Analysis of cooling effects and non-Newtonian rheology on lava flow dynamics

Abstract

La actividad volcanica representa una gran amenaza para la propiedad privada, comunidades y habitantes ubicados en las cercanias de centros volcanicos. La volcanologia y mecanica de fluidos se utilizan en conjunto con el fin de estudiar la evolucion de los flujos de lava. Nos enfocamos en el estudio de flujos de lava simples y viscosos, de composiciones andesitica hasta riolitica, para determinar la relevancia de la evolucion reologica del flujo en tiempos de emplazamiento, distancias, y proporciones finales. Los experimentos analogos han sido una herramienta util en previos estudios de flujos de lava. Para este trabajo se caracterizo el manjar, un derivado de la leche, para utilizarlo como material analogo de lava viscosa con una reologia dependiente de la temperatura. Los experimentos simularon un flujo no confinado simple sobre una superficie inclinada, en el Laboratorio de Volcanologia Experimental del Laboratoire de Magmas et Volcans, Clermont-Ferrand, Francia.

Un total de 33 experimentos de extrusiones puntuales sobre una superficie inclinada, con caudales desde 1 $ (cc/s) $ a 25 $ (cc/s) $, con inclinaciones entre 10$^\circ$ - 15$^\circ$, y diferentes temperaturas iniciales desde ambiente hasta 71\textcelsius{}. Cada experimento fue grabado con camara visual y camara termica, con los cuales se pudo obtener la evolucion termica y las distancias en el tiempo a las que avanzaba cada flujo. Se utilizo python para obtener la base de datos de temperatura, y bibliotecas especificas para manejar, procesar y visualizar datos, tales com matplotlib, scipy y pandas.

Los resultados indican que la formacion de una pseudo corteza en los flujos de manjar que estan sujetos a enfriamiento, controlan las distintas dimensiones y tiempos de emplazamiento obtenidos para los flujos estudiados, mientras que los cambios de pendiente tambien juegan un rol importante en estos resultados. La existencia de esta pseudo corteza esta basada en la perdida de agua presente en el manjar, asi como tambien en la buena correlacion existente que muestra el numero de Graetz con las diferentes dimensiones obtenidas, que dependen de la tasa efusiva, la escala de tiempo de extrusion, y por ende el desarrollo de esta corteza obtenida segun estimaciones basadas en la difusividad termica del material. Mayores caudales presentan flujos mas anchos con menores espesores, mientras que menores caudales se desarrollan de manera vertical, teniendo menor expansion areal y mayores espesores. Mayores pendientes resultan en flujos que se desarrollan principalmente pendiente abajo, con distancias de $ X_{min} $ e $ Y_{max} $ menores. Por otro lado, la comparacion entre flujos sujetos a enfriamiento versus flujos en condiciones isotermales, tambien apoyan la teoria de existencia de una pseudo corteza que controla la dinamica de flujo.

Los modelos DEM realizados presentan caracteristicas similares a las presentes en flujos de lava, con zonas de menor espesor cerca del punto extrusivo, seguido por un posible canal central entre estructuras tipo levee que culminan en un frente de flujo de gran espesor, presentando la mayor potencia del flujo. Este frente de flujo inflado, consideramos que es evidencia de que existe una pseudo corteza que contiene material con mayor movilidad en su interior. Los perfiles de temperatura de termocuplas y FLIR, tambien muestran como existe un perfil termal vertical en los flujos, con altas temperaturas en porciones internas luego de que todo el material ya ha sido extruido, mientras la superficie del flujo presenta menores temperaturas.