Kontext der Arbeit

1989 rief die Generalversammlung der Vereinten Nationen (UN) die internationale Dekade zur Senkung der Naturkatastrophen (IDNDR: International Decade for Natural Disaster Reduction, arbeitet durch Nationalkomitees und Arbeitsgruppen in 138 Ländern. Das Sekretariat sitzt in Genf und ist Teil der UN Abteilung "human affairs"), 1990-2000) aus.

Unter Mitwirkung der International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior, IAVCEI, wurde das Projekt Dekadenvulkane gegründet. Ziel dieses Projekts ist die Überwachung und Erforschung einer kleinen Zahl ausgewählter Vulkane, welche alle aktiv sind und aus unterschiedlichen Gründen eine Bedrohung für die Bevölkerung in ihrem Umfeld darstellen. Unter den 16 Dekadenvulkanen befindet sich auch der Vulkan Merapi auf Zentraljava, Indonesien.

Vor diesem Hintergrund ist im Jahre 1994 das indonesisch-deutsche Projekt MERAPI (Mechanism Evaluation, Risk Assessment, Prediction Improvement) am gleichnamigen Vulkan unter der Federführung des GeoForschungsZentrums Potsdam ins Leben gerufen worden (Zschau et al., 1998). Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist es, die im Vulkan vor, während und nach einem Ausbruch ablaufenden Prozesse besser zu verstehen und einen Beitrag zur Gefährdungsabschätzung zu leisten. Weiterhin sollen die Möglichkeiten zur Vorhersage von Eruptionen und Eruptionsmagnitude verbessert werden.

Mit Beginn der Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im März 1997 beteiligen sich auf deutscher Seite die Hochschulen Bayreuth, Bonn, Darmstadt, Freiburg, Jena, Kiel, Köln, Leipzig und Potsdam, sowie das GEOMAR in Kiel aktiv an dem Projekt. Die eingesetzten geowissenschaftlichen Verfahren lassen sich in die drei Arbeitsschwerpunkte Ausbruchsmechanismus, Monitoring und Strukturuntersuchungen gliedern.

Die Überwachung eines Vulkans dient zur Aufzeichnung sichtbarer sowie unsichtbarer Veränderungen des Vulkans und seiner Umgebung und stellt die Basis für die Modellierung seines charakteristischen Verhaltens dar.

Verbreitete Methoden zur Untersuchung nicht-sichtbarer vulkanbedingter Phänomene sind:

• Deformationsmessungen:

• Bestimmung von Epizentrum und Magnitude von Erdbeben:

• Messung von Veränderungen in der Zusammensetzung von vulkanischen Gasen:

• Messung von Veränderungen des Erdmagnetfeldes:

• Mikrogravimetrie:

Zielsetzung und Methodik

Die Auswertung und Interpretation der Messungsergebnisse wird meist geteilt betrachtet. Die Aufgabe des Vermessungsingenieurs besteht zuerst darin, mit geeigneten statistischen Tests und anderen mathematischen Methoden zu prüfen, ob die berechneten Deformationsgrößen mit einer vorzugebenden Genauigkeit tatsächlich Deformationen sind, oder ob es sich um Unzulänglichkeiten der Messung und/oder der Vermarkung handelt. Daran schließt sich die Interpretation an, mit besonderem Interesse an der Klärung der Wechselbeziehung zwischen Ursache und Wirkung.

Kollokationsansatz: stochastische Daten, noch keine näheren Auskunfte über zugrundeliegende Modelle. Nachteil: Glättung durch Kovarianzfunktionen. Aber: jährliche Messungen erlauben nur Aussagen über Veränderungen in zwei Jahren (Abtasttheorem)

Neuer Ansatz: gemeinsame Ausgleichung von Schwere und Höhe

Gegenstand von geodätischen Überwachungsmessungen sind in der Regel nicht die Bestimmung absoluter Größen sondern die relative Veränderung gegenüber einem Ausgangszustand.

Bisher publizierte Ergebnisse

Überwachung und Interpretation von Deformationssignalen an Vulkanen offenbaren aussagefähige Informationen über deren Aktivitätsstatus (vgl. Fiske, Linde, Nunnari and Puglisi, Ordoñez and Rey).

Hochauflösende Messgeräte sind jedoch ebenfalls sensitiv gegenüber Signalen aus Prozessen, die nicht vulkanischen Ursprungs sind, so dass ein umfassendes Überwachungsprogramm zusätzlich sämtliche Parameter mit signifikanten Einfluss auf die Messgrößen (insbesondere meteorologische Daten) erfassen muss.

 

Das Mogi-Modell

Mogi betrachtet die erwarteten Deformationen an der Oberfläche, die durch Dilatation einer Punktquelle innerhalb eines idealen elastischen Halbraums verursacht werden. Diese hängen ab von der Ausdehnung der Quelle und den elatischen Eigenschaften des Mediums. Aufgrund der Annahme des elastischen Halbraums scheinen plötzliche Deformationen durch Eruptionen in erster Näherung ebenfalls elastisch, während die Erdkruste bei langfristigen Deformationen viskoelastisch wirkt.

Reale Verschiebungsdaten aus Nivellements am Sakurajima Vulkan, Japan, von 1895 und 1914 zeigten die näherungsweise kreisrunde Setzung einer Fläche von rund 60 km Durchmesser. Diese Setzung orientierte sich nicht an der Vulkantopografie sondern erfolgte konzentrisch zu einer alten Caldera, der Kagoshima Bay. Mogi plottete die Verschiebungsdaten gegen die Entfernung vom Zentrum der Setzung und fand die Übereinstimmung mit seinem Modell, welches radiale und horizontale Verschiebung eines Punkts an der Oberfläche prädiziert zu

 

Δ d = (3a³Pd) ⁄ (aμ (f² + d²)^(3/2))

Δ h = (3a³Pf) ⁄ (aμ (f² + d²)^(3/2)).

 

Darin bezeichnen

a	den Radius der Druckquelle,
P	die Änderung des hydrostatischen Drucks in der Quelle,
f	die Tiefe bis zum Zentrum der Quelle,
μ	eine der Laméschen Konstanten (zur Charakterisierung des elastischen Verhaltens eines isotropen Materials,
d	den radialen Abstand des Aufpunktes von der Quelle,
Δ d	die radiale horizontale Verschiebung einer Punktes auf der Oberfläche und
Δ h	die vertikale Verschiebung eines Punktes auf der Oberfläche.

Die kugelförmige Punktquelle kann als Magmareservoir interpretiert werden. Druckabnahme und damit Setzung der weiteren Umgebung im Umfeld wird mit dem Ausströmen oder dem Eindringen von Magma zur Zeit der Eruption erklärt. Etwas schwieriger zu erklären ist die Hebung in der direkten Nachbarschaft des Kraters. Diese scheint durch die Aufwärtsbewegung der Magma begleitet mit Bruchbildung des Untergrundes verbunden zu sein.