Kristallisation und Entgasung während strombolianischer Eruptionen: Eine numerische Modellstudie

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Hort
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419319298

Das Interesse der Menschheit an Vulkanausbrüchen ist wohl so alt wie sie selbst, da diese auf der einen Seite der Landwirtschaft sehr fruchtbare Böden bereitstellen und somit die Ansiedlung in der Nähe von Vulkanen fördern. Zudem stellen sie eines der faszinierendsten Naturwunder dar, was sie heutzutage zu bedeutenden Anziehungspunkten für Touristen macht. Auf der anderen Seite fordern sie Menschenleben, zerstören Infrastruktur und beeinträchtigen das lokale und globale Klima. Das Verstehen und Abwenden der Gefahren vulkanischer Aktivität sind daher große gesellschaftliche Aufgaben. Mit diesem Antrag widmen wir uns einem der zentralen Aspekte vulkanischer Aktivität, dem Transport des Magmas durch den Vulkanschlot im Vorwege eines Ausbruchs, mittels einer detaillierten Modellierungsstudie. Wir konzentrieren uns insbesondere auf strombolianische Eruptionen, da sie häufig und einfach aus sicherer Entfernung zu beobachten sind, sowie für sie viele Datensätze zur Validierung numerischer Modelle bestehen. Modelle für strombolianische Explosionen, die Eruption von Pyroklastika und vulkanischen Gasen einschließend, fordern den Aufstieg von großen "gas slugs" (schlotfüllenden Gasblasen, deutlich länger als breit) im Schlot, welche einen gewissen Überdruck aufweisen. Das passive Ausgasen zwischen derartigen Eruptionen wird derzeit durch eine Zweiphasenkonvektion im Schlot erklärt. Egal welches Model man betrachtet, einer der grundlegendsten Einflussfaktoren auf sein Verhalten ist die Rheologie des Magmas als Schmelze/Kristall/Blasen-Mischung. In unserem Modell werden die rheologischen Eigenschaften des Magmas während der Laufzeit direkt aus einem thermodynamischen Modell bestimmt, welches die Abkühlung/Entgasung/Kristallisation des Magmas während des Transports durch den Schlot im Ungleichgewicht berücksichtigt.Unter Verwendung der genauen Zusammensetzung, sowie des Blasen- und Kristallanteils, nutzen wir aktuelle Modelle zur Bestimmung der Viskosität eines solchen Dreiphasensystems. Dieses rheologische Modell fließt dann in eine numerische Strömungsdynamik-Simulation ein um die Slug- und Konvektionsregime zu untersuchen. Die Parameter werden entsprechend der Zusammensetzung/Temperatur von Magma des Stromboli (Italien) gewählt. Die zentralen Fragen, welche dieses Projekt zu beantworten sucht, umfassen: 1) Wie beeinflusst die Rheologie den Aufstieg von Gas-Slugs? 2) Gibt es rheologische Regime, die das Auftreten von Blasenketten fördern, welche aufeinanderfolgende Eruptionspulse erklären würden? 3) Wie ändern sich Transportprozesse im Schlot, wenn dieser nicht als starres Rohr, sondern als Wärmeanomalie im Vulkangebäude modelliert wird? 4) Wie beeinflusst Reaktionskinetik (thermodyn. Ungleichgewicht) die Transportprozesse? Beobachtungen der Aktivität des Stromboli, wie Auswurfgeschwindigkeiten, Anzahl der Pulse je Eruption, Entgasungsraten und Kristallanteil im Auswurfmaterial, werden bei der Validierung der Modellierungsergebnisse Verwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Schweiz, USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Francois Holtz, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Dr. James Connolly, Ph.D.; Professor Mark Ghiorso; Professor Dr. Michael James