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Vasseur, Jérémie (2015): The life and death of heterogeneity in magmas: implications for failure forecasting. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Abstract

Explosive volcanism is one of the most catastrophic material failure phenomena. During magma ascent, fragmentation produces particulate magma, which, if deposited above the glass transition of the interstitial melt, will sinter viscously. In-conduit tuffisites, conduit wall breccias and ash deposited from exceptionally hot pyroclastic flows are scenarios in which sintering by viscous flow is possible. Therefore, understanding the kinetics of sintering and the characteristic timescales over which magma densifies are critical to understanding the degassing timeframe in conduits and deposits. Viscous sintering is accompanied by a recovery of material strength towards that of a pore-free, dense magma. Understanding damage mechanisms and seismic behaviour prior to failure of sintered volcanic products are also crucial for the application of micromechanical models and material failure forecasting laws. Powdered standard glass and industrial glass beads have been used to explore sintering mechanisms at ambient pressure conditions and temporal evolution of connected and isolated pore-structure. I observe that sintering under low axial stress is essentially particle size, surface tension and melt viscosity controlled. I found that the timescales over which the bulk density approaches that of a pore-free melt at a given temperature is dependent on the particle-contact surface area, which can be estimated from the particle shape, the packing type and the initial total porosity. Granulometric constraint on the starting material indicates that the fraction of finer particles controls the rate of sintering as they cluster in pore spaces between larger particles and have a higher driving force for sintering due to their higher surface energy to volume ratio. Consequently, the resultant sample suite has a range of microstructures because the viscous sintering process promotes a fining of pores and a coarsening of particles. In a volcano, newly formed sintering material will then further contribute to magma-plugging of the conduit and its mechanical properties will affect magma rupture and its associated precursory signals. This consideration permitted me to explore the effect of sintering on the stress required for dynamic macroscopic failure of synthesised samples and assess the ability of precursory microseismic signals to be used as a failure forecast proxy at conditions relevant to shallow volcanic conduits. To this end, the samples were subjected to mechanical tests under a constant rate of deformation and at a temperature in the region of the material glass transition. A dual acoustic emission rig was employed to track the occurrence of brittle fracturing. The monitored acoustic dataset was then exploited to systematically assess the accuracy of the failure forecasting method as a function of heterogeneity (cast as porosity) since it acts as nucleating site for fracture propagation. The pore-emanating crack model describes well the peak stress at failure in the elastic regime for these materials. I show that the failure forecast method predicts failure within 0-15% error at porosities >0.2. However, when porosities are <0.2, the forecast error associated with predicting the failure time increases to >100%. I interpret these results as a function of the low efficiency with which strain energy can be released in the scenario where there are few or no heterogeneities from which cracks can propagate. These observations shed light on questions surrounding the variable efficacy of the failure forecast method applied to active volcanoes. In particular, they provide a systematic demonstration of the fact that a good understanding of material properties is required. Thus I wish to emphasise the need for a better coupling of empirical failure forecasting models with mechanical parameters, such as failure criteria for heterogeneous materials, and point to the implications of this for a broad range of material-based disciplines.

