Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các quá trình lắng đọng và áp suất lỗ rỗng khí trong dòng chảy pyroclastic: góc nhìn từ thí nghiệm
Tóm tắt
Các quá trình lắng đọng và áp suất lỗ rỗng khí trong các dòng chảy pyroclastic được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm quy mô về các dòng chảy hạt rời tạm thời, ban đầu được huy động. Cấu trúc dòng chảy bao gồm một đầu trượt mà tốc độ đáy giảm về phía sau từ tốc độ đầu (U_f) cho đến khi xảy ra sự lắng đọng, đánh dấu sự chuyển tiếp đến thân dòng chảy nơi mà lớp lắng đọng đáy phát triển liên tục. Các dòng chảy lan truyền trong một chế độ lỏng - quán tính mặc dù có sự hình thành của lớp lắng đọng. Đầu dòng của chúng tạo ra áp suất âm tỷ lệ thuận với U_f^2 trong khi thân dòng tạo ra áp suất dương với các giá trị gợi ý rằng áp suất lỗ rỗng khuếch tán trong quá trình lắp đặt. Các thí nghiệm bổ sung trên các cột tĩnh không lỏng hóa chứng minh rằng khái niệm khuếch tán áp suất lỗ rỗng là phù hợp cho các hỗn hợp khí-hạt và cho phép đặc trưng hóa thời gian khuếch tán (t_d) như một hàm của các thuộc tính vật liệu. Sự mở rộng ban đầu của vật liệu làm tăng thời gian khuếch tán so với trạng thái không mở rộng, gợi ý rằng áp suất lỗ rỗng được tự sinh ra trong quá trình nén. Ứng dụng cho các dòng chảy pyroclastic cho thấy thời gian khuếch tán tối thiểu từ vài giây đến hàng chục phút, chủ yếu phụ thuộc vào chiều cao dòng chảy và độ thấm. Nghiên cứu này cũng giúp hòa giải các khái niệm về lắng đọng đồng thời và lắng đọng tiến bộ của các đơn vị dòng chảy pyroclastic hoặc các xung riêng lẻ. Thời điểm bắt đầu lắng đọng, nguyên nhân của nó xứng đáng được điều tra thêm, là tham số quan trọng nhất để xác định cấu trúc của các lớp lắng đọng. Ngay cả khi quá trình lắng đọng về bản chất là liên tục, người ta đề xuất rằng thời điểm lắng đọng muộn và sự gia tăng nhanh chóng trong các dòng chảy tương đối mỏng có thể tạo ra các lớp lắng đọng gần như là những ảnh chụp tĩnh của cấu trúc dòng chảy. Trong bối cảnh này, lắng đọng có thể được coi là xảy ra đồng thời, mặc dù không hoàn toàn là ngay lập tức.
Từ khóa
#pyroclastic flows #gas pore pressure #deposition #diffusion #granular flowsTài liệu tham khảo
Andrews B, Manga M (2012) Experimental study of turbulence, sedimentation, and coignimbrite mass partitioning in dilute pyroclastic density currents. J Volcanol Geotherm Res 225–226:30–44. doi:10.1016/j.jvolgeores.2012.02.011
Branney MJ, Kokelaar P (1992) A reappraisal of ignimbrite emplacement: progressive aggradation and changes from particulate to non-particulate flow during emplacement of high-grade ignimbrite. Bull Volcanol 54:504–520
Carslaw HS, Jaeger JC (1959) Conduction of heat in solids, 2nd edn. Oxford University Press, New York
Cas RAF, Wright HMN, Folkes CB, Lesti C, Porreca M, Giordano G, Viramonte JG (2011) The flow dynamics of an extremely large volume pyroclastic flow, the 2.08-Ma Cerro Galán Ignimbrite, NW Argentina, and comparison with other flow types. Bull Volcanol 73:1583–1609. doi:10.1007/s00445-011-0564-y
Charbonnier SJ, Gertisser R (2009) Numerical simulations of block-and-ash flows using the Titan2D flow model: examples from the 2006 eruption of Merapi volcano, Java, Indonesia. Bull Volcanol 71:953–959. doi:10.1007/s00445-009-0299-1
Denlinger RP, Iverson RM (2001) Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain 2. Numerical predictions and experimental tests. J Geophys Res 106:553–566
Doyle EE, Hogg AJ, Mader HM, Sparks RSJ (2010) A two-layer model for the evolution and propagation of dense and dilute regions of pyroclastic currents. J Volcanol Geotherm Res 190:365–378. doi:10.1016/j.jvolgeores.2009.12.004
Druitt TH (1998) Pyroclastic density currents. In: Gilbert JS, Sparks RSJ (eds) The physics of explosive volcanic eruptions. Geol Soc London Spec Pub 145: 145–182.
