The role of nano- to millimetre sized crystals on the dynamic evolution of shallow silica-rich magma

Cáceres Acevedo, Francisco (2020): The role of nano- to millimetre sized crystals on the dynamic evolution of shallow silica-rich magma: implications for volcanic eruptions. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Vulkanausbrüche zählen zu den größten Bedrohungen für Bevölkerung, Infrastruktur und Wirtschaft auf der Erde. Sie werden durch die Entstehung, die Speicherung und den Transport von Magma zur Oberfläche beeinflusst. Es gibt eine große Bandbreite von Ausbruchstypen, von heftig explosiv bis schwach effusiv. Explosive Ausbrüche können hohe Mengen an Asche in die Atmosphäre abgeben, während effusive Ausbrüche Lavaströme erzeugen. Die damit verbundenen Gefahren können daher je nach Ausbruchstyp variieren. Die Druckentlastung die Magmen beim Aufstieg in flachere Bereiche der Erdkruste erfahren, führt zur Entgasung und damit zu einem Anstieg der Schmelzviskosität. Außerdem bilden sich Kristallisationskeime und Kristalle beginnen zu wachsen. Das Zusammenspiel aus Entgasungsdynamik und den physikalischen Eigenschaften des Magmas entscheidet über den Stil des Vulkanausbruchs. Ob ein Ausbruch effusiven oder explosiven abläuft, hängt in erster Linie davon ab, ob die entgasten Volatile zur Oberfläche aufsteigen können, oder im aufsteigenden Magma gefangen bleiben. Das Wachstum der Blasen wird durch Diffusion und Gasexpansion im Zuge der Druckentlastung beim Aufstieg gefördert. Die Viskosität des Magmas behindert die Ausdehnung der Blasen. Wenn die Blasen wachsen, kann dies den Aufstieg des Magmas zur Oberfläche beschleunigen und dadurch erheblichen Überdruck in den Blasen aufbauen. Dieser Überdruck kann zur Fragmentation des Magmas führen. Im Gegensatz dazu können sich die Blasen verbinden und ein Netzwerk bilden. Dadurch wird die Entgasung erleichtert, der Gasüberdruck wird verringert und der Aufstieg des Magmas verlangsamt. Es ist bekannt, dass sowohl Phäno- als auch Mikrokristalle eine heterogene Blasenentstehung fördern und somit den Entgasungsvorgang erleichtern. Der Einfluss von Nanokristallen auf die Entgasung ist bis jetzt unerforscht. Die physikalischen Eigenschaften eines Magmas werden hauptsächlich durch die chemische Struktur der silikatischen Schmelzkomponente und dem Vorhandensein von festen Phasen gesteuert. Die daraus resultierende Viskosität des Magmas ist ein Hauptfaktor, der bestimmt, ob es zu einem effusiven oder explosiven Ausbruch kommt. Die Viskosität beeinflusst, ob Blasen aus gelösten Volatilen im Magma verbleiben oder aufsteigen, und ob sich Blasen weiter ausdehnen können. Die Magma-Viskosität hängt von der Viskosität der silikatischen Schmelzphase und der Menge an Kristallen ab. Die Viskosität der Schmelze wird beispielsweise stark vom Wassergehalt, dem Eisengehalt und dem Oxidationszustand beeinflusst. Kristallwachstum erhöht die Partikelfracht in der Schmelze und führt zu einer Erhöhung der Viskosität. Die Auswirkungen der Nano-Kristallisation auf die Magmen-Rheologie wurden bisher allerdings nur oberflächlich untersucht. Silikatreiche Magmen werden normalerweise flach in der Erdkruste gespeichert. Sie sind in der Lage hochexplosive Eruptionen hervorzubringen, die in der Regel mit Lavaströmen und dem Wachstum von Lavadomen einhergehen. Diese Magmen sind gewöhnlich hochviskos mit einem hohen Wasseranteil und haben somit das Potenzial explosiv auszubrechen. Andere Studien haben gezeigt, dass flache (~2 km tiefe) rhyolitische Magmareservoirs eine potentielle Gefahr darstellen können. Die Bedingungen, die notwendig sind, um aus diesen Magmen entweder einen explosiven oder effusiven Ausbruch zu erzeugen, sind jedoch nach wie vor unklar. In dieser Arbeit habe ich mehrere Experimente durchgeführt, um (1) den Einfluss von Nanokristallen auf Nukleation und Wachstum von Gasblasen zu testen, (2) den Einfluss von Abkühlung auf die Fe-Ti-Oxid-Nanokristallbildung und die Struktur der silikatischen Schmelze zu untersuchen, (3) die