The influence of complex volcanic vent morphology on eruption dynamics

Schmid, Markus (2022): The influence of complex volcanic vent morphology on eruption dynamics: lessons learned from direct observation in field and laboratory. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Vulkanausbrüche gelten als eine der spektakulärsten Naturgewalten unserer Erde. Gleichzeitig stellen sie jedoch auch eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und Infrastruktur dar. Aufgrund ihrer Dynamik und ihres unberechenbaren Charakters geht von explosiven Vulkanausbrüchen eine besonders große Gefährdung des Menschen und seiner Umwelt aus. Im Zuge eines explosiven Ausbruchs werden heiße Gase und Pyroklasten in die Atmosphäre ausgeworfen. Obwohl das Monitoring aktiver Vulkane in den letzten Jahren immer weiter verbessert wurde, ist es immer noch schwierig eine konkrete Vorhersage zu den Ausbrüchen zu erstellen. Aufgrund ihrer Komplexität ist das Verhalten von Vulkanen nicht kalkulierbar. Bis heute ist weder eine Beobachtung, noch eine Messung der unterirdischen Rahmenbedingungen möglich, welche den Ausbruch steuern. Trotz dieser Unwägbarkeiten unterliegen Vulkanausbrüche dennoch physikalischen Gesetzmäßigkeiten, sodass die Möglichkeit besteht, die Prozesse im Untergrund eines Vulkans zu modellieren oder durch Experimente zu beschreiben. Aufgrund der Komplexität der Wechselwirkungen innerhalb des Systems Vulkan ist es erforderlich Experimente zunehmend realistischer zu gestalten. Sobald das ausgeworfene Material aus dem Krater austritt können wir den Ausbruch visuell Beobachten. In diesem Bereich ist das Verhalten des Ausbruchs vollständig von den Prozessen im Untergrund und von der Geometrie des Kraters abhängig. Im Vergleich zu den symmetrischen Kraterformen, welche in Experimenten und Modellen oft angenommen werden, sind die Krater in der Natur deutlich unregelmäßiger geformt. Ihre Geometrien sind oft eingekerbt und haben eine schräge Oberfläche. Zudem können sich die Kratergeometrien innerhalb kürzester Zeit verändern. Um den Einfluss der Prozesse im Untergrund zu verstehen müssen wir zuerst den Einfluss der beobachtbaren Parameter (z. B. Kratergeometrie) ergründen. Schlussendlich wird ein tiefergehendes Verständnis der Parameter, die Vulkanausbrüche steuern, zu einem Fortschritt und der Verbesserung der Gefährdungsanalysen führen. Um dies zu erreichen, habe ich Beobachtungen aus Feldkampagnen und Laborexperimenten kombiniert. Zunächst habe ich die Geometrien von Vulkankratern erfasst und deren zeitliche Entwicklung dokumentiert. Dazu haben ich die Geometrie der Krater in der Kraterterrasse des Strombolis in einer hohen Auflösung vermessen und die jeweils zugehörigen Explosionen beobachtet. Dabei konnte ich feststellen, dass sowohl die Intensität, als auch die Art und die Richtung der Ausbrüche durch Formveränderungen der Oberflächentopografie beeinflusst werden. Mittels Drohneneinsatz habe ich innerhalb eines Zeitraums von neun Monaten (Mai 2019–Januar 2020) fünf topografische Datensätze erstellt. In diesem Zeitraum war es möglich „normale“ Strombolianische Aktivität, starke Ausbrüche und sogar zwei Paroxysmen zu beobachten (3. Juli und 28. August 2019), sodass es möglich war, die verschiedenen Ausbruchstypen mit den vorherrschenden Ablagerungs- und Abtragungsprozessen zu verknüpfen. Zudem konnte ich die Anzahl der aktiven Krater, deren Positionen sowie deren Umgestaltung nachverfolgen. Da Veränderungen der Kratergeometrie und der Kraterposition auf eine Modifikation des Ausbruchsgeschehens hinweisen können, sind auch dies wichtige Faktoren für eine Gefährdungsanalyse. Die aus den Feldforschungen gewonnenen Daten zeigen deutlich die Komplexität, Vielseitigkeit und Variabilität der Formen vulkanischer Krater in einer nie da gewesenen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Darüber hinaus haben die Beobachtungen der Vulkanausbrüche deutlich gemacht, wie stark die Beziehung zwischen