Anonim

Temaer

  • Naturfarer
  • vulkanologi

Abstrakt

Rør geometri påvirker magma stigning dynamikk og dermed stil og evolusjon av vulkanske utbrudd. Til tross for geologiske beviser støtter imidlertid forekomsten av kanalutvidelse under de fleste vulkanske utbrudd, er faktorene som styrer ledningsforstørrelsen fortsatt uklare, og effekten av synutslettende variasjoner av rør geometri er ikke undersøkt i dybden ennå. Basert på numerisk modellering og anvendelse av passende stabilitetskriterier, fant vi ut et sterkt forhold mellom magma reologi og ledningsstabilitet, med signifikante effekter på eruptiv dynamikk. For å være stabilt må ledninger som fører til dacitiske / rhyolitiske utbrudd ha større diametre enn deres fonolitiske / trachytiske motstykker, noe som resulterer i høyere utbruddshastigheter som vanligvis observeres ved dacitiske / rhyolitiske eksplosive hendelser. Dermed foreslår vi, i tillegg til magma kildekondisjoner og viskositetsavhengig effektivitet for utgassing, at typiske utbruddshastigheter for forskjellige magmatyper også styres av rørstabilitet. Resultatene stemmer overens med en kompilering av vulkanologiske data og utvalgte casestudier. Da stabilitetsforholdene ikke er ensartede langs ledningen, forventes utvidelse å variere i dybden, og tre aksisymmetriske geometrier med dybdeavhengige radier ble undersøkt. De er i stand til å produsere store modifikasjoner i eruptive parametere, noe som tyder på at eruptiv dynamikk påvirkes av synutbruddssvingninger i rør geometri.

Introduksjon

Magma stigningsdynamikk under eksplosive utbrudd styres i hovedsak av forholdet mellom magmaforsyning og utladningshastighet 1, 2, som er sterkt relatert til magma kammerforhold og vulkanisk rør geometri 3 . Til tross for at flere numeriske modeller har vært ansatt for å studere de fysiske forholdene til stigende magma 4, 5, 6, antar de vanligvis mekanisk stabile geometrier med konstant radius i dybden. Macedonio et al . 7 identifiserte fire erosive mekanismer som er i stand til å produsere synutbrytende endringer i rør geometri, som indikerer sonene der hver enkelt sannsynligvis er dominerende. Ikke desto mindre har forholdene for synutbrytende mekanisk stabilitet av vulkaniske ledninger aldri blitt behandlet i detalj, og det har heller ikke blitt studert effekten av magma reologi på dem. Aravena et al . 8 foreslått at rørledningsdimensjonene styrer sin mekaniske stabilitet, og en minimumsradius (og dermed en minimumsmassestrømning) for å oppnå stabile forhold kan beregnes. Under disse antagelsene representerer aksisymmetriske ledninger med fast radius en mekanisk stabil konfigurasjon bare for et smalt område av forhold, og utvidelsesprosesser fører sannsynligvis til geometrier preget av dybde-avhengige dimensjoner. Da magma reologi kontrollerer trykkprofilen langs ledningen, som igjen styrer den mekaniske stabiliteten, er viktige hint på forholdet mellom magma-sammensetning, ledestabilitet og utbruddsstil her avledet ved å utvide denne analysen til forskjellige magmatyper som ofte er involvert i store eksplosive hendelser. For å undersøke dette, sammenligner vi stabilitetsforholdene for typiske fonolitiske, trakytiske, dacitiske og rhyolitiske eksplosive utbrudd. De viktigste eruptive variablene og trykkprofilen langs ledningen (P (z)) ble avledet ved å bruke en 1D steady state modell 8, 9 (//demichie.github.io/MAMMA) og med sikte på å bestemme minimumstrykk som trengs for å unngå ledningskollaps (P- sammenbrudd ), brukte vi Mogi-Coulomb-kollapskriteriet 10, som illustrert i figur 1. I tillegg studerte vi den forventede tidsmessige utviklingen av utbrudd under virkningen av kanalutvidelse, med tanke på trachytisk og rhyolitisk magma. Vi testet også konsekvensene på utbruddsdynamikken av tre aksisymmetriske geometrier med dybdeavhengige radier, ved hjelp av fire forskjellige magmakomposisjoner. Endelig ble data fra utvalgte casestudier analysert, for en halvkvantitativ validering av modelleringsresultater.