Rolle von Kristallart und Größe bei der Entgasung von flachen rhyolitischen Magmen zu beleuchten und (4) die Blasenbildung und Fragmentation bei langsamer Druckentlastung in flachen rhyolitischen Magmen zu analysieren. Zunächst habe ich Experimente zur Blasenbildung in einem optischen Dilatometer durchgeführt, dabei habe ich rhyolitische Magmen mit und ohne Nanokristalle verwendet. Ich habe herausgefunden, dass Nanokristalle die Menge an Blasen und deren Expansionsraten in einem entgasenden sauren Magma erhöhen können. Außerdem habe ich mir die Blasenanzahl in natürlichen Proben von explosiven Ausbrüchen angeschaut. Hier lässt sich der selbe Zusammenhang erkennen: Eine hohe Anzahl an Blasen und das Vorkommen von magmatischen Nanokristallen. Desweiteren habe ich ein mathematisches Magma-Aufstiegsmodells genutzt um zu zeigen, dass das Vorhandensein von Nanokristallen die Blasenanzahl in einer Weise beeinflussen kann, dass es zu einem explosiven Ausbruch kommen kann, obwohl die gewählten Rahmenbedingungen ohne Nanokristalle zu einem effusiven Ausbruch führen würden. Im nächsten Teil meiner Arbeite habe ich untersucht wie sich die Struktur einer Schmelze verändert, wenn in einem kristallfreien Magma das Wachstum von Nanokristallen einsetzt. Dazu wurden Abkühlungsexperimente mit kontrollierten Abkühlraten in einem optischen Dilatometer durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bildung von Nanokristallen mit einer Zunahme der Schmelzpolymerisation einhergeht. Diese Experimente unter oxidierenden Bedingungen und langsamer Abkühlungsraten geben einen Einblick in die Bildung von Fe-Ti-Oxid-Nanokristallen sowie in die strukturelle Veränderungen von silikatischen Schmelzen, die in dieser Form auch in den entsprechenden natürlichen vulkanischen Systemen vorkommen. Außerdem wurde gezeigt, dass sowohl der höhere Grad der Schmelzpolymerisation als auch die höhere Kristallfracht aufgrund der Bildung von Nanokristallen zu einer Erhöhung der Viskosität in Fe-reichen Rhyoliten führt. Zusammen mit der daraus resultierenden hohen Blasenanzahl und deren hohen Wachstumsraten, haben Nanokristalle das Potenzial, flache entgasende Magmen von einem effusiven in ein explosives Ausbruchsregime zu verlagern. Im dritten Teil meiner Arbeit habe ich Experimente durchgeführt, bei denen die Blasenbildung durch Aufheizen der Probe herbeigeführt wurde. Dazu habe ich wasserarme und blasenfreie natürliche Rhyolitproben genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kristallanzahl von Mikrokristallen, besonders bei Fe-Ti-Oxiden, einen starken Einfluss auf die Blasenanzahl hat. Im Gegensatz dazu, haben Phänokristalle oder andere mikrokristalline Mineralphasen einen geringeren Einfluss auf die heterogene Blasen-Keimbildung. In niedrigkristallinen Magmen wird die Koaleszenz und Konnektivität der Blasen durch Phänokristalle stärker und früher beeinflusst als durch Mikrokristalle. Proben mit Phänokristallen haben eine deutlich höhere Blasenkoaleszenz und Blasenkonnektivität ausgebildet als phänokristallfreie rhyolitische Magmen. Die Ergebnisse, die ich in dieser Arbeit vorstelle, helfen ein Verständnis zu entwickeln, welche Rolle die vorhandenen Kristallphasen vor und während dem Ausbruch bei der Entgasung des aufsteigenden Magmas spielen. Im letzten Teil ermögliche ich einen ersten Einblick in die Blasenentstehung in flachen rhyolitischen Magmen. Die Besonderheit daran, sind die langsamen Dekompressionsraten. Diese Bedingungen habe ich experimentell nachgestellt, indem eine rehydrierte rhyolitische Schmelze in einem unter Gasüberdruck stehendem heißen Autoklaven einer langsamen Druckentlastung ausgesetzt wurde. Zum ersten Mal wurde dabei gezeigt, dass es auch bei langsamen Dekompressionsraten zu einer magmatischen Fragmentation kommen kann. Dekompressionsraten stehen in direktem Zusammenhang zur Ungleichgewichtsentgasung, die wiederum eine Fragmentation begünstigt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Wasseranteile und Temperaturen, die in natürlichen, flachen und sauren Magmen zu erwarten sind, beim Aufstieg zur Oberfläche zu einem starken Blasenwachstum führen können. Außerdem wurden während dem Blasenwachstum eine gleichzeitige Zunahme der Nanokristallbildung beobachtet. Das hat wiederum Einfluss auf die Magma-Viskosität und damit auch auf die Fragmentation. Diese Ergebnisse geben einen Einblick in das Potential für explosive Ausbrüche von flachen rhyolitischen Magmen, wie beispielsweise im Vulkanfeld Laguna del Maule in Chile und am Vulkan Krafla in Island.

