Comprendere cosa succede nel condotto vulcanico dell’Etna durante le eruzioni, analizzando la composizione della cenere eruttata nel dicembre 2015. È quanto si prefigge lo studio condotto dall’INGV, recentemente pubblicato su Scientific Report di Nature

 

La composizione della cenere vulcanica rappresenta un potente strumento per svelare i dettagli delle dinamiche eruttive dell’Etna. Cercare di capire cosa avviene nel suo condotto vulcanico, durante ogni singola eruzione parossistica, e tracciare i movimenti del magma, durante l’intero periodo eruttivo, permettono di fornire informazioni dirette sulle proprietà del magma stesso. Sono i risultati dello studio Magma dynamics within a basaltic conduit revealed by textural and compositional features of erupted ash: the December 2015 Mt. Etna paroxysms, condotto da un team di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) della sezione di Pisa. Il lavoro è stato recentemente pubblicato su Scientific Report di Nature  

(www.nature.com/articles/s41598-017-05065-x).

“Sono stati analizzati i dati relativi ai quattro violenti episodi esplosivi che hanno interessato il cratere più antico dell’Etna, Voragine, nel dicembre 2015”, afferma Massimo Pompilio, ricercatore INGV e primo autore della pubblicazione. “Le colonne eruttive (alte fino a 15 km s.l.m.) prodotte da questa attività parossistica, hanno emesso ceneri a una distanza anche di 100 km dal vulcano”.

I prodotti dei quattro eventi esplosivi sono stati campionati sui fianchi dell’Etna a una distanza variabile tra i 6 e i 14 km dal cratere.

“In particolare è stata analizzata la tessitura (contenuto, abbondanza, forma e dimensioni dei minerali, bolle) dei clasti (prodotti vulcanici) con dimensioni comprese tra 0.25 e 1 mm e la composizione chimica del fuso magmatico (vetro)”, prosegue Pompilio.

I frammenti di cenere di queste dimensioni, infatti, si raffreddano molto velocemente e forniscono informazioni preziose sulle proprietà fisiche e chimiche del magma al momento dell’eruzione.

“Un po’ come re-incollare i vari frammenti (rappresentati in questo caso dalla cenere) per capire come era fatto il vaso prima di rompersi (il magma nel condotto)”, spiega il ricercatore dell’INGV.

Le analisi e le misure sono state realizzate con microscopi ottici ed elettronici a scansione (SEM) collegati a un sistema di microanalisi in grado di eseguire misure su porzioni di clasto dell’ordine di pochi micron.

“I risultati ottenuti”, aggiunge ancora Pompilio, “non solo hanno permesso di comprendere cosa succede nel condotto vulcanico durante ogni singola eruzione parossistica, ma anche di tracciare i movimenti del magma durante l’intero periodo eruttivo. Da qui la dimostrazione che all'interno del condotto coesistono sia un magma povero in gas e ricco di piccoli cristalli (<100 micron), detti microliti, sia un magma povero di microliti e più ricco di gas”.  

La quantità e la forma dei microliti, insieme alla composizione del vetro, hanno un forte controllo sulla viscosità del magma stesso.

“Nel lavoro si ipotizza che la dinamica delle eruzioni e, in particolare, la transizione tra attività stromboliana a bassa energia, tipica dell’attività sommitale dell’Etna, e queste fasi parossistiche, che producono colonne sostenute di km di altezza, possa essere modulata dalle proporzioni relative all'interno del condotto fra magma molto cristallino e ad alta viscosità e magma poco cristallino e più fluido”, continua il ricercatore.

La prevalenza del magma ricco in microliti favorisce la frammentazione di tipo fragile e  produce colonne eruttive più alte. In questo processo, il magma, più ricco in gas ma povero di microliti, fa da propellente all’eruzione.

“Gli studi tessiturali e composizionali della cenere vulcanica rappresentano un potente strumento per svelare i dettagli delle dinamiche eruttive in quanto forniscono informazioni dirette sulle proprietà del magma. Informazioni complementari a quelle ottenute dai metodi di monitoraggio geofisico (sismicità o deformazioni del suolo) e geochimico (composizione dei gas) che, pur registrando il movimento del magma verso la superficie, non sono comunque in grado di definirne la natura fisica e la composizione”, conclude Pompilio.  

 

Abstract

Magma dynamics within a basaltic conduit revealed by textural and compositional features of erupted ash: the December 2015 Mt. Etna paroxysms 

Massimo Pompilio, Antonella Bertagnini, Paola Del Carlo, Alessio Di Roberto, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Pisa (Italy)

In December 2015, four violent explosive episodes from Mt. Etna's oldest summit crater, the Voragine, produced eruptive columns extending up to 15 km a.s.l. and significant fallout of tephra up to a hundred km from the vent. 

A combined textural and compositional study was carried out on pyroclasts from three of the four tephra deposits sampled on the volcano at 6 to 14 km from the crater. Ash fractions (Φ=1-2) were investigated because these grain sizes preserve the magma properties unmodified by post-emplacement processes. Results were used to identify processes occurring in the conduit during each single paroxysm and to understand how they evolve throughout the eruptive period.

In particular we evidenced that in the studied paroxysms there is always the contemporaneous occurrence within the conduit of a high viscosity portion with a variable content of microlite and a less viscous volume of microlite-free, gas-rich magma.

During each single episode these heterogeneities can develop in few tens of hours. The time scale for the total refilling of the system and the renewal of magma is in the same order of magnitude (e.g. 30 hours between episode 1 and 2).

The composition of these magma batches changes in time and becomes progressively more evolved, as deeper crystallizing storage of magma are tapped. This behaviour, though not unusual in Mt. Etna's shallow plumbing system, is markedly different from those proposed for some recent summit explosive activity on the basis of bulk chemistry.

Our analysis also confirms that the amount and shape of microlites, together with melt composition, have a strong control on rheological properties. 

On this basis, we suggest that the transition between weak intracrater Strombolian activity and paroxysmal phases with km-high sustained columns, could be related to relative proportions within the conduit between high (microlite-rich) and low (microlite poor-gas rich) viscosity portions.

As shown in previous explosive eruptions of Mt. Etna, the ratio between these two components control fragmentation style and plume height. The prevalence of a crystalline volume favours brittle fragmentation and higher column heights. Nevertheless, the gas-rich microlite-free magma batches play an essential role because propel the explosive eruptions. 

This work confirms that ash studies represent a powerful tool for unravelling the details of eruption dynamics. Combined textural and compositional investigations of ash, whose time of the eruption is well known, are crucial in this respect. Our results also indicate that compositional information from a single ash component can be misleading and that all components should be analysed in order to gain detailed information on magmatic columns and the development of eruptive processes. We also wish to stress that bulk chemistry, traditionally employed for petrological monitoring, may not be very informative in the analysis of such phenomena. 

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Foto 1: Clasto di cenere (dimensioni ~100 micron) visto al microscopio elettronico a scansione (SEM). Il clasto ha un aspetto fluidale, legato alla bassa viscosità del magma.

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Foto 2: Clasti di cenere visti al microscopio elettronico a scansione (la scala è in basso a sinistra). I clasti hanno forme diverse legate alla differente viscosità del magma. I clasti squadrati con forma regolare rappresentano porzioni magma più viscose, quelli sferici o con superfici fluidali rappresentano porzioni di magma meno viscose.

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