dem Krater, der Kratergeometrie und dem Auswurf von pyroklastischem Material ist. Diese Erkenntnis hat eine große Bedeutung für die Gefährdungsanalyse, vor allem für Gebiete, die potentiell durch vulkanische Bomben und pyroklastischem Fallout bedroht sind. Im Anschluss habe ich eine Reihe von Dekompressionsexperimenten mit Kratergeometrien durchgeführt, welche auf den Beobachtungen am Stromboli aufbauen. Durch diese Experimente wurde der Zusammenhang zwischen Kratergeometrie und Ausbruchsdynamik bestätigt. Die verwendeten Geometrien haben eine geneigte Oberfläche mit einem Winkel von 5°, 15° und 30° und jeweils einer zylindrischen und einer trichterförmigen inneren Geometrie. Daraus ergeben sich sechs experimentelle Krater die mit folgenden experimentellen Bedingungen getestet wurden: Vier unterschiedliche Startdrücke (5, 8, 15 und 25 MPa) und zwei Gasvolumina (127.4cm3, 31.9cm3). Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur und mit Argon durchgeführt. Trotz des vertikalen Aufbaus konnte man auf beiden Seiten des Kraters unterschiedlich große Winkel des austretenden Gases beobachten. Weiterhin war der Gasstrahl geneigt. Die Richtung der Neigung wurde durch die innere Geometrie be- stimmt. Bei einer zylindrischen Geometrie neigte sich der Gasstrahl in die Einfallsrichtung der geneigten Oberfläche. Im Falle einer trichterförmigen inneren Geometrie neigt sich der Gasstrahl entgegen der Einfallsrichtung. Der Winkel des Gasaustritts war bei einer zylindrischen inneren Geometrie immer größer als bei der trichterförmigen Geometrie. Sowohl die Winkel des Gasaustritts als auch die Neigung des Gasstrahls zeigten eine starke Reaktion auf eine Veränderung der Druckbedingung und Oberflächenneigung. Dabei zeigten sowohl der Austrittswinkel als auch die Neigung eine positive Korrelation mit dem Druck und der Oberflächenneigung. Hohe Druckbedingungen haben außerdem dafür gesorgt, dass für einen längeren Zeitraum Überdruckverhältnisse am Kraterausgang herrschten. Ein höheres Gasvolumen hat größere Gasaustrittswinkel ermöglicht. Zuletzt habe ich die Dekompressionsexperimente durch den Einsatz von Partikeln ergänzt, um so den Auswurf von Gas und Partikeln während eines explosiven Vulkanausbruchs nachzustellen. Dabei habe ich die beiden experimentellen Kratergeometrien aus den vorangegangenen Experimenten ausgewählt, welche den stärksten Einfluss auf die Gasdynamik aufgezeigt haben. Zusätzlich habe ich eine dritte Kratergeometrie verwendet, die dem aktiven Krater S1 auf Stromboli nachempfunden ist. Die Geometrie entspricht der Kratergeometrie aus der Vermessung im Mai 2019. Die S1 Geometrie zeichnet sich durch einen asymmetrischen Öffnungswinkel aus (~10° auf einer Seite, ~40° auf der anderen Seite). Zusätzlich zu den drei Kratergeometrien wurden unterschiedliche Partikel verwendet (Schlacke und Bims), mit jeweils drei unterschiedlichen Korngrößen (0.125–0.25, 0.5–1 und 1–2mm) und zwei Druckstufen (8 und 15MPa). Die Partikeldynamik, in der Nähe des experimentellen Kraters, wurde anhand der Winkel des Partikelauswurfs und der Geschwindigkeit der Partikel definiert und beschrieben. Dabei wurde festgestellt, dass die Geometrie des Kraters die Richtung und Neigung des Partikelauswurfswinkels und die Geschwindigkeit der Partikel bestimmt. Bei allen Kratergeometrien kam es zu einem asymmetrischen Partikelauswurf und im Falle von Bimspartikeln zudem zu einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung. Die Kombination aus Daten aus Feldkampagnen, Experimenten mit Gas und Experimenten mit zusätzlichen Partikeln zeigte deutlich den starken Einfluss der Kratergeometrie auf Eruptionen. In der Natur, führt eine modifizierte Kratergeometrie zu einem verändertem Auswurfsmuster der Pyroklasten. Im Labor haben komplexe Kratergeometrien zu geneigten Gasstrahlen, asymmetrischen Auswurfswinkeln von Gas- und Gaspartikeln und einer asymmetrischen Verteilung der Geschwindigkeit von Partikeln geführt. Auf Basis