Abstract

Volcanic eruptions pose some of the greatest threats to population, infrastructure and economies in the Earth system. They are modulated by the generation, storage and transport of magma towards the surface. Eruptions span a highly variable range of styles from violent explosions and the generation of volcanic ash, to the relatively quiescent effusion of lava, also ranging a great diversity of hazards related. Magmas ascending to shallow levels are subjected to decompression that leads to volatile loss and melt viscosity increase, as well as the nucleation and growth of crystals. Then, the degassing dynamics of a magma and its physical properties exert a crucial control on the eruptive style of a volcano. Whether an eruption will develop in an effusive or explosive eruptive style depends dominantly on whether exsolved volatiles will efficiently escape or remain trapped in the ascending magma respectively. Bubbles of exsolved volatiles can nucleate and grow isolated via volatile diffusion and gas expansion caused by ascent-driven decompression, limited by the viscous resistance of the hosting material. This expansion may accelerate the magma towards the surface and build-up significant gas overpressure that can result in magma fragmentation. On the other hand, bubbles may coalesce and form connected porous networks that promote gas escape to the exterior, reducing gas overpressure and slowing magma ascent. Both phenocrysts and microlites are known to cause heterogeneous bubble nucleation and to facilitate bubble coalescence in degassing magmas. Yet the influence of nanolites on bubble-hosted degassing processes remains wholly uninvestigated. The physical properties of a magma are mainly controlled by the chemical structure of its silicate melt phase and the physical presence of suspended phases. Of these, it is magma viscosity which is often a dominant factor determining whether a magma will erupt effusively or explosively. Viscosity determines, for instance, whether bubbles of exsolved volatiles will remain coupled or decoupled in the magma and their expansion, affecting the degassing dynamics. Magma viscosity depends on the viscosity of the silicate melt phase, as well as the crystal load. The viscosity of the melt, for instance, greatly depends on its water concentration, iron content and oxidation state, while magma crystallisation increases viscosity by increasing the load of suspended phases and generating changes in the chemical structure of the melt. Yet the effects of nanolite crystallisation on magma rheology have only been investigated to day in a reconnaissance manner. Silica-rich magmas are commonly stored at shallow levels. They have produced highly explosive eruptions that are usually accompanied with effusion of lava flows and domes. These magmas are commonly highly viscous and contain enough water concentration to produce explosivity. Studies have found rhyolitic magma reservoirs stored as shallow as ~2 km depth that may pose potential hazards. However, the conditions necessary in order to generate either an explosive or effusive eruption from these magmas remains unclear. In this thesis, I conducted several experimental approaches in order to (1) test the influence of nanolites on gas bubble nucleation and growth dynamics, (2) better constrain the influence of cooling on Fe-Ti oxide nanolite crystallisation and silicate melt structure, (3) shed light on the role of the nature and size of crystals on degassing of shallow rhyolitic