Abstract

Explosiver Vulkanismus ist eines der drastischsten Phänomene, die ursächlich durch Materialversagen ausgelöst werden. Während seines Aufstiegs in der Kruste fragmentiert Magma zu partikelgrossen Magmafetzen, die, sofern überhalb des Glassübergangs abgelagert, viskos sintern können. Sintern durch viskosen Fluss wird bei Ablagerung von Intra-Schlot Tuffisiten, Schlotwand Brekzien und Asche aus extrem heissen pyroklastischen Ströme erwartet. Die Eingrenzung der Kinetik des Sinterns, sowie der charakteristischen Zeitskalen der Verdichtung von Magma, sind daher essentiell um den Zeitrahmen des Entgasens von Schloten und Ablagerungen besser zu verstehen. Viskoses Sintern wird begleitet von einer Erhöhung der Material Festigkeit zu der eines poren-freien, dichten Magmas. Weiterhin ist es wichtig, Beschädigungsmechanismen und das seismische Verhalten der vulkanischen Produkte kurz vor dem Materialversagen zu verstehen, um die Anwendung von mikromechanischen Modellen und die Vorhersage von Materialversagen zu ermöglichen. Glasstandard in pulverisierter Form und industrielle Glaskugeln wurden herangezogen um Sintermechanismen bei Atmosphärendruck und die zeitliche Entwicklung verbundener und isolierter Porenstrukturen zu erforschen. Ich beobachtete, dass Sintern bei niedriger axialer Belastung hauptsächlich durch Partikelgrösse, Oberflächenspannung und Schmelzviskosität kontrolliert wird. Weiterhin ist die Zeitskala, über die die Gesamtdichte bei einer definierten Temperatur die einer poren-freien Schmelze erreicht, abhängig von der Partikel-Kontakt Oberfläche, die über Partikelform, die Partikelpackung und die initiale Gesamtporosität abgeschätzt werden kann. Korngrössenanalysen der Anfangsmaterialien deuten an, dass die Feinfraktion die Rate des Sinterns kontrolliert, da der Feinanteil in den Zwickeln der grösseren Partikel Anhäufungen bilden kann und ausserdem ein höheres Sinterpotential durch sein grösseres Oberflächen-Volumen Verhältnis aufweist. Dementsprechend weisen die hergestellten Proben eine Reihe von Mikrostrukturen auf, die durch Porenverkleinerung und Kornvergröberung während des viskosen Sinterns hervorgerufen wurden. Dadurch wird neu-gebildetes, sinterndes Material innerhalb eines Vulkans das Verstopfen des Schlotes fördern, und die mechanischen Eigenschaften dieses Materials beeinflussen die Fragmentation des eigentlichen Magmas und der assoziierten Vorwarnsignale. Aufgrund dieser Betrachtung betrachte ich den Effekt des Sinterns auf die für dynamisches makroskopisches Versagen unserer synthetisierten Proben nötige Belastung näher. Dies geschah, um das Potential der mikroseismischen Signale bei Bedingungen innerhalb eines Vulkanschlots als Vorhersagekriterium für Materialversagen abzuschätzen. Dazu wurden die Proben bei konstanter Deformationsrate und Temperaturen in der Nähe des Glasübergangs mechanischen Tests unterzogen. Das Auftreten von Sprödbruchverhalten wurde mithilfe eines dualen Schallemissionsgerätes aufgezeichnet. Der resultierende akustische Datensatz wurde dann herangezogen, um die Genauigkeit der Vorhersagemethode für das Versagen als Funktion der Probenheterogeneität (also Porosität) einzugrenzen, da Porosität innerhalb eines Materials die Entstehung von Bruchstellen fördert. In diesem Zusammenhang beschreibt das Modell der "Pore-emanating cracks" für diese Materialien die Maximalbelastung bei Versagen im elastischen Regime. Ich zeige, dass Versagen bei Porositäten >0,2 innerhalb eines Fehler von 0-15% vorhergesagt werden kann. Sobald die Porositäten unter einen Wert von 0,2 fallen steigt der Fehler, der mit der Vorhersage der Versagenszeit assoziiert ist, auf über 100% an. Dieses Ergebnis interpretiere ich als eine Funktion der niedrigen Effizienz, mit der Verformungsenergie freigesetzt werden kann, wenn wenige oder keine Heterogeneitäten (Porosität) als Schwachstellen im Material vorhanden sind. Dies könnte zu der Frage beitragen, warum Versagensvorhersage an aktiven Vulkanen bisher zu unterschiedlich guten Ergebnissen geführt hat. Insbesondere zeigen meine Beobachtungen systematisch, dass ein tiefes Verständnis der Materialeigenschaften unerlässlich ist. Ich möchte daher betonen, dass die empirischen Vorhersagemodelle besser mit mechanischen Parametern, wie Versagenskriterien für heterogene Materialien, gekoppelt werden sollten, mit Auswirkungen für einen grossen Bereich der material-wissenschaftlichen Disziplinen.