Dybde mot trykk i ledningen (P (z)) og minimumstrykk som trengs for å unngå ledningskollaps (P- sammenbrudd (z)), beregnet ved hjelp av Mogi-Coulomb-kollapskriteriet. Forskjellen mellom begge kurvene ble benyttet for å beregne ustabilitetsindeksen (maks. P- sammenbrudd (z) - P (z))), som viser positive verdier for ustabile ledninger og negative verdier for stabile ledninger. Disse resultatene er relatert til en bestemt simulering, og er representativ for mekanisk ustabile rørledninger (dacitisk magma, radius på 20 m, vanninnhold på 5, 5 vekt% og innløpstrykk på 115 MPa).

Full størrelse bilde

Resultater og diskusjon

Mekanisk stabilitet av vulkanledninger

I eksplosive utbrudd blir rørkollapsbetingelser, kvantifisert ved hjelp av en ustabilitetsindeks definert som maks (P- sammenbrudd (z) - P (z)), fortrinnsvis nær og over fragmenteringsnivået, en sone karakterisert ved et abrupt trykkfall i den stigende magmaen (figur 1) 7, 8 . Følgelig er ustabilitetsbetingelser foretrukket av dyp magmafragmentering, og en monotonisk tendens observeres mellom ustabilitetsindeks og ledningsradius 8 . Figur 2a-d viser isoliene av minimumradiusen som trengs for å utvikle stabile ledninger (heretter kritisk radius) som en funksjon av vanninnhold og innløpstrykk for forskjellige magmakomposisjoner.

Kritiske radius-isoliner (dvs. minimumradius for en stabil rørledning) for forskjellige verdier av innløpstrykk og vanninnhold. Magma komposisjoner er angitt i titler. Forskjellene med noen resultater presentert i Aravena et al . 8 (utelukkende for rhyolitiske magmer) er avledet fra inkluderingen av en mer hensiktsmessig modell for å beskrive effekten av bobler på viskositet.

Full størrelse bilde

Resultatene indikerer at magma rheologi er en viktig kontrollerende faktor for ustabiliteten av vulkaniske ledninger. Faktisk, for å oppnå stabilitetsforhold, trenger dacitiske / rhyolitiske magmer ledninger flere ganger bredere enn deres fonolitiske / trakytiske motstykker; og signifikante forskjeller observeres også mellom dacitiske og rhyolitiske smelter. Det er også interessant å merke seg at for dacitiske og rhyolitiske magmer stammer de stabile ledninger over bare en størrelsesorden, mens de varierer over to størrelsesordener for fonolitiske og trachytiske magmer. Spesielt, for rekkevidden av inngangsparametere som er vedtatt her og vurderer en 5000 m lang ledning, varierer kritiske radier mellom 7 og 14 m for fonolitiske magmer, mens forutsagte kritiske radier for trachytiske magmer varierer mellom 6 og 13 m. Omvendt ble kritiske radier større enn 20 m og 50 m estimert for henholdsvis dacitisk og rhyolitisk magma. Hvis vi antar at vulkanledninger kontinuerlig blir utvidet for å oppnå stabilitetsbetingelser, antyder numeriske simuleringer at den stigende magma reologi kontrollerer forventede rørdimensjoner og dermed den resulterende utbruddshastigheten. Disse resultatene er i samsvar med de høye utslippshastighetene som ofte observeres ved vedvarende dacitisk / rhyolitisk utbrudd, mens fonolitiske / trachytiske magmer er i stand til å produsere vedvarende utbrudd med smalere rør og lavere masseflukser, som bekreftet ved en sammenstilling av globale data og den tilhørende variansen analyse (tilleggsbilag S1 og tilleggstabeller S1 og S2). Faktisk er statistisk signifikante forskjeller blitt identifisert mellom de gjennomsnittlige verdiene for utbruddskolonnehøyde av fonolitisk / trakytisk og dacitisk / rhyolitisk eksplosiv begivenhet (henholdsvis 23, 6 og 30, 1 km), som ville være relatert til viktige forskjeller i de tilsvarende masseutladningshastigheter (~ 1, 5 · 10 8 og ~ 4, 7 · 10 8 kg / s for den gjennomsnittlige utbruddskolonnens høyde av henholdsvis fonolitisk / trakytisk og dacitisk / rhyolitisk magma) 11 . Derfor foreslår vi i tillegg til magma-kildevilkårene (f.eks. Vanninnhold, innløpstrykk) og den viskositetsavhengige effektiviteten av utgassingsmekanismer (dvs. permeabel avgassing og boblende strømning) at typiske utbruddshastigheter for forskjellige magmasammensetninger også styres av ledestabilitet og samspillet med de skiftende egenskapene til stigende magmer.

