I PRODOTTI DELLE ERUZIONI ESPLOSIVE : I PIROCLASTI

I PRODOTTI DELLE ERUZIONI ESPLOSIVE I PIROCLASTI

paragrafi:

1. COSA SONO I PIROCLASTI?
2. PERCHE' SI FORMANO I PIROCLASTI?
3. COME VENGONO ERUTTATI I PRODOTTI PIROCLASTICI?
4. COSA SONO I DEPOSITI PIROCLASTICI?

COSA SONO I PIROCLASTI?

Si chiamano piroclasti tutti i prodotti vulcanici emessi nel corso delle eruzioni esplosive. I piroclasti hanno nomi diversi a seconda della loro origine e delle loro dimensioni.

In base alla loro origine possono essere distinti in:

• iuvenili quando derivano dal magma che provoca l'eruzione. I piroclasti iuvenili comprendono:
• i frammenti vetrosi. Il vetro è una sostanza che può derivare da qualsiasi fuso silicatico quando il raffreddamento è rapido e non permette la formazione di una struttura molecolare organizzata. I piroclasti vetrosi e bollosi sono le pomici, le scorie e le ceneri. Le pomici sono di colore chiaro, da bianco a grigio, ricche di bolle lasciate dai gas e pertanto molto leggere. Le scorie sono di colore scuro, nero o rossiccio, meno vescicolate delle pomici. Le ceneri vetrose sono piccoli frammenti di pomici o di scorie. Altri piroclasti juvenili non presentano bolle, come l'ossidiana e le particelle di cenere che derivano dalle pareti di bolle esplose.
• i cristalli che si sono formati nel magma prima dell'eruzione.

litici accessori

Sono particelle solide non vescicolate che derivano da magma solidificato durante eruzioni precedenti e coinvolto in un'eruzione successiva.

litici accidentali

Sono frammenti di varia natura, anche non magmatica, provenienti dal condotto vulcanico o dalle rocce incassanti. Sono accidentali anche i clasti raccolti dal terreno dai flussi durante lo scorrimento al suolo.

xenoliti

Quando non è possibile individuare in una particella non vescicolata un elemento accidentale o accessorio, si usa il termine xenolite. Alcune xenoliti sono pezzetti di mantello terrestre, trascinati fino in superficie dal magma.

I prodotti piroclastici vengono classificati in base alle loro dimensioni:

• dimensioni maggiori di 64 mm
• bombe (emesse allo stato liquido)
• blocchi (emessi allo stato solido)

• dimensioni comprese tra 64 e 2 mm
• lapilli

• dimensioni comprese tra 2 mm e 62 micron
• cenere grossolana

• dimensioni inferiori ai 62 micron
• cenere fine

PERCHE' SI FORMANO I PIROCLASTI?

Il fuso magmatico contiene in soluzione una quantità di gas che dipende dalla sua composizione chimica e dalle condizioni di temperatura e pressione alle quali si trova.

Via via che il magma risale verso la superficie terrestre, diminuisce la pressione esterna e diminuisce di conseguenza la quantità di gas che può essere mantenuto in soluzione.

Quando la pressione esterna raggiunge un valore critico, detto pressione di saturazione, il gas comincia a uscire dal magma (processo di essoluzione) e a formare delle bolle.

Se il magma continua a salire, la pressione esterna diventa sempre minore e aumenta la quantità di gas che può essolversi. Le bolle si espandono e, essendo più leggere, risalgono attraverso il liquido magmatico.

Con la formazione delle bolle e con la loro espansione la massa totale aumenta di volume e aumenta anche la sua velocità di risalita.

Espandendosi, le bolle vicine si uniscono. Oltre una certa dimensione l'espansione termina e la pressione del gas all'interno delle bolle riprende ad aumentare, perché continuamente riscaldate dal magma che le circonda.

La differenza di pressione tra interno e esterno della bolla cresce anche perché le bolle continuano a risalire e si trovano in condizioni di pressione esterna sempre più bassa. Quando la pressione interna è più alta di quella esterna, la bolla esplode.

L'esplosione delle bolle avviene in parte all'interno del condotto vulcanico, prima che il magma arrivi in superficie. Altre bolle scoppiano all'uscita dalla bocca eruttiva, quando la pressione esterna è quella dell'aria.