dieser Beobachtungen komme ich zu dem Schluss, dass asymmetrische Vulkankrater eine asymmetrische Verteilung von pyroklastischem Auswurf hervorrufen. Das führt zu einer bevorzugten Richtung für vulkanischen Fallout — und falls es zu einer kollabierenden Ausbruchsäule kommt — zu einer bevorzugten Richtung für pyroklastische Ströme. Der technische Fortschritt durch Drohnen, Photogrammmetrie und 3D Druck bietet einige Chancen für die Vulkanologie. Luftaufnahmen durch Drohnen ermöglichen eine schnelle, günstige und sichere Vermessung von Vulkankratern, auch in Zeiten erhöhter Aktivität. Zusammen mit Photogrammmetrie und 3D Druck lassen sich realitätsnahe Kratergeometrien erzeugen, für zunehmend realistische skalierte Laborexperimente.

Abstract

Volcanic eruptions are among the most violent displays of the Earth’s natural forces and threaten human health and infrastructure. Explosive eruptions are hazardous due to their impulsive and dynamic nature, ejecting gas and pyroclasts at high velocity and temperature into the atmosphere. In recent years, monitoring efforts have increased, but forecasting eruptions is still challenging as volcanoes are complex systems with the potential for inherently unpredictable behaviours. To date, the underlying boundary conditions are beyond observation and quantification. Still, they are constrained by physical laws and can be described through models and experiments. The complexity and interdependency of the parameters governing the dynamics of volcanic eruptions ask for increasingly realistic experiments to investigate the sub-surface conditions driving volcanic eruptions. Above the vent, in the near-vent region, the dynamics of explosive eruptions can first be visually observed. The characteristics at this stage are purely the result of the underlying boundary conditions and the exit (vent) geometry. Volcanic vents are rarely the symmetric features that are often assumed in models and experiments. They often exhibit highly irregular shapes with notched or slanted rims that can be transient. To eventually understand the unobservable boundary conditions, it is necessary to initially gain knowledge about the effect of the observable factors (i.e. vent geometry). This knowledge will ultimately improve the understanding of the parameters affecting an explosive event to develop accurate probabilistic hazard maps. To this end, a combination of field observations and laboratory experiments was used. First, I characterised vent and crater shape changes at a frequently erupting volcano (Stromboli) to collect high-resolution geometric data of volcanic vents and observe the related explosion dynamics. As a result of topographic changes, variable eruption intensity, style and directionality could be detected. Five topographic data sets were acquired by unoccupied aerial vehicles (UAVs) over nine months (May 2019-January 2020). During this period, changes associated with "normal" Strombolian activity, "major explosions" and paroxysmal episodes (3 July and 28 August 2019) occurred. Hence, the topographic data made it possible to link the predominant constructive and destructive processes to these eruption styles. Furthermore, the number and position of active vents changed significantly, which is a critical parameter for hazard assessment as vent geometry and position can be linked to shifts in eruptive mechanisms. These field surveys highlight the geometric complexity and variability of volcanic vents at an unprecedented spatiotemporal resolution. Additionally, the observations of explosions suggested the paramount influence of crater and vent geometry on pyroclast ejection characteristics, a fact that has strong implications for areas potentially affected by bomb impact and pyroclastic fall out. Secondly, I designed a series of shock-tube experiments incorporating the geometry elements observed at Stromboli to quantify the influence of vent geometry and several boundary