, released by the descending and dehydrating slab, have to migrate through the mantle wedge and are likely to change the composition and density of the mantle rocks that they pass into. These density reductions can give rise to Rayleigh-Taylor-like instabilities emerging from a wet boundary layer on top of the slab. The study shows that different types of diapirism can evolve that could be an alternative explanation to the ”hot finger” model in order to explain the clustering of volcanic centers in some arcs. I find that the onset time and position of the diapirism is often very similar for 2D and 3D calculations when using the same set of parameters. However, modeling the ascent time and formation of secondary instabilities (triggered by the first diapirs) require a 3D code. Of greatest importance is the numerical resolution in the region where the boundary layer forms, because a too low resolution leads to misleading onset times and locations of diapirism.Schmelzprozesse und viskoses Fließen im oberen Erdmantel sind die Ursache für viele geologische Prozesse, die die Erdoberfläche prägen. Die Untersuchung der Vorgänge im Erdinneren wird dadurch erschwert, dass es unmöglich ist zu den Orten vorzudringen, an denen sie stattfinden. Um die geodynamischen Zusammenhänge dennoch zu untersuchen haben sich numerische Modelle als hilfreiche Werkzeuge erwiesen. Numerische Modelle kombinieren die Beobachtungen und Ergebnisse anderer geowissenschaftlicher Disziplinen und führen sie in einem physikalisch konsistenten Gerüst zusammen.
In dieser Arbeit habe ich numerische Modelle entwickelt, um das viskose Kriechen des Erdmantels sowie seine Temperaturentwicklung und partielle Aufschmelzung zu untersuchen. Die Modelle M3tri und M3tet beschreiben diese Prozesse im zwei- bzw. drei-dimensionalem Raum. Das viskose Flussfeld, beschrieben durch die Stokes Gleichungen, und die Energiegleichung werden mittels der Finite Elemente Methode (FEM) approximiert. Diese Methode erlaubt die Verwendung unstrukturierter Gitter, mithilfe derer lokal eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden kann.
Bei großskaligen 3D Problemstellungen können keine direkten Lösungsalgorithmen zur Lösung der Matrixgleichungen verwendet werden, die aus der FEM hervorgehen. Stattdessen werden iterative "Solver" benötigt, deren Performance möglichst unabhängig von den Viskositätskontrasten sein sollte — letztere werden durch Veränderungen in Temperatur, Druck sowie Zusammensetzung des Erdmantels hervorgerufen. In dieser Arbeit habe ich verschiedene eigenständige Lösungsalgorithmen hinsichtlich ihrer Performance verglichen und schließlich kombiniert, um von ihren individuellen Stärken zu profitieren. Ich habe einen Lösungsalgorithmus entwickelt, der aus einem Konjugierte Gradienten Verfahren besteht, welches mittels eines Multigrid-Algorithmus (einzelner V-Zyklus) präkonditioniert wird. Auf dem gröbsten Gitter wird ein direkter Lösungsalgorithmus (Cholesky Faktorisierung) angewendet. Zur Lösung des gekoppelten Geschwindigkeit-Druck-Problems zeige ich unterschiedliche Formulierungen und vergleiche sie hinsichtlich ihrer Performance in Kombination mit dem oben genannten Krylov-Unterraum Algorithmus.
Weiterhin habe ich in dieser Arbeit eine neue Formulierung für Schmelzprozesse entwickelt, welche ein aus mehreren Lithologien bestehendes Mantelgestein sowie den Wassergehalt der Gesteine berücksichtigt. Diese Methode wird mit Hilfe eines 1D Modells erläutert, welches das Schmelzen eines heterogenen Erdmantels unter Druckentlastung beschreibt. Es stellt sich heraus, dass ein höherer Wassergehalt im Mantelgestein nur eine sehr geringe Auswirkung auf die produzierte Gesamtmenge an Schmelzen hat. Die starke Fraktionierung von Wasser in die Gesteinsschmelze führt zu sehr geringen Aufschmelzraten im "nassen" Umfeld, und hohe Schmelzraten werden erst nach Überschreiten des "trockenen" Solidus erreicht.