Druitt TH, Sparks RSJ (1982) A proximal ignimbrite breccias facies on Santorini, Greece. J Volcanol Geotherm Res 13:147–171
Druitt TH, Avard G, Bruni G, Lettieri P, Maez F (2007) Gas retention in fine-grained pyroclastic flow materials at high temperatures. Bull Volcanol 69:881–901
Dufek J, Manga M (2008) In situ production of ash in pyroclastic flows. J Geophys Res 113:B09207. doi:10.1029/2007JB005555
Fisher RV (1966) Mechanism of deposition from pyroclastic flows. Am J Sci 264:350–363
Freundt A, Carey S, Wilson CJN (2000) Ignimbrites and block-and-ash flow deposits. In: Sigurdsson H et al (eds) Encyclopedia of volcanoes. Academic Press, NY-London, pp 581–600
Geldart D (1986) Gas fluidization technology. Wiley, New York
Girolami L, Druitt TH, Roche O, Khrabrykh Z (2008) Propagation and hindered settling of laboratory ash flows. J Geophys Res 113:B02202. doi:10.1029/2007JB005074
Girolami L, Roche O, Druitt TH, Corpetti T (2010) Velocity fields and depositional processes in laboratory ash flows. Bull Volcanol 72:747–759. doi:10.1007/s00445-010-0356-9
Goren L, Aharonov E, Sparks D, Toussaint R (2010) Pore pressure evolution in deforming granular material: a general formulation and the infinitely stiff approximation. J Geophys Res 115:B09216. doi:10.1029/2009JB007191
Gröbelbauer HP, Fannelop TK, Britter RE (1993) The propagation of intrusion fronts of high density ratios. J Fluid Mech 250:669–687
Hoblitt RP (1986) Observations of the eruptions of July 22 and August 7, 1980, at Mount St. Helens, Washington. US Geol Surv Prof Pap 1334:44
Iverson RM (1997) The physics of debris flows. Rev Geophys 35:245–296
Iverson RM, Denlinger RP (2001) Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain 1. Coulomb mixture theory. J Geophys Res 106:537–552
Kelfoun K, Samaniego P, Palacios P, Barba D (2009) Testing the suitability of frictional behaviour for pyroclastic flow simulation by comparison with a well-constrained eruption at Tungurahua volcano (Ecuador). Bull Volcanol 71:1057–1075. doi:10.1007/s00445-009-0286-6
Levine AH, Kieffer SW (1991) Hydraulics of the August 7, 1980, pyroclastic flow at Mount St. Helens, Washington. Geology 19:1121–1124
Lube G, Cronin SJ, Platz T, Freundt A, Procter JN, Henderson C, Sheridan MF (2007a) Flow and deposition of pyroclastic granular flows: a type example from the 1975 Ngauruhoe eruption, New Zealand. J Volcanol Geotherm Res 161:165–186
Lube G, Huppert HE, Sparks RSJ, Freundt A (2007b) Static and flowing regions in granular collapses down channels. Phys Fluids 19:043301. doi:10.1063/1.2712431
Lube G, Huppert HE, Sparks RSJ, Freundt A (2011) Granular column collapses down rough, inclined channels. J Fluid Mech 675:347–368. doi:10.1017/jfm.2011.21
Major JJ, Iverson RM (1999) Debris-flow deposition: effects of pore-fluid pressure and friction concentrated at flow margins. Geol Soc Am Bull 111:1424–1434
Manga M, Patel A, Dufek J (2011) Rounding of pumice clasts during transport: field measurements and laboratory studies. Bull Volcanol 73:321–333. doi:10.1007/s00445-010-0411-6
