Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

Hauptaufgabe der Vulkanseismologie ist die qualitative and quantitative Beschreibung einer oder mehrerer unbekannter seismischer Quellen, die sich in einer unbekannten Tiefe unter dem Vulkan befinden. Auch wenn viele Vulkane der Erde ähnliche Signalcharakteristiken aufweisen, war es bis heute nicht möglich, für Vulkane ein seismisches Standard-Quellmodell zu finden, analog dem Double- Couple in der Erdbebenseismologie. Kontinuierlich tätige Vulkane, wie z.B. Stromboli (Italien), stellen für den Vulkanseismologen ein ideales natürliches Feldlabor dar, diese Fragestellung zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit untersucht auf Stromboli registrierte Explosionsbeben und vulkanischen Tremor in einem breiten Frequenzband und behandelt die Frage nach der Lage und dem Mechanismus der seismischen Quelle(n). Seismische und Infraschallmessungen von strombolischen Explosionsbeben zeigen, dass sich eine Hochfrequenz-Phase mit einer Geschwindigkeit von etwa 330 m/s fortbewegt. Die seismische Quelle kann durch eine Explosion am oberen Ende der Magmasäule erklärt werden, die durch aufsteigende Gasblasen verursacht wird. Sowohl die seismische P-Welle, als auch die Luftwelle werden zum gleichen Zeitpunkt an ein und demselben Ort generiert. Die verschiedenen Laufwege und Geschwindigkeiten der seismischen und der Luftwelle resultieren in einem Laufzeitunterschied dt, der zur Bestimmung des Magmenstandes und der Schallgeschwindigkeit in der Eruptionss¨aule im Schlotinnern genutzt werden kann. In Kraternähe installierte Stationen zeigen, dass Infraschall- und seismische Messungen des kurzperiodischen Tremors (> 1 Hz) den gleichen Frequenzgehalt und ähnliche Fluktuationen der seismischen Energie aufweisen. Daher wird der kurzperiodische vulkanische Tremor auf Stromboli durch das kontinuierliche Aufsteigen und Platzen kleiner Gasblasen im oberen Teil der Magmasäule verursacht. Das Spektrum des auf Stromboli registrierten langperiodischen Tremors besteht hauptsächlich aus drei Maxima bei 4.8 s, 6 s und 10 s, deren Spektralamplitude mit der jeweiligen Wettersituation variieren. Sie werden daher nicht von einer lokalen vulkanischen Quelle erzeugt, sondern durch Meeresmikroseismik (MMS). Der Durchzug eines lokalen Tiefdruckgebietes scheint die Ursache für Spektralenergie bei 4.8 s and 10 s, die jeweils die Doppelte bzw. die Primäre Frequenz der MMS darstellen. Als Ursache des spektralen Maximums bei 6 s könnte ein Tief nahe der Britischen Inseln in Frage kommen. Seismische Daten, die von dem ersten auf Stromboli installierten Breitband- Array registriert wurden, zeigten überraschend einfache Wellenformen, die einen anfänglich kontraktierenden Quellmechanismus anzeigen. Die Analyse der Partikelbewegung und die Anwendung seismischer Arraytechniken ermöglichten eine Lokalisierung der seismischen Quelle in Oberflächennähe. Die Anwendung verschiedener Inversionsmethoden gestattete es, Eruptionsparameter und Charakteristiken der seismischen Quelle während der Strombolieruption am 5. April 2003 abzuschätzen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass der paroxystische Ausbruch durch eine langsame Überschiebungsdislokation mit einer Momentenmagnitude von Mw = 3.0 verursacht wurde, ausgelöst durch einen vorher durch Dike-Intrusion verursachten Bruch. Während des Paroxysmus konnte in den seismischen Signalen mindestens eine Blow-out Phase mit einer Momentenmagnitude von Mw = 3.7 identifiziert werden. Diese kann durch einen vertikalen linearen Vektordipol, zwei schwächere horizontale lineare Dipole in entgegengesetzter Richtung, zuzüglich einer Vertikalkraft repräsentiert werden. Seismische Messungen, die während kontrollierter und reproduzierbarer Blowout Experimente unter Verwendung von einem in einer Basaltschmelze eingeschlossenen Gasvolumen durchgeführt wurden, ergaben folgende Ergebnisse: Monochromatische Signale sind Anzeiger für einen Blow-out in einem duktilen Regime, wohingegen ein breitbandigerer Frequenzgehalt auf einen Sprödbruch hinweist. Je grösser die Länge des Schmelztiegels ist, desto schwächer sind die seismischen Signale. Ein grösser Gasdruck bewirkt eine stärkere Fragmentation des Magmas, aber keine höhere Austrittsgeschwindigkeit des