RICERCA ITALIANA     

Metodi quantitativi per lo studio di flussi piroclastici e colate di lava: un approccio integrato modellistico-sperimentale

Università degli Studi di Bari

Abstract

In questo progetto verranno studiati i meccanismi di trasporto delle colate di lava e dei flussi piroclastici attraverso un approccio integrato modellistico/sperimentale, basato su una dettagliata conoscenza dei prodotti eruttivi naturali.
Verranno selezionati materiali eruttivi rappresentativi dei caratteri che le colate di lava ed i flussi piroclastici mostrano nel contesto naturale e di cui i ricercatori coinvolti nel progetto hanno già una buona conoscenza di base.
Le conoscenze già disponibili su questi materiali verranno integrate da misure sperimentali volte alla definizione dei caratteri reologici dei magmi, utili per la definizione delle equazioni costitutive da utilizzare per i modelli di trasporto delle colate di lava, e dei caratteri alla frammentatione, utili per definire il budget di energia e le condizioni iniziali degli eventi esplosivi che generano i flussi piroclastici. Questi dati serviranno come parametri di input nei modelli di trasporto già sviluppati dai ricercatori del progetto ed i risultati verranno confrontati con gli “osservabili” naturali quali area di dispersione, spessore, angolo di pendio. Sulla base di questi primi confronti verranno poi raffinati i modelli in modo da ottenere equazioni che meglio “fittino” i caratteri naturali dei prodotti eruttivi. Per quanto riguarda le colate di lava, verranno testati ed ulteriormente implementati modelli di trasporto che restituiscono il campo di velocità e di temperatura dei flussi di lava per i diversi modelli reologici da applicare al variare della composizione (newtoniano, bighamiano, legge di potenza). Per quanto riguarda le dinamiche di innesco e di trasporto dei flussi piroclastici, verranno condotti esperimenti a grande scala utilizzando direttamente materiali che provengono da depositi piroclastici da flusso. L’apparato sperimentale di base è già disponibile e funzionante ed i risulutati dei test preliminari mostrano come sia possibile produrre correnti di densità che sembrano rispettare i caratteri meccanici dei processi naturali. I risultati degli esperimenti verranno confrontati con il modello di trasporto per sospensione turbolenta allo strato limite sviluppato dai ricercatori del progetto in tempi recenti. Questo modello restituisce, conoscendo i caratteri aerodinamici delle particelle piroclastiche, il profilo di velocità, densità e la pressione dinamica dei flussi.
L’obiettivo finale è quello di riconciliare le conosceze sui prodotti eruttivi con le conoscenze sui processi eruttivi, che allo stato attuale non sempre mostrano convergenza. Il risultato finale sarà quello di sviluppare metodologie quantitative integrate che consentano da un lato di ricostruire le dinamiche di trasporto di eventi eruttivi passati, dall’altro quello di modellizzare come, al variare delle condizioni eruttive, varino i parametri fondamentali di trasporto nelle colate di lava e nei fllussi piroclastici.
Il coordinamento e la forte integrazione fra le due unità operative consisterà, all’inizio, nella scelta dei materiali eruttivi. Su questi le misure dei caratteri reologici ed alla frammentazione verranno condotte di concerto fra le unità operative, nello stesso laboratorio. Inoltre la verifica del fitting fra i risultati dei modelli di calcolo ed i dati sui prodotti naturali verranno condotti in comune fra le due Unità Operative, in modo da sviluppare una metodologia standard che possa avere applicabiltà generale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Pierfrancesco Dellino Università degli Studi di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo generale del progetto è l’implementazione di modelli di calcolo per le dinamiche di trasporto di colate di lava e flussi piroclastici che tengano conto dei caratteri dei materiali naturali e che ricostruiscano da un lato i caratteri dinamici dei processi naturali e dall’altro gli “osservabili” dei prodotti eruttivi nel contesto naturale. I modelli devono poter ricostruire sia i caratteri di colate di lava e flussi piroclastici di eruzioni passate che, attraverso parametri di input che rappresentano le dinamiche eruttive, poter prevedere scenari futuri per i vulcani attivi italiani.
Per giungere a questo obiettivo generale dovranno essere prima colti alcuni obiettivi intermedi che sono essi stessi di interesse generale per le problematiche legate alle eruzioni esplosive ed effusive.
Per quanto riguarda le colate di lava uno dei primi obiettivi da raggiungere è di verificare quanto il modello reologico scelto nei modelli, che verrà circostanziato da misure sperimentali, influenzi la mobilità, dispersione, inclinazione e campo di temperatura delle colate di lava. L’acquisizione di dati reologici, all’interno del progetto, ed in particolare sull’andamento della viscosità newtoniana e non newtoniana dei magmi al variare della temperatura consentirà di cogliere un altro obiettivo importante. I prodotti eruttivi saranno scelti in modo da rappresentare lo spettro degli “end member” chimico fisici delle più comuni colate di lava. Un successivo obiettivo sarà quello di verificare la bontà di adattamento dei risutati dei modelli con gli ossevabili naturali delle colate di lava quali area di dispersione, spessore ed angolo di pendio, attraverso procedure statistche di fitting basate su test parametrici e non parametrici. Questa procedura verrà utilizzata anche per il confronto fra modelli sui flussi piroclastici con gli esperimenti in scala che verranno prodotti nel progetto. La definizione di procedure standard di confronto dei modelli con la situazione naturale è un obiettivo importante del progetto perché potrà consentire di operare scelte omogenee fra ricercatori che affrontano processi diversi della vulcanologia fisica, ma che possono ricorrere sullo stesso vulcano.
