Viscous flow of magmas from Unzen volcano, Japan [Elektronische Ressource] : implication for magma mixing and ascent = Viskositäten von Magmen des Unzen Vulkans, Japan / von Francesco P. Vetere

Francesco P. Vetere

Informations

• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Viscous flow of magmas from Unzen volcano,
Japan – implication for magma mixing and
ascent


Viskositäten von Magmen des Unzen Vulkans,
Japan – Bedeutung für Magmenmischung und
-aufstieg


Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von

Dipl. Geol. Francesco P.Vetere
Geboren am 30.05.1975 in Cosenza (Italien)

2006




















Prüfungsvorsitz: Prof. Dr. Jürgen Böttcher

Referent: Dr. PD Harald Behrens



Korreferenten: Prof. Robert L. Linnen




Mitglieder der Prüfungskommission: PD Dr. Harald Behrens
Prof. Dr. François Holtz
Prof. Dr. Joachim Deubener (TU Clausthal)


Tag der Promotion: 24.01.2006



Acknowledgements

Thanks to Harald Behrens and François Holtz, for all your help, for introducing
me in this fantastic experimental petrology world, ignored before coming to Hannover.
Thanks Harald especially for the help in the lab, for proposing this subject and for
helping me along the way. I appreciated a lot your time devoted to me and all
knowledge I learned from your experience.

Thanks to Jan Schüßler and Piero Del Gaudio for all your help. Thanks Jan, for
the help, especially in the chemical lab.

Thanks to, Matthias Hann, Kevin Klimm and Antje, Dominich Schreen Kai
Spickenbom, Sandrin Feig Holger Strauß, Roman Botcharnikov, Shigeru Yamashita,
Renat Almeev, Magnus Johansson, Jan Stelling, Elke Schlechter, Oliver Beermann,
Fred Blaine, Veerle Vanacker, Regina Kappes, Sara Fanara, Paola Donato, Valeria
Misiti

Thanks to Marcus Nowak, Jürgen Köpcke Friedhelm von Blanckenburg, ,Ronny
Schönberg. All of your suggestions were appreciated.

Thanks to Willy, Otto and Bettina and all other guys working there. How many
ovens I destroyed?

Antje Wittemberg, Eule You were great during this time.

I appreciated a lot the help given to me by Miriam Haack, Hella Wittmann and
Kevin Norton in correcting this thesis in good English.

Thanks to Pascal Richet and Daniel Neuville that gave me the possibility to work
in their lab in Paris.

Thanks to Hiroaky Sato for his jewels suggestions

Grazie a Guido Ventura e Rosanna De Rosa per avermi dato la possibilitá di
lavorare qui ad Hannover.

A special thanks to all the people I want to thanks but I forget right now. I
apologize for that. Thanks!

Un grazie alla mia famiglia per il supporto datomi durante questi anni. Grazie a
mia mamma Lina, al mio papà Silvio alla mia sorellina Annarita e a mio fratello
Marcello.

Un sentito grazie a Licia, Enrico, Pier, Francesca e David per aver “sopportato”
la mia mogliettina durante la mia assenza.

