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Gamma-ray Spectroscopy at Volcanoes

Stefanie Kauer

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Betreuer*in

Bruno Meurers

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DOI

10.25365/thesis.20546

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29834.48745.788862-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Vulkangebiete sind oftmals durch raue Topographie und große, unzugängliche Bereiche gekennzeichnet. Aerogeophysikalischer Gamma-Strahlen-Spektroskopie Messungen eignen sich daher besonders gut zur Untersuchung von Vulkangebieten, weil sie die radiometrischen Eigenschaften des Oberflächengesteins über ein breites Gebiet wieder geben. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Radiometrie-Daten mit neuen Prozessing- Algorithmen prozessiert und interpretiert und anschließend mit den Ergebnissen von geologischen Kartierungen verglichen werden. Die dafür verwendeten Daten stammen von aerogeophysikalischen Messungen über den Äolischen Inseln (Italien) aus den Jahren 2002 und 2004 und von der Vulkaninsel Socorro (Mexiko) aus dem Jahr 2009. Alle Datensätze wurden mit neuester radiometrischer Prozessing-Software prozessiert, die unter anderem aktuelle Methoden zur spektralen Noise-Reduktion und verschiedenste Möglichkeiten zur Verbesserung der Prozessing-Resultate beinhaltet. Die prozessierten Daten wurden anschließend auf ein regelmäßiges Gitter interpoliert und für die weitere Interpretation in ein GIS Projekt geladen. Das Haupt-Augenmerk der Interpretation lag auf der Vergleichbarkeit mit geologischen Karten. Weiters konnten die Auflösbarkeitsgrenzen der Gamma-Strahlen-Spektroskopie in Bezug auf Detektorgröße, Flughöhe und Linienabstand beobachtet werden. Die detailliertesten Ergebnisse konnten für die Insel Socorro erzielt werden. Aufgrund der Radioelement-Verteilung konnten einige geologische Einheiten eindeutig identifiziert werden. Vor allem der Vergleich der Radioelement-Karten mit zwei geologischen Karten der Insel (eine Karte der gesamten Insel von E.A. Carballido-Sanchez und eine Karte des leicht zugänglichen Lomas Coloradas Gebietes von W. Bohrson und M. Reid) brachte interessante Ergebnisse hervor. Mit Hilfe von Radioelement-Karten, Ternär-Plots und einem Satellitenbild der Insel war es möglich, die Untersuchungsergebnisse von W. Bohrson und M. Reid zu bestätigen, die sich leider nur auf den Südteil der Insel beschränkten. Im Gegensatz dazu widersprechen die Ergebnisse der radiometrischen Untersuchung teilweise der Einteilung von E.A. Carballido-Sanchez. Die wichtigsten Unterschiede sind drei peralkaline Trachyt-Dome, ein Aschekegel und ein großer Lavafluss, die von E.A. Carballido-Sanchez den Lomas Coloradas Basalten zugeordnet wurden und die auf Grund der radiometrischen Untersuchungen als saure peralkaline Eruptionsprodukte interpretiert werden können. Dennoch konnten auch einige von E.A. Carballido-Sanchez abgegrenzte geologische Einheiten, auf Basis der Radiometrie- Daten allein, nicht identifiziert werden. Die Interpretation der Radiometrie-Daten von Socorro war besonders interessant, weil bisher nur wenige geophysikalische und geologische Daten der Insel existierten, vor allem aus dem schlecht zugänglichen Bereich im Norden der Insel. Der aerogeophysikalische Datensatz der Geologischen Bundesanstalt bildet daher eine gute Grundlage für die Überarbeitung der wenigen existierenden geologischen Karten der Insel. Die Gamma-Strahlen Daten der Äolischen Inseln hatten sehr unterschiedliche Qualität. Während der Messungen im Jahr 2002 herrschten schlechte Wetterbedingungen mit teils kräftigem Regen. Dieser wirkte sich stark auf die Qualität der Messergebnisse aus. Zusätzlich zu der stark dämpfenden Wirkung war auch ein viel höherer Noise, im Vergleich zu den Daten aus dem Jahr 2004, zu beobachten. Auf Grund der schlechten Qualität wurden die Radiometrie-Daten aus dem Jahr 2002 nicht interpretiert und lediglich mit den Ergebnissen des Vulcano-Lipari-Surveys von 2004 verglichen. Der Survey im Jahr 2004 lieferte für die Inseln Vulcano und Lipari sehr gute Ergebnisse. Es war möglich, charakteristische Gamma-Werte für die geologischen Einheiten der Inseln, anhand der Radioelement-Verteilung, zu bestimmen. Da bereits viel über die Geologie der beiden Inseln bekannt ist, war die Interpretation der Radiometrie-Daten mehr ein Vergleich mit bereits vorhandenen, detaillierten geologischen Karten und ein Test der Anwendbarkeit der Gamma-Strahlen-Spektroskopie als unterstützende Methode zur konventionellen geologischen Kartierung. Weiters konnte ein interessanter Zusammenhang zwischen den Radioelement-Konzentrationen und dem SiO2-Gehalt des Gesteins, beziehungsweise dem Grad der Magma-Differentiation beobachtet werden. Die K-Konzentration im Gestein steigt mit steigendem SiO2-Gehalt, während die U- und Th-Konzentration im Gestein mit erhöhtem Grad der Magma-Differentiation ansteigt. Die vulkanischen Gesteine auf Lipari und Vulcano zeigen die generelle Tendenz von steigendem SiO2-Gehalt für jüngere Eruptionsprodukte und daher sind die Bodenkonzentrationen der Radioelemente für alle geologischen Einheiten positiv korreliert und die relativen Konzentrationen sind für alle geologischen Einheiten in etwa konstant. Die Daten der Inseln Salina, Panarea und Stromboli konnten leider auf Grund zu geringer Radioaktivität, zu geringer Datendichte und zu großer Flughöhe nicht sinnvoll interpretiert werden.