Per quanto riguarda i flussi piroclastici, un obiettivo intermedio importante sarà quello di accoppiare le conoscenze sulle dinamiche di frammentazione del magma, che rappresentano le dinamiche di innesco delle eruzioni esplosive ed in particolare dei flussi piroclastici, con le dinamiche di trasporto dei flussi piroclastici, che sono quelle che ne determinano i caratteri di dispersione, veloctà , densità e pressione dinamica. Questo obiettivo potrà essere colto perché le informazioni sui parametri alla frammentzaione (sovrapressione, energia meccanica rilasciata, granulometria di patenza del materiale) saranno ricavate attraverso esperimenti di laboratorio che verranno condotti su materiali che provengono direttamente da depositi piroclastici da flusso. La procedura sperimentale utilizzata sarà quella che di recente ha permesso, ai ricercatori del presente progetto, di ricostruire le dinamiche alla frammentazione di eruzioni esplosive magmatiche e freatomagmatiche. In questa procedura, un ruolo fondamentale hanno i caratteri fisici delle particelle fra cui densità, granulometria, stima dei componenti e caratteri aerodinamici dei clasti. Sarà costruito un data base di questi caratteri, con l’obiettivo di fornire anche una conscenza di base su quello che è il campo di variazione dei caratteri delle particelle che influenzano le dinamiche di trasporto e deposizione delle eruzioni esplosive.
I dati provenienti dagli esperimenti di frammentazione e dal data base sui caratteri delle particelle verranno quindi utilizzati come parametri di input per gli esperimenti a grande scala sui flussi piroclastici che verranno condotti nel progetto e questo porterà da un lato a definire se il modello di trasporto allo strato limite svilupato di recente dai ricercatori del progetto si adatta bene ai caratteri di dispersione velocità e densità dei flussi sperimentali, dalla’altro darà la possibilità di verificare come al variare dei parametri eruttivi, dell’inclinazione del pendio, della granulometria e dei caratteri aerodinamici delle particelle varino i caratteri di mobilità dei flussi piroclastici.
L’obiettivo finale dell’ implementazione generale di modelli di trasporto di colate di lava e flussi piroclastici verrà raggiunto di concerto fra le due Unità Operative del progetto, attraverso la condivisione dei dati di base, dei dati sperimentali sui materiali e dell’approccio di verifica della bontà di adattamento dei modelli di calcolo con gli “osservabili” naturali. Quest’utimo aspetto rappresenta un obiettivo di importanza prioritaria del progetto, perché la condivisione di una metodologia di lavoro quantitativa nell’approccio alle problematiche complesse delle dinamiche eruttive delle colate di lava e dei flussi piroclastici è garanzia della possibilità di poter definire procedure generali, condivise e verificabili, sul modo di funzionamento dei vulcani attivi italiani. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Negli ultimi decenni in Vulcanologia Fisica si è assistito ad un progressivo cambiamento da ricerche orientate prevalentemente verso i prodotti (studio di campagna; e.g. Cas and Wright, 1987; Carey, 1991; Pinkerton and Sparks R.S.J., 1978) a ricerche più orientate verso i processi (modellistica fisica e simulazioni numeriche; e.g. Neri &amp; Macedonio, 1996; Neri et al., 2003; Crisci et al., 1986; Dragoni et al., 2005; Del Negro et al., 2005)
Per quanto riguarda in particolare i flussi piroclastici e le colate di lava, fino agli anni ottanta l’attenzione si era maggiormente rivolta verso lo studio dei parametri strutturali, tessiturali e di dispersione dei prodotti e questo aveva portato alla definizione di un quadro sistematico alquanto complesso dei caratteri dei materiali eruttivi (Cas &amp; Wright, 1987).
Per le lave, le classiche distinzioni delle forme di superficie delle colate (tipo paoheohe, AA, a blocchi), la determinazione della distribuzione areale e del rapporto di aspetto, erano state affiancate a descrizioni via via più precise e complesse anche dei parametri morfologici di particolari strutture quali tubi, argini, fronti (Hulme G., 1974).
Per quanto attiene ai flussi piroclastici, era emerso un proliferare di categorie, dai flussi di blocchi e ceneri, ai flussi di pomici e ceneri che erano poi suddivisi in più sottocategorie sulla base dei rapporti stratigrafici fra le unità deposizionali e del rapporto di aspetto dei depositi, fino a giungere ai flussi di ceneri ad ai “base surge” che a loro volta erano distinti in varie categorie sulla base di evidenze della presenza di vapore in condensazione durante la loro formazione (Cas and Wright, 1987; Dellino et al., 1990; Carey, 1991).

