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Il ruolo del flusso bifase nelle eruzioni esplosive basaltiche: modellazione sperimentale della risalita e dell’esplosione di bolle di gas nei condotti vulcanici.
E. Del Bello, J. Taddeucci, E. Llewellin, S. Lane, P. Scarlato
La modalità in cui avviene il degassamento magmatico costituisce un fattore determinante sullo stile eruttivo, specialmente in vulcani in cui la bassa viscosità del magma permette un più facile allontanamento della fase gassosa. Nei vulcani basaltici l’attività eruttiva può variare da lenta effusione di lave fino a violente eruzioni esplosive (Parfitt and Wilson, 1995). Stromboli, con la sua attività persistente, costituisce un laboratorio naturale per comprendere meglio come si verificano tali transizioni di stile e intensità. Inoltre la presenza di una fitta rete di monitoraggio multidisciplinare permette di raccogliere informazioni sulle dinamiche subsuperficiali.
Stromboli, eruzione marzo 2007
(foto di P. Scarlato)
Il modello fisico generale che è oggi maggiormente accettato per spiegare l’attività persistente a Stromboli prevede la risalita di grosse porzioni di gas (slugs) in un magma pressoché stagnante all’interno del condotto vulcanico. Tale modello, benchè non privo di semplificazioni, è in grado di spiegare la portata delle variazioni volumetriche misurate durante gli eventi VLP (Chouet et al., 2003), se si assume l’esistenza di una variazione geometrica del condotto. (James et al, 2006).
Recenti osservazioni dell’attività esplosiva, realizzate attraverso riprese video ad alta velocità, hanno tuttavia messo in luce la complessità dei processi che avvengono nella porzione sommitale del sistema vulcanico. Tali variazioni si osservano nell’ambito di una singola eruzione esplosiva, e pertanto indicano l’esistenza di altri processi che determinano tali variazioni a piccola scala. L’obiettivo di questo progetto di ricerca è quello di definire le dinamiche legate alla risalita di slug nella porzione superficiale di un sistema vulcanico (parte sommitale del condotto + cratere), attraverso la simulazione in laboratorio della risalita di gas in un condotto cilindrico. L’obiettivo principale è quello di definire i parametri che operano principalmente nel condotto e che possono avere conseguenze dirette sui processi eruttivi osservati. Inoltre si vuole investigare l’effetto delle proprietà del magma (viscosità e tenore in cristalli) sulla risalita, crescita, coalescenza e rottura delle bolle di gas. L’approccio sperimentale analogico permette di identificare fenomeni complessi che non è possibile simulare attraverso l’utilizzo della simulazione numerica, nonostante sussistano problemi nel trasferire le osservazioni di laboratorio alla scala dei flussi magmatici.
Durante il primo anno di attività è stato sviluppato un set-up sperimentale e sono stati eseguiti esperimenti di risalita di slug in semplici modelli di condotti vulcanici. Lo scopo di questi esperimenti preliminari è stato quello di convalidare gli i risultati sperimentali con modelli di cui è possibile ricavare una soluzione analitica, e di esplorare l’effetto della viscosità e del diametro del condotto sulla forma e sulla risalita del gas in condizioni idrostatiche. Il primo risultato interessante è che la variazione di pressione indotta da uno slug in risalita è essenzialmente legata ad un parametro geometrico che è governato dalla viscosità del liquido e dal diametro del condotto (guarda un esperimento).
Attività programmata per il secondo anno
Nella seconda fase del progetto si sta procedendo alla messa a punto di un dispositivo sperimentale che riproduca le condizioni ipotizzate per un flusso bifase in un condotto basaltico. L’obiettivo principale è quello di indagare le dinamiche superficiali di risalita ed esplosione degli slugs. Il set-up sperimentale è costituito da un cilindro trasparente connesso a un sistema di iniezione di gas a pressione e volumi controllati. Gli esperimenti saranno osservati e registrati attraverso sistemi di video-acquisizione ad alta velocità per la valutazione della deformazione della fase gassosa (velocità di risalita, variazioni di dimensione, forma). Attraverso trasduttori di pressione, e sensori per le emissioni acustiche posizionati all’interno dell’apparato saranno acquisiti dati sulle dinamiche di esplosione delle bolle e frammentazione del continuum liquido alla superficie.
Collaboratori esterni
Ed Llewellin, Durham University
Steve Lane, Lancaster University
La modalità in cui avviene il degassamento magmatico costituisce un fattore determinante sullo stile eruttivo, specialmente in vulcani in cui la bassa viscosità del magma permette un più facile allontanamento della fase gassosa. Nei vulcani basaltici l’attività eruttiva può variare da lenta effusione di lave fino a violente eruzioni esplosive (Parfitt and Wilson, 1995). Stromboli, con la sua attività persistente, costituisce un laboratorio naturale per comprendere meglio come si verificano tali transizioni di stile e intensità. Inoltre la presenza di una fitta rete di monitoraggio multidisciplinare permette di raccogliere informazioni sulle dinamiche subsuperficiali.