Anschließend werden die 1D Resultate mit 2D und 3D numerischen Modellierungen verglichen, in denen Mantelströmung und Schmelzprozesse gemeinsam betrachtet werden. Hier stelle ich fest, dass der mit der Dehydrierung einhergehende Anstieg der Gesteinsviskosität nicht notwendigerweise die effektive Viskosität des Gesamtgesteins erhöht. Erst wenn die letzte lithologische Einheit zu schmelzen beginnt und ihren Wassergehalt reduziert, steigt die Viskosität des Gesamtgesteins an und bildet eine kompositionelle Lithosphäre. Unterhalb dieser Lithosphäre kann eine ca. 30–50 km mächtige Zone erniedrigter Viskosität entstehen, falls die Gesteine durch Schmelzeinschlüsse geschwächt werden. Konvektive Instabilitäten, die in dieser Zone entstehen könnten, wären eine Erklärung für den auffällig regulären Abstand vulkanischer Zentren an langsam spreizenden Rücken. In einer Fallstudie wird eine Schmelzanomalie am Mittel-Atlantischen Rücken nahe der Ozeaninsel Ascension untersucht.
Eine weitere Anwendung der 2D und 3D Modelle beschäftigt sich mit Mantelströmungen an Subduktionszonen. Freigesetzte wasserhaltiger Fluide aus der abtauchenden ozeanischen Platte können die Zusammensetzung und Dichte der Mantelgesteine verändern, durch die sie migrieren. Eine wasserhaltige Grenzschicht könnte sich oberhalb der abtauchenden Lithosphärenplatte ("Slab") bilden, aus der sich Rayleigh-Taylor-Instabilitäten entwickeln. Die Studie zeigt, dass sich verschiedene Diapirtypen entwickeln können, die eine Alternative zu dem "Hot Fingers”-Model darstellen, welches die Gruppierung vulkanischer Zentren in manchen Vulkanbogen zu erklären sucht. Startzeitpunkt und Position der ersten Instabilität wird von 2D und 3D Modellen ähnlich beschrieben. Nachfolgende Instabilitäten sowie der Aufstieg der Diapire selbst verlangen jedoch nach einem 3D numerischen Modell. Eine hohe numerische Auflösung im Bereich der Grenzschicht ist von größter Bedeutung, da ein unzureichend auflösendes numerisches Model die Diapirbildung sowohl zeitlich als auch räumlich inkorrekt beschreibt
Temporal and Spatial Evolution of the Izu Island Arc, Japan in Terms of Sr-Nd-Pb Isotope Geochemistry
No full textThe Izu Island arc is located south of Japan on one of the most active plate boundaries on earth. Since subduction began, phases of arc front volcanism alternated with phases of backarc spreading, rear arc volcanism and rifting. 40Ar/39Ar laserdating and step heating experiments from single crystal and glass particles from drilled forearc ash layers reveal volcanic activity in the Izu volcanic front for more than 40 million years. The Sr, Nd and Pb isotope ratios from the ash layers <17 Ma show nearly constant isotope ratios, while the isotope ratios of the older ash layers show larger variations and on average tend to less radiogenic Nd and Pb isotopic compositions with age. The spatial variations of the Izu arc system were investigated on lavas from the <17 Ma volcanic front, the active rift (<3 Ma), submarine rear arc volcanoes (13-3 Ma) and lavas and glass particles drilled in the Shikoku backarc basin (25-17 Ma). Trace element and isotope ratios reveal distinct geochemical signatures for each zone of the arc. Assuming a corner flow model for the streaming of mantle material, the isotope ratios can be explained by two component mixing between the underlying asthenospheric mantle wedge and a subduction component consisting of fluids from the subducted plate. The spatial geochemical variations reveal that both components must be heterogeneous across the arc. The temporal geochemical evolution shows that depletion of the mantle wedge beneath the volcanic front started when the Shikoku Basin began to spread about 25 Ma ago. With the exception of the state of enrichment or depletion of the mantle wedge and the subduction component, the input into the arc as well as the structure of the subduction zone are reflected in the arc output. The input into the arc is reflected in the temporal evolution and the Pb isotopes. These data possibly reflect a less radiogenic input in the Eocene and Oligocene due to the lesser age and smaller sediment carapace of the subducting plate
Zeitliche Variabilität der Strombolianischen Aktivität am Yasur Vulkan, Vanuatu
No full textOwing 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.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
Eruptionsdynamik Vulkanischer und sub-Plinianischer Vulkane: Von der Pulsentstehung bis zur Wolkenbildung
No full textUnderstanding the dynamics of ongoing volcanic eruptions is a key factor in predicting the input and transport of volcanic ash in the atmosphere. For this prediction precise measurements of the mass flux at the volcanic vent and in the first few hundred meters of eruption cloud formation are necessary. The Doppler radar technique provides particle velocities and a proxy of the mass flux, and is used here in two field experiments at Santiaguito volcano (Guatemala) and Volcán de Colima (Mexico) to constrain the near-vent dynamics of volcanic events.