magma, and (4) explore vesiculation and fragmentation occurring in shallow rhyolitic magma due to slow decompression. First, I conducted vesiculation experiments in an optical dilatometer using both a nanolite-bearing and a nanolite-free rhyolitic magma. I documented how nanolites can increase the bubble number density and expansion rate in a degassing silicic magma. Then, I inspected a compilation of bubble number densities from natural volcanic rocks from explosive eruptions and inferred that some very high naturally-occurring bubble number densities could be associated with the presence of magmatic nanolites. Finally, applying a numerical magma ascent model I show that for reasonable starting conditions for silicic eruptions, an increase in the resulting bubble number density associated with nanolites could push an eruption that would otherwise be effusive into the conditions required for explosive behaviour. Secondly, I investigated the melt structural changes during the transition from a crystal-free melt to a nanolite-bearing magma, as well as the process of nanolite crystallisation. This was done performing magma cooling experiments at highly controlled rates in an optical dilatometer. The results show that nanolites start forming concomitant with an increase in melt polymerisation. These experiments at oxidising conditions and slow cooling rate provide insights into the formation of Fe-Ti oxide nanolites and structural changes of silicate melts that can also be observed and are expected in equivalent natural volcanic systems. I showed that both the higher degree of melt polymerisation and the higher load of crystals due to the formation of nanolites in Fe-rich rhyolites are likely to cause increases in the magma viscosity. Taken together with the resultant high bubble number density and growth rate that nanolites may promote in degassing magmas, these effects may have the potential to shift shallow magmas from an effusive eruption style into conditions favourable for an explosive eruption. Third, I performed heating induced vesiculation experiments in a multiphase, low-water concentration and bubble-free natural rhyolite. The results indicate that crystal number density of microlites, specifically Fe-Ti oxides, exerts a dominant control on the bubble number density while the role of phenocrysts or other microlite mineral phases on heterogeneous nucleation are more limited. On the other hand, phenocrysts enhance bubble coalescence and connectivity more and earlier than microlites in low-crystalline magmas. When compared to bubble textures produced in a phenocryst-free rhyolitic magma, the magma with phenocrysts noticeably produced greater bubble coalescence and connectivity. These findings help to better understand the role that pre- and syn-eruptive crystalline phases may play in the degassing process during magma ascent towards the surface. Finally, I give first insights into the vesiculation process of shallow rhyolitic magma subjected to slow decompression. I conducted slow decompression experiments using a gas-pressurised hot autoclave and a re-hydrated rhyolitic melt. The results show for the first time that magmatic fragmentation can be achieved in silicate melt by decompression-induced vesiculation at slow decompression rates. Within this context, disequilibrium degassing plays an important role promoting fragmentation, which is directly related to the decompression rate. The results also indicate that for initial water concentrations and temperatures expected in natural shallow silica-rich magmas, continuous decompression until atmospheric pressure can result in high degrees of magma vesiculation. Finally, during vesiculation, a concomitant increase of nanolite crystallisation was observed, with potential implications for magma viscosity and fragmentation. These results give insight into the potential explosivity of shallow rhyolitic magmas such as those found at Laguna del Maule volcanic field in Chile and Krafla volcano in Iceland.