Videre, for å produsere en stabil rørledning, kan en minimum masseutladningshastighet utledes for alle de studerte sammensetningene (1 · 10 6 -3 · 10 6 kg / s for fonolitiske og trachytiske magmer, 6 · 10 6 -2 · 10 7 kg / s for dacitic magmas og 3 · 10 7 -8 · 10 7 kg / s for rhyolitiske magmer, figur 3). Selv om disse resultatene er følsomme overfor mekaniske egenskaper av landets bergarter 12, antyder de at den ustabile karakteren som vanligvis observeres i lavmassefluksutbrudd, kan fremstilles av en ustabil, smal kanal som er preget av episodiske sammenbruddshendelser. I tillegg, fordi forskjeller på 1-2 størrelsesordener observeres mellom estimatene for de forskjellige studerte sammensetningene (fra 1 · 10 6 til 8 · 10 7 kg / s), antyder resultatene at de karakteristiske magmautladningshastighetene som trengs for å utvikle stasjonær eksplosiv utbrudd styres høyt av magma reologi. Faktisk, mens kvasi-steady, plinian til sub-plinian utbrudd av fonolitisk / trachytisk magmaer ofte er assosiert med mellomverdier av masseutladningshastighet, blir stabile dacitiske / rhyolitiske utbrudd generelt preget av meget høye magmautladningshastigheter 13, 14, muligens stabilisert av Utviklingen av brede ledninger. Videre, hvis sammenfallende ledninger hemmer magma oppstigning, forventes en minimum masseutladningshastighet for å utvikle eksplosive utbrudd, betydelig høyere for dacitisk / rhyolitisk magma enn for deres fonolitiske / trachytiske motstykker.

Ustabilitetsindeks versus masseutladningshastighet, for simuleringer utført med fonolitisk, trachytisk, dacitisk og rhyolitisk magma (i titler). Vi presenterer her resultater relatert til et sett med simuleringer med variable verdier av innløpstrykk (115-135 MPa) og vanninnhold (4, 0-6, 0 vekt% for fonolitiske og trachytiske magmer og 4, 5-6, 5 vekt% for dacitiske og rhyolitiske magmer ).

Full størrelse bilde

Synutbruddsmodifikasjoner av rør geometri representerer en viktig utfordring i analysen av vulkanske utbrudd, og den relative betydningen mellom de forskjellige erosjonsmekanismer gir flere spørsmål til numerisk modellering 7 . Ved å forutse at ledningen re-likevekt til de skiftende magma-egenskapene kan bevare nesten-aksisymmetriske geometrier med fast radius i dybden, kan vi anta at vulkanledninger vedtar et sett med geometrier hvis dimensjoner er definert av den kritiske radius, som varierer som en funksjon av innløpsovertrykk og vanninnhold (figur 2). Denne tilstanden er rimelig når fluidskjærspenning og overtrykk-dominert bruddprosesser er nok effektive under magma-fragmentering, og den karakteristiske tiden for ledningskollaps er fornuftig lavere enn tidsperioden som kreves for forekomsten av signifikante modifikasjoner i de stigende magmaegenskapene. Resultatene indikerer at tidsutviklingen av utbruddshastigheten styres høyt av balansen mellom modifikasjoner i stabilitetsforholdene for vulkanledninger (og dermed rørledningsdimensjoner) og variasjoner av kildeegenskaper (f.eks. Vanninnhold, innløpstrykk) (figur 4). I denne forstand, siden relative modifikasjoner av rørdimensjoner er høyere for trachytiske magmer i sammenligning med rhyolitiske smelter (forskjeller på ~ 120% og ~ 50% mellom maksimale og minimale kritiske radier, for de områder som vurderes for henholdsvis trachytisk og rhyolitisk magma) utbruddshastigheter av trachytiske magmer ser ut til å være mer følsomme for effekten av kanalstabilitet, mens rhyolitiske magmer presenterer en sterkere avhengighet av magma kildeegenskaper og deres effekter på utbruddsmodikken (figur 4b og f). Ulike variasjonstendenser av vanninnhold som en funksjon av innløpstrykket manifesteres også i det litiske innholdet gjennom pyroklastiske avsetninger, noe som gir opphav til forskjellige variasjonstendenser av prosentandelen litiske fragmenter i de resulterende pyroklastiske forekomster (figur 4c og g).

