ALBERT

Description: Multiphase flow in basaltic volcanic conduits is investigated using analog experiments and theoretical approaches. Depending on gas supply, large gas bubbles (gas slugs) may rise through basaltic magma in regimes of distinct fluid‐dynamical behavior: ascent of single slugs, supplied slugs fed from the gas source during ascent, and periodic slug flow. An annular flow regime commences at the highest gas supply rates. A first set of experiments demonstrates that the growth of gas slugs due to hydrostatic decompression does not affect their ascent velocity and that excess pressure in the slugs remain negligible. The applicability of theoretical formulae describing slug ascent velocity as a function of liquid and conduit properties is evaluated in a second set of experiments. A third set of experiments with continuous gas supply into a cylindrical conduit are scaled to basaltic conditions over Morton, Eotvös, Reynolds, and Froude numbers. Gas flow rate and liquid viscosity are varied over the whole range of flow regimes to observe flow dynamics and to measure gas and liquid eruption rates. Foam generation by slug bursting at the surface and partial slug disruption by wake turbulence can modify the bubble content and size distribution of the magma. At the transition from slug to annular flow, when the liquid bridges between the gas slugs disappear, pressure at the conduit entrance drops by ∼60% from the hydrostatic value to the dynamic‐flow resistance of the annular flow, which may trigger further degassing in a stored magma to maintain the annular flow regime until the gas supply is exhausted and the eruption ends abruptly. Magma discharge may also terminate when magma ascent is hindered by wall friction in long volcanic conduits and the annular gas flow erodes all magma from the conduit. Supplied slugs are found to reach much higher rise velocities than unsupplied slugs and to collapse to turbulent annular flow upon bursting at the surface. A fourth set of experiments uses a conduit partially blocked by built‐in obstacles providing traps for gas pockets. Once gas pockets are filled, rising gas slugs deform but remain intact as they move around obstacles without coalescence or significant velocity changes. Bursting of bubbles coalescing with trapped gas pockets causes pressure signals at least 3 orders of magnitude more powerful than gas pocket oscillation induced by passing liquid. Our experiments suggest a refined classification of Strombolian and Hawaiian eruptions according to time‐dependant behavior into sporadically pulsating lava fountains (driven by stochastic rise of single slugs), periodically pulsating lava fountains (resulting from slug flow), and quasi‐steady lava fountains (oscillating at the frequency of annular‐flow turbulence).

Description: The intention of our study was to gain new insight into the complex interplay between different types of eruption of the Stromboli volcano by combining detailed field observation with different geophysical methods. We recorded more than 600 eruptions by use of continuous Doppler radar measurements. We detected the onset of the seismic precursor and the beginning of the visible eruption by use of seismic and infrared data. Two soil samples per day were used to monitor the effect of humidity on the eruptive style. We mapped the crater region as a reference base for the long-term morphological changes of the active region and for the exact positions of our measurement systems. Two distinct types of eruption were distinguished from each other on the basis of seismic and radar data – short, wide-angle Strombolian explosions and pulsating, sharp angle fountain-like eruptions. Data and visual observations imply that weather conditions significantly effect volcanic activity. We also interpret the intensification of eruptive activity during our field study as replenishment of the reservoir with a new batch of magma in late September 2000.

