A model of volcanic explosions at Popocatépetl volcano (Mexico): Integrating fragmentation experiments and ballistic analysis

Alatorre Ibargüengoitia, Miguel Angel (2011): A model of volcanic explosions at Popocatépetl volcano (Mexico): Integrating fragmentation experiments and ballistic analysis. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Summary The dynamics of magma fragmentation is a controlling factor in the behavior of explosive volcanic eruptions. Fragmentation changes the eruption dynamics from a system of bubbly flow to one of gas-particle flow. To date, the influence of the fragmentation process itself on the eruption dynamics has been largely neglected in eruption models. This is understandable, as the explosive expansion of mixtures of pressurized gases and pyroclasts in volcanic eruptions is a complex process that cannot be studied directly. The dynamics of the gas-particle mixture resulting after magma fragmentation in volcanic eruptions was experimentally investigated in a shock-tube apparatus. We performed fragmentation experiments with natural volcanic samples with diverse porosities (10 – 67 vol. %), different applied pressures (4-20 MPa) and distinct temperatures (room temperature and 850°C). Two different types of experiments were performed. In the first type, we measured the ejection velocity of a plate placed loosely on top of a volcanic sample in order to account for the ejection of the caprock in Vulcanian eruptions. In the second type we simultaneously measured the fragmentation speed and the ejection velocity of the gas-particle mixture in the absence of a plate. In both cases the results are in good agreement with a general model for Vulcanian eruptions based on 1-D shock-tube theory, including magma fragmentation, and considering the specific conditions of each experiment. Our results show that the fragmentation process plays an important role in the dynamics of the gas-particle mixture. The reasons include the following: 1) the energy consumed by fragmentation reduces the energy available to accelerate the gas-particle mixture; 2) the fragmentation speed controls the pressure available for the ejection of the gas-particle mixture which in turn determines the velocity, density and mass discharge rate; 3) the grain-size distribution produced during fragmentation controls the mechanical and thermal coupling between the gas phase and the particles; 4) the fragmentation process may produce heterogeneities in the concentration of particles. In volcanic eruptions all these factors can affect the eruption dynamics significantly. The model presented herein is consistent with the experimental results and is capable of describing the dynamics of brittle fragmentation in Vulcanian eruptions and yielding more realistic initial pressures at the onset of fragmentation than previous models. We applied this model to recent Vulcanian eruptions of Popocatépetl and Colima volcanoes (Mexico) and estimated the initial gas pressure required to disrupt the caprock, fragment the underlying magma and eject ballistic projectiles to the observed distances. Further, the model is used in concert with a ballistic model to relate initial pressure and gas content with ballistic range. This coupled model was calibrated and validated with field and video observations of ballistics ejected during different Vulcanian eruptions at Popocatépetl Volcano. The model relates the zones which could be affected by the impact of ballistic projectiles to the initial pressure that can be estimated from seismic and geophysical monitoring, providing valuable information for more refined short-term hazard assessment at active explosive volcanoes. Finally, a general methodology to delimit the zones that can be affected by ballistic projectiles is presented and applied to Popocatépetl Volcano. Three explosive scenarios with different intensities have been defined according to the past activity of the volcano and parameterized considering the maximum kinetic energy associated with ballistic projectiles ejected during previous eruptions. For each explosive scenario, the ballistic model is used to calculate the maximum range of the projectiles considering the optimum launch conditions. Our results are presented in a ballistic hazard map with topographic profiles that depict the likely maximum ranges of ballistic projectiles (horizontally and vertically) under the three explosive scenarios defined specifically for Popocatépetl Volcano. The multi-level hazard zones shown on the map are intended to allow the responsible authorities to plan the definition, development and mitigation of restricted areas during volcanic crises.