Stromboli, eruzione marzo 2007
(foto di P. Scarlato)
Il modello fisico generale che è oggi maggiormente accettato per spiegare l’attività persistente a Stromboli prevede la risalita di grosse porzioni di gas (slugs) in un magma pressoché stagnante all’interno del condotto vulcanico. Tale modello, benchè non privo di semplificazioni, è in grado di spiegare la portata delle variazioni volumetriche misurate durante gli eventi VLP (Chouet et al., 2003), se si assume l’esistenza di una variazione geometrica del condotto. (James et al, 2006).
Recenti osservazioni dell’attività esplosiva, realizzate attraverso riprese video ad alta velocità, hanno tuttavia messo in luce la complessità dei processi che avvengono nella porzione sommitale del sistema vulcanico. Tali variazioni si osservano nell’ambito di una singola eruzione esplosiva, e pertanto indicano l’esistenza di altri processi che determinano tali variazioni a piccola scala. L’obiettivo di questo progetto di ricerca è quello di definire le dinamiche legate alla risalita di slug nella porzione superficiale di un sistema vulcanico (parte sommitale del condotto + cratere), attraverso la simulazione in laboratorio della risalita di gas in un condotto cilindrico. L’obiettivo principale è quello di definire i parametri che operano principalmente nel condotto e che possono avere conseguenze dirette sui processi eruttivi osservati. Inoltre si vuole investigare l’effetto delle proprietà del magma (viscosità e tenore in cristalli) sulla risalita, crescita, coalescenza e rottura delle bolle di gas. L’approccio sperimentale analogico permette di identificare fenomeni complessi che non è possibile simulare attraverso l’utilizzo della simulazione numerica, nonostante sussistano problemi nel trasferire le osservazioni di laboratorio alla scala dei flussi magmatici.
Durante il primo anno di attività è stato sviluppato un set-up sperimentale e sono stati eseguiti esperimenti di risalita di slug in semplici modelli di condotti vulcanici. Lo scopo di questi esperimenti preliminari è stato quello di convalidare gli i risultati sperimentali con modelli di cui è possibile ricavare una soluzione analitica, e di esplorare l’effetto della viscosità e del diametro del condotto sulla forma e sulla risalita del gas in condizioni idrostatiche. Il primo risultato interessante è che la variazione di pressione indotta da uno slug in risalita è essenzialmente legata ad un parametro geometrico che è governato dalla viscosità del liquido e dal diametro del condotto (guarda un esperimento).
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"Slug” in risalita in un condotto riempito di acqua. Diametro del condotto 8 cm, altezza 200 cm |
 Variazione della forma dello slug in relazione alla viscosità del liquido. Da sinistra: olio (~0.05 Pa s), sapone liquido (~0.3 Pa s), acqua (~0.001 Pa s). La variazione di forma appare più spiccata nella
regione di “coda” dello slug |
Nella seconda fase del progetto si sta procedendo alla messa a punto di un dispositivo sperimentale che riproduca le condizioni ipotizzate per un flusso bifase in un condotto basaltico. L’obiettivo principale è quello di indagare le dinamiche superficiali di risalita ed esplosione degli slugs. Il set-up sperimentale è costituito da un cilindro trasparente connesso a un sistema di iniezione di gas a pressione e volumi controllati. Gli esperimenti saranno osservati e registrati attraverso sistemi di video-acquisizione ad alta velocità per la valutazione della deformazione della fase gassosa (velocità di risalita, variazioni di dimensione, forma). Attraverso trasduttori di pressione, e sensori per le emissioni acustiche posizionati all’interno dell’apparato saranno acquisiti dati sulle dinamiche di esplosione delle bolle e frammentazione del continuum liquido alla superficie.
 In a) velocità di risalita degli slug in funzione del volume iniziale di gas iniettato. La velocità non varia in funzione del volume di gas ed è minore per viscosità elevate. In condizioni di condotto chiuso, la velocità di risalita appare costante. In b) variazione della velocità di risalita con il diametro del condotto. Per piccoli diametri la velocità diminuisce progressivamente con l’aumento della viscosità. Ciò non è rispettato per diametri maggiori (8 cm) indicando un possible cambiamento nel regime di flusso. |
Collaboratori esterni
Ed Llewellin, Durham University
Steve Lane, Lancaster University