Description: Die kontinuierliche Aktivität basaltischer Vulkane an vielen Stellen der Erde produziert den Haupteil der globalen vulkanischen Masseneruptionsrate. Bei diesen Eruptionen bildet Magma mit der entmischten Gasphase eine homogene Zweiphasenströmung, wenn die Volatilsättigungstiefe relativ gering und die Aufstiegsrate des Magmas höher als die Beweglichkeit der Gasblasen ist. In niedrigviskosem Magma (μ 〈 500 Pa s) hingegen bewirkt die Beweglichkeit der Gasblasen eine separate Zweiphasen-Strömung, insbesondere wenn die Entgasung bereits in großer Tiefe beginnt (z.B. C02). Gasblasen können am Dach einer oberflächennahen Magmakammer akkumulieren und eine gasgetriebene Eruption auslösen, vorausgesetzt daß die Rate der Gasanreicherung den Verlust durch stille Entgasung ins Nebengestein übersteigt. Die Massenbilanz von extrudierter Lava zu Gasemission wird bei solchen gasgetriebenen Eruptionen vollständig vom Volatilenbudget des austretenden Magmas entkoppelt. Gaseruptionsraten werden nicht mehr durch Rekonstruktion des präeruptiven Volatilengehalts bilanzierbar. Stattdessen reguliert die Mischungskapazität der Zweiphasenströmung im Schlot dann die Massenbilanz. In der vorliegenden Arbeit wurden theoretische Strömungsmodelle für den separaten Gas-Magma Aufstieg entwickelt und das typische Eruptionsverhalten beschrieben. In skalierten Experimenten wurden die theoretischen Modelle bestätigt. Eine neue strömungsdynamisch fundierte Unterteilung basaltischer Eruptionstypen in • sporadisch pulsierende Fontäneneruption, • periodisch pulsierende Fontäneneruption und • stationäre Fontäneneruption wird statt der bisherigen Unterteilung in Strombolianische Explosionen und Hawaiianische Lavafontänen vorgeschlagen. Typisch für den Stromboli ist die sporadisch pulsierende Fontäneneruption, verursacht durch diskrete Großblasen (Slugs), die durch Verdampfung externen Wassers gebildet werden. Bei periodisch pulsierenden Fontäneneruptionen bricht die kontinuierliche Gaszufuhr in eine Zweiphasenströmung mit periodischen Folgen von Großblasen und Magma auf (Slug-Flow-Regime). Oberflächennahe, pulsierende Stösse magmatischer Fragmentierung in kurzen, regelmäßigen Zeitabständen resultieren aus dem periodischen Kollaps der Slugblasen. Steigerung der Gasfreisetzungsrate führt mit kontinuierlichem Übergang zur stationären Fontäneneruption mit annularem Strömungsregime im Schlot. Das Magma wird im Schlot zu Partikeln fragmentiert, die von der kontinuierlichen Gasphase mitgeführt werden. Der Strömungswiderstand der Zweiphasen-strömung wirkt an Stelle des lithostatischen Druckgradienten auf die Magmakammer. Der Druckgradient sinkt auf 1/3 des lithostatischen Wertes. Volatil-Übersättigung und beschleunigte Entgasung sind die Folge. Die Eruption endet abrupt, sobald die Gaszufuhr zur Aufrechterhaltung des Strömungsregimes nicht mehr ausreicht. Bildet die separate Gasphase eine ausgedehnte Gastasche in der Magmakammer, und überschreitet der sich entwickelnde Auftriebsdruck die Bruchfestigkeit des Vulkangebäudes, kollabiert die Gastasche in das sich öffnende Spaltensystem. Es entwickelt sich ein Supplied Slug, eine Riesenblase, die ständig von einem Gasstrom aus der Tiefe gespeist wird. Der Blasenkopf erreicht im offenen Schlot um eine Größenordnung höhere Geschwindigkeiten als bei fehlender Gaszufuhr (Unsupplied Slug). Die auflastende Magmasäule wird effusiv in der Art eines Kolbens ausgestossen. Öffnet sich die Blase, entwickelt sich ein annulares Strömungsregime mit stationärer Fontäneneruption. Dieser Vorgang wird als Auslöser der Pu'u O'o Eruptionsserie am Kilauea angesehen. Experimente mit kontinuierlicher Gaszufuhr zeigen eine Abhängigkeit der eruptiven Massenbilanz vom Strömungsregime, der Viskosität des Magmas, dem Mischungsgrad zwischen beiden Phasen, aber auch sehr stark von der Reibung im Schlotsystem. Im Slug-Flow-Regime wird das Magma durch die Blasenbewegung und das Längenwachstum der Slugblasen transportiert. Das Massenverhältnis von Flüssigkeit zu Gas sinkt mit steigender Viskosität. Die Experimente zeigen deutlich, daß die zylindrische Struktur der Slugblase und die Entwicklung eines runden, zentralen Strömungskanals weitgehend unabhängig von der äußeren Geometrie sind. Die Transportkapazität der Gasströmung begrenzt die Magmaförderrate im annularen Strömungsregime, so daß das Massenverhältnis von Partikeln zu Gas auf 50 〈 k 〈 80 eingegrenzt wird. In den Experimenten war k zusätzlich von der Reibung im magmatischen Fördersystem abhängig. Die Viskosität erhöht die Reibung und verringert k. Alle Experimente weisen daraufhin, daß vulkanischer Tremor durch Druckschwingungen entsteht, die aus Blasenbildungsprozessen herrühren, und das Frequenzspektrum des Tremors in typischer Weise mit dem Strömungsregime variiert. Slug-Flow erzeugt ein stark verrauschtes Signal, das in periodischen Abständen von den steilen Transienten der Slugbildung unterbrochen wird. Annulares Strömungsregime induziert eine Schlotresonanz mit starker Fluktuation der Resonanzfrequenz durch die turbulenten Schwankungen des Mischungsverhältnisses. Beim Aufstieg diskreter Slugblasen entwickelten sich in den Experimenten tieffrequente Druckschwingungen (〈 1 Hz). Wird die Blase als impulsangeregte Gasfeder aufgefaßt, die mit der Magmaauflast zum Schwingen angeregt wird, läßt sich ein quantitativer Zusammenhang zwischen der experimentellen Druckoszillation und Breitbandaufzeichnungen des natürlichen Tremors am Stromboli Vulkan finden. Drastische Druckverringerung in der Magmasäule während der negativen Amplitude der Schwingung führt zur oberflächennahen Freisetzung von Volatilen und so zu den sporadisch pulsierenden Fontäneneruptionen des Stromboli. Magmatransport auf der Grenzfläche der aufsteigender Blasen induziert starke, vertikale Konvektion im Schlot und sättigt die anstehende Magmasäule langfristig mit Volatilen. Erstmalig wurde die Radar-Doppler-Technik für in situ Geschwindigkeitsmessungen vulkanischer Ejekta von uns am Stromboli eingesetzt. Die neue Technik erwies sich als gut geeignet für den Aufbau eines Meßsystems zur dreidimensionalen, zeitlich und ortsaufgelösten Geschwindigkeitsanalyse der Eruptionsfontäne. In Kombination mit seismischen Messungen ist dies ein wesentlicher Schritt zu einem besseren Verständnis des Eruptionsdynamik.