A model of volcanic explosions at Popocatépetl volcano (Mexico) [Elektronische Ressource] : Integrating fragmentation experiments and ballistic analysis / Miguel Angel Alatorre Ibargüengoitia. Betreuer: Donald Bruce Dingwell

Miguel Angel, Alatorre Ibarguengoitia

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Extrait

A model of volcanic explosions at
Popocatépetl volcano (Mexico):
Integrating fragmentation
experiments and ballistic analysis



Miguel Angel Alatorre Ibargüengoitia



















München 2011








A model of volcanic explosions at
Popocatépetl volcano (Mexico):
Integrating fragmentation
experiments and ballistic analysis


Miguel Angel Alatorre Ibargüengoitia










Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
an der Fakultät für Geowissenschaften
der Ludwig-Maximilians-Universität
München



vorgelegt von
Miguel Angel Alatorre Ibargüengoitia
aus Mexiko Stadt





München, den 2. März 2011































Erstgutachter: Prof. Dr. Donald Bruce Dingwell
Zweitgutachter: Prof. Dr. Stuart Gilder
Tag der mündlichen Prüfung: 27 Juni 2011
Contents

List of figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
List of tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Popocatépetl Volcano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Vulcanian eruptions and shock-tube theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Fragmentation experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 General objective and thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Energy consumption by magmatic fragmentation and pyroclast ejection
during Vulcanian eruptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Caprock model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Experimental method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Fragmentation energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Acknowledgments Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Appendix 2A. Derivation of Eqs. 2.3 and 2.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Appendix 2B. Determination of P in the fragmentation apparatus . . . . . . . . . . 33 ext

3. Influence of the fragmentation process on the dynamics of Vulcanian eruptions:
an experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2. Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3. Experimental method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Contents II


3.4. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Two-phase flow characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 Fragmentation speed and ejection velocities. . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5. Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Acknowledgments Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Appendix 3A. Derivation of equations (3.1) and (3.2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Appendix 3B. Determination of P in the fragmentation apparatus fi
and volcanic conduits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4. Hazard Map for Volcanic Ballistic Impacts at Popocatépetl Volcano (Mexico) . 59
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Eruptive activity of Popocatépetl Volcano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Ballistic projectiles from Popocatépetl Volcano . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Ballistic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.2 Caprock model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.3 Coupling of caprock and ballistic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.4 Comparison with videos of Vulcanian eruptions from Popocatépetl Volcano. 71
4.5 Explosive scenarios definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6 Maximum range calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.7 Volcanic ballistic projectile-hazard map construction for Popocatépetl Volcano . . 76
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Acknowledgments Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5. Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Curriculum vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
List of figures

Chapter 1

Figure 1.1. Fatal volcanic eruptions per century, cumulative documented fatalities caused by
volcanic eruptions and cause of fatalities in volcanic eruptions . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Figure 1.2. Schematic illustration of the shock-tube problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Figures 1.3. Sketch of the glass transition field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Chapter 2

Figure 2.1. Experimental setup of the fragmentation apparatus . . . . . . . . . . .