Abstract

Las erupciones volcánicas representan algunas de las mayores amenazas para la población, infraestructura y economías en el planeta. Están conducidas por la generación, almacenamiento, y transporte de magma hacia la superficie. Los estilos eruptivos abarcan un amplio rango desde erupciones explosivas violentas, que incluyen la generación de ceniza, hasta la efusión más calmada de lava, y tienen una gran diversidad de riesgos asociados. Magmas que ascienden a niveles someros están sometidos a descompresión que lleva a las Perdida de volátiles y un consecuente aumento en la viscosidad, así como también la nucleación y crecimiento de cristales. Así es como la dinámica de desgasificación del magma, junto con sus propiedades físicas ejercen un control crucial en el estilo eruptivo de un volcán. Si es que una erupción de va a desarrollar de manera efusiva o explosiva depende dominantemente de si los volátiles exsueltos escapan eficientemente del magma o permanecen atrapados en el respectivamente. Las burbujas de volátiles exsueltos pueden nuclear y crecer aisladamente vía difusión de volátiles y por la expansión del gas en ellas causada por la descompresión producida durante el ascenso de magma y a la vez están limitadas por la resistencia ejercida por el magma que las rodea. Esta expansión puede acelerar el magma hacia la superficie y producir una gran sobrepresión en las burbujas que puede resultar en la fragmentación del magma. Por otro lado, las burbujas pueden coalescer y formar una red de poros conectados que permiten el escape de volátiles al exterior, lo que reduce la sobrepresión del gas en las burbujas y ralentiza el ascenso de magma. Tanto los fenocristales como los microlitos causan nucleación heterogénea de burbujas y facilitan la coalescencia de ellas en magmas que se desgasifican. Pero aún hay falta de investigación respecto a la influencia de los nanolitos en procesos que envuelven burbujas en la desgasificación. Las propiedades físicas de un magma están controladas principalmente por la estructura química de su fase fundida y por la presencia física de fases suspendidas. Entre estas, la viscosidad del magma es la que comúnmente determina si una erupción será efusiva o explosiva. La viscosidad determina, por ejemplo, si es que las burbujas de volátiles exsueltos permanecerán acopladas o desacopladas de él, como también la expansión que pueden alcanzar, lo que afecta la dinámica de desgasificación del magma. La viscosidad total del magma depende de la viscosidad de su fase fundida y de la carga de cristales que contenga. La viscosidad de la fase fundida, por otra parte, depende principalmente de su concentración de agua disuelta, el contenido de hierro y el estado de oxidación, mientras que la cristalización incrementa la su viscosidad generando cambios en la estructura química. Aún, los efectos en la reología del magma producidos por la cristalización de nanolitos has sido sólo reconocidos, pero no ha sido ampliamente estudiados hasta ahora. Los magmas ricos en sílice están almacenados comúnmente en niveles someros de la corteza. Ellos han producido erupciones altamente explosivas que están acompañadas usualmente por la efusión de lavas o domos. Estos magmas suelen ser muy viscosos y contienen la suficiente cantidad de agua disuelta como para generar explosividad. Algunos estudios han encontrado reservorios de magma riolítico almacenados a niveles tan someros como ~2 km de profundidad, los que podrían tener altos riesgos asociados. Sin embargo, las condiciones necesarias para generar una erupción tanto efusiva como explosiva a partir de estos magmas no están claras. En esta tesis, conduje varias aproximaciones experimentales para (1) testear la influencia de nanolitos en la dinámica de nucleación y crecimiento de burbujas, (2) determinar de mejor manera la influencia de enfriamiento en la cristalización de nanolitos de óxidos de hierro y titanio, (3) generar luces acerca de los roles del tipo y tamaño de cristales en la desgasificación de magmas riolíticos someros y (4) explorar la vesiculación y fragmentación explore que podría ocurrir en magmas riolíticos someros sometidos a descompresión. Primero, conduje experimentos de vesiculación en un dilatómetro óptico usando magmas riolíticos tanto libres como