conditions. These experiments validated the link between vent geometry and explosion dynamics that was observed in the field. The novel geometry element is an inclined exit plane of 5°, 15° and 30° slant angle combined with a cylindrical and diverging inner geometry resulting in six vent geometries. All experiments were conducted with gas-only (Argon) at room temperature, four different starting pressures (5, 8, 15, 25 MPa) and two reservoir volumes (127.4 cm3, 31.9 cm3). Despite the vertical setup, the slanted geometry yielded both a laterally variable gas spreading angle and an inclination of the jets. The inner geometry controlled the jet inclination towards the dip direction of the slanted exit plane (cylindrical) and against the dip direction of the slanted exit plane (diverging). Cylindrical vents produced larger gas spreading angles than diverging vents. Both gas spreading angle and jet inclination were highly sensitive to the experimental pressure and the slant angle. They had a positive correlation with maximum gas spreading angle and jet inclination. Additionally, the pressure was positively correlated with the maximum duration of underexpanded characteristics of the jet. The gas volume only showed a positive correlation with the maximum gas spreading angle. Thirdly, I added particles to the experiments to mimic the ejection of gas-particle jets during explosive volcanic eruptions. For this set of experiments, the two geometries with the 30° slant angle from the previous experimental series were used as they exhibited the strongest effect on the gas ejection dynamics. They were supplemented by a third vent that resembled the "real" geometry of Stromboli’s active S1 vent as it was mapped in May 2019 and fabricated by 3D printing. The S1’s geometry is characterised by a ~ 10° divergence on one side and a ~ 40° divergence on the other side. Besides three vent geometries, two types of particles (scoria and pumice), each with three different grain size distributions (0.125– 0.25, 0.5–1, 1–2 mm) and two starting pressures (8, 15 MPa) were used. The near-vent vent dynamics were characterised as a function of particle spreading angle and particle ejection velocity. The vent geometry governed the direction and the magnitude of particle spreading, and the velocity of particles. All geometries yielded asymmetric particle spreading as well as a non-uniform velocity distribution in experiments with pumice particles. The combination of field observations, gas-only and gas-particle experiments demonstrated the prime control exerted by vent geometry. In nature, a modification of the vent led to modified pyroclast ejection patterns. In the laboratory the complex geometries facilitated inclined gas jets, an asymmetric gas and particle spreading angle, and an asymmetric particle ejection velocity distribution. These findings suggest that the asymmetry of volcanic vents and/or craters can promote the asymmetric distribution of volcanic ejecta.Which, in turn, will lead to a preferred direction of volcanic fallout and — in case a column collapse occurs — to a preferred direction of the ensuing pyroclastic density currents. The availability of new technology like unoccupied aerial vehicles, photogrammetry and 3D printing provides several opportunities for the volcanological community. Aerial observations allow a fast, inexpensive and safe way to collect geometrical data of volcanic vents and craters, even in times of elevated volcanic activity. In combination with photogrammetry and 3D printing, "real" vents can be produced for increasingly realistic scaled laboratory experiments.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Explosive volcanic eruption, Jet dynamics, Vent geometry, Crater geometry, Asymmetry, UAV, Photogrammetry, Eruption dynamics, high-speed
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Januar 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Dingwell, Donald Bruce