Magmapropfens und auch keine grössere seismische Amplitude. Auch wenn die langperiodischen Signale, wie beispielsweise Tilt, im Labor nicht simuliert werden konnten, sind die Blow-out Experimente überraschend gut in der Lage, die am Vulkan Stromboli registrierten kurzperiodischen seismischen Signale zu reproduzieren. / The main purpose of volcano-seismology concerns the qualitative and quantitative description of one or more unknown seismic source(s) located at some unknown depth beneath a volcano. Even if many different volcanoes show similar seismic signal characteristics, up to now it was not possible to find a standard seismic source model for volcanoes, as the double-couple in earthquake seismology. Volcanoes with a continuous activity, like Stromboli (Italy), represent for the volcano seismologist a perfect natural laboratory to address this question. This thesis treats the study of explosion-quakes and volcanic tremor recorded on Stromboli in a broadband frequency range, and discusses the location and the possible mechanisms of the seismic source(s). Seismic and infrasonic recordings of explosion-quake from Stromboli showed that the high-frequency phase propagates with a velocity of approximately 330 m/s. The seismic source can be explained as an explosion at the top of the magma column generated by rising gas bubbles. The seismic P-wave and the air-wave are both generated in the same point at the same time. The different path lengths and velocities for the seismic wave and the air-wave result in a difference in arrival times dt, that could be used to deduce the magma level and sound speed in the eruption column inside the conduit. Stations installed near the active crater reveal that infrasonic and seismic recordings of the short-period tremor (> 1 Hz) share the same spectral content and show similar energy fluctuations. Therefore, the short-period volcanic tremor at Stromboli originates from the continuous out-bursting of small gas bubbles in the upper part of the magmatic column. The spectrum of the long-period tremor recorded at Stromboli consists of three main peaks with periods at 4.8 s, 6 s and 10 s, and amplitudes varying with the regional meteorological situation. Hence, they are not generated by a close volcanic source but rather by ocean microseisms (OMS). The passage of a local cyclone seems to be the seismic source for spectral energy at 4.8 s and 10 s, which represent the Double Frequency and the Primary Frequency of the OMS, respectively. Concerning the 6 s peak, a cyclone near the British Isles could act as a seismic source. Seismic data from the first broadband array deployed on Stromboli showed surprisingly simple waveforms, indicating an initially contracting source mechanism. The analysis of particle motion and the application of seismic array techniques allowed the location of a seismic source in the shallow part of the volcano. Eruption parameters and seismic source characteristics of the April 5, 2003 Stromboli eruption have been estimated using different inversion approaches. The paroxysm was triggered by a shallow slow thrust-faulting dislocation event with a moment magnitude of Mw = 3.0 and possibly associated with a crack that formed previously by dike extrusion. At least one blow-out phase during the paroxysmal explosion could be identified from seismic signals with an equivalent moment magnitude of Mw = 3.7. It can be represented by a vertical linear vector dipole and two weaker horizontal linear dipoles in opposite direction, plus a vertical force. Seismic measurements performed during controlled and reproducible blow-out experiments with a gas volume entrapped in basaltic melt revealed the following: Monochromatic seismic signals suggest a blow-out in a more ductile regime, whereas broader frequency content indicates rupture in a more brittle environment. The longer the crucible, the weaker the seismic signals. An increase in pressure results in a stronger fragmentation, but not in a higher ejection velocity of the plug neither in a higher seismic amplitude. Even if the very long period observations like the tilt signal could not be simulated in the laboratory, the blow-out experiments simulate very well the short-period seismic signals recorded at Stromboli volcano.