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Montanaro, Cristian (2016): A multidisciplinary approach to unravel the steam-driven eruptions in volcanic systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Abstract

Steam-driven eruptions, such as phreatic and hydrothermal, represent a large percentage of explosive events, perhaps the majority, in volcanic systems. These eruptions do expel only fragments of non-juvenile rocks disintegrated by the expansion of water as liquid or gas phase. The conditions that cause steam-driven eruptions arise through a rapid increase in temperature or decrease in pressure. Thus, these eruptions may occur with different degrees of explosivity, as their violence is related to the magnitude of the decompression work that can be performed by fluids expansion. Steam-driven eruption deposits, though generally hardly recognized or badly preserved, yield information on the dynamics and energy of these explosive events. This dissertation presents the results from a multidisciplinary study of two recent eruptive events, and a further experimental study. In particular these studies investigate the role played by i) the pressure, temperature and liquid fraction within a system before an eruption, and ii) the nature of the rock hosting the hydrothermal system. These parameters control the rate at which energy is released and in turns the violence of such explosive events. The findings of this study suggest that the pore liquid fraction and its physical conditions (pressure-temperature) control the stored explosive energy: an increasing liquid fraction within the pore space increases the explosive energy. Overall, the energy released by steam-flashing can be estimated to be one order of magnitude higher than for the solely (Argon) gas or steam expansion. Additionally the decompression of liquids at an initial pressure and temperature close to their boiling-point may result in a higher production of fine material already under partial saturation conditions. The lithologies investigated in this work (from loose sediments, to very heterogeneous tuff breccias and agglutinates, and fine-grained tuffs) cover a large spectra of porosity, permeability and rock strength. These parameters control the energy storage, as well as its partitioning in form of fragmentation and particle ejection. Flashing of water in loose saturated sediments can produce violent explosion already for small decompression events (e.g. lake drainage). Consequently craters of tens-of-meter size can be generated and debris launched at significant distance (>100m). Interbedded low permeable and clay-rich levels may account for the over-pressurization and failure of the system, while the loose material can allow an efficient conversion of the explosive energy in other forms. In case of consolidated rock the connected porosity relates to the amount of stored energy, with higher porosities accounting for higher energies. The energy surplus in the presence of steam-flashing leads to a faster fragmentation with respect to a gas-driven process. As result higher ejection velocity may be reached by the fragmented particles. Low permeable rock’s, which allows not to dissipate pressure during the fragmentation process, assures a maximum result in terms of produced fine. Additionally, at constant porosity weaker rocks generated more fine particles than firmly cemented rocks. The fragmentation of very heterogeneous rocks, including low porous clasts, can create both large amount of very fine material, together with larger fragments (in analogy to ballistics formation). Destabilization of hydrothermal system with pressurized fluids hosted in such a heterogeneous lithology, may produce extended ash plumes and (dilute) pyroclastic density currents as well as widespread ballistic events. The multidisciplinary approach (field, laboratory, theoretical, and seismic studies) as tool to unravel the energetics of steam-driven eruptions provided many estimates on parameters controlling their explosivity. These finding should be considered for both modeling and evaluation of the associated hazard of steam-driven eruptions.

