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Datengesteuerte thermomechanische Modellierung von Lavaströmen

Fachliche Zuordnung Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Physik des Erdkörpers
Förderung Förderung von 2020 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429622451
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Vulkanausbrüche gehören zu den Extremereignissen, die die Landschaft der Erde verändern und das globale Klima und die Umwelt beeinflussen. Obwohl das Hauptaugenmerk auf explosiven Eruptionen liegt, sind nicht-explosive Eruptionen, die zu großen Lavaströmen oder Kuppelwachstum führen, mit ihrem anschließenden Kollaps und pyroklastischen Strömen, nicht weniger wichtig. Dieses Projekt befasst sich mit der wichtigsten wissenschaftlichen Frage: Wie können wir mit Hilfe quantitativer Modellierung und Beobachtungen die Lavadynamik verstehen? Obwohl kein mathematisch-numerisches Modell die exakte Magmaextrusion und Lavadynamik wiedergeben kann, berücksichtigen die in diesem Projekt entwickelten thermomechanischen Modelle die wichtigsten dynamischen Prozesse und Merkmale, die mit Lavaströmen oder dem Wachstum von Lavadomen verbunden sind. Die Modelle umfassen insbesondere den Massen- und Wärmetransfer, die durch die Entgasung induzierte Kristallisationskinetik, die latente Kristallisationswärme, den konvektiven und radiativen Wärmefluss an der Luft- Lava-Grenzfläche, den konduktiven Wärmefluss an der Krateroberfläche und der flachen Kanalwand sowie die Viskosität der Lava in Abhängigkeit vom Volumenanteil der Kristalle und der Temperatur. Zur Lösung der komplizierten Modelle wurden einige numerische Ansätze entwickelt und angewandt, um die Lavadynamik in verschiedenen geologischen Gebieten zu untersuchen: das Wachstum eines andesitischen Lavadoms am Volcán de Colima, Mexiko, in den Jahren 2007-2009; ein alter rhyolitischer Lavastrom am Summit Lake, Yellowstone, USA, und ein basaltischer Lavastrom am Ätna, Italien, im Jahr 2015. Dreidimensionale numerische Modelle von Lavaströmen haben den Einfluss der Oberflächentopographie und der Viskosität des Lavastroms auf das Voranschreiten und die Dauer des Stroms verdeutlicht. Eine Sensitivitätsanalyse der Modellergebnisse in Bezug auf die Modellparameter, die für den Fall der Lavaströme am Ätna durchgeführt wurde, zeigte den Bereich der Parameter, in dem die Modellergebnisse gut zu den Beobachtungen passen. Der modellierte Lavavorstoß am Summit Lake stimmt recht gut mit den Beobachtungen überein, wenn man davon ausgeht, dass die Druckveränderung in der Magmakammer während der Eruption die vulkanische Oberflächentopographie verändert hat. Mit der Zunahme der Magmaviskosität verlangsamt sich der Lavastrom an der Oberfläche und seine Dicke nimmt zu, was zu Veränderungen in der Morphologie des Lavastroms führt. Es wurde gezeigt, dass die kombinierten Effekte der thermischen Entwicklung und Kristallisation im Inneren des Doms und der Abkühlung an der Luft-Lava-Grenzfläche den Lavadom während langer Episoden seiner Bildung am Volcán de Colima formen. Die entwickelten thermomechanischen Modelle der Lavadynamik können bei anderen Vulkanen während effusiver Eruptionen, Lavaströmen und der Bildung von Lavadomen eingesetzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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