Using the Doppler radar technology I am able to show that eruptions at Santiaguito volcano are comprised of multiple explosive degassing pulses occurring at a frequency of 0.2 to 0.3Hz. During four days of continuous measurement a total of 157 eruptive events were recorded. The Doppler radar data reveals a vertical uplift of the dome surface immediately prior to a first degassing pulse and particle velocities range from 10–15m/s (along-beam component). In 80% of the observed eruptions a second degassing pulse emanates from the dome with significantly higher particle velocities (20–25m/s again along-beam) and increased echo power, which translates to an increase in massflux. Using a numerical model for ballistic particle transport and calculating corresponding synthetic radar signals I show that the observations are consistent with a pulsed release of material from the dome of Santiaguito volcano.
To explain the possible origin of the pulsed events, I developed two simple mechanical models: (A) a vertically oscillating compressible magma column and (B) a rigid cap-rock representing the dome resting on a gas-bubble rich magma layer, here approximated by a layer of hot volcanic gas. These models have been inspired by the knowledge that a highly viscous magma rising through a conduit is often subject to shear fragmentation near the conduit walls. In model (A) the sudden displacement of the magma column is assumed to lead to longitudinal oscillations of the column itself, provided that the magma is compressible. Here the oscillation amplitude and frequency are controlled by the bulk modulus of the magma and the length of the displaced magma column, resp. In model (B) the sudden upward motion of the magma column compresses an overlying hypothetical layer of bubble rich magma sandwiched between magma column and overlying cap-rock. Pressure buildup inside this layer causes the cap-rock to uplift and release gas, but it sinksback because of its weight. This repeated movement is observed as an oscillation of the dome surface.
For the measurement of the evolution of dynamic processes during the few hundred meters of eruption cloud formation, I installed a standalone Doppler radar monitoring station at Volcán de Colima, Mexico. A total of 91 events with durations of 20 to 200 seconds have been recorded during six months. The velocity measurements can be classified into ballistic, i.e. Santiaguito-like, and non-ballistic events. The ballistic events are characterized by (a) intense jetting of short duration (1–5s) with velocities of up to 55m/s along the radar beam (measured ~150m above the vent) and (b) high settling velocities, often occurring as series of pulses. The settling velocity constrains the maximum particle size involved in an eruption. Particles with radii >1cm preferentially decouple from the gas flow and fall out of the rising cloud with their terminal settling velocity, whereas particles <1mm tend to move with the gas and eventually follow convective trajectories. Using (1) the “active tracer high-resolution atmospheric model” (ATHAM) and (2) a multi-phase fluid dynamics model for dispersion of volcanic ash (PDAC), I model the first 400m of eruption cloud formation and find that non-ballistic events can be attributed to buoyantly rising clouds. For a comparison with the measured Doppler radar data, synthetic data are calculated from the numerical model results by converting particle properties into synthetic Doppler radar velocity spectra. In addition, the 2D axis-symmetric simulations show that (a) pulses are local phenomena and can only be observed in the jet region of the cloud and (b) a pulsed release of gas and ash significantly affects the total rise height of the cloud and hence the injection height of fine ash into the atmosphere.Das Verständnis der Eruptionsdynamik ist ein Schlüsselfaktor in der Vorhersage des Ascheeintrags und atmosphärischen Aschetransports. Für diese Voraussage sind präzise Messungen des Masseflusses am Schlotausgang und in den ersten hundert Metern der Eruptionswolkenbildung notwendig. Mit der Dopplerradar-Technik werden die Partikelgeschwindigkeiten und ein Schätzwert für den Massefluss gemessen. Sie wird hier in zwei Experimenten an den Vulkanen Santiaguito in Guatemala und Colima in Mexiko verwendet, um die Dynamik in der Nähe des Schlotausgangs zu bestimmen.
