Authors:	Sebazungu, Evariste
Title:	Investigations on maar-diatreme volcanoes by inversion of magnetic and gravity data from the Eifel area, Germany
Online publication date:	17-Mar-2006
Year of first publication:	2006
Language:	english
Abstract:	A study of maar-diatreme volcanoes has been perfomed by inversion of gravity and magnetic data. The geophysical inverse problem has been solved by means of the damped nonlinear least-squares method. To ensure stability and convergence of the solution of the inverse problem, a mathematical tool, consisting in data weighting and model scaling, has been worked out. Theoretical gravity and magnetic modeling of maar-diatreme volcanoes has been conducted in order to get information, which is used for a simple rough qualitative and/or quantitative interpretation. The information also serves as a priori information to design models for the inversion and/or to assist the interpretation of inversion results. The results of theoretical modeling have been used to roughly estimate the heights and the dip angles of the walls of eight Eifel maar-diatremes — each taken as a whole. Inversemodeling has been conducted for the Schönfeld Maar (magnetics) and the Hausten-Morswiesen Maar (gravity and magnetics). The geometrical parameters of these maars, as well as the density and magnetic properties of the rocks filling them, have been estimated. For a reliable interpretation of the inversion results, beside the knowledge from theoretical modeling, it was resorted to other tools such like field transformations and spectral analysis for complementary information. Geologic models, based on thesynthesis of the respective interpretation results, are presented for the two maars mentioned above. The results gave more insight into the genesis, physics and posteruptive development of the maar-diatreme volcanoes. A classification of the maar-diatreme volcanoes into three main types has been elaborated. Relatively high magnetic anomalies are indicative of scoria cones embeded within maar-diatremes if they are not caused by a strong remanent component of the magnetization. Smaller (weaker) secondary gravity and magnetic anomalies on the background of the main anomaly of a maar-diatreme — especially in the boundary areas — are indicative for subsidence processes, which probably occurred in the late sedimentation phase of the posteruptive development. Contrary to postulates referring to kimberlite pipes, there exists no generalized systematics between diameter and height nor between geophysical anomaly and the dimensions of the maar-diatreme volcanoes. Although both maar-diatreme volcanoes and kimberlite pipes are products of phreatomagmatism, they probably formed in different thermodynamic and hydrogeological environments. In the case of kimberlite pipes, large amounts of magma and groundwater, certainly supplied by deep and large reservoirs, interacted under high pressure and temperature conditions. This led to a long period phreatomagmatic process and hence to the formation of large structures. Concerning the maar-diatreme and tuff-ring-diatreme volcanoes, the phreatomagmatic process takes place due to an interaction between magma from small and shallow magma chambers (probably segregated magmas) and small amounts of near-surface groundwater under low pressure and temperature conditions. This leads to shorter time eruptions and consequently to structures of smaller size in comparison with kimberlite pipes. Nevertheless, the results show that the diameter to height ratio for 50% of the studied maar-diatremes is around 1, whereby the dip angle of the diatreme walls is similar to that of the kimberlite pipes and lies between 70 and 85°. Note that these numerical characteristics, especially the dip angle, hold for the maars the diatremes of which — estimated by modeling — have the shape of a truncated cone. This indicates that the diatreme can not be completely resolved by inversion. Mittels Inversion von gravimetrischen und magnetischen Daten wird eine Studie an Maar-Diatrem-Vulkanen durchgeführt. Das geophysikalische Inversionsproblem wird durch eine gedämpfte nichtlineare Methode der