Evolution and Dynamics of the 3.6 ka bp Pucón Eruption of Villarrica Volcano, Chile

Abstract

La Ignimbrita Pucón (3.6 ka BP, 3.3 km3, 1.8 km3 DRE) es una secuencia complicada y bien preservada de depósitos de corrientes de densidad piroclástica en su mayoría, de composición juvenil basáltico-andesítica (54-56% SiO2), emitida por la mayor erupción Holocena del Volcán Villarrica (Chile). Trabajo de terreno, junto con la determinación de parámetros físicos y químicos (tamaño y conteo de granos, medidas de densidad, análisis textural, estimaciones de contenido de microlitos, dataciones 14C, análisis de elementos mayores y en trazas por roca total, y análisis de elementos mayores, S, Cl and F del vidrio de la matriz), nos permitieron reconstruir la arquitectura de facies del depósito y entender la dinámica de la erupción. Previo a la erupción Pucón, lavas y/o domos basáltico-andesíticos a riolíticos, subglaciales y de edad desconocida, estaban presentes cerca o en la cumbre. Fueron fragmentados al comienzo de la erupción Pucón, proporcionando abundantes clastos densos con disyunción prismática y esquirlas de ceniza densa a la Ignimbrita Pucón. Luego de un período de reposo máximo ~400 años, la erupción Pucón comenzó con una caída estromboliana o subpliniana violenta (0.1 km3 de magma, VEI=3-4) la cual evolucionó rápidamente hacia un peligroso mecanismo generador de ignimbrita (P1). Múltiples flujos piroclásticos (20% del volumen total) cubrieron ~180 km2 de los flancos oeste y norte del volcán hasta 15 km de la cima actual. Una pequeña oleada de base fue seguida por cerca de diez fuertes explosiones vulcanianas. Una profundización progresiva del nivel de fragmentación acompañó P1. Flujos piroclásticos ricos en líticos fueron principalmente confinados a los valles con oleadas subordinadas, y seguidos por la emisión en rápida sucesión (pipas de desgasificación atraviesan los contactos) de al menos ocho flujos piroclásticos altamente concentrados y en su mayoría ricos en material juvenil. Durante una pausa en la actividad eruptiva (¿varias semanas a meses?), los depósitos de P1 se enfriaron bajo la temperatura necesaria para la carbonización de la madera (~200°C) y el reservorio fue recargado por un nuevo pulso de magma más básico. Erosión y ensanchamiento del conducto en áreas diferentes y más extensas que durante la fase P1, proporcionaron a los flujos piroclásticos de P2, una nueva asociación de fragmentos de lava basálticoandesíticos a riolíticos. Durante la segunda fase P2 (¿unos pocos días?), voluminosos flujos piroclásticos y oleadas menores fueron depositados alrededor de todo el volcán (80% del volumen total), cubriendo ~530 km2 hasta 21 km de la cima actual. Este incremento en la intensidad eruptiva estuvo caracterizado por la abrupta aparición de abundantes granitoides del basamento como clastos libres y como inclusiones en las escorias (inclusiones de granitoides parcialmente fundidos con vesículas, pero también variedades angulosas de granitoides no fundidos). Esto sugiere que rápidamente después del comienzo de esta fase, una alta velocidad de descarga de magma hizo bajar el nivel de fragmentación dentro del basamento de granitoides, probablemente acompañado por la fase culminante de colapso caldérico y hundimiento del techo de granitoides dentro del reservorio de magma. La parte turbulenta frontal de estos flujos, de tipo onda expansiva, fue seguida por al menos tres flujos piroclásticos de alta energía emitidos en sucesión rápida, formando espesos rellenos en los valles y un registro completo en los interfluvios. Los flujos inestables de concentración alta a intermedia (estratificación difusa y enormes marcas de fondo), cizallaron y sobreescurrieron los estratos subyacentes, formando discordancias angulares. Entonces, flujos piroclásticos negros ricos en juveniles, emitidos al sureste del volcán, fueron rápidamente seguidos por al menos dos oleadas ricas en líticos (pipas de desgasificación atraviesan el contacto). Estas se distribuyeron alrededor de todo el volcán con una importante depositación en los interfluvios. Durante la fase final declinante, tres flujos piroclásticos fueron emitidos hacia el flanco norte e inmediatamente inundados por varias olas de lahares. Un nuevo ciclo de erupciones estrombolianas vigorosas a subplinianas y explosiones freáticas/freatomagmáticas, comenzó luego de pocas temporadas de lluvia después de la descarga del último flujo piroclástico de la erupción Pucón. El magma de Pucón fue probablemente lo suficientemente rico en volátiles en profundidad como para exsolver e impulsar fragmentación magmática. Desgasificación de baja presión y rápida cristalización de microlitos podrían explicar los clastos densos, más que enfriamiento instantáneo por agua externa, la cual a su vez pudo jugar un rol en pulverizar abundante roca de los márgenes del conducto progresivamente ensanchándolo. Este efecto pudo haber sido mayor al comienzo de P1 y P2, y luego decrecer, debido al derretimiento progresivo del glaciar. A pesar de ser poco frecuente a escala humana, de ocurrir hoy, una erupción del tamaño de Pucón (IEV=5) amenazaría ~15,000-40,000 personas directamente por corrientes de densidad piroclástica e incluso más por lahares y caídas de ceniza asociados. La evolución de la erupción Pucón muestra que un violento episodio de tipo ignimbrítico (P2), de corta duración pero gran magnitud, catastrófico a escala regional, puede ocurrir después de una pausa de varias semanas a meses, luego de un período de importante actividad piroclástica (P1). En el caso de la erupción Pucón, esta pausa marcó una fase de ajuste en los conductos en profundidad más que el fin de la erupción, lo cual debiera considerarse durante el monitoreo de un evento similar hoy.

