MagmaPropagator: Ein Vorhersagewerkzeug für den Ort und die Zeit von Vulkanausbrüchen aufgrund der Ausbreitung von magmagefüllten Rissen.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Eleonora Rivalta, Ph.D.; Professor Dr. Gert Zöller
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406819817

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung einer physikbasierten Methode zur Vorhersage von Ort und Zeitpunkt des Ausbruchs von magmagefüllten Rissen nach der Ausbreitung unter der Erdoberfläche. Bei vulkanischer Magmaausbreitung weicht das Magma oft dem zentralen Schlot des Vulkans aus und breitet sich stattdessen über verschlungene Magmagänge unterhalb der Vulkanflanken aus. In Calderas sind diese Magmagänge besonders komplex, und Eruptionsspalten finden sich verstreut über weite Gebiete. Viele dicht besiedelte Gebiete entstehen auf alten Eruptionsspalten, deren Gefahr bisher ausschließlich auf Grundlage der räumlichen Verteilung früherer Eruptionen eingeschätzt wurde. Unser Ziel war es, die physikalischen Aspekte der Magmaausbreitung zu berücksichtigen. Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts sind: 1) Die Kombination von zwei etablierten deterministischen zweidimensionalen Modellen, eines für die Pfadführung und eines für die Geschwindigkeit von Magma. Beide Modelle wurden von dem deutschen bzw. französischen Expertenteams erstellt, und im Rahmen dieses Projekts in einem kombinierten Modell integriert, das gleichzeitig den Pfad und die Geschwindigkeit eines magmagefüllten Risses berechnen kann; 2) Die Entwicklung eines Monte-Carlo-Ansatzes, um den aktuellen Spannungszustand des Vulkans basierend auf vergangenen Eruptionsmustern zu ermitteln; 3) Die Prüfung des Prognoseansatzes anhand synthetischer Daten aus analogen Laborexperimenten und numerischen Szenariosimulationen. 4) Die Anwendung des zweidimensionalen Ansatzes auf Campi Flegrei caldera, Italien; 5) Die Entwicklung eines umfassenden Rahmens, um den Ansatz in drei Dimensionen zu übertragen, damit er schließlich zur Vorhersage der Lage zukünftiger Eruptionsorte in der Natur angewendet werden kann. Dies stellt das erste physikbasierte Langzeitprognosetool für die zukünftige Verteilung von Eruptionsorten dar; 6) Durch alle unsere Modelle haben wir ein verbessertes Verständnis dafür entwickelt, wie sich der Spannungszustand von Vulkanen unterschiedlicher Form im Laufe der Zeit entwickelt und wie die Struktur eines Vulkanbaus die Verschiebung des Oberflächenvulkanismus beeinflusst.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Vent location forecasts at calderas: a physics-based approach. In AGU Fall Meeting Abstracts (Vol. 2018, pp. T31F-0375).
  Rivalta, E., Corbi, F., Passarelli, L., Davis, T., Acocella, V. & Di Vito, M.A.
  
• On the Propagation Path of Magma‐Filled Dikes and Hydrofractures: The Competition Between External Stress, Internal Pressure, and Crack Length. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 20(4), 2064-2081.
  Maccaferri, F.; Smittarello, D.; Pinel, V. & Cayol, V.
  
• Stress field control on magma path and velocity. In AGU Fall Meeting Abstracts (Vol. 2019, pp. V12A-01)
  Pinel, V., Smittarello, D., Maccaferri, F., Rivalta, E. & Cayol, V.
  
• Velocity variations of a propagating dyke in presence of an external stress field: insights from analogue models. In Geophysical Research Abstracts (Vol. 21)
  Smittarello, D., Pinel, V., Maccaferri, F. & Cayol, V.
  
• A Monte Carlo Markov Chain Approach to Stress Inversion and Forecasting of Eruptive Vent Locations, Physics of Volcanoes 2020, Hamburg, Germany, 11-12 February 2020 (Poster)
  Mantiloni, L., Davis, T., Gaete Rojas, A.B. & Rivalta, E.
  