Mit Hilfe des Dopplerradars kann ich zeigen, dass die Eruptionen am Vulkan Santiaguito aus mehreren, aufeinander folgenden, explosiven Entgasungen mit einer Frequenz von 0,2-0,3Hz bestehen. In vier Tagen und Nächten wurden insgesamt 157 Ereignisse beobachtet. Die Dopplerradar-Daten zeigen eine vertikale Hebung der Domoberfläche unmittelbar vor der ersten explosiven Entgasung, welche Geschwindigkeiten im Bereich von 10-15m/s (parallel zum Radarstrahl) aufweist. In 80% der beobachteten Eruptionen tritt ein zweiter Entgasungspuls mit deutlich höheren Geschwindigkeiten (20–25 m/s auch parallel zum Radarstrahl) und erhöhter Echoleistung auf. Letztere deutet auf einen größeren Massefluss hin. Mit Hilfe eines numerischen Modells für ballistischen Transport von Partikeln und der Berechnung der entsprechenden synthetischen Radarsignale kann ich zeigen, dass die Beobachtungen einer gepulsten Freisetzung von Material entsprechen.
Um die mögliche Ursache gepulster Events zu erklären, habe ich zwei einfache mechanische Modelle entwickelt: (A) eine vertikal oszillierende kompressible Magmasäule und (B) eine feste Gesteinskappe, die die Domoberfläche darstellt und auf einer an Gasblasen reichen Magmaschicht ruht, die mittels einer Schicht heißen vulkanischen Gases angenähert wird. Diese Modelle sind durch das Wissen inspiriert, dass das hochviskose Magma beim Aufstieg durch den Schlot an den Schlotwänden hohen Scherspannungen ausgesetzt ist und dadurch fragmentiert. In Modell (A) wird, vorausgesetzt das Magma ist kompressibel, eine plötzliche Verschiebung der Magmasäule longitudinale Schwingungen der Säule selbst auslösen. Schwingungsamplitude und Frequenz hängen in diesem Fall vom Kompressionsmodul des Magmas, bzw. der Länge der schwingenden Magmasäule ab (hier 50-400 m). In Modell (B) komprimiert die plötzliche Aufwärtsbewegung der Magmasäule die darüberliegende Schicht aus hypothetischem, blasenreichen Magma, das zwischen der Magmasäule und der darüberliegenden Gesteinskappe liegt. Druckaufbau im Inneren dieser Schicht bewirkt eine Anhebung der Gesteinskappe mit gleichzeitigem Ausströmen von Gas. Die Kappe sinkt aufgrund ihres Gewichts aber wieder zurück. Diese wiederholte Bewegung kann als eine Oszillation der Domoberfläche beobachtet werden.
Für die Messung der dynamischen Prozesse in der frühen Phase der Eruptionswolkenbildung, habe ich ein Dopplerradar am Volcán de Colima in Mexiko installiert. Während des sechsmonatigen Experiments wurden insgesamt 91 Eruptionen mit einer Dauer von 20 bis 200 Sekunden detektiert. Die Events können anhand ihrer Geschwindigkeiten in ballistische (Santiaguito-ähnliche) und nicht-ballistische Ereignisse klassifiziert werden. Die ballistischen Ereignisse sind durch (a) intensives Gasjetting von kurzer Dauer (1–5s) mit Geschwindigkeiten von bis zu 55m/s entlang des Radarstrahls (~150m über dem Schlot gemessen) und (b) hohen Fallgeschwindigkeiten charakterisiert und treten häufig als Serie von Pulsen auf. Die Fallgeschwindigkeit schränkt die maximale Partikelgröße, die in einem Ausbruch vorkommt, ein. Partikel mit Radien >1cm entkoppeln bevorzugt aus dem Gasstrom und fallen mit ihrer terminalen Sinkgeschwindigkeit aus der aufsteigenden Wolke, während Partikel <1mm dazu neigen, sich mit dem Gas auf konvektiven Flugbahnen zu bewegen.
Mit (1) dem Atmosphärenmodell ATHAM und (2) einem Multiphasen-fluiddynamischen Modell für die Dispersion von Vulkanasche (PDAC) modelliere ich die ersten 400m der Eruptionssäule und kann dabei zeigen, dass die nichtballistischen Ereignisse den konvektiv, auftriebsbedingt aufsteigenden Wolken zugeschrieben werden können. Für einen Vergleich mit den gemessenen Dopplerradar-Daten habe ich synthetische Daten aus den numerischen Modellergebnissen durch Umwandlung der Partikeleigenschaften in synthetische Dopplerradar-Geschwindigkeitsspektren berechnet. Darüber hinaus zeigen die zweidimensionalen achsensymmetrischen Simulationen, dass (a) Pulse ein lokales Phänomen darstellen und nur im Gasjet zu beobachten sind und (b) eine gepulste Freisetzung von Gas und Asche bedeutenden Einfluss auf die Steighöhe der Wolke und damit auch auf die Injektionshöhe von feiner Asche in die Atmosphäre hat
Adaptive Modellierung vulkanischer Plumes mit Hilfe von Diskontinuierlichen Galerkin Methoden
No full textJust as the recent Tonga eruption in January 2022 showed, explosive volcanic eruptions can emit large ash clouds that reach high into the atmosphere, which in turn can impact atmospheric behavior over a range of spatial and temporal scales. Since these atmospheric processes occur on many scales, it is of interest to have numerical schemes that can resolve physical processes over all these scales without the need to rely solely on high performance computing.