The Pucón Ignimbrite (3.6 ka BP, 3.3 km3, 1.8 km3 DRE) is a well preserved and complicated sequence of mostly pyroclastic current deposits with basaltic andesitic juvenile composition (54-56% SiO2) emitted by the largest Holocene eruption of Villarrica Volcano (Chile). Fieldwork, together with the determination of physical and chemical parameters (grain-size, counting, density measurements, textural analysis, microlite content estimations, radiocarbon dating, whole-rock major and trace element analyses, and matrix glass composition of major elements and S, Cl and F), allowed to reconstruct the facies architecture of the deposit and to understand the dynamics of the eruption. Prior to the Pucón eruption, the volcano summit was covered by an extensive ice cap and subglacial basaltic-andesitic to rhyolitic lava domes and/or flows of unknown age were present near or at the summit. They were fragmented at the onset of the Pucón eruption generating abundant dense prismatically-jointed clasts and dense ash shards that were incorporated by the subsequent Pucón products. Following a maximum repose period of ~400 years, the Pucón eruption started with a violent strombolian or subplinian fallout (0.1 km3 of magma, VEI=3-4) which rapidly evolved towards a hazardous ignimbrite-forming mechanism (P1). Multiple pyroclastic flows (20% of the total volume) covered ~180 km2 of the western and northern flanks of the volcano up to 15 km from the present-day summit. A small base surge was then followed by about ten powerful vulcanian explosions. A progressive deepening of the fragmentation level accompanied P1. Lithic-rich pyroclastic flows were mostly valleyconfined with subordinate surges and followed by the emission in rapid succession (degassing pipes traverse the contacts) of at least eight highly-concentrated mostly juvenile-rich pyroclastic flows. During a pause in eruptive activity (several weeks to months?) the P1 deposits cooled below the temperature necessary for charcoalization of wood (~200°C) and reservoir replenishment by a more basic magma batch occurred. Vent erosion and widening in different and more extensive areas than during P1 phase, provided the P2 flows of a new assemblage of basaltic-andesitic to rhyolitic lava fragments. During the second phase (P2, less than a few days?) voluminous pyroclastic flows and minor surges were deposited all around the volcano (80% of the total volume), covering ~530 km2 up to 21 km from the present-day summit. This increase in the eruptive intensity is characterised by the abrupt appeareance of a significant proportion of basement granitoids as free clasts and inclusions in scoria (vesicle-bearing and partially-melted granitoid inclusions, but also angular, non-melted ones), suggesting that very rapidly after the start of this phase, a high magma discharge rate caused the fragmentation level to fall within the granitoid basement, probably accompanied by the climactic phase of caldera collapse and stoping of granitoid roof material into a magma reservoir. The turbulent, blast-like leading edge of these flows was followed by three or more high-energy pyroclastic flows followed in rapid succession, forming thick valley ponds and a complete interfluve record. The unsteady flows of high- to intermediate-concentration (diffuse stratification and huge bed forms) formed angular unconformities, shearing and thrusting the underlying strata. Then, black juvenile-rich pyroclastic flows to the southeast of the volcano were rapidly followed by at least two lithic-rich surges (degassing pipes traverse the contact) distributed all around the volcano with important slope deposition. During a final waning phase, three lithic-rich pyroclastic flows were emitted on the northern flank, immediately inundated by several lahar waves. A new cycle of vigorous strombolian to subplinian eruptions and phreatic/phreatomagmatic explosions started no more than a few rain seasons after the discharge of the final pyroclastic flow. Pucón magma was probably sufficiently rich in volatiles at depth to exsolve and drive magmatic fragmentation. Low-pressure degassing and rapid microlite crystallization could explain the dense clasts, rather than quenching by external water which may have played a role in pulverizing abundant rock from the conduit margins progressively widening the conduit. This effect could have been the greatest early on P1 and P2, and then decreased because most of the summit glacier and snow had then melted. Even infrequent on a human timescale, if a Pucón-sized eruption (VEI=5) occurred today, approximately 15,000-40,000 people would be directly threatened by pyroclastic currents and even more by associated lahars and ash falls. The evolution of the Pucón eruption shows that a violent ignimbritetype episode (P2), of short duration but large magnitude, catastrophic on a regional scale, can occur after a pause of several weeks to months following a period of already important pyroclastic activity (P1). This pause marked an adjustment phase of the plumbing system, rather than the end of the eruption, as could be assumed during monitoring of a similar event today.