Numeriske resultater knyttet til den tidsmessige utviklingen av eksplosive hendelser karakterisert ved sylindriske ledninger med dimensjoner definert av den kritiske radius, som varierer som en funksjon av innløpsovertrykk og vanninnhold. Her vurderer vi trakytisk (paneler (a-d)) og rhyolitisk (paneler (e-h)) magmaer. Hver av dem inkluderer to variasjonstrender av vanninnhold som en funksjon av innløpstrykket (trender A og B for trachytisk magma, panel (a), trender C og D for rhyolitisk magma, panel (e)). Resultatene inkluderer den tidsmessige utviklingen av masseflux av magma og litisfragmenter (paneler (b) og (f)), temporær evolusjon av kritisk radius (panelene c) og (g)) og innholdet av litiske fragmenter gjennom det resulterende pyroklastiske innskudd ( paneler (d) og (h)). For panelene (d) og (h) er prosentandelen litisfragmenter følsomme overfor den totale utbruddsmassen, men deres tidsmessige modifikasjonstrender er ikke. Disse simulasjonene utgjør en konstant temperatur på 900 ° C (trender A og B) eller 850 ° C (trender C og D) og 5000 m lange rørledninger. Det er verdt å merke seg at sammenfallet mellom total utbruddstid for simuleringer A og B er bare et uformelt resultat avledet av karakteren av kritiske radiuskurver, og utbruddstendens antas å oppstå når et bestemt innløpsovertrykk er nådd (i dette tilfelle, -10 MPa). Vær oppmerksom på at siden relativ modifikasjon av rørdimensjoner er høyere for trachytiske magmer i forhold til rhyolitiske smelter, synes utbruddshastigheter av trachytiske magmer å være mer følsomme for effekten av rørstabilitet, mens rhyolitiske magmer presenterer en sterkere avhengighet av magma kildeegenskaper.

Full størrelse bilde

Aksisymmetriske geometrier med dybdeavhengig radius

Siden stabilitetsforholdene ikke er ensartede langs ledningen og de andre erosive mekanismer virker fortrinnsvis over og over magmafragmenteringsnivået 7, 8, synes bevaring av sylindriske geometrier med fast radius langs ledningen å være usannsynlig under naturlige forhold. Av denne grunn testet vi tre plausible aksisymmetriske rør geometrier med dybdeavhengige radii (figur 5a-c), hvor utbruddet av ledningsradiusvariasjoner er konsentrert rundt fragmenteringsnivået i det faste radius-ekvivalente tilfelle, som foreslått av rørledning mekanisk stabilitet.

( a ) Asymmetrisk rørledning med fast radius i dybden og en lokal forstørrelse langs en vertikal avstand zr (geometri NC1). ( b ) Rørledning med to koaksiale sylindriske deler forbundet med en lineært variabel overgangszone med lengde z r (geometri NC2). ( c ) Rør med en nedre aksisymmetrisk del med fast radius i dybden forbundet med overflaten ved en lineær forstørrelsessone (geometri NC3). ( d ) Forholdet mellom masseutladningshastigheter versus fordyping av fragmenteringsnivå (NC1 versus likestilte ekvivalent tilfelle). ( e ) Forholdet mellom utgangshastigheter i forhold til utgangstrykk (NC1 versus tilfelle med lik radius). ( f ) Forholdet mellom masseutladningshastigheter versus fordyping av fragmenteringsnivå (NC2 versus likradig ekvivalent tilfelle). ( g ) Utgangshastighetsforhold i forhold til utgangstrykk (NC2 versus tilfelle med fast radius ekvivalent). ( h ) Forholdet mellom masseutladningshastigheter versus fordyping av fragmenteringsnivå (NC3 versus fast-radius ekvivalent tilfelle). ( i ) Forholdet mellom utgangshastigheter i forhold til utgangstrykk (NC3 versus fast radius ekvivalent tilfelle). Her presenterer vi resultater relatert til rhyolitiske magmer, mens resultater relatert til dacitisk, trakytisk og fonolittmagas er vist i henholdsvis supplerende figurer S2, S3 og S4.

Full størrelse bilde

Relativt sett viser variasjoner i eruptiv dynamikk relatert til disse rør geometriene lignende trender for alle de studerte magma komposisjonene (figur 5d-i og tilleggs figurer S2, S3 og S4 for sammenligninger). Resultatene tyder på at utviklingen av de viktigste eruptive parametrene er betinget av modaliteten av lednings erosive prosesser. Hvis ledningen er i stand til å hemme sammenbruddet over fragmenteringsnivået (dvs. produserer NC1-lignende geometrier, figur 5d og e), forventes en signifikant økning i masseutladningshastigheten (opptil ~ 15%), som kunne forsterkes ved en nedadgående migrasjon av fragmenteringsnivået (opptil ~ 200 m) og følgelig ved forekomst av ustabilitetsforhold og utvidelsesprosesser i dypere soner av ledningen. I tillegg har utgangstrykket tendens til å være høyere enn det som observeres i den faste radiusekvivalente saken (generelt ikke høyere enn 30%), mens utgangshastigheten endres, styrt av kvelte forhold ved ventilen, er mer begrenset (generelt, ± 10%). Tvert imot, hvis signifikant kanalutvidelse skjer over fragmenteringsnivået (dvs. å produsere NC2-lignende eller NC3-lignende geometrier, Fig. 5f-i), mindre endringer i magma-utladningshastighet (generelt ± 10%), fragmenteringsnivå Generelt vil ± 100 m) og utgangshastighet (± 10%) oppstå, mens en signifikant reduksjon i utgangstrykket forventes (60-80% av den faste radiusekvivalenten eller lignende).

