Abstract
Volcanism results from the movement of magma through a magmatic system that extends vertically through Earth’s crust, from its deeper regions to the surface, known as the magma plumbing system. This system consists of interconnected channels and reservoirs that store and transport magma and fluids from zones of partial melting deep within the crust. As magma reaches the surface, it can produce lava of varying viscosities. Highly viscous lava tends to accumulate around volcanic vents, forming lava domes. These domes grow through two main processes: endogenous growth, where magma is injected into the dome from below, and exogenous growth, where lava flows outward and accumulates on the dome's surface. Lava domes play a key role in the cyclic nature of dome-building eruptions, which can lead to explosive events and partial collapses, resulting in repeated cycles of eruption and regrowth.
This thesis aims to deepen our understanding of shallow subsurface processes in lava domes and support efforts to monitor and predict the hazards they pose. Advanced remote sensing and seismic techniques are used to gather detailed observational data from the 2016–2017 eruption sequence of Bezymianny volcano, Kamchatka, Russia. I analyze three of the four eruptions using digital image correlation on high-resolution SAR amplitude imagery, combined with time-lapse camera data and seismic activity, to characterize different dome growth patterns. I uncover previously unknown prolonged plug extrusion before the eruption sequence, and infer from generic models that conduit plug stiffening significantly influences the direction of recurrent endogenous dome growth. For the final eruption, I combine automatically detected seismicity with optical time-lapse imagery to explore the preparatory phase, identifying early indicators of magmatic pathway formation. Furthermore, by integrating interferometry-based ground deformation maps with inversion modeling and comparing them to volume changes derived from digital elevation models, I infer a small shallow magmatic source that likely tapped into a deeper reservoir.
These findings emphasize the importance of integrating remote sensing with in situ techniques for effective volcanic monitoring. Combining diverse data sources enhances our understanding of both small- and large-scale processes before and during dome growth, providing robust tools for improving hazard prediction and risk mitigation.
Vulkanismus entsteht durch die Bewegung von Magma in einem magmatischen System, das sich vertikal durch die Erdkruste erstreckt, von ihren tieferen Bereichen bis zur Oberfläche, und als Magmenleitungssystem bekannt ist. Dieses System besteht aus miteinander verbundenen Kanälen und Reservoirs, die Magma und Flüssigkeiten aus Zonen teilweiser Aufschmelzung tief in der Kruste speichern und transportieren. Wenn Magma die Oberfläche erreicht, kann es Lava unterschiedlicher Viskosität erzeugen. Hochviskose Lava neigt dazu, sich um vulkanische Öffnungen anzusammeln und Lava-Dome zu bilden. Diese Dome wachsen durch zwei Hauptprozesse: endogenes Wachstum, bei dem Magma von unten in den Dom eingespeist wird, und exogenes Wachstum, bei dem Lava nach außen fließt und sich auf der Oberfläche des Doms ansammelt. Lava-Dome spielen eine Schlüsselrolle im zyklischen Verlauf von Dom-bildenden Eruptionen, die zu explosiven Ereignissen und teilweisen Einstürzen führen können, was wiederholte Zyklen von Eruption und Wiederaufbau zur Folge hat.
Diese Arbeit zielt darauf ab, unser Verständnis der flachen unterirdischen Prozesse in Lavadomen zu vertiefen und die Bemühungen zu unterstützen, die von ihnen ausgehenden Gefahren zu überwachen und vorherzusagen. Fortgeschrittene Fernerkundungs- und seismische Techniken werden in dieser Arbeit eingesetzt, um detaillierte Beobachtungsdaten aus der Eruptionssequenz des Bezymianny-Vulkans in Kamtschatka, Russland, aus den Jahren 2016–2017 zu sammeln. Ich analysiere drei der vier Eruptionen mithilfe digitaler Bildkorrelation auf hochauflösenden SAR-Amplitudenbildern, kombiniert mit Zeitrafferkamera-Daten und seismischer Aktivität, um verschiedene Wachstumsmuster des Doms zu charakterisieren. Dabei decke ich bisher unbekannte langanhaltende Pfropfen-Extrusionen vor der Eruptionssequenz auf und schließe aus generischen Modellen, dass die Versteifung des Pfropfens im Förderschlot einen erheblichen Einfluss auf die Richtung des wiederkehrenden endogenen Domwachstums hat. Für die letzte Eruption kombiniere ich automatisch erfasste seismische Aktivitäten mit optischen Zeitrafferaufnahmen, um die Vorbereitungsphase zu untersuchen und frühe Anzeichen der Bildung eines magmatischen Weges zu identifizieren. Darüber hinaus integriere ich Interferometrie-basierte Bodendeformationskarten mit Inversionsmodellen und vergleiche sie mit Volumenänderungen, die aus digitalen Höhenmodellen abgeleitet wurden, um auf eine kleine, flache magmatische Quelle zu schließen, die wahrscheinlich ein tiefer gelegenes Reservoir angezapft hat.
Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung der Integration von Fernerkundung mit In-situ-Techniken für eine effektive Vulkanüberwachung. Die Kombination verschiedener Datenquellen verbessert unser Verständnis sowohl der klein- als auch der großräumigen Prozesse vor und während des Domwachstums und bietet robuste Werkzeuge zur Verbesserung der Gefahrenvorhersage und Risikominderung.