conteniendo nanolitos. Documenté como los nanolitos pueden incrementar la densidad de burbujas en el magma y su tasa de expansión. Luego, inspeccioné una compilación de densidades de burbujas en rocas volcánicas de erupciones explosivas e inferí que algunos de los valores más altos que se pueden encontrar en la naturaleza podrían estar asociados a la presencia de nanolitos que no fueron previamente reconocidos en aquellas rocas. Finalmente, apliqué un modelo numérico de ascenso de magma donde maestro que para condiciones razonables para magma riolíticos, el incremento en la densidad de burbujas relacionados a la presencia de nanolitos podría mover una erupción que en principio sería efusiva hacia condiciones necesarias para generar un comportamiento explosivo. Luego, investigué los cambios en la estructura de la fase fundida durante la transición desde un fundido libre de cristales hacia un magma que los contiene, junto con el proceso de cristalización mismo. Esto lo hice a través de experimentos de enfriamiento de magma a tasas altamente controladas en un dilatómetro óptico. Los resultados muestran que los nanolitos empiezan a formarse en conjunto con un aumento en la polimerización de la fase fundida. Estos experimentos, conducidos en condiciones oxidantes y a tasas de enfriamiento lentas, proveen de ideas acerca de la formación de nanolitos de óxidos de hierro y titanio y cambios estructurales en la fase fundida que pueden ser esperados en sistemas volcánicos en condiciones equivalentes. Muestro que tanto el grado de polimerización del magma y la mayor concentración de cristales debido a la formación de nanolitos son probables que causen un aumento en la viscosidad toal del magma. En conjunto con la alta densidad de burbujas que producen y la alta tasa de expansión de magma resultante, los nanolitos pueden mover magmas someros desde una eventual erupción efusiva hacia condiciones favorables para generar una erupción explosiva Tercero, conduje experimentos de vesiculación en un magma riolítico con múltiples fases cristalinas, inicialmente libre de burbujas y con una concentración de agua disuelta muy baja. Los resultados indican que la densidad de microlitos, específicamente de óxidos de hierro y titanio, ejercen un control dominante sobre la densidad de burbujas. Mientras tanto, el rol de los fenocristales o microlitos de otras fases minerales generando nucleación heterogénea es más limitado. Por otro lado, los fenocristales favorecen en mayor medida y más tempranamente que los microlitos la coalescencia de burbujas y su conectividad. Esto, al menos en magmas con baja cristalinidad. Comparando las texturas producidas en un magma libre de fenocristales, el magma que los contiene produce notablemente mayor coalescencia de burbujas y conectividad. Estos resultados ayudan a entender mejor los roles de fases cristalinas pre- y syn-eruptivas en cuanto a los procesos de desgasificación durante el ascenso de magma hacia la superficie. Finalmente, doy primeras ideas acerca del proceso de vesiculación de magmas riolíticos someros que son sometidos a descompresión lenta. Conduje experimentos de descompresión lenta usando un magma riolítico rehidratado y un autoclave a alta temperatura presurizado internamente con gas. Los resultados muestran por primera vez que la fragmentación magmática puede ser alcanzada en magmas silicatados por vesiculación producida durante descompresión a tasas lentas. En este contexto, la desgasificación en desequilibrio, que está ligada a la tasa de descompresión, juega un rol importante favoreciendo la fragmentación. Estos resultados indican, que para una temperatura y concentración de agua esperable para magmas riolíticos someros, la descompresión continua hasta presión atmosférica puede resultar en altos grados de vesiculación magmática. Finalmente, durante la vesiculación, se observó un incremento en la cristalización de nanolitos, que podría tener implicancias en la viscosidad y fragmentación magmática. Estos resultados dan luces acerca del potencial explosivo de magmas riolíticos someros como los encontrados en el campo volcánico Laguna del Maule en Chile y el volcán Krafla en Islandia.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. Juli 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Scheu, Bettina