På grunn av den sterke kontrasten mellom vegg-rockvolumene for å erode for å produsere de forskjellige aksisymmetriske geometriene med dybdeavhengige radier, forventes viktige forskjeller på sammensetningen og den relative mengden av litiske fragmenter i pyroklastiske forekomster. Faktisk viser forholdet mellom massen av eroderte litisfragmenter og utbruddshastigheten at den forventede litisfraksjon med geometrier NC2 og NC3 er en størrelsesorden høyere enn det som forventes med geometri NC1, selv om geometri NC1 produserer flere viktige effekter på utbrudddet dynamikk. Dermed forventes ingen direkte forhold mellom den observerte fraksjonen av litisfragmenter i pyroklastiske avsetninger og størrelsen på eruptive dynamikkvariasjonene; og effektiviteten av veggen erosjonsprosesser ved å kontrollere utbruddshendelsen er mye høyere for NC1-lignende geometrier. Siden aksisymmetriske geometrier med dybdeavhengige radier ikke nødvendigvis har en tendens til stabilitetsforhold 8, er det ikke mulig å foreslå en kontinuerlig innkvartering til stabile geometriske konfigurasjoner. I stedet vil vulkanske ledninger bli preget av permanente ustabilitetsforhold, og rør geometri vil bli styrt av de karakteristiske tider for endringer i magma kildeegenskaper (f.eks. Vanninnhold, innløpstrykk) og gravitasjonssammenbrudd (til slutt, som en funksjon av ustabilitetsgraden), i tillegg til effekten av andre erosjonsmekanismer. Dette er indirekte bekreftet av allestedsnærværende tilstedeværelse av litisfragmenter gjennom alle forekomster av store pyroklastiske utbrudd.

Analyse av utvalgte casestudier

Data fra utvalgte utbrudd kan brukes til en halvkvantitativ validering av modelleringsresultatene. Den trachytiske 1630-utbruddet av Furnas vulkanen (Sao Miguel, Azorene) representerer en hensiktsmessig case-studie for å illustrere forholdet mellom massutladningshastighet og den ustabile karakteren av vulkanske utbrudd. Det var en hovedsakelig pulserende hendelse karakterisert ved relativt lave masseutladningshastigheter (0, 2 · 10 6 -6 · 10 6 kg / s) 15 og fluktuasjoner mellom magmatiske og phreatomagmatiske faser. Våre resultater antyder at lavmassutladningshastighetene ga ustabile forhold i ledningen, og genererer episodiske sammenbruddshendelser som manifesterer seg i den pulserende naturen av utbruddet, muligens favoriserer tilgangen til eksternt vann i ledningen. Faktisk, siden poretrykk favoriserer ledningsinstabilitet, var sammenbruddsvilkårene muligens konsentrert rundt akviferrock 12, som produserer magma-vann-interaksjon og den observerte freatomagmatiske oppførsel under disse pulseringer. Utvalget av masseutladningshastighet for denne utbruddet ligner det som er estimert for andre sub-plinske utbrudd med magmer av lignende reologi og preget av en viktig ustabilitet 16, 17, hvilket antyder en mulig årsakssammenhengssamband med rørstabilitetsforhold. Spesielt er hoveddelen av pyroklastiske forekomster relatert til den 512-e.K.-fonolitiske til tephri-fonolitiske utbrudd av Vesuvius preget av en slående kornstørrelsesvariasjon av fin til grov lapilli, tolket som produktet av en svært oscillerende sub-plinian fase 16, etterfulgt av en pulserende phreatomagmatic fase. En lignende ustabil oppførsel ble tolket for den første sub-plinske fasen av 472-e.K. utbrudd av Somma-Vesuvius (fonolitisk til tefri-fonolitisk magma) 17, med den alternative avsetningen av pyroklastiske fallesenger og pyroklastiske tetthetsstrømmer, fulgte også i dette tilfelle av faser preget av phreatomagmatic fragmentering.