Abstract

Le volcanisme explosif est l'un des phénomènes de fracturation matérielle les plus catastrophiques qui soient. Durant son ascension dans le conduit volcanique, le magma se fragmente en particules qui, une fois déposées à une température excédant celle de la transition vitreuse du liquide interstitiel, vont se souder de façon visqueuse. Les tuffisites formées dans le conduit ainsi que les cataclasites formées le long de ses parois, mais aussi les cendres déposées à partir de coulées pyroclastiques exceptionnellement chaudes, sont autant d'exemples pour lesquels du frittage par écoulement visqueux est possible. Comprendre la cinétique du frittage ainsi que les échelles de temps caractéristiques liées à la densification du magma est par conséquent crucial, afin de pouvoir identifier les périodes de dégazage dans les conduits et les dépôts volcaniques. Le frittage visqueux est accompagné d'un recouvrement de la résistance mécanique du matériel vers celle d'un magma dense et exempt de pores. Il est également crucial de comprendre les mécanismes liés au dommage ainsi que le comportement sismique avant la rupture des produits volcaniques frittés pour l'application de modèles micromécaniques et de lois de prédiction de la cassure matérielle. Un verre standard réduit en poudre et des billes de verre industrielles ont été utilisé, afin d'étudier les mécanismes de frittage à pression ambiante ainsi que l'évolution temporelle de la structure des pores connectés et isolés. J'observe que le frittage, sous faible contrainte axiale, est essentiellement contrôlé par la taille des particules, la tension de surface et la viscosité du verre. Je constate que, à une température donnée, les échelles de temps, pour lesquelles la densité du magma se rapproche de celle du verre pur, dépendent de la surface de contact entre les particules, qui peut être estimée à partir de la forme des particules, du type d'empilement et de la porosité initiale. Les contraintes granulométriques sur le matériel de départ indiquent que c'est la fraction des fines particules qui contrôle le taux de frittage : ces particules se regroupent dans les espaces créés entre les plus grandes particules et ont une force d'entraînement par frittage plus élevée en raison du rapport entre l'énergie de surface et le volume plus important. En conséquence, la série d'échantillons obtenus par frittage visqueux possède une gamme de microstructures, puisque ce processus favorise la réduction du volume des pores par l'amalgamation des particules. Au sein d'un volcan, la présence de magma nouvellement fritté pourra alors contribuer davantage au colmatage du conduit et ses propriétés mécaniques auront une incidence sur la fragmentation magmatique ainsi que sur les signaux précurseurs associés. Cette considération m'a permis, d'une part, d'étudier l'effet du frittage sur la contrainte mécanique nécessaire pour engendrer la rupture macroscopique des échantillons synthétisés et, d'autre part, à évaluer la capacité des signaux microcosmiques précurseurs à être utilisés pour prédire la cassure, à des conditions de pression et de température pertinentes pour les conduits volcaniques peu profonds. À cette fin, les échantillons ont été soumis à des essais mécaniques pour lesquels une vitesse constante de déformation ainsi qu'une température correspondant À la zone de transition vitreuse du matériel ont été appliqué. Deux capteurs d'émission acoustique ont été utilisé pour surveiller la fracturation matérielle. Les données acoustiques ont ensuite été exploité, afin d'évaluer de façon systématique la précision de la méthode de prédiction de la cassure en fonction de l'hétérogénéité (la porosité est utilisée comme quantification du degré d'hétérogénéité matérielle), car elle correspond à la zone de nucléation des fractures. Dans le régime élastique, le modèle de fissuration depuis les pores décrit correctement le pic de stress mécanique au moment de la rupture. Je montre que la méthode de prédiction de la cassure indique une erreur absolue comprise entre 0 et 15 % pour les porosités supérieures à 0,2. Cependant, lorsque les porosités sont inférieures à 0,2, l'erreur augmente jusque plus de 100 %. J'interprète ces résultats en termes de faible efficacité avec laquelle l'énergie mécanique accumulée peut être libérée dans le cas où il y a peu ou pas d'hétérogénéités à partir desquelles les fissures peuvent se propager. Ces observations mettent en lumière les questions sur l'efficacité de la méthode de prédiction de la cassure lorsqu'appliquée aux volcans actifs. Plus particulièrement, elles démontrent de façon systématique qu'une bonne compréhension des propriétés physiques et mécaniques du matériel est fondamentale. Ainsi, je tiens à souligner la nécessité d'un meilleur couplage des modèles empiriques de prédiction de la cassure avec des paramètres mécaniques, tel que des critères de rupture des matériaux hétérogènes, et pointer en direction des implications pour un large éventail de disciplines axées sur la science des matériaux.