• A Monte Carlo Markov Chain Approach to Stress Inversion and Forecasting of Eruptive Vent Locations.
  Mantiloni, Lorenzo; Davis, Tim; Gaete, Rojas Ayleen Barbara & Rivalta, Eleonora
  
• Impact Forecasting to Support Emergency Management of Natural Hazards. Reviews of Geophysics, 58(4).
  Merz, Bruno; Kuhlicke, Christian; Kunz, Michael; Pittore, Massimiliano; Babeyko, Andrey; Bresch, David N.; Domeisen, Daniela I. V.; Feser, Frauke; Koszalka, Inga; Kreibich, Heidi; Pantillon, Florian; Parolai, Stefano; Pinto, Joaquim G.; Punge, Heinz Jürgen; Rivalta, Eleonora; Schröter, Kai; Strehlow, Karen; Weisse, Ralf & Wurpts, Andreas
  
• Magma ascent at floor-fractured craters diagnoses the lithospheric stress state on the Moon. Earth and Planetary Science Letters, 530, 115889.
  Michaut, Chloé; Pinel, Virginie & Maccaferri, Francesco
  
• Characterizing the physical properties of gelatin, a classic analog for the brittle elastic crust, insight from numerical modeling. Tectonophysics, 812, 228901.
  Smittarello, D.; Pinel, V.; Maccaferri, F.; Furst, S.; Rivalta, E. & Cayol, V.
  
• Deterministic- Statistical Forecast of Eruptive Vent Locations with Realistic Topographies, AGU Fall Meeting 2021, New Orleans, LA, 13-17 December 2021 (Pre-recorded talk and Poster, online), 2021AGUFM.V32B..03M, V32B-03.
  Mantiloni, L., Davis, T., Gaete Rojas, A.B. & Rivalta, E.
  
• Gelatin-based analog models simulating dike propagation in the upper crust
  Mantiloni, L., Davis, T., Gaete, A. & Rivalta, E.
  
• Propagation velocity of magma intrusions, a new 2D numerical approach. In EGU General Assembly Conference Abstracts (pp. EGU21- 8628)
  Furst, S., Pinel, V. & Maccaferri, F.
  
• Stress Inversion in a Gelatin Box: Testing Eruptive Vent Location Forecasts With Analog Models. Geophysical Research Letters, 48(6).
  Mantiloni, L.; Davis, T.; Gaete, Rojas A. B. & Rivalta, E.
  
• Stress Inversion in Gelatin: A Mechanical-Statistical Approach to Eruptive Vent Location Forecasts Tested on Analog Models, 107th Congress of the Italian Society of Physics, Milan, Italy (online), 13-17 September 2021 (Pre-recorded talk, online)
  Mantiloni, L., Davis, T., Gaete Rojas, A.B. & Rivalta, E.
  
• Ascent rates of 3-D fractures driven by a finite batch of buoyant fluid. Journal of Fluid Mechanics, 954.
  Davis, Timothy; Rivalta, Eleonora; Smittarello, Delphine & Katz, Richard F.
  
• Buoyancy Versus Local Stress Field Control on the Velocity of Magma Propagation: Insight From Analog and Numerical Modelling. Frontiers in Earth Science, 10.
  Pinel, Virginie; Furst, Séverine; Maccaferri, Francesco & Smittarello, Delphine
  
• Dike Propagation Scenarios and Forecast of Eruptive Vents at Calderas, AGU Chapman Conference 2022, Flagstaff, AZ, 19-23 September 2022 (Oral), D-4.
  Mantiloni, L. Davis, T., Rivalta, E., Passarelli, L. & Pinel, V.
  
• Energy budget during magma ascent: using viscous fluid-filled crack in laboratory models to investigate magmatic dike intrusions in natural settings. In EGU General Assembly Conference Abstracts (pp. EGU22- 5634)
  Gaete, A., Maccaferri, F., Rivalta, E. & Pino, N.A.
  
• Modelling the shape of a growing fluid-filled crack and computing its propagation velocity: application to magmatic dykes. In EGU General Assembly Conference Abstracts (pp. EGU22-4214)
  Maccaferri, F., Furst, S. & Pinel, V.
  
• NYKISHU: Interactions between the Nyiragongo volcano, lake Kivu, its aquatic ecosystem and the Human system: an integrated knowledge approach, Colloque du Groupe de Recherche Interdisciplinaire Grand Rift Africain, 22-24 November 2022, Lyon, France
  Virginie Pinel, Catherine Meriaux, Jan Beyne & Marcellin Rutegwa
  
• The analog model, the numerical model and the Piton de la Fournaise: tale of a propagating dike. In EGU General Assembly Conference Abstracts (pp. EGU22-3045)
  Furst, S., Pinel, V. & Maccaferri, F.
  