Abstract

Zusammenfassung Die Dynamik der Magmenfragmentierung hat großen Einfluss auf den Ablauf von explosiven Vulkanausbrüchen, da sich der physikalische Zustand des Magmas grundlegend ändert. Vor der Fragmentation steigt im Vulkan eine Flüssigkeit (mit darin enthaltenen Gasblasen und Kristallen) auf, danach ein Gas (mit darin enthaltenen Pyroklasten). Bis heute ist dieser Sachverhalt in Eruptionsmodellen weitgehend vernachlässigt worden. Dies ist verständlich, denn die explosive Expansion von unter Druck stehenden Gasen und Pyroklasten ist ein komplexer Prozess, der nicht direkt untersucht werden kann. In dieser Arbeit wurde das Verhalten einer durch Magmafragmentierung erzeugten Gas-Partikel-Mischung mit Hilfe eines auf dem Stoßrohr-Prinzip basierenden Fragmentationsapparates experimentell untersucht. Wir führten Fragmentationsexperimente mit natürlichen vulkanischen Proben (Porositätsbereich 10 - 67 %) bei angelegten Druckunterschieden von 4 bis 20 MPa und bei Temperaturen zwischen 25 und 850°C durch. Zwei unterschiedliche Typen von Experimenten wurden durchgeführt: Im ersten Typ maßen wir die Auswurfgeschwindigkeit einer Platte, die lose auf eine vulkanische Probe gelegt worden war. Damit wurde der Auswurf von Bruchstücken eines erkalteten Magmapfropfens über dem heißen Magma bei vulkanianischen Explosionen simuliert. Im zweiten Typ maßen wir gleichzeitig die Fragmentationsgeschwindigkeit einer vulkanischen Probe sowie die Auswurfgeschwindigkeit der erzeugten Gas-Partikel-Mischung. Unter Berücksichtigung der spezifischen Bedingungen der jeweiligen Experimente sind die Ergebnisse in beiden Fällen in guter Übereinstimmung mit einem allgemeinen Modell für vulkanianische Eruptionen, welches auf der eindimensionalen Stoßrohr-Theorie unter Einbeziehung der Magmafragmentierung beruht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Fragmentationsprozess aus den folgenden Gründen eine wichtige Rolle in der Dynamik der Gas-Partikel-Mischung spielt: 1) Die durch den Fragmentationsprozess verbrauchte Energie reduziert die verbliebene Energie, um die Gas-Partikel-Mischung zu beschleunigen; 2) Die Fragmentationsgeschwindigkeit kontrolliert den Druck für die Ejektion der Gas-Partikel-Mischung; dies wiederum bestimmt Auswurfgeschwindigkeit, Dichte der Gas-Partikel-Mischung und Massendurchsatz; 3) Die während der Fragmentation erzeugte Korngrößenverteilung kontrolliert die mechanische und thermische Kopplung zwischen Gasphase und Partikeln; 4) Der Fragmentationsprozess kann Heterogenitäten in der Konzentration von Partikeln erzeugen. Alle diese Faktoren können die Ausbruchsdynamik wesentlich beeinflussen. Das hier vorgestellte Modell beruht auf experimentellen Ergebnissen und kann die Dynamik des Sprödbruchs während vulkanianischer Eruptionen beschreiben. Dadurch ergeben sich im Vergleich zu früheren Modellen realistischere Werte für den zu Beginn eines Ausbruchs herrschenden Überdruck. Wir haben dieses Modell auf die jüngsten vulkanianischen Eruptionen der Vulkane Popocatépetl und Colima (Mexiko) angewendet und abgeschätzt, welcher anfängliche Gasdruck erforderlich war, um einen erkalteten Magmapfropfen zu zerbrechen, das darunter liegende heiße Magma zu fragmentieren und ballistische Geschosse über Distanzen auszuwerfen, die bei den jüngsten Ausbrüchen beobachtet worden waren. Das vorliegende Modell setzt die Zonen, die durch ballistische Geschossen betroffen waren, mit dem zum Beginn des Vulkanausbruchs herrschenden Überdruck in Zusammenhang. Dieser Druck kann aus seismischen und geophysikalischen Überwachungssignalen abgeschätzt werden. Dadurch kann das Gefährdungspotential an aktiven explosiven Vulkanen schnell und zuverlässig abgeschätzt werden. Abschließend wird eine allgemeine Methode präsentiert, mit der diejenigen Zonen abgegrenzt werden können, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durch ballistische Geschosse getroffen werden können. Im Falle des Vulkans Popocatépetl wurden auf Grundlage von Ausbrüchen in der jüngeren Vergangenheit und unter Einbeziehung der zum Auswurf beobachteter ballistischer Objekte nötigen maximalen kinetischen Energie drei Ausbruchsszenarien unterschiedlicher Intensität definiert. Für jedes Szenario wurde das ballistische Modell verwendet, um die maximal zu erwartende Auswurfentfernung der Geschosse unter optimalen „Abschuss“-Bedingungen zu berechnen. Unsere Ergebnisse sind in einer Gefährdungskarte präsentiert. Mit Hilfe von topographischen Profilen wird an Hand der drei Ausbruchsszenarien des Vulkans Popocatépetl der wahrscheinlich maximale Bereich von ballistischen Geschossen (horizontal und vertikal) dargestellt. Die abgebildeten Zonen unterschiedlichen Gefährdungspotentials erlauben den zuständigen Behörden, Sperrgebiete im Umfeld des Vulkans während vulkanischer Krisen zu planen und gegebenenfalls anzupassen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Natural hazards, Volcanology, Explosive volcanism, Experiments, magmatic fragmentation, Hazard maps, Popocatépetl volcano, Mexico, volcanic ballistics, shock-tube theory
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. Juni 2011
• 1. Bericht­erstatter:in: Dingwell, Donald Bruce