McElwaine J, Nishimura K (2001) Ping-pong ball avalanche experiments. Special Publications of the International Association of Sedimentology 31:135–148
McElwaine JN (2005) Rotational flow in gravity current heads. Philosophical Transactions of the Royal Society (A) 363:1603-1623. doi:1610.1098/rsta.2005.1597
McElwaine JN, Turnbull B (2005) Air pressure data from the Vallée de la Sionne avalanches of 2004. J Geophys Res 110:F03010. doi:03010.01029/02004JF000237
Montserrat S, Tamburrino A, Roche O, Niño Y (2012). Pore fluid pressure diffusion in defluidizing granular columns. J Geophys Res 117:F02034. doi:10.1029/2011JF002164
Roche O, Gilbertson MA, Phillips JC, Sparks RSJ (2004) Experimental study of gas-fluidized granular flows with implications for pyroclastic flow emplacement. J Geophys Res 109:B10201
Roche O, Gilbertson MA, Phillips JC, Sparks RSJ (2005) Inviscid behaviour of fines-rich pyroclastic flows inferred from experiments on gas-particle mixtures. Earth Planet Sci Lett 240:401–414. doi:10.1016/j.epsl.2005.09.053
Roche O, Montserrat S, Niño Y, Tamburrino A (2008) Experimental observations of water-like behavior of initially fluidized, dam break granular flows and their relevance for the propagation of ash-rich pyroclastic flows. J Geophys Res 113:B12203. doi:10.1029/2008JB005664
Roche O, Montserrat S, Niño Y, Tamburrino A (2010) Pore fluid pressure and internal kinematics of gravitational laboratory air-particle flows: insights into the emplacement dynamics of pyroclastic flows. J Geophys Res 115:B09206. doi:10.1029/2009JB007133
Savage SB, Hutter K (1991) The dynamics of avalanches of granular materials from initiation to runout. Part I: Analysis Acta Mech 86:201–223
Simpson JE (1997) Gravity currents in the environment and the laboratory. Cambridge University Press, Cambridge
Sparks RSJ (1976) Grain size variations in ignimbrites and implications for the transport of pyroclastic flows. Sedimentology 23:147–188
Sparks RSJ, Self S, Walker GPL (1973) Products of ignimbrites eruptions. Geology 1:115–118
Sulpizio R, Dellino P (2008) Sedimentology, depositional mechanisms and pulsating behaviour of pyroclastic density currents. In: Gottsmann J, Martí J. (eds) Caldera volcanism. Analysis, modelling, and response. Development in volcanology 10. Elsevier, Amsterdam, pp 57–96.
Turnbull B, McElwaine J (2008) Experiments on the non-Boussinesq flow of self-igniting suspension currents on a steep open slope. J Geophys Res 113:F01003. doi:01010.01029/02007JF000753
Wilson CJN (1980) The role of fluidization in the emplacement of pyroclastic flows: an experimental approach. J Volcanol Geotherm Res 8:231–249
Wilson L, Head JW (1981) Morphology and rheology of pyroclastic flows and their deposits, and guidelines for future observations. In: Lipman PW, Mullineaux DR (eds) The 1980 eruptions of Mount St Helens, Washington. US Geol Surv Prof Paper 1250: 513–524.
Wilson CJN, Hildreth W (2003) Assembling an ignimbrite: mechanical and thermal building blocks in the Bishop tuff, California. J Geol 111:653–670