• Vers une prédiction de la position et du moment de l'ouverture d'une fissure éruptive par assimilation de données, Colloque du G2 2022 : Géodésie, Géophysique et Montagne, 8-10 nov. Grenoble (France)
  Zuccali, L., Virginie Pinel & Yajing Yan
  
• A comparative study of magma ascent and storage below impact craters on terrestrial planets.
  Le Contellec, Alexandra; Michaut, Chloé; Maccaferri, Francesco & Pinel, Virginie
  
• A Simplified Model of Dyke Pathways for Stress Inversion in Calderas: Towards Physics-Based Forecasting of Eruptive Vent Locations, Physics of Volcanoes 2023, Hannover, Germany, 1-3 March 2023 (Oral).
  Mantiloni, L., Rivalta, E., Davis, T., Passarelli, L., Anderson, K. & Pinel, V.
  
• Analogue experiments on the generation of seismic signals during dyke propagation, IAVCEI 2023 General Assembly, January 30 – February 3, 2023, Rotorura, New Zealand.
  S. Furst, V. Pinel & J. Vandemeulebrouck
  
• Architecture of magma pathways and eruptive vent locations controlled by evolving lithospheric stresses. IAVCEI 2023 General Assembly, January 30 – February 3, 2023, Rotorura, New Zealand (Oral, online)
  Rivalta, E.
  
• Backtracking Magma Pathways to Locate the Source Feeding the Auckland Volcanic Field. 16th Annual DEVORA Research Forum, University of Auckland, Auckland, New Zealand, 19 October 2023 (Oral, online)
  Rivalta, E.
  
• Constraining the stress state of volcanoes through magma trajectories and eruptive vent locations. IAVCEI 2023 General Assembly, January 30 – February 3, 2023, Rotorura, New Zealand (Oral, online)
  Rivalta, E.
  
• Evaluation of magma rising-induced surface displacement models using analogue experiments, Geomod 2023, Paris, 25-28 sept. 2023.
  Pinel, V., Galland, O., Furst, S., Métral, L., Camus, B. & Maccaferri
  
• Evaluation of magma rising-induced surface displacement models using analogue experiments, Meeting UNIGE-Chambéry: volcanology, high enthalpy geothermal systems, and geophysics, 11 October 2023, Chambéry. (Oral)
  Pinel V.
  
• Geophysical constraints and perspectives for modeling the shape and velocity of a magmatic intrusion at Piton de la Fournaise, IUGG23- 2580, IUGG Berlin 2023, the 28th General Assembly, July 2023
  Furst, S. & F. Maccaferri, V. Pinel
  
• Mechanical Modeling of Pre‐Eruptive Magma Propagation Scenarios at Calderas. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128(3).
  Mantiloni, L.; Rivalta, E. & Davis, T.
  
• Modeling stress and dike pathways in calderas: towards a physics-based forecast of eruptive vent locations, PhD thesis defended in October 2023 at the University of Potsdam
  Mantiloni, Lorenzo
  
• Modeling the Shape and Velocity of Magmatic Intrusions, a New Numerical Approach, Geomod 2023, Paris, 25-28 sept. 2023.
  Furst, S. & F. Maccaferri, V. Pinel
  
• Modeling the Shape and Velocity of Magmatic Intrusions, a New Numerical Approach. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128(3).
  Furst, S.; Maccaferri, F. & Pinel, V.
  
• SAM: Simplified Analytical Model of Dyke Pathways in Three Dimensions. GFZ Data Services.
  Mantiloni, Lorenzo; Rivalta, Eleonora & Davis, Timothy
  
• Sill to dyke transition beneath a caldera: the competition between local stress and regional extension. Insights from analogue experiments applied to Campi Flegrei caldera, Italy. In EGU General Assembly Conference Abstracts (pp. EGU-12143)
  Maccaferri, F., Gaete Roja, A. & Mantiloni, L.
  
• Stress Inversion and Forecast of Future Vent Locations in Calderas: Combining a Monte Carlo Algorithm with a Physics-based Model of Dike Propagation, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 23-28 April 2023 (Poster), EGU23-13438.
  Mantiloni, L., Rivalta, E., Davis, T., Passarelli, L., Anderson, K. & Pinel, V.
  
• Surface displacement field induced by an ascending Weertman crack: numerical modeling versus analogue experiments.
  Pinel, Virginie; Galland, Olivier; Furst, Séverine; Métral, Laurent; Camus, Baptiste & Maccaferri, Francesco
  
• What controls where and when magma comes to the surface? Joint seminar Geo@EAIFR and CoEB, Université du Rwanda, June 7, 2023
  Pinel, V.
  
• Stress Inversion in Calderas with a Simplified Model of Dyke Pathways: Towards a Physics-Based Forecast of Eruptive Vent Locations, The 60th Anniversary VMSG Meeting, Bristol, UK, 3-5 January 2024 (Poster).
  Mantiloni, L., Rivalta, E., Davis, T., Passarelli, L. & Anderson, K.