Esplosività delle eruzioni vulcaniche: attuali metodi di valutazione


    Autore articolo: Nicola Mari

    Bolidi incandescenti che vengono violentemente sparati in aria, gigantesche nubi di cenere che si elevano in cielo, inarrestabili valanghe ardenti che scendono giù dai fianchi di un vulcano, questo insieme di parole porta ad immaginare un'eruzione vulcanica esplosiva, come ad esempio potrebbe accadere col Vesuvio. Se si volta lo sguardo a Stromboli, però, le cose cambiano, si può sempre notare un'attività di tipo esplosivo, ma "quanto" esplosivo?

    Perché alcuni vulcani sono caratterizzati da esplosioni violentissime mentre altri da piccole esplosioni ed altri ancora da sole colate laviche? Attualmente vengono utilizzati alcuni parametri per chiarire questa questione e, solo recentemente, oltre ad elevati miglioramenti nella previsione e valutazione dell'esplosività delle eruzioni vulcaniche, si sta iniziando a prendere in considerazione nuovi metodi.

    Immagine - 1 – Schema nel quale è possibile notare la differenza tra la struttura atomica di un magma ad alta viscosità (a sinistra) e di uno a bassa viscosità (a destra). Nel primo caso, l'eruzione risulterà più esplosiva. (Credit: Alessandro Da Mommio, www.alexstrekeisen.it)

    I vulcani non sono tutti uguali, alcuni hanno attività esplosiva e altri effusiva, quest'ultima caratterizzata da sola emissione di colate laviche e/o degassamento. In generale, nel vulcanismo di tipo esplosivo si distinguono: vulcani con attività stromboliana, caratterizzata da piccole esplosioni e fontane di lava; attività vulcaniana, data da esplosioni violente con lanci di piroclasti di modeste dimensioni anche a molta distanza dal cratere; attività pliniana, grandi eruzioni esplosive con una colonna di fumo e cenere che può estendersi anche fino alla stratosfera e generare violenti flussi piroclastici; attività ultrapliniana, legata ad eruzioni catastrofiche ed immense proporzioni di materiale lavico.

    Le eruzioni non esplosive sono invece definite hawaiiane. Un esempio di vulcano con attività pliniana è dato dal Vesuvio, mentre un esempio di vulcanismo di tipo hawaiiano è osservabile al Kīlauea (Hawaii). Esiste, tuttavia, un indice per calcolare la "potenza" di un'eruzione vulcanica, il Volcanic Explosivity Index (VEI), che va da 0 (per le eruzioni effusive) a, teoricamente, infinito a seconda di quanto possa risultare esplosivo e grande un apparato vulcanico.

    Quello che, tuttavia, potrebbe subito lasciare perplessi è il fatto che lo stesso vulcano si comporti in maniera completamente differente, anche nell'arco di pochi giorni. Ciò può essere spiegato da importanti parametri fisico-chimici che sono direttamente legati al grado di esplosività che può presentare un vulcano. I principali parametri sono: contenuto in volatili e viscosità. Ultimamente, si stanno iniziando a prendere in considerazione anche l'interazione chimica tra magma ed acqua e il fenomeno del magma mixing, come due potenziali scatenanti delle eruzioni esplosive.

    I volatili sono costituiti principalmente da H2O e CO2 (acqua e diossido di carbonio) e, in misura minore, da CO, SO2, H2S, H2, S e O, disciolti in soluzione molecolare nel magma. Tuttavia, i volatili rappresentano solo uno dei tre componenti di un magma, gli altri due sono dati da una parte liquida, di temperatura tra 650-1200°C (essenzialmente costituita da ioni mobili), e una parte solida, comprendente i cristalli già formati dalla stessa parte liquida. In generale, più è alto il contenuto in volatili e più il magma è capace di generare eruzioni esplosive.

    Immagine - 2 – Eruzione freatomagmatica del vulcano Eyjafjallajökull nel 2010 (Islanda). È possibile notare come l'interazione magma-ghiaccio giochi un ruolo importante nel livello di esplosività di un'eruzione. (Credit: Patrick Mylund Nielsen, www.patrickmn.com)

    La viscosità di un magma rappresenta la sua resistenza a fluire, in altre parole, meno un magma risulta viscoso e più è "fluido e libero di muoversi". Per capire al meglio come questo importante parametro influisce sul grado di esplosività è bene chiarire come il magma si comporta a livello atomico. Un magma è principalmente composto da una fusione di silicati sotto forma di tetraedri [SiO4]4- , questi sono legati fra loro da ossigeni ponte (bridging oxygen) ed hanno al centro una particella di silice (network-forming ion), questo processo viene chiamato polimerizzazione.