Den detaljerte, systematiske studien av de rhyolitiske utbruddene i Mangaone-undergruppen (New Zealand) 13, 14 gir en slags homogen database som er svært egnet for å teste våre resultater. Generelt karakteriserer mye høyere utbruddshastigheter, respekt for de diskuterte for det phonolitiske / trachytiske tilfellet, dette settet av kvasi-vedvarende Plinianutbrudd, med topp masseutladningshastigheter mellom 6, 2 · 10 7 kg / s og 3, 9 · 10 8 kg / s (Tilleggstabell S3 og tilleggsbilde S5) og allestedsnærværende tilstedeværelse av litisfragmenter og litrikrike horisonter i de fleste av de studerte enhetene. Forfattere skildret to situasjoner 13, 14 : (1) litrikrike lag begrenset til pimpssenger preget av endringer i pimpsten og / eller bevis på samspill med eksternt vann, og tolket som partielle blokkeringer av ledningen; og (2) litrikrike lag i senger med ensartet pimpsteinstørrelse, noe som indikerer begrensede veggkollaps, utilstrekkelig for å forstyrre den kvasi-stabile karakteren av den plinske utbruddet. Omfanget av rørblokkering relatert til veggkollapshendelser styres av kollapsvolumet og rørdimensjonene. Vi foreslår at, siden smale ledninger gir gunstige forhold til veggkollaps (og følgelig ledningsblokkering), spiller den første erosjonshastigheten (dvs. under oppstart og voksfaser) en avgjørende rolle i levedyktigheten av vedvarende Plinianutbrudd. Faktisk er syv enheter (B, C, D, E, F, G og K) ut av tolv av Mangaone-undergruppen kjennetegnet av basale, litrikrike avsetninger og toppmassefrigivelseshastigheter som varierer fra 8, 6 · 10, 7 til 3, 9 · 10 8 kg / s. Dette tyder tydelig på at for å opprettholde en vedvarende flux av rhyolitisk magma, er det nødvendig med en tidlig utvidelsesprosess, og en konsekvens av denne utvidelsen er etableringen av de høye magmautladningshastighetene som er typiske for vedvarende Plinianutbrudd 18 . På den annen side presenterer de eneste to utbruddene karakterisert ved klare faser av kollapserende kolonne og ignimbrittavsetning (enheter I og L) et generelt høyt litisk innhold gjennom hele sekvensen, hvilket tyder på at den kontinuerlige økningen i rørdiameteren muligens var en av de grunner for å bestemme sammenbruddsvilkårene for utbruddskolonnen. I tillegg presenterer de fleste enhetene litisrike senger i de avtagende faser, og av og til utviser bevis på magma-vann-interaksjon 13, 18, tolket som følge av begynnende veggkollapser produsert ved innløpstrykkfall før total blokkering av ledningen (dvs. nedleggelse av utbruddet). Taupo pimpsten representerer en ekstra case studie for å takle vedvarende kiselutbrudd 19 . I dette tilfellet er den rapporterte utbruddshastigheten høyere enn 10 9 kg / s, og i samsvar med resultatene ga det en vedvarende eksplosiv hendelse. Godt begrensede verdier av totalt litisk innhold (1, 8 · 10 12 kg) 19 gir noen lys for å estimere matningsrørmålene. Med tanke på en 8000-m lang aksisymmetrisk kanal med faste dimensjoner i dybden, forventes radiere større enn 170 m, og produserer en svært stabil rør ifølge resultatene. Numeriske simuleringer antyder at en slik spesielt stor rørdiameter kan være relatert til en effektiv røråpnings-prosess, sannsynligvis foretrukket av magma-vann-interaksjon 12, med signifikante konsekvenser for den resulterende massutladningshastigheten. Ytterligere egnet informasjon er gitt av den dacitic-rhyodacitiske 1932 Quizapu-utbrudd (chilenske Andes), som ga et "eksepsjonelt ensartet falldeponering" 20 . Likevel, som observert i de fleste rhyolitiske mangautbruddene, er også den nedre delen av innskuddet rikere i litefragmenter enn den øvre del, og en generell (selv om svak) oppadgående grovdannelse av høstdeponeringen er beskrevet. Til tross for prosentandelen litisfragmenter er lav, på grunn av det høye utbrudte volumet, resulterte det i et stort volum av litisfragmenter 20, som antyder ledningsradier større enn 100 m. Disse rørdimensjonene og den rapporterte masseutladningshastigheten (9 · 10 7 -2, 5 · 10 8 kg / s) 20 er i samsvar med utviklingen av en meget stabil fôringsledning og en svært stabil eksplosiv utbrudd, manifestert i den beskrevne likformigheten av pyroklastiske innskudd 20 .