One way to face this obstacle is to utilize adaptive mesh refinement techniques, which allow to control the (spatial) resolutions so that high spatial resolution is ensured in regions of high interest, while areas of low interest also have low spatial resolution.
Such adaptive meshing tools have not been used in models which are used to model the fluid dynamics of volcanic plumes, yet.
The approach within this thesis is to use a nodal Discontinuous Galerkin Method that is able to model volcanic jets and plumes by discretizing equations that are based on the Euler equations.
While this thesis is just a conceptual study on how much computational cost can be saved for 2D volcanic plume models, the results from the numerical scheme show that at least 42% of CPU time can be saved (compared to uniform runs) if adaptivity is used correctly, while still maintaining results that resemble the uniform runs, qualitatively.Wie die Tonga-Eruption im Januar 2022 gezeigt hat, können explosive Vulkaneruptionen große Aschewolken emittieren, die auch in hohe Bereiche der Atmosphäre gelangen können. Wenn Vulkanasche in diese Bereiche gelangt kann dies das atmosphärische Verhalten über eine Bandbreite an Raum-, sowie Zeitskalen, beeinflussen. Da atmosphärische Prozesse über viele verschiedene Skalen hinweg auftreten, sind numerische Verfahren, welche all diese Skalen auflösen können ohne nur auf Hochleistungsrechner zurückzugreifen von Interesse.
Eine Möglichkeit all diese Skalen in einem Verfahren aufzulösen ist die Verwendung von adaptiver Gitterverfeinerung, welche die (räumliche) Auflösung steuert und so für hohe räumliche Auflösung in Gebieten von hoher Relevanz sorgt, während Gebiete, welcher weniger von Interesse sind auch weniger hoch aufgelöst sind.
Verfahren, die adaptive Gitter verwenden sind bis dato noch nicht Modellen für vulkanische Plumes, die die Fluiddynamik simulieren, zum Einsatz gekommen.
Der Ansatz, welcher in dieser Dissertation verwendet wird, greift auf eine nodale Diskontinuierliche Galerkin-Methode zurück, die vulkanische Jets und Plumes mit Hilfe eines Modells auf Basis der Euler-Gleichungen simulieren kann.
Obwohl diese Arbeit nur eine konzeptionelle Studie zur Analyse der Rechenzeitersparnis von 2D vulkanischen Plume-Modellen darstellt, ergeben die Resultate, dass mindestens 42% der Rechenzeit (im Vergleich zu uniformen Simulationen) eingespart werden können wenn adaptive Gitterverfahren korrekt benutzt werden können sodass diese qualitativ den uniformen Ergebnissen ähneln
Vulkanische Seismizität des Vulkans Villarrica
No full textThis thesis analyzes the nature and origin of the low-frequent seismicity of Villarrica Volcano in Chile. Villarrica is an active volcano with an intermittent lava lake in its central vent. The typical volcanic activity consists of persistent degassing and usually mild Strombolian explosions and is accompanied by a notorious seismic tremor overlain by swarms of transient events in approximately 1-min intervals. Both types of signals display frequencies between 0.5 and 5 Hz. They are usually attributed to the volcanic activity with the transients being interpreted as the bursting of slugs at the surface of the lava lake (Strombolian explosions). This work examines the origin of the tremor signal and the nature of the transient events. The base for this work are 12 days of seismic data recorded by a dense local seismic network in early March 2012. The results are most likely applicable to today’s conditions since Villarrica is generally a stable system. The tremor source was located in the crater area using three different location methods. The occurrence of the transients in terms of magnitude and waiting time between two events is statistically similar to properties found for gaseous slugs flowing through a liquid-filled pipe and therefore supports the interpretation of these events as explosions. The waveforms could be classified into at least 67 families although the majority belonged to one of two families. The families likely originate in or close to the crater and share a similar source region
- …