La complessità di queste sistematiche, per quanto informativa sulla variabilità che i prodotti eruttivi mostrano nel contesto naturale, rendeva però alquanto problematico delineare un quadro di insieme organico che potesse assicurare confronti oggettivi fra diversi vulcani e diverse eruzioni e potesse cogliere l’obiettivo di costruire modelli di applicabilità generale.
Molti ricercatori iniziarono a considerare ridondanti queste sistematiche ed argomentarono che se si pensava ai processi alla base della formazione dei prodotti era possibile passare ad una sistematica funzionale più ridotta, basata su pochi “endmembers” di uno spettro continuo (Burgissier and Bergantz, 2002; Sulpizio et al., 2006 ).
Questa situazione ha dato lo spunto ad indagini più mirate alla caratterizzazione dei processi fisici, che non vedevano più come obiettivo finale la classificazione dei prodotti in funzione dei caratteri strutturali e tessiturali, ma una descrizione dei processi eruttivi attraverso parametri fisici quali temperatura, velocità, flussi di massa, densità ecc. La definizione di questi parametri era considerata particolarmente importante perché dava la possibilità di meglio compredere i fattori più importanti per la definizione dell’impatto che le eruzioni possono avere sull’uomo e sul territorio.
Da qui il proliferare, dagli anni novanta fino ad oggi, di studi modellistici e di simulazione numerica sui flussi proclastici (Dobran, 1993; Dobran et al., 1993; Neri and Macedonio, 1996; Neri et al., 2003) e sulle colate di lava (Crisp and Baloga , 1990; Dragoni , 1993; Griffiths, 2000; Tallarico and Dragoni, 2000).

Allo stato attuale emerge però una certa distanza fra questi due approcci, che porta spesso alla mancanza di una relazione funzionale fra i processi ed i prodotti eruttivi. Spesso accade, infatti, che le evidenze dei prodotti naturali non si integrino con gli approcci modellistici o che i risultati della modellistica non possano essere utilizzati per ricostruire la situazione naturale (Burgissier et al., 2005).