kleinsten Quadraten gelöst. Um die Stabilität und die Konvergenz der Lösung des inversen Problems zu gewährleisten, wird ein mathematisches Verfahren ausgearbeitet, das eine Gewichtung von Daten und eine Skalierung von Modell zum Kern beinhaltet. Um Informationen für eine einfache grobe qualitative und/oder quantitative Interpretation zu erhalten, werden theoretische Schwere- und Magnetik-Modellierungen von Maar-Diatrem-Vulkanen erarbeitet. Die gewonnenen Resultate dienen weiterhin als a priori Information, um genauere Modelle für die Inversion zu konzipieren und/oder als Unterstützung für die Interpretation der Inversions-Ergebnisse. Um die vertikale Ausdehnung von Maar-Diatrem-Vulkanen und die Einfallswinkeln ihrer Diatremwände abzuschätzen, werden die Ergebnisse theoretischer Modellierungen auf acht Objekte in der Eifel — jedes einzelne in seiner Gesamtheit — angewandt. Inversionsmodelle werden für das Schönfelder Maar (Magnetik) und das Hausten-Morswiesen Maar (Schwere und Magnetik) berechnet. Sowohl die geometrischen Parameter dieser Maare, als auch die Dichten und die magnetischen Eigenschaften der Gesteine ihrer Füllungen werden bestimmt. Neben der aus theoretischer Modellierung stammenden Information, werden für eine zuverlässige Interpretation der Ergebnisse zusätzliche Informationen einbezogen, die aus weiteren Operationen, wie Feldtransformationen und Spektral-Analyse, gewonnen wurden. Auf Basis der jeweiligen Gesamt-Ergebnisse werden geologische Modelle für die zwei oben erwähnten Maare dargestellt. Die Ergebnisse geben tieferen Einblick in die Physik, die Genese und die posteruptive Entwicklung von Maar-Diatrem-Vulkanen. Maar-Diatrem-Vulkane werden in drei Haupt-Typen klassifiziert. Relativ starke magnetische Anomalien, die nicht durch eine starke remanente Komponente der Magnetisierung verursacht werden, weisen auf die in Maar-Diatremen eingebetteten Schlackenkegeln hin. Kleinere bzw. Schwächere sekundäre Schwere- und magnetische Anomalien innerhalb der Haupt-Anomalie eines bestimmten Maar-Diatrems — insbesondere in Randbereichen — weisen auf Subsidenzprozesse hin, die während der späteren Sedimentationsphase der posteruptiven Entwicklung stattfanden. Im Gegensatz zu den Postulierungen, die sich auf Kimberlitschlote beziehen, gibt es keine allgemeine Systematik zwischen Durchmesser und Tiefe, noch zwischen der geophysikalischen Anomalie und den Dimensionen der Maar-Diatrem-Vulkane. Zwar sind sowohl Maar-Diatrem-Vulkane als auch Kimberlitschlote Produkte des Phreatomagmatismus, ihre Bildung aber findet unter verschiedenen thermodynamischen und hydrogeologischen Umgebungsbedingungen statt. Im Falle der Kimberlitschlote, sind große Mengen von Magma und Grundwasser, sicherlich aus tiefen und großen Reservoirs, unter Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen am phreatomagmatischen Prozess beteiligt. Dies führt zu einem langzeitigen Prozess und folglich auch zur Bildung von großen Strukturen. Die phreatomagmatische Entstehung von Maar-Diatrem- und Tuffring-Diatrem-Vulkanen hingegen, wird durch die Wechselwirkung zwischen Magma aus relativ kleinen, nicht tiefliegenden Magmakammern (wahrscheinlich Segregationsmagmen) und kleinen Mengen von oberflächennahem Grundwasser unter Niedrigdruck- und Niedrigtemperatur-Bedingungen verursacht. Der Bildungsprozess ist daher kürzer und demzufolge sind auch die Strukturen kleiner im Vergleich zu Kimberlitschloten. Die Ergbnisse zeigen trotz allem, dass das Verhältnis von Durchmesser zu Tiefe für 50% der untersuchten Maar-Diatreme bei 1 liegt und der Einfallwinkel der Diatremwände dem der Kimberlitschlote gleicht und zwischen 70 und 85° liegt. Es ist zu bemerken, dass diese numerischen Charakteristiken, insbesondere der Einfallwinkel, für die Maare gelten, deren Diatreme durch Modellierung abgeschätzte Kegelstümpfe sind. Dies weist darauf hin, dass die Tiefe des Diatrems durch Inversion nicht genau bestimmt werden kann.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3508
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-9650
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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