L'esplosione delle bolle frammenta il magma in pezzi più o meno grandi che vengono scagliati in alto. Le bolle che non hanno una pressione interna sufficiente per esplodere, restano intrappolate nei brandelli di magma che raffreddano al contatto con l'aria.

Quanto più è alto il numero di bolle che esplode, tanto più il magma è frammentato. Le piccole dimensioni dei frammenti favoriscono un raffreddamento rapido che è la causa della struttura vetrosa di molti piroclasti. Le bolle inesplose all'interno dei frammenti danno ai piroclasti l'aspetto poroso e vescicolato, tipico delle pomici.

La frammentazione del magma e la formazione dei piroclasti è regolata dalle variazioni di pressione, esterna al magma e interna alle bolle di gas, nonché dalla quantità di gas che un magma è in grado di contenere e di essolvere.

La quantità di gas, a sua volta, dipende dal contenuto iniziale nel magma e dalla possibilità che ne venga aggiunto altro da fonti esterne. Il gas di origine esterna deriva dall'evaporazione di falde acquifere che il magma incontra durante la risalita o dal contatto con acque superficiali, quando l'eruzione avviene in bacini marini o lacustri.

Il contatto tra magma e acqua provoca la formazione di grandi quantità di vapore acqueo e può innescare violente esplosioni.

Le eruzioni esplosive avvengono generalmente da magmi con elevati contenuti in silice che sono in grado di trattenere abbondante gas al loro interno fino alle zone vicine alla superficie o da magmi (anche basici) che entrano in contatto con acqua esterna.

COME VENGONO ERUTTATI I PRODOTTI PIROCLASTICI?

Scorie e bombe basaltiche sono emesse in prevalenza nel corso di eruzioni hawaiiane con esplosioni moderate che lanciano brandelli di lava a altezze di qualche centinaio di metri. Quando l'emissione di magma è copiosa, si formano fontane di lava dalle quali ricadono pezzi di lava ancora caldi che si accumulano formando coni di scorie saldate (detti spatter).

Scorie, bombe e blocchi di composizione basaltica o intermedia sono eruttate nel corso di eruzioni stromboliane con esplosioni poco violente che si succedono a intervalli di tempo più o meno prolungati e con colonna eruttiva alta intorno al chilometro. 

Litici accessori di varie dimensioni, con abbondanza di frammenti molto piccoli derivanti dal condotto e dall'apparato vulcanico vengono scagliati in aria insieme a grandi quantità di vapore nel corso delle eruzioni vulcaniane.

Pomici e ceneri, in genere di composizione acida, sono i prodotti piroclastici tipici delle eruzioni pliniane, ma vengono emessi in abbondanza anche nel corso di tutte le eruzioni in cui avviene interazione tra acqua esterna e magma, come le freato-pliniane (magmi generalmente acidi) e le freato-magmatiche (o surtseyane, con magmi prevalentemente basici).

I piroclasti sono trascinati verso l'alto da colonne eruttive sostenute più o meno sviluppate a seconda del tipo di eruzione. Nel corso di alcune eruzioni molto violente, la miscela eruttiva (formata prevalentemente da pomici, cenere e gas) non sale verso l'alto, ma si espande dal cratere e scorre al suolo formando flussi piroclastici (quando i piroclasti sono più abbondanti del gas) o surge (quando il gas è prevalente).

COSA SONO I DEPOSITI PIROCLASTICI?

I prodotti emessi durante le eruzioni esplosive si accumulano al suolo formando i depositi piroclastici.

I depositi piroclastici vengono detti da caduta quando sono formati dai prodotti che ricadono a terra attraverso l'aria, per lanci diretti dal cratere (balistici) o dopo essere stati trasportati in alto da colonne eruttive sostenute.

I piroclasti che si sedimentano dai flussi piroclastici o dai surge formano i depositi da flusso. Alcuni depositi di grossi flussi piroclastici, composti prevalentemente da ceneri e pomici, si chiamano ignimbriti.

DEPOSITI DA CADUTA

La caduta al suolo dei piroclasti trasportati nelle colonne eruttive sostenute avviene a distanze e con velocità differenti a seconda delle dimensioni, densità (peso) e altezza cui vengono lanciati.