La ricerca sperimentale, attraverso indagini sui caratteri dei materiali e simulazioni in scala dei processi eruttivi, può essere di grande aiuto per riconciliare le conoscenze sui prodotti con quelle sui processi. Essa ha cominciato a svolgere un ruolo importante in Vulcanologia Fisica soltanto in tempi molto recenti, a causa della complessità delle strumentazioni necessarie per misurare i parametri dei materiali (misure ad alta temperatura su fusi magmatici che mostrano una forte complessità strutturale ed una dipendenza spesso non linerare fra sforzo applicato e tasso di deformazione), della complessità delle dinamiche di frammentazione delle eruzioni esplosive (Papale, 1999; Melnik, 2000) e della complessità dei processi naturali da replicare in scala (Burgissier et al., 2005). I risultati finora ottenuti aprono comunque nuove prospettive per la verifica dei modelli esistenti e per la implementazione di nuovi modelli più vicini alla situazione naturale, con la fondata speranza di poter giungere nel prossimo futuro alla definizione di modelli più generali sui flussi piroclastici e sulle colate di lava.

Noi crediamo che un approccio integrato modellistico-sperimenatle, basato su una precisa conoscenza dei prodotti naturali, possa chiarire quali sono i parametri di controllo dei processi eruttivi e possa portare alla definizione di modelli generali utili per la definizione dei caratteri fondamentali quali temperatura, velocità, densità, reologia.
Questo è l’approccio che verrà seguito nel presente progetto, con l’obiettivo ultimo di definire metodi quantitativi che possano essere utili per una migliore comprensione dei processi eruttivi alla base delle dinamiche di trasporto delle colate di lava e dei flussi piroclastici.

Il progetto si compone di due Unità Operative (UO), una che si occuperà prevelentemente dello studio dei flussi piroclastici, l’altra che si occuperà prevelentemente dello studio delle colate di lava.
I ricercatori dell’UO che si occuperà prevalentemente dello studio modellistico delle colate di lava hanno sviluppato in questi ultimi anni un approccio modellistico 2/3D che risolve il campo di velocità e di temperatura di colate di lava con reologia non–newtoniana (Binghamiana) (Dragoni et al.,1986; Dragoni et al., 1992;). In particolre di recente è stato anche calcolato il caso del trasporto all’interno dei tubi di lava (Tallarico and Dragoni M., 2000; Dragoni et al., 2002 ). In questo progetto i modelli verranno ulteriormente implementati e come parametri di input nelle equazioni costitutive (viscosità apparente, tasso di soglia) verranno utilizzati dati che provengono da misure sperimentali che verranno condotte all’interno del progetto. Verranno considerati sia il caso di magmi basici ad elevata temperatura che il caso di magmi acidi a bassa temperatura per verificare come l’angolo di pendio ed i diversi caratteri reologici influenzano la mobilità ed il raffreddamento della colata.
I ricercatori dell’UO che si occuperà prevalentemente dello studio dei flussi piroclastici hanno sviluppato di recenti modelli basati sulla teoria dello strato limite che combinano informazioni sui caratteri aerodinamici (Dellino et al., 2005) delle particelle con le dinamiche di trasporto dei flussi turbolenti (Dellino e La Volpe, 2000, Dellino et al., 2004). Questo metodo di studio consente di ricostruire il profilo di velocità e di densità dei flussi piroclastici e quindi le pressioni dinamiche. Alla fine dello scorso anno si è conclusa la realizzazione di un apparato sperimentale per la generazione di flussi piroclastici in cui vengono utilizzati materiali piroclastici che provengono direttamente da prodotti naturali (Dellino et al., 2006). In questo progetto verranno condotti esperimenti sistematici e verranno confrontati i risultati degli esperimenti con i calcoli del modello per verificare la bontà di adattamento fra i modelli e gli esperimenti.
Sui caratteri reologici dei magmi, che serviranno come parametri di input nei modelli delle colate di lava, e sui caratteri meccanici dei magmi alla frammentazione che serviranno come parametri di input negli esperimenti e nei modelli sui flussi piroclastici, oltre ad usare i dati già a disposizione delle unità di ricerca verranno condotte nuove indagini sperimentali in collaborazione con i ricercatori del laboratorio di Vulcanologia Fisica dell’Università di Wuerzburg con i quali il coordinatore del progetto svolge ricerche in collaborazione da oltre 10 anni (Buettner et al. 1999, Buettner et al. 2002, Zimanowski et al. 2003, Buettner et al. 2006). <<<