På den annen side gir Inyo Craters og Mono Craters (Øst-Sentral-California) en delmengde av eksplosive eksplosive eksplosive utbrudd karakterisert ved relativt lave utbruddshastigheter 21, 22, 23 . Under den siste eksplosive hendelsen i Inyo vulkanske kjeden ble ~ 0, 13 km 3 av rhyolitisk tephra brøt ut i fire påfølgende utbrudd. De to første utbruddene produserte pulserende, sub-plinske kolonner adskilt av en periode med kolonnekollaps 22, som viste masseutladningshastigheter lavere enn 10 7 kg / s, hvilket er i samsvar med den svært ustabile karakteren som forventes for disse MDRene ved rhyolitisk / rhyodacitisk fôring rørledninger. De to sistnevnte utbruddene ble preget av høyere MDR (opptil henholdsvis 4 4 10 7 og 3 7 7 kg / s) og utviklingen av mer vedvarende svake plumes, fortsatt med punktlige perioder med phreatomagmatisk aktivitet 22 . Overgangen mellom den andre (South Deadman 2) og tredje utbrudd (Obsidian flow) ble preget av en phreatomagmatic vent-clearingblast 22, som plutselig ville øke rørdimensjonene, favorisere stabilitetsforholdene og utvikle mer stabile eksplosive hendelser, sammenlignet med med de to første utbruddene. For Inyo Craters støtter geologiske bevis på sterk kraft at magma stigning er spesielt favorisert av strukturelle innstillinger 23, 24, 25, og det synes derfor vanskelig å bruke litisk innhold for å estimere rørdimensjonene. Likevel, selv i de to siste utbruddene, er totale mengder litisfragmenter (tilleggstabell S4) 22 sannsynligvis lavere enn det som observeres ved vedvarende rhyolitiske utbrudd, og dermed forventes mye mindre, ustabile rørledninger. En ekstra case studie av pulserende rhyolitiske utbrudd er den nyeste eksplosive utbruddet i Mono Craters 23, karakterisert ved lave masseutladningshastigheter og lave volumer av litiske fragmenter, noe som tyder på at de ikke klarte å utvikle brede, stabile tilførselsrør.

Avsluttende kommentarer

Modellering av magma-stigning gjennom aksisymmetriske vulkanrør med fast og dybdeavhengig radius antyder at magma-sammensetning og reologi spiller en ledende rolle i å definere forholdene for ledestabilitet og følgelig i styring av rørdimensjoner, evolusjon av masseutladningshastighet og mengden av litisk fragmenter funnet i pyroklastiske forekomster. Spesielt:

  1. (en)

    Dacitiske / rhyolitiske magmer trenger ledninger flere ganger bredere enn fonolitiske / trachytiske magmer for å utvikle mekanisk stabile kanaler, noe som kunne forklare de høye masseutladningshastighetene som vanligvis observeres ved vedvarende dacitisk / rhyolitisk utbrudd, mens fonolitiske / trachytiske magmer ville være i stand til å produsere vedvarende eksplosive utbrudd med relativt lave masseutladningshastigheter.

  2. (B)

    Rørstabilitet kan påvirke stabiliteten av vulkanske utbrudd, og kontrollerer forekomsten av pulserende variasjoner i utbruddsparametrene. Smale, ustabile rørledninger vil ofte være relatert til oscillerende vulkanutbrudd, mens brede, stabile tilførselsledninger kan produsere stabile eksplosive hendelser og homogene pyroklastiske forekomster.

  3. (C)

    Konduktveggkollaps synes å være spesielt dominerende under begynnelse / voksfaser av eksplosive hendelser, å avgjøre om en velutviklet steady state fase er nådd og dermed kontrollere den tidlige dynamikken til vulkanske hendelser og levedyktigheten av vedvarende utbrudd. Rørledningssammenbrudd er også sannsynlig å forekomme i løpet av de avtagende faser av eksplosive utbrudd, på grunn av forventet innløpstrykkfall, generering av rørblokkering og kontroll av utbruddstoppingen.

  4. (D)

    Naturen til den erosive prosessen langs ledningen under vulkanutbrudd er en førsteordningsfaktor for å kontrollere den resulterende eruptive dynamikken, modifiserende parametere som massutladningshastighet, utgangstrykk og fragmenteringsdybde. Isuptivdynamikken vil spesielt være betinget av kanalens evne til å hemme utvidelsesprosesser over fragmenteringsnivået.

metoder

For å studere trykkfeltet langs vulkaniske ledninger (P (z)), benyttet vi en 1D flerfase steady state modell som vurderer de viktigste prosessene som magmas opplever under oppstigningen, som krystallisering, reologiske forandringer, magma fragmentering, interaksjon med rørmurer, utgassing og avgassing. Vi brukte egnede sett med konstitutive ligninger for å beskrive systemets fysiske parametere (tilleggstabell S5), valgt for å studere representative tilfeller av fonolitisk, trakytisk, dacitisk og rhyolitisk eksplosiv vulkanisme. I utgangspunktet betraktet vi en 5000 m lang aksisymmetrisk kanal med faste dimensjoner i dybden, og varierte tre inngangsparametre: innløpstrykk, vanninnhold og ledningsradius (tilleggstabeller S5 og S6).