I piroclasti più pesanti cadono vicino al punto di emissione, quelli più piccoli e leggeri sono trasportati più in alto e cadono a distanze maggiori, quelli molto fini possono essere trasportati dai venti per lunghi tragitti e ricadono al suolo dopo tempi anche molto lunghi. Le colonne eruttive molto alte disperdono gran parte dei prodotti nella direzione del vento.

I piroclasti restano sostenuti nella colonna fino a quando la spinta verso l'alto supera la forza di gravità, dopo di che cadono accelerando finché la forza di gravità non è controbilanciata dall'attrito con l'aria. Da questo punto in poi la particella cade con una velocità costante, chiamata velocità terminale.

Alcuni grossi piroclasti non riescono ad alzarsi sopra il cratere e ricadono a terra seguendo una traiettoria balistica. L'impatto può provocare nel punto in cui cadono una impronta la cui geometria permette di risalire alla zona di provenienza del piroclasto.

Una caratteristica dei depositi da caduta è quella di mantellare la topografia esistente prima dell'eruzione con uno spessore uniforme, come una nevicata che ricopre un terreno. 

I prodotti da caduta sono in genere spigolosi, perché non vengono abrasi durante il trasporto e la sedimentazione. Le dimensioni dei granuli e lo spessore del deposito diminuiscono regolarmente con la distanza dal centro di emissione.

I depositi da caduta sono spesso caratterizzati da una buona selezione granulometrica, cioé i piroclasti hanno mediamente la stessa dimensione, a una determinata distanza dal cratere. Questo indica che le colonne sostenute restano alla stessa altezza per periodi abbastanza lunghi.

Se l'altezza della colonna varia, variano anche le dimensioni dei piroclasti che ricadono in uno stesso punto. Quando i piroclasti diventano più piccoli verso l'alto del deposito si dice che c'è una gradazione granulometrica diretta. Quando diventano più grossi la gradazione granulometrica si chiama inversa.

I grossi depositi di pomici da caduta si formano norso delle eruzioni pliniane e coprono un'area di forma ellittica intorno al cratere, allungata nella direzione del vento. Le ceneri delle colonne pliniane sono trasportate dai venti, si sedimentano anche dopo tempi molto lunghi e in zone più lontane.

I depositi di ceneri da caduta si trovano spesso sopra i depositi da flusso e sono formati da ceneri molto fini che sono state espulse insieme alla fase gassosa da grossi flussi piroclastici. La cenere della nube che si forma sopra il flusso ricade al suolo dopo la sedimentazione dei prodotti da flusso.

I depositi di scorie da caduta derivano da eruzioni moderatamente esplosive di magmi generalmente basici. La loro distribuzione è simmetrica intorno al cratere, non essendo i lanci sufficientemente alti per risentire dell'effetto del vento.

Alcuni depositi da caduta sono formati da strati di lapilli intercalati da sottili livelli di cenere. In questo caso l'eruzione può essersi sviluppata attraverso fasi esplosive, corrispondenti al deposito di lapilli, alternate a pause durante le quali si sono sedimentate le particelle fini rimaste in sospensione.

Quando, intercalati ai lapilli da caduta, si trovano ceneri da flusso il deposito viene interpretato come il risultato di fasi alterne a colonna sostenuta e colonna collassante. Spesso questi depositi terminano con grossi spessori di prodotti da flusso piroclastico.

In alcuni depositi da caduta si riscontra una zonatura chimica laterale, cui corrisponde anche una differente densità dei prodotti. I piroclasti di composizione basica sono più densi e ricadono vicino al cratere, mentre quelli più acidi sono meno densi e possono essere trasportati più in alto dalla colonna eruttiva e cadere al suolo in zone più lontane. Il fenomeno, viene chiamato frazionamento eolico.

In genere lo spessore dei depositi da caduta decresce regolarmente con la distanza dal centro eruttivo. In alcuni depositi di ceneri da caduta sono stati rilevati incrementi di spesssore con la distanza. Questo fatto viene interpretato come conseguenza della ricaduta al suolo di aggregati composti da particelle molto fini che avrebbero avuto, separatamente, una distribuzione più vasta.

