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Vulkane bestehen aus einer komplexen Anordnung von gebrochenem Gestein, flüssigen und gasförmigen Taschen, die so heterogen sind, dass ihre Abbildung besonders schwierig ist. Die seismische Tomographie nutzt Erdbeben, um ihre mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, erfordert jedoch eine signifikante seismische Aktivität, und die Auflösung der gewonnenen Bilder beträgt nur einige Kilometer.
Forscherinnen und Forscher des Langevin-Instituts (CNRS/ESPCI Paris - PSL University) und des Institut de physique du globe de Paris (Université Paris Cité/CNRS) haben eine neue Bildgebungsmethode entwickelt, die sogenannte passive Matrizenmethode. Sie dringt bis in eine Tiefe von zehn Kilometern in das Innere des Vulkans ein und löst dessen interne Struktur mit einer Genauigkeit im Bereich von Hunderten von Metern auf - allein auf der Grundlage des seismischen Rauschens.
Diese Ergebnisse wurden am Vulkan La Soufrière auf Guadeloupe erzielt. Sie enthüllen die verschlungene Form des oberen Schornsteins des Vulkans. Vor allem bestätigen sie die Existenz eines großen Magmaspeichers in der Tiefe und dessen Strukturierung in ein Netzwerk horizontaler Magma-Linsen, die miteinander verbunden sind. Neben der Bestätigung einiger in der Literatur vorgeschlagener konzeptioneller Modelle bieten solche Bilder eine einzigartige Perspektive auf Vulkane, die das Potenzial haben, das Gebiet der Vulkanologie zu revolutionieren.
Um dies zu erreichen, haben die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit dem Volcanological and Seismological Observatory of Guadeloupe (OVSG-IPGP) ein spärliches Netzwerk von Geophonen eingesetzt, die nicht nur die starken Erschütterungen der Erdbeben erfassen, sondern auch das seismische Rauschen, das durch Wind, das Meer und menschliche Aktivitäten verursacht wird.
a) Dreidimensionale Ansicht des Vulkans, erstellt durch eine konfokale Migration der Reflexionsmatrix. Das Bild ist stark durch seismische Verzerrungen gestört, die durch die Heterogenitäten des Vulkans verursacht werden.
b) Matrizenbild des Vulkans, erstellt durch das Erlernen von Fokussierungsgesetzen, die die Heterogenitäten des Vulkans kompensieren. Bis zu 5 km offenbart das Bild den verschlungenen Schornstein der Soufrière. Darüber hinaus wird eine Magmaspeicherzone sichtbar, die durch ein komplexes Netzwerk horizontaler Magma-Linsen miteinander verbunden ist.
© Elsa Giraudat
Dieses seismische Rauschen, das über zwei Monate gemessen wurde, diente dazu, eine Reflexionsmatrix zu erstellen, die von früheren Arbeiten derselben Gruppe zur ultraschallbasierten Bildgebung und optischen Mikroskopie inspiriert wurde und kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde.
Diese Matrix wird verwendet, um fein die Verzerrungen zu kompensieren, die seismische Wellen erfahren, wenn sie verschiedene geologische Strukturen und Magmataschen im Inneren des Vulkans durchqueren. Diese Heterogenitäten stellen somit kein Hindernis mehr dar, und es wird ein Bild der inneren Struktur des Vulkans erzeugt, als wäre dieser transparent geworden.
Diese passive Matrizenbildgebungsmethode kann auf jeden Vulkan angewendet werden, vorausgesetzt, es wird ein dichtes Netzwerk von Geophonen installiert. Damit eröffnet sich ein weites Anwendungsfeld in der Vulkanologie, um die innere Struktur der Vulkane und die Bewegungen des Magmas in der Tiefe besser zu verstehen und so Vulkanausbrüche effektiver vorherzusagen.
Referenzen:
E. Giraudat, A. Burtin, A. Le Ber, M. Fink, J-C. Komorowski & A. Aubry.
Matrix imaging as a tool for high-resolution monitoring of deep volcanic plumbing systems with seismic noise.
Commun Earth Environ 5, 509 (2024). DOI: 10.1038/s43247-024-01659-2.