For å evaluere rørets mekaniske stabilitet, beregnte vi det minste trykk som var nødvendig for å unngå ledningskollaps (P- sammenbrudd (z)), som beskrevet i Aravena et al . 8 . For det anvendte vi Mogi-Coulomb-kriteriet fremlagt av Al-Ajmi og Zimmerman 10 (Tilleggstabell S7) ved å bruke de mekaniske parametrene vist i tilleggstabell S8. Med målsetningen om å kvantifisere kanalens ustabilitetskarakter, sammenlignet vi P sammenbrudd (z) og P (z) ved å bruke følgende uttrykk, kalt ustabilitetsindeks 8 :

$$ {\ rm {\ max}} {{\ rm {P}}} _ {{\ rm {collapse}}} {{rm {z}}) rm {z}})) $$

(1)

Siden et monotonisk forhold observeres mellom ledningsradius og ustabilitetsindeks 8, interpolerte vi radiusen med ustabilitetsindeksen til null (kritisk radius) ved bruk av en andre rekkefølge for gitt vannbetingelser og innløpstrykk. Følgelig representerer den kritiske radius den minste radius som trengs for å unngå ledningskollaps, for et gitt sett med magma kildeforhold.

Kritiske radiusberegninger ble også benyttet for å studere den tidsmessige utviklingen av vulkaniske ledninger ved å forutse aksisymmetriske geometrier med fast radius i dybden, hvis dimensjoner blir kontinuerlig re-ekvilibrert til de endrede stabilitetsbetingelsene som frembringes ved modifikasjoner av innløpstrykk og vanninnhold, for trachytisk og rhyolitisk magma. Inntakstrykket antas å variere lineært mellom to faste grenser (135 MPa og 115 MPa), som en funksjon av massen av utbrent magma; considering a total erupted mass of 10 11 kg and 2·10 12 kg for trachytic and rhyolitic magmas, respectively. This assumption is supported in the absence of exsolved water in magma reservoir for the solubility models here adopted (conduit length of 5000 m), and thus nearly incompressible melts are expected to fill the magma reservoir. For a given magma composition, two different hypothetical events were modelled, which are characterized by two different prescribed mathematical relations between inlet pressure and water content, and reflect discrepancies in compositional zonations of magma chamber (Fig. 4a and e). Still, initial and final input parameters are coincident for both modelled trends of a given magma composition, while the total eruption time is controlled by the resulting eruption rate and total erupted mass. In order to calculate the expected content of lithic fragments in pyroclastic deposits, we analyzed the modifications of conduit dimensions as critical radius changes.

For testing the effects of different geometries, we compared four cases: (1) axisymmetric conduits with fixed radius in depth (geometry C), (2) axisymmetric fixed-radius conduits with a local enlargement along a vertical distance z r (geometry NC1), (3) conduits with two coaxial cylindrical portions connected by a linearly variable transitional zone of length z r (geometry NC2) and (4) conduits with an axisymmetric lower portion with fixed radius in depth, connected with the surface by a linearly enlarging zone (geometry NC3). In simulations of axisymmetric conduits with depth-dependent radius (ie geometries NC1, NC2 and NC3), we set the variable-radius zone (z c ) around the fragmentation level computed in the fixed-radius equivalent case (ie R fixed (C) = R min (NC), with the same values of inlet pressure and water content); varying R max /R min and z r between specific limits (Supplementary Table S6).

On the other hand, in order to compare the typical intensity of explosive volcanic eruptions related to different magma compositions, we used information derived from a global database (LaMEVE) 26 . As an intensity measure, we employed the eruptive column height 11, splitting data into four subsets: (1) basaltic and andesitic basaltic magmas, (2) andesitic magmas, (3) dacitic and rhyolitic magmas and (4) phonolitic and trachytic magmas. When two or more results are reported for different phases of a unique eruption, we selected the highest value; and we discarded all data with other compositions or information difficult to split (eg dacitic andesite, trachyandesite). Descriptive statistics and variance analysis were employed for results interpretation.

bekreftelser

During this research, Alvaro Aravena was supported by the grant CONICYT N°72160016.

Elektronisk tilleggsmateriale

  1. Tilleggsmateriale

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar, godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe fornærmende eller som ikke overholder våre vilkår eller retningslinjer, merk det som upassende.

Anbefalt Redaksjonens