DEPOSITI DA FLUSSO

I depositi da flusso hanno caratteristiche molto diverse a seconda che derivino dai flussi piroclasti o dai surge.

depositi dei flussi piroclastici

I flussi piroclastici sono miscele di piroclasti e gas, molto dense e in parte fluidizzate, cioé i granuli meno pesanti sono sostenuti nella miscela grazie al movimento dei gas verso l'esterno.

I flussi piroclastici scendono dal vulcano scorrendo nelle incisioni, aggirano gli eventuali ostacoli morfologici e possono scavalcare rilievi non troppo alti. I loro depositi risultano di conseguenza più spessi nelle depressioni, che tendono a riempire, e sono assenti sui pendii ripidi.

I piroclasti, soprattutto quelli più fragili come le pomici, sono arrotondati per i continui urti che subiscono durante il trasporto. I depositi dei flussi piroclastici presentano scarsa selezione granulometrica e in uno stesso punto si possono trovare insieme cenere molto fine e grossi litici. 

Durante il trasporto, i piroclasti più grossi e più densi cadono verso il fondo, mentre le pomici leggere tendono a galleggiare nella parte superiore del flusso. Nei depositi da flusso si trovano spesso litici a gradazione diretta alla base e pomici a gradazione inversa nella parte alta.

Una caratteristica dei depositi da flusso denso sono le strutture di degassazione. I gas costipati tra i granuli escono dal flusso trascinando verso l'esterno le particelle più fini. Nei canali percorsi dal flusso di gas restano solo i piroclasti densi o pesanti e manca la matrice fine. Queste strutture sono dette anche pipes.

Alcuni depositi da flusso sono saldati e formano una roccia che viene chiamata tufo vulcanico. In depositi molto grossi le pomici sono spesso schiacciate e deformate e vengono dette fiamme.

depositi dei surge

I depositi da surge possono essere molto diversi, in quanto con surge si definiscono tutti i flussi nei quali il volume dei gas è maggiore di quello dei piroclasti solidi. Il movimento dei gas tra le particelle, non essendo ostacolato da un'alta concentrazione, segue dei vortici turbolenti che espandono la nube eruttiva.

Ogni corrente piroclastica con queste caratteristiche, espansa e turbolenta, viene chiamata surge, ma può svilupparsi in situazioni molto diverse:

• base surge (si forma alla base di colonne pliniane o direttamente da esplosioni),
• ground surge (si forma alla base dei flussi piroclastici)
• ash-cloud surge (si forma sopra i flussi piroclastici).

Solo il base surge rappresenta un episodio eruttivo indipendente, mentre gli altri due tipi di surge si formano da un flusso piroclastico. I surge, essendo costituiti prevalentemente da gas, non sono in grado di mantenere in sospensione piroclasti di grosse dimensioni e, di conseguenza, i depositi sono formati essenzialmente da prodotti a granulometria fine.

Quando scorre, un surge tende a incanalarsi nelle vallate ma, data la sua turbolenza e velocità, è in grado di superare anche notevoli rilievi. Per questo, i depositi da surge hanno caratteristiche intermedie tra quelli da caduta e quelli da flusso piroclastico: tendono ad avere gli spessori maggiori nelle depressioni, ma si possono trovare anche su rilievi e pendii, dove generalmente non vi sono depositi da flusso.

Una caratteristica di molti depositi da surge consiste nella presenza di strutture sedimentarie quali dune, laminazioni ari, antidune, strutture a laminazione incrociata e forme di trazione che variano con la distanza dal centro eruttivo.

I depositi dei base surge costituiscono spesso i bordi di vulcani tipo maar e anelli di tufo, piccoli edifici vulcanici che si formano per esplosioni causate da interazione tra acqua di falde sotterranee e magma. Il magma è molto frammentato e i piroclasti hanno dimensioni da ceneri grossolane a ceneri fini, con abbondanti litici balistici nei pressi del cratere.

Lo spessore del deposito di un solo base surge può essere molto piccolo ma, essendo comune la successione di più esplosioni durante le eruzioni che formano base surge, i depositi sono spesso formati dalla sovrapposizione di molti strati.

Le strutture sedimentarie nei depositi dei base surge variano con la distanza dal cratere. Nelle zone vicine al punto di emissione è frequente la formazione di dune.  A distanze intermedie gli strati sono prevalentemente massivi, cioé privi di strutture. Nelle zone più distanti dal centro eruttivo il deposito ha strutture ari.