Abstract

Wasserdampf-getriebene Eruptionen, wie phreatische und hydrothermale Ausbrüche, stellen einen Großteil, wenn nicht sogar die Mehrheit vulkanischer Ausbrüche dar. Diese Eruptionen fördern kein frisches Magma sondern alle möglichen Formen nicht-juvenilen Gesteines, zerborsten aufgrund der schlagartigen Ausdehnung von Wasser, in flüssiger oder gasförmiger Form. Ausgelöst werden diese Ausbrüche durch entweder einen Anstieg der Temperatur oder durch einen Druckabfall im Untergrund. Die Stärke solcher Ausbrüche hängt von der Dekompressionsarbeit der sich ausdehnenden Fluide ab; die Explosivität variiert dementsprechend. Ablagerungen phreatischer Ausbrüche ermöglichen es Aussagen über die Dynamik und Energie dieser Ablagerungen zu treffen, leider sind solche Ablagerungen oft nur sehr schlecht erhalten und zudem sehr schwer zu identifizieren. In der vorliegenden Dissertation werden die Ergebnisse zweier multidisziplinärer Studien rezenter wasserdampf-getriebener Eruptionen vorgestellt, sowie die Ergebnisse einer weiteren experimentellen Studie. Im Besonderen werden dabei i) der Flüssigkeitsanteil der Fluide sowie deren Druck und Temperatur vor einem Ausbruch und ii) die Gesteinseigenschaften des hydrothermalen Reservoirs untersucht. Diese Parameter bestimmen, wie schnell Energie freigesetzt wird, und kontrollieren somit die Stärke der explosiven Ereignisse. Diese Studie zeigt auf, wie der Flüssigkeitsanteil im Porenraum und deren Druck und Temperatur die gespeicherte Energie beeinflussen, die in der Explosion freigesetzt werden kann. Generell gilt: Je höher der Flüssigkeitsanteil, desto höher die Explosionsenergie. Die Energie, welche beim explosionsartigem Verdampfen von überhitztem Wasser freigesetzt wird, ist in etwa eine Größenordnung höher als die Energie durch die Ausdehnung von Argon, Gas oder Dampf. Außerdem erzeugt das schlagartige Verdampfen von Flüssigkeiten in der Nähe des Siedepunktes (aufgrund der Temperatur- und Druckbedingungen) einen höheren Anteil an Feinmaterial. Dieser Effekt tritt bereits bei Teilsättigung des Porenraumes auf. Die Gesteine (von losem Sediment bis hin zu stark unterschiedlichen Tuff-Breckzien, „Agglutinationen“ und feinkörnigen Tuffen), welche im Rahmen dieser Studie untersucht wurden, zeigen eine große Bandbreite an Porosität, Permeabilität und Festigkeit. Diese Eigenschaften bestimmen die Höhe der gespeicherten Energie, die sich während der Dekomprimierung in Fragmentierungs- und Auswurfsenergie aufteilt. Explosionsartiges Verdampfen von Wasser in losem Sediment kann selbst bei kleinen Dekompressionsereignissen (wie dem plötzlichem Entwässern von Seen) zu heftigen Ausbrüchen führen. Dabei können Krater mit mehreren Zehnermetern Durchmesser entstehen und Gesteinstrümmer über 100 m weit ausgeworfen werden. Zwischengelagerte geringdurchlässige tonreiche Sedimentschichten können zu einem Überdruck im Untergrund führen, welcher sich in einem Ausbruch entlädt. Loses Material hingegen ermöglicht eine effiziente Umwandlung der Energie in kinetische Energie. Bei Festgestein bestimmt die Porosität die Höhe der gespeicherten Energie. Höhere Porosität resultiert in höherer gespeicherter Energie. Der Energieüberschuss beim schlagartigem Verdampfen von überhitzten Wasser führt zu einer schnelleren Fragmentierung im Vergleich zu Ausbrüchen, die von Gasausdehnung getrieben sind. Damit werden höhere Auswurfgeschwindigkeiten der Partikel erreicht. Gering durchlässige Gesteine, die während der Fragmentierung keinen Druck ableiten können, erzeugen dadurch einen höheren Anteil an Feinmaterial. Zusätzlich erzeugen schwächere Gesteine bei gleicher Porosität mehr Feinmaterial als feste Gesteine. Die Fragmentierung von sehr stark heterogenen Gesteinen mit niedrigporösen Klasten kann sowohl zu einem hohen Feinanteil, als auch zur Bildung größerer Bruchstücke führen (analog zu der Bildung von Ballistika). Wenn ein hydrothermales System mit unter Druck stehenden Fluiden in solch einem heterogenen Medium soweit destabilisiert wird, dass es zu einem Ausbruch kommt, kann dies zu mächtigen Aschesäulen, verdünnten pyroklastischen Dichteströmen (nuées ardentes), sowie ausgedehnten ballistischen Auswürfen führen. Der multidisziplinäre Ansatz (Geländearbeit, Laboruntersuchung, theoretische und seismische Studien) diente dazu, die Energetik phreatischer Ausbrüche aufzudecken, und ermöglichte eine Abschätzung der Parameter, die deren Explosivität kontrollieren. Die Erkenntnisse dieser Studie sollten sowohl für Modellierungen, als auch für Gefährdungsabschätzungen phreatischer Ausbrüche berücksichtigt werden.