    Se, a modificare questa struttura atomica, intervengono altri atomi (come ad esempio Ca e Mg) questi risulteranno essere dei modificatori di legame (network-modifying ion), spezzando gli ossigeni ponte e l'intera struttura, rendendola non più polimerizzata. Quindi, nel caso polimerizzato la viscosità è alta poiché il magma è meno propenso a fluire, essendo ben legato dagli ossigeni ponte (le singole unità sono soggette ad un notevole attrito interno), nel secondo caso la viscosità è bassa a causa degli altri atomi che, entrando nel sistema, distruggono la precedente struttura atomica, rendendo il tutto molto più "mobile" (immagine 1). I magmi poco fluidi, con alta viscosità, sono quelli capaci di generare le più grandi eruzioni esplosive.

    Ne consegue che più un magma è ricco in silice (magma acido) e più la viscosità, e quindi l'esplosività, aumenta. Anche una grande quantità di cristalli contribuisce a rendere più viscoso il fuso magmatico. La viscosità dipende anche dalla temperatura e dalla H2O disciolta, più sono alti questi due valori e meno viscoso risulterà il magma.

    Le eruzioni in cui si ha un interazione chimica tra magma ed H2O (sia in stato liquido che solido) sono dette freatomagmatiche. Generalmente, questo stile eruttivo si presenta come immediato e altamente esplosivo. Un esempio relativamente recente è dato dall'eruzione del 2010 del vulcano Eyjafjallajökull (Islanda), nella quale l'alto grado di esplosività e dispersione delle ceneri è stato causato dal contatto tra il magma ed il ghiaccio che ricopriva la sommità del vulcano (immagine 2).

    Da alcuni esperimenti di laboratorio si è osservato che, a seconda del rapporto acqua-magma, l'esplosività dell'eruzione varia in maniera regolare: per rapporti bassi l'attività potrebbe presentarsi come di tipo stromboliano (non violenta), mentre si raggiunge il punto di massimo al rapporto acqua-magma di 0.3, aumentando ancora di più il rapporto, però, l'efficienza diminuisce poiché l'abbondanza d'acqua tenderà a raffreddare completamente il magma (come può avvenire in un'eruzione sottomarina).

    I fenomeni di magma mixing consistono nel mescolamento di due o più magmi di differente composizione chimica e stato termodinamico tale da formare un magma ibrido, avente proprietà intermedie tra i precedenti. L'entrata, nel sistema magmatico, di un nuovo magma, non in equilibrio termodinamico con un quello già presente nella camera magmatica del vulcano, crea un generale stato di disequilibrio nei cristalli già presenti, che devono quindi "riprogrammarsi" e continuare il processo di cristallizzazione sotto nuove condizioni.

    Solo ultimamente si sta prendendo in considerazione come i processi di magma mixing possano rendere un'eruzione più esplosiva del normale, in particolare per il concetto secondo il quale questo contatto tra due diversi stati termodinamici incrementa i movimenti di calore (moti convettivi) nella camera magmatica e ciò, a sua volta, aumenta il contenuto in volatili che, come spiegato precedentemente, accrescono l'esplosività.

    I parametri che rivestono un ruolo fondamentale nell'esplosività e nello stile eruttivo di un vulcano sono quindi riassumibili in un alto contenuto in volatili ed alta viscosità del magma, ai quali possono aggiungersi, secondo determinate situazioni, contatto tra magma-H2O e fenomeni di magma mixing. Lo stesso vulcano può presentare un'attività differente a seconda di come questi parametri fisico-chimici e geochimici cambino nel sistema magmatico.

    Se, con futuri studi e ricerche su questi importanti parametri e metodi, sarà un giorno possibile stabilire quanto occorre, a livello temporale, perché un vulcano erutti in modo altamente esplosivo, allora otterremo grandi passi avanti nelle previsioni di pericolosità e rischio vulcanico.

    BIBLIOGRAFIA:

    Newhall, C. G. and Self, S.. The volcanic explosivity index (VEI): An estimate of explosive magnitude for historical volcanism, J. Geophys. Res., 87, 1231–1238, 1982.

    Sheridan, M.F. and Wohletz, K.A.. Hydrovolcanism, basic considerations and review. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 17: 1—29, 1983.

    SITOGRAFIA:

    http://www.alexstrekeisen.it/vulc/

    https://patrickmn.com/blog/pictures-of-eyjafjallajokull/

     

     



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