La formazione di queste strutture è collegata alla variazione nella concentrazione delle particelle e alla diminuzione della turbolenza che si producono nel surge per la sua progressiva perdita di gas e volume (deflazione) con la distanza.

La parte superiore di grossi depositi di pomici e ceneri da flusso (ignimbriti) è formata da strati di ceneri fini con strutture sedimentarie tipiche dei surge. Questa parte di deposito deriva da una nube espansa e turbolenta, chiamata ash-cloud surge, formata dalla cenere più fine che i gas hanno trascinato all'esterno del flusso piroclastico.

Perché si formi un ash-cloud surge in grado di lasciare un deposito rilevabile, il flusso piroclastico deve essere molto voluminoso e con abbondante cenere e gas. 

I depositi dei ground surge sono formati da strati di particelle dense (cristalli e piccoli litici), senza matrice, sedimentati da correnti espanse che si generano alla base di un flusso piroclastico. La matrice è asportata dal movimento vorticoso dei gas.

La formazione di un surge alla base di un flusso concentrato è favorita dall'inglobamento di aria esterna e dalla presenza di umidità nel terreno. L'aria e l'umidità assorbite vengono riscaldate rapidamente e creano una zona basale espansa e turbolenta, sopra la quale scorre la massa densa del flusso.

LE COLATE DI FANGO O LAHAR

Alcuni depositi piroclastici, pur essendo conseguenza di eruzioni esplosive, non sono sedimentati da processi contemporanei all'evento eruttivo. Tra questi, vi sono le valanghe di fango, di solito chiamate con il termine indonesiano lahar, con il quale ci si riferisce sia al tipo di flusso che al deposito.

In molti casi, i lahar si verificano in coincidenza dell'eruzione o poco dopo, ma possono avvenire anche a distanza di molto tempo, favoriti dalla caduta di acque piovane.

Una delle più gravi catastrofi vulcaniche degli ultimi tempi, quella del Nevado del Ruiz (Colombia) nel 1985, che ha provocato 25000 morti, è stata causata da lahar. Un'eruzione di piccola rilevanza fece sciogliere il ghiacciaio formatosi sul vulcano, alto oltre 5000 m, provocando valanghe che si sono incanalate lungo le valli per più di 50 km, distruggendo il villaggio di Armero varie ore dopo l'inizio dell'eruzione.

I lahar si formano perché nel corso delle eruzioni esplosive le pendici dei vulcani si ricoprono di materiale incoerente, scorie, ceneri e pomici, facilmente rimovibili dalla pioggia, dal ghiaccio sciolto dall'eruzione o dal vapore emesso dal vulcano. I lahar derivanti da eruzioni che avvengono attraverso laghi o dal collasso di laghi craterici possono essere i più distruttivi, in quanto coinvolgono istantaneamente grandi quantità di acqua.

I lahar sono tanto più pericolosi quanto più grande è il bacino di accumulo dal quale provengono e quanto più vi è differenza di quota fra il bacino di accumulo e quello di deposizione. Possono travolgere e inglobare tutto ciò che incontrano, trasportando massi di diverse tonnellate e tronchi d'albero.

Come gli altri flussi densi, i lahar si incanalano nelle vallate dove formano depositi interstratificati con materiali alluvionali, con rocce piroclastiche o colate di lava originate dal medesimo vulcano.

Se il flusso raggiunge lo sbocco delle valli, si apre in lobi digitati e i depositi hanno la forma di un ventaglio. Quando una vallata si restringe, lo spessore del flusso aumenta e lascia sui fianchi della valle il segno del livello raggiunto con un sottile deposito.

I clasti trasportati da un lahar possono avere dimensioni molto varie ma, rispetto a quelli di un flusso piroclastico, sono mediamente più grossi. I blocchi decrescono in numero e dimensione con la distanza, mentre le particelle meno grosse non sempre seguono questo andamento.

Lo spessore dei lahar è molto variabile, da qualche metro al centinaio di metri. Come i flussi di detrito non vulcanico molto densi, tendono a fermarsi formando un alto fronte. La superficie del deposito nel suo insieme appare piatta, ma in dettaglio si osservano numerose irregolarità dovute al differente grado di compattazione del materiale.