Abstract

(Englisch)

Volcanic regions are often associated with rough topography and large inaccessible areas. The use of airborne gamma-ray spectroscopy when surveying volcanic regions is therefore especially interesting, as it reflects the radiometric properties of surface geology over a large area. The objective of my work was to reprocess and interpret radiometric data with new processing algorithms, and to correlate the processing results with geological mapping results. Data was derived from airborne gamma-ray measurements at the Aeolian Islands (Italy), acquired in 2002 and 2004, and data of the volcanic island Socorro (Mexico), acquired in 2009. Datasets from all surveys were processed with up-to-date radiometric processing-software, which implies recently invented methods for spectral noise reduction and other various options to improve the outcome of data processing. Processed radiometric data was then interpolated to a regular grid and loaded into a GIS project for interpretation. Interpretation of radiometric data was performed with the main intention of comparing it with geologic maps. Furthermore, the influence of detector size, survey altitude and flight-line spacing on the resolution of gamma-ray data could be observed. The best results could be achieved for the island of Socorro. Some of the main geologic units could be clearly identified on the basis of radioelement distribution. Furthermore, very interesting results could be achieved from the comparison of radiometric results with two geologic maps (a map of the whole island by E.A. Carballido-Sanchez and a map of the easily accessible Lomas Coloradas area by W. Bohrson and M. Reid). With the combined use of radioelement maps, ternary maps and a satellite image of the island, it was possible to confirm the studies of W. Bohrson and M. Reid, which were restricted to the southern part of Socorro Island. In contrast, the radiometric results in some parts disagree with the classification of E.A. Carballido-Sanchez. Main differences are three peralkaline trachyte domes, a cinder cone and a large lava flow, which all have been assigned to the Lomas Coloradas basalts by E.A. Carballido-Sanchez and which could be interpreted as postcaldera silicic products by means of radiometric data. However, some other geologic units, which had been delineated by E.A. Carballido-Sanchez, could not be identified by means of radiometric data alone. Interpreting radiometric data of Socorro Island was particularly interesting, as only few geophysical and geological data existed from the island, especially from the hardly accessible area to the north. Data from the airborne geophysical survey of the Geological Survey of Austria therefore yields a good basis for reworking the few pre-existing geologic maps. Data from the gamma-ray survey over the Aeolian Islands showed a large range in quality. The measurements in 2002 were impaired by bad weather conditions with occasional heavy rainfall, which had strong influence on data quality. Compared to data from the survey in 2004, the rainfall caused strong attenuation of gamma-rays and increased the amount of noise. Due to bad quality, radiometric data from the survey in 2002 was not interpreted and only compared with the results of the Vulcano-Lipari survey in 2004. The survey in 2004 yielded good results for the islands of Vulcano and Lipari. It was possible to determine characteristic gamma-values for the main geologic units on the basis of the radioelement-distribution maps. As a lot of detailed geologic information exists of the two islands, interpretation of radiometric data was rather a comparison with the well-known geology and a testing of the applicability of gamma-ray spectroscopy as an additional mapping tool. It was interesting to see the relation between ground concentrations of radioelements and degree of magma differentiation and SiO2 content, respectively. K concentration increases with increasing SiO2 content and U and Th concentrations increase with increasing degree of magma differentiation. Volcanic rocks on Vulcano and Lipari Island show a general tendency of increasing SiO2 content for more recent products and therefore the ground concentrations of the three radioelements are positively correlated for all geologic units on the islands and the relative concentrations remain approximately constant. Data of the islands of Salina, Panarea and Stromboli could not be interpreted reasonably, due to low radioactivity, low data density and high survey altitude.

Autor*innen

Stefanie Kauer

Haupttitel (Englisch)

Gamma-ray Spectroscopy at Volcanoes

Paralleltitel (Deutsch)

Gamma-Strahlen Spektroskopie an Vulkanen

Paralleltitel (Englisch)

Gamma-ray Spectroscopy at Volcanoes

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

IX, 144 S. : Ill., graf. Darst., Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Bruno Meurers

Klassifikation

38 Geowissenschaften > 38.79 Geophysik: Sonstiges

AC Nummer

AC09405762

Utheses ID

18381

Studienkennzahl

UA | 416 | | |

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Schlagwörter