Infine, ma non per ultima, voglio ringraziare mia moglie Stephanie per la
pazienza e per tutto lo stress sopportato a causa della mia assenza. Spero di poter
rimediare e magari recuperare tutto il tempo perduto. Se sono riuscito in questa non
facile impresa è sopratutto grazie a te. Grazie di cuore per essermi stata sempre vicina.
I
Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Viskosität andesitischer
Schmelzen und Magmen. Insbesondere richtet sich die Aufmerksamkeit auf
Magmenzusammensetzungen des Vulkans Unzen (Japan), um magmatische Prozesse
während der letzten Eruption 1991-1995 besser zu verstehen. Diese Eruption wurde
wahrscheinlich durch Mischung eines felsischen und eines andesitischen Magmas
ausgelöst.
Im Gegensatz zu bereits detaillierter untersuchten felsischen (rhyolitischen) Magmen
gibt es bisher für mafische, wasserhaltige Schmelzen mit andesitischer oder basaltischer
Zusammensetzung noch keine umfassenden Modelle zur Vorhersage deren
Viskositäten. Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts zur Untersuchung der prä-
eruptiven Bedingungen und der Ursachen der Eruption von 1991-1995 des Vulkans
Unzen.
Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf experimentelle Untersuchungen
an einer Fe-freien synthetischen Schmelzzusammensetzung, die der des Unzen Andesits
entspricht, wobei jedoch das in der natürlichen Zusammensetzung enthaltene Eisen im
synthetischen Analogon durch entsprechende Anteile an Al, Ca und Mg ersetzt wurden.
Die Verwendung Fe-freier Schmelzen vereinfacht experimentelle Untersuchungen, u.a.
weil dadurch eine Kristallisation von Fe-Ti-Oxiden vermieden wird. Die Viskositäten
1 6Fe-freier andesitischer Schmelzen wurde im Bereich hoher Viskositäten (10 -10 Pa ⋅s)
unter Verwendung der „falling sphere(s)“-Methode bestimmt und im Bereich niedriger
8 13Viskositäten (10 -10 Pa ⋅s) mittels eines „parallel-plate“- Viskosimeters gemessen. Bei
der „falling sphere(s)“-Methode wird der Zusammenhang zwischen der
Absinkgeschwindigkeit von Platin-, Palladium- oder Korund-Kugeln in Schmelzen und
II
deren Viskosität zur Bestimmung von Schmelz-Viskositäten genutzt. Aus den
gewonnen Daten wurde ein Modell zur Vorhersage der Viskosität in Abhängigkeit von
Wassergehalt und Temperatur entwickelt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Viskositäten einer Fe-haltigen Schmelze mit
einer Zusammensetzung ähnlich der eines Unzen Andesits mit den gleichen
experimentellen Methoden bestimmt, mit denen auch die Fe-freien Andesite untersucht
wurden. Insbesondere wurde der Einfluss des Redoxzustands von Eisen in der Schmelze
auf die Viskosität untersucht. Anhand der gewonnen Erkenntnisse über den Einfluss
von Wasser und Temperatur auf die Viskosität Fe-freier Schmelzen und den Einfluss
des Eisen-Redoxzustandes, wurde ein neues Modell zur Beschreibung der Viskosität ( η
in Pa ⋅s) in Abhängigkeit von Temperatur T (in K), Wassergehalt w (in Gew%) und
2+Eisen-Redoxverhältnis Fe /Fe entwickelt: tot
 
 
8530.8 1845.1 196.1  w  log η = −5.72 + + *exp *exp − 452.5*  
2 + ()T − 59.8()T − 650.6 T Fe    *T   Fe  tot  
Die Anwendung der gewonnen Viskositätsdaten auf das vulkanische System des Unzen
zeigt, dass die Viskositäten der rhyolitischen und andesitischen Schmelzen vor und
während der Mischung nahezu identisch sind. Dies ermöglicht eine effiziente
Magmenmischung und könnte die beobachtete homogene Zusammensetzung der
Grundmasse der vulkanischen Gesteine des Unzen erklären.
Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt die Viskosität Kristall-führender
9.5 12andesitischer Magmen, die im Bereich hoher Viskositäten (10 -10 Pa ⋅s) und
3 3.5niedriger Viskositäten (10 -10 Pa ⋅s) untersucht wurden. Im Bereich hoher
Viskositäten wurde eine „creep“-Apparatur für die Messungen unter Atmosphärendruck
im Temperaturbereich zwischen 779 -1028 K verwendet. Ausgangsmaterialien für diese
III
Messungen waren wasserhaltige Proben (0.8 und 3.8 Gew% HO), die unter 2
Hochdruckbedingungen vorbehandelt wurden, was zur Teilkristallisation führte (21 bis
38 Vol% Kristalle). „Falling sphere“-Experimente wurden in einer intern beheizten
Gasdruckanlage (IHPV) bei einem Druck von 300 MPa und Temperaturen zwischen
1373 und 1523 K an Proben mit Wassergehalten von 0.52, 2.98 und 4.02 Gew% H O 2
durchgeführt. In diesen Experimenten wurden den Proben Zirkon-Kristalle zugegeben,
welche nur eine sehr geringe Löslichkeit in der andesitischen Schmelze bei hoher
Temperatur besitzen. So bleibt das gewählte Kristall/Schmelze-Verhältnis in der Probe
während der Messungen konstant. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl im Bereich
niedriger als auch im Bereich hoher Viskositäten, die gemessenen Viskositäten höher
sind als von der Einstein-Roscoe-Gleichung vorhergesagt wird, die häufig zur
Berechnung von Magmenviskositäten verwendet wird. Die Viskosität eines Magmas
mit 20 Vol% Kristallanteil und 4.02 Gew% H O in der Schmelze kann bis zu einer log-2
Einheit höher sein als von der Einstein-Roscoe-Gleichung vorhergesagt wird.

Schlagworte: Viskosität, Magma, Unzen

















IV
Abstract

The objective of this is work the study of the viscosity of andesitic melts and
magmas. Particular attention is given to compositions from Unzen volcano (Japan) to
understand magmatic processes occurring during the last eruption in 1991-1995. This
eruption was probably caused by mixing between a felsic and an andesitic magma. In
contrast to widely studied felsic melts (rhyolite), there is no comprehensive model to
predict the viscosity of mafic hydrous melts such as