New insights into the characteristics and dynamics of rhyolite long-lasting volcanic eruptions

Recent rhyolite eruptions on Earth have demonstrated their capacity to produce a multitude of hazards, including ash formation lasting months and impacting the large reaches of the southern hemisphere. The eruptions of Chaitén volcano in 2008 and Cordón Caulle in 2011, both in Chile, ended a period of almost 100 years without major silicic events. Since then, significant effort has been invested in the characterization of these long-lasting eruptions and their products. However, still many aspects about the dynamics and underlying mechanisms driving rhyolite eruptions remain unravelled. These rhyolite eruptions provided not only vast amounts of fresh volcanic glass and hence a physicochemical window into the eruption dynamics, but also key temporal aspects of explosive and effusive phases. Here, almost 500 glass shards from the different eruptive phases of 2008 Chaitén eruption were analysed for their H2O content. Results show that eruptive products preserve a wide range of residual H2O contents (0.1 to 3.4 wt.%), with an overall trend of H2O depletion from explosive to effusive. In addition, the presence of “H2O content windows” within stratigraphic horizons of the pyroclastic sequences, defined by upper and lower H2O content values, was detected. Interestingly, these windows shift with stratigraphic position and demarcate clear H2O gaps with respect to effusive obsidians. Guided by the H2O distributions observed in the different deposits, 94 heating experiments were carried out at 0.1 MPa, temperatures between 740–1030°C on cylindrical obsidian cores (4X10mm) with water content between 0.13–1.4 wt.%. Results reveal different degassing behaviors and deformation timescales of the glassy material as a function of the initial H2O content of the sample. The most striking finding is the occurrence of explosive fragmentation at T >874°C in samples with H2O = 1.4 wt.%. This provides the first observations on explosive fragmentation due to experimental vesiculation of hydrous rhyolite melt and demonstrate that starting H2O concentration and temperature control eruptive behaviour. A comparison with a separate set of high-P experiments performed in a fragmentation bomb —which simulates fragmentation by rapid decompression— suggest that both fragmentation mechanisms might have operated during different stages of 2008 Chaitén eruption. Finally, the characteristics and impacts of ash-related hazards associated with these long-lasting events were explored. In addition to the impact of primary tephra fallout, a vast area of the Argentinian Patagonia was also significantly affected by wind-remobilization of ash. Results of this study show the primary importance of wind, rainfall and ash availability in controlling the occurrence and persistence of these events. Regarding the impacts, although in the short-term they were highly negative, the environment and the community start showing signs of recovery after five years.Eruptionen rhyolitischer Vulkane innerhalb der letzten Jahre haben, mit beispielsweise monatelanger Ascheproduktion und ihrer weitreichenden Auswirkungen auf die südlichen Hemisphäre, eindrucksvoll die Gefahrenbandbreite unter Beweis gestellt, die von solchen Vulkansystemen ausgehen kann. In 2008 und 2011 brachen in Chile relativ unvermittelt die Vulkane Chaitén und Cordón Caulle aus, beide nach einer fast hundertjährigen Pause größerer Vulkanaktivität. Seither werden große Anstrengungen unternommen, diese lang-anhaltenden rhyolitischen Eruptionen und ihre Produkte näher zu untersuchen. Nichtdestotrotz, verbleiben viele Aspekte der Ausbruchsdynamik und den zugrundeliegenden Mechanismen weiterhin im Dunkeln. Derartige rhyolitische Eruptionen produzieren einerseits große Mengen vulkanisches Glas—Bimsfragmente und Obsidianglas—welches physikochemische Einblicke in die Eruptionsdynamik ermöglicht, und erlauben andererseits eine genaue zeitliche Einordnung der unterschiedlichen Phasen effusiver und explosiver Aktivität und deren Ablagerungen. In der vorliegenden Studie wurden über 500 rhyolitische Glasfragmente aus Ablagerungen verschiedener Ausbruchsphasen des Chaitén Vulkans in 2008 auf ihren residualen Wassergehalt hin untersucht. Dieser erwies sich über alle Eruptionsprodukte hinweg als sehr variabel mit Konzentrationen zwischen 0.1 bis 3.4 wt.%, wobei sich ein genereller Trend von niedrigen Wassergenalten in effusiven Produkten hin zu hohen Wassergehalten in den explosiven Ablagerungen zeigte. Darüberhinaus ließ sich innerhalb der einzelnen stratigraphischen Horizonte der pyroklastischen Ablagerung ein „Wasserkonzentrations-Fenster“ erkennen, definiert über minimalen und maximalen Wassergehalte der einzelnen Ablagerungshorizonte, welches sich in Breite und Absolutwerte der Wasserkonzentration innerhalb der vertikalen Stratigraphie verändert. Interessanter Weise grenzt dieses Fenster scharf die Wassergehalte der explosiven Produkte von den niedrigeren der effusiven Obsidiangläser ab. An systematisch ausgewählten Gläsern dieser Ablagerung mit Wassergehalten von 0.13–1.4 wt.% wurden 94 Aufheizexperimente unter Atmosphärendruck und 740–1030°C durchgeführt. In Abhängigkeit des initialen Wassergehaltes zeigten die Proben unterschiedliches Entgasungsverhalten und Deformationszeitskalen des ursprünglich glasigen Materials. Als wichtigste Erkenntnis ergibt sich, dass Gläser mit ausreichend hohem Wassergehalt (≥1.4 wt.%) bei hohen Temperaturen (>874°C) schlagartig fragmentieren. Dies ist der erstmalige Nachweis explosiver Fragmentation durch Vesikulierung einer wässrigen rhyolitischen Schmelze unter experimentellen Bedingungen. Hier wird deutlich, dass initialer Wassergehalt sowie Temperatur maßgeblich das Ausbruchsverhalten beeinflussen. Ein Vergleich mit einem separaten Set an Hochdruckexperimenten in einer Fragmentationsbombe, welche Fragmentation durch rasche Druckentlastung simuliert, legt nahe, dass beide Fragmentationsmechanismen im Laufe der verschiedenen Ausbruchsstadien des Chaitén in 2008 zum Tragen kamen. Zuletzt werden die Gefahren durch Vulkanasche, die mit solch lang-anhaltenden Eruptionen assoziiert sind, charakterisiert und deren Auswirkungen am Beispiel Patagoniens, Argentinien sondiert. Zusätzlich zu den unmittelbaren Auswirkungen durch primären Tephraregen, zeigte sich, dass weite Gebiete Patagoniens auch stark durch äolisch remobilisierte Asche beeinträchtigt sind. Der kurzzeitige negative Impakt war gravierend, und Umwelt und örtliche Gemeinschaft brauchten 5 Jahre um erkennbare Erholung aufzuweisen. Die Ergebnisse dieser Studie weisen auch auf das Zusammenspiel von Wind, Regen und der Verfügbarkeit von Asche als übergeordnete Kontrollparameter für das Auftreten und die Beständigkeit äolischer Remobilisierung vulkanischer Asche hin